Формирование радиосигналов с амплитудной модуляцией. (Лекция 6) презентация

образом изменять один из параметров радиочастотного колебания, называемого несущим, в соответствии с передаваемым низкочастотным сигналом. Это достигается с помощью модуляции радиочастотного колебания.
Известно, что гармоническое колебание
u = Ucos(ωt+ψ)
характеризуется тремя, независимыми параметрами: амплитудой, частотой и фазой.
Соответственно различают три основных вида модуляции:
- амплитудная,
- частотная,
- фазовая.
Амплитудной модуляцией (АМ) называют такой вид воздействия на несущее колебание, в результате которого его амплитуда изменяется по закону передаваемого (модулирующего) сигнала.

= UΩcosΩt,
много меньшей частоты несущего колебания ω.
В результате модуляции амплитуда напряжения несущего колебания должна изменяться пропорционально напряжению модулирующего сигнала uΩ (рис. 1):
UAM = U + kUΩcosΩt = U + ΔUcosΩt, (1)
где U - амплитуда напряжения несущего радиочастотного колебания;
ΔU=kUΩ - приращение амплитуды.

UAM cosωt = (U + ΔUcosΩt) cosωt = U (1+ ΔU/U cosΩt) cosωt
(2)
По такому же закону будет изменяться и ток iAM при модуляции.
Величина, характеризующая отношение величины измене-ния амплитуды колебаний ΔU к их амплитуде в отсутствии модуляции U, называется коэффициентом (глубиной) модуляции
(3)

Из этого следует, что максимальная амплитуда колебаний Umax = U + ΔU = U (1+m)
минимальная амплитуда Umin= U (1-m).

собой сумму трех колебаний
UAM = U(1+ mcosΩt)cosωt =
Ucosωt + m cos(ω - Ω)t + m cos(ω + Ω)t
Первое слагаемое – колебания передатчика в отсутствии модуляции (режим молчания). Вторые – колебания боковых частот.

Fmax , то спектр полученного АМ сигнала имеет вид, изображенный на рис. Занимаемая АМ - сигналом полоса частот Δfс не зависит от m и равна
Δfс = 2Fmax (5)
Возникновение колебаний боковых частот при модуляции приводит к необходимости расширения полосы пропускания контуров передатчика (и, соответственно, приемника). Она должна быть
(6)
где Q - добротность контуров,
Δf - абсолютная расстройка,
Δfк - полоса пропускания контура.
На рис. спектральные составляющие, соответствующие нижним модулирующим частотам (Fmin) имеют меньшие ординаты.

на вход передатчика, амплитуды высокочастотных составляющих спектра малы по сравнению с составляющими низких и средних частот.
Что касается шумов на входе детектора в приемнике, то их спектральная плотность постоянна в пределах полосы пропускания приемника. В результате коэффициент модуляции и отношение сигнал-шум на входе детектора приемника для высоких частот модулирующего сигнала оказываются малыми.
Для увеличения отношения сигнал-шум высокочастотные составляющие модулирующего сигнала при передаче подчеркиваются путем усиления высокочастотных составляющих в большее число раз по сравнению с составляющими низких и средних частот, а при приеме до или после детектора во столько же раз ослабляются.
Ослабление высокочастотных составляющих до детектора происходит практически всегда в высокочастотных резонансных цепях приемника.
Необходимо отметить, что искусственное подчеркивание верхних модулирующих частот допустимо, пока оно не приводит к перемодуляции (m > 1).

и ток изменяются в соответствии с (2). Тогда средняя мощность за период высокой частоты при амплитудной модуляции

(7)



где - средняя мощность за период высокой частоты в режиме молчания, Rэ - сопротивление нагрузки для активного элемента каскада, в котором осуществляется модуляция.

в режиме несущей частоты согласно (7) когда cosΩt = ±1
Рmax = Р(1+ m)2; Рmin = Р(1− m)2.
При m = 1 мощность в максимальном режиме в 4 раза больше, чем в режиме несущей частоты, а в минимальном равна нулю. Средняя мощность за период модулирующего напряжения (телефонная мощность)

(8)

При m = 1 мощность в телефонном режиме в 1,5 раза превосходит мощность в режиме несущей частоты. Из соотношения (8) можно установить, что мощность обеих боковых полос, в которых заключена передаваемая информация, определяется соотношением

(9)
Энергетические характеристики генератора при АМ в течение длительного отрезка времени работы определяются некоторыми среднестатистическими параметрами информационного сигнала.

mср, значения которого определяются следующим образом
(10)

где р - пик-фактор, представляющий собой отношение максимального и среднего действующего (эффективного) значений напряжения или тока модулирующего сигнала.

в пределах 3,5...4.
Полагая m max = 1, получим: mср = 0,35...0,4. Это означает, что мощность обеих боковых полос, которая в соответствии с (9) равна


составляет всего лишь около 5-10% от мощности генератора в максимальном режиме Рmax = 4Р. Такие низкие энергетические показатели являются серьезным недостатком АМ.

Модуляционное устройство – устройство, которое вырабатывает модулирующее напряжение, управляющее изменением информационного параметра ВЧ колебания. В РПдУ СС с АМ таким устройством обычно является УЗЧ, который усиливает сигнал, например с микрофона.
Модулятор – устройство, в котором непосредственно осуществляется модуляция.
Рассмотрим процесс АМ с точки зрения теории ГВВ. При осуществлении АМ необходимо обеспечить линейную зависимость изменения амплитуды первой гармоники тока на выходе каскада от амплитуды модулирующего напряжения. Изменение амплитуды тока осуществляется изменением одного из параметров выходного каскада (ВК).

внешним возбуждением.
Анодная модуляция.
Модуляция изменением величины сопротивления нагрузки.
Кроме названных способов осуществляют комбинированные способы (двойная модуляция), например, анодно-сеточная модуляция.
Для транзисторных ВК различают способы осуществления АМ:
Базовая модуляция смещением.
Модуляция возбуждением.
Коллекторная модуляция.
Наибольшее применение находят коллекторная и коллекторно-базовая модуляции.

искажений.
Статическая модуляционная характеристика представляет собой зависимость первой гармоники тока (анодного/коллек-торного) от изменения постоянного напряжения на электроде, по которому производится модуляция. Например, при сеточной модуляции смещением изменяется напряжение смещения на управляющей сетке Ес(t) и статическая модуляционная характе-ристика имеет вид:

обеспечения наименьших нелинейных искажений.
Динамические модуляционные характеристики (амплитудная и частотная) позволяют оценить качество модуляции в реальных условиях - при воздействии на модулируемый каскад переменного модулирующего напряжения UΩ.
Амплитудной динамической модуляционной характеристикой называют зависимость коэффициента модуляции от амплитуды модулирующего напряжения m = ƒ(UΩ) при заданной частоте модуляции (обычно при F = 400 Гц). Типичный вид такой характеристики изображен на рис.

напряжения UΩ, т.е. снимаются m+ = ƒ(UΩ) и m− = ƒ(UΩ). Совпадение m+ и m− говорит о симметричности модуляции, а следовательно, о малых нелинейных искажениях.
Частотной динамической модуляционной характеристикой называют зависимость коэффициента модуляции от частоты модулирующего напряжения m = ƒ(Ω) при заданной амплитуде этого напряжения. Один из примеров подобных характеристик приведен на рис.

разборчивостью речи (артикуляцией) и определяется формулой



где А - амплитуда соответствующих гармоник тока или напряжения в спектре огибающей сигнала после модуляции.
У радиовещательных станций КНИ равен (1...2%), у служебных - до 15%.
Артикуляция (разборчивость) определяется отношением числа правильно принятых слов к общему числу переданных слов. Артикуляция дает итоговую оценку качества работы передатчика.

смещением.

= const импульсы анодного тока будут линейно нарастать по амплитуде, т.е. при модуляции напряжением смещения изменяется угол отсечки и амплитуда импульсов анодного тока.
На рис. показана статическая модуляционная характеристика Ia1 = f (Ec), и характеристика Iao = f (Ec). По этим характеристикам выбирается начальное напряжение смещения, т.е. значение Ес в режиме молчания (без модуляции).
Если напряжение смещения изменять по гармоническому закону, то результирующее напряжение на сетке лампы будет
ес = Ec+UΩcosΩt + Uсcosωt.
В результате огибающая импульсов анодного тока также будет изменяться по гармоническому закону, а напряжение на выходном контуре будет иметь вид АМ колебаний.
Можно показать, что косинус угла отсечки в пределах изменения угла θ = 40...110° пропорционален напряжению смещения (первая гармоника анодного тока также линейно связана с cos(θ): Ia1 = SUc(1 - cos(θ))α1 ). Следовательно, в указанных пределах между Ia1 и напряжением смещения существует линейная зависимость, позволяющая производить неискаженную модуляцию.

должна быть не менее мощности Рmax
Рном ≥ Рmax = Р(1+m)2.
Максимальное значение мощности потребляемой от источника питания
Ро max = Iао max Еа = Ро(1+ m).
Тогда коэффициент полезного действия в максимальном режиме



где - коэффициент полезного действия ГВВ без модуляции.
Если, например, при угле отсечки в максимальном режиме θmax = 110°, m = 0,8, ηmax = 0,63 и тогда
Учитывая, что эксплуатационный КПД определяется данными режима молчания – низкий КПД является недостатком модуляции смещением.
Достоинство – малая мощность модуляционного устройства – усилителя звуковой частоты (УЗЧ).

Последовательно с источником постоянного напряжения Еа включается вторичная обмотка модуляционного трансфор-матора, поэтому напряжение источника анодного питания суммируется с модулирующим напряжением.

его постоянная составляющая изменяются по закону
Iа1(Ωt) = Iа1н(1 + mcosΩt) ,
Iаo(Ωt) = Iаoн(1 + mcosΩt) .
В режиме молчания напряжение на аноде выбирается обычно равным номинальному (паспортному) значению
Еа = Еа ном.

= 1

Таким образом, поскольку Еа = Еаном, в максимальном режиме лампа отдает удвоенную мощность. При этом в отдельные моменты времени напряжение на аноде превышает номинальное (паспортное) значение в два раза.
Однако подобный режим не является опасным для лампы, поскольку среднее за период низкой частоты напряжение на аноде лампы равно Еа.
В качестве вывода необходимо отметить достоинства и недостатки анодной (коллекторной) амплитудной модуляции.
Достоинства – высокий КПД модулятора в режиме несущей η = ηmax, недостаток - большой требуемый уровень мощности модуляционного устройства, сравнимый с мощностью модулятора.

находит широкого применения из-за нелинейности модуляционных характеристик и трудных условий работы модуляционного устройства.
Это связано с тем, что выход модуляционного устройства (УЗЧ) нагружается на емкость эмиттерного перехода модулируемого каскада (модулятора), величина которой зависит от уровня сигнала. Кроме того, КПД базовой модуляции смещением низок, как и при сеточной модуляции.
Коллекторная модуляция - основной вид AM, применяемый в транзисторных генераторах.

осуществляется в перенапряженном режиме и, требуя более мощного модуляционного устройства, позволяет получить более высокий КПД модулятора, большую глубину модуляции и лучшую линейность модуляционной характеристики.
Основные особенности:
1. При коллекторной модуляции нельзя форсировать режим работы по напряжению на коллекторе, так как превышение максимального напряжения eкол доп приводит к выходу транзистора из строя. Напряжение коллекторного питания выбирают из условия
е к max= Ек+ UΩ+ Uк mах < еКдоп
Учитывая это выигрыш по мощности по сравнению с ламповой схеме получить не удается.
2. Если не применять подмодуляцию в предыдущем каскаде, напряженность режима транзистора в модулируемом каскаде изменяется в больших пределах. В некоторые моменты времени при достаточно малом напряжении коллектора происходит отпирание коллекторного перехода в прямом направлении. В результате колебания радиочастоты из базовой цепи поступают непосредственно в коллекторную цепь через малое сопротивление коллекторного перехода.

предыдущем каскаде подмодуляции с
m < 1 выравнивает напряженность режима работы транзистора и улучшает линейность модуляционной характеристики (сплошная линия на рис.) В этом случае осуществляется тройная коллекторная модуляция: на коллектор и, за счет автосмещения, на базу в оконечном каскаде, и на коллектор в предыдущем.

часто бывает целесообразно сначала произвести модуляцию на малом уровне мощности, а затем модулированные колебания усилить.

для лампового УМС, представленных на рис. видно, что при смещении Ес = Ес‘ угол отсечки всех импульсов анодного тока равен θ = 90°, а их амплитуда пропорциональна амплитуде возбуждающего напряжения и усиление будет происходить без искажения до значения Uc max. При этом статическая модуляционная характеристика
Ia1 = f(Uc), будет линейной.
Энергетические соотношения в режиме усиления модулированных колебаний получаются таким же, как при модуляции смещением, поскольку активный элемент работает в недонапряжённом режиме.

на 3-ю сетку пентода, работающего в выходном каскаде передатчика. Вследствие отрицательного смещения на 3-й сетке выходная мощность при отсутствии модуляции устанавливается равной 25% от максимальной, которую может дать лампа.
L2 - дроссель питания анодной цепи; катушка L1, шунтированная R5, предотвращает возникновение самовозбуждения усилителя на частотах микроволновых диапазонов.

каскаде передатчика КВ/УКВ диапазонов. Подбором сопротивления R3 устанавливается напряжение питания выходного каскада передатчика (транзистор VT1) близким к +12 В.

передатчик с импульсной АМ содержит возбудитель, умножитель частоты, усилитель мощности и модулятор, который обычно совмещен с УМ.






На рис. приведена схема
генератора телеграфных
сигналов для передатчика с формированием однополосного сигнала на частоте 500 кГц. Плавное нарастание и спад телеграфного сигнала здесь достигаются зарядом и разрядом конденсатора С5.

R5.