Электроника в вопросах и ответах

Что такое модуляция?

Модуляция — это процесс изменения во времени выбранной характеристической величины одного переменного электрического колебания, называемого модулируемым, под влиянием второго колебания, называемого модулирующим.

Когда применяется модуляция?

Непосредственная передача информации, например по проводам, не всегда возможна и рациональна. Передача информации с помощью электромагнитных волн возможна только в диапазоне высоких частот, в котором энергия может излучаться с большей эффективностью. Для устранения взаимных помех при передаче на расстояние по радио или по проводам большого объема информации, в частности телефонной, существует необходимость переноса ее из занимаемого низкочастотного диапазона частот (звуковых) в диапазон высоких частот.

Модуляция предназначена для переноса информации, содержащейся в некотором диапазоне частот, в другой частотный диапазон и в связи с этим является основным процессом в области передачи сигналов, особенно с помощью электромагнитных волн.

Колебание, с помощью которого передается сигнал, носит название несущего колебания или несущей частоты. В процессе модуляции на несущую накладывается модулирующее колебание, содержащее передаваемую информацию.

Какие существуют виды модуляции?

Существует несколько основных видов модуляции. Перед тем как их определить, следует обратить внимание на то, что несущее колебание, подвергаемое процессу модуляции, является синусоидальным колебанием, которое можно записать в следующем виде:

u = A·cos(ωt + θ)

где А — амплитуда несущего колебания; ω = 2πft — круговая частота несущего колебания; θ — фазовый угол.

Модулирующий сигнал, содержащий информацию, может изменять каждую из этих величии таким способом, который отражает его мгновенное значение. В том случае, когда амплитуда несущего колебания изменяется пропорционально модулирующему сигналу, имеем дело с амплитудной модуляцией. Если пропорционально сигналу изменяется частота f несущего колебания, то говорят о частотной модуляции. И, наконец, если пропорционально сигналу изменяется фазовый угол θ несущего колебания, имеет место фазовая модуляция. Два последних вида модуляции (частотную и фазовую) определяют иногда общим названием — угловая модуляция.

Все указанные виды модуляции относятся к непрерывной модуляции. Кроме того, существует возможность дискретизации модулирующего сигнала путем создания импульсов, которые содержат информаций, соответствующую модулирующему сигналу. Этим импульсом можно модулировать величины А или «несущего колебания. При этом будем иметь дело со многими системами импульсной модуляции.

Следует еще упомянуть, что для каждого вида модуляции всегда очень важным вопросом с практической точки зрения является сохранение лишь одного вида модуляции. Если несущее колебание одновременно модулируется по амплитуде и фазе, то один из этих видов модуляции рассматривается как паразитный.

Каковы основные свойства амплитудной модуляции?

При амплитудной модуляции амплитуда несущего колебания А изменяется пропорционально модулирующему сигналу. На рис. 11.1 показаны три колебания — несущее, модулирующее и модулированное. Видно, что в модулированном колебании огибающая выходного сигнала идентична модулирующему сигналу. Характерно то, что, когда огибающая увеличивается в положительном направлении, одновременно она увеличивается и в отрицательном. Амплитуда огибающей является долей амплитуды несущего колебания. Эта доля, обозначаемая буквой m, обычно выражена в процентах и называется коэффициентом глубины модуляции или просто глубиной модуляции. Глубина модуляции может изменяться от 0 до 100 %. Если m больше 100 %, то модулированное колебание сильно искажено.

Рис. 11.1. Амплитудная модуляция:

_{а — не модулированное несущее колебание; б — модулирующий сигнал; в — амплитудно-модулированное колебание}

Если несущее колебание промодулировано косинусоидальным сигналом, мгновенное значение модулированного колебания можно записать в следующем виде:

u = (1 + m·cos Ωt)·A·cos ωt

в котором m — глубина модуляции; А — амплитуда несущего колебания; Ω — круговая частота модулирующего сигнала; ω — круговая частота несущего колебания.

Преобразуем это уравнение

Три полученные составляющие определяют спектр модулированного сигнала.

Первая составляющая является несущим колебанием с частотой ω, вторая составляющая с амплитудой m·А/2 и частотой ω + Ω — верхняя боковая полоса, а третья составляющая с амплитудой m·А/2 и частотой ω — Ω — нижняя боковая полоса. Если, например, частота несущего колебания составляет 200, а частота модулирующего сигнала 1 кГц, то спектр модулированного сигнала состоит из трех частот: 200 кГц, 200 — 1 = 199 кГц и 200 + 1 = 201 кГц.

Из рис. 11.2 видно, что модулирующий сигнал с частотой 1 кГц перенесен в полосу несущей 200 кГц и информация в модулированном сигнале содержится в двух боковых полосах, расположенных симметрично относительно несущего колебания. Одновременно можно сделать вывод, что ширина полосы, занимаемой амплитудно-модулированным сигналом, равна удвоенной частоте модулирующего сигнала.

Рис. 11.2. Частотный спектр амплитудно-модулированного сигнала:

_{1 — несущая частота; 2 — нижняя боковая; 3 — верхняя боковая частота}

Следует подчеркнуть, что существование боковых полос не является результатом математического анализа, вытекающего из преобразования выражения для модулированного сигнала, а имеет реальную физическую интерпретацию. С помощью соответствующих фильтров можно выделить отдельные составляющие спектра, так же как, располагая такими составляющими, можно составить колебание, соответствующее модулированному колебанию.

На практике модулирующий сигнал не является простейшим синусоидальным сигналом, а занимает некоторую полосу частот, например звуковых или изображения. В связи с этим боковые полосы выглядят не одиночными линиями, а полосами, расположенными симметрично относительно несущего колебания.

Из анализа спектра амплитудно-модулированного сигнала вытекает, что полезная информация содержится только в боковых полосах (частотах). Сравнивая амплитуды отдельных спектральных линий, приходим к выводу, что они находятся в соотношении 1:(m/2):(m/2). Поскольку мощность пропорциональна квадрату напряжения, отношение мощностей, переносимых боковыми частотами, имеет вид: 1:(m²/4):(m²/4). Например, если мощность несущего колебания составляет 500 Вт, то при m = 1 мощность каждой из боковых составляет 125 Вт и, следовательно, соответствует только 25 % мощности несущего колебания. При меньших глубинах модуляции доля боковых частот в общей мощности еще меньше. Изменению не подвергается только мощность несущего колебания — переносчик энергии.

Далее увидим, что существует возможность передачи информации без несущего колебания, а также без несущей и одной боковой полосы в системах однополосной модуляции.

На каком принципе работают амплитудные модуляторы?

Основное требование, предъявляемое к амплитудному модулятору, — это то, чтобы он был нелинейным устройством. При подведении к нелинейному устройству двух сигналов с разными частотами создаются условия взаимодействия этих сигналов. Рассмотрим простейший диодный модулятор, изображенный на рис. 11.3.

Рис. 11.3. Диодный модулятор

Во входную цепь диода включены два источника сигналов, из которых один является несущим сигналом с частотой f, значительно большей, чем частота F другого сигнала, являющегося модулирующим. Напряжение, возникающее на нагрузочном сопротивлении диода, управляет буферным усилителем, нагруженным резонансным контуром, настроенным на частоту несущего сигнала. Из-за нелинейности характеристики диода в его выходной цепи возникают сигналы основной частоты и комбинированных частот типа f + F; f + 2F; f — F; f — 2F; 2f + F и т. д. Подбирая соответственно ширину полосы резонансного контура, можно выделить на выходе сигналы с частотами f; f — F и f + F, соответствующие несущему колебанию, а также нижней и верхней боковым частотам. Как уже известно, сумма этих сигналов является амплитудно-модулированным колебанием.

Какие существуют схемы амплитудных модуляторов?

Диодный модулятор, изображенный на рис. 11.3, на практике почти не применяется, поскольку не позволяет получать большие глубины модуляции без значительных искажений. Чаще всего амплитудная модуляция осуществляется в одном из каскадов высокочастотных усилителей мощности, работающих в классе С, так как только при этом можно получить достаточную линейность модулированного колебания. Модуляцию можно осуществлять как на низком, так и на высоком уровне мощности. В первом случае амплитудно-модулированное колебание усиливается в линейном усилителе класса В до требуемого выходного уровня.

Принцип работы модуляторов класса С основывается на увеличении коэффициента усиления усилителя высокой частоты в положительный полупериод модулирующего сигнала и уменьшении его в отрицательный полупериод. Этот принцип осуществляется подачей модулирующего сигнала на сетку, анод или катод триода. В пентоде модулирующий сигнал может быть подан на экранную или защитную сетку. Обычно уже в названии схемы модулятора указывается, на какой из электродов усилительной лампы подается модулирующий сигнал. В передатчиках малой мощности в модуляторах работают транзисторы, при этом модулирующий сигнал подводится к коллектору, эмиттеру либо базе.

На рис. 11.4 изображены основные схемы модуляторов. При анодной модуляции напряжение, питающее анод лампы усилителя высокой частоты, изменяется в такт с модулирующей частотой благодаря включению в цепь питания трансформатора. В сеточном модуляторе модуляционный трансформатор включен последовательно с источником отрицательного сеточного напряжения. Достоинством сеточного модулятора является то, что он требует относительно малой мощности модулирующего сигнала. Обычно этот вид модулятора применяется в телевизионных передатчиках большой мощности, поскольку анодный модулятор был бы более сложным устройством из-за широкой полосы частот, требуемой для передачи телевизионного сигнала. Катодный модулятор действует аналогично сеточному модулятору (рис. 11.4, в).

Рис. 11.4. Основные схемы модуляторов:

_{а — анодный; б — сеточный; в — катодный}

Что такое однополосная модуляция и как ее получают?

Из анализа спектра амплитудно-модулированного сигнала следует, что несущее колебание не принимает активного участия в переносе информации, несмотря на то, что оно поглощает большую часть энергии передатчика. Кроме того, известно, что одна боковая полоса содержит все необходимые данные о модулирующем сигнале, а вторая лишь удваивает информацию, содержащуюся в первой боковой полосе. На основании этого были разработаны два новых вида амплитудной модуляции.

Если несущее колебание подавляется, а передаются только боковые полосы, то такой вид модуляции называется двух полосной, модуляцией с подавляемой несущей. Несущее колебание можно исключить путем использования балансного модулятора, примером которого служит кольцевой модулятор, состоящий из четырех диодов (рис. 11.5).

Рис. 11.5. Электрическая схема (а) и форма выходного сигнала (б) кольцевого модулятора

Четыре диода в этой схеме идентичны, а точки р и р' являются средними точками обмоток. Между точками р и р' включается источник модулирующего колебания, а к трансформатору Tp₁ подводится модулируемый' сигнал. Поскольку схема симметрична, на выходе отсутствуют модулирующий сигнал и сигнал несущего колебания. При наличии модулирующего сигнала высокочастотное напряжение на выходе схемы пропорционально мгновенному значению модулирующего сигнала. Анализируя такой сигнал, можно прийти к выводу, что он содержит только модуляционные боковые частоты f + F и f + F без несущей.

В приемнике амплитудно-модулированных сигналов с подавленной несущей эту несущую следует восстановить для того, чтобы можно было осуществить процесс обратный модуляции, т. е. детектирование. Для того чтобы упростить восстановление несущей в приемнике, ее устраняют из передаваемого сигнала не полностью, а частично. Поэтому такая система носит название «с подавляемой несущей».

Другая схема модуляции — это схема однополосной модуляции, в которой кроме частичного подавления несущей используется полное исключение нижней боковой полосы (рис. 11.6). Однополосная модуляция помимо большой энергетической эффективности, являющейся следствием подавления несущей, дает еще экономию полосы пропускания, используемой для передачи сигнала, поскольку снижает в 2 раза необходимую ширину полосы. Исключение боковой полосы осуществляется с помощью соответствующих фильтрующих схем либо более сложных схем с фазовращателями. Схему однополосной модуляции применяют в проводной связи и радиосвязи.

Рис. 11.6. Спектры амплитудно-модулированных сигналов при двухполосной (а) и однополосной (б) модуляции

Что такое детектирование?

Детектирование или демодуляция — это процесс, обратный модуляции, в результате которого из модулированного колебания получают модулирующий сигнал. Очевидно, что для каждого вида модуляции существует соответствующий ему вид демодуляции, например амплитудная демодуляция, частотная и т. п.

Процесс демодуляции используется в радиоприемниках и телевизорах, предназначенных для приема модулированных сигналов. В результате получают полезный сигнал, идентичный модулирующему сигналу в передатчике.

Каков принцип работы амплитудного детектора?

Задачей амплитудного детектора является перенос спектра модулирующего сигнала, расположенного около несущей частоты (в виде боковых полос), в полосу частот, первоначально занимаемую этим сигналом. Так же как и при модуляции, процесс детектирования требует использования устройства с нелинейной характеристикой. Разница по сравнению с модулятором заключается в том, что в детекторе сигнал с несущей частотой не подводится от отдельного источника, а содержится в самом сигнале. Если в сигнале несущая подавлена, как это происходит при однополосном сигнале, то она должна быть восстановлена в приемнике и добавлена к сигналу, подвергаемому детектированию.

Требуемую нелинейность характеристики детектора получают путем соответствующего выбора рабочей точки транзистора, лампы или диода. Принцип работы нелинейного (квадратичного) детектора на транзисторе можно пояснить с помощью схемы, представленной на рис. 11.7.

Рис. 11.7. Схема детектора на транзисторе

Детектирование происходит после подачи модулированного колебания на базу транзистора. Из-за нелинейности входной характеристики в выходном колебании появляется составляющая, которая изменяется в такт с модулирующей частотой. Имеющийся сигнал высокой частоты устраняется с помощью RС-цепочки, образующей фильтр нижних частот. Из более подробного анализа выходного колебания следует, что помимо основной составляющей в нем действует составляющая с частотой второй гармоники модулирующего сигнала, пропорциональная глубине модуляции. Поэтому в результате детектирования возникают искажения полезного сигнала, которые оправдывают название этого типа детектирования (нелинейное детектирование), но одновременно ограничивают применение рассматриваемой схемы.

Как действует линейный диодный детектор?

Схема диодного детектора представлена рис. 11.8.

Рис. 11.8. Диодный детектор

Диод в этой схеме работает как выпрямитель напряжения высокой частоты. Входной амплитудно-модулированный сигнал подводится от резонансного контура, настроенного на несущую частоту и имеющего достаточную ширину полосы для выделения амплитудно-модулированного колебания. Диод как элемент с однонаправленным действием выпрямляет модулированное колебание, поэтому в нагрузку проходит только положительная полуволна сигнала. Если бы диод был включен в обратном направлении (катодом к резонансному контуру), то выпрямлялась бы отрицательная полуволна сигнала.

Если сопротивление диода r_д мало по сравнению с сопротивлением резистора R на выходе возникает напряжение, равное амплитуде входного сигнала. Постоянная времени RC подбирается таким образом, что высокочастотная составляющая отфильтровывается и на выходных зажимах действуют только постоянная составляющая и модулирующий сигнал. Постоянную составляющую можно устранить с помощью конденсатора, включенного последовательно с дальнейшей частью тракта, предназначенного для усиления сигнала, полученного в результате детектирования. На рис. 11.9 представлены последовательные этапы получения напряжения, соответствующего огибающей модулированного сигнала.

Рис. 11.9. Формы колебаний при диодном детектировании:

_{а — амплитудно-модулированное на входе; б — после одпополупериодного выпрямителя; в — на нагрузке; г — выходное колебание без постоянной составляющей}

Пояснения требует определение диодного детектора как линейного. Название происходит от динамической характеристики диода, представленной на рис. 11.10[25].

Рис 11.10. Динамическая характеристика линейного детектора

Эта характеристика является отрезком прямой линии, поэтому выпрямленное детектором напряжение линейно зависит от напряжения, подвергаемого процессу детектирования. Линейная зависимость обоих напряжений имеет место только при больших амплитудах, примерно более полувольта.

При малых амплитудах детектор ведет себя, как описанный выше нелинейный детектор. Следует добавить, что линейный диодный детектор во всем остальном остается нелинейным устройством, поскольку начальная рабочая точка схемы находится в месте излома динамической характеристики диода. Именно эта нелинейность в начале системы координат (при отрицательных управляющих напряжениях ток через диод не протекает) и является фактором, способствующим детектированию.

Какие критерии выбора постоянной составляющей RС-цепи в диодном детекторе?

Резистор R и конденсатор С в детекторе образуют двухполюсник, характеризующийся определенной постоянной времени RC, зависящей от нескольких факторов. Прежде всего, с точки зрения обеспечения высокого КПД детектирования, определяемого отношением выпрямленного напряжения к амплитуде сигнала высокой частоты, сопротивление резистора R должно быть как можно больше.

По этой же причине как можно больше должна быть емкость конденсатора С (падение напряжения высокой частоты на емкостном сопротивлении будет малым). Однако, с другой стороны, излишне большая емкость конденсатора С приводит к тому, что изменения выпрямленного напряжения не успевают за изменениями модулирующего сигнала, что является источником искажений. В связи с этим принимаются компромиссные значения этих элементов в соответствии с соотношением

где ω — несущая частота; Ω — наивысшая модулирующая частота.

В детекторе радиовещательного сигнала сопротивление резистора R обычно лежит в пределах 0,5–1 МОм, а емкость конденсатора С составляет около 100 пФ, тогда как в широкополосном телевизионном детекторе сопротивление R около 2–4 кОм при шунтирующей емкости около 10 пФ. Очевидно, что во втором случае КПД детектирования меньше.

Может ли полевой транзистор работать как амплитудный детектор?

Да. Полевой транзистор в схеме па рис. 11.11, а работает в качестве амплитудного детектора, если сопротивление резистора R_u около 100 кОм и даже 1 МОм. Столь высокое сопротивление приводит к тому, что рабочая точка лежит достаточно близко к точке отсечки тока стока. Если на затвор транзистора подать амплитудно-модулированный сигнал, то ток стока будет протекать в виде импульсов, амплитуда которых определяется огибающей модуляции (рис. 11.11, б). Средний ток стока будет изменяться в соответствии с изменением модулирующего сигнала.

При больших амплитудах модулированного ВЧ сигнала условия работы детектора приближаются к условиям работы линейного диодного детектора. Дополнительным преимуществом является усиление демодулированного сигнала.

Детектор на полевом транзисторе является эквивалентом лампового детектора, работающего в схеме сеточного детектирования, принцип которого идентичен принципу описанного выше детектора.

Рис. 11.11. Схема (а) и формы колебаний (б) в амплитудном детекторе на полевом транзисторе

Как работает сеточный детектор

Схема сеточного детектора представлена на рис. 11.12. В детекторе этого типа выпрямление происходит в цепи сетки, причем сетка и катод действуют в качестве диодного детектора, сопротивлением нагрузки которого является цепочка R_сC_с. Постоянная времени подобрана таким образом, что напряжение смещения лампы, возникающее в результате протекания тока сетки, изменяется в соответствии с изменением огибающей модуляции.

Полученное в результате детектирования напряжение с частотой модулирующего сигнала усиливается в анодной цепи лампы, поэтому сеточное детектирование характеризуется высокой чувствительностью.

Рис. 11.12. Схема сеточного детектора R_сC_с

Каковы основные черты частотной модуляции?

При частотной модуляции модулирующий сигнал не изменяет амплитуды несущего колебания, а вызывает лишь изменение его мгновенной частоты (рис. 11.13). Мгновенное значение несущей частоты зависит от амплитуды модулирующего сигнала, тогда как скорость, с которой происходят изменения несущей частоты, определяется частотой модулирующего сигнала. Предположим, что несущая частота составляет 50 МГц, а амплитуда синусоидального модулирующего сигнала равна 1 В. Допустим далее, что под влиянием положительного модулирующего напряжения частота возрастает максимально до 50,1 МГц, а под влиянием максимального отрицательного — убывает до 49,9 МГц.

В каждом периоде модулирующего сигнала мгновенное значение частоты изменяется в пределах 49,9—50,1 МГц такое количество раз в секунду, какова частота модулирующего колебания. Если бы амплитуда модулирующего напряжения составляла 2 В, частота несущего колебания изменялась бы в пределах 49,8—50,2 МГц.

Рис. 11.13. Формы колебаний при частотной модуляции:

_{а — модулирующее; б — частотно-модулированное}

Приведенный пример является иллюстрацией общего принципа частотной модуляции, из которого следует, что амплитуда модулирующего напряжения определяет отклонение несущей частоты в одном направлении, или девиацию частоты, Δω. Из этого принципа также следует, что девиация частоты Δω содержит информацию об амплитуде или уровне модулирующего сигнала. Характерным для частотной модуляции понятием является индекс модуляции, определяемый как отношение девиации Δω к модулирующей частоте Ω:

М_Ч = Δω/Ω

Индекс модуляции принимает разные значения. Принятый стандарт частотной модуляции характеризуется индексом модуляции, определяемым отношением максимально допустимой девиации Δω_mах к максимальной модулирующей частоте,

М_Чmax = Δω_max/Ω_max

Например, в принятом в ПНР телевизионном стандарте максимальная девиация несущей частоты звукового сопровождения составляет 50, а максимальная по модулирующей частоте 15 кГц. Отсюда М_Чmax = 50/15 = 3,33.

Каков спектр у частотно-модулированного сигнала?

Спектр частотно-модулированного сигнала принципиально отличен от спектра амплитудно-модулированного сигнала. Он также имеет линейный характер, однако число линий значительно больше.

При амплитудной модуляции наблюдались только две боковые частоты, отстоящие от несущей и а значение модулирующей частоты.

Из математического анализа частотно-модулированного сигнала следует, что при частотной модуляции возникают пары боковых частот. Существуют верхняя и нижняя боковая частоты, соответствующие частоте модулирующего сигнала, и пары боковых частот, соответствующие второй, третьей и последующим гармоникам сигнала. Имеется также составляющая несущей частоты. Распределение амплитуд отдельных спектральных линий зависит от индекса модуляции М_Ч, а их число теоретически бесконечно велико. На практике спектральные линии высших порядков (соответствующие высшим гармоникам модулирующего сигнала) не принимаются во внимание, поскольку их амплитуды очень малы. Для примера на рис. 11.14 представлен спектр сигнала, промодулированного по частоте низкочастотным сигналом 7,5 с девиацией 75 кГц (М_Ч = 10).

Для практических целей ширину спектра при частотной модуляции рассчитывают по формуле

2Δω = В = 2Δω_max + 2Ω_max + 2√(Ω_max·Δω_max)

В стандарте, в котором Δω_max = 2π·50 кГц, а Ω_max =2π·15 кГц кГц, ширина спектра В = 185 кГц.

Ширина спектра частотно-модулированного сигнала достаточно велика. Именно по этой причине частотная модуляция применяется в диапазоне метровых волн, соответствующем частотам от 50 МГц,

Каковы преимущества частотной модуляции?

Главным преимуществом частотной модуляции является значительное уменьшение чувствительности сигнала к помехам. Исходя из того, что большинство помех амплитудного характера добавляется к сигналу, который, по определению, имеет постоянную амплитуду, появляются условия для их эффективного устранения, например, методом ограничения амплитуды.

Кроме того, поскольку амплитуда частотно-модулированного сигнала постоянна, а девиация частоты пропорциональна амплитуде модулирующего сигнала, можно передавать полную динамику сигнала, т. е. как наименьшие, так и наибольшие значения. При амплитудной модуляции этого не могло быть, поскольку глубина модуляции не могла быть ни слишком малой, ни слишком большой, если учитывать шумы и помехи в первом случае, а во втором — возможность перемодуляции передатчика.

Весьма существен и тот факт, что в результате постоянной амплитуды частотно-модулированного сигнала выходная мощность передатчика остается все время одной и той же. Это создает возможности экономичного решения и экономичной работы передатчика.

Напомним, что передатчик амплитудно-модулированного сигнала с номинальной мощностью около 10 кВт должен быть приспособлен отдавать при 100 %-ной модуляции среднюю мощность 15 и пиковую 40 кВт.

Система с частотной модуляцией является высококачественной и предназначена главным образом для верной передачи звуковых сигналов. Отсюда ее широкое распространение в моно- и стереофоническом радиовещании на ультракоротких волнах.

В чем состоит принципиальное различие между фазовой и частотной модуляцией?

При фазовой модуляции не частота, а фаза несущего колебания линейно зависит от мгновенного значения модулирующего колебания. Девиация фазы при этом не зависит от частоты модуляции. Однако из-за того что между изменением фазы и частоты существует непосредственная зависимость, девиации фазы при фазовой модуляции сопутствует девиация частоты, которая пропорциональна модулирующей частоте. Напомним, что при частотной модуляции девиация частоты не зависит от модулирующей частоты. Несмотря на эти отличия, ясно, что фазовая и частотная модуляции действуют одновременно, так как связаны между собой. Можно также показать, что индекс модуляции идентичен с индексом девиацией фазы.

В связи с этим спектральное распределение в частотной и фазовой модуляции одно и то же, хотя расположение спектральных линий отличается. Исходя из взаимного подобия можно легко переходить с одного вида модуляции на другой. Обычно фазовую модуляцию используют только на переходном этапе до получения «чистой» частотной модуляции.

Как получают частотную модуляцию?

Существует несколько методов получения частотно-модулированных сигналов. Непосредственный метод заключается в изменении емкости или индуктивности резонансного контура генератора в такт с изменениями модулирующего сигнала. Примером, иллюстрирующим этот метод, служит емкостный микрофон, включенный в резонансный контур генератора. Наиболее удобная форма реализации этого метода заключается в подключении параллельно резонансному контуру реактивной схемы, реактивное сопротивление которой изменяется при изменении модулирующего сигнала. Реактивной схемой может быть лампа или транзистор, работающие по специальной схеме включения, или емкостный диод.

Примером реактивного транзистора является схема, изображенная на рис. 11.15.

Рис. 11.15. Схема реактивного транзистора

Для упрощения в ней опущены все блокировочные конденсаторы и цепи смещения. Характерным для этой схемы является делитель, состоящий из конденсатора С и резистора R, подобранный таким образом, чтобы выполнялось условие Х_с >> R. Схема усилителя, работающего совместно с этим делителем, отличается тем, что переменное напряжение вводится извне (от генератора) в цепь коллектора и оценивается влияние этой схемы на фазе тока, протекающего под воздействием приложенного напряжения. Оказывается, что в результате фазового сдвига, вносимого конденсатором С, ток коллектора на 90 опережает напряжение на коллекторе. Подобная зависимость между напряжением и током характерна для емкости, т. е. схема ведет себя как конденсатор. Эквивалентная емкость выражается формулой С_экв = RC/h_11б и, следовательно, обратно пропорциональна h_11б. Если h_11б изменяется под влиянием приложенного к базе транзистора модулирующего напряжения, то изменяется и эквивалентная емкость реактивного транзистора, подключенного параллельно к резонансному контуру генератора, т. е. происходит модуляция частоты. Аналогично действует схема с емкостным диодом (рис. 11.16).

Рис. 11.16. Частотный модулятор с емкостным диодом

Емкость диода меняется при изменениях обратного напряжения смещения диода. Начальное обратное напряжение подводится к диоду от делителя R₁R₃, шунтированного конденсатором C₁. Резистор R₂ развязывает схему питания от резонансного контура генератора. Мгновенное значение напряжения на емкостном диоде является суммой напряжения смещения и напряжения низкой частоты, подведенного с помощью трансформатора. В результате к LC-контуру генератора параллельно подключается переменная емкость. Из-за того что приращение емкости ΔС емкостного диода изменяется вместе с изменением модулирующего сигнала, частота колебаний генератора подвергается изменению, пропорциональному амплитуде сигнала.

Помимо представленных методов непосредственной модуляции применяется метод косвенной частотной модуляции, позволяющий поддерживать соответствующее постоянство несущей частоты при отсутствии модуляции. Для осуществления такого метода используются модулятор Армстронга (косвенный частотный модулятор — прим. перев.), снабженный кварцевым генератором, и схемой фазовой модуляции, вырабатываемой путем суммирования сдвинутых на 90° боковых полос амплитудной модуляции с несущей. В результате использования схемы, позволяющей перейти от фазовой модуляции к частотной, и ограничения амплитуды выходного сигнала получают сигнал с чистой частотной модуляцией.

На каком принципе работают частотные демодуляторы?

Большинство используемых частотных демодуляторов, служащих для получения модулирующего сигнала из частотно-модулированного, работает на принципе преобразования изменений частоты в изменения амплитуды и последующего детектирования сигнала с амплитудной модуляцией с применением обычных методов. Известны также частотные демодуляторы, работающие на принципе счета импульсов, а также более сложные демодуляторы, выполняемые в виде интегральных микросхем.

Характерным для техники частотной демодуляции является то, что собственно демодулятору, как правило, предшествует ограничитель амплитуды. Задачей ограничителя является исключение изменений сигнала, вызванных мешающими сигналами, для эффективного подавления на выходе демодулятора.

Как действует ограничитель амплитуды?

Простым ограничителем служит усилитель, управляемый сигналом, превышающим уровень максимального (без искажений) возбуждения транзистора между отсечкой и насыщением. Транзистор, работающий в схеме ограничителя, представлен на рис. 11.17, б и в.

Рис. 11.17. Транзисторный ограничитель:

_{а — электрическая схема; б — рабочий диапазон на плоскости коллекторных характеристик; в — характеристика ограничения}

В рабочей точке А ограничителя применяется относительно низкое напряжение, питающее коллектор. Если входной сигнал превышает пределы В и С, дальнейшее увеличение уровня выходного сигнала за этими пределами невозможно. Наименьший входной сигнал, который вызывает ограничительное действие ограничителя, называется порогом ограничении. Сигналы больше порогового, т. е. выше точки D, срезаются (ограничиваются) сверху и снизу. Резонансный контур, включенный в цепь коллектора, возвращает им синусоидальную форму.

Какая схема у простого частотного детектора?

Наиболее простым частотным детектором является детектор, работающий на скате амплитудной характеристики резонансного контура. Принцип работы такого детектора изображен на рис. 11.18.

Рис. 11.18. Принцип работы частотного детектора, работающего на скате резонансной кривой

Резонансный контур отстроен от несущей частоты подведенного частотно-модулированного сигнала. Если частота этого сигнала меняется по синусоидальному закону в соответствии с изменением модулирующего сигнала, то ток в контуре также меняется синусоидально, возрастая при приближении частоты сигнала к резонансной частоте контура и убывая при удалении частоты сигнала от значения, соответствующего резонансу. При таком решении выходной сигнал является амплитудно-модулированным. На выходе схемы амплитудного детектирования получаем модулирующий сигнал.

Из-за нелинейности ската амплитудной характеристики резонансного контура и связанных с ней искажений демодулированного сигнала, а также большой чувствительности схемы к амплитуде входного сигнала эта простая схема детектора не используется.

Как действует частотный дискриминатор?

Частотный дискриминатор является одной из наиболее часто используемых схем частотной демодуляции. Схема такого дискриминатора представлена на рис. 11.19.

Рис. 11.19. Частотный дискриминатор

Сигнал постоянного уровня подается с ограничителя на связанные резонансные контуры, настроенные на одну и ту же резонансную частоту, равную несущей частоте модулированного колебания. Работа дискриминатора основывается на сдвиге фазы напряжений на первом и втором контурах полосового двузвенного фильтра. Разность фаз этих напряжений составляет 90° на резонансной частоте контуров, а за резонансом изменяется вместе с изменением частоты. Благодаря двойной связи между контурами, индуктивной и непосредственной через конденсатор С₃ с большой емкостью, первичное и вторичное напряжения суммируются особым способом и подаются на встречно работающие амплитудные детекторы. Высокочастотный дроссель замыкает цепь для постоянного тока.

Переменное напряжение, подведенное к верхнему диоду Д₁, является векторной суммой первичного напряжения АВ и половины вторичного напряжения DE, изображенной вектором М (рис. 11.20).

Рис. 11.20. Принцип действия фазового дискриминатора:

_{а — векторная диаграмма при f = f0; б — векторная диаграмма при f > f0; в — векторная диаграмма при f < f0; г — характеристика дискриминатора}

Соответственно переменное напряжение, подведенное к нижнему диоду Д₂, является векторной суммой первичного напряжения АВ и второй половины вторичного напряжения DC, образующей вектор N. Нагрузочные сопротивления детекторов R₁ и R₂ одинаковы. На резонансной частоте (рис. 11.19, 11.20) переменные напряжения М и N равны друг другу, а следовательно, равны и выходные постоянные напряжения на резисторах R₁ и R₂. С учетом встречного включения диодов эти напряжения имеют, однако, противоположный знак, в связи с чем результирующее напряжение на всей нагрузке равно нулю. Это значение представляется точкой О на рис. 11.20, г.

Если частота входного сигнала больше резонансной, напряжения АВ и СЕ благодаря действию ограничителя остаются неизменными, однако изменяется разность фаз между ними. Напряжение М (рис. 11.20, б), подведенное к верхнему диоду, больше, чем напряжение N, подведенное к нижнему диоду. В итоге результирующее напряжение на резисторах R₁ и R₂ положительно, что соответствует точке у на рис. 11.20, г.

Если частота входного сигнала меньше резонансной, то фазовые соотношения между напряжениями таковы, как на рис. 11.20, в, и результирующее напряжение на резисторах R₁ и R₂ отрицательно (точка х на рис. 11.20, г). Характеристика дискриминатора представлена во всем интервале изменения частоты около резонансного значения. В большом интервале изменений частоты характеристика линейна, т. е. существует пропорциональность между частотой и выходным напряжением. Прямолинейный участок является рабочим участком характеристики дискриминатора. Вне его характеристика нелинейна. Если изменения частоты выходят за пределы, определяемые точками тип, работа происходит уже за пределами полосы пропускания связанных контуров и выходное напряжение убывает до нуля. Вся характеристика по форме близка к латинской букве S.

Что такое детектор отношений?

Схема детектора отношений представлена на рис. 11.21. Она похожа на схему фазового дискриминатора. Разница заключается в последовательном соединении диодов, использовании электролитического конденсатора, включенного параллельно нагрузочным резисторам, и сложении первичного напряжения со вторичным посредством третьей катушки L₃.

Рис. 11.21. Детектор отношений

Если изменение входного сигнала меньше, чем напряжение, действующее на электролитическом конденсаторе, диоды не могут проводить и на нагрузке не возникает напряжения сигнала. В любом случае напряжение на нагрузке не может быть больше, чем напряжение на конденсаторе, следовательно, схема детектора отношений действует так же, как ограничитель напряжения.

В условиях работы с ограничением сумма напряжений на конденсаторах C₁ и С₂ равна напряжению на электролитическом конденсаторе. Напряжение U_С1 равно амплитуде напряжения, подведенного к диоду Д₁, а напряжение U_C2 — соответственно амплитуде напряжения, подведенного к диоду Д₂. На резонансной частоте напряжения U_С1 и U_C2 равны и выходное напряжение, снимаемое между точками А и В, равно нулю.

Если частота сигнала больше резонансной, то переменное напряжение на диоде Д₁ больше, чем на диоде Д₂, и выходное напряжение положительно. При частоте меньше резонансной это напряжение отрицательно. Сумма напряжений U_C1 и U_C2 постоянна, поэтому изменения напряжений U_С1 и U_С2 делятся пропорционально, отсюда и название схемы — детектор отношений.

Статическая характеристика детектора отношений, как и у фазового дискриминатора, является S-образной кривой.

Что такое преобразование частоты?

Преобразование частоты, называемое также транспонированием спектра, является процессом, переносящим сигнал данной частоты (линейного или занимающего некоторый спектр) в диапазон других, обычно более низких частот.

Прежде всего преобразование частоты используется для упрощения процесса усиления сигнала. Известно, что технические трудности в создании многокаскадного усилителя с высокой избирательностью возрастают с ростом частоты. Они являются еще большими, если усилитель должен быть перестраиваемым. Поэтому целесообразны перенос интересующего нас сигнала, например от радио- или телевизионной станции, в диапазон более низких частот и построение усилителя, работающего именно в этом диапазоне частот.

На чем основывается преобразование частоты?

Преобразование частоты основано на взаимодействии в цепи нелинейного элемента (рис. 11.22) двух сигналов: сигнала, подвергаемого преобразованию, f_с и сигнала f_гет, подводимого от местного генератора (гетеродина). В результате возникают сигналы с частотами 2f_с, 2f_гет, f_гет + f_с, f_гет — f_с. Появилась также составляющая с частотой, являющейся разностью частот обоих смешиваемых сигналов. Эту составляющую можно легко выделить с помощью контура, настроенного на частоту f_гет — f_с.

Рис. 11.22.Преобразование частоты в цепи с диодом

Если f_с — модулированный сигнал, занимающий определенный частотный спектр, то в результате преобразования весь спектр сигнала будет перенесен в диапазон более низких частот. Эго наглядно представлено на рис. 11.23.

Разностная частота f_гет — f_с (чacтoта биений обоих сигналов) чаще называется промежуточной частотой f_пч. Таким образом, в результате преобразования двух сигналов с разными частотами получаем сигнал промежуточной частоты.

Рис. 11.23. Спектры колебаний в преобразователе частоты

Как работает супергетеродинный приемник?

Супергетеродинный приемник — это приемник, в котором используется процесс преобразовании частоты. На основе уже известных процессов усиления сигнала, генерирования напряжения высокой частоты, преобразования и детектирования можно понять действие приемника сигналов высокой частоты, такого как, например, радиоприемник и телевизор.

Структурная схема супергетеродинного радиоприемника представлена на рис. 11.24.

Рис. 11.24. Структурная схема супергетеродинного радиоприемника

Принятые антенной сигналы высокой частоты поступают во входные контуры приемника, где происходит выбор желаемой станции. Выбранный сигнал после усиления в усилителе высокой частоты поступает в смеситель. Следует добавить, что усилитель высокой частоты является резонансным усилителем и совместно с входными контурами, так же настраиваемыми, обеспечивает предварительную избирательность приемника. Кроме того, он создает необходимое усиление сигнала перед процессом преобразования, что положительно влияет на отношение сигнал/шум на выходе приемника.

В более простых схемах приемников усилитель высокой частоты не применяется, и тогда сигнал поступает в смеситель непосредственно из входных контуров. Одновременно к смесителю подводится напряжение высокой частоты от гетеродина. Гетеродин создает напряжение, частота которого больше частоты принимаемого сигнала на значение промежуточной частоты. Гетеродин перестраивается совместно с входными контурами и усилителем высокой частоты, поэтому его частота всегда больше частоты выбранного сигнала. В результате смещения обоих сигналов в смесителе присутствует сигнал с промежуточной частотой f_пч, определяемый зависимостью f_с — f_гет =f_пч.

Сигнал промежуточной частоты усиливается в усилителе промежуточной частоты. Это перестраиваемый усилитель, работающий на постоянной частоте, с большим коэффициентом усиления и высокой избирательностью. Последний каскад усилителя промежуточной частоты управляет детектором. В результате детектирования получается низкочастотный сигнал, который после усиления в усилителе напряжения и усилителе мощности подается на громкоговоритель.

Рассмотренная структурная схема супергетеродинного радиоприемника является обобщенной схемой, относящейся к приемнику как амплитудно-модулированных, так и частотно-модулированных сигналов. В зависимости от типа приемника подвергаются изменению рабочий диапазон частот, схемное решение отдельных блоков, тип детектора и т. п.

Как осуществляется преобразование частоты?

Преобразование частоты осуществляется с помощью нелинейного элемента, например диода, электронной лампы, транзистора и т. п., а также вспомогательного сигнала высокой частоты с относительно большой амплитудой, подводимого от местного генератора.

Существует множество схемных решений, которые можно разделить на две группы. Если смесительный элемент и гетеродин представляют собой независимые схемы, то первая из них называется смесителем. Если одна лампа, обычно многосеточная, или транзистор выполняют одновременно функции гетеродина и смесительного элемента, то схема называется автодинным каскадом преобразования или смесителем.

Примером преобразовательного каскада служит транзисторная схема на рис. 11.25, которая генерирует колебания с частотой f_гет (элементы генератора: L₁, L₂, С₂). В цепь базы подводится сигнал с частотой f_с. Из-за процесса преобразования, происходящего в цепи базы, возникает сигнал промежуточной частоты f_гет — f_с. Схема одновременно является предварительным усилителем сигнала промежуточной частоты, поскольку контуры L₃ и L₄ настроены именно на эту частоту. При таком подходе усиление схемы называется усилением преобразования.

Рис. 11.25. Транзисторная схема преобразования частоты

Что такое автоматическая регулировка частоты?

Автоматическая регулировка частоты (АРЧ) является одним из методов стабилизации частоты генераторов. Схемы АРЧ применяются в радиоприемниках или телевизорах высшего класса для стабилизации частоты гетеродина. Благодаря этим схемам происходит автоматическое поддержание правильной настройки приемника на несущую частоту принимаемого сигнала.

Структурная схема АРЧ представлена на рис. 11.26.

Рис. 11.26. Структурная схема цепи автоматической регулировки частоты

Из-за колебаний напряжения питания, изменений температуры и т. п. частота генератора не постоянна, а подвергается некоторым изменениям, что проявляется в виде частотно-модулированного сигнала, а следовательно, и в сигнале промежуточной частоты, полученного в результате преобразования. На выходе усилителя промежуточной частоты (перед детекторным каскадом) помещают узкополосный резонансный контур, настроенный на промежуточную частоту. Ширина полосы контура достаточна для пропускания изменений частоты гетеродина. Выходное напряжение контура управляет дискриминатором ошибки. Если частота генератора имеет соответствующее номинальное значение, то выходное напряжение дискриминатора равно нулю. Если генератор отстроится от номинальной частоты, на нагрузке дискриминатора появится напряжение. Это напряжение будет положительным или отрицательным в зависимости от направления изменения частоты генератора. После тщательной отфильтровки выходное напряжение дискриминатора добавляется или вычитается из напряжения смещения реактивного контура (например, на емкостном диоде). Изменение напряжения смещения на реактивном контуре вызывает изменение вносимой емкости и в результате, поскольку реактивный контур подключен параллельно контуру генератора, подстройку частоты генератора в направлении ее номинального значения.

Каковы основные черты импульсной модуляции?

В системах с импульсной модуляцией используется тот факт, что для передачи информации не обязательно передавать ее непрерывно. Первым процессом в системах с импульсной модуляцией является генерация несущего колебания в виде последовательности периодически повторяющихся импульсов. Частота, с которой повторяются импульсы, называемая частотой дискретизации, должна быть достаточно высокой и зависеть от полосы передаваемого информационного сигнала. Обычно она в 2 раза больше наибольшей частотной составляющей информации. Полученная импульсная последовательность используется для созданий импульсов, на которые наложена передаваемая информация. Наложение информации на импульсную последовательность производится в схемах модуляции.

Самой важной чертой импульсной модуляции является временная дискретизация (временнóе квантование), заключающаяся в замене непрерывного временного колебания, например акустического, последовательностью дискретных значений (отсчетов) этого колебания, действующих в определенные отрезки времени. При передаче сигнала с импульсной модуляцией по радиоканалу импульсы, содержащие информацию о модулирующем сигнале, модулируют передатчик высокой частоты по амплитуде или частоте. В результате имеет место двухтактная модуляция.

Какие существуют виды импульсной модуляции?

Импульсы характеризуются многими параметрами: амплитудой, временным положением, длительностью, частотой и т. п. Благодаря этому имеется возможность применения многих видов импульсной модуляции. К наиболее часто встречаемым относится модуляция амплитуды, длительности или ширины импульсов, модуляция положения импульсов и импульсно-кодовая модуляция.

На рис. 11.27 представлены колебания, соответствующие различным видам импульсной модуляции.

Рис. 11.27. Методы импульсной модуляции:

_{а — модулирующий сигнал; б — модуляция амплитуды импульса; в — модуляция ширины импульса; г — модуляция положения импульса; д — кодовая модуляция}

При амплитудно-импульсной модуляции в каждый момент дискретизации амплитуда импульса пропорциональна мгновенной амплитуде модулирующего сигнала. При широтно-импульсной модуляции импульсы имеют постоянную амплитуду, но их ширина (длительность) пропорциональна амплитуде модулирующего сигнала в момент дискретизации. Для получения изменения ширины импульсов можно сдвигать во времени передний или задний фронт либо оба фронта одновременно. Если средняя ширина импульса составляет 5 мкс, то в процессе модуляции она может меняться от 1 до 9 мкс.

При модуляции положения импульсов их положение изменяется вблизи среднего значения. Сдвиг соответствует амплитуде сигнала в момент дискретизации. Два последних вида модуляции относятся к системе временной модуляции импульсов.

Импульсно-кодовая модуляция имеет наилучшие показатели. Эта модуляция основывается на одновременном использовании принципа дискретизации, временного квантования и кодирования. Квантование — это процесс, в котором модулирующий сигнал с непрерывно меняющейся амплитудой заменяется дискретным — ступенчатым сигналом с заранее заданным числом уровней. Это означает, что импульсам, амплитуда которых лежит в определенном интервале, называемом шагом квантования, соответствует один общий уровень.

Кодирование заключается в том, что отдельным уровням квантованного сигнала приписывается соответствующий кодовый символ. На практике кодовая модуляция осуществляется с помощью цифровых кодов, чаще всего двоичных. Например, четырехбитовый (разрядный) двоичный код позволяет принять 2⁴, т. е. 16, амплитудных уровней от 0 до 15.

Если группы импульсов, полученные в результате импульсно-кодовой модуляции, снова преобразовать в сигнал, то возникает некоторое расхождение между воспроизведенным сигналом и первоначальным. Это расхождение, называемое шумами квантования, уменьшается с ростом числа уровней квантования.

Из упомянутых видов импульсной модуляции реже всего используется амплитудно-импульсная из-за невыгодных шумовых свойств. Наибольшее значение в связи с развитием цифровой техники имеет импульсно-кодовая модуляция.

На чем основана система группообразования каналов?

Система группообразования (объединения и разделения) основана на одновременной передаче более чем одного сообщения на общей несущей частоте. Известны два метода группообразования — частотный и временной.

При частотном группообразовании каждому частотному каналу приписывается другая поднесущая частота. Каждое сообщение модулирует поднесущую. Модулированные поднесущие, суммированные соответствующим способом, модулируют затем высокочастотную несущую.

При временном группообразовании используется тот факт, что в системах с импульсной модуляцией длительность импульсов очень мала по сравнению с периодом дискретизации, т. е. имеется возможность размещения между импульсами, соответствующими одному сообщению, импульсов других сообщений. Это требует применения соответствующих коммутационных устройств. Последовательностью импульсов, представляющей много информационных каналов, модулируется затем высокочастотный передатчик.