Лекция № 6
Амплитудная и однополосная модуляция в радиопередающих устройствах
Учебные вопросы:
Амплитудная модуляция.
Амплитудные коллекторные и базовые модуляторы. Нелинейные искажения сигнала при амплитудной модуляции.
Однополосная модуляция. Структура, усиление и формирование ОБП сигнала.
Введение
АМ широко применяется в звуковом радиовещании на длинных, средних и коротких волнах, а также для передачи видеосигналов в метровом и дециметровом диапазонах.
В связи с этим, в данной лекции рассматриваются вопросы амплитудной модуляции в радиопередающих устройствах, раскрываются принципы работы амплитудных коллекторных и базовых модуляторов, приведены основы однополосной модуляции, представлена структура однополосного бокового сигнала, даны способы усиления и формирования данного сигнала.
Виды модуляции. Амплитудная модуляция
Виды модуляции
Модуляцией называется процесс управления одним или несколькими параметрами колебаний высокой частоты в соответствии с законом передаваемого сообщения. Модуляцию можно также рассматривать как процесс наложения одного колебания на другое. Передаваемый сигнал называют модулирующим, управляемый высокочастотный – модулируемым. Частота модулирующего сигнала должна быть на один и более порядков ниже модулируемого.
Классифицировать методы модуляции можно по трем признакам в зависимости:
– от управляемого параметра высокочастотного сигнала: амплитудная (AM), частотная (ЧМ) и фазовая (ФМ);
– от числа ступеней модуляции: одно-, двух-, трехступенчатая;
– от вида передаваемого сообщения – (аналогового, цифрового или импульсного) - непрерывная, со скачкообразным изменением управляемого параметра (такую модуляцию называют манипуляцией) и импульсная.
Описание модулированных сигналов возможно в рамках временного и спектрального методов. Для неискаженного приема модулированного сигнала полоса пропускания всех высокочастотных трактов радиопередатчика и радиоприемника должна быть равна или больше ширины спектра излучаемого сигнала. С другой стороны, спектр модулированного сигнала не должен выходить за выделенную данному каналу допустимую полосу излучения (см рис..1).
Рис. 1 – Допустимая полоса излучения спектра модулированного сигнала
Излучения, лежащие за пределами выделенной полосой излучения, называются внеполосными. Их уровень не должен превышать определенной, строго нормируемой величины. В противном случае данный канал связи будет создавать помехи другим каналам.
Ширина спектра модулированного высокочастотного сигнала Dfcп зависит как от спектра передаваемого сообщения, так и от вида модуляции. Параметром, характеризующим модулированный сигнал, позволяющим сравнивать различные виды модуляции, является база сигнала:
В=TDfcп, (1)
где Т - длительность элемента сигнала.
При передаче аналоговых сообщений верхняя частота его спектра F связана с параметром Т, трактуемым как время интервала отсчета, соотношением Т=l/(2F) и поэтому база сигнала (1) принимает вид:
В=Dfcп/(2F). (2)
При передаче цифровой информации двоичным кодом, состоящим из логических 1 и 0, со скоростью V, равной количеству передаваемых элементарных посылок (бит) в секунду (бит/с = бод), величина Т трактуется как длительность элементарной посылки Т=1/V, и поэтому база сигнала (1) принимает вид:
В=Dfcп / V. (3)
При В=1 высокочастотный модулированный сигнал называется узкополосным, при В>3…4 - широкополосным. В соответствии с этим определением в зависимости от используемого вида сигнала радиотехническая система в целом называется узко- или широкополосной.
При амплитудной модуляции сигнал всегда является узкополосным; при частотной (в зависимости от характеризующего ее параметра девиации частоты) - узко- или широкополосным. Вид модуляции и значение параметра В оказывают существенное влияние на помехоустойчивость радиотехнической системы и получение требуемого соотношения сигнал-шум в радиоприемном устройстве.
Пример модулированных сигналов одинаковой мощности, но с разной шириной спектра приведен на рис. 2.
Рис. 2 – Пример модулированных сигналов одинаковой мощности с разной шириной спектра
Рассмотрим, чем вызвана необходимость применения двухступенчатой, а в некоторых случаях даже трехступенчатой модуляции. Пусть при одной частоте несущих колебаний fнес требуется передавать сообщения от нескольких источников. Для возможности разделения принятых сообщений в радиоприемном устройстве поступают следующим образом. Каждое из сообщений модулирует сначала свою индивидуальную несущую, называемую в этом случае поднесущей (см. рис. 3).
Рис. 3 – Объединение поднесущих в групповой сигнал, модулирующий несущую
Далее все поднесущие с разными частотами объединяются в общий, групповой сигнал, модулирующий несущую.
Для схемы, приведенной на рис. 3 возможны разные комбинации видов модуляции, например в первой ступени AM, во второй - ЧМ. Модуляция при этом называется АМ-ЧМ. Возможны и такие варианты: ЧМ-ЧМ, ЧМ-ФМ и т.д. При передаче дискретных сообщений применение двухступенчатой модуляции также имеет ряд достоинств.
Амплитудная модуляция
При амплитудной модуляции (АМ(в соответствии с законом передаваемого сообщения меняется амплитуда модулируемого сигнала. Поэтому при тестовом тональном модулирующем сигнале имеем для высокочастотного модулируемого сигнала:
u(t)=U0(1+m×cosW×t)cosw0t, (4)
где m=Uмод/U0£1 – коэффициент амплитудной модуляции; w0 - частота несущих колебании. График напряжения АМ сигнала (4), который можно наблюдать на экране осциллографа, приведен на рис. 4.
Рис. 4 - Осциллограмма АМ сигнала
По помехоустойчивости АМ существенно уступает частотной и фазовоймодуляции, поэтому в современных радиотехнических системах практически не применяется. Однако в давно действующих системах, работающих в длинно-, средне- и коротковолновых диапазонах волн, амплитудный вид модуляции является доминирующим.
АМ осуществляется в генераторах с внешним возбуждением в основном в выходном или предоконечном каскадах путем изменения напряжения на одном или нескольких электродах электронного прибора. В соответствии с этим в транзисторных генераторах различают коллекторную, базовую и эмиттерную АМ, а в ламповых – анодную, анодно-экранную, сеточную и катодную.
При модуляции только предоконечного каскада выходной ВЧ усилитель мощности работает в режиме усиления модулированных колебаний. Общая структурная схема усилительного тракта РПДУ, относящаяся ко всем способам АМ, изображена на рис. 5.
Рисунок 19.5 - Структурная схема усилительного тракта РПДУ
Передаваемое сообщение поступает на вход модулятора, и после усиления модулирующий сигнал мощностью Рмод поступает на ВЧ усилитель. Требуемое значение Рмод зависит от мощности высокочастотных колебаний Р1, коэффициента модуляции m и способа модуляции. Требуемая мощность источника питания Р0 также определяется данными параметрами.
При любом способе амплитудной модуляции различают три основных режима работы: молчания (или несущей), максимальный и минимальный. При модуляции режим модулируемого ВЧ каскада непрерывно меняется. Максимальному режиму соответствует максимальное значение амплитуды колебаний, минимальному режиму – минимальное, в режиме молчания (Uмол) модуляция отсутствует (см. рис. 4).
Амплитуда ВЧ колебаний и мощность при тональной AM модуляции меняются по закону:
Uмод=Uмол(1+m×cos(w×t)); Р1=Р1мол(1+m×cos(w×t))2.
Мгновенные мощности ВЧ сигнала в трех режимах - молчания (Р1мол), максимальном (Р1макс, пиковом) и минимальном (Р1мин) - связаны соотношениями:
Р1макс=Р1мол(1+m)2; Р1мин=Р1мол(1–m)2. (5)
Кроме мгновенных, важна и средняя мощность ВЧ колебаний за период модулирующего сигнала Т:
. (6)
Из трех последних формул при m=1 получим:
Р1макс=4Р1мол; Р1мин=0; Р1ср=1,5Р1мол.
Пиковая мощность генератора при амплитудной модуляции в четыре раза превосходит мощность в режиме несущей (молчания).
Спектр AM колебания согласно выражению (4) имеет вид:
u(t)=U0cos (w0t) + 0,5mU0cos (w0–W) t + 0,5mU0cos (w0+W) t, (7)
из которого следует, что спектр колебания при амплитудной модуляции тональным сигналом состоит из трех составляющих с частотами: w0 (совпадает с частотой несущей), w0–W (нижняя боковая), w0+W (верхняя боковая), мощности между которыми распределены в пропорции: 1: (0,5m2): (0,5m2) (см. рис. 6, а), а сумма определяется согласно (6).
Рис. 6 – Спектры АМ сигналов
Согласно выражению (7) ширина спектра AM колебания, приведенного на рис. 6, a: Dfcп=2F. Следовательно, в соответствии с (2), имея базу В=1, сигнал при AM модуляции относится к классу узкополосных.
Спектр AM колебания при модуляции многотональным сигналом, занимающим спектр от Wмин до Wмакс, представлен на рис. 6, б.
При амплитудной модуляции две характеристики определяют свойства радиопередатчика в целом: модуляционная m=Ф(UW) (см. рис. 7, а) и модуляционно-частотная m=Ф(W) (см. рис. 7, б), где UW, W - амплитуда и частота модулирующего сигнала.
Рис. 7 – Модуляционная m=Ф(UW) (а) и модуляционно-частотная m=Ф(W) (б) характеристики при AM
Амплитудные коллекторные и базовые модуляторы. Нелинейные искажения сигнала при амплитудной модуляции.