§ 13.4. Модуляция высокочастотного сигнала

Высокочастотный сигнал может быть промодулирован по амплитуде, частоте или фазе.

Амплитудная модуляция. При амплитудной модуляции (AM) осуществляется управление амплитудой высокочастотного сигнала без изменения его частоты и фазы в соответствии с законом передаваемого сообщения.

Амплитудная модуляция наиболее часто применяется при передаче сигналов звуковой частоты (речи, музыки и т. д.).

Для изменения амплитуды высокочастотного сигнала несущей частоты в радиопередатчиках модулирующий сигнал подают на один из электродов транзистора усилителя мощности. Например, можно одновременно подавать высокочастотный и модулирующий сигнал на затвор (базу) транзистора.

На рис. 13.13 приведена схема усилителя мощности с модуляцией на затворе транзистора.

Рис. 13.13.

Рассмотрим случай модуляции высокочастотного сигнала несущей частоты низкочастотным сигналом в схеме усилителя мощности (рис. 13.13). На затвор транзистора поступают напряжение несущей частоты , модулирующее напряжение на и постоянное напряжение смещения , т. е.

Если за счет смещения усилитель мощности работает с отсечкой стокового тока, то в цепи транзистора возникают импульсы тока, амплитуда которых изменяется с частотой модулирующего сигнала .

Рис. 13.14.

Временные диаграммы напряжения на затворе и тока стока транзистора для этого случая даны на рис. 13.14.

Рис. 13.15.

При разложении на гармоники импульсов тока стока изменение амплитуды каждой гармонической составляющей будет соответствовать закону изменения амплитуд импульсов.

Так как контур выделяет только первую гармонику, то на выходе схемы получим амплитудно-модулированные колебания (рис. 13.15), аналитическое выражение которых для данного случая имеет вид

(13.22)

где

— коэффициент модуляции, в общем случае равный отношению разности между максимальной и минимальной амплитудами модулированного колебания к их сумме. При косинусоидальных высокочастотном и модулирующем сигналах коэффициент определяется отношением их амплитуд, т. е.

Зная коэффициент , максимальное и минимальное значения амплитуды модулированного колебания можно найти из выражений

После несложных преобразований модулированное колебание, определяемое выражением (13.22), можно представить в виде суммы колебаний:

(13.23)

В выражении (13.23) первый член описывает колебания несущей частоты; второй и третий представляют собой колебания так называемых боковых частот, отличающихся от несущей частоты на значение Q, равное частоте модулирующего сигнала. Соответственно различают верхнюю и нижнюю боковые частоты. Амплитуда колебаний боковых частот вдвое меньше амплитуды колебаний несущей частоты.

На рис. 13.16 приведен спектр амплитудно-модулированного сигнала, состоящий, как уже было показано, из трех составляющих: несущей и двух боковых. На горизонтальной оси отложены частоты, а вертикальные отрезки соответствуют амплитудам колебаний.

Следует отметить, что работа усилителя мощности в режиме отсечки тока сток (коллектор) транзистора или на криволинейном участке стоко-затворной характеристики имеет принципиальное значение для получения модулированного высокочастотного колебания. При работе на прямолинейном участке характеристики модуляции напряжения на выходе не произойдет.

К достоинствам усилителей мощности с затворной или базовой модуляцией следует отнести малую мощность, которую необходимо отбирать от модулятора, так как напряжения и токи, действующие в управляющей цепи транзистора, имеют малое значение.

Рис. 13.16.

Недостатком таких усилителей является малый КПД, который меняется в процессе модуляции и в среднем составляет 30—40%.

Больший КПД можно получить с помощью стоковой (коллекторной) модуляции, когда модулирующий сигнал подается на сток (коллектор) транзистора усилителя мощности последовательно с напряжением питания (рис. 13.17). В результате стоковое напряжение изменяется относительно своего среднего значения с частотой модулирующего сигнала. При косинусоидальной форме модулирующего напряжения будем иметь

(13.24)

Изменение стокового напряжения приводит к смещению динамической стоко-затворной характеристики. Тогда при поступлении на затвор транзистора усилителя мощности, работающего с отсечкой тока стока, сигнала несущей частоты импульсы тока стока окажутся промодулированными по амплитуде с частотой .

Рис. 13.17.

Временные диаграммы, иллюстрирующие процесс стоковой модуляции в схеме рис. 13.17, приведены на рис. 13.18.

Рис. 13.18.

При стоковой модуляции коэффициент полезного действия усилителя мощности остается практически постоянным и составляет . Недостатком стоковой модуляции является необходимость использования мощного модулятора.

Частотная и фазовая модуляции. При частотной модуляции (ЧМ) мгновенное значение частоты изменяется в соответствии с законом изменения передаваемого сообщения при постоянной амплитуде колебаний.

Пусть модулирующий сигнал изменяется по косинусоидальному закону, т. е. . Тогда мгновенная частота частотно-модулированного сигнала определяется выражением

где — максимальное отклонение (девиация) частоты от среднего значения (несущей частоты и), пропорциональное амплитуде () и не зависящее от частоты модулирующего сигнала.

Так как частота представляет собой скорость изменения фазы, то мгновенная фаза ЧМ-сигнала

где — начальная фаза колебания.

Следовательно, выражение для ЧМ-сигнала будет иметь вид

(13.25)

где - амплитуда колебания, не изменяющаяся в процессе частотной модуляции. Величина называется индексом частотной модуляции.

При модуляции (ФМ) фаза модулированного высокочастотного сигнала при постоянной амплитуде изменяется в соответствии с законом изменения модулирующего сигнала. При косинусоидальной форме модулирующего сигнала выражение для ФМ-сигнала имеет вид

(13.26)

где — максимальное отклонение (девиация) фазы, соответствующее амплитуде косинусоидального модулирующего сигнала .

Мгновенное значение фазового угла ФМ-сигнала

(13.27)

Продифференцировав выражение (13.27), найдем мгновенную частоту ФМ-сигнала:

Выражения (13.25) и (13.26) показывают, что частотная и фазовая модуляции неотделимы друг от друга. Действительно, при изменении частоты колебаний будет изменяться также и его фаза.

Между максимальными девиациями частоты и фазы выполняется соотношение

(13.28)

Следовательно,

Учитывая связь между частотной и фазовой модуляциями, их общим определением является термин «угловая модуляция». Сигналы в устройствах с угловой модуляцией при высоких индексах модуляции имеют большую помехозащищенность, чем сигналы в устройствах с амплитудной модуляцией. Однако при угловой модуляции спектр модулированного колебания содержит бесконечно большое число пар боковых частот

амплитуды которых убывают с увеличением номера , так что при составляющими спектра можно пренебречь.

Наличие ряда боковых частот в спектре сигнала с угловой модуляцией при больших значениях ; (рис. 13.19, а) ограничивает использование угловой модуляции в диапазонах длинных, средних и даже коротких волн. Угловую модуляцию целесообразно применять в УКВ-диапазоне, частотное содержание которого велико.

Рис. 13.19.

При малых значениях индекса модуляции угловую модуляцию называют узкополосной, так как спектр ЧМ- или ФМ-сигнала содержит одну пару боковых частот (рис. 13.19, б), так же как и спектр АМ-сигнала.

Пусть выражение для ФМ-сигнала имеет вид

(13.29)

Используя формулу для косинуса суммы двух углов, получим

Так как приближенно можно записать:

Тогда выражение (13.30) будет иметь вид

Раскрывая , получим

(13.31)

Из выражения (13.31) следует, что боковые составляющие спектра -сигнала в отличие от боковых частот АМ-сигнала сдвинуты по фазе на .

Частотная модуляция может осуществляться двумя методами: прямым и косвенным.

При передаче информации в радиопередатчиках обычно используется прямой метод, когда частотная модуляция, как правило, осуществляется в задающем генераторе непосредственным изменением емкости или индуктивности колебательного контура так, чтобы частота генерации изменялась в соответствии с законом изменения амплитуды модулирующего сигнала. Структурная схема, иллюстрирующая прямой метод, представлена на рис. 13.20.

Рис. 13.20.

При косвенном методе нагрузкой задающего генератора является фазовый модулятор. В фазовом модуляторе под воздействием модулирующего сигнала осуществляется искаженная фазовая модуляция, при которой отклонение фазы зависит не только от амплитуды, но и от частоты модулирующего сигнала (рис. 13.21).

Рис. 13.21.

В соответствии с соотношением (13.28) возникающая одновременно с фазовой частотная модуляция получается неискаженной, если на вход фазового модулятора поступает напряжение, обратно пропорциональное модулирующей частоте. Для получения такого напряжения используется интегрирующая -цепь с большой постоянной времени , обеспечивающей даже на самой низкой модулирующей частоте выполнение неравенства .

Тогда при подаче напряжения амплитуда тока в цепи во всем диапазоне модулирующих частот равна

Напряжение, поступающее на вход фазового модулятора,

Косвенный метод значительно усложняет схему и конструкцию радиопередатчика, поэтому применяется обычно в стационарной радиоаппаратуре.