11.5. Получение модулированных радиосигналов

Подавая на безынерционный нелинейный элемент сумму исходных колебаний, в выходном сигнале можно наблюдать всевозможные комбинационные составляющие. Если теперь пропустить выходной сигнал через линейный частотный фильтр, то можно выделить ряд полезных компонентов преобразованного сигнала. На этом принципе основана работа большого числа радиотехнических устройств, в частности модуляторов.

Принцип работы амплитудного модулятора.

Амплитудным модулятором называют устройство, создающее на выходных зажимах АМ-сигнал вида при подаче на входы цепи гармонического несущего колебания ивес соащ! и низкочастотного модулирующего сигнала имод Чаще всего амплитудные модуляторы строят, используя эффект преобразования спектра суммы двух сигналов в безынерционном нелинейном элементе.

Простейшим амплитудным модулятором служит нелинейный усилитель, у которого резонансный коитур в выходной цепи настроен на частоту несущего колебания. К входу модулятора приложено напряжение

(11.42)

Принцип работы данного модулятора поясняется осциллограммами напряжений и токов, показанными на

Для определенности, считается, что проходная характеристика транзистора аппроксимирована отрезками двух прямых. За счет того, что рабочая точка перемещается в такт с низкочастотным модулирующим колебанием, происходит непрерывное изменение угла отсечки несущего сигнала. Амплитуда первой гармоники последовательности импульсов коллекторного тока оказывается не постоянной во времени. Колебательный контур фильтрует коллекторный ток, выделяя на выходе АМ-сигнал, т. е. несущее колебание с переменной амплитудой, пропорциональной полезному модулирующему сигналу.

Рис. 11.8. Токи и напряжения в амплитудном модуляторе

Пример 11.4. Транзистор, используемый в амплитудном модуляторе, имеет характеристику с изломом в точке . Амплитуда несущего колебания на входе , амплитуда модулирующего сигнала итыоя , начальное смещение . Определить коэффициент амплитудной модуляции М.

В соответствии с исходными данными рабочая точка перемещается в пределах от до . Отсюда находим предельные значения угла отсечки:

Амплитуда первой гармоники коллекторного тока пропорциональна функции Берга которая изменяется в пределах от

до

Следовательно, коэффипиент модуляции выходного сигнала

Аналитическое рассмотрение.

Процесс получения AM-сигнала можно изучить аналитически, применив развитую выше теорию комбинационных частот. Пусть на входе нелинейного элемента с характеристикой простейшего вида (11.29) действует напряжение .

В составе тока, проходящего через даухполюсник, можно выделить составляющие с частотами, близкими к которые образуют амплитудно-модулированный ток

Как известно (см. гл. 4), относительный уровень боковых колебаний по сравнению с несущим колебанием равен

Рис. 11.9. Структурная схема балансного модулятора

Из формулы (11.43) следует, что в данном случае коэффициент амплйтудной модуляции выходного сигнала

(11.44)

Получение сигналов с балансной модуляцией.

Схему амплитудного модулятора можно видоизменить таким образом, что на выходе устройства будет получен сигнал с подавлением несущим колебанием, т. е. сигнал с балансной модуляцией (см. гл. 4).

Структурная схема балансного модулятора представлена на рис. 11.9.

Здесь несущее гармоническое колебание с частотой синфазно подаодится к нижним входам двух одинаковых амплитудных модуляторов АМ и Модулирующий сигнал поступает на модулятор АМЛ через инвертор имеющий коэффициент передачи, равный —1. Поэтому на выходах модуляторов будут получены сигналы

где A — постоянный коэффициент.

Инвертор изменяет знак сигнала на противоположный, так что выходной сигнал

(11.46)

представляет собой произведение модулирующего и несущего колебаний, т. е. действительно является балансно-модулированным колебанием.

Получение сигналов с угловой модуляцией.

В 30-х годах Армстронг предложил эффективный метод получения радиосигналов с угловой модуляцией (ЧМ- и ФМ-сигналов). Структурная схема модулятора Армстронга изображена на рис. НЛО.

Здесь к одному из входов сумматора приложен сигнал поступающий с балансного модулятора БМ. На второй вход сумматора подается, немодулированный сигнал с выхода фазовращателя, изменяющего фазу гармонического сигнала несущей частоты на 90° в сторону запаздывания. Таким образом, сигаал на выходе данного модулятора

где — некоторые постоянные амплитуды.

Рис. 11.10. Модулятор Армстронга

Для того чтобы убедиться, что формула (11.47) действительно описывает сигнал с угловой модуляцией, рассмотрим векторную диаграмму этого колебания. Немодулированной составляющей отвечает постоянный вектор ОВ длиной Балансно-модулированный сигнал отображается вектором ВА. Длина этого вектора непостоянна во времени, однако он всегда перпендикулярен вектору ОВ. Ясно, что результирующий вектор ОА с течением времени будет поворачиваться, имея центр вращения в точке О. Угол входящий в выражение полной фазы сигнала на выходе модулятора, очевидно, можно иайти из соотношения

Обычно стремятся получить линейную зависимость между сигналом и фазовым углом Для этого устанавливают такой режим работы модулятора, когда так что

(11.48)

В этом случае мгновенная частота выходного сигнала приближенно пропорциональна производной низкочастотного передаваемого колебания:

(11.49)

Итак, модулятор Армстронга согласно выражению (11.48) должен работать с малым индексом модуляции, т. е. с малой девиацией частоты. Чтобы преодолеть этот недостаток, в передатчиках ФМ- и ЧМ-сигналов после модулятора предусматривают многократное умножение частоты. Если на входе умножителя девиация частоты составляет то на выходе она будет равна где к — кратность умножения.