 |
Влияние умножения частоты при ЧМ и ФМ
|
|
|
|
При подаче на нелинейный прибор (варактор) колебаний 
на его выходе, кроме основной компоненты, будут и гармоники, т.е. при использовании умножителей в тракте получим зависимость
где n – коэффициент умножения.
Из уравнения следует, что при умножении частоты в n-раз в это же число раз умножается индекс модуляции m, а, следовательно, в n - раз увеличивается отклонение частоты 
или фазы 
колебаний передатчика. Таким образом, применяя умножение частоты колебаний можно получить углубление модуляции.
Энергетические вопросы: Применение ЧМ или ФМ позволяет значительно повысить использование УМ передатчика, особенно в выходных ступенях. Это объясняется тем, что амплитуда колебаний остается неизменной, а значит остается неизменным режим передатчика. Последнее позволяет полностью использовать выходную мощность активных элементов и выбрать наиболее целесообразный режим, обеспечивающий получение наибольшей мощности или КПД данной ступени.
Основные качественные характеристики: При модуляции колебаний по частоте или фазе качественные показатели передатчика определяются несколькими характеристиками (аналогичными при АМ): статической и динамической модуляционной характеристикой, частотной характеристикой, уровнем шумов и фона относительно заданной глубины модуляции, нелинейными искажениями и т.д.
Однако в отличие от АМ при ЧМ характеристики определяют изменение не амплитуды колебаний, а изменение частоты или фазы ВЧ колебаний от величины модулирующего напряжения 
.
Аналогично случаю АМ, частотная характеристика при ЧМ определяет зависимость изменения частоты колебаний 
от частоты модулирующего сигнала 
а при ФМ - зависимость фазы колебаний от частоты модулирующего сигнала 
при неизменной амплитуде .
|
|
|
Следует отметить, что при проектировании и настройке ЧМ и ФМ передатчиков для уменьшения нелинейных искажений необходимо уделить внимание правильному выбору ширины полосы пропускания контуров и точности их настройки. Нелинейные искажения при ЧМ могут возникнуть также вследствие паразитной амплитудной модуляции. Обычно считается допустимым иметь коэффициент АМ около 1%.
7.2 Схемы фазовой модуляции
Фазовая модуляция на практике используется как предварительная ступень для последующего превращения в частотную. Принцип фазовой модуляции основан на получении боковых частот, сдвинутых по фазе относительно несущей частоты на 90°. В результате сложения боковых частот и несущей получаются колебания, модулированные по фазе. При этом возникает паразитная АМ, поскольку вектор результирующего колебания изменяет свою амплитуду.
Рассмотрим блок-схемы, с помощью которых осуществляют фазовую модуляцию.
Блок – схема без преобразования частоты приведена на рис. 7.3.
Рис. 7.3
В эту схему входят следующие блоки:
1.Высокостабильный генератор несущей частоты 
;
2. Буферный каскад;
3. Балансный модулятор;
4. Обычный модулятор;
5. Фазовращающее устройство;
6. Смеситель (сумматор);
7. Амплитудный ограничитель;
8. Умножители частоты;
9. Усилитель мощности (УМ) модулированных колебаний.
Принцип работы схемы: напряжение несущей частоты 
от генератора 1 через буферный каскад 2 поступает на фазовращающее устройство 5, сдвигается по фазе на 90° и подается на смеситель 6. На балансный модулятор 3 приходит напряжение несущей частоты и низкой частоты F от обычного модулятора 4. На выходе балансного модулятора 3 появляются колебания боковых частот 
без несущейчастоты. Эти колебания поступают на смеситель 6 и в его нагрузке возникают колебания несущей и боковых частот сдвинутых по фазе на 90° и образующих модуляционный вектор 
(первой боковой частоты). Результирующие колебания будут модулированы по амплитуде и по фазе. Для устранения паразитной АМ применяют амплитудные ограничители 7.
|
|
|
Указанное фазомодулирующее устройство ФМ отмечено (пунктиром) может дать максимальную девиацию фазы 
но с большими нелинейными искажениями (из-за нарушения прямой пропорциональности между фазой и модулирующим напряжением ). Следовательно, девиацию фазы необходимо выбирать не более 35 ÷ 40 °, а индекс фазовой модуляции 
(при этом девиация частоты составит 
).
Для увеличения индекса модуляции 
и девиации частоты применяют многократное умножение частоты. В результате чего несущая частота 
, 
и увеличиваются в n-раз.
Может оказаться, что потребуется очень низкая несущая частота генератора. Действительно, при необходимой девиации частоты на выходе передатчика 
и при частотах модуляции от 50 Гц до 104 значение девиации 
Гц. При этом следует увеличить индекс модуляции в n-раз, т.е.
и при работе на 
(т.е. 
) несущая частота генератора потребуется низкой
.
Очевидно, что при такой низкой частоте 
и полосе 10 кГц обеспечить прохождение боковых частот невозможно. Поэтому для нормальной работы передатчика частота генератора должна быть в несколько раз больше частоты модуляции, т.е. 
.
Использовании схем с преобразованием частоты 
Кроме многократного умножения, приходится понижать несущую частоту 
с тем, чтобы обеспечить достаточно высокую частоту генератора и нужную частоту на выходе. Частота преобразуется по тому же принципу, что и в супергетеродинных приемниках, однако девиация фазы при этом не снижается (рис. 7.4).
Рассмотрим такую структуру:
Рис. 7.4
В данную схему входят следующие блоки:
1. Фазовый модулятор;
2. Умножитель частоты;
3. Смеситель (преобразователь);
4. Умножитель;
5. Гетеродин.
Необходимость в многократном умножении и преобразовании частоты делает схемы передатчиков с ФМ сложными и дорогими.
Схемы частотной модуляции
На практике применяются два метода ЧМ:
1) косвенный;
2) прямой.
Косвенный метод заключается в преобразовании фазовой модуляции в частотную. С этой целью в схеме фазовой модуляции необходимо получить такие модулированные колебания, у которых девиация фазы была бы обратно пропорциональна частоте 
, как при ЧМ, для которой справедливо условие:
|
|
|
(индекс частотной модуляции).
При выполнении этого условия девиация частоты 
будет прямо пропорциональна амплитуде модулирующего колебания, 
и частота будет изменяться по закону этого колебания, т.е.
(7.2)
Преобразование можно осуществить, если на вход фазового модулятора(ФМ) подать не первоначальное модулирующее напряжение , а напряжение, преобразованное так, чтобы после фазовой модуляции можно было получить колебания с частотой, меняющейся по закону . Если обозначить преобразованное модулирующее напряжение через 
, то при ФМ
при этом частота:
Для выполнения условия (7.2) необходимо, чтобы
тогда
Следовательно, связь модулирующего напряжения и искомого напряжения должна быть следующей:
т.е. преобразование модулирующего напряжения на входе фазового модулятора заключается в его интегрировании.
Преобразование производится с помощью интегрирующих цепей (рис. 7.5).
 |
где R >> 
Если напряжение на входе интегрирующей цепи
то на её выходе, т.е. на емкости С
т.е. напряжения и 
сдвинуты по фазе на - 
т.к. в выражение входит множитель - j.
По этим причинам мгновенное напряжение меняется по закону, 
если меняется по закону 
.
Таким образом, передатчик с ЧМ по принципу косвенной модуляции отличается от передатчика с ФМ наличием интегрирующей цепи на выходе амплитудного модулятора.
Косвенный метод ЧМ даёт высокую стабильность несущей частоты , т.к. в генераторе осуществляется кварцевая стабилизация частоты.
Недостатки:
1. Сложность схемы передатчика.
2. Необходимость многократного деления и умножения частоты.
Это ограничивает их широкое применение и используются косвенные методы лишь в мощных стационарных передатчиках.
Прямой метод ЧМ достигается прямым воздействием на контур автогенератора.
Основным недостатком является низкая стабильность частоты. Для повышения стабильности применяют АПЧ. Такой метод (т.е. прямой метод ЧМ) широко применяется на практике, т.к. позволяет осуществить глубокую широкополосную модуляцию.
|
|
|
Вопросы для самопроверки
1. Что такое индекс фазовой модуляции?
2. Что такое индекс частотной модуляции?
3. Как прийти от фазовой модуляции к частотной?
4. Нарисуйте схему фазовой модуляции без преобразования частоты.
5. Нарисуйте схему фазовой модуляции с преобразованием частоты.
6. Достоинства частотной модуляции.
7. Недостатки фазовой модуляции.
РАЗДЕЛ 8
|
|
|
