Способы осуществления частотной модуляции

Полагая в (9.16) n=2, с учётом (9.17),для частоты генерируемых колебаний получим

(9.19)

Таким образом, для линейной частотной модуляции желательно иметь варикап со сверх резким переходом. На практике промышленные образцы

варикапов обычно имеют резкие переходы с n ≈0,5. Поэтому приходится ограничивать величину девиации частоты. Для получения необходимой девиации, первичную модуляцию осуществляют на пониженной частоте, а затем с помощью умножителя переносят ЧМ колебание на рабочую частоту. При этом девиация частоты увеличивается в соответствии с кратностью умножения.

Меньшие искажения при большей девиации могут быть получены с помощью «реактивного транзистора» (реактивной лампы) [12]. Реактивный транзистор представляет собой, как и варикап, управляемую реактивность (Хр)ёмкостного или индуктивного характера, подключаемую к контуру автогенератора. Схема реактивного транзистора представлена на рисунке 9.6а.

Рисунок 9.6 – Реактивный транзистор

Для того, чтобы выходное сопротивление транзистора было реактивным, необходимо обеспечить фазовый сдвиг 90 0 между током коллектора и коллекторным напряжением . Поскольку коллекторный ток по фазе совпадает с базовым напряжением, соответствующий фазовый сдвиг должен быть между и . В схеме реактивного транзистора необходимые фазовые сдвиги обеспечиваются с помощью простейшего фазовращателя (Z1,Z2), варианты которого представлены на рисунке 9.6б. Для того, чтобы такой фазовращатель обеспечивал фазовый сдвиг 90 0 , необходимо выполнить условие |Z1|>>|Z2|. Тогда для напряжения на базе получим

(9.20)

При работе транзистора с отсечкой коллекторного тока , поэтому с учётом (9.20), получим

(9.21)

В зависимости от вида использованного фазовращателя (рисунок 9.6б), выходное сопротивление реактивного транзистора можно представить следующим образом

На основании полученных результатов можно сделать вывод, что реактивный транзистор имеет индуктивную реакцию, если Z1- индуктивность, или Z2- ёмкость. Ёмкостная реакция реактивного транзистора имеет место, если Z2- индуктивность, или Z1— ёмкость.

Частотная модуляция в автогенераторе может быть получена путём изменения средней крутизны реактивного транзистора при работе с отсечкой коллекторного тока, т.к. в этом случае угол отсечки зависит от смещения на базе, т.е. от модулирующего напряжения е=Ес+uΩ(t).

Основное достоинство прямых методов ЧМ заключается в возможности непосредственного получения больших отклонений частоты. Однако такая возможность приводит к существенной нестабильности средней частоты, которая будет меняться из-за нелинейности характеристики управляющего реактивного элемента (УЭ), а также вследствие нестабильности, или пульсаций, напряжения источников питания и влияния других внешних дестабилизирующих факторов (см. раздел 5.4). Использование ЧМ в кварцевых автогенераторах позволяет отчасти решить эту проблему [12]. Тем не менее, из-за высокой фиксирующей способности кварцевого автогенератора, получить требуемые значения девиации частоты удается далеко не всегда.

Проблема стабильности средней частоты решается в схеме, представленной на рисунке 9.7. В этой схеме средняя частота автогенератора (ГПД), с помощью фазовой автоподстройки частоты, приводится к высокостабильной частоте опорного генератора (ОГ).

Рисунок 9.7 – Схема автоматической подстройки частоты.

Делитель частоты в n раз необходим для уменьшения индекса модуляции. Выше было отмечено, что при некоторых значениях индекса модуляции (Ψ) несущая в спектре ЧМ исчезает, В этом случае велика вероятность сбоя в работе автоподстройки и соответственно вероятность скачкообразного изменения частоты ГПД. Чтобы исключить подобную ситуацию, индекс модуляции на входе фазового детектора (ФД) необходимо уменьшить до значения менее первого нуля функции Бесселя Jo (Ψ=2,4). Для надёжной работы системы фазовой автоподстройки (ФАП), уровень несущей должен быть достаточно большим, поэтому n подбирается так, чтобы индекс модуляции на входе ФД не превышал 1.

Чтобы система ФАП не подавляла частотную модуляцию, она не должна действовать на частотах модулирующего сигнала. С этой целью, полоса пропускания фильтра нижних частот (ФНЧ) ограничивается частотой 5 ÷ 10 Гц. Поскольку частота звуковых сигналов обычно лежит выше 30 Гц, цепь обратной связи на этих частотах обрывается. Таким образом, ФАП реагирует только на медленные изменения частоты ГПД, обусловленные нестабильностью его средней частоты. Средняя частота на выходе ГПД составит nωq , и её стабильность будет соответствовать стабильности частоты опорного генератора. В качестве управляющих элементов (УЭ) в схеме обычно используются варикапы. Т.к. управляющее напряжение ФАП (ΔU) смещает рабочую точку на характеристике УЭ, во избежание нелинейных искажений, для ЧМ рекомендуется использовать отдельный УЭ.

Источник

17.6. Методы осуществления частотной модуляции

Частотную модуляцию можно осуществить двумя способами:

непосредственным воздействием на частоту задающего генератора передатчика изменением индуктивности или емкости контура автогенератора;

изменением амплитуды или фазы двух колебаний одной и той же частоты, при этом частота автогенератора не изменяется.

Непосредственное воздействие на частоту генерируемых колебаний можно осуществить с помощью полупроводниковых диодов – варикапов, емкость которых зависит от приложенного запирающего напряжения.

На рис. 17.22 приведена схема автогенератора, частота которого зависит от емкости варикапа В, подключенного параллельно емкости колебательного контура. Начальная емкость варикапа определяется поданным на него запирающим напряжением. Запирающее напряжение изменяется за счет подачи модулирующего напряжения и изменяет емкость варикапа. Несмотря на нелинейное изменение емкости варикапа при линейном изменении напряжения и нелинейную зависимость частоты от емкости, можно получить изменение частоты близкое к линейному при малых изменениях емкости варикапа.

Рис. 17.22. Автогенератор с частотной модуляцией с помощью варикапа

Методы преобразования амплитудной модуляции в фазовую. Фазовую модуляцию можно осуществить, сложив два колебания постоянной частоты под некоторым углом, лучше всего под углом, близким к 90°. Если одно или оба колебания модулированы по амплитуде, то результирующее колебание является фазомодулированным.

На рис. 17.23, а изображено сложение двух векторов: А иВ. Если векторВ модулирован по амплитуде, то результирующий векторС соответствует колебанию, модулированному по амплитуде и фазе. Устранить паразитную амплитуду модуляции результирующего колебания можно с помощью амплитудной» модуляции векторовА иВ в противофазе. При этом можно добиться, чтобы суммарный вектор практически не изменял своей длины (рис. 17.23,б).

Для осуществления фазовой модуляции можно использовать сложение под углом 90° незатухающего и балансно-модулированного колебаний (рис. 17.23, в). В этом случае результирующий вектор будет модулирован по фазе. Чтобы изменение угла было пропорционально модулирующему напряжению, индекс модуляции должен быть малым (не более 0,5). Последующим многократным умножением частоты можно довести индекс модуляции до требуемого значения. На рис. 17.24 показана структурная схема передатчика, в котором фазовая модуляция по методу Армстронга эквивалентна частотной модуляции благодаря применению предыскажающей цепи.

Рис. 17.23. Фазовая модуляция при сложении двух ортогональных векторов:

а — при амплитудной модуляции одного из векторов;б — при амплитудной модуляции двух векторов в разные стороны;в — при балансной модуляции одного из векторов

Рис.17.24. ЧМ модулятор с умножением частоты

Предыскажающая цепь преобразует спектр модулирующего колебания таким образом, что напряжение на выходе цепи обратно пропорционально частоте входного сигнала в некотором диапазоне частот. Если ко входу такой цепи приложить модулирующее напряжение S(t)=cost, то на выходе формируется сигналS‘(t)=sint.

Фазовый угол модулированного колебания пропорционален напряжению S(t) и равен

.

Таким образом, изменение мгновенной частоты совпадает с модулирующим напряжением, что эквивалентно частотной модуляции.

Обычно в передатчике, использующем балансный модулятор, применяется интегрирующая предыскажающая цепь. Интегрированию подвергаются только составляющие сигналов с частотами ниже некоторой граничной частоты F_rp. Составляющие сигнала с частотами выше граничной передаются без искажений. В результате высокочастотное колебание оказывается промодулированным по частоте сигналами с частотами ниже граничной и по фазе – сигналами с частотами выше граничной. Такой способ обеспечивает улучшение отношения сигнал-помеха при приеме.

Частотная манипуляция.Для передачи телеграфных и других кодированных сигналов применяется частотная манипуляция, заключающаяся в попеременной передаче колебаний, то одной, то другой частоты. Если разность передаваемых частот мала, то уход частоты передатчика вследствие нестабильности может превышать полезную девиацию частоты. Для устранения этого недостатка можно осуществить поочередную коммутацию двух непрерывно работающих кварцевых задающих генераторов рис. 17.25.

Рис.17.25. Частотная манипуляция при кварцевой стабилизации частоты

Источник