4.4. Модуляторы
Модуляция несущего колебания по закону передаваемого сообщения и осуществляется в нелинейных устройствах, называемых модуляторами. В общем случае типы модуляторов можно разделить на амплитудные, частотные, фазовые, импульсные и цифровые.
Амплитудные модуляторы
Формальный анализ аналитического выражения для тонального АМ сигнала UAM (t)=Uн(1+МcosΩt)cosω0t показывает, что при его формировании необходимо перемножить модулирующий сигнал e(t)=E0cosΩt и несущее колебание uн(t)=Uнcosω0t. Если же говорить более строго, то требуется умножить сумму из двух слагаемых 1+McosΩt на несущее колебание. Однако это не имеет существенного значения для изучения процесса модуляции.
При осуществлении амплитудной модуляции сигналов применяют косвенные методы перемножения с помощью нелинейных или параметрических цепей.
Амплитудные модуляторы на основе резонансных усилителей мощности. При построении АМ модуляторов чаще всего используют эффект преобразования суммы модулирующего и несущего колебаний, подаваемых на безынерционный НЭ.
Простейшую схему амплитудного модулятора можно реализовать на основе нелинейного резонансного усилителя (рис. 4.6,а).
Рис.4.6. Амплитудный модулятор:
а) - структурная схема; б) -диаграмма токов и напряжений
На входе транзистора VT включены последовательно источники постоянного напряжения смещения U0, модулирующего сигнала e(t) и генератор несущего колебания uн(t), а колебательный контур настроен на несущую частоту ω0.
Рассмотрим принцип получения тонального АМ - сигнала с помощью так называемого базового модулятора, к входу которого приложено суммарное напряжения вида:
Uвх(t)=U0+E0cosΩt+Uнcosω0t. (4.14)
Принцип действия модулятора поясним с помощью временных диаграмм токов и напряжений, показанных на рис. 4.8.б.
Положим, что сквозная характеристика транзистора (зависимость тока коллектора Iк от напряжения база - эмиттер Uбэ ) аппроксимирована двумя отрезками прямых линий. Вследствие перемещения рабочей точки относительно напряжения смещения U0 по закону модулирующего сигнала e(t) происходит изменение угла отсечки тока в кривой несущего колебания.
В результате импульсы коллекторного тока iк транзистора, отражающие изменение амплитуды несущего колебания, оказывается модулированными по амплитуде. В спектре импульсов коллекторного тока транзистора содержится множество гармонических составляющих с частотами ω0 и Ω, а также с кратными и комбинационными частотами (суммарными и разностными составляющими гармоник ω0 и Ω). Контур имеет полосу пропускания ΔωАМ =2Ω и выделяет из спектра импульсов коллекторного тока только гармоники с тремя частотами ω0-Ω, ω0 и ω0+Ω.
Для оценки качества работы модулятора с точки зрения вносимых искажений используют статическую модуляционную характеристику – зависимость амплитуды первой гармоники тока Iк1 транзистора от постоянного напряжения смещения на базе Uбэ (рис.4.7) при постоянном уровне гармонического сигнала на входе.
Рис.4.7. Статическая модуляционная характеристика
Для исключения нелинейных искажений необходимо использовать только линейный участок модуляционной характеристики в диапазоне токов Iкmin - Iкmах.
При амплитудной модуляции реальным сложным сигналом приведенные рассуждения также справедливы при выборе линейного участка модуляционной характеристики.
Однако, при модуляции сложным сигналом могут возникнуть линейные (частотные) искажения. Эти искажения обусловлены следующим: – чем дальше отстоит боковая составляющая от несущей, тем меньше она усиливается вследствие резонансного характера АЧХ контура модулятора. Для снижения частотных искажений в схеме модулятора необходимо увеличивать полосу пропускания резонансной нагрузки, а с точки зрения фильтрации паразитных гармоник – уменьшать. Поэтому выбирают полосу пропускания нагрузки, равную удвоенному значения высшей частоты модулирующего сигнала.
Пример 4.1. На базу транзистора амплитудного модулятора поступают гармонический модулирующий сигнал с амплитудой E0 = 0,05 B, несущее колебание с амплитудой Uн = Um = 0,1 B и постоянное напряжение смещения U0 = 0,6 B. Сквозная характеристика транзистора аппроксимирована двумя отрезками прямых линий (рис. 4.6, б) с напряжением Eн = 0,6 B.
Определить коэффициент амплитудной модуляции.
Решение. Используя исходные данные, находим, что рабочая точка перемещается по характеристике от максимального напряжения Umax=U0+E0= 0,65B до минимального Umin=U0-E0=0,55B.
Подставляя эти величины вместо U0 в (4.8) и проводя тригонометрические преобразования, вычислим предельные значения угла отсечки:
рад,
рад.
Амплитуда первой гармоники коллекторного тока пропорциональна функции Берга γ1(Ө), максимальное и минимальное значения которой, согласно (4.11), равны: γ1(Өmax)=0,805, γ1(Өmin)=0,196.
Согласно определению коэффициента АМ модуляции имеем:
В амплитудных модуляторах широко применятся аналоговые интегральные микросхемы, совмещающие в своем составе элементы, выполняющие ряд специфических функций.
АМ модуляторы на аналоговых перемножителях напряжений. Интегральный перемножитель напряжений реализует передаточную функцию ивых = kau1u2, где ka – масштабный коэффициент, а u1 и u2 – перемножаемые аналоговые напряжения.
Структурная схема аналогового интегрального перемножителя двух непрерывных напряжений дана на рис.4.8.
Рис.4.8.Структурная схема аналогового перемножителя напряжений
В этой схеме обозначено: (+) – сумматор; (-) – вычитающее устройство; Кв –устройство возведения в квадрат; :4 – делитель напряжения на четыре (этот элемент необязателен).
При перемножении двух напряжений производятся операции:
суммирование: u1+u2;
вычитание: u1-u2;
возведение в квадрат: (u1+u2)2, (u1-u2)2;
вычитание (u1+u2)2- (u1-u2)2 = 4u1u2;
деление на четыре: 4u1u2/4=u1u2.
В основу аналогового перемножителя положены идентичные, со стабильными параметрами НЭ, имеющие квадратичные характеристики, а на входах перемножителя включены дифференциальные усилители с большим входным сопротивлением.
Такие перемножители наиболее широко применяются в передающих устройствах в качестве балансных амплитудных модуляторов для получения АМ сигналов с подавленной несущей.
Балансные модуляторы реализуют прямое перемножение модулирующего сигнала e(t)=E0cosΩt и несущего колебания uн(t)= =Uнcosω0t. Выходное напряжение:
uБМ(t)=ka E0cosΩtUнcosω0t=0,5 ka E0Uн[cos(ω0-Ω)t+cos(ω0+Ω)t] (4.15)
состоит из нижней и верхней боковых полос АМ сигнала, в котором отсутствует несущая компонента.
Угловая модуляция
На практике радиосигналы с угловой модуляцией получают либо непосредственной перестройкой частоты задающего генератора (частотная модуляция), либо изменением фазы несущего колебания (фазовая модуляция).
Частотные модуляторы.
Наиболее просто частотную модуляцию несущего колебания можно осуществить путем электронной (как правило, мгновенной) перестройки резонансной частоты колебательного контура автогенератора. В практических радиоэлектронных схемах это выполняется с помощью нелинейного полупроводникового элемента – варикапа. Из теории полупроводниковых приборов известно, что барьерная емкость С р-n перехода варикапа существенно зависит от приложенного напряжения (рис. 4.9) и определяется вольт - фарадной характеристикой С(u).
Рис.4.9. Частотный модулятор с варикапом
Для реализации частотной модуляции необходимо изменять частоту несущего колебания по закону модулирующего сигнала.
В схеме частотного модулятора рис. 4.9 штриховой линией обведен автогенератор на ОУ, вырабатывающий несущее колебание uн(t)=Uнcosω0t в отсутствии модулирующего сигнала. Индуктивность Lk, емкость Ck и варикап VD образуют колебательный контур, резонансная частота которого равна несущей частоте.
Перестройка частоты генерируемых колебаний достигается путем изменения емкости варикапа. При отключении модулирующем сигнале емкость варикапа определяется постоянным напряжением смещения U0 и равна C0. Если на входе автогенератора действует модулирующий сигнал e(t)=E0cosΩt, то емкость варикапа C(t) будет изменяться во времени относительно C0 по закону модулирующего сигнала (рис. 4.9). По такому же закону начнет перестраиваться резонансная частота колебательного контура и, соответственно частота выходного сигнала автогенератора.
Фазовые модуляторы
Фазовые модуляторы реализуют на основе кольца ФАПЧ с модуляцией варикапа в контуре автогенератора, управляемого напряжением (ГУН) модулирующего сигнала и кольца ФАПЧ. При этом для модуляции в контур автогенератора включают второй варикап.