Частотные модуляторы

Частотные модуляторы представляют собой устройства, обеспечивающие связь между передаваемым (модулирующим) сигналом и выходным сигналом, изменяющимся по частоте. Обычно в широкополосных системах связи модуляция осуществляется на промежуточной частоте. Наиболее часто используется промежуточная частота 70 МГц. Основное требование, предъявляемое к таким модуляторам, заключается в очень высокой степени линейности модуляционной характеристики. Практически коэффициент нелинейных искажений модулятора должен лежать в пределах 0,01–0,5%. При этом будут выполнены нормы на мощность переходных шумов, создаваемых модемами в многоканальных системах связи с ЧРК.

Упрощенная структурная схема частотного модулятора показана на рис. 5.1.

Рис. 5.1

В общем виде частотный модулятор – это генератор (ГУН), частота колебаний которого управляется напряжением, подаваемым на вход модулятора. Наиболее распространенный способ частотной модуляции заключается в воздействии на реактивные элементы колебательного контура, задающего частоту колебаний самовозбуждающегося LC генератора.

Удобным современным элементом, применяющимся для этих целей, является варикап (варактор). Варикап представляет собой полупроводниковый диод, емкость p-n перехода которого имеет сильно выраженную зависимость от приложенного напряжения. Для работы в качестве управляемой емкости используется обратная ветвь характеристики диода, так как при этом получается высокая добротность и температурная стабильность элемента.

На рис. 5.2 показана одна из многих возможных схем LC генератора, которая может выполнять функции частотного модулятора. Здесь транзистор VT1 включен по схеме с общей базой. Резисторы R1, R2 и R3 задают режим транзистора по постоянному току. Положительная обратная связь осуществляется за счет внутренней емкости коллектор-эмиттер транзистора VT1 и емкости С1. Частота генерации определяется параметрами параллельного LC контура, состоящего из индуктивности L1, емкостей варикапов VD1, VD2 и коллекторной емкости транзистора. Для уменьшения паразитных реактивностей и упрощения схемы контур заземлен по постоянному току. Применение двух, включенных встречно, варикапов позволяет улучшить форму напряжения, вырабатываемую генератором, приближая ее к синусоидальной. Через резистор R4 и дроссель Др2 на варикапы подается запирающее напряжение смещения Есм, которое задает рабочую точку варикапов.

Рис. 5.2

Модулирующее напряжение поступает через развязывающий конденсатор С3. Под воздействием модулирующего напряжения меняется емкость варикапов и, следовательно, частота колебаний, вырабатываемая генератором. На рис. 5.3 показана типовая характеристика высокочастотного варикапа. Подобной характеристикой обладают приборы типа КВ-102, КВ-109, КВ-121 и др.

Рис. 5.3

Известно, что связь между резонансной частотой контура и емкостью конденсатора квадратичная.

  .

Следовательно, для получения линейной частотной модуляции необходимо иметь квадратичную зависимость емкости и напряжения. Из рисунка видно, что характеристика варикапа близка к квадратичной зависимости. Однако совпадение не полное и практически линейную модуляцию можно получить только на небольшом участке характеристики, выбираемом при настройке модулятора индивидуально для различных экземпляров варикапов.

Рис. 5.4

Рис. 5.4 иллюстрирует процесс изменения емкости варикапа в зависимости от приложенного напряжения. Удовлетворительная линейность получается при девиации частоты, не превышающей 0,5–1,5% от центральной частоты модулятора. Следовательно, при частоте 70 МГц девиация частоты составит 0,5–0,7 МГц, что явно недостаточно для широкополосной системы связи.

Поэтому на практике получила распространение схема частотного модулятора на биениях, упрощенная структурная схема которого представлена на рис. 5.5. Здесь применяются два генератора, управляемых напряжением, работающих на частотах в диапазоне 300–400 МГц. Частоты генераторов отличаются друг от друга на величину, равную промежуточной частоте 70 МГц, и выбираются так, чтобы продукты преобразования частоты в смесителе (СМ) не создавали помех в полосе частот 50–90 МГц.

Рис 5.5

Принципиальные схемы генераторов могут быть подобны схеме, представленной на рис. 5.2. Варикапы в генераторах включаются в противоположных полярностях, а модулирующие сигналы подаются на оба генератора синфазно. Благодаря этому девиация частоты модулятора удваивается и, кроме того, компенсируются нелинейные искажения по четным  гармоникам. Сигналы с выходов обоих генераторов проходят на смеситель через линеаризирующие устройства, уменьшающие искажения по нечетным гармоникам. Частотные модуляторы, выполненные по подобным схемам, широко применяются в радиорелейной аппаратуре. Например, в аппаратуре «Восход», «Дружба», «Курс» и пр.

Более современные решения связаны с построением модуляторов на интегральных схемах. При этом LC генераторы не технологичны и поэтому применяются RC генераторы. Наибольшее распространение для этих целей нашли мультивибраторы.

Известно, что частота колебаний, вырабатываемая мультивибратором, может меняться в широких пределах при изменении постоянной времени RC цепей. В литературе рассматриваются ряд схемных решений мультивибраторов, предназначенных для работы в качестве ГУН. Весьма удобная схема мультивибратора показана в упрощенном виде на рис. 5.6.

Рис. 5.6

Здесь мультивибратор выполнен на комбинации каскадов с общей базой (VT1) и общим коллектором (VT2). Такая комбинация позволяет в наибольшей степени реализовать частотные свойства транзисторов, позволяя работать на частотах в сотни МГц. Рабочие режимы транзисторов задаются при помощи управляемых генераторов тока (I), включенных в качестве эмиттерных резисторов.  Положительная обратная связь осуществляется через конденсатор С2. В коллектор транзистора VT2 включен резистор R2, с которого снимается выходное напряжение генератора.  При подаче модулирующего напряжения на один или оба генератора тока происходит изменение режимов транзисторов и, следовательно, изменение скорости заряда – разряда конденсатора С2 и, значит, осуществляется частотная модуляция.

Близкий к данному принцип использован при построении ряда интегральных схем (531ГГ1, 500ГГ1 и др.). Принципиальная схема частотного модулятора на микросхеме 500ГГ1 показана на рис. 5.7. Там же показана его статическая модуляционная характеристика.

Рис. 5.7

Из характеристики видно, что при изменении управляющего напряжения от 0 до 2 В вырабатываемая частота меняется почти на порядок при достаточно высокой линейности. Поэтому данная схема может быть основой для построения высококачественных, простых  и дешевых частотных модуляторов. Микросхема выполняется по ЭСЛ технологии и заключена в шестнадцативыводной пластмассовый или металлокерамический корпус. Общий недостаток, присущий схемам на мультивибраторах, заключается в нестабильности частоты. Поэтому при повышенных требованиях к стабильности данные схемы необходимо дополнять системами АПЧ, термостабилизации и пр. Кроме того, выходной сигнал по форме приближается к меандру и содержит большое количество гармоник, для устранения которых на выходе ЧМ необходимо ставить фильтрующие цепи.

Из основных требований, предъявляемых к частотным модуляторам для широкополосных систем связи, можно выделить следующие:

1) малые нелинейные искажения при девиации частоты в несколько мегагерц;

2) отсутствие паразитной амплитудной модуляции;

3) оптимальная крутизна модуляционной характеристики;

4) стабильность центральной частоты.

Частотная модуляция. Аналитические выражение ЧМ сигнала. Спектральная и временная диаграмма.

Изменение частоты высокочастотного несущего колебания по закону первичного низкочастотного полезного управляющего сигнала называется частотной модуляцией.

Пусть имеется гармонический высокочастотный сигнал:

Перепишем его в виде

(1)

Значит

При ЧМ частота ВЧ сигнала меняется по закону НЧ сигнала:

(2) где

К – коэффициент,S(t) –низкочастотный сигнал.

НЧ модулирующий сигнал имеет вид:

тогда с учетом этого (2) будет иметь вид:

или

где ∆W – девиация частоты, которая показывает максимальное изменение частоты отношения ∆W/Ω=Мч. Мч – это индекс модуляции.

Для определения полной фазы ЧМ сигнала возьмем интеграл по времени:

здесь φ0 – постоянная интегрирования или постоянная фазы, равная 0. Тогда (1) примет вид

Итак, аналитическое выражение ЧМ колебания имеет вид:

Приведем временные диаграммы НЧ модулирующего сигнала, ВЧ модулируемого сигнала и полученного в результате модуляции ЧМ сигнала.

Изобразим спектральную диаграмму, для этого используем следующее преобразование:

(3). Пусть индекс модуляции М_ч << 1. Тогда

Подставим эти значения в (3)

Для М> >1

Усилители мощности

• В режиме A рабочая точка находится на середине линейного участка вольт-амперной характеристики транзисторов, поэтому нелинейные искажения сигнала минимальны. В отсутствие сигнала через выходной каскад протекает значительный ток покоя, транзисторы в течение рабочего периода никогда не закрываются, т.е. каждый транзистор участвует в усилении обеих полуволн сигнала - и положительной, и отрицательной. Потребляемая мощность постоянна, а мощность рассеяния максимальна при малых сигналах. Термостабильность в этом режиме наихудшая.

• В режиме B рабочая точка выходного каскада смещена до критического значения коллекторного тока и каждую половину периода происходит переключение транзисторов - каждый из них усиливает свою "половинку" сигнала. В отсутствие сигнала транзисторы закрыты, ток покоя не протекает. Потребляемая мощность пропорциональна выходной, а мощность рассеяния приблизительно постоянна (максимально 22% от выходной). Термостабильность исключительно высокая. Самый главный недостаток, перечеркивающий все достоинства - при возбуждающих сигналах, близких к отсечке коллекторного тока транзисторов, возникают значительные переключательные искажения, с которыми не справляется никакая отрицательная обратная связь.

• Режим AB - попытка примирить волков и овец. Рабочая точка выбрана в начале линейного участка вольт-амперной характеристики транзисторов, поэтому при малых сигналах каскад работает фактически работает в режиме A, а в режим B переходит при достаточно сильном возбуждении. В отсутствие сигнала через выходной каскад протекает некоторый ток покоя, иногда весьма значительный. КПД при этом снижается и появляется проблема стабилизации тока покоя. Термостабильность - удовлетворительная.

     Характер искажений сильно зависит от режима работы выходного каскада, особенно при малых уровнях сигнала. Искажения при среднем уровне сигнала примерно одинаковы для всех усилителей. При больших уровнях сигнала начинается ограничение (клиппирование) сигнала в выходном каскаде и искажения возрастают во много раз. Вот почему помимо коэффициента нелинейных искажений важно знать, при какой мощности он измерялся. Искажения малого сигнала максимальны у каскадов в режиме B. Подробно об этом далее.

 Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ, полоса усиливаемых частот) показывает способность усилителя усиливать различные частоты спектра. Обычно указывается диапазон частот, в котором отклонение коэффициента передачи усилителя от коэффициента передачи на частоте 1кГц не превосходит некоторых пределов (обычно +- 0,5...1дБ). Для современных усилителей полоса пропускания простирается от нескольких герц до десятков и сотен килогерц и, во всяком случае, не должна быть уже 20 Гц...20 кГц. Исключение составляют специализированные усилители. Так, для усилителей сабвуферов характерна полоса 10…500 Гц.

 Амплитудная характеристика показывает зависимость коэффициента усиления от входного напряжения. При прохождении сигнала через нелинейный усилительный тракт появляются составляющие с частотами, кратными основной (гармоники), а в случае нескольких сигналов - комбинационные составляющие на частотах, кратных сумме или разности составляющих частот и их гармоник. Амплитудную характеристику усилителя характеризует коэффициент нелинейных (гармонических) искажений и коэффициент интермодуляционных искажений. Эти параметры показывают мощность продуктов искажений относительно мощности основного сигнала в процентах. Заметность искажений определяется спектральным составом продуктов искажений: четные гармоники более заметны на слух, но не так неприятны, как нечетные. Мнения относительно допустимой величины этих искажений расходятся, ясно только одно - заметность интермодуляционных искажений на порядок выше, чем гармонических. Во всяком случае, коэффициент интермодуляционных искажений усилителя не должен быть больше 0,1-0,2%..

 Номинальная или непрерывная выходная мощность (Continuous Power Output) - выходная мощность усилителя (на один канал) при работе на номинальную нагрузку (обычно 4 Ом) с определенным коэффициентом нелинейных искажений (от 0.1% до 1% в зависимости от принятого стандарта) на некоторой частоте (обычно 1kHz, если не указано особо). Измеряется на синусоидальном сигнале на активной нагрузке. Определяет зону качественного звучания. Кроме того, усилитель должен без проблем выдерживать указанную мощность в течение длительного периода (в частности, не перегреваться).

 Максимальная выходная мощность (MPO, Max. Power Output) - выходная мощность усилителя (на один канал) при работе на номинальную нагрузку (обычно 4 Ом) с повышенным коэффициентом нелинейных искажений (обычно 10%) на некоторой частоте (обычно 1kHz, если не указано особо). В зависимости от конструкции выходного каскада усилителя может превышать номинальную в 1,5 - 2,5 раза. Определяет "громкость" усилителя, но говорить о музыкальности при таких искажениях бессмысленно.