Фазоразностный метод формирования обп

Формирование однополосного сигнала может быть выполнено на основе изменения фазовых соотношений между различными со­ставляющими амплитудно-модулированных сигналов. Для этого рассмотрим схему, состоящую из двух ветвей, объединенных на входе и выходе с помощью развязывающих устройств (РУ) (рис. 23).

Основными элементами фазоразностной схемы (ФРС) формиро­вания ОБП являются: ФК₁ - фазовый контур первой ветви, обеспе­чивающий фазовый сдвиг для исходного первичного сигнала; ФК₂ - фазовый контур второй ветви, обеспечивающий фазовый сдвиг для исходного первичного сигнала; РУ-1 - развязываю­щее устройство, разделяющее первичный сигнал на первую и вто­рую ветви; РУ-2 - развязывающее устройство, объединяющее сиг­налы первой и второй ветвей схемы; M₁ и М₂ - модуляторы (как правило, выполненные по двойной балансной или кольцевой схеме) первой и второй ветвей ФРС, осуществляющие перемножение сиг­налов с несущими колебаниями; ФК₃ - фазовый контур, обеспечи­вающий фазовый сдвиг , между несущими частотами, пода­ваемыми на модуляторы первой и второй ветвей ФРС. Фазовые ха­рактеристики контуров ФК₁ и ФК₂ рассчитаны таким образом, что в диапазоне частот первичного сигнала F₁…F₂ разность вносимых ими фазовых сдвигов равна , т.е. если сдвиг фазы, вносимый контуром ФК₁ равен , а сдвиг фазы, вносимый контуром ФК₂ ра­вен , то во всем диапазоне частот первичного сигнала должно соблюдаться соотношение .

Для упрощения анализа работы ФРС положим, что на ее вход поступает гармонический сигнал вида , фазовый сдвиг ФК₁ , фазовый сдвиг ФК₂ . Тогда на входе модулятора М₁ входной сигнал будет иметь вид , а на входе модуля­тора М₂ - . Напряжения несущей частоты, подавае­мые на модуляторы М₁ и М₂, будут соответственно равны и . В результате перемножения преобра­зуемых сигналов и несущих частот получим:

на выходе модулятора М₁

и на выходе модулятора М₂

.

Рис. 23. Фазоразностная схема формирования ОБП

При симметрии обеих ветвей ФРС амплитуды токов на выходах модуляторов будут равны. В этом случае суммарный ток на выходе РУ-2 будет равен

(60)

т.е. в его составе будет только ток нижней боковой полосы частот.

Если формировать верхнюю боковую полосу частот, то необхо­димо выполнить операцию вычитания, т.е.

(61)

Операция вычитания достигается изменением фазы тока в одной из ветвей ФРС на путем переключения (переполюсовки) проводов в этой ветви. Спектральные диаграммы, поясняющие формирова­ние ОБП в ФРС, приведены на рис. 24.

Рис. 24. Спектральные диаграммы формирования ОБП с помощью ФРС

Фазоразностный метод формирования ОБП (например, нижней) можно пояснить с помощью векторных диаграмм (рис. 25).

Рис. 25. Векторная диаграмма напряжений в ФРС при формировании ОБП

На векторной диаграмме (рис. 25, а) изображены векторы боко­вых полос на выходе модуляторов М₁ и М₂ и несущих частот. На­правления векторов нижних боковых первой и второй ветвей ФРС совпадают и поэтому суммируются, а векторы верхних боковых вет­вей соответствующих ветвей направлены в противоположные сто­роны и взаимно компенсируются. Результирующий вектор U на вы­ходе схемы представляет собой удвоенный по амплитуде вектор нижней боковой (рис. 25, б).

Полное подавление ненужной боковой полосы частот будет обеспечено только при выполнении двух условий: 1) каждая состав­ляющая спектра первичного сигнала должна быть сдвинута на угол в одной ветви ФРС относительно другой; 2) ветви схемы должны быть строго симметричны, т.е. амплитуды токов на выходе модуляторов M₁ и М₂ должны быть равными или затухания ветвей ФРС должны быть одинаковыми.

Предположим, что первое условие не выполняется и разность фа­зовых сдвигов в ветвях схемы равна и токи в ветвях схемы связаны соотношением /₁= I, a I₂= kI, где (т.е. не выполняется и второе условие) определяет асимметрию ветвей ФРС. При таких допущениях ток на выходе модулятора M₁ будет равен

(62)

а ток на выходе модулятора М₂ будет равен

(63)

Суммарный ток на выходе развязывающего устройства РУ-2 будет в этом случае содержать составляющие и нижней и верхней боковых частот. Суммируя соответствующие члены вы­ражений (62) и (63), напишем выражение для тока верхней (неис­пользуемой) боковой частоты

Произведя несложные тригонометрические преобразования, по­следнее выражения можно привести к виду

.

В полученном выражении ток неиспользуемой боковой полосы частот представлен в виде суммы двух составляющих, находящихся в квадратуре. Его амплитуда будет равна

. (64)

Сравнивая эту амплитуду с амплитудой полезной боковой поло­сы на выходе идеальной фазоразностной схемы (60), можно опре­делить степень подавления ФРС неиспользуемой боковой полосы. Это затухание, выражающееся в децибелах, называемое затухани­ем в полосе задерживания, будет равно

(65)

Анализ выражения (65) показывает, что степень подавления не­нужной боковой полосы частот сильно зависит от коэффициента асимметрии к. Следовательно, необходимо, прежде всего, стре­миться к уменьшению асимметрии токов в ветвях ФРС. Сделать это нетрудно, вводя в одну из ветвей схемы регулируемый аттенюатор (удлинитель). При k = 1 затухание ФРС в полосе задерживания бу­дет равно .

Неидеальность фазирования ФРС и асимметрия ее ветвей ока­зывают влияние и на амплитуду полезной боковой полосы частот. Суммируя, как и ранее, соответствующие составляющие (62) и (63), получим выражение для тока нижней (полезной) боковой частоты

(66)

Выполнив несложные тригонометрические преобразования, полу­чим выражение для амплитуды тока полезной боковой частоты в виде

(67)

Сравнивая амплитуды токов в формулах (60) и (67), можно оце­нить величину затухания, вносимой ФРС для тока полезной боковой частоты или затухание в полосе пропускания А_п

(68)

При идеальной симметрии ФРС (k = 1) затухание в полосе про­пускания будет равно

Это затухание незначительно даже при больших погрешностях фазирования, и практически им можно пренебречь (так, например, при дБ).

Затухание подавления ненужной боковой полосы неидеальной ФРС, т.е. при невыполнении двух вышеназванных условий («усло­вие фаз» и «условие амплитуд») с учетом (64) и (67), будет равно

(69)

Симметрия ветвей ФРС достигается довольно просто. Для обес­печения же высокой точности фазирования в полосе частот первич­ного сигнала требуется применение достаточно сложных и дорогих фазовых контуров ФК₁ и ФК₂ (называемых иногда фазовращателями) (см. рис. 23). Как отмечалось ранее, подавление ненужной боковой полосы частот должно быть не менее 60 дБ. Такое значение А_П мож­но обеспечить, если будет меньше 1°. Более дешевые и менее сложные фазовые контуры, например, содержащие не более двух звеньев второго порядка, имеют погрешность в полосе частот пер­вичного сигнала , что соответствует затуханию в полосе задерживания примерно 26 дБ. Такие контуры широко применяются в ФРС систем передачи на местных сетях. Простая и экономичная схема формирования ОБП позволила значительно упростить и уде­шевить оконечные станции этих систем и, следовательно, повысить их эффективность в целом. Однако из-за недостаточной степени по­давления неиспользуемой боковой полосы частот номинальная по­лоса частот канала в таких системах расширена в два раза. При рас­ширении полосы частот до 8 кГц неиспользуемая боковая полоса частот не будет совпадать с полосой полезной боковой соседнего канала, поэтому требования к степени ее подавления можно значи­тельно снизить. Затухание должно быть таким, чтобы на приеме не возникали биения при расхождении фаз несущих частот на пере­дающей и приемной станциях. Этим явлением можно пренебречь, если затухание в полосе задерживания будет не менее 26 дБ, что обеспечивается при неточности фазирования порядка 6°.

Применение фазоразностных схем вместо канальных полосовых фильтров обладает следующими достоинствами: при изменении номинала несущей частоты в ФРС изменяется только контур ФК₃, настроенный на несущую частоту (обычно очень простой). Фазовые контуры ФК₁ и ФК₂, обеспечивающие заданную разность фаз в диа­пазоне частот первичного сигнала, остаются неизменными при лю­бом значении несущей частоты.

Из сказанного следуют два вывода: 1) при использовании ФРС пе­редающее оборудование всех каналов системы передачи будет оди­наковым, так как фазоразностные схемы в различных каналах будут отличаться только контурами ФК₃, тогда как при использовании фильтров во всех каналах надо было бы при различных несущих применять различные фильтры. Такая идентичность канального обо­рудования всех каналов может привести к значительному упрощению и удешевлению аппаратуры, что очень важно для связей на короткие расстояния; 2) при использовании ФРС значение несущей частоты не влияет на сложность реализации схемы (как это имеет место при фильтровом методе формирования ОБП), так как степень подавле­ния неиспользуемой полосы определяется точностью фазирования в диапазоне частот первичного-исходного сигнала. Поэтому с помо­щью ФРС можно одной ступенью модуляции переносить исходный сигнал в любой диапазон частот, т.е. формировать необходимое чис­ло каналов, не прибегая к многократному преобразованию частоты, что упрощает аппаратуру. Наряду с перечисленными достоинствами ФРС имеет серьезный недостаток - невозможность значительного подавления неиспользуемой боковой полосы, что обуславливается трудностью создания фазовых контуров с незначительной погрешно­стью фазирования.