Амплитудные модуляторы

Модуляторы

Умножители частоты.

Умножители частоты (УЧ) необходимы при разработке стабильных источников гармонических колебаний повышенной частоты. УЧ - это устройство, повышающее частоту входного сигнала в n раз, где n – целое число – коэффициент умножения.

Наличие в спектре коллекторного тока усилителя гармонических составляющих с частотами, кратными входной частоте, позволяет использовать нелинейный резонансный усилитель в качествеУЧ. Для этого достаточно в схеме резонансного усилителя (рис. 4.5,а) настроить колебательный контур на требуемую частоту. Известно, что при больших значениях n коэффициенты гармоник γ_n довольно малы. Поэтому выбирают такой угол отсечки θ, при котором соответствующий коэффициент гармоник максимален. Практически доказано, что оптимальный угол θ, дающий наибольшую амплитуду выходного напряжения в УЧ, примерно равен 180˚/ n.

Принципы действия УЧ и нелинейного резонансного усилителя мощности в основном одинаковы и различия заключаются лишь в выборе угла отсечки тока. По аналогии с выражением (4.12) определим амплитуду выходного напряжения УЧ при кусочно-линейной аппроксимации характеристики транзистора

U_mn=I_nR_0n=SU_mвхγ_nR_0n (4.13)

где R_0n – резонансное сопротивление контура на n -й гармонике;

γ_n - функция Берга для n - й гармоники.

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.

Формальный анализ аналитического выражения для тонального АМ сигнала U_AM (t)=U_н(1+МcosΩt)cosω₀t показывает, что при его формировании необходимо перемножить модулирующий сигнал e(t)=E₀cosΩt и несущее колебание u_н(t)=U_нcosω₀t. 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 u_н(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:

U_вх(t)=U₀+E₀cosΩt+U_нcosω₀t. (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 I _к от напряжения база - эмиттер U _бэ) аппроксимирована двумя отрезками прямых линий. Вследствие перемещения рабочей точки относительно напряжения смещения U ₀ по закону модулирующего сигнала e (t) происходит изменение угла отсечки тока в кривой несущего колебания.

В результате импульсы коллекторного тока i _к 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 Δω_АМ =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 I _к1 транзистора от постоянного напряжения смещения на базе U_бэ (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 I_кmin - I_кmах.

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 гармоническиймодулирующий сигнал с амплитудой E ₀ = 0,05 B, несущее колебание с амплитудой U _н = U _m = 0,1 B и постоянное напряжение смещения U ₀ = 0,6 B. Сквозная характеристика транзистора аппроксимирована двумя отрезками прямых линий (рис. 4.6, б) с напряжением E _н = 0,6 B.

Определить коэффициент амплитудной модуляции.

Решение. Используя исходные данные, находим, что рабочая точка перемещается по характеристике от максимального напряжения U _max= U ₀+ E ₀= 0,65B до минимального U _min= U ₀- E ₀=0,55B.

Подставляя эти величины вместо U ₀ 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(Ө_max) =0,805, γ₁(Ө_min) =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 и _вых = k _a u₁u₂, где k _a – 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 = 4 u₁u₂;

деление на четыре: 4 u₁u₂ /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) = E ₀ cosΩt и несущего колебания u_н(t) = = U _нcosω₀t. Выходное напряжение:

u_БМ (t)= k_a E₀cosΩtU_нcosω₀t =0,5 k_a E ₀ U_н [ cos(ω₀-Ω)t + cos(ω₀+Ω)t ] (4.15)

состоит из нижней и верхней боковых полос АМ сигнала, в котором отсутствует несущая компонента.

Дата добавления: 2014-01-13