20360

АМПЛИТУДНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Виды модуляции 19. Виды модуляции Модуляцией называется процесс управления одним или несколькими параметрами колебаний высокой частоты в соответствии с законом передаваемого сообщения. Классифицировать методы модуляции можно по трем признакам в зависимости: – от управляемого параметра высокочастотного сигнала: амплитудная AM частотная ЧМ и фазовая ФМ; – числа ступеней модуляции: одно двух трехступенчатая; – вида передаваемого сообщения – аналогового цифрового или импульсного непрерывная со скачкообразным изменением...

Русский

2013-07-25

94.5 KB

116 чел.

Лекция 19. АМПЛИТУДНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

19.1. Виды модуляции

19.2. Амплитудная модуляция

19.3. Амплитудная анодная и коллекторная модуляция

19.4. Амплитудная сеточная и базовая модуляция

19. 5. Контрольные вопросы

19.1. Виды модуляции

Модуляцией называется процесс управления одним или несколькими параметрами колебаний высокой частоты в соответствии с законом передаваемого сообщения. 

Модуляцию можно также рассматривать как процесс наложения одного колебания на другое.

Передаваемый сигнал называют модулирующим, управляемый высокочастотный - модулируемым.

Частота модулирующего сигнала должна быть на один и более порядков ниже модулируемого.

Классифицировать методы модуляции можно по трем признакам в зависимости:

– от управляемого параметра высокочастотного сигнала: амплитудная (AM), частотная (ЧМ) и фазовая (ФМ);

– числа ступеней модуляции: одно-, двух-, трехступенчатая;

– вида передаваемого сообщения – (аналогового, цифрового или импульсного) - непрерывная, со скачкообразным изменением управляемого параметра (такую модуляцию называют манипуляцией) и импульсная.

Описание модулированных сигналов возможно в рамках временного и спектрального методов. Для неискаженного приема модулированного сигнала полоса пропускания всех высокочастотных трактов радиопередатчика и радиоприемника должна быть равна или больше ширины спектра излучаемого сигнала. С другой стороны, спектр модулированного сигнала не должен выходить за выделенную данному каналу допустимую полосу излучения (рис. 19.1).

Рис. 19.1. Допустимая полоса излучения спектра модулированного сигнала

Излучения, лежащие за пределами выделенной полосой излучения, называются внеполосными. Их уровень не должен превышать определенной, строго нормируемой величины. В противном случае данный канал связи будет создавать помехи другим каналам.

Ширина спектра модулированного высокочастотного сигнала fcп зависит как от спектра передаваемого сообщения, так и от вида модуляции. Параметром, характеризующим модулированный сигнал, позволяющим сравнивать различные виды модуляции, является база сигнала:

В=Tfcп,     (19.1)

где Т - длительность элемента сигнала.

При передаче аналоговых сообщений верхняя частота его спектра F связана с параметром Т, трактуемым как время интервала отсчета, соотношением Т=l/(2F) и поэтому (19.1) принимает вид:

В=fcп/(2F).     (19.2)

При передаче цифровой информации двоичным кодом, состоящим из логических 1 и 0, со скоростью V, равной количеству передаваемых элементарных посылок (бит) в секунду (бит/с = бод), величина Т трактуется как длительность элементарной посылки Т=1/V, и поэтому:

В=fcп/V.     (19.3)

При В=1 высокочастотный модулированный сигнал называется узкополосным, при В>3…4 - широкополосным. В соответствии с этим определением в зависимости от используемого вида сигнала радиотехническая система в целом называется узко- или широкополосной.

При амплитудной модуляции сигнал всегда является узкополосным; при частотной (в зависимости от характеризующего ее параметра девиации частоты) - узко- или широкополосным. Вид модуляции и значение параметра В оказывают существенное влияние на помехоустойчивость радиотехнической системы и получение требуемого соотношения сигнал-шум в радиоприемном устройстве.

Пример модулированных сигналов одинаковой мощности, но с разной шириной спектра приведен на рис. 19.2.

Рис. 19.2. Пример модулированных сигналов одинаковой мощности с разной шириной спектра

Рассмотрим, чем вызвана необходимость применения двухступенчатой, а в некоторых случаях даже трехступенчатой модуляции. Пусть при одной частоте несущих колебаний fнес требуется передавать сообщения от нескольких источников. Для возможности разделения принятых сообщений в радиоприемном устройстве поступают следующим образом. Каждое из сообщений модулирует сначала свою индивидуальную несущую, называемую в этом случае поднесущей (рис. 19.3).

Рис. 19.3. Объединение поднесущих в групповой сигнал, модулирующий несущую

Далее все поднесущие с разными частотами объединяются в общий, групповой сигнал, модулирующий несущую.

При схеме на рис. 19.3 возможны разные комбинации видов модуляции, например в первой ступени AM, во второй - ЧМ. Модуляция при этом называется АМ-ЧМ.

Возможны и такие варианты: ЧМ-ЧМ, ЧМ-ФМ и т.д. При передаче дискретных сообщений применение двухступенчатой модуляции также имеет ряд достоинств.

19.2. Амплитудная модуляция

При АМ в соответствии с законом передаваемого сообщения меняется амплитуда модулируемого сигнала. Поэтому при тестовом тональном модулирующем сигнале имеем для высокочастотного модулируемого сигнала:

u(t)=U0(l+mcost)cos0t,    (19.4)

где m=Uмод/U01 - коэффициент амплитудной модуляции; 0 - частота несущих колебании.

График функции (19.4), который можно наблюдать на экране осциллографа, приведен на рис. 19.4.

Рис. 19.4. Осциллограмма функции (19.4)

По помехоустойчивости АМ существенно уступает частотной и фазовой и поэтому в современных радиотехнических системах практически не применяется. Однако в давно действующих системах, работающих в длинно-, средне- и коротковолновых диапазонах волн, амплитудный вид модуляции является доминирующим.

АМ осуществляется в генераторах с независимым возбуждением в основном в выходном или предоконечном каскадах путем изменения напряжения на одном или нескольких электродах электронного прибора. В соответствии с этим в транзисторных генераторах различают коллекторную, базовую и эмиттерную АМ, а в ламповых - анодную, анодно-экранную, сеточную и катодную. При модуляции только предоконечного каскада выходной ВЧ усилитель мощности работает в режиме усиления модулированных колебаний.

Общая структурная схема усилительного тракта РПДУ, относящаяся ко всем способам АМ, изображена на рис. 19.5.

Рис. 19.5. Структурная схема усилительного тракта РПДУ

Передаваемое сообщение поступает на вход модулятора, и после усиления модулирующий сигнал мощностью Рмод поступает на ВЧ усилитель. Требуемое значение Рмод зависит от мощности высокочастотных колебаний Р1, коэффициента m и способа модуляции. Требуемая мощность источника питания Р0 также определяется данными параметрами.

При любом способе амплитудной модуляции различают три основных режима работы: молчания (или несущей), максимальный и минимальный. При модуляции режим модулируемого ВЧ каскада непрерывно меняется. Максимальному режиму соответствует максимальное значение амплитуды колебаний, минимальному режиму - минимальное, в режиме молчания (Uмол) модуляция отсутствует (рис. 19.4).

Амплитуда ВЧ колебаний и мощность при тональной AM модуляции меняются по закону:

Uмод=Uмол(1+mcost);    Р1=Р1мол(1+mcost)2.

Мгновенные мощности ВЧ сигнала в трех режимах - молчания1мол), максимальном (Р1макс, пиковом) и минимальном (Р1мин) - связаны соотношениями:

Р1макс=Р1мол(1+m)2;  Р1мин=Р1мол(1–m)2.  (19.5)

Кроме мгновенных, важна и средняя мощность ВЧ колебаний за период модулирующего сигнала Т:

.   (19.6)

Из трех последних формул при m=1 получим:

Р1макс=4Р1мол;  Р1мин=0;   Р1ср=1,5Р1мол.

Пиковая мощность генератора при амплитудной модуляции в четыре раза превосходит мощность в режиме несущей (молчания).

Спектр AM колебания (19.4) имеет вид:

u(t)=U0cos0t+0,5mU0cos(0)t+0,5mU0cos(0+)t,  (19.7)

из которого следует, что спектр колебания при амплитудной модуляции тональным сигналом состоит из трех составляющих с частотами: 0 (совпадает с частотой несущей), 0 (нижняя боковая), 0+ (верхняя боковая), мощности между которыми распределены в пропорции: 1:(0,5m2):(0,5m2) (рис. 19.6, а), а сумма определяется согласно (19.6).

Рис. 19.6.

Согласно (19.7) ширина спектра AM колебания, построенного на рис. 19.6, a: fcп=2F. Следовательно, в соответствии с (19.2), имея базу В=1, сигнал при AM модуляции относится к классу узкополосных.

Спектр AM колебания при модуляции сигналом, занимающим спектр от мин до макс, представлен на рис. 19.6, б.

Две характеристики при AM определяют свойства радиопередатчика в целом: модуляционная m=Ф(U) (рис. 19.7, а) и модуляционно-частотная m=Ф() (рис. 19.7, б), где U, - амплитуда и частота модулирующего сигнала.

Рис. 19.7. Модуляционная m=Ф(U) (а) и модуляционно-частотная m=Ф() (б) характеристики при AM:

19.3. Амплитудная анодная и коллекторная модуляция

Схемы соединения модулируемого каскада (ВЧ генератора) и амплитудного модулятора при анодной и коллекторной модуляции приведены на рис. 19.8.

Рис. 19.8. Схемы соединения модулируемого каскада (ВЧ генератора) и амплитудного модулятора при анодной и коллекторной модуляции

На схеме рис. 19.8, а показано соединение модулятора с ВЧ генератором с помощью трансформатора. В транзисторных радиопередатчиках возможна также бестрансформаторная связь между ними благодаря использованию модуляторного транзистора в качестве управляемого переменного сопротивления, включенного в коллекторной цепи генераторного транзистора (рис. 15.8, б). В первом случае напряжение источника питания выбирается исходя из режима молчания; во втором случае - исходя из максимального режима.

Для осуществления неискаженной амплитудной модуляции необходимо правильно выбрать режим работы ВЧ генератора. Критерием такой оценки является линейность статической модуляционной характеристики - зависимости 1-й гармоники тока ВЧ модулируемого генератора от постоянного напряжения на электроде электронного прибора, на который подается модулирующий сигнал.

В соответствии с данным определением при анодной модуляции это есть зависимость 1-й гармоники анодного тока ВЧ лампового генератора Iа1 от постоянного напряжения на аноде лампы Еа в динамическом режиме работы (рис. 19.9, а), при коллекторной модуляции - зависимость 1-й гармоники коллекторного тока ВЧ транзисторного генератора IК1 от постоянного напряжения на коллекторе ЕК в динамическом режиме работы (рис. 19.9, б).

Рис. 19.9

На характеристиках точке 1 соответствует режим молчания или несущей, точке 2 - максимальный, точке 3 - минимальный режим. Чем меньше графики модуляционных характеристик Iа1(Ea) и IК1(ЕК) отклоняются от прямой линии, тем меньше уровень нелинейных искажений передаваемого сообщения за счет амплитудной модуляции. Для получения линейности этих графиков точка 2 на них должна соответствовать граничному режиму работы, а все остальные - перенапряженному. При этом КПД генератора на протяжении всей характеристики остается приблизительно неизменным.

Необходимость обеспечения при m=1 пиковой мощности, в четыре раза превосходящей мощность в режиме молчания, и соблюдение линейности статической модуляционной характеристики (рис. 19.9) - два сложно выполнимых требования, предъявляемые к радиопередатчикам с амплитудной модуляцией. При этом в пиковой точке (точка 2) все параметры генераторной лампы и транзистора не должны превосходить предельно допустимых параметров на данные электронные приборы. При коллекторной модуляции это означает, что при m=1 для получения мощности в режиме молчания, равной Р1 следует выбрать ВЧ транзистор мощностью Р1макс=4Р1.

В пиковой точке напряжение на коллекторе генераторного транзистора:

UКЭмакс=Ек (1+макс)(1+m),    (19.8)

где макс - коэффициент использования коллекторного напряжения в максимальном режиме работы.

Из (19.8) следует, что при m=1 и макс, близким к 1, напряжение питания для генераторного транзистора следует устанавливать согласно соотношению ЕК0,25 UКЭдоп, т.е. в четыре раза меньше допустимого напряжения коллектор - эмиттер.

Напряжение и мощность модулятора при анодной и коллекторной амплитудной модуляции равны:

Uмод=mЕа;  Pмод=0,5Uмод Iмод=0,5(mЕа)(mIа0мол)=0,5m2Р0мол;

Uмод=mЕК;  Pмод=0,5Uмод Iмод=0,5(mЕК)(mIК0мол)=0,5m2Р0мол,

где Р0мол - мощность, потребляемая ВЧ генератором в режиме молчания.

Мощность модулятора расходуется на повышение средней мощности модулированных колебаний, определяемой согласно (19.5). Сам модулятор представляет собой усилитель мощности низкой частоты.

19.4. Амплитудная сеточная и базовая модуляция

Схемы соединения модулируемого каскада (ВЧ генератора) и амплитудного модулятора с помощью трансформатора при сеточной и базовой модуляции приведены на рис. 19.10.

     

Рис. 19.10. Схемы соединения модулируемого каскада (ВЧ генератора) и амплитудного модулятора с помощью трансформатора при сеточной и базовой модуляции

В соответствии определением статической модуляционной характеристики при сеточной модуляции это есть зависимость 1-й гармоники анодного тока ВЧ лампового генератора Ial от постоянного напряжения смещения на сетке лампы Ес в динамическом режиме работы (рис. 19.11, а); при базовой модуляции - зависимость 1-й гармоники коллекторного тока ВЧ транзисторного генератора IК1 от постоянного напряжения смещения на базе ЕБ в динамическом режиме работы (рис. 19.11, б).

Рис. 19.11.

На характеристиках точке 1 соответствует режим молчания или несущей, точке 2 - максимальный, точке 3 - минимальный режим. Чем меньше графики модуляционных характеристик Ial(Ес) и IК1(ЕБ) отклоняются от прямой линии, тем меньше уровень нелинейных искажений передаваемого сообщения за счет амплитудной модуляции. Для получения линейности этих графиков точка 2 на них должна соответствовать граничному режиму работу, а все остальные - недонапряженному. При этом КПД генератора на протяжении всей характеристики меняется по линейному закону, уменьшаясь начиная с точки 2.

Необходимость обеспечения при m=1 пиковой мощности, в четыре раза превосходящей мощность в режиме молчания, и соблюдение линейности статической модуляционной характеристики (рис. 19.11) - два сложно выполнимых требования, предъявляемые к радиопередатчикам с сеточной и базовой амплитудной модуляцией. При этом в пиковой точке (точка 2) все параметры генераторной лампы и транзистора не должны превосходить предельно допустимых параметров на данные электронные приборы. При модуляции это означает, что при m=1 для получения мощности в режиме молчания, равной Р1, следует выбрать ВЧ транзистор мощностью Р1макс=4Р1.

В пиковой точке напряжение на коллекторе генераторного транзистора:

UКЭмакс=ЕК(1+макс),    (19.10)

где макс - коэффициент использования коллекторного напряжения в максимальном режиме работы.

Из (19.10) следует, что при m=1 и макс, близким к 1, напряжение питания для генераторного транзистора следует устанавливать два раза меньше допустимого напряжения коллектор-эмиттер: ЕК=0,5UКЭдоп. Мощность модулятора при сеточной и базовой модуляции на 1-2 порядка меньше, чем соответственно при анодной и коллекторной модуляции.

Расчет ВЧ генератора при всех видах АМ начинается с максимального режима, мощность в котором определяется согласно (19.5). По напряженности этот режим во всех случаях является граничным. Затем рассчитывается режим молчания и определяется требуемая мощность амплитудного модулятора.

Выводы:

При анодной и коллекторной модуляции выше КПД генератора, и меньше уровень нелинейных искажений сигнала.

Преимуществом сеточной и базовой модуляции является меньшая мощность модулятора, что позволяет уменьшить массу и габариты РПДУ.

В зависимости от конкретных требований, предъявляемых к аппаратуре, выбирается тот или иной вид АМ.

19. 5. Контрольные вопросы

1. В чем состоит сущность процесса модуляции?

2. Перечислите основные виды модуляции.

3. Что означает двухступенчатая модуляция?

4. Чем отличается немодулированный сигнал от модулированного?

5. Что такое база сигнала? Как она определяется в случае передачи аналоговых и цифровых сообщений?

6. Что означает понятие «выделенная полоса частот»?

7. Что такое внеполосные излучения и причина их появления?

8. Какой спектр имеет сигнал при амплитудной модуляции?

9. Как связаны между собой мощность в режиме несущей, средняя и максимальная мощности при амплитудной модуляции?

10. Как осуществляется анодная и коллекторная амплитудная модуляция? В каком режиме по напряженности должен быть при этом генератор?

11. Как осуществляется сеточная и базовая амплитудная модуляция? В каком режиме по напряженности должен быть при этом генератор?

12. Проведите сравнение разных видов амплитудной модуляции.

8

Дмитриев В.Н. Лекция 19 по УГФС в СПС


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

62073. Розбирання і збирання газорозподільного механізму 12.65 KB
  Мета: Сформувати в учнів знання та вміння по розбиранню і збиранню газорозподільного механізма а також виховувати в них дбайливе ставлення до інструментів. Розвинути в учнів уміння аналізувати та зіставляти. б Перевірка знань і умінь учнів: Призначення газорозподільного механізма...
62077. Основы актерского мастерства 20.22 KB
  Оснащение урока: Мебельный инвентарь трости мячи разнообразные предметы Ход урока: приветствие введение; Тренинг на развитие фантазии каждому из участников предлагается предмет выбор ничем не обусловлен к примеру...
62080. Об’єднання Галицького і Волинського князівств Романом Мстиславичем. Возз’єднання князівства за синів Романа 31.36 KB
  Мета: учні зможуть дати характеристику правління Романа Мстиславича визначати основні риси його внутрішньої і зовнішньої політики; визначатимуть особливості перебігу періоду усобиць...
62081. Основные приёмы резания тонколистового металла 83.15 KB
  Цели занятия: –Обучающая: ознакомить учащихся с разновидностями ручных и металлических ножниц; научить приемам резания ручными слесарными ножницами. –Развивающая: научить приемам резания ручными слесарными ножницами.