20364

ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Излучаемый РПДУ сигнал модулированный последовательностью прямоугольных импульсов показан на рис. Рис. При периодической последовательности прямоугольных импульсов рис.l где Е амплитуда импульса рис.

Русский

2013-07-25

116.5 KB

89 чел.

Лекция 23. ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

23.1. Параметры и спектр сигнала при импульсной модуляции

23.2. Структурная схема и классификация импульсных модуляторов

23.3. Импульсный модулятор жесткого типа с емкостным накопительным элементом

23.4. Импульсный модулятор мягкого типа с искусственной линией

23.5. Внутриимпульсная частотная модуляция

23.6. Контрольные вопросы

23.1. Параметры и спектр сигнала при импульсной модуляции

Импульсная модуляция (ИМ) широко используется в радиолокации, при передаче телеметрической информации и в других случаях. Излучаемый РПДУ сигнал, модулированный последовательностью прямоугольных импульсов показан на рис. 23.1. Спектр радиосигнала при ИМ широкий, поэтому ее применяют в РПДУ СВЧ диапазона.

Рис. 23.1. Излучаемый ИМ сигнал.

При ИМ сигнал определяют следующие параметры: - длительность импульса; Т - период повторения импульсов; q=(Т)/ - скважность; f0 - частота несущей; Ри - мощность сигнала в импульсе; Рср=Ри(/Т) - средняя мощность сигнала; fcп - ширина спектра излучаемого сигнала; вид модуляции импульсов.

Раскроем содержание последнего параметра. Импульсы, модулирующие несущую частотой f0, могут быть, в свою очередь, сами промодулированы. При этом различают: амплитудно-импульсную модуляцию (АИМ), широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), временно-импульсную модуляцию (ВИМ), кодово-импульсную модуляцию (КИМ), внутриимпульсную модуляцию - частотную или фазовую.

Спектр сигнала при ИМ определяется в два этапа. На первом этапе определяется спектр периодической последовательности импульсов, модулирующих несущую; на втором этапе - спектр промодулированной импульсами несущей. При периодической последовательности прямоугольных импульсов (рис. 23.1, а) спектр можно получить, разложив функцию в ряд Фурье. В результате получим для амплитуд составляющих в этом спектре, следующих через интервалы =2/Т или F=1/Т:

,   (23.l)

где Е - амплитуда импульса (рис. 23.1, a); k- целое положительное число.

Спектр можно рассчитать также по программе, представленной на рис. 23.2, в которой принято: AM=Е, =/T, N - число рассчитываемых спектральных составляющих.

:= 0,1  N := 20  AM := 1

k := 0 … N

 

Рис. 23.2. Программа для расчета спектра сигнала при ИМ

Пример расчета линейчатого спектра при AM=Е=1, =/Т=0,1, N=20 приведен на рис. 23.3. Из (23.1) и рассмотренного примера следует, что при =2k/ или f=k/ амплитуда Ak=0.

Рис. 23.3. Пример расчета линейчатого спектра при ИМ

Спектр периодической последовательности радиоимпульсов (рис. 23.1, б) подобен спектру на рис. 23.3, но симметричен и смещен относительно начала координат на частоту несущей f0. Пример центральной части такого спектра представлен на рис. 23.4.

Рис. 23.4. Пример центральной части спектра периодической последовательности радиоимпульсов.

Теоретически ширина спектра рассматриваемого сигнала бесконечна. Однако большая часть его энергии сосредоточена в полосе fсп=6/ (согласно рис. 23.4 принимается во внимание основной и по два с каждой стороны боковых «лепестка» спектра).

23.2. Структурная схема и классификация импульсных модуляторов

Радиопередатчики в импульсе могут излучать очень большую мощность - в десятки и даже сотни мегаватт. Поскольку, однако, эти импульсы излучаются с большой скважностью q, то, используя принцип накопления энергии паузе между импульсами, мощность первичного источника можно понизить в то же число q раз. Структурная схема такого импульсного модулятора приведена на рис. 23.5.

Рис. 23.5. Структурная схема импульсного модулятора.

Мощность первичного источника постоянного тока:

,     (23.2)

где Р1имп - мощность СВЧ генератора в импульсе; г - КПД генератора.

Пример. Мощность СВЧ радиопередатчика в импульсе Р1имп=1 МВт, скважность q=1000, =50%. Согласно (23.2) требуемая мощность первичного источника постоянного тока: Р0=2 кВт.

Классификация импульсных модуляторов осуществляется по двум признакам: типу накопительного элемента и виду коммутирующего устройства. Возможны три типа накопительных элементов: емкостного, индуктивного и смешанного вида. Коммутирующие устройства подразделяются: на жесткого типа (электровакуумные лампы и высоковольтные транзисторы) и мягкого типа (тиратроны и тиристоры - кремниевые управляемые вентили).

В импульсных модуляторах жесткого типа длительность сформированного импульса определяется длительностью входного импульса. В импульсных модуляторах мягкого типа входной импульс определяет только начало формируемого импульса, длительность которого определяется параметрами накопительного элемента.

23.3. Импульсный модулятор жесткого типа с емкостным накопительным элементом

Схема такого модулятора приведена на рис. 23.6. Работа схемы распадается на две фазы.

Рис. 23.6. Схема импульсного модулятора жесткого типа с емкостным накопительным элементом

1-я фаза. Ключ - высоковольтный транзистор - закрыт за счет отрицательного напряжения, поданного на базу; протекает процесс заряда высоковольтного конденсатора С (рис. 23.7, а) по экспоненциальному закону:

,    (23.3)

где Тзар=(R1+R2)C - постоянная времени цепи заряда; Е0 - напряжение источника питания; t<Т - текущее время.

2-я фаза. По истечении времени Т - периода повторения импульсов - на вход схемы приходит импульс положительной полярности, открывающий транзисторный ключ, вследствие чего к СВЧ генератору прикладывается положительное напряжение Е0, до которого успел зарядиться конденсатор. Начинается разряд конденсатора через транзистор и СВЧ генератор (рис. 23.7, б) по закону:

,     (23.4)

где Тр=(Rмод+Roг)C- постоянная времени цепи разряда, где Rмод, Roг - сопротивления ключа и генератора по постоянному току.

Рис. 23.7. Эквивалентная схема ИМ жесткого типа с емкостным накопительным элементом.

Время разряда определяется длительностью импульса , после чего ключ закрывается и вновь повторяется 1-я фаза процесса - заряд конденсатора.

Графики, отображающие описанный процесс заряда и разряда конденсатора С, приведены на рис. 23.8, а.

Рис. 23.8. Графики, отображающие процесс заряда и разряда конденсатора в ИМ жесткого типа с емкостным накопительным элементом.

Постоянную времени цепи заряда Тзар определим из условия: за время Т конденсатор должен успеть зарядиться до напряжения источника постоянного напряжения Е0. Для его выполнения согласно (23.3) следует иметь (Т/Тзар3.

Постоянную времени цепи разряда Тр определим из условия: за время (длительности импульса - напряжение на конденсаторе, приложенное к СВЧ генератору, должно уменьшится не более чем на UC=Е0Е1 – (рис. 23.8, а). При UC/Е0 <1 из (23.4) получим:

.   (23.5)

Значение UC определяется режимом работы электронного прибора в СВЧ генераторе.

Поскольку в ИМ осуществляется коммутация больших значений токов, то при переключении, т.е. переходе из 1-й фазы работы во 2-ю и обратно, возникает переходный колебательный процесс (рис. 23.8, б). Для его ослабления в схему (рис. 23.6) включается диод Д1, гасящий возникающие колебания.

КПД модулятора определяется как отношение энергии, отдаваемой конденсатором во время разряда WС (2-я фаза), к энергии, идущей на заряд конденсатора WС+WR (1-я фаза), где WR - энергия, расходуемая в сопротивлениях:

.    (23.6)

Пример. Длительность импульса =1 мкс=10–6 с; период повторения импульсов Т=1 мс=10–3 с; сопротивления: Rмод=2 Ом, R=100 Ом. Допустимое изменение напряжения UC/E0=5%.

Согласно (23.5) для постоянной времени цепи разряда получим:

Тр=1/0,05=20 мкс.

Емкость С=Тр/(Rмод+R)=2010–6/102=210–7Ф=0,2 мкФ.

Постоянная времени цепи заряда Тз=0,2Т=0,210–3 с.

Сопротивления: (R1+R2)=Тз/C=0,210–3/0,210–6=1000 Ом=1 кОм. (время измеряется в секундах, емкость - в фарадах, сопротивление - в омах).

Согласно (23.6) КПД модулятора составляет 97,5%.

23.4. Импульсный модулятор мягкого типа с искусственной линией

Принцип действия данного модулятора основан на формировании импульса прямоугольной формы с помощью длинной или искусственной линии.

Пусть линия длиной S с волновым сопротивлением при разомкнутом ключе К заряжена до напряжения Е (рис. 23.9,а). После замыкания ключа на сопротивление нагрузки Rн= начнется разряд линии. При этом в линии образуется две волны, одна из которых с амплитудой Uн1=0,5Е со скоростью V начнется двигаться влево (1-я волна); другая волна той же амплитуды с той же скоростью (2-я волна) - вправо (рис. 23.9,б). Первая волна, достигнув сопротивления Rн=, будет им поглощена, образуя импульс амплитудой Uн1=0,5Е и длительностью 3=S/V (рис. 23.10,а).

Рис. 23.9. Принцип действия ИМ мягкого типа с искусственной линией.

Вторая волна, достигнув разомкнутого конца линии, полностью от него отразится, поскольку в этом случае коэффициент отражения Г=1. После отражения, начав двигаться влево, вторая волна, как и первая, достигнув с задержкой на время 3 сопротивления нагрузки Rн=, также будет им поглощена, вновь сформировав импульс амплитудой Uн1=0,5Е и длительностью 3. Таким образом, за счет обеих волн на нагрузке Rн= будет сформирован импульс амплитудой Uн1=0,5Е и длительностью =23=2S/V (рис. 23.10,а).

Рис. 23.10.Процесс формирования импульса в ИМ мягкого типа с искусственной линией.

Обратимся к схеме ИМ, в которой длинная линия заменена искусственной или линией задержки, составленной из L и С элементов (рис. 23.11).

Такая линия задержки характеризуется волновым сопротивлением:

,   (23.7)

и временем задержки:

,   (23.8)

где n - число LC ячеек.

Рис. 23.11. Схема ИМ, в котором длинная линия заменена искусственной линией задержки.

Роль электронного ключа в схеме выполняет тиристор. Характеристика тиристора, имеющего второе название - кремниевый управляемый вентиль (КУВ), приведена на рис. 23.12. В зону отпирания с большим током и малым падением напряжения всего в несколько вольт тиристор переходит только после подачи положительного импульса на управляющий электрод. В область запирания тиристор переходит после снятия с него основного напряжения.

Рис. 23.12.ВАХ тиристора.

В целом схема ИМ (рис. 23.11) работает согласно принципу, рассмотренному при анализе длинной линии (рис. 23.9). После подачи положительного импульса на управляющий электрод электронный ключ - тиристор - замыкается и начинается разряд искусственной линии, длящийся 23, где 3 определяется согласно (23.8). После полного разряда линии тиристор переходит в закрытое состояние и начинается заряд искусственной линии от источника напряжением Е. После прихода следующего импульса на управляющий электрод весь процесс повторяется. Таким образом, в модуляторе (рис. 23.11) с помощью искусственной линии формируется импульс длительностью =23 и напряжением 0,5Е (рис. 23.10,а). В реальной схеме сформированный импульс имеет вид, представленный на рис. 23.10,б: в нем появляются фронты, а на плоскую часть накладывается, синусоидальный сигнал, зависящий от числа ячеек в линии.

Энергия, запасаемая линией при ее заряде: Wл=0,5nСЕ2.

Энергия, расходуемая линией при разряде: Wр=Ри=2Ри3, где Ри - мощность импульса.

Из равенства Wл=Wр с учетом (23.7) и (23.8) для напряжения питания получим:

.     (23.9)

С помощью импульсного трансформатора (ИТ) напряжение в линии (Uл=0,5Е повышается до значения, необходимого для СВЧ генератора (рис. 23.11).

Пример. Определить требуемые параметры искусственной линии в схеме ИМ (рис. 23.11) при длительности импульса =2 мкс и мощности Ри=10 кВт.

Примем для одной ячейки L=10 мкГн, С=1000 пФ. Согласно (23.7) для волнового сопротивления линии получим: =100 Ом.

Из (23.8) с учетом зар=0,5 определим требуемое число ячеек линии: n=10. Для напряжения источника питания согласно (23.9) получим Е=2 кВ.

23.5. Внутриимпульсная частотная модуляция

В радиолокации для получения высокой разрешающей способности и большой дальности применяют сжатие сигнала в радиоприемнике путем внутриимпульсной частотной и фазовой модуляции излучаемого радиопередатчиком сигнала. Одним из таких способов внутриимпульсной модуляции является изменение частоты сигнала по линейному закону (рис. 23.13,а):

,    (23.10)

где дев - девиация частоты; Т - длительность линейного ЧМ (ЛЧМ) сигнала.

Параметр m=fдевТ, называемый базой сигнала, показывает, во сколько раз можно сжать по времени ЛЧМ сигнал на приемной стороне радиолинии по сравнению с передающей.

Для ЛЧМ сигнала (рис. 23.13,б) с учетом (23.10) имеем:

  (23.11)

т.е. фаза меняется по квадратичному закону.

      

Рис. 23.13. ЛЧМ сигнал.

В РПДУ процесс ИМ и ЧМ следует синхронизировать. Структурная схема РПДУ при этом может иметь вид, показанный на рис. 23.14.

Рис. 23.14. Структурная схема РПДУ ИМ и ЧМ с синхронизацией ИМ и ЧМ.

В схеме ЛЧМ сигнал формируется посредством генератора пилообразного напряжения, изменяющего частоту автогенератора по линейному закону. Стабилизация частоты автогенератора осуществляется устройством АПЧ. С помощью синхронизирующего устройства изменение частоты автогенератора начинается в момент подачи импульса на СВЧ усилитель мощности.

23.5. Контрольные вопросы

1. Как выглядит сигнал при импульсной модуляции? Что такое скважность?

2. Какой спектр имеет радиосигнал при импульсной модуляции? Какова ширина спектра излучаемого сигнала?

3. Нарисуйте обобщенную структурную схему импульсного модулятора.

4. Как работает модулятор с емкостным накопительным элементом?

5. Как работает импульсный модулятор с искусственной линией?

6. Зачем применяется внутриимпульсная частотная модуляция?

7. По какому закону меняется фаза ЛЧМ сигнала?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

38282. Нематериальные активы 38 KB
  Нематериальные активы – это немонетарный актив, который не имеет материальной формы, может быть идентифицирован (обособлен от предприятия) и содержится предприятием с целью исполнения более одного года или операционного цикла, если он превышает, для производства, торговли, административных целей, сдачи в аренду.