Исследование схем амплитудной модуляции

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Исследование схем амплитудной модуляции

Цель работы: изучение методов и средств получения амплитудной модуляции.

1.  Краткие теоретические сведения.

1.1  Введение

Амплитудная модуляция (АМ) – это один из методов кодирования информации, основанный на переносе спектра из естественной области существования сигнала в радиочастотную. АМ – это, прежде всего, сигнал с переменной амплитудой, следовательно, для его получения нужен усилитель, коэффициент усиления которого менялся бы в зависимости от величины звукового напряжения.

График АМ – колебания для тональной модуляции показан на рис.1.

Рис.1. АМ–колебание для тональной модуляции

При модуляции амплитуда напряжения несущей частоты Um0 получает приращение, которое изменяется по закону изменения модулирующего сигнала UmWсosW t относительно амплитуды несущей частоты, тогда выражение напряжения АМ – колебания принимает вид:

, (1)

где W - частота модулирующего сигнала,

w0 – несущая частота.

Преобразовав (1), получим:

(2)

Отношение приращения амплитуды напряжения несущей частоты при модуляции D Um к ее значению без модуляции Um0 обозначают буквой М и называют коэффициентом глубины модуляции или глубиной модуляции.

(3)

1.2. Способы осуществления АМ.

Для осуществления АМ используют усилитель с переменным коэффициентом усиления К. В общем случае коэффициент усиления усилителя описывается выражением:

К = SRH, (4)

где – крутизна характеристики активного элемента;

diВЫХ, dUВХ – приращения выходного тока и входного напряжения;

RН - сопротивление нагрузки.

Поскольку в соответствие с (4) коэффициент усиления можно изменить двумя способами : варьируя S или RН , для реализации модуляции необходим элемент с регулируемой крутизной или элемент с регулируемым сопротивлением. Крутизна S характеристики нелинейного элемента, транзистора например, резко изменяется в областях запирания и насыщения, следовательно, для управления крутизной достаточно выйти на один из этих участков характеристики и использовать нелинейный элемент как передаточное звено.

Выходное сопротивление Ri нелинейного элемента, определяемое как

, (5)

где dUВЫХ, diвых – приращения выходного напряжения и тока. Они резко меняются в области нелинейности выходной характеристики элемента, поэтому Ri можно использовать в качестве нагрузки усилителя с переменным коэффициентом усиления. Управлять параметрами S и Ri­ можно, воздействуя на управляющий электрод или выходной.

Другой способ реализации АМ основан на математической обработке модулирующего и модулируемого сигналов с помощью аналоговых или цифровых микросхем.

При использовании аналогового перемножителя рис.2 в режиме АМ, на вход Х подается напряжение UX частоты w0,

Рис.2.Схема аналогового перемножителя

, (6)

а на вход Y - сигнал Uy равный сумме модулирующего и постоянного напряжений.

, (7)

где М – коэффициент глубины модуляции.

Напряжение на выходе перемножителя имеет вид:

(8)

т. е. соответствует модулированному сигналу с амплитудой несущей:

, (9)

где К –масштабный коэффициент передачи перемножителя.

В современной схемотехнике применяют все рассмотренные способы осуществления модуляции. В разработках прошлых лет преобладает первый способ – модуляция изменением крутизны. В маломощных модуляторах использовались биполярные транзисторы (БТ), лампы.

Управлять крутизной S можно двумя способами: изменением входного и выходного напряжений. Применительно к БТ это означает, что модуляция может быть базовой или коллекторной.

1.3. Базовая модуляция.

В транзисторных каскадах передатчиков модуляция на базу может осуществляться как изменением напряжения смещения, так и изменением напряжения возбуждения.

Для осуществления базовой модуляции смещением модулирующее напряжение вводится в цепь базы транзистора последовательно с напряжением смещения (Ебо) и напряжением возбуждения с помощью трансформаторов Т1 и Т2

Рис.3. Схема базового модулятора

Блокировочные конденсаторы С­бл2 и Сбл3 закорачивают источники Еб0 и Е­к по переменному току. Сбл1 имеет малые сопротивления для частоты w0 и большие для низкой частоты W.

Рабочая точка А в режиме покоя выбирается левее начала передаточной характеристики, рис.4.

Рис.4. Временные диаграммы токов и напряжений базового модулятора

Нагрузкой VT1 является контур L­K и СК, настроенный на частоту w0 и выделяющий спектральные составляющие, получаемые при амплитудной модуляции и подавляющий другие частоты, содержащиеся в спектре коллекторного тока.

Если в цепи базы включено напряжение смещения Eб0 и напряжение возбуждения Um= Um0сosw0t, то результирующее напряжение в цепи базы будет Uб= Еб0 + Um0сosw0t. В цепи коллектора протекает ток в виде периодической последовательности импульсов.

Если в цепи базы, кроме напряжения смещения и напряжения возбуждения, включено напряжение модуляции (рис 4) , результирующее напряжение станет равно

(10)

Так как напряжение частоты W изменяется медленнее, чем несущее колебание, то это (звуковое) напряжение проявляется по отношению к напряжению возбуждения Umw, как напряжение смещения. В результате изменяется амплитуда импульсов коллекторного тока, поэтому в нагрузочном контуре амплитуда тока будет изменяться по закону звуковой частоты: IKM ~ UmW сosWt. Колебательный контур выделяет из коллекторного тока напряжение частот w­0, w­0+W, w­0 - W.

Для анализа работы модулятора используются амплитудные модуляционные характеристики. Статической характеристикой называется зависимость амплитуды тока первой гармоники выходного тока Imk1 от величины напряжения смещения Еб0, так как основной составляющей тока контура является первая гармоника, то при анализе модулятора возможно приближение Imk @ Imk1. Название “статическая” связано с тем, что характеристики снимаются при некотором постоянном значении Um0.

Статическая модуляционная характеристика используется для выбора режима работы генератора, в частности, для выбора амплитуд несущего колебания Um0 и модулирующего сигнала UmW­. Режим модулятора выбран так, чтобы изменение амплитуды первой гармоники не выходило за пределы прямолинейного участка статической модуляционной характеристики, рис.5.

Рис.5. Статическая модуляционная характеристика

Динамической амплитудной характеристикой (динамической модуляционной характеристикой) называется зависимость коэффициента модуляции М от амплитуды модулирующего напряжения UmW при постоянном значении частоты модулирующих колебаний W - const, рис.6

Рис.6. Динамическая модуляционная характеристика

Частотной модуляционной характеристикой называется зависимость коэффициента модуляции М от модулирующей частоты W при постоянной амплитуде модулирующего сигнала UmW, рис. 7.

Рис.7. Частотная модуляционная характеристика

Полоса пропускания модулятора П определяется на уровне 0.7 от среднего значения Мср.

Как самостоятельный вид, базовая модуляция смещением практически не используется, а применяется в качестве элемента комбинированной коллекторной модуляции, так как имеет ряд недостатков. Так, генератор при базовой модуляции работает в недонапряженном режиме, достигая оптимального режима только в моменты максимумов низкочастотного напряжения. Поэтому КПД коллекторной цепи генератора при базовой модуляции смещением низкий.

Достоинство этого вида в том, что модуляционная характеристика при соответствующем выборе режима генератора может быть более линейной. При выборе угла отсечки q = 90° можно получить углубление модуляции, при глубине модуляции в базовой цепи меньше единицы. Мощность источника модулирующего сигнала для базового модулятора невелика.

1.4. Коллекторная модуляция.

1.4.1. Простая коллекторная модуляция.

Для осуществления коллекторной модуляции модулирующее напряжение UW вводится в цепь коллектора транзистора последовательно с напряжением коллекторного питания ЕК, рис.8

Рис.8. Схема коллекторного модулятора

Следовательно, напряжение на коллекторе меняется в такт с UW.

, (11)

что приводит к смещению нагрузочной прямой в ту или другую сторону относительно исходной, в отсутствие UW, а следовательно, и коэффициента усиления К.

Статическая модуляционная характеристика при коллекторной модуляции приведены на рис.9. Рабочая точка выбирается на середине прямолинейного участка путем подачи на коллектор постоянного напряжения ЕКН.

Рис.9. Статическая модуляционная характеристика при коллекторной АМ

Статическая модуляционная характеристика в общем случае нелинейна и может быть линеаризована дополнительной базовой модуляцией. Недостатком является большая мощность источников UW и Ек., требуется отдельный источник смещения с большим меняющимся током (Iб0). Достоинством является большой КПД.

1.4.2. Двойная коллекторная модуляция.

Схема приведена на рис.10.

Рис.10. Схема с двойной коллекторной АМ

UW вводится в цепь коллектора с помощью трансформатора Т1. В цепи базы создается автоматически дополнительное базовое смещение с помощью RБ и Сб. Коллекторная модуляция является основной, а базовая вспомогательной. За счет цепи R­б и Сб автоматически меняется ток базы, что приводит к уменьшению недостатков простой коллекторной модуляции.

1.4.3. Тройная коллекторная модуляция.

В схеме рис.11, кроме коллекторного напряжения и автосмещения в такт с модулирующим напряжением меняется амплитуда напряжения возбуждения на базе VT2

(12)

Рис.11.Схема с тройной коллекторной АМ

Для этого в предоконечном каскаде передатчика, собранном на VT1, осуществляется также коллекторная модуляция и промодулированный сигнал поступает на базу VT2 выходного каскада. Так как в нем меняется Ек, Uб и автоматическое смещение на базе за счет цепи Rб2­Сб2, то модуляция называется тройной.

Достоинство: ток базы невелик, что снижает мощность, потребляемую от предыдущего каскада.

Недостаток: большая мощность, потребляемая от источников ЕК и UW, так как они работают на два каскада (предвыходной и выходной).

1.5. Балансная модуляция.

Средняя мощность обеих боковых полос АМ – колебаний, содержащих информацию, определяется выражением

(13)

где Р ~ н = 0.5 IH2RH­ – мощность несущего колебания.

Средняя мощность АМ – колебания

Р­ср­ = (14)

максимальная мощность:

(15)

Для М=1 (100%) Рср = 1.5 Р~H и на долю боковых частот приходится Р~Б = =Р~H/2, а Р~max = 4 Р~H.

То есть в предельном случае (при М=1) мощность боковых частот составляет только 1/8 максимальной мощности передатчика. Для повышения КПД передатчика из спектра излучаемых частот целесообразно исключить несущую, которая полезной информации не несет. АМ – сигнал с полностью подавленной несущей называется балансно – модулированным сигналом (БМ). Спектр БМ сигнала содержит две составляющие боковых частот.

(16)

Для создания БМ сигнала применяют балансный модулятор, который представляет собой соединение двух одинаковых АМ модуляторов, включенных таким образом, что напряжение несущей частоты подается на них синфазно, а напряжение модулирующей частоты – противофазно. Простейшая схема балансного модулятора приведена на рис.12.

Рис.12. Схема диодного балансного модулятора

При условии симметрии схемы напряжение радиочастоты Uw0 попадает на аноды VD1 и VD2 через одинаковые индуктивности вторичной обмотки трансформатора Т1, а на катоды VD1 и VD2 через одинаковые индуктивности LК. Следовательно, напряжения, приложенные к VD1 и VD2 от источника Uw0 одинаковы. Напряжение звуковой частоты UW приложено к VD1 и VD2 относительно средней точки трансформатора Т1 в противофазе. Тогда результирующие напряжения на диодах равны:

(17)

(18)

Если вольт-амперная характеристика диода квадратична, то она аппроксимируется полиномом второй степени.

(19)

где I0, a, b = const, тогда

(20)

(21)

Контурный ток

(22)

Выходной контур LКСК настроен на частоту w0 и низкочастотные составляющие отфильтровываются.

, (23)

где ZКР – резонансное сопротивление контура.

Выходное напряжение не содержит несущей частоты, т. е. имеет место БМ.

В реальной схеме из-за нелинейности ВАХ и некоторой асимметрии схемы модулятора, спектр выходного колебания содержит остаток несущей и побочные продукты преобразования. При близких значениях W и w0 подавление их затруднено. Для обеспечения подавления нерабочих составляющих спектра применяют кольцевой балансный модулятор, рис.13.

Рис.13.Схема кольцевого балансного модулятора

В практических схемах последовательно диодам включаются сопротивления для компенсации разброса параметров диодов.

Схема на диодах обладает низким коэффициентом передачи, требует сложной схемы подключения внешних цепей.

Для получения БМ сигнала применяют такие аналоговые перемножители, подавая на входы Х и У напряжение частоты w­0 и W.

(24)

(20)

На выходе перемножителя формируется Uвых, соответствующее БМ:

, (26)

где k – коэффициент передачи перемножителя.

1.6. Однополосная модуляция.

Передаваемая информация полностью содержится в каждой боковой полосе, следовательно, для передачи информации достаточно передавать только одну боковую полосу.

Способ передачи, при котором радиопередатчик создает, а его антенна излучает только одну полосу боковых частот, называется однополосной модуляцией (ОМ).

Полоса частот, занимаемая ОМ, уже полосы АМ примерно в два раза, что дает возможность в том же диапазоне частот увеличить число каналов связи вдвое.

Применение ОМ в системах радиосвязи обеспечивает значительные энергетические преимущества по сравнению с двухполосной. Общий выигрыш по мощности можно получить в 8..16 раз. Он определяется следующими факторами: при однополосной модуляции излучается только одна боковая полоса, поэтому более эффективно используется выходная мощность передатчика, что повышает КПД по мощности примерно в 4 раза; сужение полосы передаваемых частот в 2 раза улучшает отношение сигнал / шум в 2 раза, что эквивалентно увеличению мощности в 8 раз.

Наряду с этим система однополосной передачи имеет следующие недостатки:

1. Необходимо обеспечить высокую стабильность частоты возбудите ля передатчика и гетеродина приемника.

2.Усложняется схема передатчика и приемника за счет схем формирования и детектирования однополосного сигнала.

Для формирования однополосного сигнала используют фильтровой, фазокомпенсационный и др. методы.

1.6.1. Фильтровой метод формирования однополосного сигнала.

Основан на формировании БМ и последующей фильтрации одной из боковых полос высококачественным полосовым фильтром, рис.14. Фильтры выполнены на основе кварцевых (кварцевые фильтры) или стальных резонаторов (электромеханические фильтры).

Рис.14.Структурная схема однополосного модулятора

1- балансные модуляторы,2-полосовой фильтр.

Недостатками модуляторов этого типа является невозможность работы в диапазоне частот и сравнительно невысокие частоты, для которых возможна их реализация. В большинстве случаев применяют принцип повторной балансной модуляции. Необходимость нескольких преобразований обусловлена трудностью непосредственного отфильтровывания у высококачественного АМ сигнала ненужных частотных компонентов (несущей частоты и второй боковой полосы) с высокой степенью их подавления из–за близости их к полосе рабочих частот.

Структурная схема ОМ с повторной балансной модуляцией показана на рис.15. Сформированный однополосный сигнал с выхода ПФ 2 подается на вход БМ 3, на второй вход которого от генератора 4 подается напряжение со второй поднесущей частотой f1 >> f0. ПФ 5 выделяет частоты, средняя частота которых fпф5ср = f0 + f1, требования к фильтру менее жесткие, так как он должен подавлять частоты, отличающиеся на частоту f0, так как спектр на выходе БМ 3 состоит из двух полос, разнесенных на 2f0 и сильно подавленной несущей f1. Для работы в диапазоне частот и дальнейшего повышения частоты используют БМ 6 с перестраиваемым по частоте генератором 7 и фильтром 8.

Рис.15. Структурная схема однополосного модулятора с повторной БМ

1.7. Фазокомпенсационный метод.

Принцип формирования однополосного сигнала фазокомпенсационным методом основан на взаимной компенсации составляющих, которые надо подавить. Для этого создается несколько АМ колебаний с таким сдвигом по фазе, чтобы при их суммировании несущие и ненужные боковые взаимно компенсировались.

Достоинства: возможность сформировать однополосный сигнал на рабочей частоте.

Недостаток: трудность создания фазовращателей для низкочастотных модулирующих сигналов.

1.8. Фазофильтровый метод.

Для формирования однополосного сигнала фазофильтровым методом можно использовать перемножители, рис.16, с фазовращателями (ФВ), создающими сдвиг фаз на 90° и вычитатель на операционном усилителе на выходе.

Рис.16. Функциональная схема фазофильтрового однополосного модулятора

Такое включение позволяет использовать возможность балансной работы двух перемножителей с целью подавления не только несущей, но и одной из боковых частот.

Описание лабораторного макета.

Схема 1 предназначена для исследования модулятора АМ, выполненного на микросхеме аналогового перемножителя К174ПС1. На верхней крышке макета слева находятся клеммы для подключения генератора звуковой частоты W и генератора высокой частоты w. Выходной сигнал модулятора снимается с клемм АМ и контролируется осциллографом. На левой стенке макета установлен переключатель режимов работы модулятора “АМ - БМ”. К гнездам “V” подключается вольтметр постоянного напряжения с пределами измерения больше 3В для измерения постоянного управляющего напряжения Uупр на входе аналогового перемножителя. Уровень Uупр устанавливается ручкой “Rсм”. Схема 2 предназначена для исследования кольцевого балансного модулятора и однополосного модулятора.

На верхней крышке справа находятся клеммы для подключения генераторов звуковой W и высокой частоты w. С гнезда “БМ” и “ОМ” снимаются выходные сигналы балансного и однополосного модуляторов. Макет питается от встроенного источника и включается в сеть 220 В 50 Гц.

Домашнее задание.

1.  Рассчитайте Uвых для рис.16, если R1 = R2 = R3 = R. На входы подаются соответственно U = UW cos W t и U = Uw cos wt

2.  Определите выходную частоту fВЫХ для схемы рис.15.

Лабораторное задание.

1. Ознакомьтесь с лабораторным макетом и измерительными приборами, используемыми в работе.

2.Исследуйте модулятор на аналоговом перемножителе (схема1).

2.1.  Включите источник питания.

Подайте на клеммы «w» напряжение от генератора высокой частоты f0 = =1МГц и амплитудой не более 1В. Изменяя частоту, настройте генератор по максимуму напряжения на выходе. Снимите статическую модуляционную характеристику Uвых = f(UУПР), f0 – const. Постройте график.

2.2.  По графику Uвых = f(UУПР) определите для середины линейного участка характеристики Uупр ср и динамический диапазон входного напряжения, обеспечивающий модуляцию без искажений.

2.3. Определите динамическую модуляционную характеристику. Для этого установите Uупр ср и Umw0 подайте на вход «W» напряжение звуковой частоты F = 1 кГц и, меняя амплитуду UmW, c помощью осциллографа снимите зависимость М = f (UmW), F = const,

где М – коэффициент глубины модуляции.

Зарисуйте осциллограммы на выходе модулятора для модуляции без искажений и с перемодуляцией. Постройте график.

2.4. Снимите частотную характеристику модулятора М = f(W), UmW - const. Постройте график

3. Исследуйте балансный модулятор на перемножителе. Повторите измерения п. (2.3. – 2.4.).

4. Исследуйте кольцевой балансный модулятор (схема 2).

4.1. Подайте на входы «W» и «w» напряжение от генераторов звуковой и высокой частоты амплитудой не более 0,5 В, f0 = 500 кГц. Добейтесь неискаженной балансной модуляции на выходе «БМ». Зарисуйте осциллограммы на выходе «БМ».

4.2. Снимите частотную характеристику балансного модулятора

U­вых = =f(W), UmW - const.

4.3. Снимите зависимость Uвых = f(UmW), W, w0 – const.

5. Исследуйте однополосный модулятор на базе кольцевого балансного модулятора.

5.1. Зарисуйте осциллограмму на выходе «ОМ», используя сигнал, сформированный БМ в п.4.1 с f0 = 500 кГц. Подстройте генератор высокой частоты по максимуму напряжения на выходе.

5.2. Определите, какая боковая полоса выделяется полосовым фильтром однополосного модулятора.

Содержание отчета.

Отчет должен содержать:

1.  Результаты выполнения домашнего задания.

2.  Таблицы и графики, полученные при выполнении лабораторного задания.

3.  Схемы исследуемых модуляторов.

4.  Сравнение теории и экспериментальных результатов.

5.  Краткие выводы по выполненной работе.

Контрольные вопросы.

1.  Что такое амплитудная модуляция? Какими параметрами она характеризуется?

2.  Какие способы осуществления АМ существуют?

3.  Какова схема и принцип действия базового и коллекторного модуляторов?

4.  Какие характеристики используют для описания модуляторов?

5.  Что такое двойная и тройная коллекторная модуляция?

6.  Каковы особенности балансной модуляции?

7.  Приведите схемы балансных модуляторов и поясните их работу.

8.  Какие преимущества имеет однополосная модуляция?

9.  Как осуществить фильтровой и фазокомпенсационный методы получения ОМ?

10.  Приведите схему однополосного модулятора на перемножителях и опишите ее работу.

Литература.

1.  Радиопередающие устройства: Учебник для вузов/, , и др.; Под ред. . – 3-е изд., перераб. и доп.– М.: Радио и связь, 2003. – 560 с: ил. Рассматриваются теория и техника основ радиопередающих устройств, приводятся соображения по расчету режимов и элементов схем генераторов на транзисторах и радиолампах, указываются пути повышения их энергетической эффективности, меры достижения электромагнитной совместимости. Излагаются главные особенности работы радиопередатчиков с амплитудной, угловой, однополосной и импульсной модуляциями для связи и вешания, описывается работа телевизионных вещательных, радиорелейных, тропосферных и спутниковых передатчиков.
Для студентов институтов связи, обучающихся по специальности «Радиосвязь, радиовещание и телевидение».Рассматриваются теория и техника основ радиопередающих устройств, приводятся соображения по расчету режимов и элементов схем генераторов на транзисторах и радиолампах, указываются пути повышения их энергетической эффективности, меры достижения электромагнитной совместимости. Излагаются главные особенности работы радиопередатчиков с амплитудной, угловой, однополосной и импульсной модуляциями для связи и вешания, описывается работа телевизионных вещательных, радиорелейных, тропосферных и спутниковых передатчиков.
Для студентов институтов связи, обучающихся по специальности «Радиосвязь, радиовещание и телевидение».

Рассматриваются теория и техника основ радиопередающих устройств, приводятся соображения по расчету режимов и элементов схем генераторов на транзисторах и радиолампах, указываются пути повышения их энергетической эффективности, меры достижения электромагнитной совместимости. Излагаются главные особенности работы радиопередатчиков с амплитудной, угловой, однополосной и импульсной модуляциями для связи и вешания, описывается работа телевизионных вещательных, радиорелейных, тропосферных и спутниковых передатчиков.
Для студентов институтов связи, обучающихся по специальности «Радиосвязь, радиовещание и телевидение».

2.  Радиопередающие устройства. Под ред. и . – М.: Радио и связь, 1982

3.  Проектирование радиопередающих устройств с применением ЭВМ. Под ред. . – М.: Радио и связь, 1987.

4.  , Шинаков связи с подвижными объектами: Учеб. Пособие для вузов.- М.: Радио и связь, 20с.