Основы электронной техники (стр. 16 )

Нижняя боковая частота f1 = 100 – 1 = 99 кГц,

Верхняя боковая частота f2 = 100 + 1 = 101 кГц.

Амплитудно-модулированная несущая, т. е. несущая вместе с двумя сиг­налами боковых частот, может быть представлена в виде трех вертикаль­ных стрелок, каждая из которых соответствует одному гармоническому сигналу (рис. 14.3). То, что изображено на этом рисунке, называется частотным спектром сигнала (в данном случае частотным спектром АМ-несущей).

Рис. 14.3. Частотный спектр AM-несущей. Рис. 14.4. Боковые полосы.

Боковые полосы

Информационные сигналы почти всегда имеют сложную форму и состоят из большого числа гармонических сигналов. Поскольку каждый гармо­нический сигнал порождает пару боковых частот, то сложный негармо­нический сигнал будет порождать многочисленные боковые частоты, что приведет к образованию двух полос частот по обе стороны от несущей (рис. 14.4). Это так называемые боковые полосы частот. Область частот между наибольшей верхней боковой частотой f2 и наименьшей верхней боковой частотой f4 называют верхней боковой полосой (ВБП). Анало­гично область частот между наибольшей нижней боковой частотой f3 и наименьшей нижней боковой частотой f1 называют нижней боковой полосой (НБП).

Эти две боковые полосы расположены симметрично относительно не­сущей, и каждая из них содержит одну и ту же информацию. Несущая не несет никакой информации. Всю информацию несут боковые частоты.

При модуляции одиночным гармоническим сигналом принимается, что верхняя и нижняя боковые полосы простираются от несущей до верх­ней и нижней боковых частот соответственно (рис. 14.5).

Пример 1

Несущая с частотой 100 кГц промодулирована по амплитуде сигналом, занимающим полосу частот 400-3400 Гц. Определите ширину боковых полос.

Решение

Частота 3400 Гц, самая высокая в спектре сигнала, порождает две боковые частоты (рис. 14.6):

f1 = 100 000 - 3400 = 96 600 Гц,

f2 = 100 000 + 3400 = 103 400 Гц.

Рис. 14.5. Боковые полосы и ширина полосы частот, занимаемой не­сущей при ее модуляции одиночным гармоническим сигналом.

Рис. 14.6.

Частота 400 Гц, самая низкая в спектре сигнала, порождает еще две боковые частоты:

f3 = 100 000 - 400 == 99 600 Гц,

f4 = 100 000 + 400 = 100 400 Гц.

Ширина верхней боковой полосы (ВБП): f2 – f4 = 103400 - 100400 = 3000 Гц.

Ширина нижней боковой полосы (НБП): f3 – f1 = 99 600 - 96 600 = 3000 Гц.

Другими словами, обе боковые полосы имеют одну и ту же ширину, равную разности значений наивысшей и наинизшей частот в спектре модулирующего сигнала: 3400 - 400 = 3000 Гц.

Боковые частоты для любой другой частоты в спектре сигнала будут нахо­диться внутри верхней и нижней боковых полос.

Ширина полосы частот

Так как информацию несут только боковые частоты, то для качественной передачи этой информации ширина полосы частот, занимаемой в эфире АМ-системой, должна быть достаточно велика, чтобы вместить все имею­щиеся боковые частоты. При модуляции гармоническим сигналом возни­кают две боковые частоты. Таким образом, полоса частот простирается от нижней боковой частоты f1 до верхней боковой частоты f2 (как пока­зано на рис. 14.5).

Например, если модулирующий гармонический сигнал имеет частоту 1 кГц, то ВБП = НБП = 1 кГц и ширина полосы составит

НБП + ВБП = 2 · 1 кГц = 2 кГц.

Другими словами, в данном случае ширина полосы частот, занимаемой амплитудно-модулированной несущей, равна удвоенной частоте модули­рующего сигнала.

В случае передачи сложного сигнала ширина полосы частот, зани­маемой АМ-системой передачи информации, равна удвоенной наивысшей частоте в спектре модулирующего сигнала и, таким образом, включает в себя все боковые частоты.

Одно - и двухполосная передача

Поскольку одна боковая полоса содержит столько же информации, сколько и другая, передачу можно осуществлять с использованием толь­ко одной боковой полосы, и при этом не будет никакой потери информа­ции. При однополосной передаче (SSB — по связной терминологии) одна из боковых полос — или нижняя, или верхняя — подавляется и передается только одна оставшаяся боковая полоса. При двухполосной (DSB) передаче передаются обе боковые полосы.

Однополосная передача занимает лишь половину той полосы частот, которая используется при двухполосной передаче, и по этой причине она применяется в телефонии и радиосвязи. При однополосной передаче в заданном диапазоне частот несущей можно расположить вдвое большее число информационных каналов, чем при двухполосной передаче. В силу простоты двухполосная передача используется всеми радиовещательны­ми системами с AM. Поэтому, когда речь идет о связи с использованием AM, обычно имеется в виду двухполосная передача, если не оговорено обратное.

Пример 2

Несущая промодулирована по амплитуде периодическим сигналом в виде меан­дра с частотой 100 Гц. Пренебрегая гармониками выше пятой, установите ши­рину полосы частот, необходимую а) для DSB (двухполосной)-передачи и б) для SSB (однополосной)-передачи.

Решение

Сигнал в виде меандра с частотой 100 Гц содержит следующие гармоники:

основную гармонику =100 Гц,

гармонику 3-го порядка = 3 · 100 = 300 Гц,

гармонику 5-го порядка = 5 · 100 = 500 Гц.

Гармониками более высокого порядка пренебрегаем. Таким образом, в обрезан­ном спектре модулирующего сигнала максимальная частота fмакс = 500 Гц.

Ширина полосы для DSB-передачи = 2 · fмакс = 2·500 = 1000 Гц.

Ширина полосы для SSB-передачи = DSB/2 = 1000/2 = 500 Гц.

АМ-радиопередатчик

В АМ-радиопередатчике звуковые волны сначала преобразуются в элек­трический сигнал (модулирующий сигнал звуковой частоты) с помощью микрофона (рис. 14.7). Этот сигнал усиливается в УЗЧ (каскад 1) пе­ред подачей в АМ-модулятор (каскад 2). Сигнал несущей вырабатыва­ется генератором радиочастоты (РЧ, каскад 5), усиливается в усилителе радиочастоты (УРЧ, каскад 6), настроенном на определенную частоту несущей, и подается в АМ-модулятор. Несущая, промодулированная по амплитуде, усиливается затем каскадом 3 и подается на выходной усили­тель мощности РЧ (каскад 4). Этот выходной каскад передает мощность РЧ (т. е. мощность несущей) в антенну. Ширину полосы частот, излуча­емых АМ-радиопередатчиком при двухполосной передаче, ограничивают величиной 9 кГц.

Рис. 14.7. Блок-схема АМ-радиопередатчика.

АМ-радиоприемник

Радиоприемник должен работать в диапазоне частот несущей (например, в диапазоне средних и длинных волн) и воспроизводить выходной сиг­нал звуковой частоты (ЗЧ), в точности соответствующий исходному мо­дулирующему сигналу. Приемник должен обеспечивать выбор требуемой частоты несущей (т. е. желаемой радиостанции) с одновременной отстрой­кой от всех других частот.

Радиоприемник прямого усиления

На рис. 14.8 показана блок-схема радиоприемника прямого усиления. Каскады 1 и 2 – это два одинаковых УРЧ с одноручечной настройкой (со­гласованно перестраиваемые УРЧ). Благодаря согласованной настройке оба усилителя всегда настроены на одну и ту же частоту несущей.

Рис. 14.8. Радиоприемник прямого усиления.

Вра­щая ручку настройки этих УРЧ, можно осуществлять выбор и усиление нужной частоты. Выбранная АМ-несущая затем демодулируется детектором, на выходе которого воспроизводится сигнал звуковой частоты. За детектором следуют усилитель напряжения звуковой частоты (каскад 4), выходной каскад усиления мощности и, наконец, громкоговоритель.

В настоящее время радиоприемники прямого усиления больше не выпускаются, так как они имеют ряд недостатков. Главный недостаток заключается в том, что каждый РЧ-каскад (каскад 1 и 2) должен допускать перестройку во всем диапазоне принимаемых частот, например от 600 до 1600 кГц в средневолновом диапазоне. Перестройка обоих РЧ-каскадов должна происходить одновременно, следовательно, нужна одноручечная настройка. При этом возникают серьезные проблемы с реализацией механической конструкции системы настройки приемника и обеспечением высокой избирательности усилителей.

Супергетеродинный радиоприемник

С целью преодоления недостатков радиоприемников прямого усиления был предложен супергетеродинный принцип приема. Выбранная блоком настройки частота несущей преобразуется с помощью преобразователя частоты к некоторой стандартизованной частоте, называемой промежуточной частотой (ПЧ). Поэтому усилители радиочастоты в супергетеродинном приемнике настраиваются только на одну частоту — на промежуточную. В АМ-радиоприемниках в качестве ПЧ обычно используется частота 470 кГц (в отечественных радиоприемниках промежуточная частота равна 465 кГц. – Прим. ред).

Преобразование частоты

Преобразование частоты осуществляется с помощью смесителя и специ­ального генератора –

гетеродина (рис. 14.9). На смеситель подаются два отдельных РЧ-сигнала: сигнал с частотой принятой несущей fс и сигнал гетеродина с частотой fо. Смеситель вырабатывает четыре различные ча­стоты: две исходные, fс и fо, а также их сумму fс + fо и разность fо – fс. На выходе выбирается сигнал с разностной частотой, которая и являет­ся ПЧ. При любых перестройках гетеродина его частота всегда должна быть на 470 кГц выше частоты принимаемой несущей. Это достигается за счет сопряжения гетеродина с блоком настройки.

Рис. 14.9. Преобразование частоты в супергетеродинном приемнике.

Блок-схема супергетеродинного радиоприемника

Частота принимаемой несущей выделяется блоком настройки и затем пре­образуется к промежуточной частоте смесителем (рис. 14.10). Каскады 4 и 5 представляют собой усилители радиочастоты, настроенные на проме­жуточную частоту 470 кГц (их называют усилителями ПЧ, или УПЧ). Модулированный сигнал промежуточной частоты обрабатывается АМ-детектором, который извлекает низкочастотную информацию и подает ее на блок обработки звукового сигнала и далее к громкоговорителю.