Получение и детектирование колебаний угловой модуляции

12. ПОЛУЧЕНИЕ И ДЕТЕКТИРОВАНИЕ

КОЛЕБАНИЙ УГЛОВОЙ МОДУЛЯЦИИ

          12.1. Частотная модуляция в автогенераторе

При частотной модуляции частота несущего колебания должна изменяться по закону модулирующего сигнала  

        , где  – девиация частоты, т. е. амплитуда частотного отклонения, пропорциональная амплитуде  модулирующего сигнала, - коэффициент пропорциональности ((рад./с)/В). При ЧМ обычно применяется прямое воздействие на частоту генератора.

Так как резонансная частота колебательного контура непосредственно задает частоту генератора, то существует ряд способов управления резонансной частотой. Изменение емкости или индуктивности резонансного контура осуществляется с помощью управляемых реактивных элементов: емкости перехода, индуктивности катушки с ферритом, специальных «реактивных каскадов» и др.

Выбор способа зависит от основных параметров модуляции: относительного изменения частоты  и скорости изменения частоты. При медленной модуляции применимы выше перечисленные способы.

При быстрой модуляции, характеризуемой широким спектром модулирующего сигнала,  распространенным способом электронного управления частотой генератора является подключение перехода полупроводникового диода – варикапа, емкость которого зависит от обратного напряжения (рис.12.1):

                     ,                                                 (12.1)

где  – напряжение (обратное) на переходе;  – высота потенциального барьера (контактная разность потенциалов);  – емкость перехода при отсутствии внешнего напряжения ();  – постоянная, зависящая от распределения примесей.

                           Рис.12.1                                                   Рис.12.2

Схема модулятора с варикапом приведена на рис.12.2. Здесь – варикап, – разделительный конденсатор по постоянному току (напряжению), – разделительный резистор величиной порядка сотен килом включается для того, чтобы источник смещения и вторичная обмотка трансформатора управляющего сигнала не шунтировали бы контур генератора.

          Схема замещения колебательной цепи автогенератора дана на рис.12.3, где - средняя емкость варикапа, равная при отсутствии переменного напряжения емкости  в рабочей точке, – вариация емкости варикапа, пропорциональная напряжению , - сопротивление перехода, зависящее от амплитуды внешнего напряжения , –объемное сопротивление толщи полупроводника.

Найдем требуемое изменение емкости при заданных значениях средней частоты  и частотного отклонения :

,                                              (12.2)

,                (12.3)

где – средняя емкость контура.

Разделим последнее выражение на : , отсюда получим

.                                      (12.4)

В общем случае при относительно глубокой ЧМ зависимость (12.4) нелинейная. Кроме того, при глубокой ЧМ, когда требуются значительные амплитуды модулирующего напряжения, увеличивается средняя емкость  варикапа и уменьшается сопротивления перехода. Первое обстоятельство приводит к изменению средней частоты , а второе – к изменению вносимого в контур затухания и, следовательно, к паразитной АМ. Это недостатки варикапа как частотного модулятора.

Однако в ряде применений ЧМ относительное изменение частоты невелико. Так при передаче музыки и речи на УКВ относительное изменение частоты не превышает нескольких долей процента. В этом и подобных случаях величиной  в выражении (12.4) можно пренебречь и тогда получим

.                                            (12.5)

Из выражения (12.5) также следует, что частотная модуляция будет неискаженной. Знак «минус» в выражениях (12.4) и (12.5)  является следствием того, что увеличение емкости ведет к уменьшению частот колебаний.

Варикапы применяются для ЧМ в диапазоне частот до десятков гигагерц.

          12.2. Фазовая модуляция

При фазовой модуляции начальная фаза несущего колебания должна изменяться по закону модулирующего сигнала

        , где  – девиация начальной фазы или индекс угловой модуляции (или просто индекс модуляции), т. е. амплитуда отклонения начальной фазы, пропорциональная амплитуде  модулирующего сигнала, - коэффициент пропорциональности (рад/В).

          Фазовая  модуляция  в автогенераторе. Схема та же, что и для частотной модуляции, т.е. изображенная на рис.12.2. При осуществлении частотной модуляции сигналом  фаза модулированного колебания будет изменяться по закону интеграла, т.е.

, где – коэффициент пропорциональности. Следовательно, если сначала продифференцировать сигнал , т.е. получить , а потом осуществить частотную модуляцию сигналом  с выхода дифференцирующей цепочки, то получим ФМ колебание

.                                (12.6)

При этом можно получить ФМ колебания с большим индексом модуляции .

Для малых индексов модуляции ниже приведены примеры еще двух методов ФМ.