Однополосная модуляция и модуляторы

Лекция 14. Однополосная модуляция и модуляторы

Модулирующий сигнал передаваемого сообщения можно представить в виде:

, где: Ф(t) – мгновенная фаза

А(t) – мгновенная амплитуда.

Или в виде , где    - нормированная амплитуда.

При АМ имеем сигнал

АМ присущи следующие недостатки:

- Сравнительно широкая полоса частот, занимаемая ПРД.

- Низкая эффективность использования мощности ПРД.

Широкая полоса Δf АМ сигнала вынуждает иметь полосу  ПРМ в два раза шире необходимой для приема информации. От этих недостатков в 1914г. предложил избавиться академик М.В. Шулейкин. В 1940г. трудами Мидлтона, Верзунова и Котельникова идея нашла практическое воплощение (линия ОМ Москва – Хабаровск).

Предложена была ОМ или модуляция с ОБП. Мощность ПРД используют только для передачи одной боковой полосы. При этом после подавления сигнала несущей и одной боковой полосы сигнал ОМ имеет вид:

Т.к.    , то

Из этого выражения следует, что амплитуда ОМ сигнала пропорциональна амплитуде модулирующего сигнала.

Отметим, что при ОМ изменяются одновременно два параметра (и амплитуда и фаза), поэтому ОМ иногда называют амплитудно-фазовой модуляцией.

Спектр ОМ сигнала повторяет спектр модулирующего сигнала, сдвинутый по оси частот. В связи с этим операцию ОМ иногда называют транспонированием (переносом) спектра с инверсией или без.

Достоинства ОМ:

1.  Сужение полосы в два раза;

2.  Лучший энергопотенциал (уровень одной боковой полосы можно поднять до уровня несущей – выигрыш по мощности в четыре раза);

Сужение полосы ПРМ в два раза дает выигрыш приблизительно в два раза по отношению сигнал-шум, т.к. мощность шумов снижается в два раза, , т.е. общий выигрыш в 8 раз;

3.  Кроме того при АМ возможно в два раза больше селективно-частотных замираний и есть явление дисперсии фазовой характеристики (фазы боковых расфазируются). При ОМ этого нет, т.е. еще выигрыш в ≈2 раза.

4. Общий выигрыш по энергетике по сравнению с АМ получается в 8…16 раз.

Рис. 14.1.              

Рис. 14.2.               

Требования ГОСТ к ОМ передатчикам:

·  Стабильность частоты 10^-7-10^-9

·  Оговаривается уровень пилот-сигнала (5%; 10%).

Фильтровой способ формирования сигнала ОБП.

Рис. 14.3.           

Рис. 14.4.

1.  Балансный модулятор.

Рис. 14.5.       

В выходном сигнале содержатся также нечетные составляющие Ω: 3Ω, 5Ω, 7Ω…; компоненты f ± nΩ и частоты 2f ± nΩ, 3f ± nΩ…, поэтому чаще применяют кольцевой балансный модулятор.

Рис. 14.6.

На выходе f ± Ω, 3f ± Ω, 3f ± 3Ω, 3f ± 5Ω, 5f ± 3Ω, 5f ± 5Ω и т.д., т.е. близких составляющих меньше. Практически несущая ослабляется на  30-40 дБ.

Полосовые фильтры. Требования к фильтрам – подавление нерабочей боковой полосы частот на 60дБ.

LC фильтры.

Рис. 14.7.         

Подавление  до 60 дБ обеспечивают лишь при f<50кГц.

Кварцевые фильтры.

Рис. 14.8.

Подавление  до 60 дБ обеспечивают на частотах f<2МГц.

Электромеханические фильтры.

Рис. 14.9.

Подавление  до 60 дБ обеспечивают лишь при 500кГц<f<1МГц. Принцип работы основан на преобразовании электрических колебаний в механические (электрические колебания преобразуются в магнитные, магнитные возбуждают механические (резонаторы)) и на выходе  наоборот.

Фазокомпенсационный способ формирования сигнала с ОБП.

Данная схема содержит два фазовращателя на 90º:

Рис. 14.10.         

Складывая 1 и 2 получим   cos(ω₀ - Ω)t

Фазокомпенсационный способ позволяет формировать сигнал ОБП на рабочей частоте. Для подавления нерабочей частоты не хуже чем на 40дБ необходимо, чтобы разница между амплитудами сигналов не превышала 0,5%, а фазовые ошибки <1º.

Наибольшее затруднение в схеме вызывают низкочастотные фазовращатели (диапазонные в полосе Ω).

Рис.11       

Недостаток фазокомпенсационного способа в том, что нерабочая боковая полоса подавлена не лучше, чем на 50дБ.

Усиление сигналов с ОБП.

Основные требования при усилении сигналов с ОБП сводятся к следующим:

·  Неискаженное усиление в полосе частот;

·  Высокий КПД.

Нелинейные искажения сигнала ОБП определяются не только нелинейностью амплитудных характеристик, но и изменением фазы в зависимости от уровня сигнала. Наиболее опасны нелинейные искажения огибающей, зависящей от уровня входного сигнала.

Для минимизации нелинейных искажений  работают в недонапряженном режиме с углом отсечки θ=90º, а в маломощных каскадах и вовсе без отсечки (класс А). Уменьшение нелинейности начального участка статической модуляционной характеристики осуществляют подбором Е_см = Е₀’ делая его температурно-зависимым и компенсируя влияние температуры.

КПД транзисторных качественных усилителей ОБП (30 дБ – уровень комбинационных искажений) низок: η ≈ 25-30% и только при применении специальных методов формирования ОБП (метод Верзунова-Каппа) удается поднять его до 50%.