Амплитудные модуляторы и демодуляторы

 

Часто для передачи сигнала используют гармоническое колебание высокой частоты - несущее колебание. Изменение одного или нескольких параметров несущего колебания по закону изменения передаваемого сигнала (т. е. в наделении несущего колебания признаками передаваемого сигнала) называется модуляцией.

Восстановление на приеме исходного сигнала из модулированного колебания называется детектированием (или демодуляцией).

Запишем несущий сигнал в виде

. (6.2)

Модуляцию можно осуществить изменением любого из трех параметров - амплитуды , частоты или фазы .

Изменение во времени амплитуды колебания пропорционально сигналу , т.е. ( —коэффициент пропорциональности), называется амплитудной модуляцией. Модулированное колебание обозначим .

Пусть передаваемый сигнал также является гармоническим колебанием (но с более низкой частотой ) . Тогда модулированное колебание примет вид:

, (6.3)

где - глубина амплитудной модуляции. Обычно .

Производя в выражении (6.3) перемножение, получим:

(6.4)

Таким образом, спектр частот амплитудно-модулированного колебания (или АМ-колебания) состоит из частоты несущего колебания и двух боковых частот, симметричных относительно несущей (рис. 6.3 6). Амплитуды колебаний боковых частот одинаковые. Спектр сигнала до модуляции (несущего колебания) приведен на рис. 6.3 а.

Рис. 6.3. Спектр амплитудно-модулированного сигнала.

 

Если модулирующий сигнал сложный и спектр его ограничен частотами и (см. рис. 6.3 в), то спектр АМ - колебания будет состоять из несущего колебания и двух боковых полос, симметричных относительно несущей (см. рис. 6.3 г).

Анализ соотношения (6.4) показывает, что основная мощность АМ - сигнала заключена в колебании несущей частоты, которое не содержит полезной информации, а нижняя и верхняя боковые полосы несут одинаковую информацию и имеют более низкую мощность.

Существенный выигрыш по мощности обеспечивается при применении балансной и однополосной модуляций. При балансной модуляции передаются только боковые полосы частот, а при однополосной модуляции—только одна боковая полоса частот.

Для практического получения АМ-колебаний можно использовать преобразователи частоты, рассмотренные в предыдущем разделе. Подавление несущего колебания происходит в модуляторах, выполненных по балансной (рис. 6.2 б) и кольцевой (рис. 6.2 в) схемам. Выделение двух боковых полос в случае балансной модуляции и одной боковой полосы при однополосной модуляции производится фильтрами, включаемыми на выходах модуляторов.

Рассмотрим процесс детектирования АМ - сигналов. Операция детектирования прямо противоположна модуляции. Детектор АМ - сигнала должен из принятого модулированного колебания выделить исходный низкочастотный сигнал.

Используем для целей детектирования однокаскадный транзисторный усилитель с нагрузкой в виде параллельной RC -цепи (рис. 6.4 а). В зависимости от режима работы он может являться квадратичным детектором (работа при малых амплитудах на участке вольт-амперной характеристики, описываемой полиномом второй степени) или линейным детектором (режим больших амплитуд с кусочно-линейной аппроксимацией).

Рис. 6.4. Детекторы амплитудно-модулированного сигнала.

 

При квадратичном детектировании вольт-амперная характеристика транзистора описывается полиномом второй степени. На вход нелинейного элемента (транзистора) подается постоянное напряжение смещения и АМ - колебание , т.е. Воспользовавшись формой записи АМ - колебания (6.4) получаем, что на нелинейный элемент с квадратичной ВАХ воздействует сумма трех синусоидальных колебаний. Анализ спектрального состава тока в цепи с нелинейным элементом, проведенный выше, показывает, что в спектре тока будут в данном случае присутствовать составляющие с комбинационными частотами

.

Низкочастотные спектральные составляющие определяются наборами чисел и . Другие комбинации чисел р, q и s определяют высокочастотные составляющие.

Величины низкочастотных составляющих тока можно найти путем несложных преобразований:

. (6.5)

Чтобы подавить высокочастотные составляющие тока и выделить низкочастотные в схеме рис. 6.4 а должны выполняться условия и , где - сопротивление нагрузки. Таким образом, для сигнала с частотой нагрузка коллектора практически активна и равна R. Для сигнала несущей частоты модуль сопротивления нагрузки, а значит, и коэффициент передачи усилителя на несущей частоте пренебрежимо малы. В результате падение напряжения на резисторе R представляет собой результат детектирования AM-колебания. Наличие в (6.5) слагаемого, пропорционального , свидетельствует о том, что квадратичное детектирование сопровождается искажениями передаваемого сигнала. Коэффициент нелинейных искажений при этом .

При линейном детектировании последовательность импульсов коллекторного тока оказывается промодулированной по амплитуде. Амплитуды спектральных составляющих определяются через коэффициенты Берга. Если на вход нелинейного элемента поступает немодулированное колебание , то в спектре тока будет постоянная составляющая с амплитудой, пропорциональной амплитуде входного напряжения , и высокочастотные гармоники частоты . Высокочастотные составляющие отфильтровываются RC -цепью; падение напряжения на резисторе R создает только постоянная составляющая тока.

В модулированном колебании амплитуда медленно меняется по закону , следовательно, амплитуда выделяемой на резисторе R постоянной составляющей тока также будет медленно меняться во времени:

.

Напряжение смещения обычно выбирают равным напряжению отсечки, так что угол отсечки и амплитуда тока не зависит от амплитуды входного сигнала. Выходное напряжение схемы рис. 6.7 а пропорционально исходному (модулирующему) сигналу. При линейном детектировании отсутствуют искажения передаваемого сигнала.

Наряду с транзисторной схемой (см. рис. 6.4 а) для детектирования АМ- сигнала широко применяется диодная схема (см. рис. 6.4 б), работающая либо в квадратичном, либо в линейном режиме. Принцип работы этой схемы не отличается от работы транзисторной схемы.

Детектирование сигналов с балансной и однополосной модуляцией выполняется с помощью балансной и кольцевой схем. При этом несущее колебание, подаваемое на балансную и кольцевую схемы, должно быть восстановлено в приемнике.

 

Занятие 5

Усилители

Классификация усилителей

 

По виду усиливаемого сигнала усилители делятся на усилители непрерывных и импульсных сигналов.

По типу усиливаемого параметра их делят на усилители напряжения, тока или мощности.

По диапазону усиливаемых частот различают усилители постоянного и переменного тока. Последние, в свою очередь, можно разделить на следующие группы:

усилители низких частот (УНЧ) – с диапазоном от единиц герц до сотен килогерц;

усилители высоких частот (УВЧ) – с диапазоном от сотен килогерц до сотен мегагерц;

широкополосные усилители – устройства с диапазоном от десятков герц до сотен мегагерц;

избирательные (резонансные) усилители, обеспечивающие усиление в очень узком диапазоне частот.

По виду соединения каскадов усилителя различают усилители с непосредственной связью, усилители с емкостной связью, усилители с индуктивной связью.

По виду нагрузки различают усилители с активной, индуктивной и емкостной нагрузкой.

Для получения высоких коэффициентов усиления и согласования источника сигнала и оконечной нагрузки необходимо каскадное включение нескольких усилителей: предварительного (входного) усилителя, промежуточного усилителя и выходного усилителя (усилителя мощности).

Предварительный усилитель непосредственно подключен к источнику сигнала. Основное требование к предварительному усилителю – обеспечение максимального усиления входного сигнала при минимальных его искажениях. Для этого он должен обладать большим входным сопротивлением и малым уровнем собственных шумов.

Промежуточный усилитель выполняет роль буферного каскада между предварительным и выходным усилителями. Основная его задача – согласование выхода предварительного усилителя со входом усилителя мощности.

Выходной усилитель предназначен для получения на нагрузке требуемой мощности. Поэтому в отличие от предварительного и промежуточного усилителей, выходная мощность которых сравнительно невелика, основным параметром выходных усилителей является КПД.

Также различают одно- и двухтактные усилители. При больших значениях мощности нагрузки последние получили наибольшее распространение.