Косвенные методы частотной модуляции

В отличие от прямых методов ЧМ, преобразование фазовой модуляции в частотную исключает воздействие УЭ на несущую (среднюю) частоту модулированных колебаний. Поэтому необходимая стабильность средней частоты при косвенных видах ЧМ обеспечивается достаточно просто.

Для осуществления ЧМ косвенным методом необходим фазовый модулятор. Простейший способ получения фазовой модуляции с преобразованием в ЧМ представлен на рисунке 9.8а

Рисунок 9.8 – Схема ЧМ с фазовым модулятором

Здесь R,C – интегрирующая цепь; Ср – разделительная ёмкость. Конденсатор С выполняет также функции блокировочной ёмкости в контуре Lк, СВ. Фазовая характеристика параллельного контура имеет вид φz(ω) = arctg[2(ω-ω0)Q/ω0]= arctg(2ΔωQ/ω0). С учётом (5.14),

φz(ω)= - arctg(ΔСВ∙Q/СВ) (9.22)

Из последнего выражения следует, что даже при линейной зависимости ΔСВ от модулирующего сигнала, линейная фазовая модуляция возможна лишь при небольших расстройках контура относительно рабочей частоты генератора. Практически, линейный участок фазовая характеристика контура (рисунок 9.8б) имеет лишь при индексе модуляции Ψ ≤ 0,5. В [14] описана трёхконтурная схема фазового модулятора, которая при нелинейных искажениях менее 2% позволила получить индекс модуляции порядка 2 радиан. Схема частотной модуляции с трёхконтурным фазовым модулятором представлена на рисунке 9.9

Рисунок 9.9 – Схема частотной модуляции с 3-х контурным фазовым модулятором

В этой схеме ёмкость интегрирующей цепи определяется суммой ёмкостей трёх конденсаторов С.

Основной недостаток рассмотренных схем – паразитная амплитудная модуляция, которая появляется вследствие изменения эквивалентного сопротивления контура при его расстройке.

На рисунке 9.10 представлена мостовая схема фазового модулятора свободная от этого недостатка [15].

Рисунок 9.10 – Схема ЧМ с мостовым фазовым модулятором

В этой схеме инверсный усилитель с разделённой нагрузкой обеспечивает два противофазных и равных по величине напряжения u1 и u2.

Электрический мост образуют два нагрузочных резистора, резистор R1 и реактивная цепь, состоящая из ёмкости варикапа СВ и индуктивности L. Принцип работы фазового модулятора иллюстрируется векторной диаграммой на рисунке 9.10. К одной диагонали моста приложена сумма напряжений u1 + u2, а выходное напряжение и снимается с другой диагонали. Поскольку напряжения на реактивной цепи (uС + uL) и на резисторе R1(uR) всегда сдвинуты по фазе на 90⁰, вектор выходного напряжения (и) изменяет своё положение в зависимости от величины сопротивления реактивной цепи, оставаясь постоянным по величине. Сопротивление реактивной цепи (Х) модулируется информационным сигналом (иΩ) с помощью ёмкости варикапа . Такой модулятор позволяет получить индекс модуляции порядка одного радиана при допустимых нелинейных искажениях без паразитной амплитудной модуляции.

В радиопередатчиках УКВ-ЧМ вещания, производства 60-х – 70-х годов, для частотной модуляции использовалась схема фазового модулятора, структурная схема которого представлена на рисунке 9.11.

Рисунок 9.11 – Схема ЧМ с импульсно-фазовым модулятором

На рисунке приняты следующие обозначения: ОГ – опорный генератор; ГПН – генератор пилообразного напряжения; ШИМ – широтно-импульсный модулятор; ГКИ –генератор коротких импульсов; – умножитель частоты. Диаграммы напряжений в некоторых точках схемы представлены на рисунке 9.12.

Рисунок 9.12 – Диаграмма напряжений в фазовом модуляторе

Первый график на диаграмме иллюстрирует форму напряжения на выходе ГПН; здесь же показано модулирующее напряжение uΩ(t) на входе ШИМ, в качестве которого используется компаратор. В результате сравнения пилообразного и модулирующего напряжений на выходе ШИМ, получается импульсный сигнал, модулированный по длительности. ГКИ генерирует импульсы, положение которых синхронизировано с задними фронтами импульсов с ШИМ. В результате на входе умножителя частоты формируется сигнал с фазо-импульсной модуляцией. В качестве умножителя частоты может быть использован генератор с внешним возбуждением, контур которого настраивается на n -ю гармонику импульсной последовательности ГКИ. Таким образом, на выходе устройства получаем гармонический сигнал с фазовой модуляцией. Поскольку модулирующий сигнал проходит на вход ШИМ через интегрирующую RC цепь, ФМ преобразуется в ЧМ.

Если бы пилообразное напряжение ГПН имело идеальную форму с вертикальным передним фронтом, положение импульсов ГКИ можно было бы менять в пределах всего периода средней (несущей) частоты. При этом индекс модуляции составил бы 3,14 радиана. Реально же, вследствие конечной длительности фронта, удаётся получить индекс порядка 2,6 радиан. С помощью умножителя индекс частотной модуляции увеличивается соответственно в n раз. Благодаря линейному нарастанию пилообразного напряжения такое устройство обеспечивает высокое качество частотной модуляции (минимальные нелинейные искажения).

Определим необходимую кратность умножения частоты при использовании такого модулятора для УКВ-ЧМ радиовещания. Согласно ГОСТ девиация частоты на выходе передатчика должна составлять 50 кГц [16]. Это означает, что на нижней звуковой частоте 30 Гц индекс ЧМ составит 1667 радиан, а необходимая кратность умножения частоты n=1667/2,6=641 раз. При такой кратности умножения и большой величине индекса модуляции, спектры соседних гармоник, также модулированных по частоте, начинают перекрываться. Отделить помеху основному сигналу становится невозможно, и она воспринимается как повышенный уровень шумов.

По мере ужесточения требований к допустимому уровню шумов от косвенных методов ЧМ в радиовещании пришлось отказаться. В современных разработках радиовещательных передатчиков исключительное применение находят прямые методы частотной модуляции с автоподстройкой средней частоты по опорному генератору.