Частотная модуляция. Формирование мощных прямоугольных импульсов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Цифровые синтезаторы сетки дискретных частот. Их достоинства по сравнению с синтезаторами, в которых используется метод прямого синтеза

Эти синтезаторы обладают лучшими характеристиками (в сравнении с синтезаторами, в которых используется «прямой метод» синтеза), на выходе обеспечивают подавление побочных колебаний до уровня 100...120 дБ, просты в управлении, менее энергоемки.

Структурная схема одного из вариантов этого типа синтезатора приведена на рис. 15.3.

Рис. 15.3 Синтезатор с использованием косвенного метода

Основные элементы этой схемы:

генератор, управляемый напряжением G2 (ГУН) - автогенератор с параметрической стабилизацией частоты. С помощью варикапа он перестраивается в рабочем диапазоне частот f_МИН - f_МАКС,

делитель с переменным коэффициентом деления частоты (ДПКД) - цифровой делитель частоты, коэффициент деления которого можно изменять через единицу в диапазоне N_МИН - N_МАКС,

опорный генератор G1 (ОГ) - эталонный генератор с кварцевой стабилизацией частоты f₁, определяющий стабильность частоты на выходе синтезатора,

делитель частоты с постоянным коэффициентом деления m,

фазовый детектор (ФД),

фильтр нижних частот,

управитель частоты ГУНа (варикап).

Частота колебаний генератора, управляемого напряжением, делится в N раз с помощью ДПКД и импульсная последовательность с частотой f_ВЫХ/N поступает на один из входов импульсно-фазового детектора (ФД). На второй вход ФД подается импульсная последовательность с частотой эталонного генератора, предварительно деленной в m раз - f1/m. На выходе фазового детектора напряжение пропорционально разности фаз этих импульсных сигналов. Через фильтр нижних частот, который подавляет помехи в системе ФАПЧ, напряжение ошибки подается на варикап, который изменяет частоту ГУНа так, чтобы свести к минимуму разность фаз импульсных последовательностей.

В синхронном состоянии частоты сигналов, которые сравниваются на фазовом детекторе, равны:

Меняя коэффициент деления N, можно изменять частоту на выходе синтезатора f_ВЫХ. Шаг сетки дискретных частот в этом устройстве равен f1/m.

Синтезаторы этого типа просты в реализации, так как ГУН, ДПКД и элементы ФАПЧ объединены в одной микросхеме. Достаточно только подключить к ней колебательную систему, определяющую диапазон рабочих частот синтезатора, и устройство, управляющее коэффициентом деления ДПКД.

Фазовые шумы синтезатора с ФАПЧ. Из структурной схемы (рис. 15.3) следует, что на входах ФД суммируются фазовые шумы ОГ и ГУНа, продукты детектируются, фильтруются, усиливаются и управляют частотой ГУНа, то есть определяют его спектр. Этому соответствует структурная схема по фазовым шумам (рис. 15.4).



Рис. 15.4 Структурная схема по фазовым шумам

синтезатор частотный модуляция коммутатор

Здесь К1 - коэффициент передачи ФД;

К2 - коэффициент передачи ФНЧ;

К3 - коэффициент передачи управителя ГУН;

U_Ш0 - шумы на выходе ГУНа;

U_ШОГ - шумы опорного генератора.

1. Фазовые шумы синтезатора в полосе пропускания петли ФАПЧ определяются фазовыми шумами опорного генератора.

2. Если частота ГУНа в n раз выше частоты ОГ (или частоты сравнения), то фазовые шумы синтезатора на 20lgn выше фазовых шумов ОГ. То есть медленные изменения частоты ОГ полностью отрабатываются кольцом ФАПЧ, увеличиваясь на выходе в n раз.

Для шумов, лежащих выше полосы фильтра, в частности для шумов ГУНа, запишем

3.За полосой пропускания петли ФАПЧ шумы определяются только собственными шумами ГУНа.

2. Частотная и фазовая модуляция. Основные способы осуществления фазовой модуляции

Частотная модуляция (ЧМ) является основным видом модуляции в современных системах передачи информации СВЧ диапазона. При ЧМ обеспечивается высокая помехоустойчивость и высокое качество передачи информации. Способы осуществления частотной и фазовой модуляции можно разделить на две группы: прямые и косвенные (рис. 2.10).



Прямой метод при ФМ означает воздействие на высокочастотный усилитель или умножитель частоты, т. е. на электрические цепи, определяющие фазу высокочастотных колебаний. Косвенный метод ФМ заключается в преобразовании частотной модуляции в фазовую.

Для преобразования фазовой модуляции в частотную на входе фазового модулятора включается интегратор (рис. 2.10, г). Для преобразования частотной модуляции в фазовую на входе частотного модулятора включается дифференцирующая цепь (рис. 2.10, в).

3. Характеристики ЧМ и ФМ сигналов. Связь частотной и фазовой модуляции. Прямой и косвенный методы частотной модуляции. Структурные схемы передатчиков с ЧМ

При угловой модуляции (УМ) амплитуда тока в антенне передатчика постоянна, а изменяется его фаза. Угловая модуляция может быть частотной и фазовой (ЧМ) и (ФМ). Общие характеристики угловой модуляции

Ток в антенне при угловой модуляции изменяется так:



Фаза тока при частотной или фазовой модуляции изменяется следующим образом:

где Дц - девиация фазы,

ц0 - начальная фаза сигнала,

щ0 - средняя частота сигнала на выходе передатчика.

Пусть модуляция осуществляется гармоническим напряжением UЩcosЩt.

При фазовой модуляции величина Дц пропорциональна модулирующему напряжению. Фаза сигнала изменяется в соответствии c выражением:

где Дц - индекс фазовой модуляции, Дц = кц UЩ.

Здесь кц - коэффициент пропорциональности между UЩ и индексом фазы Дц.

При частотной модуляции в соответствии с передаваемым сигналом изменяется частота на выходе передатчика. Частота передатчика (18.2) ;

где Дщ - девиация (отклонение) частоты. Дщ = кщ UЩ.

Здесь кщ - коэффициент пропорциональности между девиацией частоты и UЩ.

Фаза и частота связаны следующим образом:



Выражения (18.3) показывают, что модуляция фазы сопровождается модуляцией частоты, и наоборот.

Найдем закон изменения фазы при частотной модуляции. После подстановки (18.2) в (18.3) получим:

Девиация фазы при ЧМ (индекс частотной модуляции) получается равной Дщ/Щ. Фазовая модуляция сопровождается частотной модуляцией:

Девиация частоты при ФМ получается равной Дщ=ЩДц.

ЧМ и ФМ обеспечивают высокую помехоустойчивость радиолинии, лучшие энергетические характеристики передатчика, чем амплитудная модуляция. Но спектр излучаемого сигнала существенно шире, чем при АМ. По этой причине угловая модуляция используется преимущественно в ультракоротковолновом диапазоне.

Используются два основных метода формирования ЧМ сигналов - прямой и косвенный. Управляемый реактивный элемент (варикап) модулирует по частоте возбудитель передатчика. Для увеличения девиации частоты производится умножение частоты в n раз. Усилитель доводит уровень выходной мощности передатчика до заданного уровня. Для стабилизации средней частоты вводится система автоматической подстройки частоты, устраняющая медленные уходы частоты от номинального значения.



Рис.18.2 Прямой метод ЧМ

Для формирования ЧМ колебаний косвенным методом используется фазовая модуляция в одном из промежуточных каскадов передатчика (рис.18.3).

На фазовый модулятор подается информационный сигнал через интегрирующую цепь, которая снимает зависимость девиации частоты Дщ от частоты модулирующего напряжения (18.1). 154

Рис. 18.3 Косвенный метод ЧМ

Достоинство этого метода состоит в том, что в качестве возбудителя пере- датчика можно использовать кварцевый автогенератор. К числу недостатков косвенного метода ЧМ следует отнести малую девиацию частоты при значительном уровне нелинейных искажений.



4. Варикап как частотный модулятор. Вольтфарадная характеристика варикапа. Выбор режима варикапа. Расчет девиации частоты

На рис. 18.7 изображен один из вариантов схемы автогенератора, эквивалентной емкостной трехточке с заземленным коллектором.

Автогенератор модулируется по частоте варикапом. Варикап включен параллельно контурной емкости С4 через блокировочный конденсатор С3. На варикап подается смещение Е_{В МОЛ} с делителя R2, R4 через резистор R3. Кроме того, на варикапе действует модулирующее напряжение U_Щ и высокочастотное U_щ, снимаемое с части контура автогенератора.

Произведем расчет девиации частоты, полагая, что известны тип варикапа, напряжение Е_{В МОЛ}, амплитуда модулирующего напряжения U_Щ. В основу расчета положена методика, изложенная в [11].

Рис. 18.7 Автогенератор с модуляцией варикапом

Условимся, что амплитуда модулирующего напряжения U_Щ выбрана так, что в пределах 2U_Щ можно пренебречь нелинейностью вольт-фарадной характеристики варикапа. Напряжение на варикапе, определяющее изменение его средней емкости за период высокой частоты, изменяется так:



е_В(t) = Е_{В МОЛ} + U_Щ cosЩt,

а емкость варикапа -

С_В(t) = C_{В МОЛ} + ДС cosЩt.

Как правило, коэффициент включения варикапа в контур автогенератора p_В меньше единицы (рис. 18.8).

Рис. 18.8 Включение варикапа в контур

При отключенном от контура варикапе частота колебаний в автогенераторе равна резонансной частоте этого контура. Относительно точек подключения варикапа сопротивление контура равно:

где p_В - коэффициент включения варикапа в контур автогенератора, с - характеристическое сопротивление контура автогенератора, Q - добротность контура.

При подключении варикапа частота автоколебаний изменится. На новой частоте проводимость контура относительно тех же точек станет комплексной:



где б - обобщенная расстройка, .

Новая частота автогенератора равна резонансной частоте системы «контур + варикап», и проводимость относительно точек подключения варикапа на этой частоте должна быть вещественной:

.

Далее после подстановки значения б получим выражение, определяющее изменение частоты автоколебаний при подключении варикапа к контуру автогенератора:

(18.5)

Девиацию частоты под воздействием модулирующего напряжения определяет второе слагаемое в (18.5), поэтому окончательно:

Вольт-фарадная характеристика варикапа нелинейна на любом ее участке, поэтому частотная модуляция сопровождается нелинейными искажениями.

5. Нелинейные искажения при ЧМ

Произведем оценку уровня нелинейных искажений при ЧМ с помощью варикапа. Даже при малой девиации емкости варикапа ДС_В по причине нелинейности вольт-фарадной характеристики частотная модуляция сопровождается нелинейными искажениями. Емкость резкого варикапа (n=0,5) при модуляции изменяется в соответствии с (18.4):

Представим эту степенную функцию в виде ряда Тейлора, используя в качестве исходного формулу:

Ограничимся тремя первыми членами ряда. Принимаем:

После подстановки аргумента х в формулу Тейлора получим соотношение, определяющее характер изменения емкости варикапа при модуляции:



Соотношение (18.6) показывает, что с учетом трех членов ряда Тейлора емкость варикапа при модуляции изменяется не только с частотой информационного сигнала Щ, но и с удвоенной частотой - 2Щ. Если учесть члены ряда более высоких порядков, то в (18.6) появились бы слагаемые, меняющиеся с частотой 3Щ, 4Щ и т.д.

Коэффициент нелинейных искажений по второй гармонике k_2Щ равен:

При заданном коэффициенте нелинейных искажений k_2Щ и амплитуде модулирующего напряжения U_Щ однозначно определяется напряжение смещения, которое следует подать на варикап в режиме молчания - Е _{В МОЛ}.

Следует обратить внимание на второе слагаемое в формуле (18.6). Оно показывает, что с изменением амплитуды модулирующего напряжения изменяется средняя емкость варикапа за период модулирующего напряжения. Это обстоятельство приводит к нестабильности средней частоты автогенератора.

6. Методы осуществления фазовой модуляции

Область применения ФМ - в передатчиках с использованием косвенного метода генерации ЧМ, а также для передачи цифровой информации, в телеграфии.

Просто фазовую модуляцию можно осуществить в одной из промежуточных ступеней передатчика, перестраивая колебательный контур, играющий роль нагрузки ГВВ. На вход усилителя подается возбуждение с частотой щ₀. В отсутствие модуляции нагрузочный параллельный контур настраивается на частоту возбуждения. В качестве модулятора используется варикап, который включается параллельно контуру (рис. 18.9).

При подаче модулирующего напряжения контур расстраивается относительно частоты, с которой меняется ток i_К1 в коллекторной цепи усилителя. Нагрузка ГВВ становится комплексной и напряжение на ней u_К приобретает фазовый сдвиг ц относительно i_К1. Чем сильнее расстроен контур, тем ближе ц к 90^о.

Рис. 18.9 Фазовая модуляция варикапом

Определим характер изменения ц при модуляции варикапом [11].

При отсутствии информационного сигнала сопротивление контура R_К относительно точек подключения варикапа равно

где - коэффициент включения варикапа относительно контура.

Емкость варикапа при модуляции напряжением с частотой Щ изменяется так:

где С_{В МОЛ} - емкость варикапа при отсутствии модуляции.

Емкость С_{В МОЛ} входит в состав общей емкости настроенного в резонанс контура. При модуляции контур расстраивается относительно частоты щ₀ и проводимость его между точками подключения варикапа становится комплексной:

(18.7)

Проводимость контура можно определить и так:

(18.8)

здесь б - обобщенная расстройка:

б = - tg ц,(18.9)

где ц - фазовый сдвиг напряжения на контуре относительно i_К1.

Уравнения (18.7), (18.8), (18.9) дают в итоге связь между девиацией фазы и параметрами фазового модулятора:

(18.10)

Из (18.10) следует, что в соответствии с информацией изменяется не ц, а tgц, то есть фазовая модуляция, реализованная изложенным методом, сопровождается нелинейными искажениями. При девиациях фазы 20...30° нелинейные искажения не превышают 5 - 7%.

Увеличить глубину фазовой модуляции можно, каскадно соединив несколько перестраиваемых контуров. В трехконтурной системе девиация фазы достигает 120°, искажения не превышают 2% [1]. Существуют и другие методы осуществления фазовой модуляции - с помощью мостовых фазовращателей, импульсно-фазовых модуляторов. Последние устройства дают возможность получить глубокую модуляцию при нелинейных искажениях 1...2%.

7. Основные параметры импульсных радиопередатчиков

Для характеристики импульсных последовательностей обычно (рис. 19.1) используют следующие обозначения:

· - длительность импульса;

· Т - период следования;

· q = T/ - скважность.

Рис. 19.1 Импульсные сигналы

Энергетические соотношения оценивают по формулам:

· P_1ИМП = 0,5U_ИМП I_{1 ИМП} - импульсное значение мощности высокочастотного генератора;

· P_0ИМП = Е_ИМП I_{а0 ИМП} - импульсное значение постоянной составляющей мощности, подводимой к генератору;

· - среднее значение мощности высокочастотного генератора;

· - среднее значение мощности, подводимой к генератору;



· - среднее значение мощности, рассеиваемой генераторным прибором.

8. Импульсные модуляторы с электронными коммутаторами

Импульсная модуляция генераторов высокой частоты используется в локационных и навигационных передатчиках для создания периодических последовательностей коротких радиоимпульсов, пауза между которыми в сотни и тысячи раз больше длительности импульса. За время паузы в модуляторе накапливается энергия, а во время формирования импульса эта энергия отдается генератору высокой частоты. Наиболее распространенными накопителями энергии являются емкости, а в качестве коммутаторов используются электронные лампы, тиратроны, тиристоры и другие полупроводниковые приборы.

Импульсные модуляторы с частичным разрядом емкости. Схема ИМ с частичным разрядом емкости приведена на рис. 19.4.

Рис. 19.4 Импульсный модулятор с частичным разрядом

Модулятором (ключом) является электронная лампа VL1. В промежутке между импульсами лампа заперта смещением Е_С, а накопительная емкость С_Н заряжается по цепи R1, C_Н, R2 током i_ЗАР. С приходом импульса, открывающего модуляторную лампу, потенциал ее анода падает и левая обкладка накопительной емкости «подсоединяется» к аноду генераторной лампы VL2.

Происходит частичный разряд накопительной емкости через генераторную и модуляторную лампы. Если сопротивление модуляторной лампы близко к нулю, все напряжение, до которого заряжена накопительная емкость, будет являться напряжением анодного питания для генераторной лампы.

Длительность модулирующего импульса определяется временем открытого состояния модуляторной лампы, то есть длительностью импульса напряжения u_С на ее сетке. Графики напряжений в схеме ИМ определяются как формой напряжения u_С, так и процессами перезаряда паразитных емкостей схемы и разрядом накопительной емкости (рис. 19.5).

Рис. 19.5 Графики напряжений в схеме импульсного модулятора

КПД разрядной цепи не превышает величины 0,8. При разряде накопительной емкости около 10% энергии теряется на внутреннем сопротивлении модуляторной лампы и столько же на сопротивлении R2. Общий КПД модулятора равен 0,7...0,75.



9. Импульсные устройства с твердотельными коммутаторами

Импульсные модуляторы с тиратронным коммутатором. При построении импульсных модуляторов, которые коммутируют мощности более 20..50 МВт, электронные лампы приходится заменять на газонаполненные приборы - тиратроны.

Рис. 19.3 Емкостный накопитель

Такие коммутаторы только замыкают ключ (рис. 19.3). Выключение тиратрона происходит только после падения напряжения между анодом и катодом до нуля и деионизации газа внутри баллона. Следовательно, при использовании таких коммутаторов накопитель энергии (например, емкость) в модуляторе разряжается полностью.

10. Формирование мощных прямоугольных импульсов

Рис. 19.4 Импульсный модулятор с частичным разрядом



Процесс формирования фронта и спада напряжения на генераторной лампе. Если считать модуляторную лампу безынерционным элементом, то после скачка напряжения на ее сетке также скачком установится ее анодный ток I₁ в соответствии с рис. 19.6.

Рис. 19.6 Изменение анодного тока генераторной лампы

Источником этого тока является накопительная емкость. Так как паразитные емкости схемы С_{ВЫХ М}, С_{ВЫХ Г} и С_М перезарядиться мгновенно не могут, в момент времени t = 0 напряжения на катоде генераторной лампы и на аноде модуляторной лампы не изменятся. Весь ток модуляторной лампы в этот момент расходуется на перезаряд паразитных емкостей. С течением времени напряжения на паразитных емкостях будут возрастать и начнут увеличиваться токи через генераторную лампу, через резисторы R1, R2. Эти процессы описывают формирование фронта импульса напряжения на аноде генераторной лампы и соответствуют схеме замещения рис. 19.7.

Рис. 19.7 Схема замещения импульсного модулятора



На рис. 19.7 приняты обозначения R_i _ внутреннее сопротивление модуляторной лампы;

R_Г = Е_{а ИМП} / I_{а0 ИМП} - сопротивление генератора постоянному току;

С_П = С_ВЫХ М + С_ВЫХ Г + С_М - паразитная емкость ИМ.

Рис. 19.8 Форсирование фронта импульса

График напряжения на катоде генераторной лампы (на паразитной емкости) определяется дифференциальным уравнением первого порядка и является экспонентой (рис. 19.8). Длительность фронта, отсчитываемую по уровням 0,1...0,9, определяют по приближенному соотношению

(19.5)

где(19.6)

Во время формирования фронта рабочая точка перемещается по статической характеристике модуляторной лампы из точки «1» в точку «2». Затем начинается формирование плоской части импульса. Накопительная емкость частично разряжается от U_{C МАКС} до U_{C МИН}, рабочая точка перемещается из точки «2» в точку «3». Что же произойдет, если мы повысим величину импульса U_С? Увеличится ток, которым перезаряжаются паразитные емкости, следовательно, должно сократиться время фронта. Рассмотрим схему (рис. 19.8), на которой источник тока (рис. 19.7) заменен на эквивалентный генератор ЭДС Е = IR. Большему значению U_С соответствуют большие значения и .

Для расчета времени спада используют те же соотношения (19.5) и (19.6) с учетом того, что модуляторная лампы закрыта и R_i = . Следовательно, длительность спада всегда больше длительности фронта.

Формирование плоской части импульса. Если нагрузкой модулятора является автогенератор или ГВВ на металлокерамической лампе, можно считать, что его сопротивление постоянному току не зависит от напряжения на нем . Цепь разряда описывается линейной схемой замещения с постоянными элементами (рис. 19.9).

Рис. 19.9 Схема замещения цепи разряда

Постоянная времени цепи разряда равна

Зависимость напряжения на аноде генераторной лампы от времени определяется соотношением



Скалывание G равно

(19.7)

Используя два члена ряда (19.7), получим приближенное соотношение

Тогда для расчета величины накопительной емкости получим формулу:

Пример Е_{а ИМП} = 5 кВ, I_{а 0ИМП} = 20А, R_Г = 5000/20 = 250 Ом, =2,5 мкс, G = 0,1.

Пренебрегая в первом приближении r_НАС и R₂, получим

Для ламповых генераторов СВЧ допустимо скалывание G = 0,1. Для магнетронных - G < 0,02...0,03.

Размещено на Allbest.ru

...