Дифференциально-фазовая манипуляция
Поможем в ✍️ написании учебной работы
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Линейность усилителя

Одной из основных проблем в разработке радиочастотных усилителей мощности является линейность (более конкретно, трудно добиться и высокой эффективности, и высокой линейности одновременно). Линейный усилитель применяет к входному сигналу определенный фиксированный коэффициент усиления; графически это выглядит так: передаточная функция линейного усилителя представляет собой просто прямую линию с наклоном, соответствующим коэффициенту усиления.

 

Прямая линия представляет собой отклик идеального линейного усилителя: выходное напряжение всегда равно входному напряжению, умноженному на фиксированный коэффициент усиления

Прямая линия представляет собой отклик идеального линейного усилителя: выходное напряжение всегда равно входному напряжению, умноженному на фиксированный коэффициент усиления

У реальных усилителей всегда есть некоторая степень нелинейности, что означает, что на усиление, применяемое к входному сигналу, влияют характеристики входного сигнала. Результатом нелинейного усиления являются искажения, т.е. создание энергии на частотах гармоник.

 

Можно также сказать, что нелинейное усиление является формой амплитудной модуляции. Если коэффициент усиления усилителя изменяется в зависимости от частоты входного сигнала или в соответствии с внешними факторами, такими как температура или состояние источника питания, передаваемый сигнал будет испытывать непреднамеренную (и нежелательную) амплитудную модуляцию. Это является проблемой в AM системах, поскольку паразитная амплитудная модуляция мешает преднамеренной амплитудной модуляции.

Любая схема модуляции, которая включает в себя изменения амплитуды, более восприимчива к влиянию нелинейности. Это включает в себя как обычную аналоговую амплитудную модуляцию, так и широко используемые цифровые схемы, известные в совокупности как квадратурная амплитудная модуляция (QAM).

 

Угловая модуляция

Частотная и фазовая модуляции кодируют информацию во временны́х характеристиках передаваемого сигнала и, следовательно, устойчивы к амплитудному шуму и нелинейности усилителя. Частота сигнала не может быть изменена шумом или искажением. Могут быть добавлены дополнительные частотные составляющие, но исходная частота всё равно будет присутствовать. Разумеется, шум оказывает негативное влияние на FM и PM системы, но шум напрямую не искажает характеристики сигнала, которые использовались для кодирования низкочастотных данных.

 

Как упоминалось выше, разработка усилителя мощности включает в себя компромисс между эффективностью и линейностью. Угловая модуляция совместима с низколинейными усилителями, и эти низколинейные усилители более эффективны с точки зрения энергопотребления. Таким образом, угловая модуляция является хорошим выбором для маломощных радиочастотных систем.

 

Ширина полосы частот

Эффекты в частотной области от амплитудной модуляции более просты, чем от частотной и фазовой модуляций. Это можно считать преимуществом AM: важно иметь возможность прогнозировать ширину полосы частот, занимаемую модулированным сигналом.

 

Однако сложность прогнозирования спектральных характеристик FM и PM актуальна больше для теоретической части проектирования. Если мы сосредоточимся на практических соображениях, угловая модуляция может считаться выгодной, поскольку она может преобразовывать заданную ширину полосы частот низкочастотного сигнала в несколько меньшую (по сравнению с AM) ширину полосы частот передаваемого сигнала.

 

Частота против фазы

Частотная и фазовая модуляции тесно связаны; тем не менее, есть ситуации, когда одна из них лучше другой. Различия между ними более выражены при цифровой модуляции.

Аналоговые частотная и фазовая модуляции

 когда низкочастотный модулирующий сигнал является синусоидой, PM сигнал представляет собой просто сдвинутую версию соответствующего FM сигнала. Поэтому неудивительно, что ни у FM, ни у PM нет никаких серьезных плюсов или минусов, связанных со спектральными характеристиками или восприимчивостью к помехам.

Однако аналоговая частотная модуляция гораздо более распространена, чем аналоговая фазовая модуляция, и причина в том, что схемотехника FM модуляции и демодуляции более проста. Например, частотная модуляция может быть реализована чем-то простым, таким как генератор, построенный с использованием катушки индуктивности и конденсатора, управляемого напряжением (т.е. конденсатора, который изменяет свою емкость в зависимости от напряжения низкочастотного модулирующего сигнала).

Частотная область

Формы AM и FM сигналов, при одинаковых сигнале несущей и низкочастотном модулирующем сигнале выглядят совершенно по-разному. Поэтому интересно обнаружить, что AM и узкополосная FM дают аналогичные изменения в частотной области. (Узкополосная частотная модуляция предусматривает ограниченную полосу модулирующего сигнала и позволяет упростить анализ.) В обоих случая низкочастотный спектр (включая отрицательные частоты) переносится в полосу, которая простирается выше и ниже несущей частоты. В AM спектр самого низкочастотного модулирующего сигнала сдвигается вверх. В FM это спектр интеграла низкочастотного модулирующего сигнала, который появляется в полосе, окружающей несущую частоту.

Для модуляции, показанной выше, с m=1 мы получаем следующий спектр:

Следующий спектр соответствует m=4:


 


Спектр частотно-модулированного сигнала при m=4

индекс модуляции влияет на частотные составляющие частотно-модулированного сигнала. Спектральный анализ частотной модуляции сложнее, чем для амплитудной модуляции; поэтому для частотно-модулированных сигналов трудно предсказать ширину полосы частот.



Вывод

  • Математическое представление частотной модуляции состоит из синусоидального выражения с интегралом низкочастотного модулирующего сигнала, добавленного к аргументу функции синуса или косинуса.
  • Индекс модуляции может использоваться, чтобы сделать отклонение частоты более чувствительным или менее чувствительным к изменениям амплитуды низкочастотного модулирующего сигнала.
  • Узкополосная частотная модуляция приводит к переносу спектра интеграла низкочастотного модулирующего сигнала в полосу, окружающую несущую частоту.
  • На спектр ЧМ влияет индекс модуляции, а также отношение амплитуды модулирующего сигнала к частоте модулирующего сигнала.

· При частотной модуляции (ЧМ) изменяется частота гармони­ческого сигнала соответственно значащей позиции сигнала данных. Единичные элементы, соответствующие символам данных 1 и 0, представляются в виде (рис.3.7):

·

· где

· Разность называют девиацией частоты, отношение -индексом модуляции, а и - характеристи­ческими частотами. Спектр ЧМ сигнала занимает значительно боль­шую полосу частот, чем при ДМ (естественно при одинаковой скорости передачи).

·

· За счет ограничения спектра возникает переходный процесс как по амплитуде, так и по частоте. Длительность установления частоты от до зависит от отношения где - необходимая полоса частот, устанавливаемая для пере­дачи двоичного ЧМ сигнала. Компромисс между допустимыми иска­жениями и необходимой полосой частот достигается при значени­ях .

· Таким образом, необходимая полоса частот для передачи двоичного ЧМ сигнала с допустимыми искажениями определяется выражением

·

· Удельная скорость передачи при m>1 близка к значение 0,5 бит/с*Гц

· становлено, что при m <1 основная энергия сигнала сосредоточена вблизи несущей частоты , поэтому можно достичь удельной скорости передачи 1бит/с*Гц. Например, при

·

·

· Тогда

· Для формирования ЧМ сигнала используются управляемый генератор (УГ), частота которого может изменяться без скачков фазы и со скачками фазы. Реализация ЧМ без разрыва фазы осуществляется непосредственным воздействием первичного сигнала А(t) на частоту генератора несущего колебания. ЧМ с разрывом фазы получается использованием независимых генераторов, наст­роенных на требуемые частоты, и спектр амплитуд модулирован­ного сигнала занимает более широкую полосу частот, чем при формировании без разрыва фазы.

· Демодуляция ЧМ сигналов может осуществляться когерентным и некогерентным методом. Последний широко используется при передаче данных с низкой удельной скоростью. Общим принципом демодуляции является частотное детектирование (ЧД) с помощью дискриминаторов, которые преобразуют изменение частоты в из­менение амплитуды.

· Так как изменяемым параметром сигнала является частота, то для уменьшения влияния помех применяют ограничители ампли­туд Огр, что существенно повышает помехозащищенность ЧМ по сравнению с АМ. На рис.3.8 представлена структурная схема модема с ЧМ.

 


Сигнал данных управляет частотой генератора УГ несущего колебания. Подавление побочных продуктов модуляции на передаче и помех на приеме производят соответственно фильтры передачи Ф пер и приема Ф пр. Ограничитель Огр снижает амплитудные иска­жения. Дискриминатор Д преобразует изменения частоты сигнала в изменение амплитуды. Фильтр нижних частот ФНЧ подавляет составляющие преобразованного сигнала частотами и др. Решение о принимаемом сигнале принимается решающим уст­ройством РУ.

Модемы с ЧМ благодаря несложной технической реализации и сравнительно высокой помехозащищенности рекомендованы МККТТ для передачи данных по стандартным каналам ТЧ со скоростью до 1200 бит/с.

Частотной модуляции присущ недостаток - высокая чувстви­тельность к изменению частоты сигнала при передаче по каналу ТЧ

Тая как в дискриминаторе происходит преобразование ЧМ сигнала в AM сигнал, то при неизменном пороге регистрации сдвиг по частоте переходит в сдвиг по длительности, т.е. появляются так называемые искажения типа преобладания «когда длительность посылок одной полярности превосходит длительность посылок дру­гой полярности. На рис.3.9 показана пунктиром передача двухполюсной последовательности сигналов данных ("точек") по кана­лу без изменения частоты сигнала, и сплошной линией - по кана­лу с изменением частоты сигнала на . На рисунке -длительность единичного элемента сигнала данных характеристические частоты.

Для устранения подобного рода искажений в процессе настройки дискретного канала с ЧМ всегда производится регулировка на нейтральность.

 

 

)

- максимальное отклонение частоты от значения ω0, или девиация частоты (frequency deviation) при частотной модуляции;

— максимальное отклонение от текущей фазы ω0t или девиация фазы несущего колебания называется индексом частотной модуляции (index of frequency modulation). Данный параметр определяет интенсивность колебаний начальной фазы радиосигнала.

С учетом полученных соотношений (1) и (16) частотно-модулированный сигнал запишется в следующем виде:

Спектр ЧМ-сигнала при однотональной модуляции. Преобразуем полученное выражение (17)

Спектр ЧМ-сигнала при m«1 (такую угловую модуляцию называют узкополосной). В этом случае имеют место приближенные равенства: (18)

Подставив формулы (18) в выражение (17), после несложных математических преобразований получим (при начальных фазах модулирующего и несущего колебаний θ0 = 0 и φ0 = 0): (19)

Видим, что по аналитической записи спектр ЧМ-сигнала при однотональной модуляции напоминает спектр АМ- сигнала и также состоит из несущего колебания и двух боковых составляющих с частотами (ω0+ Ω) и (ω0- Ω) причем и амплитуды их рассчитываются аналогично (только вместо коэффициента амплитудной модуляции М в формуле для ЧМ-сигнала фигурирует индекс угловой модуляции m). Но есть и принципиальное отличие, превращающее амплитудную модуляцию в частотную, знак минус перед одной из боковых составляющих.

 
 

 

 
 


Спектр ЧМ-сигнала при m> 1. Из математики известно (20) (21)

 

где Jn(m) — функция Бесселя 1 -го рода n-го порядка.

В теории функций Бесселя доказывается, что функции с положительными и отрицательными индексами связаны между собой формулой (22)

Ряды (20) и (21) подставим в формулу (17), а затем заменим произведение косинусов и синусов полусуммами косинусов соответствующих аргументов. Тогда, с учетом (22), получим следующее выражение для ЧМ-сигнала (23)

Итак, спектр ЧМ-сигнала с однотональной модуляцией при индексе

модуляции m > 1 состоит из множества высокочастотных гармоник: несущего колебания и бесконечного числа боковых составляющих с частотами ω0+ nΩ. и ω0-nΩ, расположенными попарно и симметрично относительно несущей частоты ω0.

При этом, исходя из (22), можно отметить, что начальные фазы боковых колебаний с частотами ω0+ nΩ. и ω0-nΩ совпадают, если m — четное число, и отличаются на 180°, если m — нечетное. Теоретически спектр ЧМ- сигнала (так же и ФМ-сигнала) бесконечен, однако в реальных случаях он ограничен. Практическая ширина спектра сигналов с угловой модуляцией

ЧМ- и ФМ-сигналы, применяемые на практике в радиотехнике и связи, имеют индекс модуляции m>> 1, поэтому

 
 


Полоса частот ЧМ-сигнала с однотональной модуляцией равна удвоенной девиации частоты и не зависит от частоты модуляции.

Сравнение помехоустойчивости радиосистем с амплитудной и угловой модуляцией. Следует отметить, что радиосигналы с угловой модуляцией имеют ряд важных преимуществ перед амплитудно-модулированными колебаниями.

1. Поскольку при угловой модуляции амплитуда модулированных колебаний не несет в себе никакой информации и не требуется ее постоянства (в отличие от амплитудной модуляции), то практически любые вредные нелинейные изменения амплитуды радиосигнала в процессе осуществления связи не приводят к заметному искажению передаваемого сообщения.

2. Постоянство амплитуды радиосигнала при угловой модуляции позволяет полностью использовать энергетические возможности генератора несущей частоты, который работает при неизменной средней мощности колебаний.

 

Описание работы УКВ приемника




Самое простое радио

Схема приемника показана на рис. 1. Эта схема очень близка к схеме приемника,. Только УКВ резонансный контур был добавлен в цепь.

рис. 1.
ВД1, VD2 - GD507A - старый СССР германиевые высокочастотные диоды с емкостью 0.8 ПФ (при обратном напряжении 5В), время восстановления обратного сопротивления не более 0,1 с нами (у меня прямые импульса=10 мА, U иобратного импульса=20 в, Iотсечки=1 ма

Устройство содержит телескопическую антенну WA1, непосредственно соединенную с резонансным баком L1C1. Антенна также является элементом резонансного резервуара, поэтому для получения максимальной мощности сигнала необходимо регулировать как длину антенны, так и частоту цепи резервуара. В некоторых случаях, особенно когда длина антенны составляет около 1/4 длины волны, полезно подключить антенну к крану катушки настройки L1 (найти подходящий кран катушки, находя Максимальный объем сигнала).

Соединение с детектором может быть регулирует триммером C2. На самом деле детектор состоит из двух высокочастотных германиевых диодов VD1 и VD2. Цепь совершенно идентична к цепи выпрямителя тока напряжения тока удваивая, но обнаруженное напряжение тока было бы удвоено если только значение конденсатора К2 триммера высоко, то но после этого нагрузка резонирующей цепи Л1К1 была бы чрезмерна, и свой фактор качества к будет низок. В результате, напряжение тока сигнала в баке l1c1 цепи будет более низко и тонально звуковой том будет более низок слишком.

В нашем случае емкость соединительного конденсатора С2 достаточно мала и удвоения напряжения не происходит. Для оптимального согласования схемы детектора с цепью резервуара сопротивление конденсатора связи должно быть равно геометрическому среднему между входным сопротивлением детектора и резонансным сопротивлением цепи резервуара L1C1. При таком условии детектор получает максимальную мощность высокочастотного сигнала, что соответствует максимальной громкости звука.

Конденсатор С3 шунтирует более высокие частоты на выходе детектора. Нагрузка на детектор-наушники с сопротивлением постоянного тока не менее 4K ом. Весь блок собран в малом снабжении жилищем металла или пластмассы. К верхней части корпуса крепится телескопическая антенна длиной не менее 1 м, а к разъему или гнезду для телефонов крепится нижняя часть корпуса. Обратите внимание, что телефонный шнур является второй половиной дипольной антенны (противовеса).

Катушка L1 бескаркасная, содержит 5 витков эмалированной медной проволоки диаметром 0,6...1 мм намотано на оправку диаметром 7 мм...8 мм. Вы можете отрегулировать необходимую индуктивность путем протягивать или обжимать повороты катушки L1. Лучше использовать переменный конденсатор С1 с воздушным диэлектриком, например, типа 1КПВМ с двумя или тремя подвижными и одной или двумя неподвижными пластинами. Своя максимальная емкость мала и может находиться в границах 7...15 p. Если переменный конденсатор имеет больше пластин (емкость выше), желательно удалить любую из пластин или подключить переменный конденсатор последовательно с постоянным конденсатором или триммером, это уменьшит максимальную емкость.

Конденсатор К2 керамический конденсатор триммера, как КПК или КПК-м с емкостью 2...7 pF. Другие конденсаторы триммеров смогли быть использованы слишком. Подстроечный конденсатор C2 может быть заменен на переменный конденсатор, похожий на C1, и его можно использовать для регулировки сцепления "на лету" для оптимизации возможностей приема радио.

Диоды VD1 и VD2, могут быть GD507B, D18, D20 (это старые Германиевые высокочастотные диоды СССР. Эти диоды можно заменить на современные диоды Шоттки). Шунтируя конденсатор C3 керамический, своя емкость не критическая и может иметь значение в ряде от 100 до 4700 pF.

Регулировка приемника проста. Настройте радио путем поворачивать ручку на переменном конденсаторе C1 и отрегулируйте конденсатор C2 для того чтобы получить максимальный тонально звуковой том. Настройка резонансного бака L1C1 будет изменена, поэтому все операции необходимо повторить еще несколько раз, и при этом найти лучшее место для приема радио. Это не обязательно то же место, где электрическое поле имеет максимальную силу. Это должно быть обсуждено более подробно и объяснить, почему этот приемник может принимать FM-сигналы.

Интерференция и преобразование FM в AM

Если танк схема фильтр l1c1 нашего приемника (рис. 1) будет настроить так, чтобы несущая частота ЧМ сигнала падает на склоне резонансной кривой, FM может быть преобразован в АМ. Найдем значение Q контура танка. При условии, что полоса пропускания цепи бака фильтр l1c1 равна удвоенной девиации частоты, получим г = ф0 /Δ2f = 700 за оба верхний и Нижний УКВ.

Фактический Q цепи бака в кристаллическом радио вероятно будет чем 700 из-за низкого Q-фактора своего Q (около 150...200) и потому что резонирующий бак шунтирован антенной и входным сопротивлением детектора. Тем не менее, слабое преобразование FM в AM возможно, таким образом, приемник будет едва работать, если его цепь сместить  немного вверх или вниз по частоте.

Однако есть гораздо более мощный фактор, способствующий превращению FM в АМ, - это интерференция. Это очень редко, когда приемник находится в поле зрения радиостанции, в большинстве случаев линия визирования скрыта зданиями, холмами, деревьями и другими светоотражающими объектами. К антенне приемника поступает несколько радиосигналов, рассеянных этими предметами. Даже на линии визирования к антенне поступает несколько отраженных сигналов (и, конечно же, поступает и прямой сигнал). Общий сигнал зависит как от амплитуд, так и от фаз составляющих суммирования.

Два сигнала суммируются, если они находятся в фазе, т. е. разность их путей кратна целому числу длины волны, и два сигнала вычитаются, если они находятся в противоположной фазе, когда разность их путей одинаковое количество длин волн плюс половина длины волны. Но длина волны, как и частота, изменяется при FM! Разница Пучков и их относительный сдвиг фаз будут меняться. Если разница в способах велика, то даже небольшое изменение частоты приводит к значительным сдвигам в фазах. Элементарный геометрический расчет приводит к формуле: равна δf/ф0 = λ/4ΔC, или ΔC = ф0/λ/4Δf, где ΔC - разность путей , это необходимо для сдвига фаз ±Π/2, чтобы получить полную сумму АМ-сигнала, равна δf - девиация частоты. Полный АМ-это полное изменение амплитудного сигнала от суммы амплитуд двух сигналов к их разности. Формулу можно еще более упростить, если учесть, что произведение частоты на длину волны ф0λ равна скорости света c: ΔC = с/4Δf.

Теперь легко рассчитать, что для получения полного АМ ДВУХЛУЧЕВОГО FM сигнала, достаточная разница между путями лучей составляет около километра. Если разница путей меньше, то глубина АМ пропорционально уменьшается. Ну, но если разница в способах больше? Затем в течение одного периода модулирующего аудиосигнала общая амплитуда интерферирующего сигнала будет проходить несколько раз через максимумы и минимумы, а искажения будут очень сильными при преобразовании FM в AM, вплоть до полного нечеткого звука при получении FM с помощью am-детектора.

Помехи при приеме FM-вещания-крайне вредное явление. Он не только производит сопутствующий паразитический АМ сигнала, как это описано выше, но и производит паразитную фазовую модуляцию, что приводит к искажению, даже если мы получили хороший приемник FM. Поэтому так важно разместить антенну в нужном месте, где преобладает только один сигнал. Всегда лучше использовать направленную антенну, так как она увеличивает величину прямого сигнала и уменьшает отражения, поступающие из других направлений.

Только в этом случае при очень простом детекторном радиоприемнике интерференция играла полезную роль и позволяла слушать радиопередачу, но радиопередачу можно услышать слабо или со значительными искажениями, а радиопередачу можно услышать не везде, а только в определенных местах. Этим объясняются периодические изменения в объеме радиопередачи в Терлецком парке.


Инжир. 4.

Транзистор VT1 можно заменить любым германиевым транзистором с максимальной рабочей частотой Fт не ниже 400 МГц. Можно использовать и p-n-p транзистор, например, GT313A, в этом случае полярность индикатора PA1 и диода VD1 должна быть обратной. Диод может быть любого типа Германия, высокочастотный. В качестве индикатора ПА1 используется любой амперметр с диапазоном тока 50..150 mA можно использовать.

Настройте цепи резервуара на частоту радиостанции, отрегулируйте краны катушек и расстояние между катушками, чтобы получить лучший результат (Максимальный объем и лучшее качество приема). Полезно отрегулировать значение резистора R1 для максимального объема.

На балконе приемник с антенной, описанной выше, обеспечивал высокое качество приема двух станций с самым сильным сигналом от радиоцентра на расстоянии не менее 4 км и без прямой линии визирования (заслоненных зданиями). Ток коллектора транзистора был 30...50 ма.

Конечно, возможная конструкция VHF Crystal radios не ограничивается описанным выше. Наоборот, эту схему следует рассматривать только как первые эксперименты в этой интересной области. При использовании эффективной антенны, размещенной на крыше и ориентированной на радиостанцию, можно получить достаточную мощность сигнала даже на значительном расстоянии от станции. Это обеспечивает качественный прием в наушниках,а в некоторых случаях можно получить громкоговоритель приема. Можно улучшить эти приемники, используя более эффективную схему обнаружения и используя высококачественные резонансные баки, в частности, спиральные резонаторы в качестве резонансных цепей.

 

Из теории детектирования следует, что если на вход нелинейного элемента с вольт-амперной характеристикой, определяемой степенным многочленом

i = Iа. п + au + bu2

поступит амплитудно-модулированный сигнал

u = Umω (1 + m cos Ωt) cos ωt,

то на выходе нелинейного элемента появится низкочастотная составляющая анодного тока:

Таким образом, в состав тока на выходе нелинейного элемента входит постоянная составляющая, ряд высоких частотных составляющих тока с частотами ω, 2ω, ω ± Ω и т. д., составляющая тока модулирующей частоты Ω с амплитудой bU2 m и составляющая тока удвоенной модулирующей частоты с амплитудой в 4/m раз меньшей, чем амплитуда тока основной модулирующей частоты. Эта составляющая является причиной появления на выходе детектора нелинейных искажений, так как сигнала с частотой 212 не было в составе модулированного колебания. Он появился в процессе детектирования. Таким образом, детектирование представляет собой нелинейный процесс. Он может осуществляться лишь при наличии в схеме нелинейного элемента.

На рис. 204, а приведена блок-схема, поясняющая принцип детектирования. Если на выходе детектора включено сопротивление нагрузки Rн, зашунтированиое емкостью Сбл, то при выполнении условия

на сопротивлении Rн выделится лишь постоянное напряжение U, напряжение модулирующей частоты силительный каскад с сопротивлением нагрузки в виде активного сопротивления может выполнять функции детектора, если сопротивление нагрузки зашунтировать емкостью Сбл.UΩ и, кроме того, напряжение удвоенной модулирующей частоты U.

Усилительный каскад с сопротивлением нагрузки в виде активного сопротивления может выполнять функции детектора, если сопротивление нагрузки зашунтировать емкостью Сбл

Детектирование: а — блок-схема; б — схема диодного детектора; в — схема коллекторного детектора

Когда изменение тока детектора пропорционально квадрату амплитуды приложенного напряжения, детектор называют квадратичным. Когда детектор работает с отсечкой тока, но ток детектора изменяется пропорционально амплитуде входного сигнала, такой детектор называют линейным.

Квадратичное детектирование имеет место при уровне входных сигналов Uвх, не превышающих 0,3 в, а линейное детектирование — при Uвх > 0,5 в. Детектор должен обладать:

а) по возможности большим коэффициентом передачи напряжения. Этот коэффициент представляет собой отношение амплитуды модулирующей частоты на выходе детектора к произведению коэффициента модуляции m на амплитуду напряжения несущей частоты на входе детектора:

б) большим входным сопротивлением. Оно определяется отношением амплитуды напряжения несущей частоты на входе детектора к амплитуде тока первой гармоники высокой частоты во входной цепи детектора:

Чем больше входное сопротивление детектора, тем меньшее шунтирующее действие оказывает он на предыдущий каскад;

в) малым коэффициентом фильтрации высокочастотного напряжения. Этот коэффициент характеризует отношение остаточного напряжения высокой частоты на выходе детектора Uω вых к напряжению высокой частоты на входе детектора Uω вх :

г) допустимыми нелинейными и частотными искажениями:

где UΩ2, UΩ3 — амплитуды гармонических составляющих напряжения модулирующей частоты на выходе детектора, появившиеся в процессе детектирования; UΩ1 — амплитуда напряжения модулирующей частоты на выходе детектора.

Частотные искажения обычно оценивают частотной характеристикой, представляющей графически выраженную зависимость коэффициента передачи детектора Kд от частоты F модулирующего напряжения при U и m = const. В идеальном случае — это прямая, параллельная оси частот F.

Наиболее простой и вместе с тем широко применяемой на практике является схема диодного детектора (рис. 204, б ), В схеме использован полупроводниковый диод, однако в равной мере можно было использовать и вакуумный. На сопротивлении нагрузки Rн, состоящем из двух сопротивлений R1 и R2, образуется постоянное напряжение и напряжение звуковой частоты UΩ. Сс — разделительный конденсатор, Rс — сопротивление утечки первого каскада усилителя низкой частоты.

На рис приведена схема коллекторного детектора. При наличии на входе детектора модулированного сигнала высокочастотные составляющие коллекторного тока замыкаются через конденсатор Сбл. Ток звуковой частоты проходит по сопротивлению нагрузки Rн. Напряжение звуковой частоты через переходной конденсатор Сс поступает па вход УННЧ. Емкость конденсатора Сбл составляет сотые доли микрофарады, а емкость Сс — порядка десяти микрофарад; сопротивление нагрузки редко превышает 10 ком. Число витков катушки Lсв обычно в несколько раз меньше числа витков контурной катушки.

а рис, в приведена блок-схема приемника частотно-модулированных сигналов. Это тоже супергетеродин, но в отличие от приемников, предназначенных для приема амплитудно-модулированных сигналов, имеет еще один элемент — ограничитель. Наличие его вызвано необходимостью исключить у основного, частотно-модулированного сигнала дополнительную модуляцию по амплитуде из-за воздействия помех. Функции ограничителя выполняет обычно последний каскад УПЧ, а функции детектора частотно-модулированных колебаний — специальный частотный детектор.

Блок-схемы приемников: а — приемника прямого усиления; б — супергетеродина; в — приемника ЧМ колебании

 

Описание

 

К174ХА10 — многофункциональная микросхема для однокристального AM — ЧМ приемника (AM — ЧМ приемный тракт с демодулятором и усилителем низкой частоты). Предназначена для усиления сигналов ВЧ и преобразования сигналов AM, а также усиления ПЧ, демодуляции сигналов AM и ЧМ и усиления сигналов НЧ в составе супергетеродинного приемника 3-й группы сложности (ГОСТ 5651 — 82). Микросхема может применяться и в телевизорах в трактах промежуточной частоты звука и УНЧ, а также в приемопередающих радиостанциях. Использование УПЧ микросхемы в качестве микрофонного усилителя с АРУ в радиопередатчике обеспечивает оптимальный уровень модуляции независимо от уровня звукового сигнала.
Содержит 135 интегральных элементов. Корпус типа 238.16-2, масса не более 1,5 г.
В состав микросхемы входят: двойной балансный смеситель (2) для АМ-тракта с отдельным гетеродином (5); AM — ЧМ транзисторный демодулятор схемы АРУ (3); усилитель низкой частоты (6); усилитель высокой частоты (7); усилитель промежуточной частоты (1), работающий как усилитель с АРУ при приеме АМ-сигналов и как усилитель-ограничитель при приеме ЧМ-сигналов; стабилизатор (4).

Назначение выводов: 1 — вход 1-й УПЧ; 2 — вход 2-й УПЧ; 3, 11 — общий (-Uп); 4 — выход смесителя; 5 — вывод контура гетеродина; 6 — вход 1-й тракта AM; 7 — вход 2-й тракта AM; 8 — выход демодулятора; 9 — вход УНЧ; 10 — блокировка; 12 — выход УНЧ; 13 — напряжение питания (+Uп); 14 — вход демодулятора; 15 — выход УПЧ; 16 — блокировка АРУ/выход АПЧ.

В типовой схеме включения:
1. Добротность ненагруженных контуров Q ≥ 7 0.
2. Допускается полное включение контура L7C14.
3. Резонансные частоты контуров L8C10 и L10C1 подбираются из условия сопряженного перекрытия СВ- или ДВ-диапазонов.
4. Отвод делит число витков катушки индуктивности L1 на равные части.
5. Отношения числа витков других катушек индуктивностей:

6. Переменный резистор R9 предназначен для юстировки усиления АМ-приемника.

7. Для уменьшения коэффициента гармоник тракта AM допускается включение резистора сопротивлением 1,2 кОм между средней точкой катушки индуктивности L1 и общей соединения конденсаторов С2 и С3.
8. Сопротивление нагрузки необходимо выбирать с учетом значения выходного тока в цепи вывода 12 микросхемы в предельном режиме.
9. Отвод катушки индуктивности L7 обеспечивает коэффициент включения вывода 4 микросхемы в контур С14/7, равный 0,3.
10. Между выводами 6 и 7 микросхемы допускается включение резистора сопротивлением не более 5 кОм.
11. Дроссель L6 имеет индуктивность 20 мкГн.

Общие рекомендации по применению

Допускается использовать микросхему только в типовой схеме включения.
При проведении монтажных операций допускается не более трех перепаек выводов микросхемы.
Допустимое значение статического потенциала 200 В.

 














Электрические параметры

Параметры Условия К174ХА10 Ед. изм. Аналог — TDA1083 — Номинальное напряжение питания — 6±10% В

Напряжение низкой частоты на выходе детектора в режиме AM

при Uвх1 = 30 мкВ, fвх = 1 МГц, fм = 1 кГц, m = 30 %, Uп = 6 В 15…65

мВ

при Uвх1 = 30 мкВ, fвх = 1 МГц, fм = 1 кГц, m = 30 %, Uп = 3…10 В 40

Постоянное напряжение на выводах

8 0,7…2

В

12 2,3…3,7 16 0,8…2 Входное напряжение тракта AM в цепи вывода 6 при Uп = 3…10 В, коэффициенте гармоник тракта AM КгАМ = 10 %, m = 80% 150 мВ Напряжение НЧ на выходе детектора в режиме ЧМ при Uп = 3…10 В, Uвх2 = 1 мВ, fвх = 10,7 МГц, fм = 1 кГц, Δf = ±50 кГц 200 мВ Ток потребления в режиме AM при Uп = 6,6 В 7…16 мА Коэффициент усиления напряжения УНЧ при Uп = 6 В, Rн = 8 Ом ≥37 дБ Отношение сигнал-шум в режиме AM — ≥20 дБ Отношение сигнал-шум УНЧ при Pвых = 0,3 Вт, Rr = 0 55 дБ

Граничная частота УНЧ

нижняя 100 Гц верхняя 25 кГц

Граничная частота входного сигнала тракта AM (по уровню- 6 дБ)

нижняя 100 кГц верхняя ≥12,5

МГц

при использовании внешнего гетеродина ≥30

Входное сопротивление

УНЧ 100

кОм

УВЧ (по выводу 6) 3

Выходная мощность

при Rн = 8 Ом, Кгн.ч = 10 %, Uп= 4,5 В ≥150

мВт

при Rн = 8 Ом, Кгн.ч = 10 %, Uп= 9 В ≥700

Коэффициент гармоник

при Uп = 6 В, Uвх2 = 1 мВ, Pвых= 150 мВт сквозного тракта AM при m = 80 % 2,5

%

при Uп = 6 В, Uвх2 = 1 мВ, Pвых= 150 мВт сквозного тракта ЧМ при fм = 1 кГц, Δf = ±50 кГц 2,5 Коэффициент подавления сигнала AM, измеренного поочередно при Δf = ±50 кГц и m2 = 30 % 40 дБ

 

 

Дифференциально-фазовая манипуляция

В случае этой модуляции, фаза меняется не при каждом изменении значения модулирующего импульса, а при изменении разности. В данном примере при приходе каждой «1».

 

Преимущество этого вида модуляции в том, что в случае возникновения случайной ошибки в одном символе, это не влечет дальнейшую цепочку ошибок.

Стоит отметить, что существуют также фазовые манипуляции такие как квадратурная, где используется изменение фазы в пределах 90 градусов и ФМ более высоких порядков.

Цифровая модуляция и ее типы.

 

В цифровой модуляции аналоговый несущий сигнал модулируется цифровым битовым потоком.

Существуют три фундаментальных типа цифровой модуляции (или шифтинга) и один гибридный:

ASK – Amplitude shift keying (Амплитудная двоичная модуляция).

FSK – Frequency shift keying (Частотая двоичная модуляция).

PSK – Phase shift keying (Фазовая двоичная модуляция).

ASK/PSK.

 

Упомяну, что существует традиция в русской терминологии радиосвязи использовать для модуляции цифровым сигналом термин «манипуляция».

 

В случае амплитудного кодирования амплитуда сигнала для логического нуля может быть (например) в два раза меньше логической и единицы.

Частотная модуляция похожим образом представляет логическую единицу интервалом с большей частотой, чем ноль.

Фазовый кодирования представляет «0» как сигнал без сдвига, а «1» как сигнал со сдвигом.

Да, тут мы как раз имеем дело со «сдвигом по фазе» :)

Каждая из схем имеет свои сильные и слабые стороны.

ASK хороша с точки зрения эффективности использования полосы частот, но подвержена искажениям при наличии шума и недостаточно эффективна с точки зрения потребляемой мощности.

FSK – с точностью до наоборот, энергетически эффективна, но не эффективно использует полосу частот.

PSK – хороша в обоих аспектах.

ASK/PSK – комбинация двух схем. Она позволяет еще лучше использовать полосу частот.

 

Самая простая PSK схема (показанная на рисунке) имеет собственное название — Binary phase-shift keying. Используется единственный сдвиг фазы между «0» и «1» — 180 градусов, половина периода.

Существуют также QPSK и 8-PSK:

QPSK использует 4 различных сдвига фазы (по четверти периода) и может кодировать 2 бита в символе (01, 11, 00, 10). 8-PSK использует 8 разных сдвигов фаз и может кодировать 3 бита в символе.

Подробнее тут

Одна из частных реализаций схемы ASK/PSK которая называется QAM — Quadrature Amplitude Modulation (квадратурная амплитудная модуляция (КАМ). Это метод объединения двух AM-сигналов в одном канале. Он позволяет удвоить эффективную пропускную способность. В QAM используется две несущих с одинаковой частотой, но с разницей в фазе на четверть периода (отсюда и возникает слово квадратура). Более высокие уровни QAM строятся по тому же принципы, что и PSK. Если вас интересуют детали, вы без труда можете их найти в сети.

Теоретическая эффективность использования полосы пропускания:

Формат          Эффективность (бит/с/Гц)

BPSK           1

QPSK          2

8-PSK           3

16-QAM         4

32-QAM         5

64-QAM         6

256-QAM       8

Чем сложнее схема модуляции, тем более пагубное воздействие на нее оказывают искажения при передаче, и тем меньше расстояние от базовой станции, на котором сигнал может быть успешно принят.

Теоретически возможны PSK и QAM схемы еще более высокого уровня, но на практике при их использовании возникает слишком большое количество ошибок.

Линейность усилителя

Одной из основных проблем в разработке радиочастотных усилителей мощности является линейность (более конкретно, трудно добиться и высокой эффективности, и высокой линейности одновременно). Линейный усилитель применяет к входному сигналу определенный фиксированный коэффициент усиления; графически это выглядит так: передаточная функция линейного усилителя представляет собой просто прямую линию с наклоном, соответствующим коэффициенту усиления.

 

Прямая линия представляет собой отклик идеального линейного усилителя: выходное напряжение всегда равно входному напряжению, умноженному на фиксированный коэффициент усиления

Прямая линия представляет собой отклик идеального линейного усилителя: выходное напряжение всегда равно входному напряжению, умноженному на фиксированный коэффициент усиления

У реальных усилителей всегда есть некоторая степень нелинейности, что означает, что на усиление, применяемое к входному сигналу, влияют характеристики входного сигнала. Результатом нелинейного усиления являются искажения, т.е. создание энергии на частотах гармоник.

 

Можно также сказать, что нелинейное усиление является формой амплитудной модуляции. Если коэффициент усиления усилителя изменяется в зависимости от частоты входного сигнала или в соответствии с внешними факторами, такими как температура или состояние источника питания, передаваемый сигнал будет испытывать непреднамеренную (и нежелательную) амплитудную модуляцию. Это является проблемой в AM системах, поскольку паразитная амплитудная модуляция мешает преднамеренной амплитудной модуляции.

Любая схема модуляции, которая включает в себя изменения амплитуды, более восприимчива к влиянию нелинейности. Это включает в себя как обычную аналоговую амплитудную модуляцию, так и широко используемые цифровые схемы, известные в совокупности как квадратурная амплитудная модуляция (QAM).

 

Угловая модуляция

Частотная и фазовая модуляции кодируют информацию во временны́х характеристиках передаваемого сигнала и, следовательно, устойчивы к амплитудному шуму и нелинейности усилителя. Частота сигнала не может быть изменена шумом или искажением. Могут быть добавлены дополнительные частотные составляющие, но исходная частота всё равно будет присутствовать. Разумеется, шум оказывает негативное влияние на FM и PM системы, но шум напрямую не искажает характеристики сигнала, которые использовались для кодирования низкочастотных данных.

 

Как упоминалось выше, разработка усилителя мощности включает в себя компромисс между эффективностью и линейностью. Угловая модуляция совместима с низколинейными усилителями, и эти низколинейные усилители более эффективны с точки зрения энергопотребления. Таким образом, угловая модуляция является хорошим выбором для маломощных радиочастотных систем.

 

Ширина полосы частот

Эффекты в частотной области от амплитудной модуляции более просты, чем от частотной и фазовой модуляций. Это можно считать преимуществом AM: важно иметь возможность прогнозировать ширину полосы частот, занимаемую модулированным сигналом.

 

Однако сложность прогнозирования спектральных характеристик FM и PM актуальна больше для теоретической части проектирования. Если мы сосредоточимся на практических соображениях, угловая модуляция может считаться выгодной, поскольку она может преобразовывать заданную ширину полосы частот низкочастотного сигнала в несколько меньшую (по сравнению с AM) ширину полосы частот передаваемого сигнала.

 

Частота против фазы

Частотная и фазовая модуляции тесно связаны; тем не менее, есть ситуации, когда одна из них лучше другой. Различия между ними более выражены при цифровой модуляции.

Аналоговые частотная и фазовая модуляции

 когда низкочастотный модулирующий сигнал является синусоидой, PM сигнал представляет собой просто сдвинутую версию соответствующего FM сигнала. Поэтому неудивительно, что ни у FM, ни у PM нет никаких серьезных плюсов или минусов, связанных со спектральными характеристиками или восприимчивостью к помехам.

Однако аналоговая частотная модуляция гораздо более распространена, чем аналоговая фазовая модуляция, и причина в том, что схемотехника FM модуляции и демодуляции более проста. Например, частотная модуляция может быть реализована чем-то простым, таким как генератор, построенный с использованием катушки индуктивности и конденсатора, управляемого напряжением (т.е. конденсатора, который изменяет свою емкость в зависимости от напряжения низкочастотного модулирующего сигнала).

Дата: 2019-02-02, просмотров: 465.