Модуль 16

Уральский Государственный Технический
Университет – УПИ
Радиотехнический Институт - РТФ
Кафедра ВЧСРТ
УГФС
Устройства генерирования и
формирования сигналов
ПЕРЕДАТЧИКИ С АМПЛИТУДНОЙ
МОДУЛЯЦИЕЙ
Лекторы
Харитонов Феликс Васильевич
Булатов Лев Иосифович
Авторы Булатов Л.И.
Гусев Б.В.
Лагунов Е.В.
УГФС
Студент должен знать: Общие
характеристики амплитудной
модуляции и передатчиков с АМ.
Методы осуществления амплитудной
модуляции.
 Уметь: рассчитывать режимы
каскадов с АМ, владеть навыками
составления принципиальных схем
генераторов, модулируемых по
амплитуде.

УГФС
Темы лекций
Общие характеристики сигналов с
амплитудной модулей
 Способы реализации АМ
 Модуляция смещением
 Анодная (коллекторная) модуляция

УГФС
При амплитудной модуляции в
соответствии с информационным
сигналом изменяется амплитуда
высокочастотного (несущего) колебания.
 Анализ основных характеристик
сигналов с амплитудной модуляцией
осуществляется из предположения, что
передатчик модулируется
низкочастотным гармоническим
напряжением с частотой Ω, то есть
uΩ = UΩсosΩt

УГФС
Ток в антенне при амплитудной
модуляции
УГФС

Огибающая высокочастотного колебания
повторяет форму модулирующего
сигнала. При отсутствии модуляции (в
режиме молчания) амплитуда тока в
антенне постоянна и равна IA МОЛ. При
модуляции амплитуда этого тока
меняется от IA МАКС до IA МИН с
отклонением от среднего значения ΔIA c
частотой Ω
УГФС
Амплитуда тока меняется так:
IA(t) = IA МОЛ + ΔIAcosΩt,
а мгновенное значение антенного тока –
iА(t) = IA МОЛ(1 + m cosΩt)cosω0t,
где m – коэффициент модуляции
m = ΔIA/IA МОЛ, ω0 – несущая частота
 Коэффициент модуляции не должен
быть больше единицы, иначе передача
информации будет сопровождаться
нелинейными искажениями

УГФС

Ток в антенне iA пропорционален току
первой гармоники выходного тока
активного прибора, так как между
генераторным прибором и антенной
включено согласующее устройство на
линейных элементах. В ламповом
генераторе при АМ ток Ia1 изменяется во
времени так:
Ia1 = Ia1МОЛ(1 + mcosΩt) cosω0t =
= Ia1МОЛ cosω0t + 0,5mIa1МОЛ cos (ω0 +Ω)t +
+0,5mIa1МОЛ cos (ω0 – Ω)t
УГФС

АМ колебание представляет собой сумму
трех гармонических колебаний –
колебания несущей частоты ω0 и двух
боковых с частотами ω0+Ω и ω0–Ω с
амплитудами 0,5mIа1 МОЛ. Информация о
передаваемом сигнале содержится в
колебаниях боковых частот, причем
каждая из них содержит о нем полную
информацию
УГФС
Спектр и векторная диаграмма АМ
колебания
УГФС
Максимальное и минимальное значения
амплитуды тока равны соответственно:
Ia1 МАКС= Ia1 МОЛ (1+m)
Ia1 МИН = Ia1 МОЛ (1– m)
 Мощность в нагрузке передатчика при
отсутствии модуляции равна:

1 2
P1 МОЛ  I а1 МОЛ Ra
2
УГФС

В режиме, когда ток первой гармоники
принимает максимальное значение
(максимальный или пиковый режим
модулируемого генератора), мощность в
нагрузке становится равной
1 2
P1МАКС  I a1МАКСRa  P1МОЛ (1  m) 2
2
УГФС

При модуляции амплитуда тока первой
гармоники изменяется, при этом
меняется и колебательная мощность в
нагрузке генератора
1
2 2
P1 МОД (t )  (1  m cos t ) I a1 МОЛ Ra 
2
2
 P1 МОЛ (1  m cos t )
УГФС
Средняя мощность в нагрузке
генератора за период низкой частоты
2
2
1
m
2
P1МОД 
P
(
1

m
cos

t
)
dt  P1МОЛ (1  )
1МОЛ

2 0
2
 Соотношение позволяет определить
мощность, которая приходится на
боковые полосы – Р1 БОК

2
P1БОК
m

P1МОЛ
2
УГФС

Для увеличения дальности радиосвязи
нужно увеличивать мощность боковых
полос. Для этого следует работать при
максимально возможных коэффициентах
модуляции. При передаче речевых
сигналов средний коэффициент
модуляции около 0,3, а его пиковые
значения наблюдаются относительно
редко. Тем не менее приходится
рассчитывать каскад на мощность
Р1МАКС. При АМ неэффективно
используются генераторные приборы по
мощности.
УГФС

При среднем коэффициенте модуляции
0,3 мощность боковых частот (полос)
мала и их доля в общей излучаемой
передатчиком мощности составляет
всего 4,5 %. Это самый серьезный
недостаток амплитудной модуляции
УГФС

Существуют многочисленные методы
получения АМ. Как правило, управление
амплитудой колебаний на выходе ГВВ
осуществляют изменением напряжения
на одном из электродов генераторного
прибора.
УГФС

Качество модуляции, то есть глубину и
уровень нелинейных искажений,
оценивают с помощью статических
модуляционных характеристик –
зависимостей амплитуды тока первой
гармоники или амплитуды напряжения
на нагрузке генератора от того
напряжения, которое изменяется при
модуляции. Линейная статическая
модуляционная характеристика (СМХ)
обеспечивает малый уровень
нелинейных искажений при передаче
УГФС

Ламповые генераторы модулируются
изменением напряжения смещения
(сеточная модуляция), изменением
напряжения анодного питания (анодная
модуляция). При модуляции смещением
под статическими модуляционными
характеристиками понимается
зависимости Ia1, Ua (Ес), при анодной
модуляции – это зависимости Ia1, Ua (Ea).
В транзисторных ГВВ используется
коллекторная модуляция, поэтому СМХ это зависимости IK1, UK (EK).
УГФС

Кроме СМХ качество модуляции
оценивается динамической
характеристикой – зависимостью
коэффициента модуляции m от
амплитуды модулирующего напряжения
– m(UΩ), а также амплитудно-частотной
характеристикой – m(Ω)
УГФС
Структурная схема передатчика с
амплитудной модуляцией
УГФС
Модуляция смещением

При модуляции смещением
модулирующее низкочастотное
напряжение UΩ подают в цепь базы
транзистора последовательно с
напряжением смещения ЕБ. При
модуляции напряжение на базе - это
сумма трех напряжений, которые
управляют коллекторным током:
eБ(t) = ЕБ МОЛ + UБcosωt + UΩcosΩt
УГФС
Схема генератора, модулируемого
смещением
УГФС
Временные диаграммы напряжений
в цепи базы и тока коллектора
УГФС

При изменении смещения изменяются
как величина импульса коллекторного
тока, так и угол отсечки. Для оценки
линейности модуляции необходимо
построить СМХ генератора, то есть
зависимость первой гармоники
коллекторного тока IК1 от напряжения
смещения ЕБ при постоянной величине
напряжения возбуждения UБ.
УГФС
Форма статической модуляционной
характеристики может быть объяснена с
помощью системы двух соотношений,
полученных при анализе работы ГВВ:
I К1  SU Б γ1 θ;
EБ  EБ  U Б cos θ
 Величины S, UБ, EБ в этих уравнениях
постоянны, следовательно
IK1 пропорционален γ1(θ),
а ЕБ пропорционально – cosθ.

УГФС

В свою очередь, как следует из рисунка, в
диапазоне значений cosθ от –1/2 до +1/2
(соответственно для углов осечки тока
коллектора θ = 60° – 120°) коэффициент
γ1(θ) связан практически линейной
зависимостью с (– cosθ).
УГФС

Можно сделать вывод, что если угол
отсечки коллекторного тока за счет
смещения меняется в пределах от 60° до
120, то зависимость IK1 от ЕБ
(статическая модуляционная
характеристика) будет линейной и
амплитудная модуляция не будет
сопровождаться нелинейными
искажениями.
УГФС
Статическая модуляционная
характеристика транзисторного
генератора
УГФС

Статическая модуляционная
характеристика начинается при
напряжении смещения EБ  ЕБ  U Б
и ее линейный участок соответствует
недонапряженному режиму ГВВ. С
переходом в перенапряженный режим
СМХ становится нелинейной.
Следовательно, при модуляции
смещением генератор должен работать в
недонапряженном режиме и только при
максимальной мощности напряженность
режима может быть граничной
УГФС
Смещение, соответствующее режиму
молчания ЕБ МОЛ , выбирают на середине
линейного участка СМХ. Это позволяет
получить глубину модуляции с малым
уровнем искажений (70-75)% при
изменении угла отсечки 60 - 120.
 Правой границе линейного участка СМХ
соответствуют максимальные значения
тока IК1 МАКС=(1+m) IК1 МОЛ, напряжения на
коллекторе UК МАКС =(1+m) UК МОЛ, и
мощности Р1 МАКС=(1+m)2Р1 МОЛ.

УГФС

Режим транзистора выбирают таким
образом, чтобы максимизировать
значение КПД. Для этого на правой
границе линейного участка СМХ режим
ГВВ выбирают граничным и угол отсечки
уменьшают до  = 110
ηМАКС  0,5ξ МАКС g1 (θ МАКС )  0,5ξ ГР g1 (110o )  0,7ξ ГР

КПД даже в максимальной точке
оказывается невысоким, так при
ξ ГР  0,9 ηМАКС  0,63
УГФС

В режиме молчания ξ МОЛ  ξ МАКС /(1  m)
θ МОЛ  85  87


ηМОЛ  0,35  0,38
В точке минимума КПД вообще не
рассматривают (близок к нулю). Если
учесть, что среднестатистическая
глубина модуляции не превышает 0,3,
КПД генератора при модуляции
смещением
ηМОД  ηМОЛ 1  m2 2  0,36  0,40
Это основной недостаток модуляции
смещением
УГФС
Порядок расчета ГВВ при
модуляции смещением

Задаются: мощность в режиме молчания
Р1МОЛ, рабочая частота f и коэффициент
модуляции m = 0,6 – 0,7. Расчетная
методика, приведенная ниже, не
учитывает инерционности транзистора ,
поэтому частота единичного усиления
транзистора fT должна быть много выше
рабочей частоты, а номинальная
мощность транзистора выбирается из
условия Р1НОМ  Р1МАКС
УГФС
По справочникам находится SГР (или rНАС)
и еК МАКС для выбранного транзистора.
Напряжение коллекторного питания
выбирается так:
ЕК < еМАКС/2
 1. Выполняется расчет ГВВ в пиковой
точке

ξ МАКС  ξ ГР
8Р1МАКС
 0,5  0,5 1 
,
2
S ГР α1 (θ МАКС ) ЕК
здесь Р1МАКС  Р1МОЛ (1  m) , θ МАКС  110  120
2

УГФС
Далее по обычной методике
определяются UК МАКС, IК1 МАКС, IК0 МАКС,
RКЭ, ЕБ МАКС, UБ, IБ0 МАКС.
 2. Затем производится расчет режима
молчания.
В силу линейности СМХ
IК1 МОЛ = IК1 МАКС /(1+m),
но I К1 МОЛ  SU Б γ1 (θ МОЛ )
откуда γ1 (θ МОЛ ) 
I К1МАКС
(1  m) SU Б
УГФС

Из таблицы определяем θ МОЛ ; cosθ МОЛ ; g1 (θ МОЛ )
и рассчитываем
ЕБ МОЛ  U Б cosθ МОЛ  ЕБ ;
U   ЕБ МАКС  ЕМОЛ ;
I К0 МОЛ  I К1 МОЛ / g1 (θ МОЛ );
Р0 МОЛ  ЕК I К0 МОЛ

В режиме модуляции
РS МОД  Р0 МОД  Р1МОД
 m2 
,
 Р0 МОЛ  Р1МОЛ 1 
2 

то есть самым тяжелым для активного
прибора является режим молчания
УГФС
Основные недостатки модуляции
смещением
1. Низкий КПД в режиме молчания – не
более 0,3 – 0,35.
 2. Нелинейности верхнего и нижнего
участков модуляционной характеристики
не дают возможности получить
коэффициент модуляции близкий к
единице, что приводит к снижению
мощности боковых полос.

УГФС
Список литературы



Радиопередающие устройства: Учебник для вузов/
В.В. Шахгильдян, В.Б.Козырев, А.А.Ляховкин и др.;
Под ред. В.В.Шахгильдяна.- 3-е изд.,перераб.и доп.
– М.: Радио и связь, 1996.- 560 с.
Радиопередающие устройства:Учебник для
вузов/.В.В. Шахгильдян, В.Б.Козырев, А.А.Ляховкин
и др.; Под ред. В.В.Шахгильдяна.- 4-е
изд.,перераб.и доп. – М.: Радио и связь, 2003.
Устройства генерирования и формирования
радиосигналов: Учебник для вузов /
Л.А.Белов,В.М.Богачев, М.В. Благовещенский и др.;
Под ред. Г.М. Уткина , В.Н. Кулешова, М.В.
Благовещенского. – 2-е изд., перераб. и доп.- М.:
Радио и связь, 1994. – 416 с.