Модуль 18

Уральский Государственный Технический
Университет – УПИ
Радиотехнический Институт - РТФ
Кафедра ВЧСРТ
УГФС
Устройства генерирования и
формирования сигналов
ОДНОПОЛОСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ
Лекторы
Харитонов Феликс Васильевич
Булатов Лев Иосифович
Авторы Булатов Л.И.
Гусев Б.В.
Лагунов Е.В.
УГФС
Студент должен знать: достоинства
однополосной модуляции, методы
формирования однополосных
сигналов, структуры передатчиков с
ОМ и особенности усиления
однополосных сигналов.
 Уметь: выбрать структуру
передатчика по заданным
параметрам, выбирать и
рассчитывать режимы усилителей
мощности.

УГФС
Темы лекций

Элементы формирователей
однополосного сигнала
– Балансные модуляторы
– Полосовые фильтры основной селекции
Структурные схемы однополосных
передатчиков
 Особенности усиления сигналов ОБП
 Способы повышения КПД усилителей
ОБП

УГФС

При передаче информации с помощью
радиосигналов, модулированных по
амплитуде, мощность на выходе
передатчика используется
нерационально. Основная доля
излучаемой мощности приходится на
несущее колебание. Мощность боковых
полос составляет всего несколько
процентов от общей мощности
передатчика (4,5 % при коэффициенте
модуляции m = 0,3).
УГФС
Кроме того, радиосигнал с амплитудной
модуляцией содержит избыточную
информацию, так как обе боковые
полосы содержат одинаковую
информацию о передаваемом сигнале.
 В диапазоне коротких волн для передачи
сообщений широко используется
однополосная модуляция (ОМ),
свободная от перечисленных выше
недостатков.

УГФС
Структурная схема формирователя
однополосного сигнала
УГФС

В балансном модуляторе колебания с
высокой частотой f0 модулируются по
амплитуде информационным
низкочастотным сигналом с частотой F
(или полосой частот от FМИН до FМАКС). В
балансном модуляторе подавляется
несущая частота f0 и на его выходе
присутствуют только сигналы боковых
полос – верхняя с частотой f0 + ΣFi и
нижняя с частотой f0 – ΣFi. Под ΣF
понимается суммарный спектр
модулирующего колебания
УГФС

Далее двухполосный сигнал с частотами
f0  ΣFi пропускается через фильтр,
полоса пропускания которого совпадает
с одной из боковых – верхней или
нижней. На выходе устройства,
структурная схема которого была
изображена выше, формируется верхняя
боковая полоса
УГФС
Процесс формирования ОМ
УГФС
Достоинства однополосного сигнала
уменьшается полоса частот, которую
занимает передатчик ОМ. Появляется
возможность увеличить число каналов
связи в заданном диапазоне частот без
взаимных помех,
 за счет подавления несущего колебания
можно увеличить мощность боковой
полосы без увеличения максимальной
мощности радиопередатчика,

УГФС
Достоинства однополосного сигнала

уменьшаются взаимные помехи
соседним каналам связи, так как
однополосный передатчик излучает
только во время передачи информации.
Для сравнения – передатчик с
амплитудной модуляцией излучает
несущее колебание и в режиме
молчания, и в режиме модуляции,
УГФС
Достоинства однополосного сигнала

сужение спектра излучаемого
передатчиком сигнала позволяет вдвое
уменьшить полосу пропускания
радиоприемника, уменьшить мощность
внешних и внутренних шумов в полосе
пропускания радиоприемного
устройства, тем самым увеличить
соотношение сигнал/шум на его выходе,
УГФС
Достоинства однополосного сигнала

снижаются искажения принимаемого
сигнала за счет избирательного
«замирания». Эти искажения
проявляются в диапазоне коротких волн
при приеме сигналов, пришедших в
точку приема по различным трассам
УГФС

Рассмотрим вопрос, связанный с
выигрышем по мощности в
радиопередатчике. Анализ выполним,
основываясь на том, что пиковая
мощность на выходе передатчика при
всех изменениях структуры сигнала
одинакова. Этой мощности в антенне
соответствует ток в антенне IA МАКС
УГФС

Для сигнала с
амплитудной
модуляцией
мощность боковых
частот равна
PA БОК
2
m

2
PA МОЛ
УГФС

Если подавить несущую,
то при той же пиковой
мощности амплитуда
боковых частот
двухполосного сигнала
становится равной
IA МОЛ(1 + m)/2, и
мощность РА БОК ДП
существенно
увеличивается
(1  m) PА МОЛ
2
PA БОК ДП 
2
УГФС
Выигрыш по мощности n
с переходом с
амплитудной на
двухполосную
модуляцию получается
равным
2
(1  m)
n
2
m
 При m = 1 выигрыш равен
4, а при меньших
значениях коэффициента
модуляции он получается
еще больше

УГФС

Переход с двухполосной
на однополосную
модуляцию не приводит к
увеличению
эффективности
радиолинии «передатчик
– приемник», потому что
амплитуда сигнала на
выходе детектора
приемника при приеме
двухполосного и
однополосного сигнала
получается одинаковой
УГФС

Однако двухполосная модуляция в
радиосвязи не применяется из-за
широкого спектра сигнала, а так же
потому, что в радиоприемнике для
нормальной работы детектора требуется
восстановить подавленную в
передатчике несущую с точностью до
фазы. Для детектирования
однополосного сигнала достаточно
восстановить несущую с точностью до
частоты, что технически значительно
проще
УГФС

Сужение полосы приемника в два раза
для приема ОМ эквивалентно
увеличению мощности передатчика
вдвое. Отсутствие эффекта
«избирательного замирания»
радиосигнала также дает такой же
эффект. Общий выигрыш по мощности
при переходе от АМ к однополосной
модуляции получается равным 16, но
только при наличии «избирательных
замираний». Обычный выигрыш по
мощности: n = 6 – 8
УГФС
Балансные модуляторы

Однополосный сигнал формируется
из АМ колебания, только в качестве
модуляторов используются
балансные модуляторы (БМ),
позволяющие подавить несущую на
(30 – 40) дБ. На выходе балансных
модуляторов остаются только
боковые частоты, расстройка между
которыми равна удвоенной нижней
модулирующей частоте
УГФС
Вариант схемы балансного
модулятора
УГФС

На вход балансного модулятора через
трансформатор Т1 подается
модулирующее напряжение низкой
частоты, а через Т2 – напряжение с
высокой частотой ω, на которой
формируется однополосный сигнал. На
диодах VD1 и VD2 действуют
высокочастотное напряжение Uωcosωt и
противофазные низкочастотные
напряжения – UΩcosΩt, UΩcos(Ωt +180°).
УГФС

Токи основной частоты, протекающие
через диоды, модулируются по
амплитуде и изменяются во времени так:
iVD1  I1МОЛ (1  m cos t ) cos t 
m
m


 I1МОЛ cos t  cos(  )t  cos(  )t 
2
2


iVD 2  I1МОЛ (1  m cos t ) cos t 
m
m


 I1МОЛ cos t  cos(  )t  cos(  )t 
2
2


УГФС

Напряжение на нагрузке RH
пропорционально разности токов
диодов, поэтому при полной симметрии
схемы несущая частота на выходе
балансного модулятора отсутствует.
Балансные модуляторы выполняются с
применением в качестве нелинейных
элементов полупроводниковых диодов,
транзисторов, микросхем
УГФС

Качество однополосного сигнала во
многом зависит от характеристик
полосового фильтра основной селекции,
то есть от фильтра, который выделяет
рабочую боковую полосу и подавляет
нежелательную. Кроме того, этот фильтр
подавляет остатки несущей, которые
всегда есть на выходе БМ из-за
асимметрии его плеч
УГФС
Основные характеристики фильтров
основной селекции
полоса пропускания фильтра,
 крутизна скатов амплитудно-частотной
характеристики,
 неравномерность АЧХ в полосе
пропускания,
 ослабление сигнала в полосе
прозрачности и за ее пределами

УГФС

Особенно жесткие требования
предъявляются к крутизне скатов АЧХ
фильтра. Абсолютная расстройка между
боковыми полосами в связных
телефонных передатчика всего около
600 Гц. Подавление нежелательной
боковой полосы должно быть не менее
60 дБ. Следовательно, крутизна скатов
АЧХ должна быть не менее 0,1 дБ/Гц.
Такой крутизной обладают только
кварцевые и электромеханические
фильтры.
УГФС
Однополосный сигнал в России с
помощью электромеханических
фильтров формируется на сравнительно
низкой частоте – 215 или 500 кГц.
Используя кварцевые фильтры, можно
получить качественный однополосный
сигнал на частотах до 10 МГц.
 Полоса прозрачности фильтра должна
соответствовать ширине спектра
передаваемого сигнала (для речевых
сигналов – 2,7 ÷ 3,0 кГц).

УГФС

Однополосный сигнал формируется на
фиксированной частоте f0, которая
зависит от типа применяемого фильтра
основной селекции. Если для
формирования ОМ используется
электромеханический фильтр, то
частота f0 не превышает 500 кГц. При
использовании кварцевых фильтров
частота формирования однополосного
сигнала лежит в диапазоне 8 – 10 МГц.
УГФС

Связной радиопередатчик должен
работать в диапазоне коротких волн и
иметь возможность перестраиваться по
частоте в заданном диапазоне. Перенос
спектра сформированного
однополосного сигнала в рабочий
диапазон частот осуществляется с
помощью повторной балансной
модуляции и фильтрации нужного
продукта преобразования
УГФС
Структурная схема однополосного
передатчика с одним
преобразованием частоты
УГФС

Однополосный сигнал, сформированный
на частоте f0, поступает на один из
входов балансного модулятора (БМ). На
второй вход подается высокочастотный
сигнал с частотой f1. Источником этого
сигнала может служить синтезатор сетки
дискретных частот или перестраиваемый
по частоте автогенератор. Частота f1
может меняться в диапазоне
f1 МИН ÷ f1 МАКС. Сигнал на выходе
балансного модулятора – это
бесконечное множество комбинационных
частот, величина которых mf1  nf 0
УГФС

Полосовой фильтр на выходе БМ
выделяет одну из комбинационных
частот первого порядка – f1 + f0 или f1 - f0.
Частота f1 выбирается так, чтобы
комбинационная частота попала в
диапазон рабочих частот передатчика,
но величина ее может превышать
частоту f0 не более, чем в 6 – 8 раз.
УГФС

В противном случае уменьшается
относительная расстройка между
продуктами преобразования частоты в
балансном модуляторе, и
нежелательные комбинационные
частоты не могут быть в достаточной
степени подавлены диапазонным
полосовым фильтром (ПФ). Полосовой
фильтр и генератор частоты f1 должны
иметь общий орган перестройки по
частоте.
УГФС

В случае использования
электромеханического фильтра
однополосный сигнал формируется на
частоте 500 кГц. При использовании
одной ступени преобразования частоты
максимальная частота передатчика
может быть не более 3 ÷ 4 МГц. Для
переноса однополосного колебания в
диапазон более высоких частот
применяют еще одно – два
дополнительных преобразования
частоты.
УГФС

Если осуществлять постепенный
перенос спектра ОБП снизу вверх, то
появляется опасность попадания на вход
усилителя передатчика одной из
многочисленных комбинационных частот
высших порядков.
УГФС

Вероятность появления на выходе
передатчика побочных колебаний
снижается, если структура
однополосного передатчика будет такой
УГФС
Спектральная диаграмма
преобразования частоты сигнала
УГФС

Сигнал ОБП - это перенесенный в
высокочастотную область речевой или
музыкальный сигнал. Представить
временной график такого сигнала
затруднительно. Обычно для
моделирования используют двухтоновый
сигнал, который передает основные
характеристики сигнала ОБП амплитудную и фазовую модуляцию.
УГФС
Спектральная и временная
диаграммы двухтонового сигнала

Амплитуда
изменяется от
нуля до
максимума, а
фаза
претерпевает
скачок на 180
через каждые
полпериода
УГФС

Однополосный сигнал формируется на
малом уровне мощности. Далее
производится усиление до заданного
уровня мощности на выходе
передатчика. Усиление однополосного
сигнала должно осуществляться с
минимальными искажениями. В
противном случае кроме появления
искажений в принятом сигнале спектр
передатчика многократно расширяется,
появляются помехи соседним каналам
связи
УГФС

Для неискаженного усиления ОБП
сигнала можно использовать режим
класса «А» - без отсечки выходного тока
усилителя мощности. Конечно, КПД
такого усилителя будет чрезвычайно
низким. В маломощных промежуточных
усилителях такой режим вполне
допустим, так как они не определяют
общего КПД передатчика. В усилителях
большой мощности следует
использовать режим с отсечкой анодного
или коллекторного тока.
УГФС

Угол отсечки выбирается равным 90°.
Только при таком выборе амплитуда
напряжения на выходе усилителя будет
пропорциональна амплитуде входного
напряжения. Кроме того, в этих
усилителях необходимо использовать
специально созданные транзисторы и
лампы с линейными проходными
характеристиками. Обязательное
условие для линейного усиления –
недонапряженный режим ГВВ
УГФС

Амплитудная характеристика усилителя
при этом линейна вплоть до граничного
режима
УГФС
В перенапряженном режиме линейность
нарушается. Обычно выбирают пиковый
режим усилителя слегка
недонапряженным, близким к
граничному. Максимальное значение
КПД при усилении ОБП определяется
соотношением ηе МАКС  0,5ξ МАКС g1 (θ)
 В динамическом режиме, так же как и
при модуляции смещением, среднее
значение КПД генератора не превышает
0,3-0,35. Это основной недостаток ОМ

УГФС

В настоящее время используют ряд
методов повышения КПД усилителей
однополосных сигналов. Чаще других
применяется сжатие динамического
диапазона сигнала на низкой или
высокой частоте и следящее питание
усилителя мощности.
УГФС
Сжатие динамического диапазона
(клипирование)

На высокой частоте это ограничение
амплитуды после ЭМФ, затем повторная
фильтрация вторым ЭМФ, чтобы не
расширить спектр излучаемого сигнала.
При этом увеличивается
среднестатистическое значение глубины
модуляции и возрастает средняя
мощность на выходе передатчика.
УГФС
Сжатие динамического диапазона
(клипирование)
Специфические искажения, возникающие
при клипировании, на разборчивости не
сказываются (до определенного уровня
ограничения)
 Аналогичную процедуру можно
выполнить по отношению к
низкочастотному модулирующему
сигналу, но эффективность этого метода
несколько ниже.

УГФС

Следящее питание
Напряжение питания в цепи коллектора
транзистора изменяется пропорционально
амплитуде входного напряжения.
Увеличивается коэффициент
использования напряжения питания
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.