Формирование радиосигналов с частотной модуляцией

В военной технике радиосвязи при работе в телефонном режиме на частотах выше 20...30 МГц широко применяется частотная модуляция (ЧМ или РЗ), а в радиостанциях малой мощности она является основным видом модуляции. Сигналы при ЧМ имеют более широкий спектр, чем при ОМ, но это обстоятельство при большой частотной емкости УКВ диапазона не является решающим.

Технические способы осуществления ЧМ весьма разнообразны и объединяются в две группы – прямые и косвенные способы [2]. В военных радиостанциях находят применение исключительно прямые способы ЧМ, которые являются более простыми в реализации.

При прямом способе частотная модуляция осуществляется путем непосредственного воздействия модулирующего (первичного) сигнала на параметры колебательной системы автогенератора, что приводит к изменению частоты генератора.

Основными требованиями, которым должны удовлетворять схемы формирования ЧМ сигналов, являются:

– обеспечение заданной девиации частоты;

– малое дестабилизирующее влияние модулятора на частоту автогенератора;

– обеспечение допустимого уровня нелинейных искажений;

– малая паразитная амплитудная модуляция;

– простота реализации схемы.

Приведенные требования часто противоречивы, поэтому при выборе схемы учитываются главные из них.

Устройства, с помощью которых осуществляется изменение параметров колебательной системы автогенератора, принято называть реактивными элементами или частотными модуляторами. В качестве реактивных элементов в настоящее время чаще всего применяют варикапы, подключаемые к колебательному контуру автогенератора. При подаче на варикапы напряжения звуковой частоты емкость последних изменяется, меняя тем самым частоту автогенератора.

Типовая схема тракта формирования частотно-модулированных сигналов показана на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Схема формирования ЧМ сигналов

Для предотвращения перегрузки тракта в схеме предусматривается регулировка входного уровня первичного электрического сигнала с помощью потенциометра R и использование автоматической регулировки усиления (АРУ) по звуковой частоте. Частотно-модулированный сигнал, сформированный на фиксированной частоте в частотно-модулируемом генераторе (ЧМГ), ограничивается по амплитуде, фильтруется и поступает в тракт преобразования частоты. В тракте преобразования сигнал переносится на рабочую частоту, причем при всех преобразованиях девиация частоты не изменяется и остается постоянной во всем рабочем диапазоне возбудителя.

5. Тракты преобразования, усиления
и фильтрации радиосигналов

Перенос (преобразование) радиосигналов, сформированных на сравнительно невысокой фиксированной частоте, в рабочий диапазон возбудителя осуществляется путем последовательных частотных преобразований.

Основными требованиями, которые должны быть выполнены при частотном переносе сигнала, являются:

– линейность преобразования;

– малый уровень побочных колебаний;

– высокая стабильность частоты сигналов на выходе возбудителя.

Основными элементами преобразователя частоты являются смеситель и фильтр, выделяющий колебания суммарной или разностной частот.

Линейность преобразования зависит от уровня радиосигнала на входе смесителей: чем меньше уровень радиосигнала по отношению к напряжению поднесущих частот (подставок), тем лучше линейность преобразования. Однако уровень радиосигнала должен быть значительно выше уровня собственных шумов смесителя. Обычно уровень радиосигналов на входе смесителя измеряется единицами милливольт, тогда как напряжение поднесущих частот имеет величину от десятых долей до единиц вольт.

Уровень побочных колебаний зависит, прежде всего, от соотношения частот, подаваемых на смеситель, и от выбора типа смесителя и режима его работы. Если преобразования происходят на фиксированных частотах, то при правильно выбранных частотах подставок побочные колебания можно легко подавить до требуемого уровня с помощью кварцевых или LC фильтров (полосовых или ФНЧ).

Высокая стабильность частоты преобразуемых радиосигналов достигается формированием всех поднесущих колебаний в синтезаторе частот, обеспечивающем стабильность, равную стабильности частоты опорного кварцевого генератора.

Для компенсации неравномерности амплитудно-частотной характеристики трактов преобразования и усиления радиосигналов в возбудителях используются системы автоматической и ручной регулировки напряжения (АРН и РРН). Системы АРН обеспечивают постоянство уровня сигнала на выходе возбудителя. Напряжение регулирования системы АРН обычно формируется в результате сравнения выходного напряжения возбудителя с опорным сигналом (например, от стабилизированного источника) или с напряжением на входе возбудителя.

Рис. 2.12. Структурная схема преобразования, усиления и фильтрации

На рис. 2.12. представлена упрощенная структурная схема трактов преобразования, усиления и фильтрации радиосигналов, используемая в современных возбудителях.

6. Назначение и требования, предъявляемые
к усилителям мощности и согласующим устройствам

Мощность радиосигналов, сформированных в возбудителе, обычно измеряется единицами или десятками милливатт. Дальнейшее усиление радиосигналов до номинальной мощности радиопередатчика, измеряемой десятками и сотнями ватт, происходит в усилительном тракте, который состоит, как правило, из нескольких соединенных последовательно каскадов усиления. Последний каскад усилительного тракта, обеспечивающий необходимую мощность в антенне и определяющий энергетические показатели передатчика в целом, называется выходным или оконечным каскадом передатчика. Каскады усиления мощности, включенные между возбудителем и выходным каскадом, принято называть промежуточными.

Независимо от конструкции и места включения усилительных каскадов к ним предъявляются следующие общие требования:

¨ обеспечение заданной выходной мощности во всем диапазоне частот передатчика;

¨ высокая линейность («неискаженность») усиления радиосигналов;

¨ возможно более высокий КПД;

¨ заданная степень фильтрации побочных колебаний, возникающих в процессе усиления радиосигналов;

¨ малое время перестройки, устойчивость в работе, простота в эксплуатации и др.

Перечисленные требования к усилителям достигаются в общих чертах следующим.

Обеспечение заданной мощности в нагрузке усилителя обеспечивается выбором усилительного элемента (УЭ) и его режимом работы. В качестве активных УЭ широко используются электронные лампы (триоды, тетроды и пентоды) и транзисторы. В тех случаях, когда требуемая мощность не может быть обеспечена одним УЭ, применяют двухтактное включение или параллельное включение нескольких УЭ.

Линейность усиления зависит от положения рабочей точки на проходной характеристике УЭ. Под проходной характеристикой понимается график зависимости тока в выходном электроде УЭ (i_вых) от напряжения на его входном электроде (u_вх)при постоянных значениях напряжений на других электродах. На рис. 2.13 представлена типовая проходная (анодно-сеточная) характеристика пентода i_a = f(u_g1) при постоянных напряжениях на аноде (E_A)и экранирующей (E_g2) сетке. Линейность усиления зависит также от сопротивления нагрузки усилителя. Существует оптимальное сопротивление нагрузки усилителя R_Н = R_УЭопт,при котором колебательная мощность на выходе усилителя максимальна. Если же R_Н > R_УЭопт, колебательная мощность уменьшается, а УЭ переходит в резко нелинейный режим работы. Требование линейности усиления находится в противоречии с требованием увеличения КПД усилителя. Поэтому на практике принимают компромиссное решение, при котором нелинейные искажения усиливаемых сигналов незначительны, а КПД, хотя и не достигает возможной максимальной величины, но имеет достаточно высокое значение.