синхронным детектором или фазовым детектором. Простейшей формой модуляции, как вы скоро увидите, является амплитудная модуляция (AM), при которой несущий сигнал высокой частоты изменяется по амплитуде в соответствии с медленно меняющимся модулирующим сигналом. Перемножитель сигналов, очевидно, выполняет при этом свою прямую функцию. С помощью таких схем можно и управлять коэ4м5)Ициентом усиления, если на один из входов задавать управляющее постоянное напряжение. Для этой цели применимы некоторые ИМС, например МС1495 и МС1496.

Смесители - это схемы, которые, имея на входах два сигнала, формируют на выходе сигнал суммы или разности частот этих сигналов. Из тригонометрического уравнения

cos (Ojt cos COgf = V2 cos (cOj + (Oa)f + V2 tOS (tOj - а) t

видно, что четырехквадрантный перемножитель - устройство, выполняющее функцию умножения двух входных сигналов любой полярности,- фактически является смесителем. Если подать на его вход два сигнала с частотами Д и [2, то на выходе появятся сигналы с частотами, равными fi + f2 и fi - fa- Смеситель, на один вход которого подается сигнал частотой fo, а на другой - сигнал с полосой, расположенной вблизи нулевой частоты (полоса, ограниченная частотой fmax), будет формировать на выходе сигналы с полосой частот, симметричной относительно fo, меняющиеся от fo-fax ДО fo+fmax (спектр амплитудной модуляции см. в разд. 13.14).

Нет необходимости формировать точное аналоговое произведение для смешения двух сигналов. Фактически при любой нелинейной Комбинации двух сигналов будет получаться сумма и разность частот. Возьмем, например, квадратичное нелинейное преобразование суммы двух сигналов:

(cos (Oi + cos ооаО- 1 + V2 cos 2t0jf-f-+ V2 cos 2(й2< + cos (o>i + (Og) f -f cos (o>i

Этот вид нелинейности можно получить (грубо), если два небольших сигнала подавать на прямосмещенный диод. Заметим, что при этом вы наряду с суммой и разностью частот получите и высшие гармоники отдельных сигналов. Балансным смесителем называют схему, у которой на выходе формируются только сумма и разность частот, а входные сигналы и их гармоники на выход не проходят. Четырехквадрантный перемножитель является балансным смесителем, а нелинейный диод - нет.

Для построения смесителей используют: а) просто нелинейные свойства транзисторов или диодов, обычно диодов Шоттки; б) полевые транзисторы с двумя затворами, причем на каждый затвор подается один сигнал; в) ИМС аналоговых перемножителей типа МС1495, МС1496, р,А796 или 5596; г) балансные смесители на трансформаторах и диодных матрицах (выпускаются обычно в виде герметизированных модулей под названием смесители с даойнойбалансировкой ). Типич-

296 Глат 13

НЫМ примером последних является дешевый смеситель с двойной балансировкой SBL-1 фирмы Mini-Circuits, работающий в диапазоне от постоянного тока до 500 МГц, с разделением сигналов от 30 до 50 дБ и с потерями на преобразование несколько децибелов. Смесители широко используются в гетеродинных приемниках, а также для генерации радиочастотных сигналов с произвольной частотой; в них допускается сдвиг сигнала вверх или вниз по частоте без изменения его спектра. Кратко опишем их работу.

Умножители частоты. Для генерации сигналов с частотой, кратной входному сигналу, часто применяют нелинейные схемы. Это особенно удобно, если требуется получить очень стабильный высокочастотный сигнал с частотой, превышающей область хороших кварцевых генераторов. Самый распространенный метод - это сместить усилительный каскад в область сильной нелинейности, а затем использовать на выходе £С-контур, настраиваемый на частоту, кратную входному сигналу. Это можно осуществить, применив биполярные транзисторы, ПТ и даже туннельные диоды. Перемножнтели типа 1496 на низких частотах могут использоваться как эффективные удвоители, если подать входной сигнал на оба входа и таким образом получить квадрат входного напряжения. Квадрат синусоидальной волны содержит только частоту второй гармоники. Выпускаются и модули удрои-телей частоты, в которых использованы балансные смесители; они весьма широкополосны (обычно от 50 кГц до 150 МГц). В качестве умножителей используются и такие экзотические приборы, как SNAP диоды и варикапы. Схемы умножителей частоты должны иметь на выходе настраиваемый контур или же после них должны следовать резонансные усилители, так как обычно в нелинейных схемах генерируется много гармоник входного сигнала.

Аттенюаторы, волноводные тройники, циркуляторы.

Существует несколько весьма полезных пассивных устройств, служащих для управления амплитудой и направлением сигналов ВЧ, проходящих между схемными модулями. Все они являются компонентами широкополосных линий передач (или волноводов) и должны вставляться в линии с постоянным сопротивлением, обычно равным 50 Ом. Эти устройства в большом количестве выпускаются в виде модулей.

Простейшим из них является аттенюатор - прибор, предназначенный уменьшать амплитуду сигнала. Аттенюаторы изготовляются либо с большой ручкой управления и точно калиброванными ступеньками ослабления, либо управляемые напряжением. Последние представляют собой просто балансный смеситель, у которого ток управления задается на один из перемножаемых входов. Волноводные тройники (также известные как разгоны , магические Т, 3-дБ ответвители,

1> Диоды с накоплением заряда и резким ступенчатым восстановлением обратного сопротивления,- Прим. ред.

равносторонние или ИЗО-Т) - искусно построенная линия передачи с 4 портами (входами-выходами). Сигнал, подаваемый на любой порт, на двух ближайших портах имеет определенный сдвиг фаз (обычно 6 или 180°). Ответвитель, у которого один порт нагружен на волновое сопротивление, называется 3-портовым разветвителем (собирателем) мощности .

Чтобы сделать разветвитель/собиратель многопортовым, его строят каскадами. Ближайшим родственником ответвителей является устройство связи направленного действия - трехпортовый прибор, в котором небольшая часть проходящей на выход волны ответвляется в третий порт. В идеальном случае на третьем порту нет выхода для волны, идущей в противоположном направлении.

Самыми волшебными свойствами в этой главной группе устройств обладают циркуляторы и вентили-разделители. Благодаря использованию экзотических ферритовых материалов и магнитных полей в них достигается невозможное: передача волны только в одном направлении. Вентиль-разделитель имеет два порта и допускает передачу только в одном направлении. Циркуляторы имеют три или более портов, и они передают входящий на каком-либо порту сигнал только к следующему в ряду порту.

Фильтры. Как будет видно из дальнейшего, при конструировании радиочастотных схем часто бывает необходима частотная избирательность. Хорошим примером избирательной системы может служить простой настраиваемый LC-усилитель, у которого острота пика характеристики определяется добротностью Q контура LC. Эта добротность зависит от потерь в индуктивности и конденсаторе, а также от нагрузки, образуемой присоединенной схемой. Сравнительно высокую добротность, достигающую нескольких сотен, получить довольно легко. На высоких частотах обычные LC-тпя заменяются полосковыми линиями, в области микроволн используются полые резонаторы, но основная идея остается той же. При необходимости резонансные схемы можно также использовать для подавления определенных частот.

Если необходимо иметь фильтр, пропускающий очень узкую полосу частот без ослабления сигнала с резкими спадами на границах полосы, го такой полосовой фильтр с превосходаыми свойствами можно создать, используя пьезоэлектрический (керамический или на кристалле кварца) или механический резонатор. Промышленностью выпускаются 8- и 16-полюсные пьезокристаллические фильтры Баттерворта с центральной частотой в пределах от 1 до 50 МГц и шириной полосы от самой маленькой, в несколько сотен герц, до нескольких килогерц. Эти фильтры чрезвычайно полезны для получения высокой избирательности приемников и для высококачественной генерации модулированных сигналов. Фильтры с поверхностными акустическими волнами (ПАВ) стали популярными и дешевыми недавно. Они тоже могут иметь плоскую характеристику пропускания с очень крутыми краями. Этот очень важный параметр обычно выражается в виде фактора формы ; напри-

мер, отношение ширины полосы для -3 дБ к ширине полосы для -40 дБ может достигать величины 0,9. Чаще всего фильтры ПАВ используются в телевизионных приемниках и кабельных системах для ограничения полосы пропускания приемника.

Конечно, если не требуется такая узкая полоса пропускания, можно строить фильтры с увеличенным числом резонансных LC-сек-ций. В приложении 3 приведены примеры некоторых /.С-фильтров верхних и нижних частот.

Детекторы, Извлечение информации из модулированного радио-частотного сигнала основано на детектировании - процессе выделения модулирующего сигнала на фоне несущей . В зависимости от вида модуляции (AM, ЧМ, на одной боковой полосе и др.) имеется несколько методов детектирования. Обсуждение этой важной темы мы будем проводить вместе с вопросами организации связи.

радиосвязь: am

Поскольку вЧ-диапазон наибольшее применение находит в технике связи, важно разобраться в процессах модуляции и демодуляции сигналов, т. е. как используются радиочастоты при переносе информации от одного места в пространстве к другому. Кроме того, как вы будете себя чувствовать, если не сможете ответить на вопрос, как работает радио, и это после изучения курса электроники?

13.13. Некоторые принципы связи

в теории связи мы говорим о каналах связи, т. е. о способе передачи информации от А к Б. Например, каналы могут быть кабельными или в виде линий из оптического волокна. Радиочастотный канал связи охватьгеает спектр электромагнитных колебаний, который, грубо говоря, начинается с очень низких частот (НЧ) в несколько килогерц, проходит область коротких волн от нескольких мегагерц до нескольких десятков мегагерц (ВЧ), область очень высоких частот (СВЧ) и сверхвысоких (ультравысоких) частот (УВЧ), доходящих до нескольких сотен мегагерц, и микроволновую область, начинающуюся около 1 ГГц.

Сигнал, содержащий речь, переносится радиочастотным каналом благодаря тому, что он модулирует несущую частоту радиодиапазона. Важно понять, почему вообще это делается так, а не осуществляется прямая передача речи. Для этого имеются две основные причины. Во-первых, если бы информация передавалась в ее естественной полосе радиоволнами с очень низких частот (НЧ), то любые два сигнала стали бы перекрываться и служить помехой друг другу; т. е., кодируя информацию несущими частотами, находящимися в разных частях спектра, мы получаем сигналы на многих частотах и, таким образом, устанавливаем одновременно много каналов связи. Во-вторых, одни длины волн

более пригодны для генерации и распространения, другие менее. Например, в области от 5 до 30 МГц сигналы обходят Землю вокруг за счет многократных отражений от ионосферы, а в микроволновой области узкие направленные пучки можно формировать с помощью антенн умеренных размеров. Поэтому область ВЧ (коротких волн) используется для связи за линией горизонта, в то время как микроволновая область используется с ретрансляторами в пределах прямой видимости и в радиолокации.

Модуляцию несущего сигнала можно осуществлять несколькими путями. Грубо говоря, все методы имеют общее свойство, а именно модулированный сигнал занимает полосу частот, по крайней мере сравнимую с полосой модулирующего сигнала, т. е. полосой посылаемой информации. Таким образом, высокая точность воспроизведения при передаче звука получается при полосе не менее 20-40 кГц безотносительно к несущей частоте. Совершенно немодулированный сигнал имеет нулевую ширину полосы и не передает и1формацию. Передача низкоинформативного содержания, как, например, телеграфная связь, занимает относительно узкую часть спектра (возможно, 50-100 Гц), в то время как передача телевизионного изображения требует уже нескольких мегагерц. Следует отметить, что большая информация может переноситься каналом с данной шириной полосы, если отношение сигнал/шум (С/Ш) достаточно высоко. Такое частотное сжатие основывается на том, что емкость канала равна ширине полосы, умноженной на logs (С/Ш).

13.14. Амплитудная модуляция

Начнем с простейшей формы модуляции (AM), обращая внимание на ее частотный спектр и способы детектирования.Представим простой несущий сигнал, cos сод^, изменяемый по амплитуде под действием модулирующего сигнала более низкой частоты, cos iot, в следующем виде:

сигнал = (1 {-mcosmJ)coswJ,

где т - индекс модуляции , меньший или равный 1 \ Раскрыв произведение, вы получите

сигнал = cos 0) / + /т cos СсОн +®м) + Va cos (tO - СОи) /,

т. е. энергия модулированного несущего сигнала сосредоточена на частоте (Ojj и на частотах, отстоящих по обе стороны от сон и сом- На рис. 13.24 изображены такой сигнал и его спектр. Здесь глубина модуляции m равна 50%, а две боковые частоты несут каждая по 1/16 доли от энергии, содержащейся в несущем сигнале.

> Обычно прн AM говорят о глубине модуляции, а термин индекс модуляции относят к ЧМ.- Прим. ред.

Если модулирующий сигнал имеет сложную форму волны (f(OK как, например, речь, то амплитудно-модулированная волна опреде-

мопчлированная несущая . огибающая /

Рис, 13.24. Амплитудная модуляция.

ляется выражением

сигнал = [Л + f (0] cos ю^,

где постоянная величина А должна быть настолько большой, чтобы A-\-f{t) всегда было положительным. Тогда спектр будет просто симметричной функцией относительно несущей частоты (рнс. 13.25).

Частота Частота -Шн

а б

Рис. 13.25. Спектр AM и полоса частот модуляции (речь). а ~ модулврующвй сигнал; б - несущая после AM

АМ-генерация и детектирование. Генерация амплитудно-мо-дулированных сигналов радиодиапазона легко осуществляется любым, методом, при котором амплитуда сигнала управляется напряжением по линейному закону. Обычно изменяют напряжение питания ВЧ-усн-лителя (если модуляция осуществляется в выходном каскаде) или используют ИМС переумножнтеля, например, 1496. Если модуляция происходит на каскаде с низшим уровнем сигнала, то все последующие каскады должны быть линейными. Заметим, что при амплитудной модуляции модулирующий сигнал должен иметь постоянное смещение, чтобы он никогда не принимал отрицательное значение. Графически это показано на рис. 13.26.

Простейший приемник AM (прямого усиления) состоит из нескольких перестраиваемых резонансных ВЧ-каскадов усиления, за которыми следует диодный детектор (рнс. 13.27). Усилительные каскады обеспечивают избирательность по отношению к сигналам, отличающимся по частоте, и усиливают входные сигналы (уровень которых бывает

D7�D

порядка микровольт) до уровня, необходимого для детектора. Последний просто выпрямляет ВЧ-сигнал, а затем восстанавливает плавную огибающую с помощью фильтра низких частот. Фильтр низких частот должен подавлять радиочастоты, в то время как звуковые частоты проходят неослабленными. Эта простая схема, как вы увидите, оставляет желать много лучшего. Фактически она представляет собой простой набор известных элементов.

13.15. Супергетеродинный приемник

Приемники, состоящие из последовательно включенных ВЧ-усилителей, неудобны по нескольким причинам. Во-первых, отдельные каскады должны быть настроены на одну и ту же частоту, что требует либо очень большой координированности в

работе с большим количеством ручек или же чрез-

, вычайно точного согласования набора одновременно настраиваемых LC-контуров. Во-вторых, поскольку

общая частотная избирательность определяется ха-

рактеристиками всех усилителей в совокупности,

форма полосы пропускания будет зависеть от точности настройки каждого усилителя; отдельные

Iусилители не могут иметь столь узкополосную ха-

рактеристику, как это хотелось бы, так как надстройка в этом случае была бы практически невоз-

i можна. И поскольку принимаемый сигнал может

Оыть любой частоты в пределах области настройки

усилителей, кГельзя использовать пьезофильтры для

[ получения плоской полосы пропускания с резкими

) спадами по краям (крутые фронты ), что обычно

. очень желательно.

I Прекрасное решение этих проблем дает применение супергетеро-[ дивного приемника ( супергетеродина ), показанного на рис. 13,28.

Реверс фазы несущей

в

Рис. 13 26.

а - 50%-ная модуля-цвя; б-100%-ьая модуляция, в - перемодуляция

ВЧ-влод от

антенны

Резонансные

AM-детектор

Усилитель эвкоаой частоты

СН>*г-гЧ>

Наетройна

Выход 36VK0-

ъщ частоть1

Рнс. 13.27.

Поступающий сигнал усиливается одним каскадом ВЧ-усилителя, Вймешивается с сигналом локального генератора (ЛГ), и ири этом полу*

чается сигнал фиксированной промежуточной частоты (ПЧ), в данном случае равной 455 кГц После этого следует набор резонансных усилителей с фиксированной настройкой на ПЧ, в которые входят селективные элементы, такие, как пьезокристаллические или механические

Резонансный 155 нГц 155 кГц -155 кГц

еч- пч-усилитель Яьеэокрнс- лч-усилитель

усилитель Смеситель таллический фильтр

AM-детектор

VcwnHTeflb звуловой частоты

ВЧ - вход 3D Шц

Смеситель i (необягатЕльно) j

вая частота

2,455-30,155 МГц

455 кГц (необязательно)

Настройка

Рис. 13.28. Супергетеродинный приемник.

фильтры. Схема заканчивается детектором и усилителем звуковых частот. Приемник настраивают, изменяя частоту ЛГ, так как любая входная частота смешивается с ней и преобразуется в промежуточную частоту (с точностью до полосы пропускания ПЧ). Вход ВЧ-усилителя должен настраиваться в соответствии и одновременно с ЛГ, но точность настройки не очень существенна. Это делается с целью а) улучшить чувствительность путем усиления на ВЧ с малыми шумами перед смешением и б) отсечь сигналы зеркальной частоты. В данном случае зеркальный - это входной сигнал с частотой на 455 кГц выше частоты ЛГ (вспомним, что смеситель вырабатывает сумму и разность частот). Другими словами, в'супергетеродинном приемнике смеситель и локальный генератор (гетеродин) используются для сдвига входной (перестраиваемой) частоты сигнала в область фиксированной промежуточной частоты, где усиление и чувствительность максимальны.

Замечаная о супергетеродинах. Супер гетеродинные приемники имеют еще некоторые особенности. 6 приведенной схеме показан еще один генератор - гетеродин; его используют при детектировании некоторых неамплитудно-модулированных сигналов (телеграфных, подавление несущей частоты в телефонии, при частотной манипуляции и т. д.). Дополнительные гетеродины используются даже для АМ-де-тектирования в гомодинных и синхронных детекторах. Часто при емникн имеют не один смеситель (их называют приемниками с множест венным преобразованием ). Использование первой высокой ПЧ улучшает подавление зеркального канала (он сдвинут относительно факти чески принимаемого сигнала на удвоенную промежуточную частоту),

В СССР в качестве ПЧ используют 465 кГц.- Прим. ред.

Более низкая вторая ПЧ облегчает использование фильтров на кристаллических резонаторах с резким спадом характеристик вне полосы пропускания, а третья ПЧ позволяет применять заграждающие фильтры, подобные фильтрам звуковых частот, низкочастотные керамические или механические фильтры, а также умножающий детектор . Недавно стало популярным использовать непосредственно преобразование частоты вверх на включенных прямо на вход балансных смесителях (т. е. использовать ПЧ выше частоты входного сигнала), а также фильтры на пьезокристаллах на частоте -~40 МГц ПЧ с последующим1чце-тектированием уже без смешения. Такие схемы с однократным преобразованием обладают еще лучшими параметрами при наличии сильно интерферирующих сигналов, и они входят в употребление наряду с выпускаемыми промышленностью очень хорошими кристаллическими СВЧ-фильтрами и смесителями с малыми искажениями, сбалансированными в широкой области и имеющими хорошие шумовые характеристики.

ПЕРЕДОВЫЕ МЕТОДЫ МОДУЛЯЦИИ

13.16. Метод одной боковой полосы (SSB)

Из рассмотрения спектра АМ-сигнала с очевидностью вытекает, что можно добиться некоторого улучшения параметров. Большая часть энергии (67% при 160%-ной модуляции) содержится в несущей частоте, не участвующей в переносе информации. Эффективность AM достигает 33% и то только, если индекс модуляции равен 100%. Поскольку форма импульса голоса обычно имеет большое отношение максимальной амплитуды к средней амплитуде, индекс модуляции АМ-сигнала, передающего речь, чаще всего значительно меньше 100% (хотя можно^ использовать компрессию)!* речевого сигнала для увеличения энергии в боковых полосах). Кроме того, при симметричном расположении боковых полос перенос идентичной информации приводит к возникновению сигнала, занимающего полосу, в два раза превышающую практически необходимую.

Путем небольших ухищрений можно исключить несущую частоту [используем балансный смеситель; напоминаем, что cos А cos J5= =V2Cos(A+5)+V2Cos(A-В)\ и получить так называемый сигнал с двумя боковыми полосами и подавленной несущей , или DSBSC. (То же самое получите, если звуковой сигнал умножить непосредственно на несущую частоту, не задавая начального смещения, обеспечивающего постоянное присутствие несущей, как в обычной AM.) Далее, использовав либо пьезокристаллический фильтр с крутыми спадами, либо метод, известный как фазировка , одну боковую полосу спектра сигнала можно подавить. В однобоковой полосе (SSB) сигнал эффективно повторяет спектр речи, сдвинутый в область высоких частот, и этот метод связи широко используется радиолюбителями и промышленными потребителями для создания высокочастотных радиотелефон-

ных каналов. Когда нет речи, то передача сигнала не осуществляется. Чтобы принимать SSB, вам нужны гетеродин и умножающий детектор , как показано на последней блок-схеме, чтобы вновь получить исчезнувшую несущую частоту.

Спектры модуляции. На рис. 13,29 приведен типичный спектр речевого сигнала при модуляции AM, DSBSC и SSB. При передаче по типу SSB можно использовать любую боковую полосу сигнала. Отметим, что SSB представляет собой просто звуковой спектр, сдвинутый

Частота

ad в г

Рис. 13.29. Спектры при различных типах AM.

а - звуковые частоты; б - AM; в - DSBSC; г - SSB (правая полоса).

вверх по частоте на /ц. При приеме SSB гетеродин и смеситель комбинируют так, чтобы сдвинуть спектр вниз снова к звуковой частоте. Если гетеродин настроен не совсем точно, все звуковые частоты сдвинутся на величину расстройки. Поэтому от ЛГ и гетеродина в приемниках SSB требуется хорошая стабильность.

Следует отметить, что смеситель (модулятор) всегда рассматривается как схема сдвига частоты, особенно когда он сочетается с соответствующим фильтром для подавления нежелательных выходных сигналов. Когда он используется в качестве модулятора, полоса низкочастотного сигнала сдвигается вверх на частоту несущего сигнала и образуется полоса, симметричная к f. Если он используется как смеситель, то частотная зона вокруг /н сдвигается под действием вьокой частоты ЛГ вниз до звуковых частот ( основной полосы ) или до зоны, симметричной к промежуточной частоте ПЧ.

13.17. Частотная модуляция

Вместо модуляции по амплитуде, как в AM, DSBSC и SSB, можно передавать информацию, модулируя частоту или фазу несущего сигнала:

сигнал == cos [(о„ + /(f)] f -частотная модуляция (ЧМ), сигнал = cos [(dj -h kf (t)] - фазовая модуляция (ФМ).

ЧМ и ФМ тесно связаны и иногда их вместе относят к так называемой угловой модуляции . ЧМ хорошо известна как тип модуляции, используемый в СВЧ радиовещательном диапазоне 88-10S МГц (ди-