Методы получения частотной модуляции

 

Колебания с частотной модуляцией можно получить, либо непосредственно, изменяя частоту колебаний автогенератора, либо путём преобразования фазовой модуляции в частотную. Метод непосредственного изменения частоты получил название «прямого» метода ЧМ, соответственно преобразование ФМ в ЧМ называют «косвенным» методом.

Прямые методы ЧМ основаны на изменении реактивности колебательной системы автогенератора под воздействием модулирующего сигнала.

При косвенных методах фазовую модуляцию получают при прохождении несущего колебания через цепь, сдвиг фазы в которой зависит от модулирующего сигнала. Преобразование ФМ в ЧМ обеспечивается коррекцией модулирующего сигнала интегрирующей RC – цепью (см. п.п. 9.1).

 

9.3.1 Прямые методы ЧМ

Для изменения частоты автогенератора в его колебательную систему включается управляемая реактивность. В качестве такой реактивности в настоящее время, как правило, используются ёмкость запертого p-n перехода специального полупроводникового диода – варикапа. В первом приближении ёмкость перехода может быть описана следующим выражением

(9.15)

Здесь е -запирающее напряжение на варикапе; Со – ёмкость варикапа при е = 0; φк = 0,3 ÷ 0,5 В - контактная разность потенциалов; n - показатель «резкости» перехода, который может принимать значения от 0,3 до 3.

Значение n = 0,3 соответствует «плавному» переходу; n = 0,5 – «резкому»; n ≥ 1 – «сверх резкому» переходу. Графики, соответствующие (9.15) приведены на рисунке 9.5б.

Схема автогенератора с частотной модуляцией (без цепей питания) представлена на рисунке 9.5а

Рисунок 9.5 - Схема ЧМ автогенератора с варикапом

 

Обычно ёмкости схемы автогенератора подбираются так, чтобы

С3<<C1,C2 и СВ>C3. При этих условиях ёмкость контура в основном определяется ёмкостью варикапа Ск ≈ СВ . Резонансную частоту контура в этом случае можно определить следующим выражением

(9.16)

Совершенно очевидно, что пропорциональная зависимость между резонансной частотой контура ωο и напряжением на переходе е (а значит и частотой генерируемых колебаний ω) возможна только при n = 2.

В процессе модуляции

е= Ес+иΩ(t)+ u(t)= Ес+UΩ cosΩt + U cosωt (9.17)

Здесь Ес – напряжение смещения на варикапе; иΩ(t)- модулирующий сигнал; u(t)- колебания высокой частоты, поступающие на варикап со стороны автогенератора.

Поскольку переход должен быть в закрытом состоянии (e<0), необходимо выполнить условие

UΩ + U ≤ |Ec| (9.18)

Полагая в (9.16) n=2, с учётом (9.17),для частоты генерируемых колебаний получим

(9.19)

Таким образом, для линейной частотной модуляции желательно иметь варикап со сверх резким переходом. На практике промышленные образцы

варикапов обычно имеют резкие переходы с n ≈0,5. Поэтому приходится ограничивать величину девиации частоты. Для получения необходимой девиации, первичную модуляцию осуществляют на пониженной частоте, а затем с помощью умножителя переносят ЧМ колебание на рабочую частоту. При этом девиация частоты увеличивается в соответствии с кратностью умножения.

Меньшие искажения при большей девиации могут быть получены с помощью «реактивного транзистора» (реактивной лампы) [12]. Реактивный транзистор представляет собой, как и варикап, управляемую реактивность (Хр)ёмкостного или индуктивного характера, подключаемую к контуру автогенератора. Схема реактивного транзистора представлена на рисунке 9.6а.

Рисунок 9.6 – Реактивный транзистор

Для того, чтобы выходное сопротивление транзистора было реактивным, необходимо обеспечить фазовый сдвиг 900 между током коллектора и коллекторным напряжением . Поскольку коллекторный ток по фазе совпадает с базовым напряжением, соответствующий фазовый сдвиг должен быть между и . В схеме реактивного транзистора необходимые фазовые сдвиги обеспечиваются с помощью простейшего фазовращателя (Z1,Z2), варианты которого представлены на рисунке 9.6б. Для того, чтобы такой фазовращатель обеспечивал фазовый сдвиг 900, необходимо выполнить условие |Z1|>>|Z2|. Тогда для напряжения на базе получим

(9.20)

При работе транзистора с отсечкой коллекторного тока , поэтому с учётом (9.20), получим

(9.21)

В зависимости от вида использованного фазовращателя (рисунок 9.6б), выходное сопротивление реактивного транзистора можно представить следующим образом

На основании полученных результатов можно сделать вывод, что реактивный транзистор имеет индуктивную реакцию, если Z1- индуктивность, или Z2- ёмкость. Ёмкостная реакция реактивного транзистора имеет место, если Z2- индуктивность, или Z1- ёмкость.

Частотная модуляция в автогенераторе может быть получена путём изменения средней крутизны реактивного транзистора при работе с отсечкой коллекторного тока, т.к. в этом случае угол отсечки зависит от смещения на базе, т.е. от модулирующего напряжения е=Ес+uΩ(t).

Основное достоинство прямых методов ЧМ заключается в возможности непосредственного получения больших отклонений частоты. Однако такая возможность приводит к существенной нестабильности средней частоты, которая будет меняться из-за нелинейности характеристики управляющего реактивного элемента (УЭ), а также вследствие нестабильности, или пульсаций, напряжения источников питания и влияния других внешних дестабилизирующих факторов (см. раздел 5.4). Использование ЧМ в кварцевых автогенераторах позволяет отчасти решить эту проблему [12]. Тем не менее, из-за высокой фиксирующей способности кварцевого автогенератора, получить требуемые значения девиации частоты удается далеко не всегда.

Проблема стабильности средней частоты решается в схеме, представленной на рисунке 9.7. В этой схеме средняя частота автогенератора (ГПД), с помощью фазовой автоподстройки частоты, приводится к высокостабильной частоте опорного генератора (ОГ).

Рисунок 9.7 – Схема автоматической подстройки частоты.

Делитель частоты в n раз необходим для уменьшения индекса модуляции. Выше было отмечено, что при некоторых значениях индекса модуляции (Ψ) несущая в спектре ЧМ исчезает, В этом случае велика вероятность сбоя в работе автоподстройки и соответственно вероятность скачкообразного изменения частоты ГПД. Чтобы исключить подобную ситуацию, индекс модуляции на входе фазового детектора (ФД) необходимо уменьшить до значения менее первого нуля функции Бесселя Jo (Ψ=2,4). Для надёжной работы системы фазовой автоподстройки (ФАП), уровень несущей должен быть достаточно большим, поэтому n подбирается так, чтобы индекс модуляции на входе ФД не превышал 1.

Чтобы система ФАП не подавляла частотную модуляцию, она не должна действовать на частотах модулирующего сигнала. С этой целью, полоса пропускания фильтра нижних частот (ФНЧ) ограничивается частотой 5 ÷ 10 Гц. Поскольку частота звуковых сигналов обычно лежит выше 30 Гц, цепь обратной связи на этих частотах обрывается. Таким образом, ФАП реагирует только на медленные изменения частоты ГПД, обусловленные нестабильностью его средней частоты. Средняя частота на выходе ГПД составит nωq , и её стабильность будет соответствовать стабильности частоты опорного генератора. В качестве управляющих элементов (УЭ) в схеме обычно используются варикапы. Т.к. управляющее напряжение ФАП (ΔU) смещает рабочую точку на характеристике УЭ, во избежание нелинейных искажений, для ЧМ рекомендуется использовать отдельный УЭ.