Муравьев В.В., Липкович Э.Б. Спутниковые и радиорелейные системы передачи

Подождите немного. Документ загружается.

Требования к частотным модуляторам. Специфическими требованиями,

предъявляемые к частотным модуляторам, используемым в многоканальных РСП

являются чрезвычайно высокая линейность модуляционной характеристики. Так

при максимальной девиации частоты, достигающей несколько мегагерц, нелиней

ныеискажениявмодуляторенедолжныпревышать0,1%.Числотелефонныхкана

ловводномстволенепрерывновозрастает,увеличиваетсяпиковаядевиациячасто

ты,а значитинеобходимаяпротяженностьлинейного участка модуляционнойха

рактеристики.

Вторымоченьважнымтребованиемявляетсявысокаястабильностьчастотыне

сущего колебания. Это требование, как уже указывалось ранее, обусловлено тем,

чтоРСПдолжныработатьвбезпоисковомивбезподстроечномрежиме,аэтовоз

можно,когдаотносительнаянестабильностьчастоты∆f/f

0

≤10

5

.

Возникаетпротиворечие, а именно,чтобы увеличитьлинейный участок моду

ляционной характеристики следует увеличивать рабочую частоту модулятора, а

чтобыулучшитьотносительнуюнестабильность–надопонижатьрабочуючастоту

модулятора.

Напрактикеэтопротиворечиеразрешаетсяследующимобразом:

а)ЧМвсегдаосуществляетсянанизкойилипромежуточнойчастоте,котораяпо

стандарту равна 35, 70 или 140 МГц. При такой промежуточной частоте сравни

тельнолегкоможнообеспечитьстабильностьсреднейчастотыприЧМзасчетуст

ранениядестабилизирующихфакторов(стабилизациянапряжений,термостатирова

ниеидр.).

б)Дляполучениянеобходимойпротяженностилинейногоучасткамодуляцион

нойхарактеристикиприменяютдвавысокочастотныхгенератора,модуляциякото

рых осуществляетсяодними тем же напряжением, но в противофазе с последую

щимпреобразованиемчастотывпромежуточную

21 ГГПЧ

fff - =

.

Частотыгенератороввыбираютсятакимобразом,чтобыихразностьравнялась

промежуточной частоте, и чтобы продукты преобразования с комбинационными

частотами

21 ГГ

nfmff ± =

å

несоздавализаметныхпомехвполосетрактапромежу

точнойчастоты.Например,f

Г1

=370МГц, f

Г2

=300МГц,тогда f

пч

=70МГц.

Структурнаясхемачастотногомодуляторанаосноведвухавтогенераторовпо

казананарис.5.10.

Рис5.10

С выхода усилителя основной полосы модулирующий сигнал через разветви

тельпоступаетнадватранзисторныхавтогенератораГ

1

иГ

2

,вколебательныхкон

турахкоторыхвключеныподваварикапа.Вкаждомгенератореварикапывключены

встречнопоследовательноивпротивоположнойполярностипоотношениюкмоду

лирующемунапряжению,т.е.сигналыгенераторовмодулируютсявпротивофазе.

Такимобразом,модуляторработаетподвухтактнойсхеме,чтообеспечивает:

а)компенсациюпродуктовнелинейныхискаженийчетныхпорядков;

б)увеличениекрутизнымодуляционнойхарактеристики;

в)удвоениедевиациичастоты.

Действительно,еслимгновеннуючастотугенераторовобозначитькак

( ) ( )

tfftf

дГ

D + =

011

(5.2)

( ) ( )

tfftf

дГ

D - =

012

, (5.3)

гдеf

01

иf

02

–средниечастотыгенераторов.Знак()вуравнении(5.3)потомучто

в противофазе подается модулирующее напряжение. Тогда после смесителя полу

чим

( ) ( ) ( )

tfftffftf

дПЧдПЧ

22

0201

+ = D + - = (5.4)

сигналы с выходагенераторовпоступаютна соответствующие линеаризирую

щиеустройстваЛ

1

иЛ

,которыеуменьшаютнелинейныеискажениянечетногопо

рядка (рис.5.10). Послелинеаризирующих устройствсигналыподаются насмеси

тель,навыходекоторогосигналпромежуточнойчастотыотфильтровываетсяполо

совымфильтромиусиливается.

Стабилизация средней частоты в данном модуляторе обеспечивается стабили

зациейпитающихнапряжений,применениемтермокомпенсацииилитермостатиро

вания.

Модуляциячастотыгенератораосуществляетсяизменениемнапряжения,пода

ваемогонаварикапы,которыевключенывконтурыгенераторов.Барьернаяемкость

варикаповизменяетсяподдействиемнапряженияпозакону

n

k

в

KU

U

СC =



0

, (5.5)

гдеC

0

–емкостьварикапаприU=0,φ

к

–контактнаяразностьпотенциалов,n–

коэффициент,зависящийотзаконаизмененияпримесейвpnпереходе.Дляплав

ногопереходаn≈1/3 длярезкогопереходаn≈1/2,адлясверхрезкогоn>>1/2(n=

2..5).

использование варикапов со сверхрезким переходом позволяет использовать

болеепростыесхемычастотныхмодуляторов.Однаизтакихсхемпоказананарис.

5.11.ГенераторнатранзистореТ

1

собранпосхемеиндуктивнойтрехточки.Варикап

1

включенпараллельновконтургенератора.

Еслипренебречьпроцессомустановлениячастотыавтоколебаний,торезонанс

наячастотаконтураопределяетчастотугенерируемыхкомбинацийω

0

=ω

,

гдеL

k

и C

k

– индуктивностьиемкостьконтура.

Питающие напряжения транзистора стабилизированы. Напряжение смещения

наварикапподаетсяотцепейавтоматическойподстройкичастоты.Модулирующий

сигналподаетсячерезиндуктивностьL

.Вподобнойсхемеиспользованиедиодасо

сверхрезкампереходомначастоте70МГцполученадевиация±4МГцприизмене

ниикрутизны модуляционной характеристикивпределах девиациименьше  1%.

Среднеезначениекрутизнысоставляет10МГц/В.

Варикапысосверхрезкимпереходомпозволяютврядеслучаевполучитьпрак

тическиполную компенсациюнелинейныхискажений.Можнопоказать,чтонели

нейныеискажениявторогопорядка(которыеиграютдоминирующуюрольпримо

дуляцииспомощьюварикапа)обращаетсявнульпри

,

где C

kU0

и C

bU0

– соответственно суммарная емкость и емкость варикапа при

U=U

0

безмодуляции.

Извыражения(5.7)следует,чтоеслиемкостьварикапасоставляетвсюемкость

контураC

bU0

/C

kU0

=1,0,тоn=2.ПриC

bU0

/C

kU0

=0,8– n=5.

Прииспользованииварикаповвсхемахгенераторовследуетобратитьвнимание

натемпературнуюстабильностьчастоты.Этосвязаностем,чтотемпературныйко

эффициент емкости ТКЕ у варикапов достаточно большой, порядка 2*10

4

..10

3

. С

увеличениемобратногонапряжениясмещениявеличина ТКЕуменьшается,однако

приэтомуменьшаетсятакжекрутизнамодуляционнойхарактеристикигенератора,и

возрастаютнелинейныеискажения.Стабильностьчастотыповышаютпомещениям

генераторасварикапомвтермостатиливключениемтерморезисторавцепьсмеще

ния. К сожалению в последнем случае может иметь место изменение параметров

модуляции.Весьмаэффективнымметодомповышениястабильностичастотыявля

етсяавтоматическаяподстройкачастотыАПЧ.

(5.6)

(5.7)

Рис5.12

Рассмотрим один из видовсистемы АПЧ, структурная схема которой изобра

женанарис.5.12.ЧастьсигналаПЧсвыходаЧМГподаетсянавходфазовойАПЧ–

ФАПЧ,гдеэтоколебаниеподвергаетсямногократному преобразованиювделителях

частотыДЧ.НавыходеДЧ

1

образуетсяпоследовательностьпрямоугольныхимпуль

сов(меандр)счастотой[f

+Δf

(t)]/m.Вкачествеисточникаопорногоколебания,оп

ределяющегорезультирующуюстабильностьчастоты,используетсяавтогенераторс

кварцевой та6илизацией, частотакоторогоf

1

делится на nво второй цепочке ДЧ

.

Обычнозначениеf

/n=f

пч

/m составляетединицыгерц.

ПрямоугольныеимпульсысвыходовпервойивторойцепочекДЧподаютсяна

частотночувствительныйфазовый детектор ФД:напряжение ошибкисФД посту

паетнаФНЧ,выделяющийпостояннуюсоставляющуюнапряжения,усиливаетсяв

усилителепостоянноготокаУПТ,иu

апч

подаетсянаварикапдляуправлениячасто

тойколебанияавтогенератораЧМГ.

5.5.2ПолучениеЧМколебанийизФМколебаний

Рассмотреннаявышесхемастабилизациисреднечастотыгенераторадовольно

сложнаяивесьмакритичнаявнастройке,ноеевынужденыприменятьтам,гдетре

буется большая девиация частоты. В многоканальных системах, где девиация со

ставляетнесколькосотенкГцимеетсявозможность,неприбегаякстольсложным

схемамАПЧ,значительноувеличитьстабильностьчастоты,получаяЧМизФМ.

Какбылопоказановразделе4,фазоваямодуляциясопровождаетсядевиацией

частоты

W × D = W × × =

= D



UK

t

w

мфмф ....

, (5.8)

гдеΔφ –девиациячастоты,Ω –частотамодуляции.

Из уравнения (5.8) видно, что имеется возможность осуществить частотную

модуляциюзасчетизмененияфазывысокочастотногоколебанияпропорционально

величинеамплитудымодулирующегонапряжениявкаждыймоментвремени.

Нопричастотноймодуляциидевиациячастотынедолжназависетьотчастоты

модуляцииΩ.Длятого,чтобыизбавитьсяотэтойзависимостипередфазовыммо

дуляторомвключаютинтегрирующуюцепочку(рис.5.13),

вых

вх

C

Рис5.13

котораякомпенсируетэффектдифференцированиявуравнении(5.8).

Нетруднопоказать,что

(5.9)

ПриR>>1/ΩCΩCR>>1иприлюбоймодулирующейчастоты CRjUU

вхвых

W »

& &

.

Подставив

вых

U

&

вуравнение(5.8),получим

, (5.10)

т.е.теперьдевиациячастотынезависитотчастотымодулирующегоколебания.

Нарис.5.14приведенаупрощеннаяпринципиальнаясхемамодуляторадляпо

лученияЧМколебанийизФМколебаний.Каквидноизрис.5.14,модуляторпред

ставляетсобойодноконтурныйрезонансныйусилитель.ВарикапD

1

включенпарал

лельноконтуруL

.Модулирующеенапряжениенаварикапподаетсячерезинтег

рирующую цепочкуR

. Навходусилителяподаются высокостабильные колеба

нияоткварцованногогенератора.

Приотсутствиимодулирующегонапряженияконтурнастроенначастотуквар

цованногогенератораω

кв

,

bU0

–емкостьварикапаврабочейточкеприU

(t)=0.

При подаче модулирующего сигнала появляется расстройка контура относи

тельночастотыω

кв

,т.е.фазоваямодуляцияколебаниякварцованногогенератора.

Основнымдостоинствомпримененияфазовыхмодуляторовдляосуществления

частотной модуляции является то, что модуляция осуществляется не в задающем

генераторе передатчика,а в одномиз последующих каскадов. Поэтомузадающий

генераторможетбытьвыполненввидекварцованногогенератора,обеспечивающе

говысокуюстабильностьсреднейчастотымодулятора.

Основным недостатком является малая величина девиации частоты, которая

приэтомполучается.ОбычнолинейнаядевиацияфазыΔφводноконтурныхусили

теляхнепревышает0,5радиан.ТогдаприΩ

мкн

=300Гц Δω=300*0,5=150Гц.Для

доведениядевиациичастотыдонесколькихдесятковкГцнеобходимопоследующее

умножениечастоты всотнитысячираз.Ихотя устройства умножениямогутбыть

выполнены маломощными все же такой модуляторпередатчик получается доста

точносложным.Крометого,притакойфазовоймодуляциивсегдапоявляетсяпара

зитнаяамплитуднаямодуляция.Темнеменее,этотметоднашелприменениевмно

гоканальнойтелефонии.

Структурная схема передатчика радиорелейной системы с преобразованием

ФМвЧМпоказананарис.5.15.

5.5.3Частотныедемодуляторы

ЧастотныйдемодуляторпредназначендлявыделенияполезногосигналаизЧМ

сигнала.Процессдемодуляциисостоитизследующихосновныхопераций:ограни

чениеамплитуды приходящего сигнала,преобразованиеЧМ сигналавсигнал,мо

дулированный по амплитуде, детектирование АМ сигнала и усиление сигнала ос

новной полосы. Каки к модуляторам, к демодуляторам многоканальныхрадиоре

лейных систем предъявляются весьма жесткие технические требования. Прежде

всегоэтообеспечениенеискаженнойдемодуляциисмалымуровнемвносимыхпо

мехприбольшойотносительнойполосерабочихчастотΔf≈0,5f

пч

.

Структурная схема частотного демодулятора показана на рис. 5.16. Сигнал

промежуточной частоты с выхода радиоствола поступает на усилитель

ограничитель,вкоторомподавляетсяпаразитнаяАМ.Затемсигналподаетсяначас

тотныйдетектор,состоящийизчастотногодискриминатораиамплитудногодетек

тора.Послечегопродетектированныйсигналусиливаетсяусилителемосновнойпо

лосы.

РассмотримболееподробноработуамплитудногоограничителяАО,таккакот

егоработызависетьбудетлидостигнутазаложеннаявЧМсигналепомехоустойчи

вость.

Амплитудный ограничитель подавляет паразитную АМ, образующуюся в

элементахпередачиЧМсигнала изза неравномерности АЧХ. Он входит в состав

приемопередатчикованалоговыхрадиосистемпередачиипредставляетсобойнели

нейноеустройство,навыходекоторогоподдерживаетсяпостоянныйуровеньпервой

гармоникиполезногоЧМсигнала.

ПослеусилениявпервомкаскадесигналПЧподводитсякАО,формирующему

из сигнала с паразитной АМ трапецеидальные импульсы постоянной амплитуды.

Затем такой сигнал усиливается и поступает на ФНЧ (или полосовой фильтр), на

выходекоторогообразуетсяколебаниепервойгармоники,ауровнивторойипосле

дующихгармоникослабляются.

НаличиегармоникЧМсигналавтрактепередачинежелательно,таккаквнели

нейных элементах они могут быть вторично преобразованы в первую гармонику.

Такоепреобразованиевызоветискажениятипа«эхо»иззаразличнойзадержкипер

войивысшихгармоникЧМколебаниявусилительномтракте.

ТиповаяамплитуднаяхарактеристикаАОприведенанарис.5.17.Наначальном

участке1прималыхамплитудахвходногосигналаАОусиливает

ам

вых ОП

УОП

детектор

Частотный

ограничитель

Амплитудный

АМ

ЧМ

Вход ПЧ

Рис5.16

вх

вых

Рис5.17

сигналПЧинелинейныесвойстванепроявляются.Нарабочемучастке2приноми

нальномуровнесигналаПЧвАОограничиваетсяамплитудаиразмахнапряжения

ограниченногосигналапочтинезависитотамплитудывходногосигнала.В качестве

нелинейныхэлементовобычноиспользуютсяпарыкремниевыхполупроводниковых

диодов с малымвременемпереключения,пониженным дифференциальнымсопро

тивлениемималойсобственнойемкостью.

Принцип работы параллельного ограничителя (рис. 5.18а) основан на шунти

рующем действиидвухвстречнопараллельныхдиодовD

1

иD

. Когдамгновенное

значение ВЧ напряжения сигнала в точке А превышает некоторый порог, опреде

ляемыйпрямойветвьювольтампернойхарактеристикидиодаφ

к

инапряжениемоб

ратногосмещенияЕ

>φ

+Е

),диодоткрывается.Возникающийпрямойтокдиода

препятствуетлинейномувозрастаниюнапряжениянанагрузкевточкеА.Отноше

ние приращения шунтирующего тока к приращению переменного напряжения на

выходеограничителяопределяетстепеньподавления АМ.Уидеальногоограничи

телятакоеприращениенапряженияравнонулю.

СтепеньослабленияпаразитнойАМвамплитудномограничителехарактеризу

етсякоэффициентомподавленияК

АМ

,дБ,связывающимотносительноеприращение

амплитудысигналанавходесотносительнымприращениемамплитудысигналана

выходе:

. (5.11)

ОбычновЧДмприменяютсядвухкаскадныеАОсК

АМ

≥З0дБ,авприемопере

датчиках —однокаскадныеАОсК

АМ

≥ 20дБ.В ТРСПстремятсясделатьК

АМ

≈З5...

40дБдляослабленияглубокойпаразитнойАМ,возникающейвтрактераспростра

нения.

в)

Рис5.18

Амплитудные ограничители определяют помехоустойчивость РСП с ЧМ, но

вместестемсамивносятискаженияиззапреобразованияамплитудноймодуляции

вфазовую.Рассмотрим,какпроисходитпреобразованиеАМвФМвамплитудном

параллельномограничителе.Дляэтогопредставимисточниксигналанаеговходев

видегенераторатокаI,дифференциальноесопротивлениеограничительдиодовD

1

и

2

–ввидепеременногорезистораR(см.эквивалентнуюсхемурис.5.18б).Емкость

о

равнасуммевыходнойемкостиактивногоэлемента(например,выходнойемко

ститранзистора,включенногонавходеограничительнойцепочки)иэквивалентной

емкостидиоднойпарыС

.

Приращениефазынапряжения Δφ на выходе ограничителя по отношению к

относительному приращению амплитуды тока Δφ/(ΔI/I)будетопределятькоэффи

циентАМФМпреобразованияамплитудногоограничителя,рад/отн.ед.:

, (5.12)

гдеY(ω)=ωC

o

–реактивнаяпроводимость.

НапрактикеК

АФ

измеряетсявградусахнадецибелизмененияуровнявходно

госигнала(рис.5.18в).УменьшитьК

АФ

позволяеткомпенсацияреактивнойпрово

димостиYначастотеω

=ω

пч

привключениипараллельноС

0

катушкисиндуктивно

стью.L =1/ω

2

. Вэтомслучае:

. (5.13)

Нарис.5.18вкривая2отражаеткомпенсациюАМФМпреобразованиявблизи

частотыω

о

(приRω

о

=0,8).

ВчастотномдискриминатореЧМколебаниенеобходимопреобразоватьвко

лебание,модулированноепоамплитуде.Такоепреобразованиедостигаетсявключе

нием в тракт передачиЧМсигнала частотнозависимой цепи, имеющейв рабочей

полосечастотАЧХвидалинейныйподъем:

( ) ( )

[ ]

00

1 ffKfK - + =

 , (5.14)

гдеК

0

—коэффициентпередачиначастотеf

.

Широкоеприменениеполучиличастотныедетекторысдискриминаторамина

расстроенныхLCконтурах.Нарис.5.19априведенпримерупрощеннойсхемычас

тотного детектора, состоящего посуществу из двух отдельныхЧДс одиночными

LCконтурами вкачествечастотнозависимыхчетырехполюсников. Например, при

0

=70МГцконтуродногоЧДимеетрезонанснуючастотуf

01

≈50МГц,второгоf

02

≈

90МГц.

Каждаяветвьнагружена на амплитудныйдетектор. Выходы детекторовобъединя

ются на общей нагрузке. Обычно применяется встречное включение детекторов,

при котором реализуются преимущества балансной схемы: компенсация четных

гармоник модулирующего напряжения и постоянной составляющей. В реальном

ЧД сигнал дополнительно симметрируется регулировкой переменного резистора

RP.

Рис5.19

АмплитудныедетекторывЧДдолжныобеспечиватьдетектированиесигналов

счастотамимодуляциидо10МГц,вноситьмалыйуровеньчастотныхиамплитуд

ныхискажений.ПрименяютсядвавидаАД:частотныеитранзисторные.

Нарис.5.19бсплошнойлиниейпоказанаАЧХЧД,аштриховой—характери

стикиотдельныхветвей.Результирующеенапряжениенавыходереальногочастот

ногодетектораявляетсясложнойфункциейотклонениячастоты:

(5.15)

Обычно u

вых

(0) ≈ 0 в результате симметрирования ветвей ЧД; u

(n)

вых

(0) – n

производныевыходногонапряженияпочастотевточке,гдеΔf =0,т.е.приf=f

.

Полезное напряжениесигналаосновной полосычастотопределяетсявторым

членомрядаu

вых ОП

=u'

вых

(0)Δf,т.е.u'

вых

(0)=К

ЧД

–крутизнадемодуляционнойха

рактеристики,равнаятангенсунаклонавточкеf=f

0

(см.рис.5.19б).Демодуляцион

наяхарактеристикаявляетсярезультирующейАЧХпервойивторойветвей.

Коэффициентыu

(n)

вых

(0)приn>1определяютнелинейныеискажениясигнала

основной полосы частот, возникающие в ЧД главным образом изза неидеальной

линейностичастотногодискриминатора.

5.5.4Усилителисигналовосновнойполосы(усилениегрупповыхивидео

сигналов)

Основныетребования,предъявляемыекусилителяммодулирующихсигналов

–получениенеобходимогоусиленияпридопустимомуровневносимыхискажений.

Длягрупповогоусилителяпримногоканальнойтелефониитакимкритериемявляет

ся:а)линейностьамплитуднойхарактеристикивовсейполосемногоканальногосо

общения. б)допустимый коэффициент нелинейных искажений, вносимых группо

вым усилителем,не должен превышать 0,1%. Для видеоусилителятребования не

стольжесткие–коэффициентнелинейныхискаженийдопускаетсядо1%.Сдругой

стороны видеоусилители должныудовлетворятьзаданнымнормам по переходным

характеристикам. В обоих видах усилителей накладываются жесткие ограничения

насобственныетепловыешумы.в)важнымтребованиемявляетсявысокаястабиль

ностькоэффициента усиления. г)неравномерностьАЧХгрупповых ивидеоусили

телейнедолжнапревышать0,1дБвполосе0..6..9МГц.

Высокиетребованиякстабильностикоэффициентаусиления,полосечастоти

уровнюнелинейныхискаженийможнообеспечитьлишьвусилителяхохваченных

глубокойотрицательнойобратнойсвязью.Чтобыкоэффициентусилениянезависел

отизмененияпитающихнапряжений,цепьобратнойсвязиделаютчистопассивной.

Типичнаясхемаусилителямодулирующихсигналовпоказананарис.5.20

усилитель четырехкаскадный. В первых двух каскадах транзисторы включены по

схемесобщимэмиттером(дляполучениямаксимальногокоэффициентаусиления).

Неблокированные сопротивления в цепи эмиттера создают глубокую обратную

связьпопостоянномуипеременномутоку,чтоповышаетстабильностьрежимара

боты транзистора, повышает входное сопротивление и уменьшает нелинейные ис

кажения.ДлякоррекцииАЧХвобластиверхнихчастотвовторомкаскадевведена

RCцепь.Втретьемичетвертомкаскадахтранзисторывключеныпосхемесобщим