Дискретный амплитудный модулятор
Для получения амплитудно-манипулированного сигнала можно использовать ключ (рис. 5.59, а), выполняющий роль амплитудного модулятора. Принцип работы модулятора поясняет рис. 5.59, б.
Рис. 5.59. Дискретный амплитудный модулятор
Детектор АМП-сигналов
В качестве демодулятора используется двухполупериодный выпрямитель и фильтр нижних частот ФНЧ (рис. 5.60, а), который подавляет высшие гармоники выпрямленного сигнала и остатки несущей частоты. После ФНЧ включено пороговое устройство ПУ, на выходе которого посылки приобретают прямоугольную форму. Временные диаграммы, иллюстрирующие процесс детектирования АМП-сигнала, представлены на рис. 5.60, б.
Рис. 5.60. Детектор АМП-сигналов
Модуляторы ЧМП-сигналов
Модуляторы ЧМП-сигналов строятся на базе генераторов гармонических колебаний с непосредственным или косвенным управлением частотой.
5.17.1. Частотный модулятор с непосредственным воздействием на частоту колебаний (рис. 5.61).
При поступлении на вход формирователя DD1 логического нуля диод VD1 закрыт положительным смещением, снимаемым с резистора R5, конденсатор C3отключен от резонансного контура и частота определяется параметрами индуктивности L2 и конденсатора C2. При поступлении на вход DD1 логической единицы диод VD1 открывается и конденсатор C3подключается параллельно контуру L2C2, что приводит к уменьшению частоты генерируемых колебаний. Основное достоинство данного модулятора – это отсутствие разрыва фазы несущего колебания в точках модуляции, что уменьшает искажения из-за конечной полосы частот канала связи. Недостаток – низкая стабильность частоты генерируемых колебаний.
Рис. 5.61. Частотный модулятор с непосредственным воздействием
на частоту колебаний
5.17.2. Частотный модулятор дискретного действия. Данные модуляторы находят в настоящее время широкое применение в технике передачи дискретных сообщений вследствие высокой стабильности несущих колебаний и простоты управления. Принцип работы можно пояснить по структурной схеме, приведенной на рис. 5.62.
На вход вычитающего счетчика поступают импульсы от кварцевого генератора. Коэффициент деления счетчика устанавливается в зависимости от входного сообщения c(t)(лог. «0» или лог. «1»). Так как на выходе вычитающего счетчика импульсы будут появляться с большой скважностью, а следовательно, амплитуда первой гармоники будет незначительной, то формирователем импульсов формируется последовательность со скважностью Q = 2, из которой ФНЧ выделяется гармонический сигнал, промодулированный по частоте.
| Формирователь
импульсов со скважностью Q=2
|
| Устройство
формирования
коэффициента
деления
|
Рис. 5.62. Структурная схема частотного модулятора дискретного действия
Более подробно работу данного модулятора рассмотрим на следующем примере. Пусть частота кварцевого генератора f0 = 6861 кГц, частота посылки лог. «1» F1= 1, 8 кГц, а частота посылки лог. «0» F0 = 1, 97 кГц. Определим коэффициенты деления вычитающего счетчика при передаче логической единицы и нуля соответственно.
, 
.
Запишем коэффициенты k1 и k0 в двоичном неизбыточном коде.
, 
.
Из данной записи видно, что для организации вычитающего счетчика необходим, как минимум, одиннадцатиразрядный счетчик.
На рис. 5.63 приведена принципиальная электрическая схема частотного модулятора для рассматриваемого примера. Для правильной работы необходимо соблюдать следующие правила подключения входов 
счетчиков DD2 – DD3.
Если соответствующие разряды в 
и 
равны единице, то соответствующие им входы счетчиков DD2 – DD3 подключаются к шине «1», а если – нулю, то – к шине «0». Если разряд в равен единице, а соответствующий ему в 
равен нулю, то соответствующие входы подключаются к шине A, а если наоборот, то – к шине B.
Таким образом, при поступлении на вход сигнала c(t)равного единице, на шине A будет лог. «1», а на шине B – лог. «0» и счетчик работает с коэффициентом деления равным , что соответствует частоте выходного сигнала
F = 1, 8 кГц. При поступлении на вход сигнала c(t)равного нулю, на шине A будет лог. «0», а на шине B – лог. «1» и в счетчике устанавливается коэффициент , что соответствует частоте выходного сигнала F = 1, 97 кГц.
Демодуляторы ЧМП-сигналов
5.18.1. Частотный детектор при приеме по огибающей.Демодуляторы ЧМП-сигналов могут быть реализованы как на цифровых, так и на аналоговых устройствах. Следует отметить, что последние в настоящее время применяются значительно реже. Один из вариантов аналогового демодулятора использует представление ЧМП-сигнала в виде суммы двух АМП сигналов. Такая схема получила в литературе название двухполосной схемы приема по огибающей. Принцип работы такого демодулятора ясен из приведенной на рис. 5.64 структурной схемы и временных диаграмм (рис. 5.65). В верхнем тракте демодулятора выделяется огибающая сигнала с частотой f1, в нижнем – с частотой f2. В каждом из трактов имеются амплитудные демодуляторы Д1 и Д2, фильтры нижних частот ФНЧ и пороговые устройства ПУ1 и ПУ2, которые управляют работой триггера.
Рис. 5.63. Принципиальная электрическая схема частотного модулятора
дискретного действия
Рис. 5.64. Демодулятор ЧМП-сигнала при приеме по огибающей
Рис. 5.65. Временные диаграммы частотного демодулятора
при приеме по огибающей
5.18.2. Частотный детектор дискретного действия. Во многих цифровых частотных демодуляторах реализуется принцип классификации принимаемых сигналов по частоте на основе измерения длительности полупериода (периода) принимаемого сигнала.
На рис. 5.66 приведена структурная схема такого частотного детектора.
Рис. 5.66. Частотный детектор дискретного действия
Входной ЧМП-сигнал (рис. 5.67) поступает на усилитель-ограничитель, на выходе которого получается последовательность прямоугольных импульсов переменной длительности. Положительными импульсами счетчик устанавливается в исходное положение.
Рис. 5.67. Временные диаграммы работы частотного детектора дискретного действия
Счетчик содержит в себе две декодирующие схемы для фиксации двух временных зон: одной – при количестве тактовых импульсов на интервале одного полупериода входного колебания, меньшим некоторого значения b, и второй – при количестве тактовых импульсов на интервале одного полупериода входного колебания, большим некоторого значения a, причем a > b. Указанные зоны выбираются такими, чтобы можно было четко различать периоды колебаний двух значащих частот.
Выходы схем декодирования подключаются к входам триггера, посредством которого восстанавливаются посылки постоянного тока. Частота тактовых импульсов выбирается такой, чтобы обеспечивалась достаточно четкая фиксация значащих частот f1 и f2. Если на полупериоде ЧМП-сигнала число тактовых импульсов, подсчитанных счетчиком ST-DC, окажется больше b, но меньше a, то триггер восстановления переданной последовательности посылок сохраняет состояние, в котором он находился на предыдущем интервале.
Из рассмотрения принципа работы демодулятора следует, что восстановленные посылки могут по длительности отличаться от переданных посылок на величину периода ЧМП-сигнала. И, кроме того, рассматриваемый детектор целесообразно применять, когда частота модуляции значительно меньше частоты несущего колебания.
Разновидностью метода измерения длительности полупериода (периода) принимаемого сигнала является метод измерения разности набега фазы текущего несущего колебания относительно предшествующего периода.
Модуляторы ФМП-сигналов
Осуществить модуляцию фазы на передаче можно различными путями. Одна из простейших схем приведена на рис. 5.68. Несущая частота подается на первичную обмотку трансформатора T1, а напряжение двоичных посылок –
в средние точки трансформаторов T1 и T2.
Рис. 5.68. Схема фазового модулятора
При напряжении двоичных сигналов, большем, чем напряжение несущей, диоды VD1-VD2 будут являться электронными ключами, управляемыми только напряжением этих сигналов. В таких условиях сопротивление открытых диодов можно принять равным нулю, а сопротивление закрытых диодов – бесконечности. Учитывая сказанное, по схеме легко проследить, что при поступлении положительной посылки диоды VD1и VD4 открыты, а диоды VD2 и VD3 закрыты. В случае поступления отрицательной посылки откроются диоды VD2 и VD3 и, наоборот, закроются диоды VD1, VD4. Легко видеть, что при переходе от одной полярности посылки к другой фаза сигнала поворачивается на выходе схемы на 180°.
В схеме, представленной на рис. 5.69, изменение фазы на 180° осуществляется фазовращателем, а коммутация двух колебаний несущей частоты 
и 
– модулирующим сообщением.
| Фазовращатель
на Dj = 180°
|
Рис. 5.69. Фазовый модулятор дискретного действия
Для формирования ОФМП-сигнала необходимо на входе фазового модулятора установить устройство (рис. 5.70), преобразующее прямой код (сообщение c(t)) в относительный.
Тактовые импульсы поступают на схему совпадения в моменты, соответствующие серединам единичных элементов сигнала. При совпадении обеих последовательностей на выходе схемы совпадения появляются единичные импульсы, которые переводят триггер из одного состояния в другое (рис. 5.70, б). Таким образом, при передаче единичных элементов на выходе триггера всякий раз появляется фронт модулирующего сигнала, который и изменяет фазу носителя.
Рис. 5.70. Преобразователь прямого кода в относительный
Детекторы ФМП-сигнала
На практике широкое распространение для детектирования ФМП-сиг-нала нашли схемы балансного и кольцевого преобразователя частоты. Простейшая схема детектора, использующего кольцевой преобразователь частоты, показана на рис. 5.71, а временные диаграммы его работы – на рис. 5.72.
Рис. 5.71. Схема фазового детектора
Рис. 5.72. Временные диаграммы работы фазового детектора
Описанная выше схема фазового детектора основана на использовании классического фазового демодулятора, состоящего из перемножителя и фильтра нижних частот. Однако наличие таких фильтров не всегда является желательным. Тогда используются фазовые различители, обладающие пороговыми свойствами и не имеющие линейных схем.
5.20.1. Фазовые детекторы дискретного действия (рис. 5.73).Входной сигнал с выхода усилителя-ограничителя подается на входы двух схем И, а на вторые входы этих схем подаются две последовательности импульсов, соответствующие фронтам несущего колебания, но сдвинутые на полпериода Uн1 и Uн2 (рис. 5.74). Посредством этих импульсов осуществляется стробирование импульсов предварительно ограниченного входного сигнала. Демодулированные импульсы снимаются с выхода триггера DD3.
Одной из основных проблем при демодуляции ФМП-сигнала является проблема получения опорного напряжения. В качестве опорного напряжения можно использовать: напряжение высокостабильного местного генератора; пилот-сигнал, передаваемый по специальному каналу от передатчика; напряжение, выделяемое из рабочего сигнала.
Рис. 5.73. Фазовый различитель
Рис. 5.74. Временные диаграммы работы фазового различителя
Даже при выборе достаточно стабильного местного генератора его частота будет отличаться от частоты несущей, что приводит к накапливанию расхождения фаз несущей и опорного напряжения. В худшем случае сдвиг по фазе между опорным напряжением и несущей становится равным 180º, при этом все элементы принимаются «наоборот» («0» вместо «1» и «1» вместо «0»), или, как говорят, возникает явление «обратной работы». Второй способ не нашел широкого распространения из-за необходимости выделения для передачи пилот-сигнала полосы частот и мощности за счет рабочего сигнала, что приводит к ухудшению условий передачи рабочего сигнала.
Наибольшее распространение получил третий способ, основанный на эффекте «снятия модуляции».
5.20.2. Формирование опорного напряжения по Пистолькорсу.Один из вариантов схемы выделения опорного напряжения из принимаемого сигнала приведен на рис. 5.75.
Рис. 5.75. Схема выделения опорного напряжения
Выпрямитель устраняет фазовую модуляцию. Выпрямленный сигнал является периодическим с периодом 
, т.е. частота первой гармоники равна удвоенной частоте несущей. Поэтому после выделения узкополосным полосовым фильтром УПФ частоты 
она подается на делитель частоты с коэффициентом деления, равным двум. Для уменьшения уровня помех на выходе фильтра его полоса пропускания должна быть, возможно, меньше. Однако следует предусмотреть возможность ухода частоты несущей на передаче относительно ее номинального значения. Фазовращатель ФВ обеспечивает компенсацию фазовых сдвигов, возникающих в схеме выделения опорного напряжения, что позволяет получить когерентное опорное напряжение. Процесс получения опорного напряжения поясняется временными диаграммами на рис. 5.76.
5.20.3. Фазовращатель. Устройство (рис. 5.77) предназначено для изменения фазы гармонического сигнала в диапазоне от 0 до 180º при изменении управляющего напряжения от –1 до +1 В.
Рис. 5.76. Временные диаграммы, иллюстрирующие процесс получения
опорного напряжения
Рис. 5.77. Фазовращатель на полевых транзисторах
В основу фазовращателя положен мост, выполненный на элементах R2, R8, C2, C3, VT2. В качестве управляющего элемента используется полевой транзистор VT2, сопротивление которого меняется в зависимости от управляющего сигнала. Кроме того, включение этого транзистора в исток транзистора VT1 обеспечивает большое сопротивление для входного сигнала. Выходной сигнал фазовращательного моста подается на затвор транзистора VT3.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алексеенко, А. Г. и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем / А. Г. Алексеенко. – М.: Радио и связь, 1985. - 224 с.
2. Атаев, Д. И. Аналоговые интегральные микросхемы для бытовой радиоаппаратуры. / Д. И. Атаев, В. А. Болотников. – М.: Изд-во МЭИ, ПКФ «Печатное дело», 1992. - 240 с.
3. Богданович, М. И. Цифровые интегральные микросхемы / М. И. Богданович. – Минск: Беларусь, 1991. - 493 с.
4. Верзунов, М. В. Однополосная модуляция в радиосвязи / М. В. Верзунов. – М.: Воениздат, 1972. - 296 с.
5. Горошков, Б. И. Элементы радиоэлектронных устройств / Б. И. Горошков. – М.: Радио и связь, 1988.-176 с.
6. Горошков, Б. И. Радиоэлектронные устройства / Б. И. Горошков,. – М.: Радио и связь, 1984. - 400 с.
7. Емельянов, Г. А. Передача дискретной информации / Г. А. Емельянов, В. О. Шварцман. – М.: Радио и связь, 1982.
8. Жуховицкий, Б. Я. Сигналы телемеханики и их преобразования. – М.: Энергия, 1963. - 95 с.
9. Теория передачи сигналов: учебн. для вузов / А. Г. Зюко [и др.]. – М.: Связь, 1980. - 288 с.
10. Игнатов, В.А. Теория информации и передачи сигналов: учебник для вузов / В. А. Игнатов. – М.: Сов. радио, 1979. - 280 с.
11. Ильин, В. А. Телеуправление и телеизмерение: учеб. пособие для вузов / В. А. Ильин. – 3-е изд. – М.: Энергоиздат, 1982. - 560 с.
12. Макаров, В. А. Теоретические основы телемеханики / В. А. Макаров. – Л.: Изд. ЛГУ, 1974. - 287 с.
13. Мановцев, А. П. Основы теории радиотелеметрии / А. П. Мановцев. – М.: Энергия, 1973. – 592 с.
14. Манаев, Е. И. Основы радиоэлектроники / Е. И. Манаев. – М.: Радио и связь, 1990.
15. Мэндл, М. 200 избранных схем электроники / М. Мэндл. – М.: Мир, 1980.
16. Пенин, П. И. Радиотехнические системы передачи информации: учеб. пособие для вузов / П. И. Пенин, Л. И. Филиппов. – М.: Радио и связь, 1984. - 256 с.
17. Сорока, Н. И. Лабораторный практикум по курсу «Телемеханика». Часть 1. Методы преобразования телемеханической информации / Н. И. Сорока, Г. А. Кривинченко. – Минск: МРТИ, 1986. - 50 с.
18. Теоретические основы информационной техники / Ф. Е. Темников [и др.]. – М.: Энергия, 1979. - 512 с.
19. Радиосистемы передачи информации / И. М. Тепляков [и др.]. – М.: Радио и связь, 1982. - 264 с.
20. Тутевич, В. Н. Телемеханика: Учеб. пособие для студентов вузов / В. Н. Тутевич. – М.: Высш. шк., 1985. - 423 с.
21. Теоретические основы связи и управления / А. А. Фельдбаум [и др.]. – М.: Физматгиз, 1963. - 932 с.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение. 2
1. Общие сведения о сигналах. 2
1.1. Основные типы сигналов. 2
1.2. Периодические сигналы.. 6
1.3. Спектры периодических сигналов и необходимая ширина полосы частот. 8
1.4. Спектр одиночного прямоугольного импульса. 14
1.5. Преобразование непрерывных сообщений в дискретные сигналы.. 17
2. Модуляция гармонических колебаний. 20
2.1. Амплитудная модуляция. 20
2.2. Частотная модуляция (ЧМ) 25
2.3. Фазовая модуляция (ФМ) 26
2.4. Одновременная модуляция по амплитуде и по частоте. 33
3. Импульсная модуляция. 35
3.1. Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) 35
3.2. Фазоимпульсная модуляция (ФИМ) 39
3.3. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) 42
4. Манипулированные сигналы.. 45
4.1. Амплитудная манипуляция (АМП) 45
4.2. Фазовая манипуляция (ФМП) 47
4.3. Частотная манипуляция (ЧМП) 50
4.4. Двукратная модуляция. 55
4.5. Спектры радиоимпульсов. 62
5. Модуляторы и демодуляторы.. 64
5.1. Амплитудные модуляторы.. 64
5.2. Детекторы АМ-сигналов. 68
5.3. Модуляторы однополосного сигнала. 73
5.4. Детекторы ОАМ-сигнала. 75
5.5. Частотные модуляторы.. 76
5.6. Детекторы ЧМ-сигналов. 86
5.7. Фазовые модуляторы.. 94
5.8. Фазовые детекторы (ФД) 96
5.9. Амплитудно-импульсные модуляторы.. 99
5.10. Детекторы АИМ-сигналов. 102
5.11. Широтно-импульсный модулятор. 104
5.12. Демодуляторы ШИМ-сигналов. 105
5.13. Фазоимпульсные модуляторы.. 108
5.14. Детекторы ФИМ-сигналов. 108
5.15. Дискретный амплитудный модулятор. 109
5.16. Детектор АМП-сигналов. 110
5.17. Модуляторы ЧМП-сигналов. 110
5.18. Демодуляторы ЧМП-сигналов. 112
5.19. Модуляторы ФМП-сигналов. 116
5.20. Детекторы ФМП-сигнала. 118
Литература. 123
