Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
§ 99. Модуляция электрических колебаний
Рассмотрим, как происходит формирование радиосигна лов. На передающей радиостанции мощный генератор колебаний возбуждает и поддерживает электрические колебания высокой частоты в проводах антенны. При этом антенна излучает электромагнитные волны. Если на мгновение прервать работу генератора или отключить от него антенну, излучение волн прекращается. Продолжительность таких перерывов — в нашей воле. Этим и пользуются для формиро вания радиотелеграфных сигналов, причём устанавливают услов ную систему сигналов, состоящую, например, из комбинации коротких и продолжительных посылок электромагнитных волн (так, в частности, воспроизводятся точки и тире общеизвестной азбуки Морзе). В мощ ных радиотелеграфных передатчиках, работающих автоматически со скоростью до 300 слов в минуту, перерывы излучения высоко частотных колебаний производятся особыми электронными приборами («электронными мультипликаторами»).
Процесс формирования радиотелефонных сигналов более сложен. В этом случае на непрерывные колебания высокой частоты (её называют несущей частотой) «накладываются» относительно мед ленные колебания звуковой частоты. Но пригодны только определён ные способы сочетания колебаний, а именно такие, при которых колебания не просто суммируются как независимые, но при которых образуются сложные так называемые модулированные колебания. Модулированные колебания представляют собой высокочастотные колебания, амплитуда которых периодически изменяется с меньшей (в радиовещании со звуковой) частотой.
Пусть величина тока / колеблется с высокой (круговой) частотой :
I=I0sint, где I0=const.
Для формирования радиотелефонных сигналов звуковые колеба ния зв «накладываются» на высокочастотные так, что амплитуда высокочастотных колебаний уже не будет оставаться постоянной, а будет изменяться синхронно с «наложенными» звуковыми колебаниями:
(17)
График таких колебаний показан на рис. 486.
Рис. 486. Модуляция колебаний.
Коэффициент k называют коэффициентом модуляции, или глу биной модуляции. Амплитуда модулированного тока изменяется в пре делах от Iмакс=I0+kI0 до Iмин=I0-kI0. Следовательно,
.
В высококачественном радиовещании глубина модуляции не пре вышает 0,5—0,8. Рис. 487 показывает зависимость формы модулиро ванных колебаний от глубины модуляции.
Рис. 487. Зависимость формы модулированных колебаний от глубины модуляции.
Для модуляции колебаний к сетке генераторной лампы одновре менно подводят: через индуктивную связь с анодной цепью — коле бания несущей частоты со и через трансформатор T (рис. 488)— элек трические колебания звуковой частоты, созданные микрофоном (§ 101) и, если нужно, предварительно усиленные.
Рис. 488. Генератор амплитудно-модулированных колебаний (сеточная модуляция).
Поскольку обмотка трансформатора оказывает току высокой (несущей) частоты большое сопро тивление, то в цепи обратной связи трансформатор Т шунтируют конденсатором С, имеющим не слишком большую ёмкость, чтобы для токов звуковой частоты его сопротивление оставалось значительным. В другой схеме модуляции колебаний колебания звуковой частоты подводят к сетке особой модуляторной лампы (рис. 489) и под ключают анод этой лампы через индуктивную катушку без сердеч ника (высокочастотный дроссель) к аноду генераторной лампы.
Рис. 489. Генератор амплитудно-модулированных колебаний (анодная
модуляция).
Для токов звуковой частоты индуктивное сопротивление высокочастотного дросселя невелико и этот дроссель не препятствует проникновению колебаний звуковой частоты к аноду генераторной лампы, Но для тока несущей частоты сопротивление того же дросселя является столь большим, что высокочастотные колебания оказываются отрезан ными от модуляторной лампы и анодной батареи. Так как сопро тивление анодной батареи невелико, то для осуществления правильной анодной нагрузки модуляторной лампы распространение токов зву ковой частоты по линии «анодного питания» преграждают катушкой большой индуктивности с железным сердечником — низкочастотным дросселем. Конденсатор С, не составляющий препятствия для моду лированных колебаний, предотвращает короткое замыкание анодной батареи через катушку резонансного контура.
Для осуществления процесса модуляции колебаний является весьма важным, чтобы лампы, генерирующие модулированные колебания, работали на криволинейных участках сеточных характеристик. Для этого в схемах (рис. 488 и 489) сеткам ламп сообщается более или менее значительный отрицательный потенциал, смещающий рабочую точку на характеристике влево к нижнему криволинейному участку. Если бы зависимость между подводимым к сетке напряжением звуковой частоты и током в лампе была линейной, то вместо модулирования высокочастотных колебаний мы получили бы простое сложение (супер позицию) колебаний высокой и звуковой частоты по закону
I=I0sint+I0зв sinзвt.
Математический анализ вопроса показывает, что модуляция колебаний по закону (17) вызывается только нарушением линейной зависи мости между напряжением и током. Когда прирост анодного тока в лампе зависит от потенциала сетки не линейно, а по закону параболы Ia=aVg+bV2g
и при этом колебания звуковой частоты, подводимые к сетке, гармоничны:
Vg=V0 sinзвt, то коэффициент модуляции равен:
т. е. глубина модуляции тем более велика, чем больше амплитуда напряжения звуковой частоты и чем больше кривизна параболи ческой зависимости тока в лампе от сеточного напряжения (при b=0 и k=0).
Поскольку лампа, генерирующая модулированные колебания, вслед ствие постоянного отрицательного потенциала на сетке («отрицатель ного смещения сетки») работает на изгибе сеточной характеристики, то очевидно, что в «нижние» полупериоды звуковых колебаний, когда потенциал сетки становится ещё более отрицательным, лампа будет почти заперта — ток в ней будет близок к нулю. Поэтому казалось бы, что модулированные колебания должны оказаться несимметричными, со срезанными «нижними» полупериодами и иметь вид, показанный на верхнем графике рис. 490. Так это и было бы, если бы раскачивание колебаний в резонансном контуре не дополняло срезанных полу периодов аналогично тому, как это происходит при раскачивании толчками качелей. В итоге излучаемые модулированные колебания. Имеют симметричную форму (нижний график на рис. 490).
Рис. 490. Раскачка колебаний в ре зонансном контуре дополняет отрица тельные полупериоды модулирован ных колебаний.
Переписав уравнение модулированных колебаний (17) в виде I=I0(1+ksinзвt)sint
и применив формулы простых тригонометрических преобразований, получим:
I=I0 sint+1/2kI0sin(+sb)t+1/2 kI0 sin(-зв)t. (18)
Стало быть, модулированное колебание, если его разложить на гармонические колебания (т. е. выявить его «спектральный состав»),
(об аналогичном возникновении комбинационных частот было рас сказано в акустике, т. I, §§ 72 и 81).
На рис. 491 показан спектральный состав модулированного колеба ния. В соответствии с такой интерпретацией уравнения (17) частоты +зв и -зв называют боковыми частотами.
Рис. 491. Модулированное колебание состоит из трёх гармонических коле баний.
Электромагнитные волны радиовещательной станции модулируются совокупностью многих гармонических колебаний звуковой частоты от 50 до 8000 герц. Боковые частоты образуют в этом случае боко вые полосы шириной (при высококачественной передаче) до 8000 герц в обе стороны от несущей частоты.
Наряду с описанной так называемой амплитудной модуляцией применяют (в телевидении и опытном радиовещании) другой вид моду ляции— частотную модуляцию. При частотной модуляции изме няется не амплитуда несущей частоты (она остаётся постоянной), а в небольших пределах изменяется сама несущая частота; эти изме нения несущей частоты происходят с периодом звуковых колебаний. Для осуществления частотной модуляции параллельно с резонансным контуром генераторной лампы включают сетку модуляторной лампы (рис. 492), для которой создают такой режим работы, что подводимые к сетке низкочастотные колебания существенно и ритмично изменяют ёмкость Cgk (сетка — катод).
Рис. 492. Генератор частотно-модулированных колебаний.
Так как эта ёмкость Cgk включена парал лельно ёмкости С резонансного контура, то в такт звуковым колеба ниям изменяется собственная частота резонансного контура генератор ной лампы, а стало быть, и частота генерируемых несущих колебаний.
Возникающие амплитудные изменения снимаются особыми «ограничи телями», дополняющими схему рис. 490.
При частотной модуляции изменение несущей частоты происходит по закону
На рис. 493 сопоставлены амплитудно-модулированный си гнал (верхний график) и тот же сигнал частотно-модулированный (нижний график; изменения частоты представлены на нём преуве личенно).
Рис. 493. Сопоставление амплитудной и частотной модуляций.
1) От лат. modulatio — измерение, мера.