А.Г. Панасюк

ТЕХНОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ

СИГНАЛОВ

Курс лекций

Учебное пособие для радиотехнических

специальностей

СПО

Краснодар

2015

Рецензенты: И.В.Барановский Главный инженер ООО «РИП-Импульс» Ф.Г.Хисамов д.т.н., профессор, академик РАЕН, ректор Кубанского института Информзащиты
Панасюк А.Г. Технология формирования сигналов Курс лекций. :

Учебное пособие для сред. спец. заведений. - Краснодар, ККЭП. - 196 с.
Изложены практические особенности построения и применения основных каскадов радиопередающих устройств усилителей мощности, автогенераторов, умножителей частоты и модуляторов. Определены перспективы развития техники радиопередающих устройств различного целевого назначения. Обобщены методические подходы и конкретные методики расчета параметров структурных схем и каскадов радиопередатчиков. Для студентов, обучающихся по специальностям «Радиосвязь, радиовещание и телевидение», «Радиоаппаратостроение» и «Компьютерная безопасность». Может быть полезна разработчикам и пользователям радиопередающих устройств в системах и сетях передачи информации.

ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебное пособие посвящено радиоэлектронной аппаратуры, имеющей в своем составе радиопередающий тракт, предназначенный для передачи радиосигналов. В учебном пособии сформирован материал многолетнего опыта препо- давания таких дисциплин как: “Радиопередающие устройства”, “Формирова- ние сигналов”, “Технология монтажа и обслуживания средств, систем радиосвязи”. Рассматривается принцип работы структурных схем радиопередатчиков, назначение, функции, схемы отдельных каскадов различных групп сложностей. Основной задачей при изучении теоретического материала является изучение критериев и методов оптимизации схемотехнических решений радиопередающей аппаратуры и их каскадов. Приведены схемотехнические решения различных каскадов устройств формирования сигналов. Обобщены конкретные методики расчета параметров структурных схем и каскадов передатчика, которые позволяют решить следующие задачи курсового проектирования: анализ прототипов и выбор путей построения РПДУ, обоснование рационального варианта структурной и функциональной схемы, разработка принципиальных электрических схем основных каскадов, расчет и анализ качественных показателей передатчика и др. Приведена методика измерений основных параметров радиопередающей аппаратуры. Освещено схемотехническое моделирование с примерами. В результате освоения материала учебного пособия студент должен: иметь представление о показателях качества, об основных научно- технических проблемах и о перспективах развития радиопередающей аппаратуры; знать основы функционально-модульного построения и методы системотехнического проектирования радиоприемных устройств, их технические характеристики; уметь разбираться в системотехнических решениях современной аппаратуры; уметь производить расчёт основных каскадов передатчиков. Автор благодарен рецензентам за полезные советы и замечания, способствующие улучшению содержания учебного пособия.
Технология формитования сигналов 4 Основные условные обозначения АГ — автогенератор; AM — амплитудная модуляция; АЭ — активный элемент; Б — база; БМ — балансный модулятор; БТ — биполярный транзистор; В — возбудитель; ВАХ — вольт-амперная характеристика; ВЧ —- высокочастотные (колебания); ГУН — генератор, управляемый напряжением; ДПКД — делитель с переменным коэффициентом деления; К — коллектор; КГ — кварцевый генератор; КПД — коэффициент полезного действия; КР — кварцевый резонатор; КС — колебательная система; М — модулятор; НЭ — нелинейный элемент; ОК — оконечный каскад; ОБ — общая база; ОЭ — общий эмиттер; ПГ — перестраиваемый генератор; ППП — полупроводниковый прибор; ПТ — полевой транзистор; ПФ — полосовой фильтр; ПЧ — промежуточная частота; РПДУ — радиопередатчик (радиопередающее устройство); РПрУ — радиоприемное устройство; САПР — система автоматизированного проектирования; СВЧ — сверхвысокочастотные (колебания); СРС — система радиосвязи; СЧ — синтезатор частоты; УМ — усилитель мощности; УНЧ — усилитель низкой частоты; УПЧ — усилитель промежуточной частоты; УЧ — умножители частоты; УЭ — управляющий элемент; ФАПЧ — фазовая автоподстройка частоты; ФНЧ — фильтр нижних частот; ЦП —- цепь питания; ЦСм — цепь смещения; ЦС — цепь согласования; ЧАП — частотная автоподстройка; Э — эмиттер.

Глава 1

Назначение,

области

применения,

основные

характеристики и структурные схемы передатчиков

1.1. Радиопередатчики в системах радиосвязи
Радиопередающие устройства (РПДУ) предназначены для выполнения двух основных функций — генерации электромагнитных колебаний высокой или сверхвысокой частоты и управления ими — модуляции в соответствии с передаваемым сообщением. В дальнейшем изложении будем использовать следующие основные определения. • Информация — некоторая совокупность сведений, определяющих меру знаний о тех или иных событиях, явлениях или фактах. • Сообщение —-совокупность знаков (символов), содержащих ту или иную информацию. • Информационный сигнал — физический процесс, отображающий (несущий) передаваемое сообщение. • Электрический сигнал — изменяющиеся по закону сообщений (информации) электрические величины (ток, напряжение, электрический заряд и др.). Радиопередатчики входят в состав систем радиосвязи (СРС), содержащих, кроме того, антенны, радиоприемные устройства и различные вспомогательные устройства. Рассмотрим пример одноканальной системы передачи информации (рис. 1.1). Как видно из рисунка, система передачи информации состоит из источника и потребителя информации, передающего и приемного трактов. Сообщение C(t) от источника поступает в передающий тракт, где с помощью электрофизического преобразователя преобразуется в электрический сигнал Для передачи сообщений с помощью электромагнитных волн используются высокочастотные (ВЧ) колебания, генерируемые в радиопередатчике, а электрический сигнал Um(t) применяется для управления этими колебаниями, т.е. осуществляется его модуляция. Полученные в РПДУ модулированные колебания ВЧ передаются в антенну, где преобразуются в энергию электромагнитного поля, распространяющегося в свободном пространстве. В приемном пункте антенна вновь преобразует энергию электромагнитного поля в энергию ВЧ колебаний, которые подаются в приемник..
Технология формитования сигналов 6 Рис.1.1 Функциональная схема системы радиосвязи В этом устройстве в результате усиления ВЧ колебаний и последующего их детектирования выделяется первичный электрический сигнал U'm(t). Далее сигнал с помощью обратного электрофизического преобразования преобразуется в сообщение C’(t). Таким образом, из примера следует, что радиопередатчик выполняет одну из важнейших функций СРС — создание электрических модулированных колебаний ВЧ и передачу их в антенну.
1.2. Классификация радиопередатчиков
Радиопередатчики классифицируются по назначению, условиям эксплуатации, выходной мощности, частоте, виду модуляции и т.д. В зависимости от назначения РПДУ подразделяются на связные, телеметрические, радиолокационные, радионавигационные, радиовещательные, телевизионные, радиоуправления, радиопомех и др. По условиям эксплуатации различаются стационарные и мобильные (носимые, возимые, бортовые авиационные и космические) РПДУ. По выходной мощности РПДУ подразделяются на следующие типы: маломощные (до 100 Вт); средней мощности (до 10 кВт); мощные (до 1000 кВт); сверхмощные (свыше 1000 кВт). РПДУ на полупроводниковых приборах (ППП) подразделяются на: маломощные (десятки милливатт), средней мощности (сотни милливатт – десятки ватт), мощные (сотни ватт – единицы киловатт ). По диапазону рабочих частот РПДУ классифицируют согласно рекомендациям Международного консультативного комитета по радио (МККР) в соответствии с используемым частотным диапазоном (табл. 1). В самом верхнем диапазоне частот различают оптические, рентгеновские, радиационные передатчики (рентгеновского диапазона волн и диапазона гамма-излучения). Рабочий диапазон частот определяет выбор активных элементов и колебательных систем. В низко- и высокочастотных РПДУ используются
Глава 1 Параметры и структурные схемы РПдУ 7 Таблица 1 Классификация частотных диапазонов Название диапазона Диапазон частот Диапазон длин волн ОНЧ — очень низкие ча- стоты (сверхдлинноволновый диапазон) НЧ — низкие частоты (длинноволновый диапазон) СЧ — средние частоты (средневолновый диапазон) ВЧ — высокие частоты (ко- ротковолновый диапазон) ОВЧ — очень высокие ча- стоты (ультракоротковолно- вый диапазон) УВЧ — ультравысокие ча- стоты СВЧ — сверхвысокие ча- стоты КВЧ — крайне высокие ча- стоты 3...30 кГц 30..300 кГц 300..3000 кГц 3...30 МГц 30...300 МГц 300..3000 МГц 3...30 ГГц 30...300 ГГц 300...3000 ГГц Мириаметровые волны Километровые волны Гекаметровые волны Декаметровые волны Метровые волны Дециметровые волны Сантиметровые волны Миллиметровые волны Субмиллиметровые волны колебательные системы с сосредоточенными параметрами, а время пролета носителей заряда в активных элементах мало по сравнению с периодом колебаний несущей частоты. В РПДУ сверхвысоких частот применяются колебательные системы с распределенными параметрами и активные элементы с большим временем пролета носителей заряда. В оптическом диапазоне используются квантово-механические активные элементы и оптические линии связи — световоды. По роду работы (виду излучения) различают передатчики телеграфные, телефонные, однополосные, импульсные и другие РПДУ. По виду модуляции выделяют РПДУ, работающие в непрерывном режиме с AM, ЧМ, ФМ или их сочетаниями, импульсные. По активным элементам в мощных каскадах различают ламповые, транзисторные, клистронные и другие РПДУ.
1.З. Основные характеристики радиопередатчиков
Любой радиопередатчик характеризуется набором показателей, которые должны удовлетворять определенным требованиям. Эти требования установлены в соответствующих государственных или отраслевых стандартах или других документах, имеющих статус нормативных. Все эти показатели (соответственно и требования к ним) можно разделить на три основные группы. 1. Энергетические показатели.
Технология формитования сигналов 8 - выходная мощность передатчика Рвых в значительной степени определяет дальность действия, надежность и помехоустойчивость СРС. Мощность современных передатчиков находится в пределах от долей ватта до миллионов ватт. - КПД передатчика η= Рвых/Рое, где Рое — суммарная мощность, потребляемая от источника питания. КПД для маломощных РПДУ во многом определяет их габаритные размеры и массу, а для мощных и сверхмощных — стоимость их создания и эксплуатации. Значения промышленного КПД современных РПДУ находится в пределах от десятых долей до десятков процентов. Выходная мощность и КПД передатчика определяются в первую очередь режимом работы оконечного усилителя как наиболее мощного и наиболее энергопотребляющего. 2.Показатели качества модуляции. Вид и параметры модуляции (AM, ЧМ, ФМ, ИМ и др.). Линейные и нелинейные искажения при модуляции Kиск Отношение полезного сигнала к шуму Рс/Рш Вероятность ошибки при передаче цифровой информации р. Эти показатели определяются качеством работы модулятора и каскадов, на которые он воздействует. 3.Показатели электромагнитной совместимости. 3.1 Рабочая частота fр. 3.2 Диапазон частот fmin – fmax Рабочая частота РПДУ определяется его назначением и условиями работы. Современные радиопередатчики работают на частотах от нескольких килогерц до сотен гигагерц и более (включая и оптический диапазон). 3.3 Относительная нестабильность частоты ∆f/fр. Стабильность рабочей частоты способствует повышению надежности работы и помехоустойчивости СРС (поскольку позволяет уменьшить полосу пропускания приемника). Высокая стабильность позволяет увеличить количество СРС, одновременно работающих в заданном диапазоне частот без взаимных помех. Современные РПДУ имеют относительную нестабильность частоты 10-3...10-6. Иногда требуется более высокая стабильность частоты РПДУ, работающих в сетях синхронного радиовещания (например, в высокоскоростных сетях передачи информации, измерительных системах и др.). Стабильность частоты определяется качеством работы возбудителя. 3.4 Относительный уровень побочных излучений kпоб=10lg P(поб∑) ⁄ Рвых . По существующим нормам мощность любого побочного излучения вновь разрабатываемых передатчиков не должна превышать 25 х10-6 . .. 10-3 Вт в зависимости от диапазона частот, мощности и назначения передатчика. Суммарная мощность колебаний, излучаемых антенной вне рабочей
Глава 1 Параметры и структурные схемы РПдУ 9 полосы частот, Рпоб Внеполосные и побочные излучения РПДУ не снижают качества работы СРС, в состав которой он входит. Однако эти излучения создают помехи другим радиосредствам. По этим причинам на уровень таких излучений накладываются жесткие ограничения, чем обеспечивается одновременная работа радиолиний без взаимных помех, т.е. решается проблема электромагнитной совместимости СРС. 3.5 Ширина полосы частот излучения, мощность внеполосных и побочных излучении определяются качеством выходной фильтрующей системы. К РПДУ предъявляются и другие требования, которые являются как общими для СРС в целом (надежность РПДУ, его габаритные размеры и масса), так и требования специфические, обусловленные спецификой СРС (механическая прочность, влагостойкость, диапазон рабочих температур, оптимальные для оператора условия в специальной обстановке).
1.4. Функциональные схемы радиопередатчиков
Обобщенная схема передатчика представлена на рис. 1.2. Высокочастотные колебания создаются в возбудителе, который в простейшем случае представляет собой задающий автогенератор, а в более сложном — синтезатор частот. Возбудители проектируются маломощными, а необходимая выходная мощность обеспечивается путем усиления созданных колебаний: вначале в предварительных каскадах усиления (а в ряде случаев и умножения частоты), а затем — в мощном оконечном каскаде. На выходе передатчика, как правило, включается фильтр для подавления нежелательных колебаний. Все современные передатчики являются многокаскадными. Управление колебаниями осуществляется с помощью модулятора (при передаче аналоговых информационных сигналов) или манипулятора (при передаче дискретных информационных сигналов), на вход которого и подается информационный модулирующий сигнал. Если в передатчике используется амплитудная модуляция, то модулятор воздействует на оконечный или предварительный каскад усиления мощности. В других случаях (при частотной, фазовой или однополосной модуляции) модулятор воздействует на возбудитель. Сформированные и усиленные по мощности электромагнитные колебания передаются для излучения непосредственно в антенну, или антенно-фидерное устройство (АФУ), или в линию связи (кабельную или волоконно-оптическую). Рассмотренные элементы схемы составляют тракт радиопередатчика.
Технология формитования сигналов 10 Рис. 1.2 Обобщенная схема современного передатчика Рис. 1.3 Схема высокочастотного тракта радиопередатчика Конкретные схемы передатчиков могут существенно различаться в зави- симости от предъявленных к ним технических требований — рабочей ча- стоты, выходной мощности, стабильности частоты и т.д. Рассмотрим типовые схемы передатчиков и их основных элементов. 1. Схема ВЧ тракта РПДУ диапазонов километровых (30... ...300 кГц), гек- тометровых (300...3000 кГц), декаметровых (3... ...30 МГц) и метровых (30...300 МГц) диапазонов волн представлена на рис. В.З. Начальные высо- кочастотные колебания создаются маломощными низкочастотными возбу- дителями и усиливаются многокаскадными транзисторными усилителями мощности. Частота повышается умножителями. При необходимости этот тракт усиления выполняют широкополосным и неперестраиваемым. Наиболее просто обе функции РПДУ — генерация электромагнитных колебаний и их модуляция реализуются в том случае, когда не требуется высокая стабильность частоты и выходная мощность относительно невелика. Например, при импульсной модуляции, относительной
Глава 1 Параметры и структурные схемы РПдУ 11 нестабильности частоты порядка 10~3 и выходной мощности, обеспечиваемой одним полупроводниковым прибором, функциональная схема РПДУ может иметь показанный на рис. В.4 вид. Вентиль на выходе генератора применен для защиты от внешних воздействий, поступающих от антенны. РПДУ, построенные по такой схеме, применяют на СВЧ в радиосистемах ближней локации и навигации, радиоответчиках и т.д. В узкополосных РПДУ метровых волн для повышения стабильности частоты автогенератора возбудитель часто строят на пониженной частоте и используют один или несколько промежуточных умножителей. В маломощных РПДУ (Рвых < 1 Вт) усилитель обычно содержит 2-3 каскада, в передатчиках большей мощности (Рвых > 10 Вт) число каскадов увеличивается до 4-5. Возбудитель ПРД чаще всего стабилизируется кварцем и представляет собой простейший автогенератор или более сложное устройство в зависимости от требований к стабильности частоты, диапазону перестройки, а также от типа модуляции (в радиопередатчиках с частотной и однополосной модуляцией). Амплитудная модуляция всегда проводится в оконечных каскадах (в однополосных радиопередатчиках усиливаются модулированные колебания). КПД передатчиков этих диапазонов волн находятся в пределах 30...40 %. Рис. 1.5 Структура тракта СВЧ радиопередатчика 2. Схема тракта СВЧ РПДУ дециметровых (300...3000 МГц) и сантиметровых (3...30 ГГц) диапазонов волн приведена на рис. 1.5. На выходе тракта включается ряд каскадов умножения частоты (на варакторах, например). Умножители частоты преобразуют колебательную мощность, отдаваемую транзисторными каскадами на частотах 100-1000 МГц, в мощность более высокой частоты ценой некоторых потерь мощности. Число каскадов обычно невелико (1-3) и зависит от заданной выходной частоты, мощности и КПД. Для СВЧ РПДУ характерно также увеличение числа транзисторных каскадов, так как транзисторы здесь работают уже на частотах, где их коэффициенты усиления мощности невелики (Кр — 2...4). Потери высокочастотной мощности в умножителях и ухудшение работы транзистора снижают КПД радиопередатчиков дециметрового и особенно сантиметрового диапазонов до 8...12 %.
1.5 Структурные хемы передатчиков ЧМ
Передатчики низовой радиосвязи входят в состав радиостанций различных систем радиосвязи. Эти радиостанции могут быть
Технология формитования сигналов 12 стационарными (центральные, диспетчерские станции), возимыми, носимыми, портативными. Основные параметры передатчиков определяются действующими стандартами. ГОСТ предусматривает обязательную предкоррекцию амплитудно- частотной модуляционной характеристики (частотные предыскажения). Увеличение коэффициента передачи цепи на верхних модулирующих частотах (подъем верхних частот) 6 дБ на октаву с точностью + 2 дБ, так что передатчик излучает по существу фазомодулированный сигнал, и если в приемнике используется более простое частотное детектирование, то принятый НЧ сигнал подвергают обратной частотной коррекции (с завалом верхних частот). Фактические характеристики речевого сигнала не подвергнутого обработке и предыскажения таковы, что его энергетический спектр S(F) описывается эмпирическим соотношением S(F)=K/F² и если пиковый уровень мощности в полосе 600....1000 Гц принять за 1, то эффективный уровень составит 0,1.. .0,15 (т.е. по напряжению 0,3Uпик ). Для повышения помехоустойчивости передачи речи в спектре телефонного, сигнала перед модулятором передатчика обеспечивают подъем верхних частот (как отмечалось выше) до 6 дБ на октаву, а возможно и 9...10 дБ на октаву. Кроме того, для повышения помехозащищенности линии радиотелефонной связи модулирующий сигнал подвергают амплитудному ограничению или применяют компрессию (сжатие) его динамического диапазона, что обрешечивает эквивалентный выигрыш по мощности передатчика ЧМ еще в 2...3 реза. Для уменьшения внеполосных излучений: передатчика спектр модулирующего сигнала ограничивают, для чего перед НЧ входом модулятора устанавливаются ФНЧ с полосой пропускания приблизительно до 3,5 кГц. На рис.1.6 представлены структурные схемы передатчиков низовой связи с угловой модуляцией. Первая схема на рисунке (а) использует прямую частотную модуляцию варикапом в кварцевом автогенераторе. Модулирующий сигнал усиливается в УНЧ и подвергается частотной предкорекции, затем производится ограничение его амплитуд (или сжатие динамического диапазона)в ограничи-теле. Фильтр нижних частот ограничивает спектр модулирующего сигнала приблизительно до 3,5 кГц. В кварцевом автогенераторе осуществляется прямая частотная модуляция, затем производится умножение частоты для увеличения глубины модуляции и повышения частоты до рабочего диапазона системы радиосвязи. Полосовой фильтр ослабляет нежелательные спектральные составляющие (в том числе и субгармоники), возникающие при умножении частоты. Усилитель мощности РЧ обеспечивает необходимый уровень выходной мощности передатчика, ФНЧ - ослабление излучения высших гармоник до допустимого уровня (около -40...60 дБ) и согласование с антенной.
Глава 1 Параметры и структурные схемы РПдУ 13 Рис.1.6 Структурные схемы передатчиков низовой связи с угловой модуляцией: а— с непосредственной ЧМ в кварцевом автогенераторе; б — с использованием фазового модулятора; в—с автоматической подстройкой средней частоты на основе синтезатора частот. Структурная схема передатчика рис, использующего косвенный метод получения ЧМ, изображена на рис 1.6,б. , где в фазовом модуляторе осуществляется модуляция фазы несущего колебания, спектр модулирующего сигнала перед входом модулятора может подвергаться дополнительной коррекции в интеграторе. Частота задающего генератора стабилизируется кварцевым резонатором, а буферный усилитель уменьшает влияние последующей цепей на частоту автогенератора. Абонентские радиостанции обычно используют небольшое число частот (1...5), при этом в задающем генераторе передатчика – наиболее рационально реализовать принцип кварц-волна" и коммутировать необходимые кварцевые резонатора. В этом случае в схеме рис 1.6,а. необходимо принять меры по обеспечению постоянства девиации частоты при смене кварцев, так как последние имеют значительный разброс параметров. При увеличении числа рабочих частот, например на центральной станции, ведущей связь со многими корреспондентами на разных частотах, возбудитель передатчика выполняется по принципам
Технология формитования сигналов 14 построения синтезаторов сетки частот. Современные радиостанции низовой связи все чаще строятся многочастотными. Так, широко распространенные радиостанции индивидуального пользования диапазона 26,965...27,405 МГц имеют 40 каналов в европейском стандарте частот и могут дополнительно иметь еще 40 каналов российского стандарта. Предусмотрены два вида модуляции УМ, АМ. Примерная структурная схема передатчика подобной станции показана на рис 1.6,в. Частотная модуляция производится в подстраиваемом генераторе (ПГ), это обычно LC- транзисторный автогенератор с варикапом для ЧМ и автоподстройки частоты (или с двумя варикапами отдельно для ЧМ и для АПЧ) в микросхемном исполнении. Средняя частота ПГ устанавливается в соответствии с заданным каналом и поддерживается в пределах, допустимой нестабильности при помощи системе ФАПЧ и синтезатора частот по опорному кварцевому АГ также в микросхемном исполнении.
1.6 Структурные схемы однополосной модуляции
Построение структурных схем передатчиков с ОМ имеет ряд особенностей по сравнению, например, с передатчиками с АМ. В передатчиках с ОМ, модулированный сигнал формируется на рабочей частоте в возбудителе, затем усиливается до необходимой мощности и подводится к антенне. Перенос операции формирования ОМ сигнала в промежуточные каскады передатчика на более высокий уровень мощности не даёт практических преимуществ, встречая при этом значительные трудности. В связи с этим в возбудителях передатчиков с ОМ всегда присутствует устройство, формирующее сигналы для желательного вида работы (НЗЕ, R3Е, JЗЕ.) В соответствии с особенностями сигнала с ОМ, который можно рассматривать либо как для колебания (несущее и в боковой полосе),занимающих различные частотные полосы, либо как произведе ние колебания изменяющей во времени огибающей Uог(t) и ВЧ колебания с угловой модуляцией при построении передатчиков с ОМ можно реализовать три метода. Первый метод заключается в том, что в возбудителе (рис. 1.7, а) на рабочей частоте формируется однополосный сигнал (4) соответствующий, желательному виду излучения, который подводится к мощному линейному усилителю (ЛУ) с линейной амплитудной характеристикой в пределах Линейный усилитель содержит предварительные усилители (ПУ), мощный оконечный каскад-усилитель модулированных колебаний (ОК-УМК) и колебательную систему (КС) для согласования оконечного каскада с антенной и подавления гармоник. Наличие в ЛУ мощного оконечного каскада, электронные приборы которого для обеспечения линейной АХ должны работать в недонапряженном режиме, приводит к низкому промышленному КПД всего передатчика при усилении сигналов с переменной амплитудой. Однако благодаря простоте решения по этому методу построено подавляющее большинство передатчиков для радиосвязи, использующих излучение. Поэтому в дальнейшем этот вариант передатчика с ОМ будем называть классическим.
Глава 1 Параметры и структурные схемы РПдУ 15 Рис. 1.7 Структурные схемы передатчмков ОМ Второй метод - это метод раздельного излучения спектральных составляющих. В возбудителе (рис.1.7 б) на рабочей частоте формируются на раздельных выходах колебание с несущей частотой и колебание в боковой полосе Колебание несущей с постоянной амплитудой эффективно усиливается в предварительных усилителях (ПУН), затем в оконечном усилителе и через колебательную систему подводится к антенне . Колебания в боковой полосе с переменной амплитудой усиливаются линейным усилителем, состоящим из предварительных усилителей (ПУБ), оконечного усилителя (ОК-УМК), колебательной системы (КС) и подводятся к антенне . Антенны и должны иметь одинаковые параметры, но быть разнесены в пространстве, чтобы исключить перекрестную модуляцию и
Технология формитования сигналов 16 обусловленные ею искажения, а значит, взаимовлияние через антенные цепи оконечных каскадов передатчиков несущей и боковой. Сущность третьего метода ( рис 1.7в) .раздельного усиления составляющих сигнала с ОМ, заключается в том, что в возбудителе формируется однополосный сигнал, затем составляющие сигнала огибающая и ВЧ сигнал с ЧМ разделяются и подводятся к разным выходам. Далее сигналы усиливаются и подводятся к перемножителю ОК где формируется однополосный сигнал который, подводится к аннтене через ФНЧ.
Возбудитель ОМ с кварцевым фильтром
Структурная схема возбудителя, в котором ОМ сигнал формируется с использованием высокочастотного кварцевого фильтра, приведена на рис. 1.8 Сигнал ЗЧ от микрофона усиливается в УЗЧ и поступает на балансный модулятор, в котором осуществляется модуляция сигнала от генератора опорной частоты. На выходе ОМ отсутствует несущая частота AM сигнала, т.е. имеются только верхняя и нижняя боковые полосы этого сигнала. Разнос частот между этими боковыми полосами очень мал — при опорной частоте 8815 кГц и полосе частот сигнала ЗЧ 0,3...3кГц нижние боковые частоты будут в пределах 8812...8814,7кГц, а верхние — 8815,3...8818кГц. Кварцевый фильтр, включенный на выходе балансного модулятора пропускает частоты от 8815,3 до 8818 кГц и значительно ослабляет (не менее чем на 40 дБ) частоты ниже 8814,7 кГц , так что на его выходе присутствует сигнал только верхней боковой полосы. Сформированные на выходе сигналы ОМ и переносятся на частоты диапазонов преобразователем частоты, в который входит смеситель, ГПД (генератор плавного диапазона) и фильтр, пропускающий частоты используемого диапазона.. Рис. 1.8 Структурная схема передатчика ОМ(SSB) c кварцевым фильтром
Глава 1 Параметры и структурные схемы РПдУ 17
1.7 Выбор способа получения амплитудной модуляции
Рис.1.9 Обобщенные структурные схемы АМ передатчеков На рис 1.9 а,б показана структурная схема AM-передатчика на частоты выше 100…400мГц. В связи с тем ,что кварцевые автогенераторы могут работать на основной частоте кварца примерно до 20 мГц,а выше 30мГц - на механических гармониках. Поэтому для получения частот выше 100…400 МГц используется умножитель частое ты кроме этого это облегчает требования к возбудителю и повышает устойчивость передатчика, поскольку усиление ведется на различных частотах предоконечный каскад усиления (ПК) и оконечный каскад (ОК) обеспечивает на выходе антенны или фидера заданную мощность колебаний. Так. как передатчик работает с амплитудной модуляцией, то модуляционное устройство МУ, которое представляет собой усилитель звуковой частоты, воздействует на один или два каскада ПК и 0К. В данном случае при коэффициенте амплитудной модуляции необходимо модулировать как ПК так ОК. Возможно производить коллекторную модуляцию только ПК тогда ОК должна осуществляться автоматическая коллекторная модуляция.
Технология формитования сигналов 18
1.8. Возбудители радиопередатчиков
Основным элементом возбудителя является генератор высокостабиль- ных колебаний. Кроме того, в него могут быть включены каскады усиления, умножители частоты, элементы системы автоматической подстройки ча- стоты (АПЧ), в которых осуществляется генерация колебаний с кварцевой стабилизацией частоты, умножение частоты и фазовая модуляция. Такая схема возбудителя СВЧ радиопередатчика (рис. 1.10) удовлетво- ряет требованиям высокой стабильности частоты, низкого уровня шумов, малого уровня побочных излучений. В схеме применен перестраиваемый варикапом генератор СВЧ с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ). Для формирования частоты все более широко применяют синтезаторы частот, которые обеспечивают генерацию колебаний высокостабильной частоты в определенном диапазоне с шагом 100, 10 Гц или менее. Рис. 1.10 Функциональная схема возбудителя СВЧ радиопередатчика
1.9. Выходные каскады усиления радиопередатчиков
Выходную мощность РПДУ формируют каскады мощных усилителей. В случае, когда она может быть получена с помощью одиночного прибора, применяют схемы покаскадного наращивания мощности на транзисторах или диодах (рис. 1.11). Рис. 1.11 Схема радиопередатчика на генераторных диодах
Глава 1 Параметры и структурные схемы РПдУ 19 Если требуемая выходная мощность РПДУ превышает мощность одиночного прибора, то используют суммирование мощностей отдельных усилительных каскадов. В современных РПДУ используют три способа сложения мощностей: 1) с помощью сумматоров и предварительных делителей мощности; 2) с помощью активных фазированных антенных решеток (АФАР), при этом суммирование мощности происходит в пространстве; 3) комбинированные. Функциональная схема мощного усилителя радиопередатчика с при- менением сумматоров-делителей мощности приведена на рис1.12. В таких схемах мощность, поступающая от возбудителя, разделяется на несколько каналов, усиливается в каждом из них, а затем осуществляется суммирование мощностей отдельных каналов. Выходные мощности здесь примерно в N раз выше мощности одного активного элемента. Суммирование мощностей отдельных УМ производится в передающей АФАР, которая включает: устройство формирования колебаний нужной частоты, предварительный усилитель (возбудитель ФАР), пере дающие модули (фазовращатели, усилители, излучатели). Рис.1.12 Функциональная схема мощного усилителя радиопередатчика
Технология формитования сигналов 20
1.10 Перспективы развития радиопередающих устройств
Основными тенденциями развития РПДУ являются следующие. 1. Совершенствование элементной базы приводит к тому, что боль- шинство каскадов современных РПДУ выполняется только на цифровых и аналоговых микросхемах. Электронные (мощные усилительные лампы) и дискретные ППП (в основном полевые транзисторы) используются лишь в выходных каскадах усилителей радиопередатчиков большой и сверхбольшой мощности. 2. Обеспечение высокой стабильности большого числа рабочих частот РПДУ в диапазоне 100. ..200 МГц достигается применением цифровых синтезаторов частот, в диапазоне СВЧ 1...100 ГГц применяют дополнительно умножители частоты, причем в области СВЧ — варакторные умножители частоты. 3. Высокие уровни выходной мощности достигаются методами сло- жения мощностей идентичных узлов выходных каскадов. Используют параллельное включение АЭ и мостовые схемы сложения, которые дополнительно повышают надежность работы радиопередатчиков в результате взаимной развязки каскадов усиления. Наиболее перспективным направлением увеличения излучаемой мощности является суммирование мощностей в пространстве с помощью специальной антенной системы — фазированной антенной решетки. В ФАР мощности, излучаемые отдельными элементами, складываются в пространстве, и суммарная мощность практически равна сумме мощностей в отдельных каналах. 4. Создание и совершенствование транзисторных широкополосных усилителей (ШПУ) мощности СВЧ сигналов, которые отличаются простотой настройки, технологичностью изготовления и высокой надежностью в работе. 5. Повышение автономности и оперативности настройки и управления работы РПДУ. 6. Снижение массогабаритных параметров радиопередатчика, что достиг ается в основном за счет использования в них интегральных схем. Особенностью развития современной технологии РПДУ является ; выполнить радиопередатчик по возможности полностью полупроводниковых приборах и интегральных схемах. Достоинства электронной аппаратуры, выполненной на полупроводниковых приборах известна — это высокая надежность; устойчивость к механическим воздействиям; малые габариты и масса; мгновенная готовность к работе, экономичность, технологичность; повышенные конструктивные характеристики и др. Кроме этого, в основных каскадах таких РПДУ: - ППП используются в существенно нелинейных режимах; - отсутствуют подстроечные элементы для регулировок каскадов в процессе эксплуатации;
Глава 1 Параметры и структурные схемы РПдУ 21 - обеспечивается возможность создания широкополосных и сверхширокополосных усилителей мощности; - широко применяются устройства суммирования мощности; - каскады конструируются в виде гибридных интегральных схем. В настоящее время появились новые возможности для создания РПдУ полностью на полупроводниковых элементах. Прежде всего это существенным увеличением мощности и рабочей частоты ППП. Развитие эпитаксиальной технологии, применение многоэмиттерных стрктур и ряд других конструктивных и технологических достижений в полупроводниковой технике позволили создать ППП, генерирующие в низкочасотной области радиотехнического диапазона волн мощность порядка сотен ватт, а в дециметровом диапазоне волн — порядка с десятков ватт. Специальные диоды с резким восстановлением позволяют строить умножители частоты для переноса мощностей в более коротких волн без значительных потерь. Весьма широк фронт исследований, проводимых в поисках других способов генерирования высокочастотной мощности. Здесь наибольшие успехи достигнуты в разработке автогенераторов СВЧ, использующих эффект Ганна, и генераторов, работающих на лавинно-пролетных диодах. Эти приборы могут генерировать колебания в диапазоне СВЧ 30 ГГц при выходной мощности несколько киловатт (в импульсном режиме). Кроме того, разработка мостовых и гибридных соединений для сложения мощностей, транзисторных ШПУ мощности СВЧ сигналов и применение ферритовых развязывающих устройств позволяют использовать большое число ППП для их совместной работы на общую антенну. При этом выходная мощность радиопередатчика может составить десятки киловатт. Широкополосные УМ строят преимущественно по двухтактной схеме на транзисторах в режиме класса В. В качестве согласующих уст¬ройств используют трансформаторы с ферритовыми сердечниками. Применение ШПУ позволяет: • упростить процесс настройки РПДУ на рабочую частоту за счет замены резонансных усилителей с перестраиваемыми элементами (индуктивными катушками, конденсаторами) на неперестраиваемые ШПУ; • уменьшить время перехода с одной частоты на другую; • повысить надежность работы РПДУ уменьшением числа коммути¬руемых и подвижных контактов; • обеспечить работу РПДУ одновременно на нескольких различных частотах или усиливать сигналы, имеющие широкий спектр частот (шумоподобные сигналы); • облегчить создание полностью автоматизированных дистанционно управляемых необслуживаемых РПДУ. Широкополосные трансформаторные схемы усилителей отличает простота настройки, технологичность изготовления и высокая надежность в работе. Однако из-за влияния внутренних индуктивностей и емкостей
Технология формитования сигналов 22 транзисторов, элементов конструкции и соединений максимальная рабочая частота обычно не превышает 30...60 МГц при мощности 100...200 Вт и 80...100 МГц при меньшей мощности. Причина заключается в том, что для мощных генераторных транзисторов сопротивление нагрузки составляет 6...12 Ом. При столь малой нагрузке сопротивления включенных параллельно ей выходной емкости транзистора и емкости монтажа оказываются больше и не шунтируют ее. Согласование входа и выхода УМ с другими каскадами и нагрузкой обеспечивается с помощью высокочастотных широкополосных трансформаторов. В то же время успехи антенной техники, техники радиоприемных устройств и методов передачи информации позволяют использовать для самых разнообразных систем сравнительно маломощные радиопередатчики. В последнее время все большее внимание уделяется разработке передающих модулей АФАР и наметились тенденции построения некоторых каскадов РПДУ СВЧ (в первую очередь широкополосных усилителей) в виде полупроводниковых ИС. Все сказанное создает условия для широкого внедрения полностью полупроводниковых РПДУ в самые различные радиотехнические системы, что позволяет улучшить ряд показателей этих систем и прежде всего надежность. Если требуемая мощность не может быть обеспечена существующими генераторными полупроводниковыми приборами, то выходные каскады радиопередатчика выполняют на вакуумных приборах: радиолампах, клистронах, лампах бегущей волны и т.д. Основные направления совершенствования РПДУ конкретного назначения определяются требуемыми ТТХ и особенностями применения радиопередатчиков. Так, для передатчиков в телевидении и радиовещании такими направлениями являются : - повышение качественных показателей, надежности работы и обеспечение долговечной стабильности параметров; - автоматизация оборудования, создание полностью автоматизированных РПДУ, эксплуатируемых без персонала; - осваение ДМ, СМ и ММ диапазонов волн; - повышение степени унификации оборудования; - применение микропроцессоров и компьютеров; - улучшение габаритных и энергетических показателей; - разработка и выпуск TV РПДУ и ретрансляторов более широкой градации мощностей: 1, 2, 10, 100 Вт, 1, 2, 5, 20, 25, 40, 50 кВт; - использование вещания через ЧМ и спутниковые ретрансляторы; - использование волоконно-оптической техники.