Рассмотрено использование автоколебательных систем в модуляторах систем передачи информации. Показано применение эффекта повышенной чувствительности в таких системах.
Ключевые слова: автоколебательная система, модулятор, сигнал.
Информация передается по каналам связи при помощи несущего колебания, модулируемого передаваемой информацией. Модуляция — это процесс изменения одного или нескольких параметров несущего колебания в соответствии с изменением информативного параметра передаваемого сигнала, который называется модулирующим. Обычно это напряжение или ток. Известны разнообразные виды модуляции, каждый из которых обладает своими достоинствами и недостатками.
В системах связи и в радиотехнике устройства, выполняющие модуляцию несущего сигнала, называются модуляторами. В измерительных системах, системах контроля и управления аналогичные устройства называются преобразователями, и в них происходит модуляция несущего колебания изменением контролируемого параметра. Контролируемым параметром может быть и напряжение, и ток, и выходной параметр используемого датчика, например индуктивность, ёмкость или сопротивление.
В модуляторах и преобразователях способы и методы реализации модуляции аналогичны, поэтому подходы к анализу и синтезу данных устройств зачастую одинаковые.
Для передачи непрерывной информации лучше подходит угловая модуляция (УМ), которая делится на фазовую (ФМ) и частотную (ЧМ). Она применяется в системах низовой радиосвязи, в радиовещании в диапазоне УКВ, в звуковом сопровождении телевизионного вещания, в радиорелейной связи прямой видимости, тропосферной и космической связи, в радиотелеметрии, в системах радиоуправления, радионавигации и радиолокации. Сегодня большая часть цифровой информации передаётся с помощью частотной и фазовой манипуляции.
Широкое использование УМ связано с обеспечением ей лучшей помехоустойчивости и более высоких энергетических характеристик по сравнению с амплитудной модуляцией, что объясняется более широким спектром сигнала с угловой модуляцией.
Одной из проблем угловой модуляции является получение больших индексов модуляции простыми средствами. Другая проблема — отсутствие усилителей девиации фазы и девиации частоты сигналов с угловой модуляцией с возможностью плавного изменения коэффициента преобразования в широких пределах. Обе проблемы связаны с увеличением чувствительности угловых модуляторов и преобразователей.
Прямые и косвенные методы угловой модуляции имеют теоретические ограничения, которые не позволяют решить данные проблемы.
В режиме повышенной чувствительности [1] относительно небольшие изменения резонансных или средних частот фильтров автоколебательной системы, или небольшие изменения дополнительных фазовых сдвигов в петле автоколебательной системы, вызывают значительные изменения частот генерируемых сигналов.
Аналитические исследования, компьютерное моделирование и натурное макетирование позволили определить условия реализации данного эффекта в любой автоколебательной системе.
Эффект повышенной чувствительности позволяет реализовать [1] параметрические измерительные преобразователи с угловой модуляцией выходного сигнала, которые будут способны регистрировать сверхмалые отклонения контролируемого параметра.
Основа прямых методов угловой модуляции — это непосредственное воздействие на автоколебательную систему. Автоколебательная система должна генерировать гармонические колебания, частота или фаза которых является функцией управляющего воздействия. Рассмотрим свойства автоколебательных систем с целью использования их в угловых модуляторах и преобразователях.
Рассмотрим одноконтурные генераторы. Одноконтурные генераторы обладают одной собственной частотой, определяемой настройкой контура. Данная частота может изменяться в широких пределах при использовании в качестве одного из элементов контура переменного конденсатора или вариометра.
Одноконтурные генераторы рекомендуется использовать только на относительно длинных волнах. В диапазоне коротких волн катушки контуров содержат всего несколько витков, а емкости становятся соизмеримыми с междуэлектродными и монтажными емкостями, поэтому плавная регулировка обратной связи становится практически невозможной.
Простейшие автогенераторы содержат резонансный контур (полосный фильтр) и нелинейный усилитель в цепи обратной связи. Резонансный контур задает область частот генерируемого сигнала. Нелинейный усилитель нужен для восполнения энергии, которая теряется в резонансном контуре и для ограничения амплитуды генерируемых колебаний. В зависимости от вида нелинейной характеристики усилителя возбуждение генератора может быть мягким и жёстким. При мягком возбуждении генерация возникает после включения питания генератора, а при жёстком возбуждении необходимо дополнительно возбудить свободные колебания в резонансном контуре с амплитудой, достаточной для возникновения устойчивой генерации.
В режиме генерации выполняются условия баланса фаз и баланса амплитуд. Для определения уравнения баланса фаз представим резонансный контур с цепями связи как первый четырёхполюсник, а нелинейный усилитель — как второй четырёхполюсник. В этом случае должно быть равенство
где
f
— частота генерируемых колебаний, а
Пусть изменения амплитуды генерируемых колебаний не влияют на частоту, эффект амплитудно-фазовой конверсии отсутствует. Подставляя в (1) выражения для фазочастотных характеристик (ФЧХ), можно найти частоту автоколебаний. Так как фазовый сдвиг
Частота генерируемых сигналов управляется двумя способами. При первом изменяется резонансная частота контура первого четырёхполюсника вариацией его ёмкости или индуктивности. Частота генерируемых колебаний изменяется в широких пределах (диапазонные генераторы), но стабильность частоты не очень высокая. Второй способ — это изменение дополнительного фазового сдвига, вносимого вторым четырёхполюсником. Частота генерируемых колебаний изменяется только в пределах полосы пропускания первого четырёхполюсника, где выполняется условие баланса амплитуд.
В состав резонансного контура измерительных параметрических преобразователей входит датчик. Это значительно уменьшает добротность контура и, соответственно, стабильность частоты генерируемых колебаний. Из-за относительно малых вариаций выходного параметра датчика, влияющего на резонансную частоту контура, диапазон изменения частот генерируемых колебаний относительно мал.
При использовании в одноконтурном генераторе высокодобротного кварцевого резонатора стабильность частот генерируемых сигналов резко возрастает, но генератор практически теряет свойство управляемости.
Литература:
1. Иванов, В. В. Генераторные, фазовые и частотные преобразователи и модуляторы [Текст] / В. В. Иванов, В. К. Шакурский. — М.: Радио и связь, 2003. — 172 с.
