Кварцованный чм передатчик. Маломощный ЧМ-передатчик (подробное описание) Введение. Описание структурной схемы передатчика
5. Список используемых источников
радиопередатчик сигнал чм модулятор
1. Введение. Описание структурной схемы передатчика
В данной курсовой работе для синтеза радиовещательного ЧМ сигнала использован квадратурный КМОП DDS модулятор AD7008. Для управления работой DDS и взаимодействия с PC, а также для контроля за величиной КСВ использован микроконтроллер AT90S2313-10 (f CLK до 10 МГЦ, RISC архитектура). Данные через COM порт PC (интерфейс RS-232C) загружаются в микроконтроллер (порт D pin PD0 (RxD)). Для сопряжения логических уровней контроллера и PC использована микросхема ADN202E.
Для тактирования микроконтроллера использован внешний генератор Go1 гармонического напряжения с кварцевой стабилизацией с частотой 10 МГц. Через логический элемент (для получения прямоугольного напряжения) напряжение тактовой частоты (f clkMC = 10 МГЦ) подается на вход внутреннего усилителя XTAL1 (XTAL2 не задействован).
Напряжение с выхода Go1 через удвоитель частоты и буферные каскады (БК1 и БК2) подается на тактовый вход DDS (от БК1: f clkDDS = 20МГц) и на первый смеситель в качестве напряжения гетеродина (от БК2: f гет1 = 20 МГЦ). Понятно, что напряжение на выходе умножителя должно иметь минимальный уровень высших и субгармоник частоты 20 МГЦ.
Несущая частота на выходе DDS изменяется программным способом в интервале от 2 до 6 МГЦ с шагом 250 кГц (О выборе несущей и тактовой частот DDS будет упомянуто далее). Частотномодулированный сигнал (несущие частоты 2…6 МГЦ) с выхода DDS через преобразователь ток-напряжение (см. далее) подается на вход первого смесителя (СМ1), где происходит перенос в окрестность частот 22…26 МГц. Для подавления зеркального канала (14…18 МГЦ) использован ФВЧ с частотой среза f ср = 21 МГЦ. Далее с помощью второго переноса (СМ2: fгет2 = 47 МГЦ) спектр ЧМ сигнала переносится в окресность рабочей частоты (УКВ ЧМ диапазон 69…73 МГЦ). Для фильтрации зеркальных каналов и высших гармоник применены ФВЧ2 и ФНЧ1 с частотами среза 65 и 75 МГЦ соответственно. Применение фильтров уменьшает уровень внеполосного излучения.
Сигнал с выхода возбудителя, через предварительный усилитель (Pвых = 0.132 Вт) на вход мощной усилительной части передатчика (см. схема электрическая выходного усилителя РЧ).
В качестве активных элементов мощных каскадов взят транзистор 2Т951В
Так как выходная мощность транзистора не достаточна, то использовано суммирование мощности активных элементов.
Предоконечный каскад имеет регулируемый коэффициент усиления по мощности K p = f(U ЦАП), который изменяется в пределах от 0 до 25, таким образом, максимальная мощность на выходе предоконечного каскада должна быть не выше 3.3 Вт.
Регулировка производится изменением величины сопротивления в цепи обратной связи, данное сопротивление управляется напряжением ЦАП, входящего в тракт контроля за КСВ (см. далее).
Выходные и передоконечные каскады собраны по двухтактной схеме, с последующим суммированием мощности (суммирующее устройство на ТДЛ) значения мощностей (с учетом КПД согласующих цепей и цепей суммирования мощности) и коэффициентов усиления по мощности указаны на структурной схеме.
На выходе усилителя стоит цепь согласования (одновременно выполняет функцию полосового фильтра).
Согласование должно быть во всем диапазоне рабочих частот (69..73 МГц)
Схема электрическая выходного усилителя РЧ
2. Аппаратные средства
MicroController: микроконтроллер фирмы Atmel AT90S2313-10
1. AVRRISK архитектура
2. 32 8-ми разрядных регистра общего назначения
3. Тактовая частота до 10 МГц
4. 2 Кбайта программной Flash-памяти
5. 128 байт ОЗУ.
6. Поддержка последовательных интерфейсов SPI и UART.
Для сопряжения логических уровней компьютера и микроконтроллера применена микросхема ADM 202 E
DDS: цифрововй синтезатор AD7008
1) 32 разрядный аккумулятор фазы
2) встроенная таблица отсчетов SIN и COS
3) встроенный 10 разрядный ЦАП
4) токовый выход
ADC : аналогово-цифровой преобразователь AD 9200
1. 10 разрядный КМОП АЦП
DAC : цифро-аналоговый преобразователь AD 8582
3. Описание взаимодействия микроконтроллера и DDS
Частотная модуляция в DDS осуществляется посредством сложения двух квадратурных составляющих с соответствующими весовыми коэффициентами, задача контроллера получить от РС через последовательный порт (интерфейс RS-232C) байт информации (звуковые данные), рассчитать для него соответствующие весовые коэффициенты квадратурных составляющих и отослать их в DDS.
Во время работы с DDS (PD5 = 0), биты (ЦАП:
,, = (notPD5) = 1) и (АЦП: = PD6 = 1), т.е. ЦАП и АЦП (Тракт контроля за КСВ) находятся в третьем состоянии и наоборот при работе с ЦАП и АЦП DDS в третьем состоянии.Данные в DDS могут вводиться 8-ми и 16-ти-битными (8- и 16-bitDataBus) словами (MPUInterfaceD15…D0), после ввода записываются в 32-битный регистр (32-BITPARALLELASSEMBLYREGISTRY).
При использовании микроконтроллера AT90S23 информацию будем вводить побайтно (порт D контроллера – служебный, порт B - информационный).
Таблица битов взаимодействия
| PD6 | PD3…PD0 | TC3…TC0 | |
| PD6 | PB7…PB0 | D7…D8 | |
| PD4 | LOAD |
Биты ТС3…ТС0 задают направление записи (в какой из регистров будет записана информация из 32-байтного регистра).
При инициализации DDS контроллер должен выполнить следующее (PD5 =
= 0):1) На вход RESET высокий уровень, происходит обнуление всех регистров DDS (аппаратно).
2) настроить режим работы DDS, для этого в командный регистр отсылаются байты:
3) в регистр частоты FREQ0 REGотсылается 32-разрядное слово, которое является кодом несущей частоты передатчика.
Для этого, в течение четырех циклов записи во входной 32-разрядный регистр (32-BITPARALLELASSEMBLYREGISTRY) побайтно (из порта B контроллера) записывается код. После каждого цикла записи
= 0.
Для регистра FREQ0 REGTC3 = 1; TC2, TC1, TC0 = 0. После этого на входе LOAD = PD4 выставляется высокий уровень и происходит запись содержимого 32-BITPARALLELASSEMBLYREGISTRY в FREQ0 REG. Запись в другие регистры производится аналогично.
Казанский Государственный Технический Университет
имени А.Н.Туполева
Институт Радиоэлектроники и Телекоммуникаций
Кафедра Радиоэлектронных и квантовых устройств
Чм – передатчик
Расчетно-пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине
«Устройства формирования колебаний».
Специальность 201500.
Руководитель: ассистент кафедры РЭКУ Логинов С.С.
Зачетная книжка №
Дата защиты:
Казань, 2005г.
Вариант 8
В задание предъявлены следующие требования к передатчику:
1.Введение 5
2.Предварительный расчет 6
2.1.Оконечный каскад 6
2.2.Предоконечный каскад 7
2.3.Усилитель мощности 1 8
2.4.Усилитель мощности 2 10
3.Расчет НЧ-тракта 13
3.1.Выбор микрофона 13
4.Энергетический расчет каскадов 13
4.1.Автогенератор 13
4.2.Усилитель мощности 2 20
4.3.Эмиттерный повторитель 24
5.Расчет колебательной системы оконечного каскада 27
Список литературы 28
Приложение 29
1.Введение
Любая система связи включает в себя радиопередающее устройство. Задача радиопередатчика – преобразование энергии постоянного тока источников питания в электромагнитные колебания и управление этими колебаниями.
В данной работе производится расчет радиопередающего устройства с частотной модуляцией. Частотная модуляция применяется в передатчиках, предназначенных для низовой телефонной радиосвязи, радиовещания на УКВ, звукового сопровождения телевидения, радиорелейной, тропосферной и космической связи.
ЧМ передатчики более помехоустойчивы, чем АМ передатчики, коэффициент нелинейных искажений ~(0.5...1)% , что меньше, чем при АМ~(2...4)%. Поскольку при ЧМ в идеале амплитуда радиосигнала не изменяется, модуляцию можно осуществлять в маломощных каскадах, а в усилителе мощности задавать энергетически выгодный режим.
Выполнение технических требований предъявляемых к современным передатчикам оказывается сложной задачей, тем более что некоторые из этих требований взаимно противоречивы. Для удовлетворения всех требований приходится использовать прием разделения функций между отдельными составными частями устройства так, чтобы каждая часть выполняла в полной мере свою задачу, в соответствии с установленными требованиями, и не мешала бы другим частям устройства столь же точно выполнять их функции.
Составленная таким образом структурная схема дает возможность разработчику выбрать оптимальную структуру передатчика, определить количество составных частей и технические требования к ним. Проще говоря, структурная схема дает возможность увидеть устройство и принципы работы прибора уже на самом раннем этапе проектирования.
Рассмотрим кратко назначение отдельных элементов структурной схемы передатчика.
Рис 1. Структурная схема.
1- частотно-модулированный автогенератор. Генерирует высокостабильные колебания в заданном диапазоне частот. Далее эти колебания усиливаются в предварительных каскадах 2,4 и поступают на оконечный усилитель мощности 5. Часто предварительные каскады передатчика работают в режиме умножения частоты ВЧ колебаний – 3 умножитель частоты. Это облегчает требования к возбудителю и повышает устойчивость работы передатчика, поскольку усиление ведется на разных частотах. Усилители мощности обеспечивают на входе антенны (или фидера) заданную мощность ВЧ колебаний. Антенная система А излучает ВЧ колебания в пространство. Аналоговая микросхема 6 (усилитель напряжения) предназначена для усиления сигнала малого уровня поступающего с датчика звуковых частот 7.
Хотя идея создания беспроводного включателя/выключателя может быть тривиальной, разработка, внедрение и понимание происходящего намного сложнее, чем кажется на первый взгляд. На протяжении многих лет я хотел построить ВЧ-передатчик и ВЧ-приемник с нуля, но это всегда оказывалось слишком сложным. На этот раз все будет иначе!
В этой статье мы рассмотрим, что нужно для создания простого ВЧ-передатчика на 27 МГц, различные процессы, которые происходят в передатчике, как все взаимодействует, и протестируем его на некотором измерительном оборудовании. Конечная цель заключается в создании парного с этим передатчиком с приемника, чтобы при передаче на приемнике включался светодиод. Вот как все просто.
Цель и обзор этого проекта
Целью данного проекта является создание ВЧ-передатчика, который может отправить импульсы включения/выключения со своей антенны на некоторый приемник. Передатчик должен быть небольшим и помещаться в мою ладонь и должен действовать в рамках государственного регулирования выходной мощности и частотных диапазонов. Мы будем делать этот передатчик ориентируясь на то, что мы хотим сделать приемник, который включает светодиод во время передачи. Простая идея, но не простая реализация.
Передатчик должен выдавать цифровой сигнал вкл/выкл с частотой 350 Гц и использовать несущую частоту 27.145 МГц. Это должен быть непрерывный передатчик ВЧ волн, поэтому никакой модуляции нет, сигнал просто включен или выключен.
Обзор схемы
Схема этого проекта на самом деле обманчиво проста по сравнению со сложностью того, что происходит в цепи.
Особенности схемы
Задающий генератор
Первый транзистор T1 сконфигурирован так, что возбуждает кварц 27,145 МГц и заставляет его колебаться на своей собственной частоте.
Создание сигнала включения/выключения 350Гц
Таймер 555 сконфигурирован для получения сигнала 350Гц с его вывода 3 и подачи его на цепь нашего передатчика.
Смешение сигналов
Два сигнала, которые мы только что сгенерировали смешиваются на базе T2 и как только они выходят из коллектора транзистора, наш ВЧ сигнал готов для передачи.
Обзор платы
Разводка платы была сделана так, чтобы все детали были расположены очень плотно. Это трудно сделать с выводными элементами, но не невозможно.
Особенности платы
Земля
Земля охватывает всю плату (но прерывается дорожками), так что все элементы, которые должны иметь доступ к земле, легко получают ее. Земля также очень важна, т.к. действует как часть нашей антенны.
Ширина трассировки
Я просто выбрал хорошую ширину для красоты ПП, но кажется, что менее широкие дорожки быть лучше для ВЧ схем … Но я не верю, что на таких низких частотах будет выигрыш в производительности.
Сборка печатной платы
Наша плата готова, и теперь мы будем припаивать на неё все элементы. Так что соберите все элементы вместе, как у меня ниже:
Для начала паяем генератор импульсов включения/выключения на таймере 555. Его работу легко проверить нажав на кнопку питания и измерив его любым вольтметров.
Теперь, припаяйте схему генератора 27,145МГц.
Затем припаяйте схему смесителя.
Наконец, припаяйте последний индуктор 10uH и антенный провод 12"(дюймов) к плате.
Вот вид на пайку снизу:
Точно такой же вид сверху. Разве это не красиво?
Передатчик собран! Теперь давайте пройдемся по теории его работы.
Принцип работы
Вместо того, чтобы сосредоточиться на математической и сырой теоретической сторонах этого простого ВЧ-передатчика, мы сделаем упором на элементы в каждом из этапов. Математика, как/почему эта схема действительно работает, ужасно уродлива и слишком сложна... так что это интересно (для меня) просто построить и «чувствовать» что, где и как работает.
Так что давайте потратим некоторое время, чтобы пройти схему шаг за шагом, чтобы понять каждую часть цепи, её цель и вид сигнала в важных моментах. Мы пройдем через 3 раздела, в первом взглянем на то, как сигналы, которые мы хотим передать, создаются, а затем пойдем дальше, чтобы увидеть, как эти сигналы выглядят, когда мы хотим передать их, а затем, наконец, мы посмотрим на измерения выходной мощности передатчика.
Генерация несущей частоты
Прежде всего нам нужно сгенерировать сигнал, которые мы будем передавать. Вот часть схемы с кварцевым генератором:
Выше вы можете видеть, что схема выдает синусоидальную волну на необходимой нам частоте. Нет фильтрации многих присутствующих гармоник, что незначительно искажает наш результат, но этот сигнал будет работать.
Генерация сигналов включения/выключения
Следующий сигнал, который мы хотим генерировать, является низкочастотным «цифровым» сигналом включения/выключения. Для этого мы используем простой 555 таймер:
На его выходе наблюдаем меандр, что мы и ожидали увидеть. Теперь, давайте посмотрим, что происходит, когда эти два сигнала смешиваются.
Смешение сигналов
После того, как несущая частота 27,145 МГц выходит из конденсатора 150 пФ, она встречается с меандром 555 таймера после резистора 22кОм и эти два сигнала смешиваются (умножаются, если вам хочется). Ниже вы можете увидеть конечный результат этого смешивания и где именно на схеме это происходит:
Меандр от 555 таймера по-прежнему очень заметен и сигнал готов перейти в базу транзистора и будут выглядеть как то, что мы хотим передать.
Получающийся непрерывный сигнал
После того, как смешанный сигнал идет в транзисторе, мощное переключение включения/выключения от 555 таймера помогает делать хороший непрерывный выходной сигнал на нашей несущей частоте, готовый попасть в нашу антенну (после прохождения одного последнего блокировочного DC конденсатора).
Выходит либо гигантская синусоидальная волна с амплитудой 2В между пиками или основные 0В. Расстояние между включением/выключением соответствует нашему первоначальному сигналу 350 Гц. Итак, давайте теперь сделаем несколько измерений мощности, чтобы увидеть, как "мощен" наш передатчик на самом деле!
Анализ спектра
Чтобы убедиться, что передатчик выдает то, что мы ожидаем, прототип передатчика, построенный мной, был подключен к анализатору спектра:
Наша несущая частота, безусловно, видна с самым высоким пиком в 9dmb (около 10 мВт), а затем с обоих сторон видны частоты гармоник. Гармоники всегда ожидаемы в системах, которые не имеют фильтрации.
Последнее, что нужно сделать, это посмотреть, как выглядят наши мощности, что бы убедиться, что правительство не будет охотиться на нас для создания чего-то слишком мощного. Потребляемая мощность на одной пиковой частоте анализируется. Обратите внимание, высокая мощность была на самом деле на 27,142 МГц и не было на 27,145 МГц. На это влияют многие факторы.
Мощные выходные волны, видимые выше, выглядят как меандр, который мы хотели передать, что довольно хорошо, учитывая, что мы смотрим на смешанный сигнал. Это означает, что наш приемник должен иметь менее требовательную схему детекции включения/выключения, которые попадают на 7dBm и -25dBm. Мощность передачи находится в пределах допуска большинства стран.
Данные и наблюдения
Передатчик сам по себе скучная вещь, чтобы смотреть на него в действии. Вы включаете его, и он передает... Вы должны иметь приемник. В следующей статье мы рассмотрим, как построить парный 27МГц приемник и когда это будет, вы сможете посмотреть тестовое видео ниже:
Как только вы посмотрите видео испытания передатчика выше, все сомнения покину т вас, т.к. система работает как задумано и как требуется в целях этого проекта. Вы передаете, светодиод загорается. Вы останавливаете передачу, светодиод гаснет. Превосходно!
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| IC1 | Программируемый таймер и осциллятор | ICM7555 | 1 | В блокнот | ||
| T1, T2 | Биполярный транзистор | 2N2222 | 1 | В блокнот | ||
| D1 | Выпрямительный диод | 1N4148 | 1 | В блокнот | ||
| С1 | Конденсатор | 0.1 мкФ | 1 | В блокнот | ||
| С2 | Конденсатор | 68 пФ | 1 | В блокнот | ||
| С3 | Конденсатор | 150 пФ | 1 | В блокнот | ||
| С5 | Конденсатор | 27 пФ | 1 | В блокнот | ||
| С6 | Конденсатор | 100 пФ | 1 | В блокнот | ||
| С9 | Электролитический конденсатор | 2.2 мкФ | 1 | В блокнот | ||
| R1 | Резистор | 100 кОм | 1 | В блокнот | ||
| R2 | Резистор | 100 Ом | 1 | В блокнот | ||
| R5 | Резистор | 470 Ом | 1 |
Блок-схема передатчика с непосредственной
частотной модуляцией
приведена на рис. 15.2. Неотъемлемой частью такой схемы является реактансная схема.
Для получения сигнала, модулированного по частоте, требуется изменять частоту несущей со скоростью, зависящей от частоты модулирующего сигнала. Таким образом, если частота модулирующего сигнала равна
100 Гц, частота несущей после модуляции будет отклоняться от средней частоты в обе стороны 100 раз в секунду. Аналогично, если частота модулирующего сигнала равна 2 кГц, то частота модулированного сигнала будет изменяться 2000 раз в секунду. Величина же отклонения частоты от ее среднего значения опре-дечяется амплитудой модулирующего сигнала. При увеличении амплитуды модулирующего сигнала отклонение частоты несущей от среднего значения возрастает.
Поскольку частота несущей непрерывно изменяется в процессе частотной модуляции, генератор несущей должен позволять осуществлять перестройку частоты. Для того чтобы частота несущей была стабильной, применяется кварцованный автогенератор. Кроме того, для той же цели используется схема автоматической подстройки частоты.
Рис. 15.2. Блок-схема передатчика с непосредственной ЧМ.
Генератор с регулируемой частотой в схеме на рис. 15.2 имеет частоту, равную 1/18 частоты несущей.
Таким образом, если частота несущей равна 90 МГц, то частота генератора составит 5 МГц. Максимальное отклонение (девиация) частоты поддерживается в пределах 4,2 кГц с тем, чтобы обеспечить линейную частотную модуляцию. Если, например, отклонение частоты генератора равно 4 кГц, то отклонение частоты на выходе составит 72 кГц, так как за счет умножения отклонение частоты также увеличивается в 18 раз.
В данной схеме кварцованный автогензратор вырабатывает колебания частотой 2,8 МГц. Затем эта частота удваивается до 5,6 МГц и подается на смеситель, на который также поступают сигналы частотой 5 МГц от генератора с регулируемой частотой. На выходе смесителя образуется сигнал разностной частоты 600 кГц, который поступает на схему автоматической подстройки частоты (АПЧ).
При работе схемы в ней поддерживается устойчивое состояние. Если частота генератора отклоняется от значения 5 МГц, то сигнал разностной частоты на выходе смесителя не будет совпадать с резонансной
частотой, на которую настроена схема АПЧ. В результате на выходе схемы АПЧ появится напряжение, которое будет действовать как управляющий сигнал, корректирующий уход частоты генератора (см. также разд. 4.6).
Как показано на рисунке, управляющий сигнал с выхода схемы АПЧ проходит через фильтр нижних частот и подается на реактансную схему. Последняя осуществляет коррекцию ухода частоты генератора с регулируемой частотой (см. гл. 12). Фильтр нижних частот используется для того, чтобы модулирующие колебания, которые содержатся в сигнале 0,6 МГц, не попадали на реактансную схему. Этот фильтр обычно пропускает сигналы частотой не более 10 Гц. Благодаря исключению сигналов звуковой частоты они не будут оказывать влияния на функцию управления. Если же звуковые составляющие не будут отфильтрованы , то они приведут к появлению реактивности, противоположной по знаку той, которая возникает под действием сигналов, подаваемых с модулирующей схемы. В результате частотная модуляция несущей может свестись к нулю. Так как уход частоты генератора с регулируемой частотой происходит с очень небольшой скоростью, то изменение напряже- ния на выходе схемы АПЧ происходит с частотой значительно ниже 10 Гц, т. е. в пределах полосы фильтра нижних частот.
Другой метод получения ЧМ-сигналов представлен на рис. 15.3. Вначале осуществляется амплитудная модуляция, которая затем преобразуется в частотную путем смещения боковых составляющих на 90° и воссоединения боковых составляющих и несущей. Здесь используется маломощная частотная модуляция, поэтому образуются только две боковые составляющие достаточной амплитуды. Путем сдвига фазы боковых составляющих получается фазовая модуляция, которая может быть преобразована в частотную при помощи схемы коррекции. В схеме на рис. 15.3 используется кварцованный автогенератор, сигналы которого после умножения частоты образуют несущую. Звуковые сигналы с усилительного выходного каскада подаются на балансный модулятор, на который поступают также сигналы с кварцованного автогенератора. В балансном мо- дуляторе осуществляется амплитудная модуляция несущей звуковыми сигналами. Две боковые составляющие
АМ-сигнала подаются на квадратурную фазосдвигающую схему. Две боковые полосы затем объединяются с несущей, которая подается от кварцованного автогенератора через буферный усилитель. Таким образом, осуществляется косвенная частотная модуляция.
В последующих каскадах происходит умножение частоты до требуемого значения. В балансном модуляторе несущая подавляется, так что на его выходе получаются только сигналы боковых составляющих (см. гл. 6).
Рис. 15.3. Блок-схема передатчика с косвенной ЧМ.
При фазовой модуляции девиация несущей является функцией частоты звукового модулирующего сигнала , умноженной на максимально допустимый сдвиг фазы. Следовательно, более высокой частоте звукового сигнала будет соответствовать большая величина девиации несущей в отличие от частотной модуляции, где девиация зависит только от амплитуды звукового сигнала. Для уравнивания девиации с тем, чтобы она со- ответствовала значению, которое имеет место при ЧМ, вводится корректирующая цепь, показанная на рис. 15.3.
Эта цепь состоит из последовательного резистора и параллельного конденсатора. Сопротивление pesncTqpa выбирается таким образом, чтобы оно было значительно больше реактивного сопротивления конденсатора во всем диапазоне звуковых частот. Поэтому осуществляется компенсация характеристик, полученных во время фазовой модуляции сигналов, и на выходе сигнал приобретает свойства ЧМ-сигнала.
Выходной сигнал с корректирующей цепи снимается с конденсатора, поэтому амплитуда сигналов
изменяется в зависимости от частоты. На низких частотах конденсатор имеет большое реактивное сопротивление и оказывает слабое шунтирующее действие В этом случае амплитуда сигнала, по существу, полностью передается на следующий каскад. Однако на более высоких частотах реактивное сопротивление конденсатора уменьшается так что он оказывает более сильное шунтирующее влияние Поэтому при возрастании частоты амплитуда сигналов поступающих с корректирующей схемы на выходной уси-титель уменьшается. Эта операция, обратная процессу фазовой модуляции, приводит к компенсации последней. В результате осуществляется процесс, эквивалентный стандартной частотной
МОДУЛЯЦИИ
,
при которой одинаковым амплитудам звуковых сигналов соответствуют одинаковые отклонения частоты несущей независимо от частоты.
15.3. Многоканальный передатчик с ЧМ
Как было показано ранее в разд. 6.4, в радиовещательных ЧМ-системах 100%-ная модуляция определяется как девиация частоты по 75 кГц в обе стороны от несущей. В ЧМ стерео- или других многоканальных системах передача должна осуществляться таким образом, чтобы спектр частот оставался в заданных пределах определяемых указанной 100%-ной модуляцией. Таким образом, в процессе стереопередачи различные модули- рующие сигналы не должны приводить к превышению пределов определяемых 100%-ной модуляцией.
В системах высокого качества модулирующие звуковые сигналы обычно находятся в диапазоне частот 30
Гц- 15 кГц. Могут быть использованы и более высокие модулирующие частоты но при условии, что их амплитуда не будет слишком велика и полоса частот не превысит заданных пределов. При более высокой частоте модулирующих сигналов скорость девиации несущей возрастает. Таким образом, применение более высокочастотных модулирующих сигналов позволяет реализовать удобный метод формирования сигналов в многоканальных (стерео-) системах.
Рис. 15.4. Стереопередатчик с ЧМ.
Пои передаче стереосигналов должна обеспечиваться совместимость т. е. возможность приема как стерео-, так и обычным одноканальным приемником. Для обеспечения совместимости стереостанции ведут передачу моносигнала, получаемого сложением двух сигналов от разных источников. При этом звуковые сигналы с левого и правого микрофонов подаются на модулирующую схему основного ЧМ-передатчика, который
является основным каналом. Такой способ иллюстрируется на рис. 15.4, ?де сигналы левого (Л), и правого (П) каналов подаются на моносмеситель. Эти сигналы затем поступают на модулятор генератор несущей и другие схемы, составляющие основной ЧМ-передатчик.
Для передачи стереосигналов требуются дополнительные схемы, которые образуют отдельно левый и правый каналы. С этой целью формируется разностный сигнал путем вычитания правого сигнала из левого
(правый и левый сигналы подаются на смеситель со сдвигом фаз 180°). Разностный сигнал используется для модуляции дополнительной несущей (называемой поднесущей) по амплитуде (AM), в результате чего образуются боковые составляющие. Эти боковые составляющие отдельно модулируют несущую по частоте.
Поднесущая частота подавляется, и поэтому при приеме стереосигналов она должна восстанавливаться в приемнике (см. разд. 15.7).
Частота поднесущей равна 38 кГц (генератор вырабатывает частоту 19 кГц, которая затем удваивается для получения требуемой частоты 38 кГц). Сигнал частотой 19 кГц также передается (путем модуляции несущей) для синхронизации стерео-детектора в приемнике. При этом сигнал частотой 19 кГц, называемый пилот- сигналом, осуществляет неглубокую модуляцию несущей (приблизительно 10%). Этого оказывается достаточно для удвоения этой частоты с целью восстановления поднесущей 38 кГц в приемнике. В приемнике поднесущая демодулируется вместе с боковыми составляющими стереосигнала (см. рис. 9.6).
Боковые составляющие, которые получаются в результате модуляции поднесущей частотой 38 кГц разностным сигналом, не совпадают с модулирующими моносигналами; боковые составляющие располагаются в диапазоне частот 23 - 53 кГц. Как и в случае моносигнала, диапазон частот звуковых стереосигналов находится в пределах 30 Гц - 15 кГц. Таким образом, многоканальный модулирующий сигнал при ЧМ- стереопередаче состоит из моносигнала (Л + П), частота которого лежит в звуковом диапазоне 30 Гц - 15 кГц, пилот-сигнала (поднесущей) частотой 19 кГц и (Л - П)-сигнала (23 - 53 кГц) с подавленной при передаче несущей частотой 38 кГц. При передаче музыкальных записей производится также модуляция основной несущей сигналами по двум каналам при помощи вспомогательного генератора, как показано на рисунке штриховыми линиями.
Метод совмещения каналов (subsidiary communications authorization - SCA) позволяет в передающей станции использовать дополнительные каналы , кроме канала обычного радиовещания. ЧМ-канал используется для радиовещания, а совмещенный (SCA) канал - только для передачи сигналов со звукоснимателя, например для звукового сопровождения и других вспомогательных целей. Как показано на рис. 15.4, вспомогательный генератор является по существу миниатюрным ЧМ-пе-редатчиком (по сравнению с основным передатчиком) с частотой поднесущей 67 кГц.
15.4. Телевизионный передатчик
В телевидении изображение передается по способу амплитудной модуляции несущей, как и при обычной
АМ-радиопере-даче. Для передачи сигналов звукового сопровождения используется частотная модуляция.
Разность между частотами несущей изображения и несущей звука составляет 4,5 МГц (см. рис. 5.14, а).
При передаче черно-белого изображения требуется передавать и сигналы для синхронизации кадровой и строчной разверток. Однако в цветном телевидении при модуляции несущей используются, кроме того, сигналы цветности и дополнительные синхронизирующие сигналы.
В черно-белом телевизионном приемнике задающий генератор вырабатывает колебания основной частоты, из которых получают сигналы для схем развертки. Частота колебаний задающего генератора равна 31,5 кГц.
Для получения частоты строчной (развертки 15750 Гц она делится на два, а для получения частоты кадровой развертки 60 Гц ее делят на 7, 5, 5 и 3. В случае передачи цветного изображения эти частоты несколько отличаются из-за особенностей ширины спектра и синхронизации. При цветной передаче требуется генерировать под-несущую и осуществлять ее модуляцию для получения боковых составляющих сигналов цветности, а затем несущую требуется подавить ввиду того, что отведенная для передачи полоса частот ограничена. Поэтому в приемнике несущую следует восстановить и смешать с боковыми составляющими для последующей демодуляции цветоразностных сигналов.
Таким образом, частота строчной развертки в цветном телевизионном приемнике равна 15734,264 Гц, а частота поднесу-щей при этом составляет 3,579545 МГц (3,58 МГц). Частота кадровой развертки в цветном телевизионном приемнике равна 59,94 Гц. Так как частоты строчной и кадровой разверток в цветном приемнике близки к соответствующим частотам в черно-белом приемнике, то при нормальных условиях работы не возникает никаких проблем при переходе от приема черно-белого изображения к цветному.
Основные блоки передающего устройства цветного телевидения показаны на рис. 15.5. Передающая камера цветного телевидения со специальной передающей трубкой и линзовой системой воспринимает три основных цвета изображения. Исходя из принципа аддитивности цвета, такими цветами являются красный (R),
синий (В)
и зеленый (G).
Как следует из схемы, приведенной на рис. 15.5, схемы усиления и развертки формируют на выходе три составляющих (сигналы красного, зеленого и синего) передаваемого изображения. Сигналы R, G
и В
далее подаются на три матричные схемы, две из которых содержат фазоинверторы. Выходные сигналы матриц обозначены У, 7 и Q. Сигнал У, как было отмечено выше , называют яркостным сигналом. Он получается
сложением трех сигналов основных цветов - красного, зеленого и синего - в соотношении 0,3:0,59:0,11.
Соблюдение такого соотношения необходимо для компенсации неодинаковой чувствительности глаза человека к различным цветам.
Рис. 15.5. Блок-схема цветного телевизионного передатчика.
Два основных цветоразностных сигнала состоят из I-сигнала (в фазе) и Q-сигнала (квадратурного). Сигнал I содержит 0,6 сигнала красного, 0,28 сигнала зеленого и 032 сигнала синего. Соотношение этих составляющих для сигнала Q следующее: R: G: B
= 0,21: 0,52: 0,13.
Сигналы I и Q подаются на балансные модуляторы, где они модулируют две поднесущие частотой 3,58
МГц, сдвинутые по фазе на 90°, причем сигнал I опережает сигнал Q. В балансных модуляторах поднесущая и сигналы I и Q подавляются, а на выход проходят только боковые колебания поднесущей. Сигнал У через фильтр поступает на сумматор, куда подаются также выходные сигналы с балансных модуляторов.
Формирователь сигналов цветовой синхронизации, на который поступают сигналы от генератора частотой
3,58 МГц, вырабатывает 9-периодный сигнал частотой 3,58 МГц, который передается на заднем уступе строчного гасящего импульса и служит для синхронизации генератора поднесущей в приемнике (см. разд. 4.6).
Все сигналы, включая синхронизирующие сигналы и гасящие импульсы строк и полей, складываются в сумматоре. Сформированный таким образом полный телевизионный сигнал подается на усилитель-модулятор, где при необходимости он усиливается, и затем поступает на оконечный модуляционный каскад, работающий в режиме усиления класса С. Как и в других передатчиках с AM, здесь используется генератор с кварцевой стабилизацией. Сигналы с этого генератора умножаются по частоте, усиливаются и подаются на усилитель класса С. Для передачи сигналов звукового сопровождения используется отдельный передатчик с ЧМ. Таким образом, в телевизионном передающем устройстве используются два передатчика: один с амплитудной, а другой с частотной модуляцией.
15.5. Приемник АМ-сигналов
Блок-схема приемника АМ-сигналов изображена на рис. 15.6. Здесь представлена супергетеродинная
схема приема, которая положена в основу большинства приемников , используемых в системах связи.
Сигнал с выхода антенны через ВЧ-усилитель (см. рис. 3.4) поступает на преобразователь частоты, включающий в себя гетеродин и смеситель. В приемниках с низкой чувствительностью высокочастотного усилителя может и не быть; тогда сигнал с выхода антенны подается непосредственно на преобразователь, как показано на рисунке штриховой линией (см. также рис. 4.2).
Гетеродин преобразователя вырабатывает колебания требуемой частоты, которые, смешиваясь в смесителе с принимаемыми колебаниями модулированной несущей, образуют на выходе смесителя колебания промежуточной (разностной) частоты. Значение промежуточной частоты 455 кГц является стандартным для радиовещательных приемников [Промежуточная частота приемников, используемых в различных областях радиоэлектроники, изменяется в очень широких пределах. - Прим. Ред].
Рис. 15.6. Блок-схема супергетеродинного приемника.
Со смесителя сигнал подается на усилитель промежуточной частоты для дополнительного усиления и фильтрации мешающих сигналов, которые появляются в процессе гетеродинирова-ния. После усиления сигнал промежуточной частоты демодули-руется в детекторе, и выделяется звуковой сигнал. Так как звуковые сигналы на выходе детектора довольно слабые, их усиливают в обычном звуковом усилителе до уровня, необходимого для их дальнейшего воспроизведения в громкоговорителе.
Независимо от частоты принимаемых сигналов промежуточная частота приемника сохраняет определенное значение. Для этого настроечные конденсаторы высокочастотного усилителя, смесителя и гетеродина связывают между собой , так что в процессе настройки их роторы вращаются одновременно. Параллельно каждому из основных конденсаторов настройки включают подстроечный конденсатор небольшой емкости для обеспечения точной настройки во всем диапазоне работы приемника (см. рис. 4.2). Таким образом, независимо от частоты принимаемого сигнала гетеродин обеспечивает получение сигнала промежуточной (строго фиксированной) частоты; обычно частота гетеродина выше несущей частоты сигнала. Следовательно, если станция ведет передачу на частоте несущей 1000 кГц, то для получения разностной частоты 455 кГц частота колебаний гетеродина должна быть равна 1455 кГц.
Проведя достаточно большое количество экспериментов с маломощными ЧМ-передатчиками, вниманию радиолюбителей можно предложить практическую конструкцию передатчика, работающего в FM-диапазоне.
Данный передатчик имеет достаточно хорошие технические характеристики и, несмотря на простоту, может удовлетворить потребности как начинающих, так и опытных радиолюбителей. Устройство используется совместно с любым источником аудиосигнала, например линейным выходом магнитофона или высококачественным микрофоном.
Так как передатчик работает на участке вещания FM-радиостанций, то для исключения помех следует особо тщательно выбирать рабочую частоту. Она должна находиться как можно дальше по частоте от соседних радиовещательных станций.
Принципиальная схема
Принципиальная электрическая схема передатчика приведена на рис. 1. На транзисторе ѴТ1 типа ВС549 собран задающий генератор, частота которого устанавливается подстроенным конденсатором С5.
Для настройки передатчика следует включить бытовой радиоприемник в FM-ди-апазоне и, выключив бесшумную настройку, установить частоту, свободную от сигналов вещательных станций.
При этом в динамике должен быть слышен шум эфира. Далее тщательной подстройкой емкости конденсатора С5 добиваются пропадания шума в динамике приемника.
При этом рабочая частота передатчика будет соответствовать частоте настройки приемника. Так как на данных частотах сказывается влияние металлических предметов (отвертки) на рабочую частоту, то после каждого поворота ротора конденсатора С5 необходимо контролировать передачу внешним радиоприемником.
При сборке схемы следует также убедиться, что ротор С5 соединен с шиной питания +9 В. При этом влияние отвертки на генерируемую частоту будет минимальным. Еще лучше использовать для подстройки емкости С5 самодельную диэлектрическую отвертку, изготовленную из стеклотекстолита с удаленной фольгой.
Рис. 1. Схема простого УКВ ЧМ передатчика с усилителем мощности ВЧ.
Конденсатор СЗ является блокировочным. При этом его емкость выбрана исходя из условия обеспечения моночастотного возбуждения генератора.
Данный конденсатор должен быть высококачественным керамическим, с наименьшей длиной выводов. Этот же конденсатор вместе с резистором R1 образует фильтр нижних частот, ограничивающий полосу частот входного аудиосигнала и, соответственно, ширину спектра ВЧ-сиг-нала передатчика значением 15 кГц.
Все конденсаторы, использующиеся в схеме, должны быть керамическими (за исключением С1). Конденсаторы С4 и С8 должны быть с ТКЕ N750, другие - с ТКЕ NP0.
Принцип работы передатчика
На транзисторе ѴТ1 собран генератор ВЧ по схеме Колпитца. Частота генерации определяется резонансным контуром L1, С4, С5. Высокочастотный сигнал снимается с эмиттера ѴТ1 и поступает на буферный усилитель на транзисторе ѴТ2.
Главная задача буферного каскада заключается в ослаблении влияния антенны передатчика на частоту задающего генератора. Вдобавок к этому буферный каскад дополнительно усиливает полезный сигнал, что приводит к увеличению радиуса действия передатчика.
Коллекторной нагрузкой ѴТ2 является резонансный контур L2, С8, настроенный на рабочую частоту. Конденсатор С10-блокировочный, не пропускающий постоянную составляющую выходного сигнала в антенну.
Сигнал звуковой частоты, являющийся модулирующим, подается на базу транзистора ѴТ1, заставляя пропорционально изменяться протекающий через ѴТ1 коллекторный ток. Изменение коллекторного тока под воздействием аудиосигнала приводи г к изменению генерируемой частоты.
Таким образом, на выходе передатчика формируется модулированный по частоте высокочастотный сигнал. Уровень входного аудиосигнала должен составлять приблизительно 100 мВ.
При указанной на схеме емкости конденсатора С1 полоса частот аудиосигнала снизу ограничивается значением 50 Гц. Для уменьшения нижней частоты модулирующего сиг нала до 15 Гц емкость конденсатора С1 следует увеличить до 1 мкФ.
Данный конденсатор может быть как полиэфирным, так и электролитическим. При использовании электролитического полярного конденсатора его положительный вывод должен быть соединен с резистором R1.
Катушки индуктивности
Обе катушки индуктивности L1, L2 содержат по 10 витков (фактически по 9,5) эмалированного медного провода диаметром 1 мм, намотанного на оправке диаметром 3 мм. После намотки оправка вынимается из катушки.
Эмаль с концов катушек должна быть тщательно удалена, а выводы залужены. На рис. 2 приведена конструкция L1, L2. Обе катушки должны быть установлены горизонтально на расстоянии 2 мм от печатной платы.
Рис. 2. Конструкция L1, L2.
Изготовление катушек индуктивности должно быть выполнено строго по описанию, так как от них зависит рабочая частота передатчика. Приблизительное значение индуктивности L1, L2 составляет около 130 мкГн. Данное значение получено при использовании формулы:
где L - индуктивность катушки, мкГн; N-число витков; r-средний радиус катушки, мм; I-длинна катушки, мм.
Корректоры сигнала
Как правило, в промышленных ЧМ-передатчиках низкочастотный сигнал подвергают искажениям, которые устраняются соответственными цепями в приемном устройстве.
Существует два стандарта - большинство станций в мире используют постоянную времени, равную 50 мкс. В США вещательные УКВ-передатчики имеют постоянную времени цепи предыскажений, равную 75 мкс. Цель, которую хотят достичь при внесении искажений, - снижение уровня шума при приеме полезного сигнала.
В простой конструкции передатчика введение дополнительных корректирующих цепочек в ВЧ-тракте резко усложнило бы схему, поэтому в данном передатчике они отсутствуют.
Для улучшения качества передаваемого ЧМ-сигнала можно воспользоваться двумя схемами предусилителей-корректоров НЧ - микрофонного и линейного (рис. 3, рис. 4).
Рис. 3. Схема микрофонного предусилителя.
Рис. 4. Схема линейного предусилителя.
Используемый в схеме операционный усилитель позволяет получить гораздо меньший коэффициент гармоник по сравнению с транзисторным каскадом.
При этом выходное сопротивление ОУ имеет небольшое значение, позволяющее уменьшить уровень помех и увеличить стабильность частоты передатчика.
При использовании вместе с микрофонным усилителем динамического микрофона резистор R1 в схему устанавливать не нужно, так как он необходим только для питания конденсаторного микрофона. Коэффициент усиления устанавливается резистором R5 исходя из критерия минимальных искажений выходного сигнала.
Его значение зависит от конкретного типа используемого микрофона. Все блокировочные конденсаторы емкостью 0,1 мкФ должны быть керамическими.
Микрофонный усилитель имеет максимальный коэффициент передачи около 22, а линейный предусилитель - около 1. Таким образом, чувствительность с микрофонного входа составляет 5 мВ, а с линейного -100 мВ.
Емкость конденсатора С5 (С4 - для линейного усилителя) выбирается в зависимости от того, где будет использоваться передатчик. Для США данный конденсатор будет иметь емкость 15 нФ (6,8 нФ).
Следует отметить, что сформированный таким образом низкочастотный сигнал не вполне точно соответствует стандарту, однако для любительских целей это не принципиально.
При сборке устройства желательно обеспечить экранирование каскадов высокочастотной части передатчика от низкочастотного предусилителя (микрофонного или линейного). При изготовлении печатной платы необходимо использовать как можно большую поверхность платы в качестве общей шины. Для настройки ВЧ-части передатчика желательно иметь в своем распоряжении частотомер и осциллограф.
