Михаил Адаменко - Шпионские штучки, или Секреты тайной радиосвязи
4.1. Общие сведения
Прежде чем перейти к рассмотрению схемотехнических решений модуляторов, применяемых при разработке миниатюрных транзисторных радиопередающих устройств, автор считает необходимым привести некоторые основополагающие сведения, касающиеся теоретических основ модуляции высокочастотных радиосигналов.
Основные понятия и определения
Главное требование, предъявляемое практически к любому радиопередающему устройству, заключается в обеспечении передачи определенной информации. Поэтому в процессе функционирования радиопередатчика предназначенная для передачи информация, поступающая на вход такого устройства, сначала преобразуется в электрический сигнал низкой частоты и, если требуется, дополнительно обрабатывается в соответствующих каскадах низкочастотного тракта (например, ограничивается и/или усиливается). Окончательно сформированный на выходе НЧ-тракта сигнал воздействует на высокочастотный сигнал, генерируемый ВЧ-генератором, и соответствующим образом изменяет один или несколько его параметров. Преобразованный ВЧ-сигнал при необходимости подвергается дополнительной обработке в соответствующих каскадах высокочастотного тракта (например, в каскадах усиления и/или умножения), после чего передается в антенный тракт.
На основании изложенного можно сделать вывод о том, что под модуляцией в радиотехнике понимается процесс изменения одного или нескольких параметров несущего (чаще всего высокочастотного) колебания или сигнала в соответствии с изменением параметров колебания или сигнала (чаще всего низкочастотного), содержащего подлежащую передаче информацию.
Несущее колебание, называемое модулируемым сигналом, представляет собой электромагнитный сигнал, предназначенный для образования радиочастотного сигнала с помощью модуляции. В миниатюрных транзисторных радиопередатчиках модулируемый сигнал формируется высокочастотным генератором.
Электрический сигнал низкой частоты, содержащий информацию, подлежащую передаче, называется модулирующим. Этот сигнал может быть как непрерывным, так и импульсным. В миниатюрных радиопередающих устройствах формирование непрерывного модулирующего низкочастотного сигнала осуществляется посредством преобразования звуковых колебаний или акустических сигналов с помощью специальных акустико-электрических преобразователей. Обычно в роли таких преобразователей выступают хорошо известные микрофоны различных типов, обеспечивающие преобразование энергии акустических колебаний окружающей среды в переменный электрический ток звуковой частоты. Этот сигнал, при необходимости, усиливается микрофонным усилителем.
В процессе модуляции в соответствии с изменением параметров модулирующего сигнала происходит изменение одного или нескольких параметров модулируемого сигнала. В самом простом случае при использовании как непрерывного, так и импульсного модулирующего сигнала изменяемыми параметрами модулируемого сигнала могут быть, например, его амплитуда, частота или фаза.
В радиопередающих устройствах модуляция осуществляется с помощью специального каскада, который называется модулятором и обычно имеет два входа и один выход. При этом на низкочастотный вход подается модулирующий сигнал, а на высокочастотный вход – модулируемый сигнал. Преобразованный радиосигнал, содержащий полезную информацию, снимается с выхода модулятора. Этот сигнал часто называют модулированным.
Необходимо отметить, что главной отличительной особенностью миниатюрных радиопередающих устройств является их простота, обеспечиваемая использованием при их разработке соответствующих схемотехнических решений. Поэтому в транзисторных микропередатчиках модулятор нередко состоит всего лишь из нескольких элементов. Особой популярностью пользуются схемотехнические решения, позволяющие осуществить модуляцию сигнала с помощью непосредственного воздействия модулирующего низкочастотного сигнала на параметры входящих в состав высокочастотного генератора элементов. Именно такие схемотехнические решения рассматриваются далее.
Виды модуляции
В зависимости от особенностей передаваемой информации и требований, предъявляемых к качеству передачи, в настоящее время используются различные виды модуляции. Например, при использовании непрерывного модулирующего сигнала изменяемыми параметрами модулируемого сигнала могут быть его амплитуда, частота и фаза. Поэтому при обработке ВЧ-сигнала применяются соответственно амплитудная, частотная и фазовая модуляция. Если же в качестве модулирующего используется импульсный сигнал, то модулируемый сигнал может обрабатываться, соответственно, посредством, например, частотно-импульсной, фазо-импульсной или широтно-импульсной модуляции. В настоящее время широко применяется предварительное преобразование непрерывного сигнала, несущего полезную информацию, в импульсную форму. Сформированный на выходе низкочастотного тракта импульсный сигнал используется в качестве модулирующего сигнала.
Миниатюрные радиопередатчики обычно работают в непрерывном режиме. При разработке модуляторов для таких устройств используются схемотехнические решения, позволяющие обеспечить изменение одного параметра ВЧ-сигнала, чаще всего частоты или амплитуды. Поэтому рассматриваемые в соответствующих разделах данной главы конструкции представляют собой малогабаритные транзисторные радиопередатчики с частотной или амплитудной модуляцией ВЧ-сигнала.
В режиме амплитудной модуляции высокочастотного сигнала работали первые радиовещательные станции, использовавшиеся для передачи речи и музыки. Этот вид модуляции широко используется и в настоящее время, например, для звукового радиовещания в диапазонах длинных, средних и коротких волн (ДВ, СВ и КВ), для трехпрограммного проводного вещания, а также в отдельных областях радиосвязи и телевизионного вещания. Разновидностью амплитудной модуляции является однополосная модуляция, которая, однако, практически не используются в миниатюрных транзисторных радиопередатчиках.
В процессе амплитудной модуляции в соответствии с мгновенным значением уровня модулирующего НЧ-сигнала изменяется амплитуда модулируемого ВЧ-колебания несущей частоты. При этом частота модулируемого сигнала остается постоянной. Мгновенная амплитуда модулированного сигнала теоретически может иметь любой уровень в пределах от 0 до 100 % от уровня модулируемого колебания. Однако на практике используются меньшие уровни модуляции, обычно в пределах от 30 % до 50 %.
Главными недостатками сигналов с амплитудной модуляцией являются их слабая помехозащищенность и сравнительно низкое качество передаваемого полезного сигнала. В то же время дальность передачи АМ-сигналов, например, в диапазонах ДВ и КВ с отражением от ионосферы, значительно больше, чем сигналов с другими видами модуляции.
Частотная модуляция высокочастотного сигнала используется, например, для передачи сигналов радиовещательных станций в диапазонах УКВ и FM, а также в радиостанциях CB диапазона. Конечно же, частотная модуляция широко применяется и в других сферах радиотехники, например, в военной радиосвязи.
В процессе частотной модуляции в соответствии с мгновенным значением уровня модулирующего НЧ-сигнала изменяется частота модулируемого ВЧ-колебания. При этом амплитуда модулируемого сигнала остается постоянной. Отклонение частоты модулируемого колебания, например, у сигналов FM-диапазона обычно находится в пределах от ±50 кГц до ±75 кГц, а у любительских радиостанций не превышает 10 кГц.
Главными достоинствами сигналов с частотной модуляцией, по сравнению с АМ-сигналами, являются высокая помехозащищенность, меньший уровень шумов при снижении уровня модулированного сигнала, а также высокое качество передаваемого полезного сигнала.
Для передачи полезного сигнала используются и другие виды модуляции. Однако они практически не используются в миниатюрных транзисторных радиопередатчиках, поэтому их рассмотрение выходит за рамки данной книги.
Основные способы модуляции
Одна из главных задач, решаемых при создании миниатюрных радиопередающих устройств и радиомикрофонов, заключается в использовании наименьшего возможного количества элементов при достижении требуемого качества передаваемого сигнала. Успешное решение этой задачи обеспечивается применением соответствующих схемотехнических решений, в том числе и при разработке модуляторов. Поэтому в транзисторных микропередатчиках модуляторы обычно весьма просты и состоят всего лишь из нескольких элементов.
При разработке радиопередающей аппаратуры профессионалы и любители используют различные схемотехнические решения модуляторов. Однако особой популярностью при разработке транзисторных микропередатчиков пользуются схемотехнические решения, позволяющие осуществить модуляцию сигнала с помощью непосредственного воздействия модулирующего низкочастотного сигнала на параметры элементов, входящих в состав высокочастотного генератора. При использовании таких схемотехнических решений как амплитудная, так и частотная модуляция высокочастотного сигнала может осуществляться несколькими способами.
