Аналоговые и импульсные сигналы и устройства

Проблемы преобразования и передачи аналоговых сигналов

Сигналы и устройства по ширине амплитудно-частотных спектров и АЧХ делят на аналоговые и импульсные. Чем шире спектр сигнала, тем больше объем информации, которая может быть передана сигналом. Аналоговые сигналы отличаются меньшей шириной спектра. В предыдущих главах наибольшее внимание было посвящено устройствам, которые можно отнести к аналоговым. Информация вносится в сигнал с помощью кодирующего устройства.

Основной способ кодирования аналоговых сигналов — модулирование. Например, звуковая информация, материализованная в виде колебаний воздуха, с помощью микрофона превращается в электрический сигнал — и_с(Г), сложную зависимость напряжения от времени. Это напряжение имеет небольшое значение в пределах 1 В примерно в полосе частот 20 Гц — 15 кГц. Для передачи и воспроизведения в одном устройстве требуется усиление сигнала усилителями с той же полосой пропускания. Если этот сигнал для воспроизведения надо передать на большое расстояние, то передача его по проводам оказывается экономически невыгодной. Такая задача давно решена с помощью радиоканала связи. Для того чтобы его использовать, надо перенести спектр сигнала в область частот радиоволн от 300 кГц до 30 МГц. Для переноса используется преобразование, которое называется амплитудной модуляцией (AM).

Амплитудно-модулированный сигнал (AM-сигнал) и_АМ(Г) представляется формулой.

где U_m — постоянное напряжение; u_c(t) — модулирующий сигнал; со₀ — несущая частота модулированного колебания.

Наглядный образ AM-сигнала легко представить в случае, когда исходный, т. е. модулирующий, сигнал — гармонический:

На рис. 4.1.1 приведена модель схемы AM.

В этой схеме модуляцию производит модулятор — умножитель сигналов «KXY»:

К — постоянный коэффициент (равен единице);

X — первый сомножитель в выражении (4.1.1) — сумма напряжений источников VI и V2;

Рис. 4.1.1. Схема формирования амнлитудно-модулированною сигнала.

(EWB).

VI — источник сигнала — модулирующего синусоидального напряжения (4.1.2) с амплитудой U_{c т} = 1 В и частотой F_c = 50 Гц, Q₍. = 2nF~ 314 рад/с;

V2 — источник постоянного напряжения J_m = 5 В (постоянной части амплитуды сигнала частотой /₀);

У — второй сомножитель в выражении (4.1.1) — напряжение источника V3;

V3 — источник модулируемого синусоидального напряжения с амплитудой U_m= 1 В и частотой/₀ = 2 кГц 2> F (co_H = 2л/₀).

Модулированный сигнал и_лм(?) выводится на резистор 1 кОм.

На рис. 4.1.2 показаны осциллограммы модулирующего u_c(t) в узле 4 (линия средней толщины), модулированного м_АМ(/) в узле 3 (тонкая линия) сигналов, а также несущего полезный сигнал модулируемого гармонического колебания в узле 2 (толстая линия).

Ясно, что амплитуда AM-колебания изменяется синхронно с изменениями модулирующего колебания в интервале от U_min = U_m — U_{c т} = 5 — 1 = 4 В д°^{шах =} U_m+ U_CIII = 5 + 1 = 6 В.

Количественным параметром AM-колебания является коэффициент модуляции, который не должен быть больше единицы (обычно от 0 до 0,4):

Рис. 4.1.2. К амплитудной модуляции (EWB).

Если разложить в ряд Фурье AM-колебание, то получится его спектр (набор гармонических составляющих). Для гармонического АМ-колебания спектр можно получить простыми преобразованиями:

На рис. 4.1.3 показана спектральная диаграмма для АМ-колебания в рассмотренном случае гармонической модуляции.

Рис. 4.1.3. Спектральная диаграмма для АМ-колебания при гармонической модуляции.

Спектральная диаграмма показывает диапазон частот, занятый АМ-сигналом. Если исходный сигнал многотональный, то он может быть представлен суммой гармонических составляющих из k гармоник с первой гармоникой Q₀. Тогда диапазон частот AM-сигнала, соответственно, составит от (со₀ — Ш₀) до (со₀ + &Q₀). Такую же полосу пропускания должен иметь канал связи, по которому передается AM-сигнал. Для телефонии достаточна полоса 16 кГц, для звуковых сигналов высокого качества — не менее 24 кГц, а для передачи телевизионного изображения — до 8 МГц. Для уменьшения полосы иногда используют только часть спектра меньше или больше со₍₎, так как в полном спектре информация повторяется.

АМ-сигналы применяют в ограниченной области средних частот 3—30 МГц, так как ширина спектра должна быть много меньше несущей частоты. AM имеет много недостатков, в частности АМ-сигналы плохо защищены от помех.

Для высокочастотных сигналов применяют угловую модуляцию в форме частотной (ЧМ) или фазовой модуляции (ФМ). В ЧМ-сигнале по закону управляющего напряжения изменяется частота сигнала:

Пример ЧМ-сигнала при гармонической модуляции = U_mcos[(co₀ +.

+ /77sin (Q/:))^] приведен на рис. 4.1.4.

В ФМ-сигнале функцией модулирующего сигнала является фаза модулированного колебания. ФМ-сигнал может иметь спектр шире, чем ЧМ-сигнал. Поскольку частота и фаза связаны как интеграл и производная, то они схожи по свойствам. Поэтому в теории ЧМи ФМ-сигналы объединены понятием «угловая модуляция». Полоса частот, А со, занимаемая сигналом с угловой модуляцией, зависит от индекса модуляции М = Aco/Q и достигает 2(М + 1) Q. Если М 1 (широкополосная модуляция), то диапазон частот, занимаемый сигналом, в А/раз больше, чем диапазон частот АМ-сигнала. Поэтому угловую модуляцию можно полезно реализовать только на частотах более сотен мегагерц.

Рис. 4.1.4. Фрагмент осциллограммы ЧМ-сигнала (EWB).

Модулированные аналоговые сигналы, принятые по каналам связи, восстанавливаются в приемных устройствах демодуляторами (амплитудными или фазовыми детекторами). Для устройств, преобразующих аналоговые сигналы, характерна сравнительно узкая полоса пропускания.

Упражнение 4.1.1

Расположите виды модуляции по ширине амплитудно-частотного спектра сигнала в убывающем порядке.

Варианты ответа:

• 1) AM, ЧМ, ФМ;
• 2) ФМ, ЧМ, AM;
• 3) ЧМ, ФМ, AM.

В энергетическом отношении аналоговые устройства имеют большой недостаток, так как в большинстве случаев имеют линейный режим по постоянной составляющей в середине линейного участка ВАХ транзисторов. Операционные усилители в этом отношении не являются исключением. Транзисторы, входящие в состав ОУ, потребляют энергию даже при нулевом дифференциальном входном напряжении ОУ.

Например, в усилителе биполярный транзистор (см. рис. 2.3.3) имеет по постоянной составляющей ток коллектора /_кп и напряжение между коллектором и эмиттером U_Kn. Мощность транзистора при отсутствии сигнала ^ркп = ^[ки^икп- Максимальная мощность сигнала Р_с макс = /<�Д = C,"U_cm/2 = = I_KnU_Kn/2. Здесь учтено, что амплитуды тока и напряжения коллектора не могут превышать, соответственно, /_кп и [7_КП. Отсюда КПД усилителя ц = ⁼ Лг. максАЛш ^+с, макс) ^< 50%.

Аналоговая электроника всегда имеет физические ограничения по точности представления информации в числовом выражении.

Альтернативой аналоговым сигналам и устройствам являются импульсные сигналы и устройства. Они имеют множество достоинств.

Упражнение 4.1.2

Определить КПД усилительного каскада на биполярном транзисторе, состояния которого соответствуют семейству выходных характеристик и линии нагрузки на рис. 2.3.7. Потерями в цепи базы пренебречь.