3.3.4. Динамическое управление уровнем несущей частоты ( ДУН) в передатчиках с амплитудной модуляцией

Проблема развития в стране цифрового радиовещания (ЦРВ) предусматривает перевод на ЦРВ в стандарте DRM Digital Radio Mondiale – концепция ЦРВ на частотах ниже 30МГц с использованием радиопередатчиков с амплитудной модуляцией (АМ). В диапазоне ВЧ (327МГц) ЦРВ в формате DRM способно существенно улучшить качество радиовещания. В формате DRM предусматривается возможность одновременного вещания цифрового и аналогового сигналов в одной полосе частот, что обеспечивает безболезненный переход от аналогового к цифровому вещанию. Полоса звуковых частот, в значительной мере характеризующая качество вещательной передачи, составляет в аналоговом формате около 5кГц, а в цифровом – в принципе может достигать 15кГц. Формат DRM представляется особенно привлекательным, поскольку диапазон ВЧ обладает уникальными особенностями распространения радиоволн, благодаря которым он обеспечивает экономичное покрытие территории удаленных регионов не только России, но и стран СНГ, Восточной Европы, а также возможность оперативной организации канала вещания в заданную зону земного шара [1]. Однако в настоящее время состояние передающей сети АМ вещания не соответствует современным требованиям изза несоответствия современным требованиям передающих устройств. Парк радиопередающих устройств различной мощности в диапазонах АМ вещания насчитывает в России 450 единиц, на их долю приходится 57% электроэнергии, потребляемой всем оборудованием электросвязи. По разным оценкам от 65 до 80% АМ вещательных передатчиков должны быть списаны по причине физического и морального износа [2]. Это делает весьма актуальной модернизацию действуювующих КВ передатчиков, таких, как ПКВ100, ПКВ250 и др., с целью их адаптации к ЦРВ. В подавляющем большинстве радиовещательных передатчиков используется отличающаяся высокими энергетическими показателями анодная модуляция в оконечном каскаде, для осуществления анодной модуляции используется мощный дорогостоящий модулятор. При использовании АМ вещательного передатчика в системе ЦРВ усилительные каскады ВЧ тракта передатчика должны быть переведены в режим линейного усиления. Это связано с тем, что при COFDM модуляции (Coded Orthogonal Frequecy Division Multiplex – частотное уплотнение с кодированием ортогональными несущими), применяющейся в системах ЦРВ, пикфактор сигнала достаточно велик (около 10 дВ), и сигнал ЦРВ, по сути, является АФМсигналом, когда во времени изменяются и амплитуда, и фаза колебаний высокой частоты. Для усиления подобных сигналов к линейности усилительного тракта передатчика предъявляются весьма жесткие требования [3]. Простой перевод передатчика с анодной модуляцией в режим усиления модулированных колебаний (УМК) невозможен по ряду причин, главными из которых являются,, вопервых, недостаточная линейность модуляционной характеристики УМК, поскольку используемые в оконечных каскадах передатчиков генераторные лампы (ГУ66, ГУ68, ГУ65 и др.) не предназначены для линейного усиления, и вовторых в режиме УМК эффективность передатчика, а также отдаваемая генераторными лампами мощность и их КПД, существенно меньше, чем при анодной модуляции.

Рис.3.20

Для радиовещания на длинных, средних и коротких волнах используют амплитудную модуляцию (АМ), обладающую, как было показано выше, самой низкой эффективностью, которую можно характеризовать отношением средне мощности, затрачиваемой на передачу информации, к средней потребляемой мощности. При одинаковых значениях электронного КПД генераторов в отсутствие модуляции эффективность АМ составляет ~ 4%, а частотной ~72%, т.е. в 20 раз больше. Столь низкая эффективность АМ объясняется постоянством уровня несущей частоты во время модуляции независимо от уровня сигнала передаваемой информации: при средней глубине модуляции m0ср @ 0,3 на долю несущей частоты приходится ~ 95% мощности передатчика, а на долю несущих информацию боковых полос около 5%. Для повышения эффективности АМ используют динамическое управление уровнем несущей частоты ДУН, суть которого поясняет рис.3.20.

Рис.3.20

При ДУН амплитуда колебаний несущей частоты зависит от уровня сигнала информации, ее изменяют по некоторому заданному закону k=f(m0), например, по закону, изображенному на рис.3.21а, где при глубине модуляции m0 < 0,5 уровень несущей уменьшается вдвое, а при m0 > 0,5 он линейно растет и при m0 =1 достигает максимального уровня. Тогда при анодной модуляции напряжение на аноде при ДУН будет равнo

Еад=kЕа, (3.14)

а амплитуда переменного напряжения на анодном контуре: UкД =kUк .

Мощность несущей частоты без ДУН равна:

(3.15)

Мощность несущей частоты при ДУН равна:

k2Pн (3.16)

Колебательная мощность во время модуляции без ДУН:

P~t=P~ н(1+0,5m20) (3.17)

Так как m0= , где U1 – амплитуда сигнала (рис.3.20), то глубина модуляции при ДУН m1= , или:

m1 = . (3.18)

Колебательная мощность во время модуляции при ДУН с учетом (3.16):

Р~tД = k2P~н[1+ ]=k2P~н = k2P~н = k2P~н+ P~н (3.19),

или:

Р~tД = Р~н .(3.19')

Из (3.19) видно, что при ДУН изменяется только мощность несущей частоты, а мощность боковых полос остается такой же, как и без ДУН:

Pбн Рбд=k2Pн

а)

δ0τср=2,75

δ0нср=1,7

δ0τΞ=2,57

 

б)

Рис.3.21

Эффективность ДУН особенно велика при анодной модуляции. Без ДУН при анодной модуляции подводимая мощность во время модуляции равна:

Р0t = Р(1+ ) ,

где РанIа0н – подводимая мощность в режиме несущей частоты. При ДУН подводимая мощность при модуляции равна:

Р0tД = (1+ ) (3.20)

Уменьшение средней за период звуковой частоты мощности, подводимой к анодной цепи генератора при ДУН, характеризуется отношением:

d0t= (3.21)

Отношение колебательных мощностей во время модуляции без ДУН и при ДУН также характеризуется отношением:

d~t= (3.21')

При использовании ДУН в модуляторе энергосбережение в нем характеризуется величиной

d = (3.22)

Можно показать, что общее энергосбережение в генераторе и модуляторе характеризуется величиной:

d0tS = (3.23)

На рис.3.21б приведены зависимости коэффициентов δ0t ,d0tS и δ от m0. Из графиков видно, что потребляемая мощность во время модуляции при работе без ДУН в среднем в 2,57 раза больше, чем при ДУН, при этом мощность боковых полос Р~б не изменяется. Мощность, потребляемая модулятором во время модуляции при ДУН, в среднем в 1,7 раз ниже, чем без ДУН.

На рис. 3.21а показана также кривая D(m0), характеризующая статистическое распределение амплитуд стандартной радиовещательной программы, наблюдаемой в течение длительного времени, в функции от глубины модуляции m0. Из рис.3.21а следует, что доминирующей является глубина модуляции m0ср=0,30,4, поэтому тепловые потери на электродах лампы всегда контролируют при m0ср. При всех используемых на практике законах ДУН в генераторах с анодной модуляцией с ДУН напряжение на аноде генераторной лампы при средних значениях глубины модуляции m0ср в два а отдаваемая мощность в четыре раза меньше чем без ДУН. Естественно, что при этом мощности рассеяния на электродах лампы невелики. Расчеты показывают, что благодаря использованию ДУН мощность боковых полос может быть существенно увеличена за счет увеличения мощности несущей частоты без замены генераторных ламп более мощными. Это объясняется тем, что, как известно, длительность "выбросов", которым соответствуют большие значения m0, мала единицы мсек, а их "скважность" велика, поэтому они не вызывают разрушения электродов лампы даже при значительных перегрузках.

Динамическое управление несущей позволяет существенно повысить эффективость передатчика и при УМК. Напряжение на аноде Еа при УМК не меняется. Без ДУН мощность несущей частоты и колебательная мощность во время модуляции определяются формулами (3.15) и (3.17), а при ДУН – формулами (3.16) и (3.19'). Как известно, при УМК подводимая мощность во время модуляции такая же, как в режиме несущей частоты, без ДУН она равна:

Р0tу = Еа · IаоH (3.24)

При ДУН подводимая мощность при модуляции:

Р0tуД = k · Poy (3.25)

Уменьшение средней за период звуковой частоты мощности, подводимой к анодной цепи генератора при ДУН, характеризуется отношением:

d0tу= , (3.26)

(т.е. аналогично (3.22)).

Величина d~t, характеризующая соотношение колебательных мощностей при модуляции без ДУН и с ДУН определяется формулой (3.21').

КПД УМК без ДУН в режиме модуляции равен:

htу= hну ( 1 + 0,5 m02) , (3.27)

где htу КПД УМК без ДУН в режиме несущей частоты.


КПД УМК с ДУН во время модуляции:

Соотношение КПД УМК во время модуляции с ДУН и без ДУН характеризует величина δηtу :

δηtу = ηtуд / η,

которая, согласно (3.27) и (3.28), равна:

δηt = k (1 + 0,5 m12) / (1 + 0,5 m02), ( 3.29)

На рис.3.21б приведены значения коэффициентов δ0, и dt. Из графиков видно, что колебательная мощность во время модуляции УМК без ДУН в среднем в 2,57 раза больше, чем с ДУН, при этом мощность боковых полос Р не изменяется. Потребляемая мощность во время модуляции с ДУН в среднем в 1,7 раз ниже, чем без ДУН, несмотря на то, что КПД УМК с ДУН меньше, чем без ДУН: при средней глубине модуляции m0cp = 0,3 δηtср = 0,56), Р0tсрД = 0,5Р0tсру .

Представляет интерес сравнить средние значения потребляемой во время модуляции мощности УМК с ДУН и при анодной модуляции без ДУН. Мощности несущей частоты при этом предполагаются одинаковыми, а средняя глубина модуляции m0cp = 0,3 (при этом значение kcp = 0,5 рис.3.21б). При анодной модуляции потребляемая во время модуляции мощность равна:

Р0tсран = Р (1 + 0,5 m0ср2) / ηан , (3.30)

При УМК с ДУН :

Р0tсрД = Р~tсрД / ηtсрД (3.31)

Принимая во внимание ( 3.19 ), ( 3.28 ) и ( 3.31 ), получим

Обычно значение КПД УМК в режиме несущей ηнУ = 0,3. При анодной модуляции КПД ηан, как известно, не меняется, с учетом модулятора он равен ηан@0,52. Нетрудно убедиться, что при средней глубине модуляции mоср значения средней потребляемой мощности при анодной модуляции и при усилении модулированных колебаний с ДУН практически одинаковы, однако последний не нуждается в мощном модуляторе.

Рис.3.22

На рис.3.22 изображена упрощенная структурная схема передатчика с анодой модуляцией с ДУН. В этой схеме блок "Управляющее устройство" осущестляет управление по заданному закону напряжениями высоковольтного выпрямиеля (например, тиристорного) и выпрямителей сеточного смещения оконечных каскадов усилителя мощности высокочастотного тракта и модулятора. После усилителя низкой частоты на вход этого блока поступает усиленное напряжение сигнала низкой частоты. Блок "Линия задержки" в низкочастотном тракте предназначен для компенсации инерционности высоковольтного выпрямителя и устройств обработки и управления.

Устройства генерирования и формирования радиосигналов


*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.