7.4.1. Модуляция
7.4.1.1. Модуляция на "среднем" уровне
В отечественных мощных ламповых передатчиках изображения ранних выпусков используют сеточную модуляцию смещением, которую производят на "среднем" уровне, т.е. в одном из промежуточных каскадов высокочастотного тракта (в ламповом каскаде мощностью от 100 до 500Вт), с последующим усилением мощности в УМК. При осуществлении сеточной модуляции смещением на «высоком» уровне, т.е. в выходном каскаде передатчика, энергетические показатели модулируемого каскада не лучше, чем при модуляции на «среднем» уровне и УМК. Основное преимущество модуляции на «высоком» уровне заключается в том, что качество передачи изображения здесь определяется характеристиками модуляционного устройства и только одного каскада высокочастотного тракта, благодаря чему повышается стабильность качественных показателей передатчика и упрощается его регулировка. Однако при этом существенно усложняется широкополосное модуляционное устройство, которое получается многокаскадным и его регулировка затрудняется. Потребление мощности таким модуляционное устройством может составить до 10% от общей мощности, потребляемой передатчиком.
Рис.7.4
Анодную или анодно-экранную модуляцию в оконечном каскаде с трансформаторным двухтактным модулятором осуществить невозможно из-за чересчур широкой полосы модулирующих частот. Недостатками сеточной модуляции являются низкие значения КПД модулируемых каскадов в режиме модуляции и телевизионного передатчика в целом.
Так как телевизионный сигнал - униполярный, то в передатчике возможны два варианта модуляции - негативная и позитивная. При позитивной модуляции максимальная мощность соответствует уровню передачи уровня "белого". В этом случае уровень синхроимпульсов является минимальным уровнем модулированных колебаний (рис.7.5б). В отечественных телевизионных передатчиках используется негативная модуляция, при этом:
- передатчик излучает в среднем существенно меньшую мощность, так как в телевещании преобладают светлые кадры, поэтому огибающая АМ-сигнала "прижимается" к временной оси (рис.7.5а);
- наибольшие значения потребляемой и рассеиваемой на электродах ламп мощностей кратковременны, что позволяет лучше использовать лампы;
- при негативной модуляции передача синхроимпульсов в области верхних криволинейных участков модуляционной характеристики генераторной лампы (рис.7.7) не вызывает искажений видеосигнала, что позволяет осуществлять более глубокую модуляцию;
Рис.7.5
- импульсные помехи чаще проявляются в виде темных точек и визуально менее заметны;
- повышается помехоустойчивость системы синхронизации из-за того, что при передаче сигнала синхронизации передатчик излучает максимальную (пиковую) мощность;
- облегчается построение системы АРУ приемника, так как в качестве опорного сигнала АРУ используется сигнал синхронизации разверток приемника, а он не зависит от содержания изображения. Поскольку при негативной модуляции опорный сигнал имеет место в пиковом режиме, для его выделения могут быть использованы простые устройства.
Негативная модуляция требует сохранения строгой полярности видеосигнала на входе и на выходе модуляционного устройства: на входе его полярность должна быть положительной, на выходе - отрицательной. По этой причине число каскадов в модуляционном устройстве должно быть нечетным. Как правило, применяют три или пять каскадов.
В предварительных каскадах модуляционного устройства, построенных по схеме широкополосного усилителя и работающих в режиме колебаний класса А, телевизионный сигнал усиливается до уровня, необходимого для осуществления модуляции. Эти каскады не пропускают постоянной составляющей, которая "теряется" при прохождении телевизионного сигнала через первый же межкаскадный разделительный конденсатор. Это приводит к тому, что положение видеосигнала на модуляционной характеристике генератора меняется (рис.7.2 и 7.6, 1' и 2'). При больших изменениях уровня часть сигнала будет ограничена верхним или нижним загибами модуляционной характеристики. Первое вызовет уменьшение синхроимпульсов на выходе передатчика, что приведет к ухудшению синхронизации в приемнике. Второе - к уменьшению количества градаций яркости на изображении - срезанию "белого". Так как пределы изменения видеосигнала могут достигать почти двойного значения от величины полного размаха телевизионного сигнала, то необходимо иметь линейный участок модуляционной характеристики, также равный примерно удвоенному значению размаха сигнала.
Рис.7.6
Однако при этом модулируемый каскад и передатчик в целом будут использованы по мощности гораздо хуже, чем если бы положение сигнала было неизменным. Можно показать, что во избежание искажений пришлось бы уменьшить размах сигнала между уровнем "белого" и вершинами синхроимпульсов приблизительно в 1,7 раза, что привело бы к уменьшению мощности боковых полос приблизительно в три раза и ухудшению условий приема. В связи с этим в передатчиках производится восстановление постоянной составляющей (ВПС). В сигнале с постоянной составляющей уровни синхроимпульса, белого и черного фиксированы (рис.7.6, 1 и 2), что позволяет более полно использовать мощность электронных приборов, а для передачи сигнала изображения между уровнями черного и белого - линейный участок модуляционной характеристики. В телевизионном сигнале, содержащем постоянную составляющую, независимо от его формы (которая определяется характером передаваемого изображения) четко определены уровни синхронизирующих и гасящих импульсов, следующих в конце каждой строки, что и позволяет восстановить утерянную постоянную составляющую. Для этого необходимо приводить вершины синхронизирующих или гасящих импульсов к одному и тому же неизменному уровню. Этот процесс называют привязкой, или фиксацией уровня. В принципе привязка возможна по любому уровню, однако фиксировать пиковый уровень невыгодно, так как в отсутствие модулирующего сигнала передатчик будет излучать пиковую мощность. Привязка по уровню "белого" неудобна, поскольку этот уровень при передаче реального изображения изменяется. Обычно привязка производится по уровню гасящих импульсов, так как постоянство уровня "черного", а следовательно и величина синхроимульсов, автоматически поддерживаются неизменными при передаче любого сигнала. Неизменная величина синхроимпульсов улучшает работу системы АРУ приемника и повышает устойчивость синхронизации. В отсутствие сигнала на входе модулятора телевизионный передатчик излучает мощность, соответствующую передаче сплошного черного поля. ВПС производится либо на сетке лампы модулятора, либо в предшествующем ему усилительном каскаде.
Рис.7.7
Схемы восстановления постоянной составляющей телевизионного сигнала
Для того, чтобы восстановить в телевизионном сигнале утраченную постоянную составляющую, необходимо и достаточно приводить потенциал сетки лампы усилителя к одной и той же требуемой величине в моменты передачи одного из строго определенных уровней в строчном сигнале. Для этого на сетку лампы в указанные моменты подают соответствующее смещение, которое затем "запоминается" на весь период передачи строки.
В телевизионных передатчиках используются управляемые схемы фиксации. К ним относятся схемы с двумя диодами, с двумя триодами, а также нашедшая широкое применение схема с четырьмя диодами.
В схеме ВПС с двумя диодами, изображенной на рис.7.8а, телевизионный сигнал подается на сетку лампы Л1 через разделительный конденсатор Ср. Уровень гасящих импульсов на сетке лампы Л1 с помощью диодов Д1 и Д2 периодически (после каждой строки) приводится к потенциалу Еg. Для этого в момент прихода каждого гасящего импульса (вслед за приходом синхронизирующего импульса) на сетку лампы Л2 поступает специальный управляющий импульс, который обычно формируется на малом уровне мультивибратором, запускаемым синхроимпульсами телевизионного сигнала. Возникающие на аноде и на катоде Л2 импульсы противоположной полярности отпирают одновременно оба диода. В результате появления проводимости диодов потенциал сетки лампы Л1 мгновенно становится равным потенциалу Еg, приложенному к сетке через диоды. В течение последующей строки диоды остаются запертыми, но средний потенциал сетки Л1, определяемый зарядом емкости Ср, практически не успевает измениться. В результате уровень гасящих импульсов сохраняется постоянным.
а)
б)
Рис.7.8
В схеме с четырьмя диодами, изображенной на рис.7.8б, диоды включены в плечи моста, который здесь является сопротивлением утечки сетки усилительной лампы Л. Напряжение смещения Еg выбирают так, чтобы при любых возможных в процессе передачи телевизионного сигнала напряжениях на сетке лампы Л все диоды были заперты. В моменты передачи задних площадок гасящих импульсов в диагональ моста (в точки 2 и 3) одновременно подаются сформированные в специальной схеме усилителя-формирователя управляющие импульсы длительностью 2-3мксек: положительный U1 - на аноды диодов Д2 и Д4 и отрицательный U2 - на катоды диодов Д1 и Д3. Эти импульсы открывают диоды, при этом конденсаторы С1 и С2 подзаряжаются практически до полного размаха управляющих импульсов. Под действием этих импульсов диоды Д1 -Д4 отпираются и на сетке лампы Л устанавливается напряжение, при котором токи всех диодов становятся равными нулю, и заряд (или разряд) разделительного конденсатора Ср прекращается. Это напряжение называется "равновесным" Еравн. Очевидно, равновесие в схеме устанавливается тогда, когда Еравн=е1 = е4 =Еg. Напряжение Еравн не зависит от сигнала, приложенного к входу усилительного каскада, оно определяется постоянным напряжением Еg и, следовательно, является величиной фиксированной, его значение должно соответствовать режиму работы лампы Л при передаче уровня черного. По окончании действия управляющих импульсов диоды одно-временно запираются напряжениями на конденсаторах С1 и С2 (С1 и С2>>Ср), и постоянное напряжение на разделительном конденсаторе Ср остается неизменным до следующего момента фиксации. Если из-за изменения средней яркости изображения, переданного предыдущей строкой, напряжение на сетке лампы в момент фиксации оказывается больше или меньше Еg, происходит заряд или разряд конденсатора Ср. Полный перезаряд Ср должен быть закончен за время длительности управляющего импульса. Заряд происходит по цепи: Д2-R последовательно с Д3, зашунтированные Rимп0, где Rимп0 - эквивалентное выходное сопротивление оконечного каскада одного из усилителей управляющих импульсов, разряд - по цепи Д1- R последовательно с Д4, зашунтированные Rимп0. Постоянная времени цепи фиксации:
t » Ср(Rпр0 + Riд+ Rимп0) ,
где Rпр0 - эквивалентное выходное сопротивление предыдущего каскада модуляционного устройства, а Riд - внутреннее сопротивление диода. Для того, чтобы постоянная времени t была мала по сравнению с временем фиксации, емкость разделительного конденсатора Ср должна быть небольшой, внутреннее сопротивление диодов Riд - малым, а оконечные каскады усилителей управляющих импульсов - достаточно мощными, если осуществляется фиксация при значительных уровнях телевизионного сигнала.
Следует отметить, что в процессе ВПС в излучаемом сигнале эффективно снижается уровень искажений в области нижних частот, а также паразитная модуляция низкочастотными шумами тракта, в том числе фоном источников питания.
7.4.1.2. Модуляция на "низком" уровне
На УКВ при сеточной модуляции смещением наряду со значительной нелинейностью амплитудной характеристики возникает паразитная фазовая модуляция, которая вызывает искажения, особенно заметные при передаче цветного телевизионного сигнала. При мощности более 100Вт эти искажения на УКВ скорректировать невозможно, поэтому в настоящее время в отечественных и зарубежных передатчиках используют модуляцию на "низком" уровне (в каскадах мощностью менее 1 Вт), например, в диодных балансных модуляторах, которые обеспечивают хорошую линейность, стабильность и низкий уровень паразитной фазовой модуляции. Наиболее перспективной является модуляция не на основной, а на промежуточной частоте, при этом кроме амплитудной модуляции производится также формирование АЧХ и необходимые коррекции в уже сформированном радиосигнале. Далее этот сигнал переносится на частоту нужного канала и усиливается усилителем мощности (рис.7.9).
Рис.7.9
Применение модуляции на промежуточной частоте имеет ряд преимуществ:
- все каскады трактов видео- и промежуточной частоты, включая каскады, где производится модуляция, формирование АЧХ и предкоррекция искажений, унифицированы, т.е. выполняются одинаковыми для всех передатчиков независимо от уровня их выходной мощности и от номера канала;
- существенно улучшаются качественные показатели изображения поскольку модуляция, формирование АЧХ и предкоррекция искажений осуществляются на малом уровне и на постоянной частоте; и др.
В отечественных передатчиках изображения используются промежуточные частоты fпч1= 35,75МГц и fпч2= 32,75МГц - в зависимости от того, в каком диапазоне работает передатчик. Значение промежуточной частоты fпч выбирается из следующих соображений. Во-первых, промежуточная частота должна превышать наивысшую модулирующую частоту не менее чем в 2 раза, так как после балансного модулятора выделяется нижняя боковая полоса, но с другой стороны она не должна быть слишком высокой, чтобы не усложнять тракт ее передачи. Во-вторых, промежуточная частота и наиболее существенные продукты процесса ее модуляции в балансном модуляторе не должны находиться в частотных диапазонах, отведенных для телевещания. Комбинационные составляющие ± nfгет ± mfпчиз, где m и n - целые числа 0,1,2 и т.д., не должны попадать в полосы частот, занятых телевизионными каналами. Частота высокостабильного опорного генератора fгет=5МГц.
7.4.2. Широкополосные усилители мощности
В соответствии с требованиями к АЧХ радиотракта каскады УМК должны усиливать колебания в полосе частот П»8Мгц с неравномерностью АЧХ не более +0,5-(1-3)дВ. В широкополосных УМК используются транзисторы, тетроды и многорезонаторные пролетные клистроны.
Транзисторы используют в предварительных каскадах УМК, рассчитанных на мощности от 10 до 200Вт. Полностью на транзисторах построены высокочастотные тракты телевизионных передатчиков мощностью до 1кВт, предназначенных для работы в I и II диапазонах (48…100МГц), а также в III диапазоне (170…230МГц), где транзисторные УМК обеспечивают требуемую широкополосность при незначительных фазовых искажениях.
Широкополосные каскады УМК на тетродах представляют собой резонансные усилители мощности с контурами в выходной и входной цепях. Требования широкополосности оказывают большое влияние на режим Работы ламп УМК и его энергетические показатели. Значение эквивалентного сопротивления Rэ нагрузки ламп УМК определяется начальной ем-костью колебательного контура и допустимой неравномерностью АЧХ в заданной полосе. При этом следует иметь в виду, что в телевизионном передатчике настройка несимметрична, поэтому эквивалентное сопротивление для несущей частоты изображения - комплексное, равное ú Zэú. Обычно его величина оказывается меньше значений требуемого Rэопт, при которых лампа может быть полностью использована по мощности при номинальном анодном напряжении. Поэтому анодное напряжение понижают до величины, при которой обеспечивается режим, близкий к критическому при реальном значении сопротивления úZúэ. Но из-за пониженного анодного напряжения величина коэффициента использования x оказывается невысокой - 0,5…0,7, поэтому КПД анодной цепи широкополосных УМК низок – обычно hmax не превосходит 50-55% при передаче синхроимпульсов. При передаче сигналов изображения, амплитуды которых изменяются от уровня "черного" (0,72Uси) до уровня "белого" (0,15Uси) режим ламп УМК оказывается сильно недонапряженным, и КПД анодной цепи ламп УМК, работающих с углом отсечки 900, изменяется линейно в пределах (0.75…0,15). Средний КПД анодной цепи УМК обычно равен 20…25%. Промышленный КПД телевизионных передатчиков при передаче "черного" поля достигает лишь 15…17%. В широкополосных УМК используют тетроды с высокой крутизной, имеющие значительный запас по току эмиссии и потому способные эффективно работать при пониженных значениях Rэ. В передатчиках I-III диапазонов в УМК на тетродах обычно применяется схема с ОК, обеспечивающая устойчивое усиление по мощности в 10…25 раз, причем здесь иногда применяют мостовую сеточную нейтрализацию.
В передатчиках IV-V диапазонов в УМК используют многорезонаторные пролетные клистроны, которые по качественным и экономическим показателям не уступают УМК на тетродах и тем более - на транзисторах.
Одной из самых важных проблем является формирование АЧХ радиотракта. Излучение передатчика должно быть жестко ограничено в области как верхних, так и нижних частот канала. Таким образом, в передатчике требуется сформировать и поддерживать неизменной строго определенную результирующую АЧХ, близкую к стандартной. Для верхних частот эта задача частично решается использованием разделительных (или антенных) фильтров, обеспечивающих совместную работу передатчиков изображения и звукового сопровождения на общий антенный фидер (п.7.2), а также за счет модуляционного устройства. Так, в оконечных каскадах отечественных передатчиков изображения метровых волн с модуляцией на "среднем" уровне в ряде случаев в качестве анодной нагрузки используют двухконтурные колебательные системы со связью больше критической. Для достижения "прямоугольности" АЧХ радиотракта, т.е. высокой крутизны скатов АЧХ, колебательная система дополняется двумя дополнительными резонансными цепями - режекторными шлейф-резонаторами, составленными из отрезков неоднородных линий, которые резко уменьшают коэффициент передачи на определенных частотах, лежащих за границами полосы пропускания. Например, f1, находящейся между частотами (fн-1,375МГц) и (fн-1,5МГц), и f2, расположенной между (fн+6,375МГц) и (fн+6,5МГц). Эквивалентная схема и АЧХ такой колебательной системы показаны на рис.7.10а и рис.7.10б, где цепи L3C3 и L4C4 на рис.7.10а настроены соответственно на частоты f1 и f2. Использование этой колебательной системы позволяет получить требуемую АЧХ телевизионного передатчика независимо от числа предварительных каскадов УМК и от формы их АЧХ.
а) б)
Рис.7.10
В УМК, построенных на тетродах (или на клистронах), формирующие АЧХ передатчика фильтрующие устройства, подобные описанному выше, включают и внутри тракта, в частности, между его предоконечным и оконечным каскадами.
При модуляции на промежуточной частоте формирование АЧХ производится на малом уровне мощности в одном из каскадов УПЧ, следующих за модулируемым каскадом. При сравнительно низкой промежуточной частоте применяют фильтры на сосредоточенных L - и C - элементах, которые малогабаритны, легко настраиваются и позволяют выполнить фильтр практически любой сложности и обеспечить требуемую форму АЧХ радиотракта.