Балансный модулятор

Полезная модель относится к области радиотехники, оптоэлектроники и может быть использована в системах радиосвязи.
Известен передатчик с амплитудной модуляцией, содержащий генератор и модулятор, соединенный с антенной. В качестве модулятора использован фоторезистор, включенный последовательно с высокочастотным генератором, при этом между фоторезистором и источником света, управляемым источником сообщения, расположен светодиод (RU 39240, МПК Н04В 10/54, опубл. 20.07.2004).
Недостатками известного модулятора являются наличие неустранимых нелинейных искажений модулирующего сигнала при глубине модуляции свыше 0,1 и невозможность получения балансной модуляции. Нелинейные искажения связаны с тем, что зависимость фототока от интенсивности при высоком уровне возбуждения связаны соотношением:
где k - коэффициент пропорциональности, Ф - интенсивность света. Глубина модуляции аналога равна:
ф
m
ф
m
ф
где I - фототок, I - темновой ток. Так как I<I+I, поэтому глубина модуляции всегда меньше 1 и невозможно получить балансную модуляцию.
Технический результат заключается в исключении нелинейных искажений модулирующего сигнала связанных с высоким уровнем освещения и получении как амплитудной, так и балансной модуляции.
Технический результат достигается тем, что балансный модулятор содержит фоторезистор, включенный последовательно сопротивлению. Фильтр высоких частот и нагрузка включены параллельно сопротивлению. Источник питания фоторезистора, управляемый источником сообщения, включен параллельно фоторезистору с сопротивлением. Источник света подключен к высокочастотному генератору. Между фоторезистором и источником света расположен световод.
Схема балансного модулятора представлена на фиг. 1; на фиг. 2 - осциллограмма модулированного колебания на выходе фоторезистора. ω/Ω=20, ω=10 кГц; на фиг. 3 - осциллограмма балансно-модулированного колебания на выходе фильтра. Коэффициент передачи фильтра на частоте модуляции (Ω=500 Гц) равен 0,1. ω - частота несущего сигнала, ω/Ω=20;
0
на фиг. 4 - осциллограмма модулированного колебания на выходе фоторезистора при ω/Ω=20, рассчитанная с помощью соотношения (4), без учета постоянной составляющей тока. Δσ/σ=2; на фиг. 5 - осциллограмма балансно-модулированного колебания на выходе фильтра рассчитанная с помощью выражения (4). Коэффициент передачи фильтра на частоте модуляции (Ω=500 Гц) равен 0,1. ω - частота несущего сигнала, ω/Ω=20.
Балансный модулятор содержит фоторезистор 1, включенный последовательно сопротивлению 2. Фильтр высоких частот 3 и нагрузка 4 включены параллельно сопротивлению 2. Источник питания фоторезистора 5, управляемый источником сообщения 6, включен параллельно фоторезистору 1 с сопротивлением 2. Источник света 7 подключен к высокочастотному генератору 8, содержащему на выходе регулируемое постоянное напряжение. Для обеспечения оптического канала связи между источником света 7 и фоторезистором 1 применяют световод 9.
Устройство работает следующим образом. На фоторезистор 1, включенный последовательно сопротивлению 2, подается напряжение от источника питания фоторезистора 5, управляемого источником сообщения 6. Свет от источника света 7, питаемым высокочастотным генератором 8, по световоду 9 попадает на фоторезистор 1. Ток на выходе фоторезистора 1 будет равен:
0
0
0
0
0
0
0
0
0
m
m
m
m0
0
m
m
где I=σU- темновой ток при постоянном напряжении U; σ - темновая проводимость фоторезистора; ΔI=ΔσU - фототок при напряжении U; Δσ - фотопроводимость при освещении интенсивностью Ф; ΔI=ΔσU - фототок при напряжении U; I=σU - темновой ток при амплитуде переменного напряжении равного U. Выражение (3) содержит амплитудно-модулированный сигнал имеющий вид:
В данном случае глубина модуляции равна:
m
0
m
0
0
17
где U - амплитуда модулирующего сигнала; U - постоянная составляющая напряжения модулирующего сигнала. Так как U может быть больше U,, следовательно, возможно получение перемодулированного колебания, и балансно-модулированного колебания, если U=0. Нелинейные искажения сигнала несущего информацию в данном случае будут связаны только с устройством, преобразующим сообщения в электрический сигнал (микрофон, видеокон). В данном примере линейные искажения возникают только в несущем сигнале. Эти искажения связаны с нелинейной кинетикой фотопроводимости. Более высокие гармоники несущего сигнала могут быть легко отфильтрованы фильтром, настроенным на частоту несущего колебания ω. Частота несущего сигнала в данном случае может достигать величины не более 1/τ, где τ - постоянная времени фоторезистора. Современные фотоприемники на основе кремния при определенных условиях могут иметь малое время релаксации. Например, фоторезистор на основе германия с примесью индия Si(In). Согласно [1] в Si(In) при концентрации центров рекомбинации 10 постоянная времени релаксации собственной фотопроводимости равна 0.0001 мкс. Следовательно, в данном случае частоты несущего сигнала могут доходить до 10 ГГц. Использование гармоник в спектре несущего сигнала за счет нелинейной кинетики, позволяет поднять несущую частоту на порядок.
10
10
Достоинства и недостатки предложенных двух способов получения амплитудно-модулированных сигналов с помощью фоторезистора. Достоинствами обоих способов является идеальная гальваническая развязка несущего и модулирующего колебания, что резко упрощает конструкцию модулятора. Модулятор может состоять из двух элементов: фоторезистора и светодиода. Второй способ характеризуется крайне низким коэффициентом нелинейных искажений и возможностью получения балансно-модулированных колебаний. При наличии омических контактов у фоторезистора получение амплитудно-модулированных колебаний не сопровождается нелинейными искажениями модулирующего сигнала. Все нелинейные искажения будут связаны только с устройством, преобразующим сообщение в электрический сигнал (микрофон, видеокон). Предложенная схема позволяет осуществлять переход из оптических каналов связи в радиоволновые без дополнительных электронных устройств. Недостатками предложенных методов являются: в первом случае нелинейные искажения при глубине модуляции свыше 10%. Эти искажения связаны с нелинейной кинетикой фотопроводимости и избавится от них можно только за счет резкого снижения глубины модуляции. Другим недостатком первого способа является необходимость двойного преобразования сигнала сообщения. В начале сигнал сообщения преобразуется в электрический, а затем в оптический, что также вносит дополнительные искажения. С помощью первого способа невозможно получить балансно-модулированное колебание. Недостатком второго способа является невозможность получить несущее колебание частотой свыше 10 Гц, так как быстродействие лучших фоторезисторов составляет 10 с [2, 3]. Возможность получения балансно-модулированного колебания проверена с помощью фоторезистора на основе чистого кремния. Частота несущего колебания (ω) равна 10 КГц, частота модулирующего колебания 500 Гц. На фиг. 2 приведена осциллограмма модулированного колебания на выходе фоторезистора. Для получения балансно-модулированного колебания, необходимо удалить из спектра, полученного колебания, гармоники модулирующего сигнала. На фиг. 3 приведена осциллограмма тока на выходе высокочастотного фильтра. На фиг. 4 и фиг. 5 приведены рассчитанные с помощью соотношения (4) осциллограммы колебания. Моделирование фильтра осуществлялось путем введения множителя равному коэффициенту передачи фильтра на дано частоте. Отношение несущей частоты к модулирующей частоте равно 20. Из фигур видно хорошее совпадение рассчитанных и измеренных кривых.
По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет исключить нелинейные искажения модулирующего сигнала связанные с высоким уровнем освещения и получении как амплитудной, так и балансной модуляции.
Источники информации:
1. Каражанов С.Ж. Свойства точно компенсированных полупроводников. // Физика и техника полупроводников. - 2000. - Т. 34, вып. 8. - С. 909-916.
2. Кобяков И.В., Падо B.C. Исследование электрических и упругих свойств гексагонального сульфида цинка в интервале температур 1,5÷300 К // ФТТ. - 1967. - Т. 9, вып. 8. - С. 2173-2179.
3. Берченко Н.Н., Кребс В.Е., Средин В.Г. Полупроводниковые твердые растворы и их применение. Справочные таблицы. М.: Воениздат, 1982. - 208 с.