Электроника в вопросах и ответах - И. Хабловски

Колебание, с помощью которого передается сигнал, носит название несущего колебания или несущей частоты. В процессе модуляции на несущую накладывается модулирующее колебание, содержащее передаваемую информацию.

Какие существуют виды модуляции?

Существует несколько основных видов модуляции. Перед тем как их определить, следует обратить внимание на то, что несущее колебание, подвергаемое процессу модуляции, является синусоидальным колебанием, которое можно записать в следующем виде:

u = A·cos(ωt + θ)

где А — амплитуда несущего колебания; ω = 2πft — круговая частота несущего колебания; θ — фазовый угол.

Модулирующий сигнал, содержащий информацию, может изменять каждую из этих величии таким способом, который отражает его мгновенное значение. В том случае, когда амплитуда несущего колебания изменяется пропорционально модулирующему сигналу, имеем дело с амплитудной модуляцией. Если пропорционально сигналу изменяется частота f несущего колебания, то говорят о частотной модуляции. И, наконец, если пропорционально сигналу изменяется фазовый угол θ несущего колебания, имеет место фазовая модуляция. Два последних вида модуляции (частотную и фазовую) определяют иногда общим названием — угловая модуляция.

Все указанные виды модуляции относятся к непрерывной модуляции. Кроме того, существует возможность дискретизации модулирующего сигнала путем создания импульсов, которые содержат информаций, соответствующую модулирующему сигналу. Этим импульсом можно модулировать величины А или «несущего колебания. При этом будем иметь дело со многими системами импульсной модуляции.

Следует еще упомянуть, что для каждого вида модуляции всегда очень важным вопросом с практической точки зрения является сохранение лишь одного вида модуляции. Если несущее колебание одновременно модулируется по амплитуде и фазе, то один из этих видов модуляции рассматривается как паразитный.

Каковы основные свойства амплитудной модуляции?

При амплитудной модуляции амплитуда несущего колебания А изменяется пропорционально модулирующему сигналу. На рис. 11.1 показаны три колебания — несущее, модулирующее и модулированное. Видно, что в модулированном колебании огибающая выходного сигнала идентична модулирующему сигналу. Характерно то, что, когда огибающая увеличивается в положительном направлении, одновременно она увеличивается и в отрицательном. Амплитуда огибающей является долей амплитуды несущего колебания. Эта доля, обозначаемая буквой m, обычно выражена в процентах и называется коэффициентом глубины модуляции или просто глубиной модуляции. Глубина модуляции может изменяться от 0 до 100 %. Если m больше 100 %, то модулированное колебание сильно искажено.

Рис. 11.1. Амплитудная модуляция:

а — не модулированное несущее колебание; б — модулирующий сигнал; в — амплитудно-модулированное колебание

Если несущее колебание промодулировано косинусоидальным сигналом, мгновенное значение модулированного колебания можно записать в следующем виде:

u = (1 + m·cos Ωt)·A·cos ωt

в котором m — глубина модуляции; А — амплитуда несущего колебания; Ω — круговая частота модулирующего сигнала; ω — круговая частота несущего колебания.

Преобразуем это уравнение

Три полученные составляющие определяют спектр модулированного сигнала.

Первая составляющая является несущим колебанием с частотой ω, вторая составляющая с амплитудой m·А/2 и частотой ω + Ω — верхняя боковая полоса, а третья составляющая с амплитудой m·А/2 и частотой ω — Ω — нижняя боковая полоса. Если, например, частота несущего колебания составляет 200, а частота модулирующего сигнала 1 кГц, то спектр модулированного сигнала состоит из трех частот: 200 кГц, 200 — 1 = 199 кГц и 200 + 1 = 201 кГц.

Из рис. 11.2 видно, что модулирующий сигнал с частотой 1 кГц перенесен в полосу несущей 200 кГц и информация в модулированном сигнале содержится в двух боковых полосах, расположенных симметрично относительно несущего колебания. Одновременно можно сделать вывод, что ширина полосы, занимаемой амплитудно-модулированным сигналом, равна удвоенной частоте модулирующего сигнала.

Рис. 11.2. Частотный спектр амплитудно-модулированного сигнала:

1 — несущая частота; 2 — нижняя боковая; 3 — верхняя боковая частота

Следует подчеркнуть, что существование боковых полос не является результатом математического анализа, вытекающего из преобразования выражения для модулированного сигнала, а имеет реальную физическую интерпретацию. С помощью соответствующих фильтров можно выделить отдельные составляющие спектра, так же как, располагая такими составляющими, можно составить колебание, соответствующее модулированному колебанию.

На практике модулирующий сигнал не является простейшим синусоидальным сигналом, а занимает некоторую полосу частот, например звуковых или изображения. В связи с этим боковые полосы выглядят не одиночными линиями, а полосами, расположенными симметрично относительно несущего колебания.

Из анализа спектра амплитудно-модулированного сигнала вытекает, что полезная информация содержится только в боковых полосах (частотах). Сравнивая амплитуды отдельных спектральных линий, приходим к выводу, что они находятся в соотношении 1:(m/2):(m/2). Поскольку мощность пропорциональна квадрату напряжения, отношение мощностей, переносимых боковыми частотами, имеет вид: 1:(m2/4):(m2/4). Например, если мощность несущего колебания составляет 500 Вт, то при m = 1 мощность каждой из боковых составляет 125 Вт и, следовательно, соответствует только 25 % мощности несущего колебания. При меньших глубинах модуляции доля боковых частот в общей мощности еще меньше. Изменению не подвергается только мощность несущего колебания — переносчик энергии.

Далее увидим, что существует возможность передачи информации без несущего колебания, а также без несущей и одной боковой полосы в системах однополосной модуляции.

На каком принципе работают амплитудные модуляторы?

Основное требование, предъявляемое к амплитудному модулятору, — это то, чтобы он был нелинейным устройством. При подведении к нелинейному устройству двух сигналов с разными частотами создаются условия взаимодействия этих сигналов. Рассмотрим простейший диодный модулятор, изображенный на рис. 11.3.

Рис. 11.3. Диодный модулятор

Во входную цепь диода включены два источника сигналов, из которых один является несущим сигналом с частотой f, значительно большей, чем частота F другого сигнала, являющегося модулирующим. Напряжение, возникающее на нагрузочном сопротивлении диода, управляет буферным усилителем, нагруженным резонансным контуром, настроенным на частоту несущего сигнала. Из-за нелинейности характеристики диода в его выходной цепи возникают сигналы основной частоты и комбинированных частот типа f + F; f + 2F; f — F; f — 2F; 2f + F и т. д. Подбирая соответственно ширину полосы резонансного контура, можно выделить на выходе сигналы с частотами f; f — F и f + F, соответствующие несущему колебанию, а также нижней и верхней боковым частотам. Как уже известно, сумма этих сигналов является амплитудно-модулированным колебанием.

Какие существуют схемы амплитудных модуляторов?

Диодный модулятор, изображенный на рис. 11.3, на практике почти не применяется, поскольку не позволяет получать большие глубины модуляции без значительных искажений. Чаще всего амплитудная модуляция осуществляется в одном из каскадов высокочастотных усилителей мощности, работающих в классе С, так как только при этом можно получить достаточную линейность модулированного колебания. Модуляцию можно осуществлять как на низком, так и на высоком уровне мощности. В первом случае амплитудно-модулированное колебание усиливается в линейном усилителе класса В до требуемого выходного уровня.