Лекция №4. Виды модуляции при передаче аналоговой информации
Модуляцией называется процесс управления одним из параметров колебания радиочастоты по закону передаваемого звукового сообщения.
Колебания радиочастоты представляют собой гармонический сигнал.
u(t) = U(t) cos [ω0 t+φ( t) ] , (1.22)
где U(t) и φ( t) – амплитуда и фаза колебаний;
ω0 – среднее значение частоты радиосигнала.
Итак, гармонический сигнал характеризуется тремя параметрами: амплитудой частотой и фазой.
В зависимости от того, какой параметр сигнала (1.22) изменяется по закону передаваемой информации, различают амплитудную модуляцию (АМ), частотную (ЧМ) и фазовую (ФМ) .
Выбор вида модуляции в передатчике определяется требованиями к радиотехнической системе, в которую входит передатчик.
Передатчики с амплитудной модуляцией. Основные соотношения, временное и спектральное представление
При АМ амплитуда колебаний несущей радиочастоты отклоняется от своего среднего значения пропорционально значению модулирующего (управляющего) сигнала.
Для простоты в выражении (1.22) примем φ( t) = 0.
В простейшем случае модулирующий сигнал является гармоническим колебанием и определяется зависимостью:
а(t) = UΩ cos Ωt.
Модулированный по амплитуде сигнал радиочастоты можно выразить формулой:
u(t) = Uн (1 + M cos Ωt) cosω0 t (1.23),
где М – число, которое пропорционально амплитуде UΩ модулирующего напряжения, называется коэффициентом модуляции.
Если обозначить Umax и Umin максимальную и минимальную амплитуду колебаний во время модуляции, то при симметричной модуляции будем иметь:
,
или
Для неискаженной АМ величина коэффициента модуляции не может быть больше единицы. Следовательно, он может изменяться в пределах 0 ≤ М ≤1. Коэффициент модуляции принято выражать в процентах: 0% ≤ М ≤ 100% .
В радиотелефонных передатчиках частота модуляции Ω=2πF является частотой звуковых колебаний. При передаче речи F = 300…..3400 Гц, а при передаче музыки, примерно F = 50…14000 Гц.
Раскрывая выражение (1.23), и используя правила тригонометрии, получим:
u(t) = Uн cosω0 t+ 0,5 MUн cos (ω0+ Ω) t+ 0,5 MUн cos(ω0 – Ω)t
(1.24).
Из (1.24) видно, что АМ колебание состоит из трех составляющих: колебания несущей частоты ω0 с амплитудой Uн и двух боковых с частотами (ω0 + Ω) и (ω0 – Ω ) с амплитудой 0,5 MUн , которые называются соответственно верхней и нижней боковой частотой.
Если модуляция производится не гармоническим, а более сложным сигналом (речь, музыка) c частотами (Ωmin – Ω max ), то имеют место не боковые частоты, а боковые полосы частот модуляции.
Из этого рисунка видно, что ширина спектра 2Δω для передатчиков с АМ не зависит от значения несущей частоты и определяется максимальным значением модулирующей частоты, 2Δω = 2Ω max , а расстояние между ближайшими спектральными составляющими боковых полос Δωmin =2Ωmin.
Одним из важных качественных показателей передатчиков является мощность колебаний.
Если
модулированный ток протекает по активному
сопротивлению
Zр,
то при отсутствии модуляции мощность
несущих колебаний на нагрузке : Рн=
0,5
/
Zр.
Средняя мощность, выделяемая на сопротивлении Zр, равна сумме мощностей несущей частоты и боковых частот. Из формулы (1.24):
Рср = 0,5 / Zр + 0,5(0,5МUн)2/ Zр + 0,5(0,5МUн)2/ Zр =
= 0,5 / Zр (1+М2/2 ) = Рн (1+ М2/2). (1.25)
Следовательно, в результате амплитудной модуляции средняя мощность возрастает в (1+ М2/2) раз по сравнению с мощностью несущей частоты (при отсутствии модуляции). При стопроцентной модуляции, т.е., когда М=1, средняя мощность Рср = 1,5 Рн.
В моменты времени, когда амплитуда модулированного напряжения достигает максимального значения из формулы (1.23), положив cos Ωt = 1, получим Umax = Uн (1 + М).
Мгновенная максимальная мощность модулированных колебаний:
Рmax
=
0,5
/
Zр
= 0,5 [Uн
(1 + М)]2
/
Zр
= Рн
(1
+ М)2.
Следовательно,
Рmax / Рн = (1 + М)2
и при М = 1 максимальная мощность Рmax = 4Рн.
Таким образом, при 100% модуляции, максимальная мощность в 4 раза превышает мощность несущей.
На каждую боковую полосу (1.25) приходится мощность, пропорциональная (0,5МUн)2 .
Рбок = 0,5(0,5МUн)2/Zр = 0,25 Рн
и для двух боковых полос: 2 Рбок =0,5 Рн
Практически на долю боковых полос при М ≤ 1 приходится незначительная часть мощности, а между тем информация содержится именно в боковых полосах. Однако, таковы свойства АМ: для передачи сравнительно малой мощности боковых полос требуется значительно большая максимальная мощность Рmax..
Амплитудную модуляцию можно осуществлять в любом из каскадов ГВВ. Обычно модуляция осуществляется в выходных каскадах передатчика. Каскад, в котором происходит преобразование сигнала информации в радиосигнал, называют модулируемым. Если этот каскад промежуточный, то все следующие за ним каскады работают в режиме усиления.
В передатчиках с АМ к основным требованиям высокого К.П.Д. и коэффициента усиления по мощности добавляются требования к качеству модуляции или степени искажений, которые проявляются при преобразовании информации.
В качестве возбудителей для повышения стабильности частоты генерируемых колебаний используют автогенераторы с кварцевой стабилизацией. В диапазонных передатчиках применяют автогенераторы с колебательными контурами.
Передатчики с амплитудной модуляцией находят широкое применение в радиовещании, радиотелефонной связи и телевидении (для передачи сигналов изображения).
При использовании транзистора для получения АМ различают два основных вида модуляции: путем изменения смещения Еб (базовая модуляция) и напряжения питания Ек (коллекторная модуляция), возможна и комбинированная модуляция.