Amplituudmodulatsioon on amplituudmoduleeritud signaali genereerimise protsess, st. signaal, mille amplituud muutub vastavalt moduleeriva signaali seadusele (edastatakse sõnum). Seda protsessi rakendab amplituudmodulaator.

Amplituudmodulaator peab genereerima kõrgsagedusliku võnkumise, mille analüütiline avaldis on üldjuhul kujul

kus on moduleeritud võnke mähisjoon, mida kirjeldab amplituudimuutuse seadust iseloomustav funktsioon;

Moduleeriv signaal;

Ja - kõrgsagedusliku võnkumise sagedus ja algfaas.

Sellise signaali saamiseks on vaja korrutada kõrgsageduslik (kandja) võnkumine ja madalsageduslik moduleeriv signaal nii, et moodustuks vormi mähis. Konstantse komponendi olemasolu mähisjoone struktuuris tagab selle muutuse unipolaarse koefitsient välistab ülemodulatsiooni, s.t. pakub modulatsiooni sügavust. On selge, et sellise korrutamisoperatsiooniga kaasneb spektri teisendus, mis võimaldab meil käsitleda amplituudmodulatsiooni sisuliselt mittelineaarse või parameetrilise protsessina.

Amplituudmodulaatori struktuur mittelineaarse elemendi kasutamise korral on näidatud joonisel fig. 8.4.

Riis. 8.4. Amplituudmodulaatori plokkskeem

Mittelineaarne element muundab kandevõnkumist ja moduleerivat signaali, mille tulemusena moodustub vool (või pinge), mille spekter sisaldab komponente sagedusribas alates kuni , ja moduleeriva signaali spektri kõrgeimat sagedust. Ribapääsfilter eraldab need spektrikomponendid, genereerides amplituudmoduleeritud väljundsignaali.

Kahe signaali korrutamist saab teha mittelineaarse elemendi abil, mille karakteristikut aproksimeeritakse ruutliikmet sisaldava polünoomiga. Tänu sellele moodustub kahe signaali summa ruut, mis sisaldab nende korrutist.

Öeldu olemust ja üldist ideed amplituudmoduleeritud võnkumiste tekkest illustreerivad üsna lihtsad matemaatilised teisendused eeldusel, et toimub tonaalne (ühe sagedusega) modulatsioon.

1. Mittelineaarse elemendina kasutame transistori, mille voolu-pinge karakteristikut aproksimeeritakse teise astme polünoomiga .

2. Mittelineaarse elemendi sisendile rakendatakse pinge, mis võrdub kahe võnke summaga: kandja ja moduleeriv, st.

3. Voolu spektraalne koostis määratakse järgmiselt:

Saadud avaldises on spektrikomponendid järjestatud nende sageduste kasvavas järjekorras. Nende hulgas on komponente sagedustega , ja , mis moodustavad amplituudmoduleeritud võnkumise, s.o.

Saateseadmed kombineerivad tavaliselt modulatsiooni- ja võimendusprotsesse, mis tagab moduleeritud signaalide minimaalse moonutuse. Selleks ehitatakse resonantsvõimsusvõimendite skeemi järgi amplituudmodulaatorid, mille puhul saavutatakse kõrgsageduslike võnkumiste amplituudi muutus tööpunkti asukoha muutmisega vastavalt moduleeriva signaali seadusele.

Amplituudmodulaatori vooluahel ja töörežiimid

Resonantsvõimendil põhineva amplituudmodulaatori vooluahel on näidatud joonisel fig. 8.5.

Riis. 8.5. Amplituudmodulaatori ahel, mis põhineb resonantsvõimendil

Mittelineaarses režiimis töötava resonantsvõimendi sisendisse antakse järgmine teave:

kandevõnkumine iseostsillaatorist, kasutades sisendahela kõrgsageduslikku trafoühendust transistori alusega;

signaali moduleerimine madala sagedusega trafo abil.

Kondensaatorid ja - blokeerimine, tagavad sisendahelate lahtisidumise vastavalt kandja võnke ja moduleeriva signaali sagedustele, st. kõrge ja madala sagedusega isolatsioon. Kollektorahelas olev võnkeahel on häälestatud kandja võnke sagedusele, ahela kvaliteeditegur annab pääsuriba, kus on moduleeriva signaali spektri kõrgeim sagedus.

Tööpunkti valik määrab modulaatori töörežiimi. Võimalikud on kaks režiimi: väikese signaali režiim ja suure signaali režiim.

A. Väike sisendrežiim

See režiim luuakse, valides tööpunkti transistori I-V karakteristiku ruutlõike keskel. Valides kandevibratsiooni amplituudi, on tagatud modulaatori töö selles sektsioonis (joonis 8.6).

Riis. 8.6. Amplituudmodulaatori väikeste sisendsignaalide režiim

Pinge amplituud võnkeahelal, mille resonantssagedus on võrdne kandesagedusega, määratakse voolu esimese harmoonilise amplituudiga, s.o. , kus on ahela resonantstakistus. Arvestades, et voolu-pinge karakteristiku keskmine kalle tööpiirkonna piires on võrdne esimese harmoonilise amplituudi ja kandevibratsiooni amplituudi suhtega, s.o. , saame kirjutada

.

Transistori alusele antud moduleeriva pinge mõjul muutub tööpunkti asend, mis tähendab, et muutub I-V karakteristiku keskmine kalle. Kuna pinge amplituud võnkeahelal on võrdeline keskmise kaldega, siis kandevibratsiooni amplituudmodulatsiooni tagamiseks on vaja tagada kalde lineaarne sõltuvus moduleerivast signaalist. Näitame, et see on võimalik, kui kasutada teise astme polünoomiga lähendatud voolu-pinge karakteristiku tööosa.

Niisiis, polünoomiga kirjeldatud voolu-pinge karakteristiku ruutlõikes on sisendpinge, mis võrdub kahe võnkumise summaga: kandja ja moduleeriv, s.t.

Kollektori voolu spektraalne koostis määratakse järgmiselt:

Valime voolu esimese harmoonilise:

Seega on esimese harmoonilise amplituud:

Nagu saadud avaldisest näha, sõltub esimese vooluharmooniku amplituud lineaarselt moduleerivast pingest. Seetõttu sõltub keskmine transjuhtivus lineaarselt ka moduleerivast pingest.

Siis on võnkeahela pinge võrdne:

Järelikult moodustub kõnealuse modulaatori väljundis amplituudmoduleeritud signaal:

Siin on modulatsiooni sügavuse koefitsient;

- kõrgsagedusliku võnkumise amplituud modulaatori väljundis modulatsiooni puudumisel, st. aadressil .

Ülekandesüsteemide projekteerimisel on oluliseks nõudeks piisava efektiivsusega suure võimsusega amplituudmoduleeritud võnkumiste moodustamine. On ilmne, et modulaatori vaadeldav töörežiim ei suuda neid nõudeid täita, eriti esimene neist. Seetõttu kasutatakse kõige sagedamini nn suure signaali režiimi.

b. Suur sisendrežiim

Selle režiimi seadistamiseks valitakse transistori I-V karakteristikul tööpunkt, mille juures võimendi töötab voolukatkestuse korral. Kandevõnkumise amplituudi valik omakorda tagab kollektorivoolu impulsside amplituudi muutumise vastavalt moduleeriva signaali seadusele (joon. 8.7). See toob kaasa sarnase muutuse kollektori voolu esimese harmoonilise amplituudis ja sellest tulenevalt ka pinge amplituudi muutumiseni modulaatori võnkeahelas, kuna

Ja .

Riis. 8.7. Suure sisendi amplituudi modulaatori režiim

Kõrgsagedusliku sisendpinge amplituudi muutumisega aja jooksul kaasneb lõikenurga ja seega ka koefitsiendi muutus. Järelikult võib ahela pinge mähisjoone kuju moduleeriva signaali kujust erineda, mis on vaadeldava modulatsioonimeetodi puuduseks. Minimaalsete moonutuste tagamiseks on vaja seada teatud piirid lõikenurga muutmiseks ja töötada mitte liiga suure modulatsioonikoefitsiendiga.

Joonisel fig 1 näidatud amplituudmodulaatori ahelas. 8.8, suunatakse moduleeriv signaal stabiilse voolugeneraatori transistori alusele. Selle voolu väärtus on võrdeline sisendpingega. Sisendpinge väikeste väärtuste korral sõltub väljundpinge amplituud moduleerivast signaalist järgmiselt

kus on proportsionaalsuskoefitsiendid.

Amplituudmodulaatori omadused

Modulaatori töörežiimi valimiseks ja selle töö kvaliteedi hindamiseks kasutatakse erinevaid karakteristikuid, millest peamised on: staatiline modulatsioonikarakteristik, dünaamilise modulatsiooni karakteristik ja sageduskarakteristik.

Riis. 8.8. Amplituudmodulaatori vooluahel voolugeneraatoriga

A. Staatilise modulatsiooni tunnusjoon

Staatilise modulatsiooni vastus (SMC)- see on modulaatori väljundpinge amplituudi sõltuvus eelpingest kandesageduse pinge konstantsel amplituudil sisendis, s.o. .

Staatilise modulatsiooni karakteristiku eksperimentaalsel määramisel antakse modulaatori sisendisse ainult kandesageduspinge (moduleerivat signaali ei anta), väärtus muutub (justkui simuleeritakse moduleeriva signaali muutust staatilises režiimis) ja registreeritakse kandja võnkumise amplituudi muutus väljundis. Karakteristiku tüüp (joonis 8.9a) määratakse voolu-pinge karakteristiku keskmise kalde muutuste dünaamika järgi, kui eelpinge muutub. SMC lineaarne kasvav osa vastab voolu-pinge karakteristiku ruutlõikele, kuna selles jaotises suureneb keskmine transjuhtivus koos eelpinge suurenemisega. SMC horisontaallõik vastab voolu-pinge karakteristiku lineaarlõikele, s.o. ala püsiva keskmise järsusega. Kui transistor läheb küllastusrežiimi, ilmub voolu-pinge karakteristiku horisontaalne osa nullkaldega, mis kajastub SMC vähenemises.

Staatilise modulatsiooni karakteristik võimaldab määrata eelpinge väärtuse ja moduleeriva signaali vastuvõetava variatsioonivahemiku, et tagada selle lineaarne sõltuvus väljundpingest. Modulaator peab töötama SMX-i lineaarses osas. Eelpinge väärtus peaks vastama lineaarse sektsiooni keskele ja moduleeriva signaali maksimaalne väärtus ei tohiks ületada SMX-i lineaarset sektsiooni. Samuti saate määrata maksimaalse modulatsiooniteguri, mille puhul moonutusi ei esine. Selle väärtus on .

Riis. 8.9. Amplituudmodulaatori omadused

b. Dünaamiline modulatsiooni reaktsioon

Dünaamiline modulatsioonivastus (DMC) on modulatsioonikordaja sõltuvus moduleeriva signaali amplituudist, s.o. . Selle karakteristiku saab saada eksperimentaalselt või staatilise modulatsiooni karakteristiku abil. DMX-i vaade on näidatud joonisel fig. 8.9, b. Karakteristiku lineaarne osa vastab modulaatori tööle SMX lineaarses osas.

V. Sagedusreaktsioon

Sagedusreaktsioon on modulatsioonikoefitsiendi sõltuvus moduleeriva signaali sagedusest, s.o. . Sisendtrafo mõju toob kaasa karakteristikute languse madalatel sagedustel (joonis 8.9c). Moduleeriva signaali sageduse kasvades eemalduvad amplituudmoduleeritud võnke külgkomponendid kandesagedusest. See toob kaasa nende madalama võimenduse tänu võnkeahela selektiivsetele omadustele, mis põhjustab omaduste languse kõrgematel sagedustel. Kui moduleeriva signaali poolt hõivatud sagedusriba on sagedusreaktsiooni horisontaalses osas, on moonutused modulatsiooni ajal minimaalsed.

Tasakaalustatud amplituudmodulaator

Saatja võimsuse tõhusaks kasutamiseks kasutatakse tasakaalustatud amplituudmodulatsiooni. Sel juhul moodustub amplituudmoduleeritud signaal, mille spektris pole kandesagedusel komponenti.

Tasakaalustatud modulaatori ahel (joonis 8.10) on kombinatsioon kahest tüüpilisest amplituudmodulaatori ahelast, mille sisendid ja väljundid on omavahel ühendatud. Kandesageduse sisendid on ühendatud paralleelselt ja väljundid on ühendatud üksteise suhtes inversiooniga, moodustades väljundpingete erinevuse. Moduleeriv signaal antakse modulaatoritele antifaasis. Selle tulemusena on meil modulaatorite väljundid

Ja , ja tasakaalustatud modulaatori väljundis

Riis. 8.10. Tasakaalustatud amplituudmodulaatori ahel

Seega sisaldab väljundsignaali spekter komponente sagedustega ja . Kandesagedusega komponenti pole.

Kvalitatiivsest küljest võib amplituudmodulatsiooni (AM) defineerida kui kandja amplituudi muutust võrdeliselt moduleeriva signaali amplituudiga (joonis 2, a).

Joonis 2. Amplituudmodulatsioon (m<<н).

a - signaali kuju; b - sagedusspekter.

Suure amplituudiga moduleeriva signaali jaoks peab moduleeritud kandja vastav amplituud olema suur väikeste Am väärtuste korral. Nagu hiljem näha, on see üldisema modulatsioonimeetodi erijuhtum.

Nende kahe väljendi korrutis on:

Võrrand (3) näitab, et moduleeritud kandja amplituud varieerub nullist (kui mt = 900, cos(mt) = 0) kuni AnAm (kui mt = 0°, cos(mt) = 1). Mõiste Amcos(mt)An on moduleeritud võnkumiste amplituud ja see sõltub otseselt moduleeriva sinusoidi hetkväärtusest. Võrrandi (3) saab teisendada vormiks

See teisendus põhineb trigonomeetrilisel identiteedil

Võrrand (4,a) on signaal, mis koosneb kahest võnkumisest sagedustega 1=n+m ja 2=n-m ning amplituudidega. Moduleeritud võnkumise (4,a) avaldise ümberkirjutamisel saame

1 ja 2 nimetatakse külgribadeks, kuna m on tavaliselt sagedusriba, mitte üks sagedus. Järelikult tähistavad 1 ja 2 kahte sagedusriba – kandja kohal ja all (joonis 2, b), st. vastavalt ülemised ja alumised küljeribad. Nendel külgribadel on kogu edastatav teave.

Võrrand (4,b) saadi erijuhuks, kui moduleeritud signaal oli en otsese korrutamise tulemus em-ga. Sellest tulenevalt ei sisalda võrrand (4,b) kandesagedusel komponenti, st. Kandesagedus on täielikult maha surutud. Seda tüüpi allasurutud kandja modulatsioon on mõnikord sihilikult loodud sidesüsteemides, kuna selle tulemuseks on väiksem kiirgusvõimsus. Enamik selliseid süsteeme kiirgab teatud võimsust kandesagedusel, võimaldades seeläbi vastuvõtval seadmel häälestuda sellele sagedusele. Samuti on võimalik edastada ainult ühte külgriba, kuna see sisaldab kogu asjakohast teavet põhiriba signaali kohta. Seejärel rekonstrueerib vastuvõttev seade signaali ühe külgriba modulatsioonist.

Täielik avaldis, mis esindab amplituudmoduleeritud võnkumist üldkujul, on järgmine:

See avaldis kirjeldab nii allasurumata kandjat (esimene liige võrrandi paremal küljel) kui ka korrutist, s.o. modulatsioon (teine ​​termin paremalt). Võrrandi (6,a) saab ümber kirjutada kujul

Viimane avaldis näitab, kuidas kandja amplituud muutub vastavalt moduleeriva võnkumise hetkeväärtustele. Moduleeritud signaali amplituud Anm koosneb kahest osast: An - moduleerimata kandja amplituud ja Amcos (mt) - moduleeriva võnkumise hetkeväärtused:

Am ja An suhe määrab modulatsiooni astme. Am=An korral jõuab Anm väärtus nullini, kui cos(мt)=-1 (мt=180°) ja Anm=2An, kui cos(мt)=1 (мt= 0°). Moduleeritud laine amplituud varieerub nullist kuni kahekordse kandja amplituudini. Suhtumine

määrab modulatsioonikoefitsiendi. Edastatava teabe – moduleeritud signaali – moonutamise vältimiseks peab m väärtus olema vahemikus nullist üheni: 0m1. See vastab AmAn-ile. (Kui m=0 Am=0, st moduleerivat signaali pole.) Võrrandi (6,a) saab ümber kirjutada m sissejuhatusega:

Joonis 3, a näitab moduleeritud võnkumiste kuju ja modulatsioonikoefitsienti m väljendatakse selle amplituudi maksimaalsete ja minimaalsete väärtuste kaudu (tipp- ja sõlmväärtused). Joonis 3, b annab aimu moduleeritud võnkumiste spektrist, mida saab väljendada teisendusvõrrandiga (6):

Joonis 3. Amplituudmodulatsioon.

a - signaali kuju; b - moduleeritud võnkumiste spekter

Joonis 4 näitab modulatsiooni tulemust koefitsiendiga m üle 100%: m>1.

Joonis 4. Modulatsiooni tulemus (m>1)

Tabelis 1 on näidatud moduleeritud võnkumise kolme sageduskomponendi amplituud ja võimsus.

Tabel 1. AM võnkumiste võimsus ja amplituud.

100% modulatsiooni (m=1) ja 1 kW kandevõimsuse korral on moduleeritud võnkumiste koguvõimsus 1 kW+(1/2)2 kW+(1/2)2 kW=1,5 kW. Pange tähele, et kui m = 1, on mõlemas külgribas sisalduv võimsus pool kandja võimsusest. Samamoodi, kui m = 0,5, on mõlema külgriba võimsus 1/8 kandja võimsusest. Ülaltoodu kehtib ainult sinusoidaalse AM lainekuju kohta. Impulsi väärtuste edastamiseks saab kasutada amplituudmodulatsiooni.

Raadioringhäälingus kasutatavas tavapärases kahe külgriba modulatsioonis edastatakse teavet ainult külgribade kaudu. Näiteks hea helikvaliteedi saamiseks on vaja töötada sagedusalas laiusega 2M, kus M on kvaliteetse heli taasesituse ribalaius (20-20 000 Hz). See tähendab, et näiteks tavalise AM-edastuse sagedusega kuni 20 kHz peaks ribalaius olema ±20 kHz (kokku 40 kHz), võttes arvesse ülemist ja alumist külgriba. Praktikas on FCC ribalaiuse piirang aga 10 kHz (5 kHz), mis tagab raadioheli edastamiseks vaid 5 kHz ribalaiuse, mis on kaugel kvaliteetsest taasesituse tingimustest. Nagu allpool näidatud, on sagedusmodulatsioonil laiem sagedusriba.

Föderaalne sidekomisjon määrab ka sagedustolerantsid kõikidele Ameerika Ühendriikide sagedusjaotajatele. Kõikide AM-saadete (535--1605 kHz) tolerants on 20 Hz ehk umbes 0,002%. Seda täpsust ja sageduse stabiilsust saab saavutada kristallostsillaatorite abil.

AM-lainekujude tuvastamine või demoduleerimine nõuab moduleeritud signaali alaldamist, millele järgneb kandesageduse eemaldamine sobiva filtreerimise abil. Neid kahte moduleeriva signaali taasesitamise etappi saab demonstreerida joonisel 3, a näidatud võnke näitega. Pärast alaldamist jääb alles vaid pool võnkumisest ja pärast filtreerimist on ainult selle mähisjoon, mis on taasesitatav signaal.

Pideva modulatsiooni meetodid

Signaali modulatsiooni meetodid

Loeng nr 7

Mõnel juhul on telemeetria ajal vaja pidevate teadete abil edastada teavet pideva protsessi kohta. Ja kui on vaja saada teavet lõpmatult suure arvu gradatsioonide kohta, siis signaalid, millega pidevaid sõnumeid edastatakse, peavad olema pidevad.

Pidev signaal toodetakse pideva modulatsiooni tehnikat kasutades.

Modulatsioon on signaali moodustamine kandja parameetrite muutmise teel sõnumi mõjul.

Pideva modulatsiooni meetodite puhul kasutatakse RF-i kandjana - siinus- või mittesinusoidset võnkumist. Kuna sinusoidset võnkumist iseloomustavad sellised põhiparameetrid nagu amplituud, sagedus ja faas, on modulatsioonil kolm peamist tüüpi: amplituud (AM), sagedus (FM) ja faas (PM). Neid modulatsioone on ka erinevaid, mida käsitletakse allpool, samuti peamiste modulatsioonitüüpide, nn topeltmodulatsioonide võnkumisi.

Pidevat teadet on võimalik edastada otse ilma HF-kandjat kasutamata, s.t. ilma modulatsioonita. Kuid modulatsioon parandab sõnumi edastamist järgmistel põhjustel:

a) signaalide sagedusjaotuse ja alamkandja sageduste kasutamisega suureneb ühe sideliini kaudu edastatavate teadete arv;

b) mürakindlate modulatsioonitüüpide kasutamisel suureneb edastatavate signaalide usaldusväärsus;

c) signaali kiirguse efektiivsus raadiokanali kaudu edastamisel suureneb. Seda seletatakse asjaoluga, et antenni suurus peab olema vähemalt 1/10 väljastatava signaali lainepikkusest. Seega oleks 10 kHz sagedusega ja 30 km lainepikkusega sõnumi edastamiseks vaja 3 km pikkust antenni. Kui see teade edastatakse 200 kHz kandjale, vähendab see antenni pikkust 20 korda (150 m).

Amplituudmodulatsioon (AM) on signaali moodustamine harmoonilise võnke amplituudi muutmise teel võrdeliselt teise elektrisignaali (teate) pinge või voolu hetkeväärtusega.

Vaatleme amplituudmodulatsiooni juhtumit, kus edastatav sõnum on lihtne harmooniline võnkumine U c = UΩ cos Ω t(riis. A) kus Ω on sagedus ja UΩ – vibratsiooni amplituud, HF – kandja või kandja, U n = U w 0 = cos ω 0 t(riis. b), ω 0 on kandesagedus ja Uω 0 – amplituud.

Teate mõjul kandja amplituudile tekib uus võnkumine, milles amplituud muutub, kuid sagedus ω 0 jääb konstantseks.

Kandja amplituud muutub lineaarselt.

U a m = Uω 0 + ku c = Uω 0 + k UΩ cos Ω t = Uω0 (1+ m cos Ω t).

Kus k on proportsionaalsuskoefitsient ja

– (4-2)

– kandja amplituudi suhteline muutus, mida nimetatakse modulatsioonisuhteks või sügavuseks. Mõnikord väljendatakse modulatsioonikoefitsienti protsentides. Kui moduleeritud võnkumise amplituud suureneb kahekordse kandja amplituudini, siis on modulatsiooni sügavus 100%.

Amplituud – modulatsioonivõnkumine on joonisel fig. c) ja selle hetkeväärtuse määrab võrdsus

Uam = Uω 0(1 + m cos Ω t) cos ω 0 t(4-3)

Sulgude avamine ja selle ärakasutamine

cos Ω t cosω 0 t=}