5. Амплитудная модуляция

5.1. Общие соотношения при амплитудной модуляции

Передатчики с AM применяют для телефонной связи, радиовеща­ния, передачи телевизионных изображений. Амплитудная модуляция используется в измерительной технике, биомедицинской аппаратуре, при передаче телеметрической информации и в других областях тех­ники. Мощность излучения зависит от назначения устройства и колеб­лется от долей милливатта до десятков мегаватт. Устройства формиро­вания АМ-сигналов работают во всех диапазонах радиочастот.

При AM амплитуда несущего высокочастотного колебания изменя­ется пропорционально напряжению передаваемого сообщения s(t). Модулирующее напряжение u_Ω (t) = ks(t), пропорциональное сигналу, поступает на один или несколько модулируемых каскадов передатчика с выхода усилителя звуковой (или видео) частоты. Сигнал s(t) имеет сложную форму. Его спектр, соответствующий 99 % энергии сигнала, занимает область относительно низких частот (100...3500 Гц — речь, 20...20 000 Гц — музыка, 0...6 МГц — видеосигнал). Особенности временной формы и спектра передаваемого сообщения учитываются при формировании АМ-радиосигнала.

При испытаниях, настройке и теоретических исследованиях в качестве модулирующего удобно использовать гармоническое напря­жение . По этому же закону должна меняться ампли­туда высокочастотного тока в антенне

(5.1)

где — коэффициент (или глубина) модуляции; I_{А мол} — ток в нагрузке (антенне) в режиме молчания.

Уравнение для мгновенного значения тока имеет вид

(5.2)

По временной диаграмме тока (рис. 17, а) коэффициент модуля­ции можно определить по формуле

(5.3)

Рис. 17. Временная диаграмма (а) и спектральная диаграмма (б) АМ-колебания с Весу щей частотой ω = ω₀

Здесь — значения амплитуды колебаний в максимальном (при cosQt = 1) и минимальном (cosQt = -1) режимах.

Для неискаженной передачи сигнала амплитуда I_АΩ должна изме­няться пропорционально амплитуде модулирующего сигнала U_Ω, а глубина модуляции должна быть не выше единицы (m≤ 1). В против­ном случае происходит качественное искажение сигнала при его вос­становлении (амплитудном детектировании) в приемнике.

Заменив в (5.2) произведение косинусов полусуммой косинусов суммарного и разностного аргументов, получим

(5.4)

Видим, что спектр АМ-колебания g(ω) содержит следующие компоненты: несущее колебание I_{А мол} cosωt, верхнюю и нижнюю боковые составляющие с частотами ω + Ω, ω – Ω и равными амплитудами (рис. 17, б). Если спектр сообщения занимает полосу Ω_min...Ω_max, то полоса АМ-сигнала составляет П = 2Ω_max. Обычно Ω_max/ω « 1, поэтому АМ-сигнал представляет собой квазигармоническое колебание с медленно меняющейся амплитудой [17]. Мощность излучения, усредненная за период высокой частоты, Изменяется с частотой модулирующего сигнала:

, (5.5)

где - сопротивление антенны.

Воспользовавшись для I_A(ΩΩt) формулой (5.1), получим

, (5.6)

где — мощность излучения в режиме молчания.

В минимальном режиме Р_{А1 min} = Р_{А1 мол}(1 - т) ² , в максимальном — Р_{А1 max} = Р_{А1 мол}(1 + т) ²

При m=1 мощность Р_{А1 mах} превышает мощность молчания в 4 раза. Это обстоятельство является важным, так как по пиковой мощности Р_{А1 mах} выбирается номинальная мощ­ность АЭ модулируемого каскада.

Мощность излучения, усредненная за период модуляции, равна постоянной составляющей выражения (5.6):

Р_А1мод = Р_{А1 мол}(1 + т²/2) (5.7)

Согласно спектральной диаграмме (рис. 17, б) мощность излуче­ния в режиме модуляции возрастает за счет мощности боковых составляющих:

(5.8)

Средняя мощность в режиме модуляции Р_{А1 мод} важна при рас­чете энергетического (в том числе теплового) баланса за длительный промежуток времени. При этом в (5.7) под т следует понимать сред­ний для данного вида сигнала s(D.t) коэффициент модуляции. Обычно т_ср = 0,3...0,5, поэтому мощность Р_{А1 мод} возрастает по сравнению с режимом молчания на 5...12 %.

Амплитудную модуляцию можно осуществить в любом из усили­тельных каскадов передатчика. Если модулируемый каскад промежу­точный, то все следующие за ним каскады работают в режиме усиле­ния модулированных колебаний. Энергетические характеристики каскада (КПД, коэффициент передачи по мощности) и качественные показатели, определяющие нелинейные и частотные искажения пере­даваемого сообщения, зависят от того, на какой электрод АЭ пода­ется сигнал модуляции. Различают два основных вида простой моду­ляции: модуляцию смещением и коллекторную модуляцию. Для повышения качественных показателей применяют комбинированную модуляцию, осуществляемую одновременно в нескольких (двух и более) каскадах передатчика.

О нелинейных искажениях при амплитудной модуляции принято судить по статическим модуляционным характеристикам — зависимостям первой гармоники коллекторного тока и постоянных составляющих коллекторного и базового токов от модулирующего напряжения. Первая определяет искажения непосредственно в модулируемом каскаде; вторые влияют на искажения сигнала в модуляторе, работающем при их нелинейности на нелинейную нагрузку.