Лабораторная работа 9

Амплитудная модуляция

и детектирование амплитудно–модулированных колебаний

Цель работы

Исследование физических процессов, происходящих при амплитудной модуляции смещением и при детектировании амплитудно–модулированных колебаний диодным детектором.

Теоретические сведения

Модуляция

Модуляцией называется медленное изменение каких-либо параметров высокочастотного колебания по сравнению с самим колебанием.

Такое изменение производится для того, чтобы с помощью высокочастотного колебания передавать сообщения: речь, музыку, изображение, телеметрические показания датчиков, кодированные сигналы управления.

Высокочастотные колебания характеризуются амплитудой, частотой и фазой. Соответственно различают три основных вида модуляции: амплитудную, частотную и фазовую.

Модуляция осуществляет перенос спектра видеосигнала в область радио– или оптических частот, благодаря чему он может быть передан на расстояние посредством излучения.

Модулирующий радиосигнал должен мало изменяться за период модулируемых колебаний, иначе его нельзя будет восстановить без значительных искажений.

Амплитудная модуляция

При амплитудной модуляции изменяется только амплитуда колебаний, а фаза и частота остаются неизменными. Однако в некоторых случаях возникает также и нежелательная, так называемая паразитная частотная или фазовая модуляция.

При амплитудной модуляции (AM) высокочастотного сигнала низкочастотным сигналоммодулированное колебание имеет вид:

,

где U – амплитуда несущего колебания, m – коэффициент модуляции, – частота модулирующего колебания, ₀ – частота несущего колебания.

Амплитудно–модули-рованное высокочастотное колебание показано на рис. 1.

Коэффициент m – глубина модуляции. Он характеризует степень изменения амплитуды высокочастотного (модулированного) колебания.

Максимальное и минимальное значения амплитуды модулируемого колебания равны соответственно:

,

,

откуда получается формула для вычисления m:

.

Этой формулой пользуются для определения коэффициента модуляции и в том случае, когда модуляция производится не синусоидальным колебанием, а колебаниями сложной формы, например, когда модуляция "вверх" и модуляция "вниз" неодинаковы:

.

При синусоидальной модуляции результирующее высокочастотное колебание можно представить в виде суммы колебаний:

Таким образом, высокочастотное колебание при амплитудной синусоидальной модуляции имеет спектр, состоящий из трёх составляющих: нижней боковой, несущей и верхней боковой. Спектральная диаграмма такого колебания изображена на рис. 2.

Так как АМ–сигнал имеет полосу частот ₀  _в (_в – верхняя граничная частота спектра модулирующего сигнала), то радиостанции, работающие по принципу амплитудной модуляции несущий, занимают в эфире полосу 2 . Поэтому радиостанции во избежание взаимных помех должны иметь несущие частоты, различающиеся не менее чем на сумму их боковых.

Один из способов осуществления амплитудной модуляции  подача на управляющий электрод нелинейного элемента суммы высокочастотного и модулирующего напряжений. Если напряжением смещения рабочая точка активного элемента выбрана на квадратичном участке его вольтамперной характеристики, то на выходе будет амплитудно–модулированный сигнал, который легко выделить при помощи резонансной нагрузки (рис. 3).

Для получения АМ колебаний при модуляции смещением к входу модулируемого усилителя (рис. 3) подаётся:

а) постоянное напряжение смещения U_б0 , определяющее рабочую точку;

б) низкочастотный модулирующий сигнал, управляющий изменением средней крутизны нелинейного элемента – транзистора;

в) высокочастотное колебание с амплитудой U_бm и частотой ₀  _р , для которой нелинейный элемент может рассматриваться как усилитель с переменным параметром S_ср , управляемым модулирующим напряжением. Режим работы транзистора при получении гармонической модуляции смещением показан на рис. 4.

Для оценки качества воспроизведения модулирующего сигнала огибающей AM колебания удобно пользоваться статическими и динамическими модуляционными характеристиками.

Статическую модуляционную характеристику снимают без модуляции. Она представляет собой зависимость первой гармоники коллекторного токаI_к1 или напряжения на контуре U_кm = I_к1 R_эр от модулирующего фактора, например, напряжение смещения U_б0 при постоянной амплитуде высокочастотных колебаний U_бm .

Статическая модуляционная характеристика используется для выбора режима модуляционного усилителя. Рабочую точку нелинейного элемента выбирают на середине линейного участка этой характеристики. По статической модуляционной характеристике можно определить коэффициент нелинейных искажений огибающей АМ колебания.

Динамическая модуляционная характеристика показывает зависимость коэффициента модуляции напряжения на контуре m_U от амплитуды модулирующего напряжения U_ .