7.3. Модуляция сигналов

Модуляция – нелинейный процесс, в результате которого низкочастотный сигнал сообщения запечатлевается в изменении одного из параметров высокочастотного колебания.

Высокочастотное колебание называетсянесущим колебанием.

Низкочастотное колебание сообщения называетсямодулирующим (управляющим) колебанием.

В зависимости от того, каким параметром несущего колебания управляет модулирующее колебание, различают амплитудную , частотнуюи фазовуюмодуляцию.

7.3.1. Амплитудная модуляция

При амплитудной модуляции амплитуда несущего колебания изменяется по закону управляющего, модулирующего колебания.

Для простоты рассмотрим случай модуляцию одним тоном, когда сигнал сообщения представляет собой низкочастотное гармоническое колебание . Частота несущего колебания выбирается как минимум на порядок выше частоты сигнала сообщения. Не нарушая общности, начальную фазу несущего гармонического колебания будем считать равной нулю. Тогда амплитудно-модулированный (АМ) сигнал описывается выражением

, (7.9)

где – коэффициент модуляции амплитуды.

Из (7.9) видим, что амплитудно модулированный сигнал получают в процессе перемножения высокочастотного и низкочастотного колебаний.

Найдем спектр амплитудно-модулированного сигнала. Для этого в (7.9) выполним преобразования

(7.10)

Из (7.10) видим, что в процессе модуляции происходит изменение спектрального состава высокочастотного сигнала. Спектр АМ сигнала содержит три частоты (см. рис. 7.3): несущую частоту и две боковые частоты. Информация о модулирующем колебании запечатлевается в амплитудах двух колебаний, частоты которых называютсянижней боковой частотой иверхней боковой частотой . Амплитуды колебаний боковых частот одинаковы и равны.

Рис. 7.3. Спектральная диаграмма сигнала амплитудно-модулированного одним тоном

Если модулирующий сигнал занимает полосу частот, ограниченную частотами и, то в спектре АМ сигнала кроме несущего колебания будут еще две боковые полосы: нижняя боковая частота (отдо) и верхняя боковая частота (отдо).

Устройства, в которых осуществляется модуляция высокочастотного несущего колебания, называются модуляторами.

Работа амплитудных модуляторов основана на перемножении несущего и модулирующего колебаний на нелинейном элементе. ВАХ нелинейного элемента (диода, транзистора) можно аппроксимировать полиномом

. (7.11)

Напряжение, поданное на вход нелинейного элемента, представим в виде . При прохождении тока через нелинейную цепь в его спектре кроме частот несущего и модулирующего колебания появляются комбинационные частоты:

(7.12)

С помощью полосового фильтра, например, колебательного контура с добротностью из спектра тока можно выделить компоненты с частотами близкими к частоте несущего колебания

. (7.13)

Из сравнения (7.13) с (7.10) видно, что ток содержит те же частотные составляющие, что и напряжение сигнала с амплитудной модуляцией одной гармоникой. На рис. 7.4а показана схема АМ модулятора, в котором осуществляется базовая модуляция. На рис. 7.4б приведено графическое объяснение процесса модуляции с использованием кусочно-линейной аппроксимации проходной вольт-амперной характеристики биполярного транзистора. Из рис. 7.4б видно, что НЧ модулирующий сигнал управляет положением рабочей точки условного режима покоя (при отсутствии ВЧ несущего колебания). В результате этого производится управление коллекторным током, который возбуждает в колебательном контуре, являющемся нагрузкой ЭП, высокочастотные колебания. Амплитуда напряжения на выходе модулятора повторяет изменения амплитуды напряжения на контуре.