4 Амплитудная модуляция

Как уже отмечалось, модуляция есть процесс, имеющий целью перенос спектра передаваемого (низкочастотного) сигнала в область высоких частот для того, чтобы сигнал мог быть передан радиотехническими средствами, т.е. посредством излучения электромагнитных волн. Такое преобразование необходимо потому, что эффективное излучение возможно только на высоких частотах.

Модуляция осуществляется в устройствах, которые называются модуляторами. На вход модулятора подается высокочастотное (несущее) колебание

и управляющее (модулирующее) колебание

.

Причем >> .

На выходе модулятора получают колебание, модулированное по амплитуде, частоте или фазе, спектр которого отличается от спектра колебаний на входе. Именно поэтому модуляцию можно осуществлять только в нелинейных и параметрических цепях.

Рассмотрим случай простейшей (тональной) амплитудной модуляции Поскольку спектр АМС в этом случае содержит три высокочастотных составлявших (несущую с частотой и две боковые с частотами ), то схема амплитудного модулятора представляется такой: на вход НЭ подаются гармонические колебания частот и , и из очень богатого спектра тока НЭ, содержащего колебания кратных и комбинационных частот, фильтром (например, колебательным контуром) выделяют несущее колебание ( ) и колебания комбинационных частот (). Все остальные продукты нелинейного преобразования спектра должны отфильтровываться контуром, т.е. контур должен быть настроен в резонанс на частоту и иметь полосу пропускания .

Процесс получения АМС можно изучить и аналитически. Предположим, что рабочий участок ВАХ НЭ аппроксимируется полиномом 2-й степени

,

и на НЭ подано напряжение

,

причем >>

Тогда спектр входного сигнала и спектр тока НЭ имеют вид, показанный на рисунке 1.

Рисунок 1

При этом амплитуда тока несущего колебания , амплитуды колебаний боковых частот .

Так как при тональной модуляции , то в рассматриваемом случае

Видим, что коэффициент модуляции М прямо пропорционален амплитуде низкочастотного колебания . Это означает, что изменение огибающей АМС пропорционально модулирующему сигналу, т.е. модуляция осуществлена без искажений.

Нетрудно показать, что в случае аппроксимации рабочего участка характеристики НЭ полиномом степени выше второй будет наблюдаться модуляция с искажением. Например, при аппроксимации ВАХ полином 3-й степени:

;

;

.

Здесь коэффициент модуляции М не зависит линейно от амплитуды модулирующего сигнала , что свидетельствует о том, что модуляция осуществляется с искажениями.

Математический анализ показывает, что амплитудная модуляция сложным сигналом также осуществляется без искажений, если рабочий участок ВАХ НЭ аппроксимируется полином 2-й степени; при более высокой степени аппроксимирующего полинома модуляция сопровождается искажениями. При этом искажения возникает не только за счет зависимости амплитуды несущего колебания от амплитуды составлявших спектра модулирующего сигнала, но и из-за появления в полосе пропускания контура колебаний комбинационных частот (паразитных боковых составлявших).

Выбор электрического режима работы НЭ с целью получения неискаженной модуляции удобно производить с помощью так называемой модуляционной характеристики, представляющей зависимость амплитуды выходного модулированного напряжения от мгновенного значения модулирующего напряжения

В общем случае модуляционная характеристика имеет вид, изображенный на рисунке 2.

Рисунок 2

Для модуляции без искажений необходимо работать на линейном участке модуляционной характеристики АВ, т.е. применительно к рисунку 2 работать с постоянным смещением , и амплитудой модулирующего сигнала не более .

Простейшая схема транзисторного амплитудного модулятора приведена на рисунке 3.

Рисунок 3

Она отличается от схемы нелинейного резонансного усилителя тем. что во входную цепь транзистора дополнительно включен источник модулирующего сигнала и предъявлены «свои» требования к параметрам колебательного контура ( , ).

Принцип работы данного модулятора поясняется осциллограммами напряжений и токов (рисунок 4).

Рисунок 4