3. Принцип формування сигналу. Спектр випромінюємих частот.

В радиоэлектронике объектом изучения являются электрические сигналы, представляющие собой колебания электрического тока (напряжения). Электрический сигнал, содержащий информацию, называется сообщением.

Сообщение, образованное преобразователем информации в электрический сигнал, является, как правило, медленно меняющейся функцией времени. Для повышения эффективности передачи информации используют высокочастотные колебания, параметры которого меняются по закону сообщения. Такие сигналы называются модулированными или радиосигналами. В примере, показанном на рис. 1, радиосигнал s(t) с амплитудной модуляцией содержит сообщение, которое описывается огибающей (пунктирная линия) высокочастотного колебания.

Рисунок 3.1 - давление звука на мембрану микрофона.

Рисунок 3.2 - электрический сигнал на выходе микрофона.

Рисунок 3.3 - Амплитудно-модулированный радиосигнал, огибающая которого пропорциональна низкочастотному сообщению на выходе микрофона.

Амплитудная модуляция — вид модуляции, при которой изменяемым параметром несущего сигнала является его амплитуда.

Рисунок 3.4 - Амплитудная модуляция

Амплитудная модуляция (АМ) – модуляция, при которой незатухающие колебания изменяются по амплитуде в соответствии с модулирующими его колебаниями более низкой частоты.

При амплитудной модуляции (АМ) амплитуда высокочастотного колебания (несущей) изменяется по закону модулирующего (первичного) сигнала.

Рисунок 3.5 - Графическое отображение амплитудной модуляции (АМ)

1- Колебания несущей частоты. Частота и амплитуда постоянны.

2- Колебания модулирующей (информационной) частоты. Частота и амплитуда постоянны.

3- Модулированное колебание. Частота постоянна, амплитуда изменяется по закону информационного сигнала.

При АМ спектр модулирующего сигнала переносится в область частот носителя, образуя верхнюю и нижнюю боковые составляющие спектра. Поскольку при таком преобразовании получаются новые частоты, процедура модуляции есть нелинейное преобразование. Но поскольку при АМ спектр модулирующего сигнала не изменяется, а лишь переносится в область высоких частом, АМ считается линейным видом модуляции.

Цель любой модуляции - неискаженная и при меньшем воздействии помех передача сигнала по данной линии связи.

Принципы преобразования спектра при АМ широко используются в технике

Изменение амплитуды колебаний высокой (несущей) частоты колебаниями низкой (звуковой) частоты называется амплитудной модуляцией. Для получения амплитудно-модулированных электромагнитных колебаний в цепь транзисторного генератора последовательно с колебательным контуром включают катушку трансформатора.

Рисунок 3.6 - Схема получения амплитудно-модулированных электромагнитных

колебаний

На первичную обмотку трансформатора подается напряжение звуковой частоты. На вторичной обмотке трансформатора ин­дуцируется ЭДС той же частоты и складывается с постоянным напряжением источника тока. Изменение напряжения между эмиттером и коллектором транзистора приводит к изменению звуковой частотой, амплитуды колебаний тока высокой частоты в колебательном контуре генератора. В результате амплитуда колебаний в контуре генератора будет изменяться в такт с изменением напряжения низкочастотного сигнала на транзисторе.

Несущая частота, частота гармонических колебаний, подвергаемых модуляции сигналами с целью передачи информации. Колебания с НЧ иногда называют несущим колебанием. В самих колебаниях с НЧ не содержится информации, они лишь «несут» её. Спектр модулированных колебаний содержит, кроме НЧ. боковые частоты, заключающие в себе передаваемую информацию.

Если в качестве первичного сигнала принять сигнал, имеющий формулу синусоиды, то амплитудно-модулированный сигнал будет иметь вид, изображенный на рисунке 3.7 .

Рисунок 3.7 – Вид амплитудно-модулированного сигнала

С качественной стороны амплитудная модуляция (AM) может быть определена как изменение амплитуды несущей пропорционально амплитуде модулирующего сигнала.

Гармоническое колебание высокой частоты w модулировано по амплитуде гармоническим колебанием низкой частоты (рис. 1.8) W (t = 1/W — его период), t — время, A — амплитуда высокочастотного колебания, T — его период.

A

Амакс

Амин

t

Рисунок 3.8 – Модулированное гармоническое колебание

Амплитудная модуляция синусоидальным сигналом, w — несущая частота, W — частота модулирующих колебаний, Амакс и Амин — максимальное и минимальное значения амплитуды.

Для модулирующего сигнала большой амплитуды соответствующая амплитуда модулируемой несущей должна быть большой и для малых значений амплитуды Эта схема модуляции может быть осуществлена умножением двух сигналов.

При изменении амплитуды сигнала НЧ меняется глубина модуляций. Глубина амплитудной модуляции - максимальное относительное отклонение амплитуды от среднего.

АМ колебания представляют собой результат сложения трех высокочастотных колебаний; колебания с частотой f₀ и с амплитудой U₀ и двух колебаний с частотами f₀ + F и f₀ - F и амплитудой 0,5 mАМ*U₀.

Рисунок 3.9 – АМ колебания

Отношение U /U₀ называют коэффициентом модуляции mАМ. Его часто выражают в процентах. Если U₀>=Umax, то коэффициент mАМ будет изменяться от 0 до 1.

Коэффициент амплитудной модуляции (коэффициент АМ, устар. глубина модуляции) — основная характеристика амплитудной модуляции — отношение разности между максимальным и минимальным значениями амплитуд модулированного сигнала к сумме этих значений, выраженное в процентах

m = (Amax - Amin) / (Amax + Amin)

В системах с амплитудной модуляцией (АМ) модулирующая волна изменяет амплитуду высокочастотной несущей волны. Анализ частот на выходе показывает присутствие не только входных частот f₀ и F, но также их сумму и разность: f_н + F и f_н - F. Если модулирующая волна является комплексной, как например сигнал речи, который состоит из множества частот, то суммы и разности различных частот займут две полосы, одна ниже, другая выше несущей частоты. Частоты f_н + F и f_н - F называются верхней и нижней боковой частотой соответственно.

Радиосигнал состоит из несущего колебания и двух синусоидальных колебаний, называемых боковыми полосами.

При обычной амплитудной модуляции информация содержится в каждой из двух боковых полос

Спектральная плотность модулированного сигнала представляет два спектра модулирующей функции, построенных относительно частот w = w₀ и w = -w₀ (сдвинутых на частоты несущей).

Рисунок 3.10 – Спектр однотональной модуляции

Верхняя боковая полоса является копией изначального разговорного сигнала, только сдвинутого на частоту Fc. Нижняя полоса это инвертированная копия изначального сигнала, т.е. верхние частоты в оригинале являются нижними частотами в нижней боковой.

Нижняя боковая полоса это зеркальное отображение верхней боковой по отношению к частоте несущей Fc.

Система с АМ, которая передает обе боковых и несущую, известна, как двухполосная система (DSB - double sidebaud). Несущая не несет никакой полезной информации и может быть убрана, но с несущей или без, полоса сигнала DSB вдвое больше полосы изначального сигнала. Для сужения полосы возможно вытеснение не только несущей, но и одной из боковых, так как они несут одну информацию. Этот вид работы известен, как однополосная модуляция с подавленной несущей (SSB-SC - Single SideBand Suppressed Carrier).

Любая передающая радиостанция, работающая в режиме амплитудной модуляции, излучает не одну частоту, а целый набор (спектр) частот. В простейшем случае ( с синусоидальным сигналом) этот спектр содержит лишь три составляющие — несущую и две боковые. Если же модулирующий сигнал не синусоидальный, а более сложный, то вместо двух боковых частот в модулированном колебании будут две боковые полосы, частотный состав которых определяется частотным составом модулирующего сигнала.

Поэтому каждая передающая станция занимает в эфире определённый частотный интервал. Во избежание помех несущие частоты различных станций должны отстоять друг от друга на расстоянии, большем, чем сумма боковых полос. Ширина боковой полосы зависит от характера передаваемого сигнала: для радиовещания — 10 кГц, для телевидения — 6 МГц. Исходя из этих величин, выбирают интервал между несущими частотами различных станций. Для получения амплитудно-модулированного колебания колебание несущей частоты и модулирующий сигнал подают на специальное устройство — модулятор.

Демодуляция сигнала АМ достигается путем смешивания модулированного сигнала с несущей той же самой частоты, что и на модуляторе.

Изначальный сигнал затем получают, как отдельную частоту (или полосу частот) и его можно отфильтровать от других сигналов. Несущая для демодуляции генерируется на месте и она может не совпадать каким либо образом с частотой несущей на модуляторе. Небольшая разница между двумя частотами является причиной несовпадения частот, что присуще телефонным цепям.

За счет амплитудной модуляции сложного сигнала происходит увеличение скорости передачи данных.