7.1.3. Амплитудная модуляция при сложных модулирующих сигналах

Однотональные АМ-сигналы применяются редко, обычно модулирующий низкочастотный сигнал имеет сложный спектральный состав. Модель такого сигнала можно представить как тригонометрическую сумму

, (7.11)

в которой частоты образуют упорядоченную последовательность , а амплитуды и начальные фазы произвольны. Подставив (11) в (3), а полученное выражение в (2) получим

. (7.12)

Величины называют парциальными (частичными) коэффициентами модуляции. С учетом введенного обозначения запишем:

. (7.13)

Спектральное разложение как и для однотонального сигнала можно найти в следующей форме:

. (7.14)

Спектральные диаграммы модулирующего и модулированного сигналов показаны на рис. 7.3,а и 7.3,б соответственно.

а) б)

Рис. 7.3. Спектральные диаграммы модулирующего (а) и модулированного (б) сигналов

Из спектральной диаграммы видно, что ширина спектра АМ-сигнала равна удвоенному значению самой высокой частоты в спектре модулирующего сигнала. Учитывая это обстоятельство, можно приближенно рассчитывать число радиовещательных каналов, которые можно разместить в заданном диапазоне частот. Например, нужно определить число вещательных станций, которые можно разместить в диапазоне частот от 0,5 до 1,5 МГц при условии, что передаваемый сигнал состоит из звуковых частот в диапазоне от 100 Гц до 12 кГц. В этом случае полоса частот, занимаемая одним каналом будет равна 24 кГц. Если принять ширину защитного интервала для устранения перекрестных помех 1 кГц, то допустимое число каналов будет равно:

.

Из спектральной диаграммы видно также, что модулирующий сигнал переносится на высокую частоту и располагается зеркально и симметрично относительно несущей частоты. Форма зеркально расположенных половин спектра повторяет форму спектра модулирующего колебания. Например, в радиотелеграфии и в импульсной радиолокации применяются амплитудно-модулированные сигналы, которые представляют собой последовательности радиоимпульсов. Используя спектральное разложение для последовательности видеоимпульсов и формулы для расчета спектра АМ-сигнала, модулированного сложным сигналом (7.14) для амплитудно-манипулированного сигнала, можно найти

. (7.15)

Спектр полученного сигнала будет симметрично расположен относительно несущей частоты , а по форме будет повторять форму спектра исходной модулирующей последовательности видеоимпульсов, зеркально расположенную относительно несущей частоты .

Для более эффективного использования мощности АМ-сигнала формируют сигналы с подавленным несущим колебанием. Такую модуляцию называют балансной. Еще более эффективно используется мощность передатчика при излучении только одной полосы частот промодулированного сигнала. Такая модуляция называется однополосной.

7.1.4. Амплитудные модуляторы

Модуляторы предназначены для управления одним или несколькими параметрами передаваемого колебания по закону передаваемого сообщения. Одна из возможных схем модуляторов и осциллограммы ее работы показаны на рис.7.4.

а) б)

Рис. 7.4. Схема модулятора (а) и осциллограммы ее работы (б)

Процесс модуляции сопровождается изменением спектра модулируемого колебания и осуществляется с помощью нелинейных элементов (ламп, транзисторов). При модуляции напряжение смещения на базе изменяется в такт с модулирующим колебанием, при этом напряжение возбуждения ВЧ и коллекторное питание остаются постоянными. Режим работы усилителя выбирается нелинейным, поэтому при изменении напряжения смещения изменяется величина импульсов коллекторного тока, при этом амплитуда колебаний, выделяемых коллекторным контуром, тоже будет изменяться, т.е. получаем амплитудно-модулированный сигнал.

При постоянном напряжении смещения и постоянной амплитуде возбуждающего колебания импульсы коллекторного тока имеют постоянную амплитуду и величина первой гармоники тока также будет постоянной. Если подавать на вход транзистора только переменное напряжение НЧ управляющего сигнала, то вследствие того, что контур для колебаний НЧ имеет сопротивление, близкое к нулю, колебания в контуре будут отсутствовать. При совместной подаче высокочастотного сигнала и переменного напряжения смещения изменяется величина высокочастотных импульсов коллекторного тока, в связи с этим изменяется и амплитуда тока первой гармоники сигнала, выделяемой в коллекторном контуре. Таким образом и получают АМ колебание.

Для оценки качества работы модулятора строят зависимость амплитуды тока первой гармоники от величины модулирующего напряжения. Вид нормированных модуляционных характеристик показан на рис. 7.5.

Характер модуляционных характеристик зависит от соотношений эквивалентного сопротивления контура и внутреннего сопротивления транзистора . Веерообразные пунктирные линии, проведенные из точки "0", объединяют модуляционные характеристики с равными углами отсеки. Для работы модулятора используются наиболее линейные участки модуляционных характеристик (участки, ограниченные прямыми EF и AB). Точки на прямой CD соответствуют режиму молчания (середина линейного участка).

Рис. 7.5. Модуляционные характеристики

При обычно используемых значениях это соответствует углам отсечки в пределах . Основным требованием, предъявляемым к амплитудным модуляторам, является высокая линейность амплитудной модуляционной характеристики и высокие энергетические показатели. Эти требования хорошо выполняются при выборе величин и в указанных пределах. Причинами нелинейности модуляционных характеристик обычно являются нелинейность статических характеристик транзистора. На качество модуляции может влиять способ подачи напряжения смещения. Лучшие результаты достигаются при использовании автономных источников смещения.

К числу показателей, характеризующих работу модулятора, относятся: полоса частот, занимаемая модулированным сигналом; глубина модуляции (коэффициент модуляции); уровень нелинейных искажений; уровень шумов и фона от паразитной модуляции, а также коэффициент полезного действия.