Недостатки амплитудной модуляции.
- Низкая эффективность использования мощности при АМ (плохое использование мощности высокочастотных колебаний) и, как следствие этого, уменьшение дальности действия радиостанции.
- В приемниках амплитудно-модулированных сигналов трудно бороться с помехами от атмосферных разрядов и электрических установок. Помехи производят дополнительную амплитудную модуляцию принятых колебаний, которая проявляется в виде шорохов и тресков.
- Полоса частот, занимаемая AM колебанием в два раза шире спектра модулирующего сигнала.
- Большая энергоемкость – при отсутствии информационного сигнала передатчик излучает минимум 50% мощности, большие трудности с выделением полезного сигнала на фоне эфирных помех, применение мощного каскада модулятора
Основной недостаток амплитудной модуляции в том, что амплитуда на разных участках волны разная, следовательно, разная энергия. Значит и качество воспроизведения в приемнике будет не очень высоким.
Существуют другие виды модуляции (частотная, фазовая), в которой эти недостатки меньше.
Однополосная модуляция(ОМ). Избавиться от перечисленных недостатков AM возможно, применяя однополосную модуляцию (ОМ). С помощью различных технических решений добиваются того, что на выходе передатчика получается сигнал, у которого по сравнению со спектром AM сигнала подавлена несущая и одна из боковых полос. Формирование однополосных сигналов должно предусматривать возможности передачи так называемого пилот-сигнала - остатка несущего колебания. Пилот-сигнал необходим для неискаженной обработки сигнала в приемном устройстве, если несовпадение частот передатчика и приемника превышает норму.
Усовершенствованием обычной амплитудной модуляции является удаление всех гармоник справа или слева от несущей частоты. При этом информация не теряется, так как содержится в оставшихся гармониках с другой стороны от несущей. Такая модуляция называется однополосной и позволяет в два раза сократить полосу занимаемых частот радиоканала, при этом существенно усложняется процесс демодуляции с полным восстановлением модулирующего сигнала. Возможно устранение в однополосной модуляции и несущего колебания с частотой W0.
Рисунок 3.11 – Спектральный состав передаваемых электрических колебаний при однополосной модуляции:
где, U — напряжение колебаний; Wн — нижняя частота модулирующего сигнала;
Wв — верхняя частота модулирующего сигнала; wн — частота несущего
колебания. Пунктиром показаны подавленные колебания.
Однополосная модуляция позволяет использовать 100% мощности радиосигнала при сокращении полосы занимаемых частот вдвое.
Однополосная модуляция, управление электрическими колебаниями, при котором сообщение (сигнал) передаётся только на одной (выделенной) боковой полосе частот
Рисунок 3.12 – Спектр ОМ сигнала с одной (выделенной) боковой полосой частот
Общий эквивалентный выигрыш по мощности при переходе от AM к ОМ достигает 12...16 раз. Кроме того, применение ОМ позволяет сократить в два раза необходимую полосу частот. Вид ОМ колебаний и его спектр показан на рисунках 1.13 и 1.14.
Рисунок 3.13 – Вид ОМ колебаний Рисунок 3.14 – Спектр ОМ колебаний
При обычной АМ информация содержится в каждой из двух боковых полос.
При ОМ колебания с несущей частотой (несущее колебание) и частотами одной из боковых полос обычно подавляются. При этом полоса частот, занимаемая сигналом, сужается примерно вдвое, что позволяет разместить в том же диапазоне частот удвоенное число каналов связи.
При однополосной модуляции эффективность и помехоустойчивость канала связи значительно возрастают. Это объясняется не только увеличением полезной мощности передатчика, но и в значительной мере специфическими особенностями приема однополосных сигналов.
Сужение излучаемой полосы частот в два раза по сравнению с AM сигналом (рис. 1.14б) позволяет уменьшить полосу пропускания приемника вдвое. Благодаря этому напряжение шумов на выходе приемника уменьшается, что соответствует выигрышу в отношении сигнал — шум в два раза по мощности.
Следующее важное преимущество однополосной модуляции — отсутствие несущей частоты (рис. 1.14а) и, как следствие, отсутствие интерференционных свистов при приеме однополосных сигналов. Это позволяет станциям располагаться не через 3 кГц, а через 2 кГц. При этом, хотя и будут прослушиваться помехи от соседних станций, разборчивость при одинаковой силе сигналов все же останется достаточной для уверенного приема, так как частотный спектр мешающих станций будет искажен до неузнаваемости и сигналы их, вследствие неразборчивости, будут мешать мало.
В зависимости от того, какая боковая полоса сохраняется, говорят об однополосной модуляции с использованием верхней или нижней боковой полосы. Формирование однополосного сигнала проще всего пояснить, приведя несколько спектральных графиков:
Рисунок 3.15 – Однополосная модуляция:
а — спектр модулирующего сигнала,
б — спектр однополосного сигнала с верхней боковой полосой,
в — то же с нижней боковой полосой
По сути дела при однополосной модуляции происходит просто сдвиг спектра сигнала в окрестности частоты несущего колебания. В отличие от АМ, каждая “половинка” спектра смещается в своем направлении: область положительных частот — к +w 0, а область отрицательных частот — к –w 0. При формировании сигнала с нижней боковой полосой спектр модулирующего сигнала инвертируется (зеркально переворачивается вдоль оси частот).
Очевидно, что ширина спектра однополосного сигнала равна ширине спектра модулирующего сигнала. Таким образом, спектр однополосного сигнала оказывается в два раза уже, чем при обычной АМ.
Однополосный сигнал можно представить как сумму двух АМ-сигналов, несущие колебания которых имеют одну и ту же частоту, но сдвинуты по фазе друг относительно друга на 90° . Амплитудными функциями этих АМ-сигналов являются модулирующий сигнал и его квадратурное дополнение. В зависимости от того, складываются эти два АМ-сигнала или вычитаются (а точнее, какая из двух несущих опережает другую по фазе), формируется однополосный сигнал с верхней или нижней боковой полосой.
ОМ в настоящее время используют для передачи речевого и цифрового сигнала в любительской и профессиональной радиосвязи, типичный сигнал с однополосной модуляцией занимает в радиоэфире полосу частот не более 3,1 кГц, что позволяет более эффективно использовать частотный ресурс и повысить дальность связи (QSO) (за счет использования ионосферного распространения, которое нельзя использовать для более широкополосных каналов).
Рисунок 3.16 – Упрощённая схема однополосной связи:
Пр-1 и Пр-2 — преобразователи частоты; ПФ — полосовой электрический фильтр;
УП — усилительный тракт передатчика; УПР — усилительный тракт приёмника;
ФНЧ — электрический фильтр низких частот.
Частотная модуляция (ЧМ) — вид аналоговой модуляции, при котором информационный сигнал управляет частотой несущего колебания (несущая частота сигнала изменяется в соответствии с модулирующим колебанием).
Частотная модуляция применяется на УКВ (FM).
Преимущество частотной модуляции перед амплитудной модуляцией - большая помехоустойчивость
При частотной модуляции амплитуда несущего колебания остается постоянной, а несущая частота ω0 изменяется во времени по закону модулирующего сигнала. Это позволяет обеспечить эффективное усиление по мощности сигнала в передатчике и подвергнуть его амплитудному ограничению в приемнике. При определенных условиях это позволяет получить заметный выигрыш в качестве каналов связи по сравнению с ОМ
Рисунок 3.17 – Графики модулирующего синусоидального звука и колебания с переменной высокой частотой, полученного в результате частотной модуляции.
Во время первого положительного полупериода звукового колебания частота несущего колебания возрастает, доходит до наибольшего значения, а затем возвращается к первому значению. В течение другого отрицательного полупериода звука частота несущего колебания уменьшается, доходит до наименьшего значения и снова принимает первоначальное значение. Чем больше амплитуда модулирующего сигнала, тем сильнее изменяется частота.
При частотной модуляции модулируемым параметром является частота гармонического колебания ω0, которая получает приращение Δω, зависящее от времени и пропорциональное мгновенному значению модулирующего сигнала U. В случае гармонического колебания мгновенная частота ω не меняется во времени, она равна несущей частоте ω0.
Рисунок 3.18 – Графическое представление частотной модуляции
где, 1- Колебания несущей частоты. Частота и амплитуда постоянны.
2- Колебания модулирующей (информационной) частоты. Частота и амплитуда постоянны.
3- Модулированное колебание. Амплитуда постоянна, частота изменяется по закону информационного сигнала.
Частотная модуляция применяется для высококачественной передачи звукового (низкочастотного) сигнала в радиовещании (в диапазоне УКВ), для звукового сопровождения телевизионных программ, передачи сигналов цветности в телевизионном стандарте SECAM, видеозаписи на магнитную ленту, музыкальных синтезаторах.
Высокое качество кодирования аудиосигнала обусловлено тем, что при ЧМ применяется большая (по сравнению с шириной спектра сигнала АМ) девиация несущего сигнала, а в приёмной аппаратуре используют ограничитель амплитуды радиосигнала для ликвидации импульсных помех.
При частотной манипуляции частота несущего колебания меняется дискретно в зависимости от значения модулирующего сигнала. На практике находит применение не только двоичная ЧМ, но так же 4-х и 8-уровневая ЧМ. При использовании многоуровневой ЧМ исходная двоичная последовательность разбивается на соответствующее число бит (дибит, трибит и т.д.) для определения одной из возможных частот несущей, передаваемой в данный момент.
Рисунок 3.19 – Многоуровневая ЧМ
При частотной модуляции (ЧМ) частота ВЧ колебаний изменяется по закону модулирующего колебания. Наибольшее отклонение частоты модулирующего радиосигнала при ЧМ от значения его несущей частоты называется девиацией частоты.
Под индексом ЧМ понимают отношение девиации частоты радиосигнала m к частоте модулирующего сигнала F . Следовательно, mЧМ = m/F . При модуляции гармоническим колебанием спектр ЧМ сигнала оказывается бесконечным, однако, как показывает анализ, его основная энергия сосредоточена в ограниченной полосе.
Fc = 2F (1 + mчм)
Тем не менее, уже при весьма небольшой девиации частоты спектр получается весьма широким. Например, при m = 5кГц и F = 3.4 кГц полоса достигнет 17 кГц. Это и предопределило использование ЧМ сигналов только в УКВ диапазоне с большой частотной емкостью.