3 Модуляция сигналов в-58

Модуляцией называется процесс воздействия колебаний низкой частоты на один из параметров (амплитуду, частоту или фазу) высокочастотного колебания. Низкочастотные колебания, которые являются сигналами, подлежащими передаче, называются управляющими или модулирующими.

При модуляции методом непрерывных колебаний различают амплитудную, частотную и фазовую модуляции. В общем случае высокочастотный модулированный сигнал можно представить в виде

, (1)

где , , – амплитуда, частота и начальная фаза высокочастотного колебания. Частоту называют также несущей частотой. Если в выражении (1) меняется только амплитуда, то говорят об амплитудной модуляции (АМ) несущей высокочастотных колебаний, если фаза или частота – то о фазовой модуляции (ФМ) или частотной модуляции (ЧМ). ФМ и ЧМ являются разновидностями угловой модуляции.

3.1 Амплитудная модуляция сигналов

Для выяснения основных особенностей АМ рассмотрим модуляцию несущего гармонического колебания с частотой , изменяющегося по закону

(2)

простым гармоническим сигналом с частотой (рисунок 4 а, б)

, (3)

положив для простоты начальную фазу обоих сигналов равной 0. В этом случае амплитуду несущих модулированных колебаний , очевидно, можно представить в виде

, (4)

где , а – приращение амплитуды, прямо пропорциональное величине напряжения сигнала сообщения. Здесь k – коэффициент пропорциональности.

Получив следующую формулу, которая показывает, что при АМ амплитуда высокочастотного колебания изменяется по закону модулирующего сигнала (рисунок 4, в).

. (5)

Рисунок 4 − Форма колебаний при амплитудной модуляции: а – несущего (высокочастотного); б – модулирующего (низкочастотного); в – амплитудно-модулированного

Величина называется коэффициентом модуляции или глубиной модуляции. Учитывая, что , коэффициент может быть выражен через наибольшее и наименьшее значения амплитуды модулированных колебаний и следующим образом:

. (6)

Измерение коэффициента глубины модуляции, изменяющегося в соответствии с выражением (6), удобно проводить с помощью осциллографа по двойной амплитуде A и B (рисунок 4, в). Тогда

, или . (1.31)

Характерная величина коэффициента глубины модуляции на практике составляет в среднем . Анализ АМ сигналов и наладку радиоприемной аппаратуры обычно проводят при величине .

АМ сигналы получают с использованием нелинейного элемента, которым может являться, в частности, транзистор. В этом случае применяют базовую или эмиттерную модуляцию.

3.2 Амплитудные модуляторы в-59

Амплитудные модуляторы на основе резонансных усилителей мощности. При построении амплитудных модуляторов чаще всего используют эффект преобразования суммы модулирующего и несущего колебаний, подаваемых на безынерционный НЭ.

Простейшую схему амплитудного модулятора можно создать на основе нелинейного резонансного усилителя (рисунок 5, а). Включив на входе транзисто­ра последовательно источники постоянного напряжения смещения , модулирующего сигнала и генератор несущего колебания и на­строив колебательный контур на несущую частоту .

Рассмотрим принцип получения однотонального AM-сигнала с помощью так называемого базового модулятора. В этом случае к входу модулятора (рисунок 5) необходимо приложить суммарное напряжение вида:

(6)

Рисунок 5 − Упрощенная схема амплитудного модулятора

Для оценки качества работы модуляторах точки зрения вносимых искажений, используют статическую модуляционную характеристику − зависи­мость амплитуды первой гармоники коллекторного тока транзистора от постоянного напряжения смещения на базе (рисунок 6). Отметим, что для исключения нелинейных искажений необходимо использовать только линейный участок модуляционной характеристики в диапазоне то­ков .

Р исунок 6 − Статическая модуляционная характеристика

При многотональной амплитудной модуляции (модуляции реальным, слож­ным сигналом) приведенные рассуждения также справедливы и в случае выбора линейного участка модуляционной характеристики нелинейные искажения будут минимальными. Однако при модуляции сложным сигналом могут возникнуть линейные (частотные) искажения. Эти искажения обусловлены сле­дующим − чем дальше отстоит боковая составляющая от несущей, тем меньше она усиливается вследствие резонансного характера АЧХ контура модулятора. Для снижения частотных искажений необходимо полосу пропускания резо­нансной нагрузки в схеме модулятора увеличивать, а с точки зрения фильтра­ции паразитных гармоник − уменьшать. При разработке практических схем принимают компромиссное решение − выбирают полосу пропускания нагрузки, равную удвоенному значению высшей частоты модуляции.

В последнее время в амплитудных модуляторах широко применяются анало­говые интегральные микросхемы, совмещающие в своем составе элементы, вы­полняющие ряд специфических функций.

Существенный выигрыш по мощности обеспечивается при применении баланс­ной и однополосной модуляций. При балансной модуляции передаются только боковые полосы частот без несущей, а при однополосной модуляции — только одна боковая полоса частот. Подавление несущего колебания происходит в модулято­рах, выполненных по балансной и кольцевой схемам. Выделение двух боковых полос в случае балансной модуляции и одной боковой полосы при однополосной модуляции производится фильтрами, включенными на выходах модуляторов.

Можно изменять во времени пропорционально входному сигналу не амплитуду, а частоту несущего колебания. Если передаваемый сигнал является гармоническим , то изменение частоты запишется в виде:

(1.7)

где — коэффициент пропорциональности. Величина называется девиацией частоты (фактически, это макси­мальное отклонение частоты модулированного сигнала от частоты несущего колебания). Такой вид модуляции называется частотной модуляцией. На рисунке 1.6 показано изменение частоты модулиро­ванного колебания при частотной модуляции.

При изменении фазы несущего колебания пропорционально сигналу получим фазовую модуляцию

(1.8)

где - коэффициент пропорциональности; — индекс фазовой модуляции.