Сигналы с амплитудной модуляцией

Амплитудной модуляцией называют такой вид воздействия на высокочастотные колебания, в результате которого их амплитуда изменяется по закону передаваемого сигнала. Для простоты рассмотрения явлений, происходящих при амплитудной модуляции, примем, что модуляция несущей частоты Uн=UнCoswt осуществляется простым гармоническим колебанием UW=UWCos Wt, где частота гармонического колебания сигнала W << w – частоты ВЧ колебания.

Рис. 3.1. Амплитудная модуляция несущей частоты гармонических колебаний

В результате модуляции амплитуда высокочастотных колебаний должна изменяться пропорционально напряжению полезного сигнала в сторону его увеличения или уменьшения от некоторого среднего значения Uн, т.е.

Uам = Uн + UWCos Wt

Уравнение амплитудно-модулированных колебаний имеет вид:

Uaм = (Uн + UWCos Wt)Coswt = Uн(1 + UW / Uн * Cos Wt) Cos wt.

Величина, характеризующая отношение изменения амплитуды колебаний к их амплитуде в отсутствие модуляции, называется глубиной или коэффициентом модуляции m=UW / Uн, (%).

Глубина модуляции обычно берётся в процентах.

Преобразуем уравнение амплитудно-модулированного колебания:

Uам = Uн(l + m *Cos Wt) Cos wt = Uн*Coswt + Uн*m*Cos Wt*Cos wt = Uн*Cos wt +

+ Uн*m/2 *Cos(w - W)t + Uн*m/2 *Cos(w + W)t;

Uн*m/2 = Uн*UW/2Uн = UW / 2.

Первое слагаемое представляет собой колебания в режиме молчания, второе
и третье слагаемое отличается от несущей частоты на величину частоты
модуляции и называются соответственно нижней и верхней боковой частотой.
Учитывая, что w = 2pf, a W = 2pF, спектр частот такого колебания будет
иметь вид (рис. 3.2):

Рис. 3.2. Спектр AM сигнала при модуляции сигналом постоянной частоты

Если же в качестве модулирующего напряжения используется спектр звуковых частот Fmin¸Fmax, то в результате модуляции будет получено колебание, спектр частот которого будет включать колебание несущей частоты f, a также верхнюю и нижнюю боковые полосы частот (рис.3.3):

Не трудно увидеть, что при AM ширина спектра передаваемых частот равна удвоенной максимальной модулирующей частоте. Ширина спектра AM колебаний влияет на полосу пропускания выходных каскадов передатчика, как и на полосу пропускания приёмника.

Рассмотрим, как распределяется мощность передатчика при амплитудной модуляции. Предварительно заметим, что для эффективного использования мощности передатчика целесообразно выбирать глубину модуляции m = UW/Uw возможно больше, в то же время для обеспечения не искаженной работы передатчика необходимо выполнить условие m < 1.

Пусть амплитудно-модулированный сигнал нагружен на активное сопротивление R, тогда мощность выделяемая на нём колебаниями неслтцей частоты составляет: Рн=½*Uн²/R, а верхней или нижней боковой частот Рб = ½ (½Uн×m)²/R = 1/8 • (Uн×m)²/R.

Информация о передаваемом сигнале содержится только в боковых полосах частот, причем даже при максимальном коэффициенте модуляции m =1 мощность колебаний каждой из боковых полос частот не превосходит 25% мощности колебаний несущей частоты.

Передатчик радиостанции необходимо рассчитывать на максимальную мощность. При глубине модуляции 100% амплитуда напряжения, по сравнению с амплитудой напряжения в режиме молчания возрастает в 2 раза, а мощность в 4 раза, поэтому каскады передатчика, работающего в режиме AM должны рассчитываться на мощность в 4 раза большую, чем мощность колебаний несущей частоты.

Таким образом, недостатками амплитудной модуляции являются:

1) При амплитудной модуляции при глубине модуляции 100% мощность одной боковой полосы частот составляет лишь ¼ мощности несущего колебания;

2) Передатчик должен обеспечивать мощность в 4 раза превосходящую мощность при работе в режиме молчания;

3) При амплитудной модуляции радиосигнал занимает широкий спектр частот, равный удвоенной максимальной частоте модулирующего сигнала;

4) Радиосигналы с амплитудной модуляцией сильно подвержены влиянию атмосферных и промышленных помех, оказывающих воздействие на амплитуду передаваемого по радиоканалу сигнала.