Амплитудные и частотные модуляторы

     

     Содержание 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                      

                     
 
 
 
 
 
 

     Введение          

Модулятор в радиотехнике и дальней связи, устройство, осуществляющее модуляцию — управление параметрами высокочастотного электромагнитного переносчика информации в соответствии с электрическими сигналами передаваемого сообщения. Модулятор является составной частью главным образом передающих устройств электросвязи и радиовещания. Переносчиком информации обычно служат гармонические колебания или волны с частотой (называемой несущей или поднесущей) Модулятор 10⁴—10¹⁵ гц. В зависимости от того, какой параметр гармонических колебаний или волн изменяется, различают амплитудную, частотную, фазовую или смешанную (например, при однополосной передаче) модуляцию колебаний. Соответственно различны и виды Модуляции. При импульсно-кодовой модуляции переносчиком информации служит регулярная последовательность электрических импульсов, параметрами которых (амплитуда, ширина, частота или фаза повторений) управляют с помощью соответствующих типов импульсных Модуляторов. Модулирующие электрические сигналы передаваемого сообщения могут иметь самую разнообразную форму: от простых и медленных телеграфных посылок в виде точек и тире или колебаний звукового диапазона частот при передаче речи и музыки до сложных, быстро изменяющихся сигналов, применяемых в телевидении или в многоканальной проводной и радиорелейной связи. Часто в функцию модулятора входит также усиление модулирующих колебаний.         

 Непременное требование к модуляции состоит в том, что модулирующее колебание должно изменяться во времени значительно медленнее модулируемого. Поэтому в любом модуляторе сочетаются взаимодействующие цепи модулируемых колебаний или волн с цепями модулирующего сигнала более низкой частоты. Определяющим в модуляторе является управляющий элемент, посредством которого сигнал воздействует на параметры модулируемых колебаний или волн. Электронная лампа как универсальный управляющий элемент сохранилась к 1974 главным образом в модуляторе мощных радиопередающих устройств (для них специально разработаны т. н. модуляторные лампы). При мощностях передатчиков ≤ 0,5 квт лампы успешно вытесняются Транзисторами и другими полупроводниковыми приборами. В устройствах, работающих на СВЧ, наряду с полупроводниковыми приборами используются клистроны, лампы бегущей волны и др. О М. в оптическом диапазоне волн. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      
 
 

1.Амплитудная  и частотная модуляция: основные понятия, параметры

характеристики 

1.1.Амплитудная  модуляция 

     Радиочастотные  колебания характеризуются тремя  параметрами: амплитудой, частотой и фазой. Они связаны соотношением i = I_Hcos(ωt + φ).

Для осуществления  модуляции необходимо изменять во времени один из параметров радиочастотного колебания в соответствии с передаваемым сигналом. В зависимости от того, какой из параметров радиочастотного колебания  изменяется, различают амплитудную, частотную и фазовую модуляцию.

     Амплитудной модуляцией называется процесс изменения амплитуды колебаний радиочастоты в соответствии с изменением амплитуды колебаний низкой частоты передаваемого сигнала.

     Передаваемое  колебание,  например речь, музыка, является сложным колебанием. И его можно рассматривать как сумму простых гармонических составляющих колебаний различных амплитуд, частот и фаз.

Для простоты анализа рассмотрим модуляцию одним  тоном частоты Ω, т. е. когда перед микрофоном звучит однотонное колебание одной частоты. График его можно представить в виде гармонического (синусоидального или косинусоидального) колебания, как показано на рис. 1, а аналитически записать выражением u_Ω=U_Ω cos Ωt. При амплитудной модуляции по закону изменения модулирующего колебания, в данном случае по закону cos Ωt, должна изменяться амплитуда тока радиочастоты. Это означает, что во время положительного полупериода звукового колебания амплитуда радиочастотного тока возрастает (точки 2—4 на рис. 1), а во время отрицательного полупериода — уменьшается (точки 4—6 на рис. 1).  
 
 
 
 

              
 
 
 
 

Рис. 1. Временная  диаграмма амплитудно-модулированных колебаний

       

     Изменение амплитуды радиочастотных колебаний математически можно выразить следующим образом. Уравнение тока в антенне или в выходной цепи модулируемого каскада до модуляции имеет вид i = I_НЕСсоsω_Ht. Это колебание называется несущим. В процессе модуляции амплитуда тока I_НЕС получает приращение ΔI_НЕС, причем это приращение изменяется по закону изменения модулирующего сигнала ΔI_НЕС cos Ωt. m <1(a), m=1(б), m>1(в,г)  Тогда выражение тока радиочастоты при модуляции принимает вид  i = ( I_НЕС + ΔI_НЕС cos Ωt) соsω_Ht. Выполняя дальнейшее преобразование выражения тока модулированных колебаний, получаем  i = I_НЕС ( 1 + ΔI_НЕС / I_НЕС cos Ωt) соsω_Ht = I_НЕС ( 1 +  m cos Ωt) соsω_Ht .

     Отношение приращения амплитуды тока несущей  частоты при модуляции ΔI_НЕС к его значению до модуляции I_НЕС  обозначают буквой m и называют коэффициентом глубины модуляции или глубиной модуляции.

Значение  коэффициента глубины модуляции  m зависит только от амплитуды модулирующего колебания. Например, при передаче речи или музыки — от громкости звука. При линейной модуляции коэффициент m прямо пропорционален амплитуде напряжения модулирующего сигнала m= aU_Ω, где a — коэффициент пропорциональности.  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 2. Графики  амплитудно-модулированных при различной  глубине модуляции 

     На  рис. 2 приведены временные диаграммы  амплитудно-модулированных колебаний при различных коэффициентах модуляции m. При    m = 0 модуляции нет. При m = 0,5 (50%) амплитуда напряжения модулирующих колебаний такова, что вызывает изменение амплитуды радиочастотных колебаний до половины первоначального значения. При m  = l ( U_Ω= U_ω)  (стопроцентная модуляция) амплитуда радиочастотных колебании увеличивается в 2 раза. В этих двух случаях огибающая амплитуд модулированных колебаний точно (без искажении) воспроизводит форму сигнала. При дальнейшем увеличении амплитуды напряжения сигнала m > l (U_Ω > U_ω ) получается перемодуляция. Во время отрицательного полупериода сигнала часть колебаний радиочастоты срезается (точки 1—2 на рис. 2,б) и форма огибающей модулированных колебаний искажается. Возникают нелинейные искажения формы передаваемого сигнала. Следовательно, для осуществления амплитудной модуляции без искажений коэффициент модуляции m не должен превышать единицы.

Выражение для тока амплитудно-модулированных колебаний можно представить в следующем виде:

I =I_{а нес}cos ω_неct+0,5 т I_{а нес} cos (ω_неc + Ω) t + 0,5 т I_{а нес} cos (ω_неc - Ω) t.

Видно, что промодулированное по амплитуде  колебание является сложным и состоит из трех составляющих:

1) колебания  несущей частоты ω_неc  с амплитудой I_{а нес} , такой же, как и до модуляции;

2) колебания  с частотой ω_неc + Ω и амплитудой 0,5 I_{а нес} , называемого колебанием верхней боковой частоты;

3) колебания  с частотой ω_неc - Ω  и амплитудой 0,5 I_{а нес} , называемого колебанием нижней боковой частоты.

      Графически спектр колебаний, промодулированных  по амплитуде низкочастотным колебанием одной частоты Ω , можно изобразить, как показано на   рис. 3,а. Видно, что при амплитудной модуляции одним тоном частоты и спектр модулированного колебания содержит три гармонических колебания — несущую и два боковых, каждое из которых находится на расстоянии, равном частоте модулирующего колебания. 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                  

                                   Рис.3. Спектр частот при амплитудной модуляции

             

     Но  речь или музыка являются сложными колебаниями. Их можно представить состоящими из гармонических колебании. Тогда при модуляции сложным колебанием модулированное колебание содержит столько нижних и верхних боковых составляющих, сколько их имеется в спектре модулирующего сигнала. В результате в составе модулированного колебания будет две полосы частот: нижняя боковая и верхняя боковая (рис. 3,б).

   

1.2.Частотная  модуляция

     Частотная модуляция - вид аналоговой модуляции, при котором информационный сигнал управляет частотой несущего колебания. По сравнению с амплитудной модуляцией здесь амплитуда остаётся постоянной. 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 посравнению с шириной спектра сигнала АМ девиация несущего сигнала, а в приемной аппаратуре используют ограничитель амплитуды радиосигнала для ликвидации импульсных помех. При частотной модуляции модулирующий сигнал модулирует не мощность опорного сигнала, а его частоту. То есть, если уровень сигнала увеличивается, то частота растет, и наоборот. Из-за  этого спектр частотно-модулированного сигнала значительно шире. Соответственно, хорошая погодоустойчивость, но необходимо использовать высокочастотные диапазоны вещания.                                                                                          

 
                                                                         Пример частотной модуляции. Вверху —

                                                                         информационный сигнал на фоне несущего

                                                                         колебания.

                                                                        Внизу — результирующий сигнал 

Рис.4 

     Частотная  модуляция требует значительной ширины полосы частот  и,  как  следствие,  используется только при несущих с частотами 100 МГц и выше.

Шумы, попадающие в ЧМ-сигнал, будь то атмосферные  возмущения  (статические),тепловые шумы в  лампах  и  сопротивлениях  или  любые  другие  шумы,  имеют меньшую возможность влиять на прием, чем  в  случае  AM.  Основной  причиной этого  является  попросту  тот  факт,  что  большинство   шумов   амплитудно-модулируют несущую. Делая приемник нечувствительным к изменениям  амплитуды, практически   устраняем   эту   нежелательную   модуляцию.    Восстановление информационного   сигнала   из   ЧМ-волны   связано   лишь    с    частотным детектированием, при котором  выходной  сигнал  зависит  лишь  от  изменений частоты ЧМ-сигнала, а не от его амплитуды. Большинство  приемников  содержит усилитель-ограничитель,  который  поддерживает  постоянную   амплитуду   ЧМ-колебаний, устраняя тем самым любой АМ-сигнал.

      Существуют различные методы  ЧМ-детектирования  и  селекции.  В  основе большинства методов лежит  использование  наклона  частотной  характеристики.

       В методе частотной  модуляции амплитуда  модулирующего  сигнала управляет мгновенной частотой несущей. Идеальная ЧМ не  вносит  изменений  в амплитуду несущей. Следовательно, форма  напряжения 

модулированной  несущей может быть выражена в виде Uчм=Анcos[(нt+((sin((мt)] ,  где (н и м - соответственно несущая частота и частота модуляции, A  индекс модуляции).                   

      Частоты модулированного колебания могут быть  получены  из