Формирование сигналов с амплитудной (АМ)

Общие сведения
Любое гармоническое колебание характеризуется тремя параметрами: амплитудой, частотой и фазой. Они связаны известным соотношением:
i=Iн sin(ωt+φ0).
При воздействии модулирующего сигнала возникает АМ, ЧМ, ФМ или их комбинации.
Приняв φ0=0, при модуляции сложным сигналом f(t), получим:
при АМ: i=[Iн+ΔIн f(t)] sin ωt;
при ЧМ: i=Iн sin[ω+Δω f(t)]t;
при ФМ: i=Iн sin[ωt+Δφ f(t)],
где i — мгновенное значение тока модулированного сигнала; Iн — амплитуда тока несущей частоты (режим молчания); ΔIн, Δω, Δφ — максимальные девиации амплитуды, частоты и фазы.

Эффективность модуляции оценивается:
при АМ — коэффициентом глубины модуляции m= ΔIн/Iн;
при ЧМ — индексом частотной модуляции M= Δω/Ω= Δf /F;
где Δf — девиация частоты, F — модулирующая частота;
при ФМ — индексом фазовой модуляции Мφ= Δφ,
т.е. максимальным отклонением фазы.

Следует различать два существенно различных случая: модуляция несущего колебания, задаваемого независимым и стабильным источником, и модуляция автоколебания.
В первом случае (рисунок 2.1,а) суть процесса модуляции заключается в изменении передаточной функции усилителя К(iωн,t) по закону, связанному с передаваемым сообщением. По отношению к частоте ωн, модулируемый усилитель представляет собой линейный четырёхполюсник с переменным параметром, а процесс модуляции — линейный параметрический процесс, хотя режим работы модулируемого усилителя может быть существенно нелинейным.
Во втором случае (Рисунок 2.1,б) модулирующее сообщение воздействует непосредственно на АГ, представляющий собой нелинейное устройство.

а) б)
Рисунок 2.1 Два случая модуляции.

Амплитудная модуляция. Способы осуществления
Передатчики с амплитудной модуляцией применяют для телефонной связи, радиовещания, передачи телевизионных сообщений.
Допустим, что передаваемый сигнал f(t) представляет собой гармоническое колебание звуковой частоты Ω. При АМ амплитуда тока ВЧ должна изменяться в соответствии с этим сигналом. Тогда:
i(t) = (Iн+ΔΙн cosΩt) cos(ωнt) = Iн (1+m cosΩt) cos(ωнt) =
Iн cos(ωнt)+0,5m Iн cos(ωн+Ω)t+0,5m Iн cos(ωн-Ω)t (2.1)

Амплитудная модуляция. Способы осуществления
Осциллограмма и спектр АМ сигнала при модуляции одним тоном.

Амплитудная модуляция. Способы осуществления
Для АМ свойственны следующие энергетические соотношения.
Максимальный (пиковый) режим:
Р~макс= Р~н (1+m)²,
где Р~н — мощность в режиме несущей, m — коэффициент глубины модуляции.
Минимальная мощность
Р~мин = Р~н (1-m)².
Таким образом, при m=1 Р~макс=4 Р~н .

Амплитудная модуляция. Способы осуществления
Мощность одной боковой
Рω+Ω=1/2 (m Iн/2)² Ra=Р~н m²/4
Суммарная мощность боковых
РσΣ=Р~н m²/2
Средняя мощность (среднеинтегральная мощность за период НЧ)
Рср= Р~н + РσΣ= Р~н (1+ m²/2)

Амплитудная модуляция. Способы осуществления
Модуляция смещением
В модулируемом каскаде по сигналу информации изменяют напряжение смещения на входе АЭ: Ec=Eсн+UΩ cosΩt.

Амплитудная модуляция. Способы осуществления
Энергетические соотношения:
Р~н=1/2 Iн² Ra; Imax=Iн(1+m); Iк0 max =Iк0 н (1+m);
Eкн=Ек max; P~max =0,5 I²max Ra=P~н (1+m)²;
P0н=Iкн Eкн; P0max =I0max Eк=Р0н (1+m);
η=P1/P0; ηн=Р1н/Р0н=0,5 Iн U~ /I0н E0н =
=0,5 α1(Θ) iк max U~ / α0(Θ) iк max Eк =
=0,5 ξ α1(Θ)/ α0(Θ)=0,5 ξ g1(Θ);

Амплитудная модуляция. Способы осуществления
Энергетические соотношения:
η max= P~max / P0max = Р~н (1+m)²/ Р0н (1+m)=
= ηн (1+m);
ξ max= Umax / Ек max=U~н (1+m)/ Eкн = ξн (1+m).
Таким образом, при модуляции смещением
η max=2 ηн и ξ max=2 ξн .

Амплитудная модуляция. Способы осуществления
Коллекторная модуляция
Модулирующее напряжение вводится последовательно с постоянным напряжением в цепи коллектора Eкн, определяющим режим несущей (молчание).

Амплитудная модуляция. Способы осуществления
Энергетические соотношения:
Ек max=2 Екн;
P~max= Р~н (1+m)²;
P0 max= Р0 н (1+m)²;
ηн= η max , ξн =ξ max .
В отличие от модуляции смещением при коллекторной модуляции ηн равен η max .

Амплитудная модуляция. Способы осуществления
Модуляция смещением применяется обычно в маломощных каскадах, КПД при этом виде модуляции мал (15...20%). Достоинства: простота, малая мощность модулятора. При коллекторной модуляции ηн = ηmax и достигает значений 70...80%. Однако требуемая мощность модулятора соизмерима с мощностью модулируемого каскада. Часто применяют комбинированную АМ..

Однополосная модуляция. Способы осуществления
В отличие от спектра АМ колебания, при ОБП несущая и одна из боковых полос подавляются.
Сравним мощности спектров АМ и ОБП колебаний. Для одной боковой
Рбок АМ=Р~н m²/p²,
где p — пикфактор [пикфактор (Пф) — характеризуется выбросами амплитуды НЧ сигнала, Пф=Umax/Uср ].
В процессе модуляции средняя мощность ОП сигнала
Рср ОМ=Р~max/p²,
где Р max ОМ= Р max АМ.
Откуда
Рср ОМ / Рбок АМ=(1/m +1)².

Однополосная модуляция. Способы осуществления
Т.о., при m=1 выигрыш по мощности составляет 4 раза. Кроме того спектр частот, излучаемый при передаче ОБП, уменьшается по сравнению с АМ в 2 раза, что позволяет сузить полосу пропускания приёмника. За счёт этого отношение сигнал/помеха увеличивается по напряжению в 1,41 раз, а по мощности в 2 раза. Общий выигрыш по мощности при передаче ОБП по сравнению с АМ составляет 8 раз.
В передатчиках КВ диапазона из-за особенностей распространения радиоволн на входе приёмника между несущей и боковыми частотами образуются фазовые сдвиги, которые уменьшают полезный эффект на выходе.
При ОБП такого эффекта нет, что расценивается как увеличение полезного эффекта по мощности в 2 раза. Таким образом, общий выигрыш по мощности при переходе от АМ к ОБП составляет 8...16.

Однополосная модуляция. Способы осуществления
Существует три метода формирования однополосного сигнала:
Фильтровый
Фазовый
Синтетический

Однополосная модуляция. Способы осуществления
При фильтровом методе формирование осуществляется в два этапа.
На первом этапе происходит формирование двухполосных АМ колебаний с ослабленной несущей в устройствах называемых балансными модуляторами (БМ).
На втором этапе осуществляется подавление нерабочей боковой полосы с помощью фильтра, к которому предъявляются весьма жёсткие требования в отношении крутизны скатов его АЧХ. По существующим нормам нерабочая полоса должна быть ослаблена не менее, чем на 60дБ. Применяют кварцевые и электромеханические фильтры. При этом фильтры делают на фиксированный набор частот. Из-за этого приходится формировать однополосный сигнал на низкой несущей частоте (так называемая поднесущая) и потом преобразовывать по частоте вверх на рабочую частоту.

Однополосная модуляция. Способы осуществления
Структурная схема фильтрового формирователя однополосного сигнала и спектры в характерных точках показана на рисунке.