де m = k AM S m / U mo - Коефіцієнт амплітудної модуляції. На рис. 5 показані модульовані сигнали з коефіцієнтами АМ, рівними m=0,5 та m=1 відповідно. При стовідсотковій амплітудній модуляції (m=1) мають місце максимальні зміни амплітуди модульованого сигналу: амплітуда змінюється від нуля до подвоєного значення.

Використовуючи тригонометричну формулу для добутку косінусів, вираз (3) можна подати у вигляді формули (4). Усі три складові у правій частині формули (4) – гармонійні коливання. Перше доданок є вихідне немодулированное коливання (несучу). Другий і третій доданки називають, відповідно, верхньою та нижньою бічними складовими.

Досі в радіоелектроніці не розроблено ефективних методівбезпосереднього перемноження двох чи кількох аналогових сигналів. Тому при здійсненні амплітудної модуляції застосовують непрямі методи перемноження за допомогою нелінійних або параметричних ланцюгів.

Одним з варіантів побудови амплітудних модуляторів є АМ на основі резонансних підсилювачів потужності, що використовують ефект перетворення суми модулюючих і несучих коливань, що подаються на безінерційний нелінійний елемент. Найпростіший АМ створюють на основі нелінійного резонансного підсилювача (рис. 6), включивши на вході послідовно джерела постійної напруги зміщення U o , модулюючого сигналу е(t) і генератор коливання U n (t), що несе, і налаштувавши коливальний контур на несучу частоту ω o .

Для отримання однотонального АМ-сигналу до входу модулятора необхідно додати напругу

Аналізувати роботу модулятора можна за допомогою діаграм струмів та напруг (рис. 7). Припустимо, що наскрізна характеристика транзистора (залежність струму колектора I до напруги база – емітер U бе) апроксимована двома відрізками прямих ліній. Внаслідок переміщення робочої точки щодо напруги зміщення Uo за законом модулюючого сигналу е(t) відбувається зміна кута відсікання струму в кривій несучого коливання. В результаті імпульси колекторного струму i до транзистора, що відображають зміну коливання, що несе, виявляються промодулированными по амплітуді.

У спектрі імпульсів колекторного струму транзистора міститься безліч гармонійних складових з частотами 0 і Ω, а також з кратними і комбінаційними (сумарними і різницевими складовими гармонік 0 і Ω) частотами. Резонансний контур повинен мати смугу пропускання Δω АМ = 2Ω для виділення із спектру імпульсів колекторного струму лише гармоніки з частотами ω 0 – Ω, ω 0 та ω 0 + Ω.

Мал. 7. Діаграми струмів та напруг

2.2. Кутова модуляція

При кутовий модуляції (angle modulation) в гармонійному коливанні u(t) = U m cos(wt+j) значення амплітуди коливань U m залишається постійним, а інформація s(t) переноситься або на частоту w, або на фазовий кут j. І в тому, і в іншому випадку поточне значення фазового кута гармонійного коливання u(t) визначає аргумент y(t) = wt+j який називають повною фазою коливання.

Фазова модуляція(ФМ, phase modulation - PM). При фазовій модуляції значення фазового кута постійної несучої частоти коливань w o пропорційно амплітуді модулюючого сигналу s (t). Відповідно, рівняння ФМ – сигналу визначається виразом:

u(t) = U m cos,

(6)

де k - Коефіцієнт пропорційності. Приклад однотонального ФМ-сигналу наведено на рис. 8.

При s(t) = 0 ФМ-сигнал є простим гармонійним коливанням і показаний на малюнку функцією u o (t). Зі збільшенням значень s(t) повна фаза коливань y(t)=w o t+k×s(t) наростає у часі швидше та випереджає лінійне наростання w o t. Відповідно, при зменшенні значень s(t) швидкість зростання повної фази у часі спадає. У моменти екстремальних значень s(t) абсолютне значення фазового зсуву Dy між ФМ - сигналом і значенням w o t немодульованого коливання також є максимальним і носить назву девіації фази ( вгору Dj = k×s max (t) або вниз Dj н = kx min (t) з урахуванням знака екстремальних значень модулюючого сигналу).

Для коливань з кутовою модуляцією застосовується також поняття миттєвої частоти (instantaneous frequency), під якою розуміють похідну від повної фази за часом:

На (рис. 9) наведено схему фазового модулятора (аналогічна схема використовується в радіостанції «Кама – Р»). Напруга високої частоти через автотрансформаторний зв'язок надходить на первинний контур – котушку L1 та варикап V1. Далі через конденсатори зв'язку С1, С2 напруга подається на другий контур - L2, V2 і третій - L3, V3. Варикапи виконують роль контурних конденсаторів.

За відсутності модулюючої напруги з мікрофона (U=0) на варикапах діє постійна напругаусунення, яке встановлюється потенціометрами R10-R12. Напруга зміщення підбирається струмом, щоб кожен контур був налаштований на частоту вхідної напруги . Тому високочастотна напруга проходить усі 3 контури, не отримуючи додаткового зсуву по фазі.

З появою на висновках 1, 2 звукової напруги U воно через розділові конденсатори С6-С8 подається на варикапи. Напруга зміщення підсумовується з напругою модуляції та ємності варикапів змінюються в такт зі звуковою напругою. Внаслідок розладу коливальних контурів, що змінюється. вихідна напругавиявляється промодулірованним по фазі. Кількість контурів визначає глибину модуляції.

Конденсатори С3-С5 мають малий опір струмам високої частоти ( коротке замикання) і відносно велика для струмів звукової частоти. Завдяки цим конденсаторам та резисторам R4–R6 здійснюється розв'язка між високочастотною та низькочастотною частинами схеми.

При передачі повідомлень телеграфом випромінювання високочастотної енергії періодично припиняється та відновлюється. Цей процес називається маніпуляцією.

Частотна модуляція (ЧМ, frequency modulation – FM) характеризується лінійним зв'язком модулюючого сигналу з миттєвою частотою коливань, при якій миттєва частота коливань утворюється додаванням частоти високочастотного коливання w o зі значенням амплітуди модулюючого сигналу з певним коефіцієнтом

Рівняння ЧС – сигналу:

u(t) = U m cos(ω o t+k s(t) dt +jo).

(8)

Аналогічно ФМ, для характеристики глибини частотної модуляції використовуються поняття девіації частоти вгору Dw = k×s max (t), і вниз

Dw н = k x min (t).

Частотна та фазова модуляція взаємопов'язані. Якщо змінюється початкова фаза коливання, змінюється і миттєва частота, і навпаки. Тому їх і об'єднують під загальною назвою кутовий модуляції. За формою коливань з кутовою модуляцією неможливо визначити, якого виду модуляції відноситься дане коливання, до ФМ або ЧС, а при досить гладких функціях s(t) форми сигналів ФМ і ЧМ взагалі практично не відрізняються.

Схема частотного модулятора представлена ​​рис. 10.

При розгляді схеми слід сказати про те, що на відміну від амплітудної модуляції частотна модуляція здійснюється безпосередньо в генераторі передавача, що задає. На рис. 10 показаний спрощений варіант схеми частотної модуляції із застосуванням варикапу.

Варикап є спеціальною конструкцією напівпровідниковий діод. Якщо діод включити у зворотному напрямку, його закритий p–n перехід може розглядатися як конденсатор. Регулюючи напругу замикання, можна змінювати ємність цього конденсатора. На малюнку транзистор VT2 з коливальним контуром Ск, Lk і котушкою зв'язку Lсв утворюють генератор синусоїдальних коливань із самозбудженням.

Так як паралельно контуру з конденсатором Ск через Ссв підключається ємність варикапа, то частота коливань, що генеруються, в режимі «мовчання» визначатиметься таким чином:

(9)

Тут - ємність варикапа у вихідному стані за відсутності звукової напруги.

Початкова ємність визначається початковою замикаючою напругою, яка дорівнює напрузі на Rk при протіканні струму спокою.

Модулятором у схемі є підсилювач напруги звукової частоти на транзисторі VT1 з колекторним навантаженням та варикапом.

При впливі на мікрофон з колекторного навантаження Rk знімається звукова напруга, яка через високочастотний дросель L1 подається на варикап і змінює його ємність і відтак частоту високочастотних коливань, що генеруються.

Конденсатором Ссb можна регулювати девіацію частоти коливань, що генеруються. Високочастотний дросель дозволяє розв'язати високочастотну частину схеми від низькочастотної, тобто виключити

попадання високочастотної напруги на колектор підсилювача транзистора низької частоти.

2.3. Імпульсна модуляція

Імпульсна модуляція (ІМ) не є насправді якимось особливим типом модуляції. Далі розрізняють імпульсну амплітудну та імпульсну частотну модуляції. Тут враховують те, як інформація представлена ​​- з допомогою імпульсу чи низки імпульсів. Можна розглядати як модульовану величину амплітуду імпульсу або його ширину, або його положення в послідовності імпульсів і т. д. Отже, існує велика різноманітність методів імпульсної модуляції. Всі вони використовують як форму передачі або AM, або ЧС.

Імпульсна модуляція може бути використана передачі як цифрових, і аналогових форм сигналу. Коли мова йдепро цифрових сигналів, ми маємо справу з логічними рівнями (високим та низьким) і можемо модулювати несучу (за допомогою AM або ЧС) рядом імпульсів, які становлять цифрове значення.

При використанні імпульсних методів передачі аналогових сигналів необхідно спочатку перетворити аналогові дані в імпульсну форму. Це перетворення також відноситься до модуляції, так як аналогові дані використовуються для модулювання (зміни) послідовності імпульсів або імпульсної піднесе. На рис. 11а показана модуляція синусоїдальним сигналом послідовності імпульсів.

Амплітуда кожного імпульсу в модульованій послідовності залежить від миттєвого значення аналогового сигналу. Синусоїдальний сигнал може бути відновлений з послідовності модульованих імпульсів шляхом простої фільтрації. На рис. 11б графічно показаний процес відновлення початкового сигналу шляхом з'єднання вершин імпульсів прямими лініями. Проте відновлена ​​на рис. 11б форма коливань не є добрим відтворенням початкового сигналу через те, що число імпульсів на період аналогового сигналу невелике. При використанні більшого числаімпульсів, тобто при більшій частоті проходження імпульсів у порівнянні з частотою модулюючого сигналу, може бути досягнуто більш якісне відтворення. Цей процес амплітудно-імпульсної модуляції (АІМ), що відноситься до модуляції піднесе послідовності імпульсів, може бути виконаний шляхом вибірки аналогового сигналу через постійні інтервали часу імпульсами вибірки з фіксованою тривалістю.

Імпульси вибірки - це імпульси, амплітуди яких дорівнюють величині початкового аналогового сигналу на момент вибірки. Частота вибірки (число імпульсів на секунду) має бути, принаймні, вдвічі більшою, ніж найвища частота аналогового сигналу. Для кращого відтворення частота вибірки зазвичай встановлюється в 5 разів більшої за найвищу частоту модуляції.

АІМ є лише одним типом імпульсної модуляції. Крім нього існують:

ШІМ - широтно-імпульсна модуляція (модуляція імпульсів за тривалістю);

ЧІМ - частотно-імпульсна модуляція;

КІМ - кодово-імпульсна модуляція.

Широтно-імпульсна модуляція перетворює рівні вибірок напруг у серії імпульсів, тривалість яких прямо пропорційна амплітуді напруг вибірок. Зазначимо, що амплітуда цих імпульсів стала; відповідно до модулюючого сигналу змінюється лише тривалість імпульсів. Інтервал вибірки (інтервал між імпульсами) також фіксовано.

Частотно-імпульсна модуляція перетворює рівні вибірок напруги в послідовність імпульсів, миттєва частота яких, або частота повторення, безпосередньо пов'язана з величиною напруги вибірок. І тут амплітуда всіх імпульсів однакова, змінюється лише їхня частота. По суті це аналогічно до звичайної частотної модуляції, лише несуча має несинусоїдальну форму, як у випадку звичайної ЧС; вона складається із послідовності імпульсів.

Попереджаю відразу: дуже просто не вийде. Занадто складна штука модуляція.

Щоб зрозуміти, що таке модуляція, потрібно знати, що таке частота, з цього і почнемо.
Наприклад візьмемо гойдалки: частота гойдання гойдалок, це число повних коливань, гойдалок на секунду.
Повних, це означає, що одне коливання, це рух гойдалки від крайнього лівого становища, вниз, через центр до максимального рівня праворуч і потім знову через центр до рівня рівня зліва.
Звичайні дворові гойдалки мають частоту близько 0,5 герца, отже повне коливання вони роблять за 2 секунди.
Динамік звуковий стовпчикгойдається набагато швидше, відтворюючи ноту "Ля" першої октави (440 герц), він робить 440 коливань за секунду.
В електричних ланцюгах коливання, це хитання напруги, від максимального позитивного значення, вниз, через нуль напруги до максимального негативного значення, вгору, через нуль знову до максимального позитивного. Або від максимальної напруги, через якесь середнє до мінімального, потім знову через середнє, знову до максимального.
На графіці (або екрані осцилографа) це виглядає так:

Частота коливань напруги на виході радіостанції сітки C, що несе на 18 каналі, в "європі" буде 27175000 коливань в секунду або 27 мегагерц і 175 кілогерц (мега - мільйон; кіло - тисяча).

Що б зробити модуляцію наочною, вигадаємо два деяких сигнали, один частотою 1000Гц, другий 3000Гц, графічно вони виглядають так:

Зауважимо, як відображені ці сигнали на графіках зліва. Це графіки частоти та рівня. Чим більша частота сигналу, тим правіше буде зображений на такому графіку сигнал, чим більший його рівень (потужність), тим вища лінія цього сигналу на графіку.

Тепер уявімо, що обидва ці сигнали ми склали, тобто у готовому вигляді наш вигаданий тестовий сигнал є сумою двох сигналів. Як склали? Дуже просто - поставили мікрофон і посадили двох людей перед ним: мужика, який кричав на частоті 1000Гц та бабу, яка верещала на 3000Гц, на виході мікрофона ми отримали наш тестовий сигнал, який має такий вигляд:

І ось саме цей тестовий сигнал ми і "подаватимемо" на мікрофонний вхід нашого вигаданого передавача, вивчаючи що виходить на виході (на антені) і як все це впливає на розбірливість і дальність зв'язку.

Про модуляцію взагалі

Модульований сигнал, що несе на виході будь-якого передавача в будь-якому випадку (при будь-якій модуляції), виходить методом складання або множення сигналу, що несе на сигнал, який потрібно передати, наприклад сигнал з виходу мікрофона. Різниця між модуляціями лише в тому, що множиться, із чим складається і в якій частині схеми передавача це відбувається.
У плані прийому, тут усе зводиться до того що, що з прийнятого сигналу виділити те, чим був модульований сигнал, посилити і зробити зрозумілим (чутним, видимим).

Амплітудна модуляція - AM (АМ, амплітудна модуляція)

Як можна бачити, при амплітудній модуляції рівень напруги коливань високої частоти (несучої) безпосередньо залежить від величини напруги, що надходить з мікрофона.
Напруга на виході мікрофона збільшується, збільшується і напруга несучої на виході передавача, тобто більше потужності на виході, менша напруга з мікрофона, менша напруга на виході. Коли напруга на виході мікрофона в якійсь центральній позиції, передавач випромінює якусь центральну потужність (при АМ модуляції в 100% при тиші перед мікрофоном 50% потужності).
Глибиною АМ модуляції називається рівень впливу сигналу з мікрофона на рівень вихідної потужності передавача. Якщо виляння 30% означає найсильніший негативний імпульс напруги з мікрофона зменшить рівень несучої на виході на 30% від максимальної потужності.
А ось так виглядає спектр сигналу з AM модуляцією (розподіл його компонентів за частотами):

По центру, на частоті 27175000 Гц у нас несуча, а нижче і вище за частотою "бічні смуги", тобто суми сигналу несучої та звукових частот нашого тестового сигналу:
27175000+1000Гц та 27175000-1000Гц
27175000+3000Гц та 27175000-3000Гц
Сигнали "несуча мінус звук" - нижня бічна смуга, а "несуча плюс звук" - верхня бічна смуга.
Не важко помітити, що для передачі інформації достатньо тільки однієї бічної смуги, друга лише повторює ту саму інформацію, але тільки з протилежним знаком даремно витрачаючи потужність передавача на випромінювання цієї дублюючої інформації в ефір.
Якщо прибрати несучу, яка корисної інформації взагалі не містить і одну з бічних смуг, то вийде SSB модуляція (російською мовою: ОБП) - модуляція з однією бічною смугою і відсутньою несучою (односмугова модуляція).

SSB модуляція (ОБП, односмугова модуляція)

Ось так виглядає SSB на виході передавача:

Видно, що цей сигнал мало чим відрізняється від модуляції АМ. Воно і зрозуміло, SSB це продовження AM, тобто SSB створюється з АМ модуляції, з сигналу якої видаляється не потрібна бічна смуга і несе.
Якщо ж глянути на спектр сигналу, то різниця очевидна:

Тут немає ні несучої ні дублюючої бічної смуги (на цьому графіку показано USB, тобто односмугова модуляція, де залишена верхня бічна смуга, є ще й LSB, коли залишена нижня бічна смуга).
Немає несучої, немає дублюючої бічної - вся потужність передавача йде лише на передачу корисної інформації.
Тільки прийняти таку модуляцію на звичайний АМ приймач неможливо. Для прийому потрібно відновити "відправну точку" - несучу. Зробити це просто - частота на якій працює передавач відома, отже потрібно лише додати несучу таку ж частоту і відправна точка з'явитися. Цікавий читач напевно вже помітив, що якщо не відома частота передавача, то відправна точка буде неправильна, ми додамо не ту несучу, що ми при цьому почуємо? А почуємо ми при цьому голос чи "бика" чи "гноміка". Відбудеться це тому, що приймач у даному виді модуляції не знає, які частоти були у нас спочатку, чи то були 1000Гц і 3000Гц, чи то 2000Гц і 4000Гц, чи то 500Гц і 2500Гц - "відстань" почало зміститися, як результат або "пі-пі-пі" або "бу-бу-бу".

CW модуляція (телеграф)

З телеграфом все просто - це сигнал 100% АМ модуляція, тільки різка: сигнал є на виході передавача або сигналу немає. Натиснутий телеграфний ключ – є сигнал, відпущений – немає нічого.
Виглядає на графіках телеграф ось так:

Відповідно спектр телеграфного сигналу:

Тобто частота 100%, що несе, промодульована натисканнями на телеграфний ключ.
Чому на спектрі 2 палички трохи відступаючи від сигналу "центральної частоти", а не одна єдина - несучої?
Тут все просто: як би там не було, телеграф це АМ, а АМ це сума сигналів несучої і модуляції, так як телеграф (морзянка), це серія натискань на ключик це теж коливання з деякою але частотою, нехай і низькою в порівнянні з звуком. Саме на частоту натискання на ключик і відступають бічні лінії телеграфного сигналу від несучої.
Як передавати такі сигнали?
У найпростішому випадку - натискаючи кнопку передачі під час мовчання перед мікрофоном.
Як приймати такі сигнали?
Для прийому потрібно несучу, що з'являється в ефірі в такт натисканням на ключ, перетворити на звук. Методів багато, найпростіший - підключити до виходу детектора АМ приймача схему, яка пікає щоразу, як на детекторі з'являється напруга (тобто на детектор надходить несуча). Більш складний і розумний спосіб - змішати сигнал, що надходить з ефіру з сигналом генератора (гетеродина) вбудованого в приймач, а різницю сигналів подати на підсилювач звуку. Так якщо частота сигналу в ефірі 27175000Гц, частота генератора приймача 27174000, то на вхід підсилювача звукової частоти надійде сигнал 27175000+27174000=54349000Гц і 27175000-271740 звуку не посилить, а ось другий, 1000Гц, це вже чутний звук і його він посилить і ми почуємо "ПІІІ", поки є в ефірі несуча і тишу (шуми ефіру) коли немає.
До речі, коли включаються двоє на передачу одночасно, ефект "піїї", що виникає від складання та віднімання несучих у приймачі, думаю, помічали багато хто. Те, що чути - різниця між сигналами несучих виникає в нашому приймачі.

FM модуляція (ЧМ, частотна модуляція)

Власне суть частотної модуляції проста: частота напруги, що несе в такт, на виході мікрофона трохи змінюється. Коли напруга на мікрофоні збільшується, збільшується і частота, коли напруга зменшується на виході мікрофона, то зменшується і частота несучої.
Зменшення та збільшення частоти несучої відбувається в невеликих межах, наприклад для Сі-Бі радіостанцій це плюс/мінус 3000Гц при частоті несучої порядку 27000000Гц, для радіомовних станцій FM діапазону, це плюс/мінус 100000Гц.
Параметр ЧС модуляції – індекс модуляції. Співвідношення звуку максимальної частоти, яку пропустить мікрофонний підсилювач передавача до максимальної зміни частоти, що несе при найгучнішому звуку. Не важко помітити, що для Сі-Бі це 1 (або 3000/3000), а для мовних станцій FM це приблизно 6...7 (100000/15000).
При ЧС модуляції, що несе за рівнем (потужність сигналу передавача), завжди постійна, вона не змінюється від гучності звуків перед мікрофоном.
У графічному вигляді на виході передавача ЧС модуляція виглядає так:

При ЧС модуляції, як і при АМ на виході передавача є і несуча і дві бічні смуги, так як частота несучої бовтається в такт сигналу, що модулює, відступаючи від центру:

DSB, ДЧТ, фазова та інші види модуляції

Заради справедливості, слід зазначити, що існують і інші види модуляції несучої:
DSB – дві бічні смуги та відсутня несуча. DSB, по суті АМ модуляція, у якої видалена (вирізана, пригнічена) несуча.
ДЧТ - двочастотний телеграф, по суті, не що інше, як частотна модуляція, але натисканнями телеграфного ключа. Наприклад, точці відповідає зсув несучої на 1000Гц, а тире на 1500Гц.
Фазова модуляція – модуляція фази несучої. Частотна модуляція при малих індексах 1-2 є фазова модуляція.

У деяких системах (телебачення, FM стерео радіомовлення) модуляція несучої здійснюється ще однією промодульованою несучою, а вона вже й несе корисну інформацію.
Наприклад, спрощено, FM стерео мовний сигнал, це несуча промодульована частотною модуляцією, сигналом який сам є несуча промодульована DSB модуляцій, де одна бічна це сигнал лівого каналу, а інша бічна смуга це сигнал правого каналу звуку.

Важливі аспекти прийому та передачі сигналів АМ, ЧС та SSB

Так як АМ і SSB це модуляції, у яких вихідний сигнал передавача пропорційний напрузі, що надходить з мікрофона, то важливо, що він лінійно посилювався, як на приймальній, так і на стороні, що передає. Тобто якщо підсилювач посилює в 10 разів, то при напрузі на вході 1 вольт на виході має бути 10 вольт, а при 17 вольтах на вході на виході має бути точно 170 вольт. Якщо підсилювач буде не лінійний, тобто при напрузі на вході 1 вольт посилення 10 і на виході 10 вольт, а при 17 вольтах на вході посилення виявиться лише 5 і на виході буде 85 вольт, то з'являться спотворення - хрипи та хрюки при гучних звуках перед мікрофон. Якщо посилення буде навпаки менше на малих вхідних сигналах, то будуть хрипи при тихих звукахі неприємні призвуки навіть за гучних (бо на початку свого коливання будь-який звук проходить зону близьку до нуля).
Особливо важливою є лінійність підсилювачів для SSB модуляції.

Для вирівнювання рівнів сигналів у приймачах АМ та SSB використовуються спеціальні вузли схеми – автоматичні регулятори посилення (схеми АРУ). Завдання АРУ обирати таке посилення вузлів приймача, щоб і сильний сигнал (від близького кореспондента) і слабкий (від віддаленого), зрештою, виявилися приблизно однаковими. Якщо АРУ не використовувати, то слабкі сигнали будуть чути тихо-тихо, а сильні розірвуть випромінювач звуку приймача на клаптики, як крапля нікотину розриває хом'яка. Якщо ж АРУ надто швидко реагуватиме на зміну рівня, то вона почне не просто вирівнювати рівні сигналів від близьких та далеких кореспондентів, а й усередині сигналу "душити" модуляцію - зменшуючи посилення при підвищенні напруги і підвищуючи при зниженні, зводячи всю модуляцію до немодульованого сигналу .

Для ЧС модуляції не потрібна особлива лінійність підсилювачів, при ЧС модуляції інформацію несе зміна частоти і ніяке спотворення або обмеження рівня сигналу не може змінити частоту сигналу. Власне в приймачі ЧС взагалі обов'язково встановлений обмежувач рівня сигналу, оскільки рівень не важливий, важлива частота, а зміна рівня тільки заважатиме виділити зміни частоти і перетворити ЧС несучу в звук сигналу, яким вона промодулирована.
До речі, саме через те, що в ЧС приймачі всі сигнали обмежуються, тобто слабкі шуми мають майже той же рівень, що і сильний корисний сигнал, без сигналу ЧМ детектор (демодулятор) так сильно шумить - він намагається виділити зміну частоти шумів на вході приймача і шумів самого приймача, а шумах зміна частоти дуже велике і випадково, і чути випадкові сильні звуки: гучний шум.
У АМ і SSB приймачі шуму за відсутності сигналу менше, оскільки сам шум приймача за рівнем все ж таки малий і шуми на вході порівняно з корисним сигналом за рівнем малі, а для AM і SSB важливий саме рівень.

Для телеграфу теж дуже важлива лінійність, там інформацію несе саме наявність чи відсутність несучої, та її рівень лише побічний параметр.

ЧС, АМ та SSB на слух

У сигналах АМ і SSB набагато помітніші імпульсні перешкоди, такі як тріск несправного запалювання автомобілів, клацання грозових розрядів або рокіт від імпульсних перетворювачів напруги.
Чим слабший сигнал, що менше його потужність, тим тихіше звук на виході приймача, а що сильніше, то гучніше. Хоча АРУ ​​робить свою справу, вирівнюючи рівні сигналів, але її можливості не нескінченні.
Для SSB модуляції практично неможливо користуватися шумоподавником і взагалі зрозуміти, коли інший кореспондент відпустив передачу, тому що при мовчанні перед мікрофоном в SSB передавач в ефір нічого не випромінює - немає несучої, а якщо перед мікрофоном тиша, то немає бічних смуг.

ЧС сигнали менше схильні до впливу імпульсних перешкод, але через сильного шумуЧМ детектора без сигналу просто нестерпно сидіти без шумоподавлювача. Кожне виключення передачі кореспондента в приймальнику супроводжується характерним "пшиком" - детектор вже почав переводити шуми в звук, а шумоглушник ще не закрився.

Якщо слухати АМ на ЧС приймач або навпаки, то буде чути рохкання, але розібрати про що мова все ж таки можна. Якщо на ЧС або АМ приймач послухати SSB, то буде лише дика аудіо-каша з "хрю-жу-жу-бжу" і зовсім розбірливості.
На SSB приймач можна чудово послухати CW (телеграф), АМ, а з деякими спотвореннями та ЧС з малими індексами модуляції.

Якщо одночасно включаються дві або більше АМ або ЧС радіостанцій на одній частоті, то виходить каша з несучих, такий писк і вереск серед якого нічого не розібрати.
Якщо ж включаться два або більше SSB передавача на одній частоті, то в приймачі буде чути всіх, хто говорив, тому що несе у SSB немає і битися (змішуватися до свисту) нічому. Чути всіх, ніби всі сидять в одній кімнаті і разом заговорили.

Якщо у АМ або ЧС частота приймача не точно збігається з частотою передавача, то з'являються спотворення на гучних звуках, "підхрипування".
Якщо у SSB передавача частота змінюється в такт рівню сигналу (наприклад, апаратура не тягне живлення), то в голосі чути булькання. Якщо плаває частота приймача або передавача, то звук плаває по частоті, то "бубонить", то "цвірінькає".

Ефективність видів модуляції - АМ, ЧС та SSB

Теоретично, підкреслюю - теоретично, за рівної потужності передавача, дальність зв'язку від виду модуляції залежатиме так:
АМ = Відстань * 1
ЧС = Відстань * 1
SSB = Відстань * 2
У тій самій теорії, енергетично, SSB виграє у АМ у 4 рази за потужністю, або у 2 рази за напругою. Виграш з'являється за рахунок того, що потужність передавача не витрачається на випромінювання марної несучої та даремно дублюючої інформацію другої бічної смуги.
На практиці виграш менший, тому що мозок людини не звик чути шуми ефіру в паузах між гучними звукамиі дещо страждає на розбірливість.
ЧС теж модуляція "з сюрпризом" - одні розумні книги кажуть, що АМ і ЧС одна одною не краще, а то й зовсім ЧС гірше, інші стверджують, що при малих індексах модуляції (а це Сі-Бі та радіоаматорські радіостанції) ЧМ виграє у АМ у 1,5 рази. Насправді, на суб'єктивну думку автора ЧС "пробивніше", ніж АМ приблизно в 1,5 рази, перш за все, тому що ЧС менш схильна до імпульсним перешкодамі хитання рівня сигналу.

Апаратура АМ, ЧС та SSB у плані складності та переробки одного в інше

Найскладніша апаратура це SSB.
Насправді SSB апарат з легкістю може працювати в AM або ЧС після мізерно малої обробки.
Переробити АМ або ЧС приймач в SSB майже неможливо (потрібно ввести в схему дуже багато додаткових вузлів і повністю переробити блок передавача).
Від автора: переробка АМ або ЧС апарату в SSB особисто мені здається повним божевіллям.
SSB апарат "з нуля" - збирав, але щоб переробити АМ або ЧС в SSB - ні.

Другий за складністю це ЧС апарат.
По суті ЧС апарат вже містить у приймачі все, що потрібно для детектування АМ сигналів, так як у нього теж є АРУ (автоматичне регулювання посилення) і отже детектор рівня прийнятої несучої, тобто по суті повноцінний АМ приймач, що тільки працює десь там , всередині (від цієї частини схеми працює і пороговий шумоглушник).
З передавачем буде складніше, оскільки майже всі його каскади працюють у не лінійному режимі.
Від автора: переробити можна, але ніколи цього не було потреби.

АМ апаратура найпростіша.
Щоб переробити АМ приймач в ЧС, потрібно ввести нові вузли - обмежувач і ЧМ детектор. За фактом обмежувач і ЧМ детектор, це 1 мікросхема і трохи деталей.
Переробка АМ передавача в ЧС значно простіше, тому що потрібно лише ввести ланцюжок, який "балакатиме" частоту несучої в такт напрузі, що надходить з мікрофона.
Від автора: кілька разів переробляв АМ трансівер в АМ/ЧМ, зокрема Сі-Бі радіостанції "Cobra 23 plus" та "Cobra 19 plus".

Сигнали, що надходять з джерела повідомлень (мікрофон, телевізійна камера, що передає, датчик телеметричної системи), як правило, не можуть бути безпосередньо передані по радіоканалу. Справа не тільки в тому, що ці сигнали недостатньо великі за амплітудою. Набагато суттєвіше їх відносна низькочастотність. Щоб здійснити ефективну передачу сигналів у будь-якому середовищі, необхідно перемістити спектр цих сигналів з низькочастотної області область досить високих частот. Ця процедура отримала в радіотехніці назву модуляції.

4.1. Сигнали з амплітудною модуляцією

Перш ніж вивчати цей найпростіший виглядмодульованих сигналів, розглянемо коротко деякі питання щодо принципів модуляції будь-якого виду.

Поняття несучого коливання. Ідея способу, що дозволяє переносити спектр сигналу область високих частот, полягає в наступному. Насамперед у передавачі формується допоміжний високочастотний сигнал, званий несучим коливанням. Його математична модель така, що є деяка сукупність параметрів, що визначають форму цього коливання. Нехай - низькочастотне повідомлення, яке підлягає передачі радіоканалом. Якщо, принаймні, один із зазначених параметрів змінюється в часі пропорційно переданому повідомленню, то коливання, що несе, набуває нової властивості - воно несе в собі: інформацію, яка спочатку була укладена в сигналі

Фізичний процес управління параметрами коливання і є модуляцією.

У радіотехніці широкого поширення набули системи модуляції, які використовують як несуче просте гармонійне коливання

має три вільні параметри

Змінюючи в часі той чи інший параметр, можна отримувати різні видимодуляції.

Принцип амплітудної модуляції.

Якщо змінної виявляється амплітуда сигналу причому інші два параметри і незмінні, є амплітудна модуляція несучого коливання. Форма запису амплітудно-модульованого, або АМ-сигналу, така:

Осцилограма АМ-сигналу має характерний вигляд (див. рис. 4.1). Привертає увагу симетрія графіка щодо осі часу. Відповідно до формули (4.2) AM-сигнал є твір огинаючої та гармонійного заповнення . У більшості практично цікавих випадків огинаюча змінюється в часі набагато повільніше, ніж високочастотне заповнення.

Мал. 4.1. АМ-сигнали при різних глибинах модуляції: а – неглибока модуляція: б – глибока модуляція; в - перемодуляція

При амплітудній модуляції зв'язок між огинаючим і модулюючим корисним сигналом прийнято визначати наступним чином:

Тут - постійний коефіцієнт, що дорівнює амплітуді несучого коливання без модуляції; М – коефіцієнт амплітудної модуляції.

Розмір М характеризує глибину амплітудної модуляції. Зміст цього терміна пояснюється осцилограмами АМ-сигналів, зображеними на рис. 4.1 а-в.

При малій глибині модуляції відносна зміна огинаючої невелика, тобто у всі моменти часу незалежно від форми сигналу

Якщо в моменти часу, коли сигнал досягає екстремальних значень, є наближені рівності

то говорять про глибоку амплітудну модуляцію. Іноді додатково вводять відносний коефіцієнт модуляції вгору

та відносний коефіцієнт модуляції вниз

AM-сигнали з малою глибиною модуляції в радіоканалах недоцільні через неповне використання потужності передавача.

У той же час 100% модуляція вгору в два рази підвищує амплітуду коливань при пікових значеннях модулюючого повідомлення. Подальше зростання цієї амплітуди, як правило, призводить до небажаних спотворень через навантаження вихідних каскадів передавача.

Не менш небезпечна надто глибока амплітудна модуляція вниз. На рис. 4.1, зображена так звана перемодуляція Тут форма огинаючої перестає повторювати форму модулюючого сигналу.

Однотональна амплітудна модуляція.

Найпростіший АМ-сигнал може бути отриманий у разі коли модулюючим низькочастотним сигналом є гармонійне коливання з частотою . Такий сигнал

називається однотонним АМ-сигналом.

З'ясуємо, чи можна такий сигнал подати як суму простих гармонійних коливань із різними частотами. Використовуючи відому тригонометричну формулу твору косінусів, з виразу (4.4) відразу отримуємо

Формула (4.5) встановлює спектральний склад однотонального АМ-сигналу. Прийнято таку термінологію: - несуча частота, - верхня бічна частота, - нижня бічна частота.

Будуючи за формулою (4.5) спектральну діаграму однотонального АМ-сигналу, слід насамперед звернути увагу на рівність амплітуд верхнього та нижнього бічних коливань, а також на симетрію розташування цих спектральних складових щодо коливання, що несе.

Енергетичні характеристики АМ-сигналу.

Розглянемо питання про співвідношення потужностей несучого та бічних коливань. Джерело однотонального АМ-сигналу еквівалентне трьом послідовно включеним джерелам гармонійних коливань:

Припустимо для певності, що це джерела ЕРС, з'єднані послідовно та навантажені на одиничний резистор. Тоді миттєва потужністьАМ-сигналу буде чисельно дорівнює квадрату сумарної напруги:

Щоб знайти середню потужність сигналу, величину необхідно усереднити досить великий відрізок часу Т:

Легко переконатися в тому, що при усередненні всі взаємні потужності дадуть нульовий результат, тому середня потужність АМ-сигналу виявиться рівною сумі середніх потужностей несучого і бічних коливань:

Звідси слідує що

Так, навіть при 100%-ної модуляції (М = 1) частка потужності обох бічних коливань становить лише 50% від потужності змодульованого несучого коливання. Оскільки інформація про повідомлення міститься у бічних коливаннях, можна відзначити неефективність використання потужності під час передачі АМ-сигналу.

Амплітудна модуляція при складному сигналі, що модулює.

Насправді однотональні AM-сигнали використовуються рідко. Набагато реальніший випадок, коли модулюючий низькочастотний сигнал має складний спектральний склад. Математичною моделлю такого сигналу може бути, наприклад, тригонометрична сума

Тут частоти , утворюють впорядковану зростаючу послідовність тоді як амплітуди і початкові фази Ф, - довільні.

Підставивши формулу (4.9) (4.3), отримаємо

Введемо сукупність парціальних (часткових) коефіцієнтів модуляції

і запишемо аналітичний вираз складнодудованого (багатотонального) АМ-сигналу у формі, яка узагальнює вираз (4.4):

Спектральне розкладання проводиться так само, як і для однотонального АМ-сигналу:

На рис. 4.2 а зображена спектральна діаграма модулюючого сигналу побудована відповідно до формули (4.9). Мал. 4.2,б відтворює спектральну діаграму багатотонального АМ-сигналу, що відповідає цьому модулюючого коливання.

Мал. 4.2. Спектральні діаграми а - модулюючого сигналу; б - АМ-сигналу при багатотональній модуляції

Отже, в спектрі сложномодулированного АМ-сигналу, крім коливання, що містять, містяться групи верхніх і нижніх бічних коливань. Спектр верхніх бічних коливань є масштабною копією спектра модулюючого сигналу, зсунутою в область високих частот на величину.

Зі сказаного слід важливий висновок: ширина спектру АМ-сигналу дорівнює подвоєному значенню найвищої частотиу спектрі модулюючого низькочастотного сигналу.

Приклад 4.1. Оцінити кількість мовних радіоканалів, які можна розмістити в діапазоні частот від 0.5 до 1.5 МГц (зразкові межі середньохвильового діапазону мовлення).

Для задовільного відтворення сигналів радіомовлення необхідно відтворювати звукові частоти від 100 Гц до 12 кГц. Таким чином, смуга частот, що відводиться одному АМ-каналу, дорівнює 24 кГц. Щоб уникнути перехресних перешкод між каналами, слід передбачити захисний інтервал шириною 1 кГц. Тому допустима кількість каналів

Амплітудно-маніпульовані сигнали.

Важливим класом багатотональних АМ-сигналів є звані маніпульовані сигнали. У найпростішому випадку це - послідовність радіоімпульсів, відокремлених один від одного паузами. Такі сигнали використовуються в радіотелеграфії та системах передачі дискретної інформації по радіоканалах.

Якщо s(t) - функція, у кожний момент часу, що приймає значення або 0, або 1, то амплітудіо-маніпульований сигнал подається у вигляді

Нехай, наприклад, функція відображає періодичну послідовність відеоімпульсів, розглянуту на прикладі 2.1 (див. гл. 2). Вважаючи, що амплітуда цих імпульсів на підставі (4.14) маємо при

де q – шпаруватість послідовності.

Векторні діаграми АМ-сигналу.

Іноді корисним може бути графічне зображення АМ-сигналу за допомогою суми векторів, що обертаються в комплексній площині.

Для простоти розглянемо одіотональну модуляцію. Миттєве значення несучого коливання є проекцією неподаїжного в часі вектора на вісь відліку кутів, яка обертається навколо початку координат з кутовою швидкістю в напрямку годинникової стрілки (рис. 4.3).

Верхнє бічне коливання відображається на діаграмі вектором довжиною, причому його фазовий кут при дорівнює сумі початкових фаз несучого і модулюючого сигналів [див. формулу (4.5).

Мал. 4.3. Векторні діаграми однотонального АМ-сигналу: а - при; б - при

Такий самий вектор для нижнього бокового коливання відрізняється лише знаком у виразі його фазового кута. Отже, на комплексній площині необхідно збудувати суму трьох векторів

Легко бачити, що ця сума буде орієнтована вздовж вектора йнесу. Миттєве значення АМ-сигналу виявиться рівним проекції кінця результуючого вектора на горизонтальну вісь (рис. 4.3,а).

З часом, крім зазначеного обертання осі відліку кутів, будуть спостерігатися наступні трансформації креслення (рис. 4.3,6): 1) вектор обертатиметься навколо точки свого додатка з кутовою швидкістю у напрямку проти годинникової стрілки, оскільки фаза верхнього бічного коливання зростає швидше за фазу несучого сигналу; 2) вектор буде обертатися також з кутовою швидкістю, але у протилежному напрямку.

Будуючи сумарний вектор і проецируя на вісь відліку кутів, можна знайти миттєві значення й у час.

Балансна амплітудна модуляція.

Як було показано, значна частка потужності звичайного АМ-сигналу зосереджена в коливанні, що несе. Для ефективнішого використання потужності передавача можна формувати АМ-сигнали з пригніченим несучим коливанням, реалізуючи так звану балайсну амплітудну модуляцію. На підставі формули (4.4) подання однотонального АМ-сигналу з балансною модуляцією таке:

Має місце перемноження двох сигналів - модулюючого та несучого. Коливання виду (4.16) з фізичної точки зору є биття двох гармонійних сигналів з однаковими амплітудами і частотами, рівними верхній і нижній бічним частотам.

При багатотональній балансній модуляції аналітичний вираз сигналу набуває вигляду

Як і при звичайній амплітудній модуляції, тут спостерігаються дві симетричні групи верхніх і нижніх бічних коливань.

Якщо розглянути осцилограму биття, може здатися неясним, чому в спектрі цього сигналу немає частоти, що несе, хоча в наявності присутність високочастотного заповнення, що змінюється в часі саме з цією частотою.

Справа в тому, що при переході огинаючої биття через нуль фаза високочастотного заповнення стрибком змінюється на 180 °, оскільки функція має різні знаки зліва і праворуч від нуля. Якщо такий сигнал подати на високодобротну коливальну систему (наприклад, -контур), налаштовану на частоту, то вихідний ефект буде дуже малий, прагнучи до нуля при зростанні добротності. Коливання в системі, збуджені одним періодом биття, гаситимуться наступним періодом. Саме з фізичних позицій прийнято розглядати питання реальному сенсі спектрального розкладання сигналу. До цієї проблеми повернемося знову до гол. 9.

Односмугова амплітудна модуляція.

Ще цікавіше удосконалення принципу звичайної амплітудної модуляції полягає у формуванні сигналу з пригніченою верхньою або нижньою бічною смугою частот.

Сигнали з однією бічною смугою (ОБП або SSB-сигнали – від англ. single sideband) за зовнішніми характеристиками нагадують звичайні AM-сигнали. Наприклад, однотональний ОБП-сигнал із пригніченою нижньою бічною частотою записується у вигляді

Проводячи тригонометричні перетворення, отримуємо

Два останні доданки є твір двох функцій, одна з яких змінюється в часі повільно, а інша - швидко. Беручи до уваги, що «швидкі» співмножники знаходяться по відношенню один до одного в часовій квадратурі, обчислюємо загальну ОБП-сигналу, що повільно змінюється:

Мал. 4.4. Огинальні однотональних модульованих сигналів при - ОБП-сигналу; 2 - звичайного АМ-сигналу

Графік огинаючої ОБП-сигналу, розрахований за формулою (4.18), зображений на рис. 4.4. Тут для порівняння побудована огибаюшая звичайного однотонального АМ-сигналу з тим самим коефіцієнтом модуляції.

Порівняння наведених кривих показує, що безпосередня демодуляція ОБП-сигналу з його огинаючої супроводжуватиметься значними спотвореннями.

Подальшим удосконаленням систем ОБП є часткове чи повне придушення несучого коливання. При цьому потужність передавача використовується ще ефективніше.

З якісної сторони амплітудна модуляція (AM) може бути визначена як зміна амплітуди несучої пропорційно амплітуді сигналу, що модулює (рисунок 2, а).

Малюнок 2. Амплітудна модуляція (м<<н).

а – форма сигналу; б – спектр частот.

Для модулюючого сигналу великої амплітуди відповідна амплітуда несучої, що модулюється, повинна бути великою і для малих значень Ам. Як видно з подальшого, це особливий випадок більш загального методу модуляції.

Добутком цих двох виразів є:

Рівняння (3) показує, що амплітуда модульованої несучої буде змінюватися від нуля (коли мt = 900, cos(мt)=0) до АнАм (коли мt = 0°, cos(мt)=1). Член Амcos(мt)Ан є амплітудою модульованих коливань і прямо залежить від миттєвого значення синусоїди, що модулює. Рівняння (3) може бути перетворено на вигляд

Це перетворення засноване на тригонометричному тотожності

Рівняння (4,a) являє собою сигнал, що складається з двох коливань із частотами 1=н+м та 2=н-м та амплітудами. Переписуючи вираз для модульованого коливання (4,a), отримаємо

1 і 2 називаються бічними смугами частот, тому що м зазвичай є смугою частот, а не одиночною частотою. Отже, 1 і 2 є дві смуги частот - вище і нижче несучої (рисунок 2, б), тобто. верхню та нижню бічну смугу відповідно. Вся інформація, яку потрібно передати, міститься в цих бічних смугах частот.

Рівняння (4,б) було отримано для особливого випадку, коли модульований сигнал був результатом прямого перемноження ен на ньому. Через війну рівняння (4,б) немає компонента на частоті несучої, тобто. частота несучої повністю пригнічена. Такий тип модуляції з пригніченою несучою іноді навмисно проектується в системах зв'язку, так як це веде до зниження потужності, що випромінюється. У більшості таких систем випромінюється деяка частина потужності на несучій частоті, дозволяючи тим самим приймальному пристрою налаштовуватися на цю частоту. Можна також передавати лише одну бічну смугу, оскільки вона містить усю істотну інформацію про модульуючий сигнал. Приймальний пристрій потім відновлює по модуляції однієї бічної смуги.

Повний вираз, що представляє амплітудно-модульоване коливання в загальному вигляді, має вигляд

Це вираз описує як непригнічену несучу (перший член правої частини рівняння), і твір, тобто. модуляцію (другий член праворуч). Рівняння (6,a) можна переписати у вигляді

Останній вираз показує, як амплітуда несучої змінюється відповідно до миттєвих значень модулюючого коливання. Амплітуда модульованого сигналу Анм складається з двох частин: Ан - амплітуди немодульованої несучої і Амcos(мt) - миттєвих значень модулюючого коливання:

Ставлення Ам до Ан визначає ступінь модуляції. Для Ам = Ан значення Анм досягає нуля при cos (мt) = -1 (мt = 180 °) і Анм = 2Ан при cos (мt) = 1 (мt = 0 °). Амплітуда модульованої хвилі змінюється від нуля до подвоєного значення амплітуди несучої. Ставлення

визначає коефіцієнт модуляції. Для запобігання спотворень інформації - модульованого сигналу - значення m повинно бути в межах від нуля до одиниці: 0m1. Це відповідає АмАн. (Для m=0 Ам= 0, тобто немає модулюючого сигналу.) Рівняння (6,a) може бути переписано з введенням m:

На малюнку 3, а показана форма модульованих коливань та коефіцієнт модуляції m виражений через максимальне та мінімальне значення її амплітуди (пікового та вузлового значень). Малюнок 3 б дає уявлення про спектр модульованих коливань, який може бути виражений перетворенням рівняння (6):

Малюнок 3. Амплітудна модуляція.

а – форма сигналу; б - спектр модульованих коливань

На малюнку 4 показаний результат модуляції з коефіцієнтом m, що перевищує 100%: m>1.

Малюнок 4. Результат модуляції (m>1)

У таблиці 1 наведено амплітуда і потужність кожної з трьох частотних компонент модульованого коливання.

Таблиця 1. Потужність та амплітуда АМ-коливань.

Для 100%-ної модуляції (m=1) та потужності несучої 1 кВт повна потужністьмодульованих коливань становить 1 кВт+(1/2)2 кВт+(1/2)2 кВт=1,5 кВт. Зазначимо, що з m=1 потужність, укладена обох бічних смугах, становить половину несучої потужності. Аналогічно при m=0,5 потужність обох бічних смугах становить 1/8 потужності несучої. Вказане вище має місце лише для синусоїдальної форми AM. Амплітудна модуляція може бути використана у передачі імпульсних значень.

При звичайній модуляції з двома бічними смугами, яка використовується в радіомовленні, інформація передається виключно в бічними смугами. Для того, щоб отримати, наприклад, гарна якістьзвуку, необхідно працювати у смузі частот шириною 2М, де М - ширина смуги високоякісного відтворення звуку (20-20 000 Гц). Це означає, що стандартне АМ-радіомовлення, наприклад, із частотами до 20 кГц повинно мати ширину смуги ±20 кГц (всього 40 кГц), враховуючи верхню та нижню бічні смуги. Однак на практиці ширина смуги частот за правилами ФКС обмежується величиною 10 кГц (5 кГц), яка передбачає для радіопередачі звуку ширину смуги лише 5 кГц, що далеко від умов високоякісного відтворення. Радіомовлення з частотною модуляцією, як це буде показано нижче, має ширшу смугу частот.

Федеральна комісія зв'язку також встановлює допуски частоти всіх розподілів частот у США. Все АМ-радіомовлення (535-1605 кГц) має допустимі відхилення в 20 Гц, або близько 0,002%. Ця точність та стабільність частоти може бути досягнута шляхом використання кварцових генераторів.

Детектування або демодуляція АМ-коливань вимагає випрямлення модульованого сигналу, що супроводжується винятком частоти, що несе, за допомогою відповідної фільтрації. Ці дві стадії відтворення модулюючого сигналу можуть бути продемонстровані на прикладі коливання, зображеного на малюнку 3 а. Після випрямлення залишається лише половина коливання, а після фільтрації присутня лише його огинаюча, яка є відтвореним сигналом.

Продовжуємо серію загальноосвітніх статей під загальною назвою «Теорія радіохвиль».
У попередніх статтях ми познайомилися з радіохвилями та антенами: Давайте ближче познайомимося з модуляцією радіосигналу.

У рамках цієї статті буде розглянуто аналогова модуляціянаступних видів:

• Амплітудна модуляція
• Амплітудна модуляція з однією бічною смугою
• Частотна модуляція
• Лінійно-частотна модуляція
• Фазова модуляція
• Диференційно-фазова модуляція

Амплітудна модуляція

При амплітудній модуляції, що оминає амплітуд несучого коливання змінюється за законом, що збігається із законом повідомлення, що передається. Частота і фаза коливання при цьому не змінюється.

Одним з основних параметрів АМ є коефіцієнт модуляції(M).
Коефіцієнт модуляції - це відношення різниці між максимальним і мінімальними значеннямиамплітуд модульованого сигналу до суми цих значень (%).
Простіше кажучи, цей коефіцієнт показує, наскільки сильно значення амплітуда коливання, що несе, в даний момент відхиляється від середнього значення.
При коефіцієнті модуляції більше 1 виникає ефект перемодуляції, в результаті чого відбувається спотворення сигналу.

Спектр АМ

Цей спектр властивий для коливання постійної частоти, що модулює.

На графіці, осі Х представлена ​​частота, по осі У - амплітуда.
Для АМ, крім амплітуди основної частоти, що знаходиться в центрі, представлені значення амплітуд справа і зліва від частоти несучої. Це так звані ліва та права бічні смуги. Вони віднесені від частоти, що несе на відстань рівну частоті модуляції.
Відстань від лівої до правої бічної смуги називають ширина спектру.
У нормальному випадку при коефіцієнті модуляції<=1, амплитуды боковых полос меньше или равны половине амплитуды несущей.
Корисна інформація міститься тільки у верхній або нижній бічних смугах спектру. Основна спектральна складова – несуча, не несе корисної інформації. Потужність передавача при амплітудній модуляції переважно витрачається на «обігрів повітря», за рахунок не інформативності самого основного елемента спектру.

Амплітудна модуляція з однією бічною смугою

У зв'язку з неефективністю класичної амплітудної модуляції, була вигадана амплітудна модуляція з однією бічною смугою.
Суть її полягає у видаленні з спектру несучої і однієї з бічних смуг, при цьому вся необхідна інформація передається по бічній смузі, що залишилася.

Але у чистому вигляді у побутовому радіомовленні цей вид не прижився, т.к. у приймачі потрібно синтезувати несучу з дуже високою точністю. Використовується в апаратурі ущільнення та аматорському радіо.
У радіомовленні частіше використовують АМ з однією бічною смугою та частково пригніченою несучою:

При такій модуляції співвідношення якість/ефективність найкраще досягається.

Частотна модуляція

Вид аналогової модуляції, при якій частота несучої змінюється за законом модулюючого низькочастотного сигналу. Амплітуда при цьому залишається постійною.

а) - несуча частота; б) модулюючий сигнал; в) результат модуляції.

Найбільше відхилення частоти від середнього значення називається девіацією.
В ідеальному варіанті, девіація повинна бути прямо пропорційно до амплітуди модулюючого коливання.

Спектр при частотній модуляції виглядає так:

Складається з несучої та симетрично відстаючої від неї вправо та вліво гармонік бічних смуг, на частоту кратну частоті модулюючого коливання.
Цей спектр представляє гармонійне коливання. У разі реальної модуляції спектр має більш складні обриси.
Розрізняють широкосмугову та вузькосмугову ЧС модуляцію.
У широкосмуговому - спектр частот, що значно перевищує частоту модулюючого сигналу. Застосовується у ЧС радіомовленні.
У радіостанціях застосовують в основному вузькосмугову ЧС модуляцію, що вимагає більш точного налаштування приймача і більш захищену від перешкод.
Спектри широкосмугової та вузькосмугової ЧС представлені нижче

Спектр вузькосмугової ЧС нагадує амплітудну модуляцію, але якщо врахувати фазу бічних смуг, то виявиться, що ці хвилі мають постійну амплітуду та змінну частоту, а не постійну частоту та змінну амплітуду (AM). При широкосмуговій ЧС амплітуда несучої може бути дуже малою, що зумовлює високу ефективність ЧС; це означає, що більшість переданої енергії міститься в бічних частотах, що несуть інформацію.

Основні переваги ЧС, перед АМ - енергоефективність та завадостійкість.

Як різновид ЧС, виділяють лінійно-частотну модуляцію.
Суть її полягає в тому, що частота сигналу, що несе, змінюється за лінійним законом.

Практична значимість лінійно-частотно-модульованих (ЛЧМ) сигналів полягає у можливості суттєвого стиснення сигналу при прийомі зі збільшенням його амплітуди над рівнем перешкод.
ЛЧМ знаходять застосування у радіолокації.

Фазова модуляція

Насправді, більше застосовують термін фазова маніпуляція, т.к. в основному проводять модуляцію дискретних сигналів.
Сенс ФМ такий, що фаза несучої, змінюється стрибкоподібно, при надходженні чергового дискретного сигналу, відмінного від попереднього.

Зі спектру можна бачити, майже повну відсутність несучої, що вказують на високу енергоефективність.
Недолік цієї модуляції в тому, що помилка в одному символі може призвести до некоректного прийому всіх наступних.

Диференційно-фазова маніпуляція

У разі цієї модуляції фаза змінюється не при кожній зміні значення модулюючого імпульсу, а при зміні різниці. У цьому прикладі при приході кожної «1».

Перевага цього виду модуляції в тому, що у разі виникнення випадкової помилки в одному символі, це не тягне за собою подальший ланцюжок помилок.

Існують також фазові маніпуляції такі як квадратурна, де використовується зміна фази в межах 90 градусів і ФМ більш високих порядків, але їх розгляд виходить за рамки цієї статті.

PS: хочу ще раз відзначити, що мета статей не замінити підручник, а розповісти «на пальцях» про основи радіо.
Розглянуто лише основні види модуляцій до створення у читача ставлення до темі.