Амплитудная модуляция ( АМ ) — это метод модуляции , используемый в электронной связи, чаще всего для передачи сообщений с помощью радиоволн . При амплитудной модуляции амплитуда (сила сигнала) волны изменяется пропорционально амплитуде сигнала сообщения, например аудиосигнала . Этот метод контрастирует с угловой модуляцией , при которой варьируется либо частота несущей волны, как при частотной модуляции , либо ее фаза , как при фазовой модуляции .
AM был самым ранним методом модуляции, использовавшимся для передачи звука в радиовещании. Он был разработан в первой четверти 20-го века, начиная с радиотелефонных экспериментов Роберто Ланделла де Моуры и Реджинальда Фессендена в 1900 году . [ 1 ] Эту оригинальную форму AM иногда называют двухполосной амплитудной модуляцией ( DSBAM ), поскольку стандарт метод создает боковые полосы по обе стороны от несущей частоты. При однополосной модуляции используются полосовые фильтры для устранения одной из боковых полос и, возможно, сигнала несущей, что улучшает соотношение мощности сообщения к общей мощности передачи , снижает требования к мощности линейных повторителей и позволяет лучше использовать полосу пропускания среды передачи.
Помимо AM-вещания, AM по-прежнему используется во многих формах связи : коротковолновом радио , любительском радио , двусторонней радиосвязи , авиационном УКВ-радио , гражданском радиодиапазоне и в компьютерных модемах в форме QAM .
В электронике , телекоммуникациях и механике модуляция означает изменение некоторых аспектов непрерывного несущего сигнала с помощью несущей информацию формы волны модуляции, например, аудиосигнала , который представляет звук, или видеосигнала , который представляет изображения. В этом смысле информацию несет несущая волна, которая имеет гораздо более высокую частоту, чем сигнал сообщения . На приемной станции сигнал сообщения извлекается из модулированной несущей путем демодуляции .
В общем виде процесс модуляции синусоидальной несущей волны можно описать следующим уравнением: [2]
A(t) представляет собой изменяющуюся во времени амплитуду синусоидальной несущей волны, а косинусоидальный член — это несущая на ее угловой частоте и мгновенное отклонение фазы . В этом описании непосредственно представлены две основные группы модуляции: амплитудная модуляция и угловая модуляция . При угловой модуляции член A ( t ) является постоянным, а второй член уравнения имеет функциональную связь с модулирующим сигналом сообщения. Угловая модуляция обеспечивает два метода модуляции: частотную модуляцию и фазовую модуляцию .
При амплитудной модуляции угловой член остается постоянным, а первый член A ( t ) уравнения имеет функциональную связь с модулирующим сигналом сообщения.
Сигнал модулирующего сообщения может быть аналоговым по своей природе или может быть цифровым сигналом, и в этом случае метод обычно называется амплитудной манипуляцией .
Например, в радиосвязи AM амплитуда непрерывного радиочастотного сигнала модулируется звуковым сигналом перед передачей. Сигнал сообщения определяет огибающую передаваемого сигнала. В частотной области амплитудная модуляция создает сигнал с мощностью, сконцентрированной на несущей частоте и двух соседних боковых полосах . Каждая боковая полоса равна полосе пропускания модулирующего сигнала и является зеркальным отражением другой. Поэтому стандартную AM иногда называют «двухполосной амплитудной модуляцией» (DSBAM).
Недостатком всех методов амплитудной модуляции, а не только стандартного AM, является то, что приемник усиливает и обнаруживает шум и электромагнитные помехи в равной пропорции к сигналу. Таким образом, увеличение принимаемого отношения сигнал/шум , скажем, в 10 раз (улучшение на 10 децибел ), потребует увеличения мощности передатчика в 10 раз. Это в отличие от частотной модуляции (FM) и цифрового радио. где влияние такого шума после демодуляции сильно снижается до тех пор, пока принимаемый сигнал значительно превышает порог приема. По этой причине AM-вещание предпочтительнее не для музыки и высококачественного вещания, а скорее для голосовой связи и передач (спорт, новости, ток-радио и т. д.).
AM также неэффективен в использовании энергии; по крайней мере две трети мощности сосредоточено в несущем сигнале. Несущий сигнал не содержит никакой исходной передаваемой информации (голоса, видео, данных и т. д.). Однако его наличие обеспечивает простые средства демодуляции с использованием обнаружения огибающей , обеспечивая опорную частоту и фазу для извлечения модуляции из боковых полос. В некоторых системах модуляции, основанных на AM, требуется меньшая мощность передатчика за счет частичного или полного исключения несущей составляющей, однако приемники этих сигналов более сложны, поскольку они должны обеспечивать точный опорный сигнал несущей частоты (обычно смещенный на промежуточную частоту) . ) со значительно уменьшенной «пилотной» несущей (при передаче с уменьшенной несущей или DSB-RC) для использования в процессе демодуляции. Даже если несущая полностью исключена при двухполосной передаче с подавленной несущей , регенерация несущей возможна с использованием системы фазовой автоподстройки частоты Костаса . Это не работает для однополосной передачи с подавленной несущей (SSB-SC), что приводит к характерному звуку «Дональда Дака» из таких приемников при небольшой расстройке. Тем не менее, однополосный AM широко используется в любительском радио и других видах голосовой связи, поскольку он обладает эффективностью по мощности и полосе пропускания (сокращая полосу пропускания RF вдвое по сравнению со стандартным AM). С другой стороны, в средневолновом и коротковолновом радиовещании стандарт AM с полной несущей позволяет осуществлять прием с использованием недорогих приемников. Вещательная компания берет на себя дополнительные затраты на электроэнергию, чтобы значительно увеличить потенциальную аудиторию.
Простая форма цифровой амплитудной модуляции, которую можно использовать для передачи двоичных данных, — это двухпозиционная манипуляция , простейшая форма амплитудно-сдвиговой манипуляции, в которой единицы и нули представляются наличием или отсутствием несущей. Двухпозиционная манипуляция также используется радиолюбителями для передачи кода Морзе , где она известна как работа в режиме непрерывной волны (CW), хотя передача не является строго «непрерывной». Более сложная форма AM, квадратурная амплитудная модуляция , теперь чаще используется с цифровыми данными, обеспечивая при этом более эффективное использование доступной полосы пропускания.
Простая форма амплитудной модуляции - это передача речевых сигналов от традиционного аналогового телефонного аппарата с использованием местного абонентского шлейфа с общей батареей. [3] Постоянный ток, обеспечиваемый батареей центрального офиса, представляет собой несущую частоту 0 Гц. Модулируется микрофоном ( передатчиком ) в телефонном аппарате в соответствии с акустическим сигналом из динамика. В результате получается постоянный ток переменной амплитуды, переменная составляющая которого представляет собой речевой сигнал, извлекаемый в центральном офисе для передачи другому абоненту.
Дополнительная функция, обеспечиваемая несущей в стандартном AM, но которая теряется при передаче с однополосной или двухполосной подавленной несущей, заключается в том, что она обеспечивает опорную амплитуду. В приемнике автоматическая регулировка усиления (АРУ) реагирует на несущую так, что уровень воспроизводимого звука остается в фиксированной пропорции к исходной модуляции. С другой стороны, при передаче с подавленной несущей во время пауз в модуляции передаваемая мощность отсутствует , поэтому АРУ должен реагировать на пики передаваемой мощности во время пиков модуляции. Обычно это включает в себя так называемую схему быстрой атаки и медленного затухания , которая удерживает уровень АРУ в течение секунды или более после таких пиков, между слогами или короткими паузами в программе. Это вполне приемлемо для радиосвязи, где сжатие звука повышает разборчивость. Однако это абсолютно нежелательно для музыкальных программ или обычных программ вещания, где ожидается точное воспроизведение исходной программы, включая различные уровни ее модуляции.
В 1982 году Международный союз электросвязи (ITU) обозначил виды амплитудной модуляции:
Амплитудная модуляция использовалась в экспериментах по мультиплексной телеграфной и телефонной передаче в конце 1800-х годов. [4] Однако практическое развитие этой технологии отождествляется с периодом между 1900 и 1920 годами радиотелефонной передачи, то есть с попыткой передачи звуковых сигналов с помощью радиоволн. Первые радиопередатчики, называемые передатчиками с искровым разрядником , передавали информацию посредством беспроводной телеграфии , используя импульсы несущей волны для написания текстовых сообщений азбукой Морзе . Они не могли передавать звук, поскольку несущая состояла из цепочек затухающих волн , импульсов радиоволн, которые снижались до нуля и звучали в приемниках как гул. По сути, они уже были модулированы по амплитуде.
Первая AM-передача была осуществлена американским исследователем канадского происхождения Реджинальдом Фессенденом 23 декабря 1900 года с использованием передатчика с искровым разрядником со специально разработанным высокочастотным прерывателем 10 кГц на расстоянии одной мили (1,6 км) на острове Кобб, штат Мэриленд, США. . Его первыми переданными словами были: «Здравствуйте. Раз, два, три, четыре. Там, где вы находитесь, идет снег, мистер Тиссен?». Слова были едва различимы из-за фонового жужжания искры. [ нужна цитата ]
Фессенден сыграл важную роль в развитии AM-радио. Он был одним из первых исследователей, которые в результате экспериментов, подобных описанным выше, поняли, что существующая технология производства радиоволн, искровой передатчик, непригодна для амплитудной модуляции и что новый тип передатчика, который производит синусоидальные непрерывные волны , не может быть использован для амплитудной модуляции. , было необходимо. В то время это была радикальная идея, поскольку эксперты считали, что импульсная искра необходима для создания радиочастотных волн, и Фессендена высмеивали. Он изобрел и помог разработать один из первых передатчиков непрерывного излучения — генератор переменного тока Александерсона , с помощью которого он сделал то, что считается первой публичной развлекательной трансляцией AM в канун Рождества 1906 года. Он также открыл принцип, на котором основан AM, гетеродинирование и в 1902 году изобрел один из первых детекторов , способных выпрямлять и принимать АМ, электролитический детектор или «жидкий бареттер». Другие радиодетекторы, изобретенные для беспроводной телеграфии, такие как клапан Флеминга (1904 г.) и кристаллический детектор (1906 г.), также доказали свою эффективность. способен исправлять AM-сигналы, поэтому технологическим препятствием было создание AM-волн; получить их не было проблемой.
Ранние эксперименты по передаче AM-радиосигналов, проведенные Фессенденом, Вальдемаром Поульсеном , Эрнстом Румером , Кирино Майораной , Чарльзом Херролдом и Ли де Форестом , были затруднены из-за отсутствия технологии усиления . Первые практические передатчики АМ непрерывного действия были основаны либо на огромном и дорогом генераторе переменного тока Александерсона , разработанном в 1906–1910 годах, либо на версиях дугового передатчика Поульсена (дугового преобразователя), изобретенного в 1903 году. Модификации, необходимые для передачи АМ, были неуклюжими и привели к очень низкое качество звука. Модуляция обычно осуществлялась с помощью угольного микрофона , вставленного непосредственно в антенну или заземляющий провод; его переменное сопротивление изменяло ток, подаваемый на антенну. Ограниченная мощность микрофона сильно ограничивала мощность первых радиотелефонов; многие микрофоны имели водяное охлаждение.
Открытие в 1912 году усиливающей способности лампы Audion , изобретенной в 1906 году Ли де Форестом , решило эти проблемы. Генератор с обратной связью на электронной лампе , изобретенный в 1912 году Эдвином Армстронгом и Александром Мейсснером , был дешевым источником непрерывных волн и мог быть легко модулирован для создания AM-передатчика. Модуляцию не нужно было выполнять на выходе, но ее можно было применить к сигналу перед окончательной лампой усилителя, поэтому микрофону или другому источнику звука не нужно было модулировать мощный радиосигнал. Исследования военного времени значительно продвинули искусство AM-модуляции, а после войны доступность дешевых трубок вызвала значительный рост числа радиостанций, экспериментирующих с AM-передачей новостей или музыки. Электронная лампа стала причиной появления AM-вещания примерно в 1920 году, первого электронного средства массовой коммуникации . Амплитудная модуляция была практически единственным типом, используемым для радиовещания , пока после Второй мировой войны не началось FM-вещание .
В то же время, когда появилось AM-радио, телефонные компании , такие как AT&T, разрабатывали другое крупное приложение для AM: отправку нескольких телефонных звонков по одному проводу путем их модуляции на отдельных несущих частотах, называемое мультиплексированием с частотным разделением каналов . [4]
В 1915 году Джон Реншоу Карсон сформулировал первое математическое описание амплитудной модуляции, показав, что сигнал и несущая частота, объединенные в нелинейном устройстве, создают боковую полосу по обе стороны от несущей частоты. Пропуск модулированного сигнала через другое нелинейное устройство может извлечь исходный сигнал основной полосы частот. [4] Его анализ также показал, что для передачи аудиосигнала необходима только одна боковая полоса, и 1 декабря 1915 года Карсон запатентовал однополосную модуляцию (SSB). [4] Этот усовершенствованный вариант амплитудной модуляции был принят AT&T для длинноволновых трансатлантических трансатлантических трансатлантических трансляций . телефонная связь с 7 января 1927 года. После Второй мировой войны она была разработана для связи военных самолетов.
Несущая волна ( синусоидальная волна ) частоты f c и амплитуды A выражается выражением
Сигнал сообщения, такой как аудиосигнал, который используется для модуляции несущей, равен m ( t ) и имеет частоту f m , намного меньшую, чем f c :
где m – амплитудная чувствительность, M – амплитуда модуляции. Если m < 1, (1 + m(t)/A) всегда положительно для недомодуляции. Если m > 1, то возникает перемодуляция и восстановление сигнала сообщения из переданного сигнала приведет к потере исходного сигнала. Амплитудная модуляция возникает, когда несущая c(t) умножается на положительную величину (1 + m(t)/A) :
В этом простом случае m идентично индексу модуляции, обсуждаемому ниже. Таким образом, при m = 0,5 амплитудно-модулированный сигнал y ( t ) соответствует верхнему графику (с надписью «50% Модуляция») на рисунке 4.
Используя тождества простафаэреза , можно показать, что y ( t ) представляет собой сумму трех синусоидальных волн:
Следовательно, модулированный сигнал имеет три компонента: несущую волну c(t) , неизменную по частоте, и две боковые полосы с частотами немного выше и ниже несущей частоты f c .
Полезный сигнал модуляции m(t) обычно более сложен, чем одиночная синусоидальная волна, как описано выше. Однако по принципу разложения Фурье m(t) можно выразить как сумму набора синусоид различных частот, амплитуд и фаз. Выполняя умножение 1 + m(t) на c(t) , как указано выше, результат представляет собой сумму синусоидальных волн. Опять же, несущая c(t) присутствует без изменений, но каждая частотная составляющая m в f i имеет две боковые полосы на частотах f c + fi и f c – fi . Совокупность первых частот выше несущей частоты известна как верхняя боковая полоса, а те, что ниже, составляют нижнюю боковую полосу. Модуляцию m(t) можно рассматривать как состоящую из равного сочетания положительных и отрицательных частотных составляющих, как показано в верхней части рисунка 2. Боковые полосы можно рассматривать как модуляцию m(t) , просто сдвинутую по частоте на f c , как показано в правом нижнем углу рисунка 2.
Кратковременный спектр модуляции, изменяющийся так же, как, например, для человеческого голоса, частотный состав (горизонтальная ось) может быть изображен как функция времени (вертикальная ось), как на рисунке 3. Опять же можно увидеть, что по мере изменения содержания частоты модуляции верхняя боковая полоса генерируется в соответствии с частотами, сдвинутыми выше несущей частоты, и тот же контент зеркально отображается в нижней боковой полосе ниже несущей частоты. Сама несущая всегда остается постоянной и имеет большую мощность, чем общая мощность боковой полосы.
Радиочастотная полоса AM-передачи (см. рисунок 2, но только с учетом положительных частот) в два раза превышает полосу пропускания модулирующего (или « модульного ») сигнала, поскольку каждая верхняя и нижняя боковые полосы вокруг несущей частоты имеют ширину полосы как самая высокая частота модуляции. Хотя полоса пропускания AM-сигнала уже, чем при использовании частотной модуляции (FM), она в два раза шире, чем у однополосных методов; таким образом, его можно рассматривать как спектрально неэффективный. Таким образом, в пределах полосы частот может быть размещено лишь вдвое меньше передач (или «каналов»). По этой причине в аналоговом телевидении используется вариант однополосной передачи (известный как рудиментарная боковая полоса , своего рода компромисс с точки зрения полосы пропускания), чтобы уменьшить необходимое расстояние между каналами.
Еще одно улучшение по сравнению со стандартным AM достигается за счет уменьшения или подавления несущей составляющей модулированного спектра. На рисунке 2 это всплеск между боковыми полосами; даже при полной (100%) синусоидальной модуляции мощность несущей составляющей в два раза превышает мощность боковых полос, однако она не несет уникальной информации. Таким образом, существует большое преимущество в эффективности уменьшения или полного подавления несущей либо в сочетании с устранением одной боковой полосы ( передача с однополосным подавлением несущей ), либо с сохранением обеих боковых полос ( двойная боковая полоса с подавлением несущей ). Хотя эти передачи с подавленной несущей эффективны с точки зрения мощности передатчика, они требуют более сложных приемников, использующих синхронное обнаружение и регенерацию несущей частоты. По этой причине стандарт AM продолжает широко использоваться, особенно при широковещательной передаче, что позволяет использовать недорогие приемники, использующие обнаружение огибающей . Даже (аналоговое) телевидение с (в значительной степени) подавленной нижней боковой полосой имеет достаточную мощность несущей для использования обнаружения огибающей. Но для систем связи, где можно оптимизировать как передатчики, так и приемники, подавление как одной боковой полосы, так и несущей представляет собой чистое преимущество и часто используется.
Методика, широко используемая в радиовещательных AM-передатчиках, представляет собой применение гапбургской несущей, впервые предложенной в 1930-х годах, но непрактичной при имевшихся на тот момент технологиях. В периоды низкой модуляции мощность несущей будет уменьшаться и возвращаться к полной мощности в периоды высоких уровней модуляции. Это приводит к снижению общей потребляемой мощности передатчика и наиболее эффективно для программ речевого типа. С конца 80-х годов производители передатчиков используют для его реализации различные торговые наименования.
Индекс AM-модуляции представляет собой меру, основанную на отношении отклонений модуляции радиочастотного сигнала к уровню немодулированной несущей. Таким образом, оно определяется как:
где и – амплитуда модуляции и амплитуда несущей соответственно; Амплитуда модуляции представляет собой пиковое (положительное или отрицательное) изменение радиочастотной амплитуды по сравнению с ее немодулированным значением. Индекс модуляции обычно выражается в процентах и может отображаться на измерителе, подключенном к AM-передатчику.
Таким образом , если амплитуда несущей изменяется на 50% выше (и ниже) ее немодулированного уровня, как показано на первой форме сигнала ниже. Для он варьируется на 100 %, как показано на рисунке ниже. При 100% модуляции амплитуда волны иногда достигает нуля, и это представляет собой полную модуляцию с использованием стандартного AM и часто является целью (для получения максимально возможного отношения сигнал/шум ), но ее нельзя превышать. Увеличение модулирующего сигнала за пределами этой точки, известное как перемодуляция , приводит к выходу из строя стандартного модулятора AM (см. Ниже), поскольку отрицательные отклонения огибающей волны не могут стать меньше нуля, что приводит к искажению («ограничению») полученной модуляции. . Передатчики обычно включают в себя схему ограничителя , чтобы избежать перемодуляции, и/или схему компрессора (особенно для голосовой связи), чтобы по-прежнему приближаться к 100% модуляции для максимальной разборчивости звука над шумом. Такие схемы иногда называют вогадами .
Однако в случае двухполосной передачи с уменьшенной несущей можно говорить о показателе модуляции, превышающем 100%, без внесения искажений . В этом случае отрицательные отклонения за пределы нуля влекут за собой изменение фазы несущей, как показано на третьем сигнале ниже. Этого невозможно добиться с помощью эффективных методов модуляции высокого уровня (выходной каскад) (см. ниже), которые широко используются, особенно в мощных вещательных передатчиках. Скорее, специальный модулятор создает такую форму сигнала на низком уровне, за которым следует линейный усилитель . Более того, стандартный AM-приемник, использующий детектор огибающей , не способен должным образом демодулировать такой сигнал. Скорее, требуется синхронное обнаружение. Таким образом, двухполосную передачу обычно не называют «AM», хотя она генерирует ту же форму радиочастотного сигнала, что и стандартная AM, пока индекс модуляции ниже 100%. Такие системы чаще всего пытаются радикально снизить уровень несущей по сравнению с боковыми полосами (где присутствует полезная информация) до точки двухполосной передачи с подавлением несущей , где несущая (в идеале) снижается до нуля. Во всех таких случаях термин «индекс модуляции» теряет свое значение, поскольку он относится к отношению амплитуды модуляции к довольно малой (или нулевой) оставшейся амплитуде несущей.
Конструкции схем модуляции могут быть классифицированы как низкоуровневые или высокоуровневые (в зависимости от того, модулируют ли они в области малой мощности с последующим усилением для передачи или в области высокой мощности передаваемого сигнала). [5]
В современных радиосистемах модулированные сигналы генерируются посредством цифровой обработки сигналов (DSP). С помощью DSP возможны многие типы AM с программным управлением (включая DSB с несущей, SSB с подавленной несущей и независимой боковой полосой или ISB). Рассчитанные цифровые выборки преобразуются в напряжения с помощью цифро-аналогового преобразователя , обычно на частоте меньшей, чем желаемая частота ВЧ-выхода. Затем аналоговый сигнал необходимо сместить по частоте и линейно усилить до желаемой частоты и уровня мощности (линейное усиление должно использоваться для предотвращения модуляционных искажений). [6] Этот низкоуровневый метод AM используется во многих радиолюбительских трансиверах. [7]
АМ также можно генерировать на низком уровне, используя аналоговые методы, описанные в следующем разделе.
Мощные AM- передатчики (например, те, которые используются для AM-вещания ) основаны на высокоэффективных каскадах усилителей мощности классов D и E , модулируемых путем изменения напряжения питания. [8]
Старые конструкции (для вещания и любительского радио) также генерируют AM, контролируя усиление финального усилителя передатчика (обычно класса C, для эффективности). Следующие типы предназначены для передатчиков на электронных лампах (но доступны аналогичные варианты с транзисторами): [9] [10]
Самая простая форма AM-демодулятора состоит из диода , который сконфигурирован для работы в качестве детектора огибающей . Другой тип демодулятора, детектор продукта , может обеспечить более качественную демодуляцию при дополнительной сложности схемы.
![{\displaystyle {\begin{aligned}y(t)&=\left[1+{\frac {m(t)}{A}}\right]c(t)\\&=\left[1+m \cos \left(2\pi f_{m}t+\phi \right)\right]A\sin \left(2\pi f_{c}t\right)\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/637cd857e4f781d6d7bbdb570fa8c227d64d4298)
![{\displaystyle y(t)=A\sin(2\pi f_{c}t)+{\frac {1}{2}}Am\left[\sin \left(2\pi \left[f_{c) }+f_{m}\right]t+\phi \right)+\sin \left(2\pi \left[f_{c}-f_{m}\right]t-\phi \right)\right]. \,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e6540130eb862ec3332481d4f1730806e8352ba0)
