Амплитудная модуляция ( АМ ) — 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 изменяется 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 экспериментов Роберто Ланделла де Моуры и Реджинальда Фессендена с радиотелефоном в 1900 году. [1] Эта оригинальная форма AM иногда называется двухполосной амплитудной модуляцией ( DSBAM ), поскольку стандартный метод создает боковые полосы по обе стороны от несущей частоты. Однополосная модуляция использует полосовые фильтры для устранения одной из боковых полос и, возможно, несущего сигнала, что улучшает отношение мощности сообщения к общей мощности передачи , снижает требования к мощности линейных ретрансляторов и позволяет лучше использовать полосу пропускания среды передачи.
AM по-прежнему используется во многих формах связи в дополнение к AM-вещанию : коротковолновое радио , любительское радио , двухсторонние радиостанции , УКВ-радиостанции для самолетов , гражданские радиостанции и в компьютерных модемах в форме QAM .
В электронике , телекоммуникациях и механике модуляция означает изменение некоторого аспекта непрерывного несущего сигнала волны с помощью информационно-несущей модуляционной формы волны, такой как аудиосигнал , представляющий звук, или видеосигнал , представляющий изображения. В этом смысле несущая волна, которая имеет гораздо более высокую частоту, чем сигнал сообщения, переносит информацию. На принимающей станции сигнал сообщения извлекается из модулированного несущего сигнала 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 , а мгновенное отклонение фазы . Это описание напрямую дает две основные группы модуляции: амплитудную модуляцию и угловую модуляцию . В 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 сохраняется постоянным, а первый член уравнения A ( t ) имеет функциональную связь с модулирующим сигналом сообщения.
Модулирующий сигнал сообщения может быть аналоговым по своей природе или это может быть цифровой сигнал, в этом случае метод обычно называется амплитудной манипуляцией .
Например, в радиосвязи AM непрерывный радиочастотный сигнал имеет амплитуду, модулированную звуковой волной перед передачей. Сигнал сообщения определяет огибающую передаваемой волны. В частотной области амплитудная модуляция создает сигнал с мощностью, сосредоточенной на несущей частоте и двух соседних боковых полосах . Каждая боковая полоса равна по ширине полосе пропускания модулирующего сигнала и является зеркальным отражением другой. Стандартную AM иногда называют «двухполосной амплитудной модуляцией» (DSBAM).
Недостатком всех методов амплитудной модуляции, не только стандартной АМ, является то, что приемник усиливает и обнаруживает шум и электромагнитные помехи в равной пропорции к сигналу. Увеличение отношения принимаемого сигнала к шуму , скажем, в 10 раз (улучшение на 10 децибел ) , таким образом, потребует увеличения мощности передатчика в 10 раз. Это контрастирует с частотной модуляцией (FM) и цифровым радио , где влияние такого шума после демодуляции сильно уменьшается, пока принимаемый сигнал значительно превышает порог приема. По этой причине АМ-вещание не является предпочтительным для музыки и высококачественного вещания, а скорее для голосовой связи и трансляций (спорт, новости, разговорное радио и т. д.).
AM также неэффективен в плане энергопотребления; по крайней мере две трети мощности сосредоточены в несущем сигнале. Несущий сигнал не содержит исходной передаваемой информации (голос, видео, данные и т. д.). Однако его наличие обеспечивает простое средство демодуляции с использованием обнаружения огибающей , предоставляя опорную частоту и фазу для извлечения модуляции из боковых полос. В некоторых системах модуляции, основанных на AM, требуется более низкая мощность передатчика за счет частичного или полного устранения несущей составляющей, однако приемники для этих сигналов более сложны, поскольку они должны обеспечивать точный опорный сигнал несущей частоты (обычно смещенный к промежуточной частоте ) от значительно уменьшенной «пилотной» несущей (при передаче с уменьшенной несущей или DSB-RC) для использования в процессе демодуляции. Даже при устранении несущей в двухполосной передаче с подавленной несущей возможна регенерация несущей с использованием контура фазовой автоподстройки частоты Костаса . Это не работает для однополосной передачи с подавленной несущей (SSB-SC), что приводит к характерному звуку "Дональд Дак" от таких приемников при небольшой расстройке. Однополосная AM, тем не менее, широко используется в любительском радио и других голосовых коммуникациях, поскольку она имеет эффективность мощности и полосы пропускания (сокращая полосу пропускания РЧ вдвое по сравнению со стандартной AM). С другой стороны, в вещании на средних и коротких волнах стандартная AM с полной несущей позволяет осуществлять прием с использованием недорогих приемников. Вещатель поглощает дополнительные затраты на электроэнергию, чтобы значительно увеличить потенциальную аудиторию.
Простая форма цифровой амплитудной модуляции, которая может использоваться для передачи двоичных данных , — это манипуляция «вкл–выкл» , простейшая форма амплитудной манипуляции, в которой единицы и нули представлены наличием или отсутствием несущей. Манипуляция «вкл–выкл» 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 , в настоящее время чаще используется с цифровыми данными, при этом более эффективно используя доступную полосу пропускания.
Простая форма амплитудной модуляции — передача речевых сигналов с традиционного аналогового телефонного аппарата с использованием общей батареи местного шлейфа. [3] Постоянный ток, обеспечиваемый батареей центрального офиса, является носителем с частотой 0 Гц. Он модулируется микрофоном ( передатчиком ) в телефонном аппарате в соответствии с акустическим сигналом от динамика. Результатом является переменный амплитудный постоянный ток, переменная составляющая которого является речевым сигналом, извлекаемым в центральном офисе для передачи другому абоненту.
Дополнительная функция, предоставляемая несущей в стандартной AM, но которая теряется в однополосной или двухполосной передаче с подавленной несущей, заключается в том, что она обеспечивает опорную амплитуду. В приемнике автоматическая регулировка усиления (AGC) реагирует на несущую таким образом, чтобы воспроизводимый уровень звука оставался в фиксированной пропорции к исходной модуляции. С другой стороны, при передачах с подавленной несущей нет передаваемой мощности во время пауз в модуляции, поэтому AGC должна реагировать на пики передаваемой мощности во время пиков модуляции. Обычно это включает в себя так называемую схему быстрой атаки, медленного затухания , которая удерживает уровень AGC в течение секунды или более после таких пиков, между слогами или короткими паузами в программе. Это очень приемлемо для радиосвязи, где сжатие звука способствует разборчивости. Однако это абсолютно нежелательно для музыки или обычного вещательного программирования, где ожидается точное воспроизведение исходной программы, включая ее изменяющиеся уровни модуляции.
В 1982 году Международный союз электросвязи (МСЭ) обозначил типы 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 попытками посылать аудиосигналы с помощью радиоволн. Первые радиопередатчики, называемые передатчиками с искровым разрядником , передавали информацию с помощью беспроводной телеграфии , используя импульсы несущей волны для записи текстовых сообщений азбукой Морзе . Они не могли передавать аудио, поскольку несущая состояла из строк затухающих волн , импульсов радиоволн, которые снижались до нуля и звучали как жужжание в приемниках. По сути, они уже были амплитудно-модулированными.
Первая передача AM была сделана американским исследователем канадского происхождения Реджинальдом Фессенденом 23 декабря 1900 года с использованием передатчика с искровым разрядником и специально разработанным высокочастотным прерывателем 10 кГц на расстояние в одну милю (1,6 км) на острове Кобб, штат Мэриленд, США. Его первыми переданными словами были: «Привет. Один, два, три, четыре. У вас там идет снег, мистер Тиссен?». Слова были едва различимы на фоне гудения искры. [ необходима цитата ]
Фессенден был значимой фигурой в развитии AM-радио. Он был одним из первых исследователей, понявших на основе экспериментов, подобных описанным выше, что существующая технология производства радиоволн, искровой передатчик, не годится для амплитудной модуляции, и что необходим новый тип передатчика, который производит синусоидальные непрерывные волны . Это была радикальная идея в то время, поскольку эксперты считали, что импульсная искра необходима для производства радиочастотных волн, и Фессенден был высмеян. Он изобрел и помог разработать один из первых передатчиков непрерывной волны — генератор Александера , с помощью которого он осуществил то, что считается первой публичной развлекательной трансляцией AM в канун Рождества 1906 года. Он также открыл принцип, на котором основана AM, гетеродинирование , и изобрел один из первых детекторов, способных выпрямлять и принимать AM, электролитический детектор или «жидкостный бареттер» в 1902 году. Другие радиодетекторы, изобретенные для беспроводной телеграфии, такие как клапан Флеминга (1904) и кристаллический детектор (1906), также оказались способны выпрямлять сигналы AM, поэтому технологическим препятствием была генерация волн AM; их прием не был проблемой.
Ранние эксперименты по радиопередаче AM, проведенные Фессенденом, Вальдемаром Поульсеном , Эрнстом Румером , Квирино Майораной , Чарльзом Герролдом и Ли де Форестом , были затруднены отсутствием технологии усиления . Первые практические непрерывные волновые передатчики AM были основаны либо на огромном и дорогом генераторе переменного тока Александера , разработанном в 1906–1910 годах, либо на версиях дугового передатчика Поульсена (дугового преобразователя), изобретенного в 1903 году. Модификации, необходимые для передачи AM, были неуклюжими и приводили к очень низкому качеству звука. Модуляция обычно осуществлялась с помощью угольного микрофона, вставленного непосредственно в антенну или заземляющий провод; его изменяющееся сопротивление изменяло ток в антенне. Ограниченная мощность микрофона серьезно ограничивала мощность первых радиотелефонов; многие из микрофонов имели водяное охлаждение.
Открытие в 1912 году усилительной способности аудионной трубки , изобретенной в 1906 году Ли де Форестом , решило эти проблемы. Генератор с обратной связью на вакуумной лампе , изобретенный в 1912 году Эдвином Армстронгом и Александром Мейсснером , был дешевым источником непрерывных волн и мог легко модулироваться для создания AM-передатчика. Модуляция не обязательно должна была выполняться на выходе, но могла применяться к сигналу перед конечной усилительной лампой, поэтому микрофону или другому источнику звука не приходилось модулировать мощный радиосигнал. Военные исследования значительно продвинули искусство AM-модуляции, и после войны доступность дешевых ламп вызвала значительное увеличение числа радиостанций, экспериментирующих с AM-передачей новостей или музыки. Вакуумная лампа была ответственна за рост AM-вещания около 1920 года, первого электронного средства массовой информации . Амплитудная модуляция была фактически единственным типом, используемым для радиовещания , пока не началось FM-вещание после Второй мировой войны.
В то же время, когда появилось радио с амплитудной модуляцией, телефонные компании, такие как AT&T, разрабатывали другое крупное приложение для амплитудной модуляции: отправку нескольких телефонных звонков по одному проводу, модулируя их на отдельных несущих частотах, что называлось 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. Пропуская модулированный сигнал через другое нелинейное устройство, можно извлечь исходный сигнал базовой полосы. [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 длинноволновой трансатлантической телефонной связи, начиная с 7 января 1927 года. После Второй мировой войны он был разработан для связи военных самолетов.
Несущая волна ( синусоида ) с частотой f c и амплитудой A выражается формулой
Сигнал сообщения, такой как аудиосигнал, который используется для модуляции несущей, равен m ( t ) и имеет частоту f m , намного ниже f c :
где m — амплитудная чувствительность, M — амплитуда модуляции. Если m < 1, (1 + m(t)/A) всегда положительно для недомодуляции. Если m > 1, то происходит 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 совпадает с индексом модуляции, обсуждаемым ниже. При m = 0,5 амплитудно-модулированный сигнал y ( t ) соответствует верхнему графику (обозначенному как «50% модуляция») на рисунке 4.
Используя тождества простефаэреза , можно показать, что y ( t ) представляет собой сумму трех синусоид:
Таким образом, модулированный сигнал имеет три компонента: несущую волну c(t) , которая неизменна 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 одна синусоида, как рассмотрено выше. Однако, по принципу разложения Фурье , m(t) может быть выражен как сумма набора синусоидальных волн различных частот, амплитуд и фаз. Выполняя умножение 1 + m(t) на c(t) , как указано выше, результат состоит из суммы синусоидальных волн. Опять же, несущая c(t) присутствует без изменений, но каждая частотная составляющая m при f i имеет две боковые полосы на частотах f c + f i и f c – f i . Набор прежних частот выше несущей частоты известен как верхняя боковая полоса, а те, что ниже, составляют нижнюю боковую полосу. Модуляцию m(t) можно считать состоящей из равной смеси положительных и отрицательных частотных компонентов, как показано в верхней части рисунка 2. Можно рассматривать боковые полосы как модуляцию m(t), просто смещенную по частоте на f c, как показано в правом нижнем углу рисунка 2.
Кратковременный спектр модуляции, изменяющийся, как это было бы для человеческого голоса, например, частотное содержимое (горизонтальная ось) может быть изображено как функция времени (вертикальная ось), как на рисунке 3. Можно снова увидеть, что по мере изменения частотного содержимого модуляции верхняя боковая полоса генерируется в соответствии с частотами, смещенными выше несущей частоты, и то же самое содержимое, зеркально отображенное в нижней боковой полосе ниже несущей частоты. Во все времена сама несущая остается постоянной и большей мощности, чем общая мощность боковой полосы.
Полоса пропускания радиочастот AM-передачи (см. рисунок 2, но рассматривая только положительные частоты) в два раза больше полосы пропускания модулирующего (или « базового ») сигнала, поскольку верхняя и нижняя боковые полосы вокруг несущей частоты имеют ширину полосы пропускания, равную самой высокой модулирующей частоте. Хотя полоса пропускания AM-сигнала уже, чем при частотной модуляции (ЧМ), она в два раза шире, чем у однополосных методов; таким образом, ее можно рассматривать как спектрально неэффективную. Таким образом, в пределах полосы частот может быть размещено только вдвое меньше передач (или «каналов»). По этой причине аналоговое телевидение использует вариант однополосной передачи (известный как остаточная боковая полоса , своего рода компромисс с точки зрения полосы пропускания) для того, чтобы уменьшить требуемое расстояние между каналами.
Другое улучшение по сравнению со стандартной AM достигается за счет уменьшения или подавления несущей составляющей модулированного спектра. На рисунке 2 это пик между боковыми полосами; даже при полной (100%) синусоидальной модуляции мощность несущей составляющей вдвое больше, чем в боковых полосах, но 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 подавленной несущей с одной боковой полосой ), либо с сохранением обеих боковых полос ( передача с подавленной несущей с двумя боковыми полосами ). Хотя эти передачи с подавленной несущей эффективны с точки зрения мощности передатчика, они требуют более сложных приемников, использующих синхронное детектирование и регенерацию несущей частоты. По этой причине стандартная AM продолжает широко использоваться, особенно в вещательной передаче, чтобы обеспечить использование недорогих приемников, использующих детектирование огибающей . Даже (аналоговое) телевидение с (в значительной степени) подавленной нижней боковой полосой включает достаточную мощность несущей для использования детектирования огибающей. Однако 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 применяется.
Широко используемая в вещательных АМ-передатчиках технология представляет собой применение несущей Хапбурга, впервые предложенной в 1930-х годах, но непрактичной с доступной тогда технологией. В периоды низкой модуляции мощность несущей будет снижаться 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. Различные торговые наименования используются для ее реализации производителями передатчиков с конца 80-х годов и далее.
Индекс модуляции АМ является мерой, основанной на отношении амплитуд модуляции радиочастотного сигнала к уровню немодулированной несущей. Таким образом, он определяется как:
где и — амплитуда модуляции и амплитуда несущей, соответственно; амплитуда модуляции — это пиковое (положительное или отрицательное) изменение амплитуды РЧ от ее немодулированного значения. Индекс модуляции обычно выражается в процентах и может отображаться на измерителе, подключенном к АМ-передатчику.
Итак, если , амплитуда несущей изменяется на 50% выше (и ниже) своего немодулированного уровня, как показано на первой форме волны ниже. Для , она изменяется на 100%, как показано на иллюстрации ниже. При 100% модуляции амплитуда волны иногда достигает нуля, и это представляет собой полную модуляцию с использованием стандартной AM и часто является целью (для получения максимально возможного отношения сигнал/шум ), но не должна быть превышена. Увеличение модулирующего сигнала за пределы этой точки, известное как перемодуляция , приводит к отказу стандартного модулятора AM (см. ниже), поскольку отрицательные отклонения огибающей волны не могут стать меньше нуля, что приводит к искажению («обрезанию») принимаемой 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 над шумом. Такие схемы иногда называют vogad .
Однако можно говорить о коэффициенте модуляции, превышающем 100%, без внесения искажений в случае двухполосной передачи с уменьшенной несущей . В этом случае отрицательные отклонения от нуля влекут за собой изменение фазы несущей на противоположную, как показано на третьей форме волны ниже. Этого нельзя добиться с помощью эффективных методов модуляции высокого уровня (выходной каскад) (см. ниже), которые широко используются, особенно в мощных вещательных передатчиках. Вместо этого специальный модулятор создает такую форму волны на низком уровне, за которым следует линейный усилитель . Более того, стандартный AM-приемник, использующий детектор огибающей, не способен должным образом демодулировать такой сигнал. Вместо этого требуется синхронное детектирование. Таким образом, двухполосная передача обычно не называется «AM», хотя она генерирует идентичную форму волны RF, как 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 передачи с подавленной несущей с двумя боковыми полосами , где несущая (в идеале) сведена к нулю. Во всех таких случаях термин «индекс модуляции» теряет свою ценность, поскольку он относится к отношению амплитуды модуляции к довольно малой (или нулевой) оставшейся амплитуде несущей.
Конструкции схем модуляции можно классифицировать как низкоуровневые и высокоуровневые (в зависимости от того, модулируют ли они в области низкой 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 , как правило, на частоте, меньшей желаемой выходной частоты RF. Затем аналоговый сигнал должен быть смещен по частоте и линейно усилен до желаемой частоты и уровня мощности (для предотвращения искажений модуляции необходимо использовать линейное усиление). [6] Этот низкоуровневый метод для AM используется во многих любительских радиопередатчиках. [7]
АМ также может быть сгенерирована на низком уровне с использованием аналоговых методов, описанных в следующем разделе.
Высокомощные АМ- передатчики (например, те, которые используются для АМ-вещания ) основаны на высокоэффективных каскадах усилителей мощности классов D и E , модулируемых путем изменения напряжения питания. [8]
Более старые конструкции (для вещания и любительского радио) также генерируют AM, управляя усилением конечного усилителя передатчика (обычно класса C, для эффективности). Следующие типы предназначены для передатчиков на электронных лампах (но аналогичные варианты доступны и с транзисторами): [9] [10]
Простейшая форма демодулятора AM состоит из диода , который настроен на работу в качестве детектора огибающей . Другой тип демодулятора, детектор продукта , может обеспечить более качественную демодуляцию с дополнительной сложностью схемы.
![{\displaystyle {\begin{align}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{align}}}](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)
