Б) виды модуляции в системах связи

Амплитудная модуляция (АМ)

При обычной амплитудной модуляции мгновенное значение оги­бающей изменяется около некоторого среднего уровня по закону, связанному линейной зависимостью с модулирующей функцией. Отличительной особенностью AM является то, что огибающая мо­дулированного сигнала в точности повторяет изменения модули­рующего колебания. Схематически AM сигнал можно рассматри­вать как результат перемножения синусоидальной несущей и сиг­нала, образованного суммой модулирующей функции и некоторой постоянной величины. Результирующий AM сигнал

e_ам (t) = [1+g (t)] cos (2πf_c t). (1)

Обычно AM сигнал записывается в виде

e_ам (t) = [1+ m_a g (t)] cos (2πf_c t). (2)

где т_а называется индексом модуляции, причем на т_а и модули­рующую функцию накладываются ограничения:

| g (t) | , 0 < m_a< 1 (3)

Если условия (3) нарушаются, то возникает перемодуляция, при кото­рой появляются искажения огибающей, обусловленные тем, что она не может принимать отрицательных значений.

Спектр g(t) не выходит за пределы области | f | , где f_m<<f_c, и g(t) не содержит собственной постоянной со­ставляющей. Индекс модуляции т_а определяет глубину модуля­ции и часто дается в процентах. На рис. 1 показан характер из­менения огибающей при амплитудной модуляции несущей.

Рис.1 Формирование обычного АМ сигнала.

Спектр АМ сигнала содержит несущую и две боковые полосы, получающиеся смещением основного спектра в окрестность несущей, причем боковые полосы являются комплексно сопряженными зеркальными отображениями друг друга. Для передачи такого сигнала требуется полоса частот шириной 2 f.

Рис.2 Спектры амплитудно-модулированных сигналов.

Анализ энергетических характеристик показывает, что средняя мощность несущей равна величине

P_c =

а мощность каждой боковой полосы

Р_вбп = Р_нбп =

отсюда полная мощность боковых полос

Р_бп = Р_вбп + Р_нбп =

Для получения максимальной мощности информационных со­ставляющих AM сигнала (боковых полос) положим т_а равным максимальному допустимому значению, т. е. единице. В этом слу­чае имеем

Р_бп = = (1/2) Р_с

Максимально возможная мощность боковых полос равна поло­вине мощности несущей. Таким образом, на излучение информационных составляющих (боковых полос) сигнала идет не более од­ной трети общей мощности; остальная мощность расходуется на излучение несущей. Наиболее широко используе­мым методом демодуляции AM является амплитудное детектиро­вание (рис. 3). Согласно рис. 3 принимаемый AM сигнал подается на диод, который не пропускает отрицательных значений сигнала, так что на его выходе получается положительная функ­ция с ненулевым средним, значением. Поскольку информация со­держится в низкочастотных колебаниях этого среднего значения (т. е. огибающей) относительно некоторого постоянного уровня, то, отделяя огибающую от высокочастотных колебаний фильтром нижних частот, можно воспроизвести исходную модулирующую функцию.

Рис.3 Амплитудное детектирование АМ сигналов

Заметим, что если огибающая принятого сигнала не точно повторяет изменения модулирующей функции, то информа­ция будет воспроизведена с некоторыми искажениями. По этой причине, как было отмечено выше, максимально допустимое значе­ние индекса модуляции равняется единице или 100%. Иногда 100-процентную модуляцию называют полной модуляцией. При пе­ремодуляции индекс модуляции становится больше единицы (т_а>1) и огибающая сильно искажается относительно модули­рующей функции.

Среди разновидностей АМ существует метод балансной модуляции (БМ), отличающийся от АМ отсутствием в результирующем спектре сигнала несущего колебания, однако ширина полосы, которую занимает БМ сигнал остается той же, что и при обычной AM, так как в обоих случаях излучаются обе боковые полосы, каждая из которых полностью характеризует передаваемую информацию. Если найти возмож­ность сузить занимаемую полосу частот, то это позволит разме­стить большее число каналов связи в данном диапазоне. Такая воз­можность существует в системах с видоизмененной AM, если в спектре излучаемого сигнала подавить несущую и одну боковую полосу. Такой вид модуляции известен под названием однополос­ная модуляция с подавлением несущей или просто однополосная модуляция (ОМ). В ОМ системах вся излучаемая мощность рас­ходуется на передачу информации, которая вмещается в мини­мально возможную полосу частот. Так, при передаче одной боко­вой полосы экономится излучаемая мощность, лучше использует­ся частотный диапазон. Теоретическое обоснование однополосной связи заключается в том, что как при БМ, так и при AM верхняя и нижняя боковые полосы содержат весь объем информации и, следовательно, для ее передачи достаточно лишь одной боковой полосы.

Однако реализация ОМ связана со сложностью и дороговизной передатчиков и при­емников, а также с проблемой совместимости, не позволяющей изме­нять вид модуляции без смены всей аппаратуры в существующих системах. В частности, поскольку формирование однополосного сигнала происходит в маломощных цепях, то для исключения ис­кажений усилитель передатчика должен иметь достаточно линей­ную характеристику (что, в принципе, приводит к низкому коэффи­циенту полезного действия). В противоположность этому при БМ или AM существуют методы формирования сигнала непосредст­венно в мощных каскадах и, следовательно, в них могут исполь­зоваться более экономичные нелинейные усилители мощности. Можно также показать, что для модулирующих функций сложной формы отношение пиковой мощности к ее среднему значению в системах с ОМ оказывается более высоким, чем при БМ или AM, Кроме того, наличие несущей в спектре AM сигнала позволяет значительно упростить требования к приемнику и сделать его до­статочно надежным.

Несмотря на это, однополосная модуляция нашла широкое при­менение в многоканальных системах с частотным уплотнением. В последнее время связь на одной боковой полосе используется также на загруженных участках декаметрового и УКВ диапазонов с целью эко­номии занимаемой полосы частот.