Дискретизированные сигналы. Модулированные радиосигналы (3, 4 главы учебника "Радиотехнические цепи и сигналы" под ред. К.Е.Румянцева), страница 4

Используя в качестве несущего колебания последовательность прямоугольных импульсов (см. рис. 4.1, б), можно получить следу­ющие виды модуляции сигналов:

а)  амплитудно-импульсная модуляция (АИМ), при которой модулируется амплитуда импульсов;

б)  широтно-импульсная модуляция (ШИМ), при которой мо­дулируется длительность импульсов;

в)  частотно-импульсная модуляция (НИМ), при которой мо­дулируется частота следования импульсов;

г)  фазоимпульсная модуляция (ФИМ), при которой модули­руется фаза появления следующего импульса в последователь­ности.

Используя постоянный ток в качестве несущего, можно по­лучить модуляцию по форме (изменяется величина тока в каж­дый момент времени) или направлению (в определенные мо­менты времени меняется направление тока, протекающего в цепи).

Использование в качестве несущего колебания шум о подоб­ных сигналов позволяет получить модуляцию по фазе или ампли­туде.

Модуляция постоянного тока, шумоподобного сигнала и последовательности прямоугольных импульсов имеет следующую спе­цифику: во-первых, используется только в определенных случаях; во-вторых, менее применима к понятиям радиотехники о модуляции; в-третьих, как и модуляция гармонического несущего колебания, приводит к изменению спектра этого сигнала. С учетом этого более подробно остановимся на рассмотрении различии видов модуляции и модулированных сигналов, когда в качестве несущего колебания используется гармоническая функция.

Со спектральной точки зрения понятие модуляции заключается в переносе спектра модулирующего сигнала в область высоких частот (в область частоты несущего колебания). Сформированное в ходе модуляции высокочастотное колебание должно однознач­но отражать информацию, заключенную в модулирующем сигнале, несмотря на то, что процесс модуляции происходит с изменением спектра сигнала, поскольку получить модулированный сигнал можно только при использовании нелинейных и параметрических элементов в электрических цепях. Использование этих элементов приводит к появлению в отклике спектральных состав­ляющих с комбинационными частотами. Качество модулятора определяется малой долей комбинационных спектральных состав­ляющих в AM колебании.

4.2. Амплитудно-модулированные радиосигналы

Амплитудная модуляция гармонического несущего колебании считается наиболее простой и распространенной в радиотехниче­ских устройствах. При этой модуляции управляющий сигнал воз­действует на амплитуду U_mнесущего колебания, вызывая ее изме­нение в соответствии с передаваемым сообщением. Частота ω₀ и начальная фаза φ₀ несущего колебания при AM остаются неиз­менными.

Модулятор представляет собой перемножитель двух сигналов. Структурная схема амплитудного модулятора приведена на рис. 4.2, на рис. 4.3 показано формирование АМ-сигнала.

На один вход модулятора поступает сигнал несущего колеба­ния (см. рис. 4.3, а) ,

Рис. 4.2. Структурная схема амплитудно­го модулятора

Рис. 4.3. Формирование АМ-сигнала:

а — несущее колебание; б — управляющий сигнал; в, г — модулированные сиг­налы соответственно с т_АМ <1 и т_АМ > 1

u_н (t)=U_m cos(ω₀t+φ₀)                                       (4.1)

а на второй вход подается управляющий (модулирующий) сигнал u_у(t) произвольной формы (см. рис. 4.3, б), Для понятия процесса модуляции принимаем, что управляющий сигнал является тональным, т.е.

u_у (t)=U_у cos(Ωt+ψ)                                             (4.2)

На выходе амплитудного модулятора появляется сигнал U_AM (t), частота которого соответствует частоте несущего колебания. Ам­плитуда колебания в каждом периоде изменения АМ-колебания пропорциональна изменению управляющего сигнала u_у(t) (см. рис. 4.3, б). При этом следует помнить, что при равенстве нулю значения управляющего сигнала Uy(t) амплитуда колебания моду­лированного сигнала равна амплитуде несущего колебания U_m. При неравенстве нулю  u_у(t)  АМ-колебание изменяется относительно уровней +U_mи -U_m, повторяя изменения управляющего сигнала.

В соответствии с выражениями (4.1) и (4.2) можно описать АМ-колебание формулой

             (4.3)

В выражении (4.3) огибающая модулированного сигнала имеет вид

                                     (4.4)

где m_AM — коэффициент амплитудной модуляции.

Для получения неискаженного АМ-сигнала необходимо, что­бы коэффициент амплитудной модуляции т_АМ отвечал условию т_АМ≤1(см. рис. 4.3, в). При т_АМ> 1 возникает процесс, получив­ший название перемодуляции. В результате этого процесса форма оги­бающей ν(t) модулированного сигнала искажается (см. рис. 4.3, г), что приводит к потере информации или ее некачественной пере­даче.

При достижении функцией cos(Ωt+ψ) в выражении (4.4) зна­чения -1 амплитуда огибающей v(t) принимает минимальное зна­чение V_min =U_m(1-m_AM), а при равенстве функции cos(Ωt+ψ) единице амплитуда огибающей принимает максимальное значе­ние V_max =2U_m . Таким образом, при m_AM = 1 максимальная ампли­туда AM-колебания равна удвоенной амплитуде несущего колеба­ния V_max=2U_m.

В общем случае средняя мощность произвольного сигнала s(t) за период его изменения Т определяется выражением

Колебание (4.3) представляет произведение огибающей (4.4) и гармонической функции cos(x), характеризующей несущее ко­лебание, u(t) = ν(t)cos(ω₀t+φ₀). Можно заключить, что средняя мощность Р_ср модулированного сигнала пропорциональна сред­ней величине P_cp.ν от квадрата огибающей: