Амплитудная модуляция. Модуляторы АМ колебаний

Лекция 13. Амплитудная модуляция. Модуляторы АМ колебаний

Процесс наложения информационного сообщения на сигнал называется модуляцией. При амплитудной модуляции (АМ) высокочастотных колебаний их амплитуда меняется по закону передаваемого низкочастотного сообщения. Пусть сигнал сообщения  описывается выражением , где  представляет собой совокупность из n спектральных составляющих с частотами , формирующих сигнал сообщения. Сигнал высокой частоты, при отсутствии амплитудной модуляции называемый сигналом в режиме молчания или в телефонном режиме, запишем в форме . При таком подходе ток  на выходе амплитудного модулятора можно представить в виде выражения

  (1)

где     назвали глубиной модуляции;   I_T – амплитуда ВЧ колебания с частотой w₀;  I_W – амплитуда НЧ колебания с частотой W.

Рис. 13.1. АМ колебание

Амплитуда промодулированного ВЧ сигнала имеет вид

и при  Wt =2kp наступает пиковый или максимальный режим модуляции, описываемый выражением , а при  Wt =(2k+1)p наступает минимальный режим для которого, показанные на рис. 13.1.

Так как    , а , то ;; ;     и 

Раскрыв скобки в выражении (1) найдем спектр АМ сигнала

.

При модуляции гармоническим колебанием спектр АМ сигнала будет иметь вид, показанный на рис. 13.2, а при сложном модулирующем сигнале такой, как показано на рис. 13.3.

Рис. 13.2.                                                          Рис. 13.3.

Частоты  и  называют нижняя и верхняя боковая частота, а амплитуда этих составляющих не может превышать половину амплитуды сигнала ВЧ в режиме молчания.

В режиме молчания m = 0, и мощность, выделяемая в нагрузке равна

. При модуляции мгновенная мощность изменяется пропорционально квадрату тока и в максимальной точке равна

P_~max = P_~T (1+m)²,

а в минимальной точке

P_~min = P_~T (1-m)².

При m = 1 имеем P_~max=4P_~T, а P_~min=0. Из условия P_~max=4P_~T и выбирают активные элементы для амплитудного модулятора.

Под мощностью радиопередающего устройства при АМ понимают мощность в режиме молчания. Средние по времени значения мощностей и токов зависят от m. Мощность колебания боковой частоты на нагрузке R

и  т.к.

При m=1 P_ср=1,5P_~T, то есть средняя мощность отдаваемая усилителем при m=1 больше в полтора раза чем в режиме молчания.

Мощность одной боковой частоты можно найти как

 

А при m=1:     , то есть для увеличения мощности боковой полосы, в которой и сосредоточена информация, нужно увеличивать m, и все передатчики с АМ рассчитывают, как правило, для m=1, хотя при передаче музыки и речи среднее значение глубины модуляции 0,3 - 0,4.

Модуляционные характеристики. Для неискаженной передачи информации необходимо, чтобы форма огибающей АМ сигнала воспроизводила форму модулирующего сигнала. Для этого возникающие в усилительных каскадах линейные и нелинейные искажения и шум не должны превышать допустимых значений. Для оценки качества модуляторов АМ пользуются статическими и динамическими модуляционными характеристиками.

СМХ - статическая модуляционная характеристика показывает, что при ее снятии процесс модуляции отсутствует, фактически это зависимость первой гармоники выходного тока (I_A) от модулирующего фактора (напряжения).

По СМХ можно определить возникающие нелинейные искажения. На рис. 13.4 изображена СМХ при сеточной модуляция, а на рис. 13.5 при анодной.

При анодной модуляции СМХ линейна и допустима выгодная для потребителя АМ сигнала глубина модуляции m=1. При сеточной модуляции СМХ нелинейна в начале характеристики и это заставляет ограничивать величину глубины модуляции m.

Рис. 13.4.                                           Рис. 13.5

Динамическая модуляционная характеристика (ДМХ) показывает зависимость глубины модуляции m от амплитуды модулирующего напряжения U_Ω.

Вид характеристики ДМХ примерно одинаков для всех типов модуляторов АМ и показан на рис. 13.6.

Рис. 13.6.

При амплитудах  U_Ω> U_Ωmax захватываются нелинейные участки СМХ и ДМХ и возможны нелинейные искажения. Из-за паразитной модуляции (фон, шумы) также возможны искажений и минимальная глубина модуляции должна превышать m₀.

Если в радиопередающем устройстве (ПРД) модулируется несколько каскадов, то важна форма общей результирующей модуляционной характеристики ПРД – зависимость тока (для СМХ) или величины m (для ДМХ) в оконечном каскаде от входного модулирующего напряжения.

Амплитудно-частотная модуляционная характеристика передатчика есть зависимость глубины модуляции m от модулирующей частоты ПРД. Из-за возможной неравномерности амплитудной характеристики усилительного каскада она снимается для двух значений m на средних модулирующих частотах сообщения (обычно при m=0,5; m=0,9, как показано на рис. 13.7).

Рис. 13.7.

Способы осуществления амплитудной модуляции. Способы осуществления АМ зависят от применяемой элементной базы. Теоретически АМ реализуема изменением связи с антенной, но ввиду сложности осуществления при больших мощностях и низкого коэффициента полезного действия (кпд) такой метод на практике не используют. Для ламповой элементной базы применяют следующие способы АМ:

1. Модуляция смещением, которая применяется в мощных телевизионных радиопередающих устройствах изображения.

2. Модуляция возбуждением. В чистом виде не применяется, но усилитель модулированных колебаний (УМК) имеет те же режимы по энергетике, что и модулятор возбуждением и рассчитывается так же, т.е. сообщение подается на управляющую сетку.

3. Экранная модуляция. Данный вид применяется в комбинации с другими видами модуляции. НЧ модулирующая составляющая подается при этом на вторую сетку тетродов.

4. Пентодная модуляция. Используется для передатчиков средней мощности. Управляющее воздействие прикладывается на третью сетку.