Při amplitudové modulaci se mění obálka amplitud nosné vibrace podle zákona, který se shoduje se zákonem přenášené zprávy. Frekvence a fáze kmitání nosné se nemění.
Jedním z hlavních parametrů AM je modulační koeficient (M).
Modulační koeficient je poměr rozdílu mezi maximálními a minimálními hodnotami amplitud modulovaného signálu k součtu těchto hodnot (%).
Jednoduše řečeno, tento koeficient ukazuje, jak moc se amplituda kmitání nosné v daném okamžiku odchyluje od průměrné hodnoty.
Když je modulační faktor větší než 1, dochází k přemodulačnímu efektu, který má za následek zkreslení signálu.
Toto spektrum je charakteristické pro modulační kmitání konstantní frekvence.
Na grafu osa X představuje frekvenci a osa Y představuje amplitudu.
Pro AM jsou kromě amplitudy základní frekvence umístěné ve středu uvedeny také hodnoty amplitudy vpravo a vlevo od nosné frekvence. Jedná se o tzv. levé a pravé boční pruhy. Jsou odděleny od nosné frekvence ve vzdálenosti rovné modulační frekvenci.
Vzdálenost od levého k pravému bočnímu pruhu se nazývá šířka spektra.
V normálním případě s modulačním poměrem jsou užitečné informace obsaženy pouze v horních nebo spodních postranních pásmech spektra. Hlavní spektrální složka, nosič, nenese užitečné informace. Výkon vysílače při amplitudové modulaci je většinou vynakládán na „ohřev vzduchu“ kvůli nedostatku informačního obsahu nejzákladnějšího prvku spektra.
Jednostranná amplitudová modulace
Vzhledem k neúčinnosti klasické amplitudové modulace byla vynalezena amplitudová modulace s jedním postranním pásmem.
Jeho podstatou je odstranění nosné a jednoho z postranních pásem ze spektra, přičemž všechny potřebné informace jsou přenášeny přes zbývající postranní pásmo.
Ale ve své čisté podobě se tento typ v domácím rozhlasovém vysílání neujal, protože V přijímači musí být nosič syntetizován s velmi vysokou přesností. Používá se v zhutňovacích zařízeních a amatérském rádiu.
V rozhlasovém vysílání se častěji používá AM s jedním postranním pásmem a částečně potlačenou nosnou:
S touto modulací se nejlépe dosáhne poměru kvalita/efektivita.
Frekvenční modulace
Typ analogové modulace, ve které se nosná frekvence mění podle zákona modulačního nízkofrekvenčního signálu. Amplituda zůstává konstantní.
a) – nosná frekvence, b) modulační signál, c) výsledek modulace
Největší frekvenční odchylka od průměrné hodnoty se nazývá odchylka.
V ideálním případě by odchylka měla být přímo úměrná amplitudě modulačního kmitání.
Frekvenční modulační spektrum vypadá takto:
Skládá se z nosné a harmonických postranních pásem symetricky za ní doprava a doleva, s frekvencí, která je násobkem frekvence modulačního kmitání.
Toto spektrum představuje harmonickou vibraci. V případě skutečné modulace má spektrum složitější tvary.
Existuje širokopásmová a úzkopásmová FM modulace.
V širokopásmovém pásmu frekvenční spektrum výrazně převyšuje frekvenci modulačního signálu. Používá se při vysílání rádia FM.
Rozhlasové stanice využívají především úzkopásmovou FM modulaci, která vyžaduje přesnější naladění přijímače, a proto je více chráněna před rušením.
Širokopásmová a úzkopásmová FM spektra jsou uvedena níže
Spektrum úzkopásmového FM se podobá amplitudové modulaci, ale když vezmete v úvahu fázi postranních pásem, zdá se, že tyto vlny mají konstantní amplitudu a proměnnou frekvenci, spíše než konstantní frekvenci a proměnnou amplitudu (AM). U širokopásmového FM může být amplituda nosné velmi malá, což má za následek vysokou účinnost FM; to znamená, že většina přenášené energie je obsažena ve vedlejších frekvencích, které přenášejí informace.
Hlavními výhodami FM oproti AM jsou energetická účinnost a odolnost proti hluku.
Lineární frekvenční modulace je druh FM.
Jeho podstata spočívá v tom, že frekvence nosného signálu se mění podle lineárního zákona.
Praktický význam lineárně frekvenčně modulovaných (chirpových) signálů spočívá v možnosti výrazné komprese signálu při příjmu se zvýšením jeho amplitudy nad úroveň šumu.
Cvrlikání se používají v radarech.
Fázová modulace
Ve skutečnosti se častěji používá termín fázová manipulace, protože Modulují především diskrétní signály.
Význam PM spočívá v tom, že fáze nosné se náhle změní s příchodem dalšího diskrétního signálu, odlišného od předchozího.
Ze spektra je vidět téměř úplná absence nosiče, což svědčí o vysoké energetické účinnosti.
Nevýhodou této modulace je, že chyba v jednom symbolu může vést k nesprávnému příjmu všech následujících.
Diferenciální klíčování fázovým posuvem
V případě této modulace se fáze nemění při každé změně hodnoty modulačního impulsu, ale při změně rozdílu. V tomto příkladu, když přijde každá „1“.
Výhodou tohoto typu modulace je to, že pokud se náhodná chyba vyskytne v jednom symbolu, nevyvolá to další řetězec chyb.
Stojí za zmínku, že existují i fázové manipulace, jako je kvadratura, která používá změnu fáze v rámci 90 stupňů a PM vyššího řádu, ale jejich uvažování přesahuje rámec tohoto článku.
PS: Ještě jednou chci poznamenat, že účelem článků není nahradit učebnici, ale „na první pohled“ sdělit základy rádia.
Pro vytvoření čtenářské představy o tématu se berou v úvahu pouze hlavní typy modulací.
Obecné informace o modulaci. Aby mohly přenášet signály na velké vzdálenosti, musí mít vysokou energii. Je známo, že energie signálu je úměrná čtvrté mocnině jeho frekvence, to znamená, že signály s vyšší frekvencí mají více energie. V praxi mají signály, které přenášejí informace, například řečové signály, často nízkou frekvenci kmitání, a proto je pro jejich přenos na velkou vzdálenost nutné zvýšit frekvenci informačních signálů. Toho je dosaženo „překrytím“ informačního signálu na jiný signál, který má vysokou frekvenci oscilací.
Uvažujme harmonické kmitání, které má frekvenci ω dostatečnou k šíření na velké vzdálenosti a mění se podle zákona:
Informace může být aplikována na toto kmitání tím, že se oproti periodě pomalu mění jeho amplituda Um, frekvence ω nebo fáze φ. Tento proces se nazývá modulace.
Podle toho, který parametr se mění, se rozlišuje amplitudová, frekvenční a fázová modulace.
Amplitudově modulované signály. Při amplitudové modulaci se získá signál, jehož amplituda se mění (moduluje) podle zákona signálu, který obsahuje informaci. Fáze a frekvence nosného signálu během amplitudové modulace zůstávají nezměněny, pokud se nebere v úvahu nežádoucí nežádoucí frekvence nebo fázová modulace, ke které dochází.
Amplitudově modulovaný signál se získá vynásobením dvou signálů. Jeden obsahuje informace a druhý je nosič. Nechť se informační signál (obr. 2.14) a nosná vibrace (obr. 2.15) mění v souladu s následujícími výrazy:
U1(t) = U0 + U1m cosΩt,
kde U0 je konstantní složka signálu, U1m a U2m jsou amplitudy informačního signálu a vibrace nosné, Ω, ω jsou frekvence informačního signálu a vibrace nosné.
Rýže. 2.14. Informační signál.
Rýže. 2.15. Vibrace nosiče.
Vynásobme tyto signály:
kde Um je amplituda modulovaného signálu, M je modulační koeficient.
Vezmeme-li v úvahu zavedené zápisy, získáme výraz pro amplitudově modulovaný signál v následujícím tvaru:
Typ amplitudově modulovaného signálu je na Obr. 2.16, a jeho spektrum na Obr. 2.17.
Rýže. 2.16. Amplitudově modulovaný signál.
Spektrum vysokofrekvenčních kmitů s amplitudovou modulací harmonickým kmitáním se tedy skládá ze tří složek: spodní strana, nosná a horní harmonická. Je vidět, že na modulačním koeficientu M závisí amplitudy bočních složek.
Obr.2.17. Spektrum amplitudově modulovaného signálu.
V praxi nastává případ, kdy modulační nízkofrekvenční signál má složité spektrální složení:
Pak výraz (2.56) bude mít tvar:
Provedeme transformace a budeme mít:
Rýže. 2.18. Spektrum nízkofrekvenčního modulačního signálu.
Spektrální diagram vícetónového AM signálu je na Obr. 2.19.
Rýže. 2.19. Spektrum vícetónového AM signálu.
Je vidět, že spektrum komplexního modulovaného AM signálu kromě nosné vibrace obsahuje skupiny horních a dolních bočních vibrací. Spektrum horních laterálních oscilací je zmenšenou kopií spektra modulačního signálu, posunutou do vysokofrekvenční oblasti o hodnotu ω0. Spektrum spodních bočních kmitů se zrcadlí vzhledem k nosné frekvenci ω0 a také opakuje spektrální diagram modulačního signálu. Šířka spektra AM signálu je rovna dvojnásobku nejvyšší frekvence ve spektru modulačního nízkofrekvenčního signálu.
Frekvenčně a fázově modulované signály. Frekvenčně modulovaný signál je kmitání, při kterém se okamžitá frekvence mění podle zákona modulačního signálu. Nechte modulační signál a nosnou vlnu měnit se, jak je znázorněno na obr. 2.20, 2.21.
Obr.2.20. Modulační signál.
Obr.2.21. Nosný signál.
Pak je okamžitá frekvence během frekvenční modulace rovna:
zde Δω je frekvenční odchylka (odchylka) pod vlivem modulačního signálu, tato odchylka je v zásadě úměrná amplitudě modulačního kmitání. Okamžitou fázi frekvenčně modulovaného signálu najdeme integrací ω (t) v čase:
Podle Obr. 2.21 a výraz (2.59), bude frekvenčně modulovaná oscilace zapsána v následujícím tvaru:
kde je index frekvenční modulace. Typ frekvenčně modulovaného signálu je na Obr. 2.22.
Rýže. 2.22. Frekvenčně modulovaný signál.
Transformujme výraz (2.60) pomocí kosinusového vzorce pro součet dvou argumentů, dostaneme:
Aplikujme transformace Besselovy funkce pro výrazy cos(m sin Ωt) a sin(m sin Ωt):
Potom výraz (2.61) pro frekvenčně modulovaný signál bude vypadat takto:
Z (2.62) je zřejmé, že frekvenčně modulovaný signál má diskrétní spektrum (obr. 2.23. s harmonickými na frekvencích (ω0± nΩ), kde n=1, 2, 3, 4, 5…
Rýže. 2.23. Spektrum frekvenčně modulovaného signálu.
Typ spektra modulovaného kmitání závisí na indexu frekvenční modulace m, teoreticky je spektrum nekonečné, ale v praxi je omezeno na dvě až tři složky, protože Besselovy funkce vyšších řádů rychle klesají.
Fázově modulované kmitání je kmitání, při kterém se fáze mění podle zákona modulačního signálu. Výraz popisující takové kmitání má tvar:
Kmitočtově modulované kmitání je zároveň fázově modulováno. Někdy se oba typy modulace nazývají úhlová modulace. Při frekvenční modulaci se však změna frekvence, nikoli fáze, shoduje se zákonem o změně modulačního signálu. Navíc u frekvenční modulace je modulační index nepřímo úměrný modulační frekvenci, zatímco u fázové modulace taková závislost neexistuje.
Při modulaci kmitání harmonickým signálem je možné odlišit frekvenční modulaci od fázové modulace pouze porovnáním změn okamžité fáze modulovaného kmitání se zákonem o změně modulačního napětí.
Amplitudová, fázová a frekvenční modulace.
Protože sítě propojují digitální počítače, musí být přes komunikační kanál přenášena diskrétní data. V souladu s tím je při použití analogových signálů nutná určitá transformace (kódování) přenášených dat těmito signály. Tato transformace se nazývá analogová modulace(nebo analogové kódování). Je založena na změně jedné z charakteristik sinusového nosného signálu v souladu s posloupností přenášených dat. Hlavní metody analogové modulace: amplituda, frekvence a fáze. Je také možné použít kombinované metody, například kombinování amplitudových a fázových modulací.
na amplituda modulace (obr. 1 b) se mění pouze amplituda sinusoidy nosné frekvence, při vysílání logické jednotky je na výstupu sinusoida o jedné amplitudě a při vysílání logické nuly se generuje jiná amplituda. Tato metoda ve své čisté formě má nízkou toleranci k chybám a je zřídka používána.
na frekvence modulace (obr. 1 c) se mění pouze nosná frekvence – pro logickou jedničku a logickou nulu se volí sinusoidy dvou různých frekvencí. Tato metoda je poměrně jednoduchá na implementaci a často se používá pro nízkorychlostní přenos dat.
na fáze modulace (obr. 1 d) logická jednička a logická nula odpovídají signálům stejné amplitudy a frekvence, liší se však fází (například 0 a 180 stupňů).
Z kombinovaných metod jsou široce používány metody kvadraturní amplitudová modulace (Kvadratura Amplituda modulace, QAM), které kombinují amplitudovou modulaci se 4 úrovněmi amplitudy a fázovou modulaci s 8 hodnotami fázového posunu. Z 32 možných kombinací amplitudy a fázového posunu pro přenos dat je v různých modifikacích metody použito jen několik, zatímco všechny ostatní kombinace jsou zakázány, což umožňuje zlepšit rozpoznávání chybných signálů.
