Спектры амплитудно модулированных сигналов

Спектр однотональной амплитудной модуляции (АМ). Простейший АМ-сигнал может быть получен в случае, когда модулирующим низкочастотным сигналом является гармоническое колебание с частотой  

Такой сигнал называется однотональным АМ-сигналом. Такой сигнал можно представить как сумму простых гармонических колебаний с различными частотами. Используя известную тригонометрическую формулу произведения косинусов, из выражения (2.25) сразу получаем:

          (2.26)

Формула (2.26) устанавливает спектральный состав однотонального АМ-сигнала. Принята следующая терминология: - несущая частота,  - верхняя боковая частота,  нижняя боковая частота.

Строя по формуле (2.26) спектральную диаграмму однотонального АМ-сигнала, следует обратить внимание на равенство амплитуд верхнего и нижнего боковых колебаний, а также на симметрию расположения этих спектральных составляющих относительно несущего колебания.

Если рассмотреть вопрос о соотношении мощностей несущего и боковых колебаний, то путём несложных математических преобразований можно убедиться, что средняя мощность АМ-сигнала равна сумме средних мощностей несущего и боковых колебаний.

                                                   (2.27)

Откуда следует:

                                                  (2.28)

Даже при 100%-ной модуляции (М=1) доля мощности обоих боковых колебаний составляет лишь 50% от мощности немодулированного несущего колебания.

А поскольку информация о сообщении заключена в боковых колебаниях, можно сделать вывод о неэффективности использования мощности при передаче АМ-сигнала.

Спектр АМ при сложном модулирующем сигнале. На практике однотональные АМ-сигналы используются редко. Гораздо более реален случай, когда модулирующий низкочастотный сигнал имеет сложный спектральный состав. Математической моделью такого сигнала может быть, например, тригонометрическая сумма.

                                              (2.29)

Здесь частоты  образуют упорядоченную возрастающую последовательность , В то время как амплитуды  и начальные фазы  произвольны.

Подставив формулу (2.29) в (2.25), получим:

              (2.30)

Введём совокупность парциальных (частичных) коэффициентов модуляции:  и запишем аналитическое выражение сложномодулированного сигнала (многотонального) АМ-сигнала в форме, которая обобщает выражение (2.25) 

        (2.31)

Спектральное разложение проводится так же, как и однотонального АМ-сигнала:

      (2.32)

На рисунке а) изображена спектральная диаграмма модулирующего сигнала S(t), построенная в соответствии с формулой (2.30). Рисунок б) воспроизводит диаграмму многотонального АМ-сигнала, где помимо несущего колебания, содержатся группы верхних и нижних боковых колебаний. С целью упрощения изображены только физические спектры.

Спектр верхних боковых колебаний  является масштабной копией спектра модулированного сигнала, сдвинутой в область высоких частот на величину . Спектр нижних  боковых колебаний  также повторяет спектральную диаграмму сигнала  S(t), но располагается зеркально относительно несущей частоты . Отсюда следует важный вывод: ширина спектра  АМ-сигнала  равна удвоенному значению наивысшей частоты в спектре модулирующего низкочастотного сигнала.

Балансная АМ. Как видно из предыдущего, значительная доля мощности АМ – сигнала сосредоточена в несущем колебании. Для более эффективного использования мощности передатчика можно формировать АМ – сигналы с подавленным несущим колебанием, реализуя так называемую балансную АМ (БМ). На основании формулы (2.24) представление однотонального АМ – сигнала с БМ таково:

(2.33)

                  

Имеет место перемножение двух сигналов – модулирующего и несущего. Колебания вида (2.33) с физической точки зрения являются биениями двух гармонических сигналов с одинаковыми амплитудами  и частотами, равными верхней и нижней боковым частотам.

При многотональной БМ аналитическое выражение сигнала принимает вид:

(2.34)

Рассмотрим спектральную и временную диаграмму БМ – сигнала.

Как и при обычной АМ, в спектре БМ наблюдается две симметричные группы верхних и нижних боковых колебаний.

Если рассмотреть временную диаграмму биений, может показаться неясным, почему в спектре этого сигнала нет несущей частоты, хотя налицо присутствие высокочастотного заполнения, изменяющегося во времени именно с этой частотой.

Дело в том, что при переходе огибающей биений через нуль фаза высокочастотного заполнения скачком изменяется на 180 градусов, поскольку функция  имеет разные знаки слева и справа от нуля. Если такой сигнал подать на высокодобротную колебательную систему (например, LС-контур), настроенную на частоту , то выходной эффект будет очень мал, стремясь к нулю при возрастании добротности. Колебания в системе, возбуждённые одним периодом биений, будут гаситься последующим периодом. Поэтому демодуляцию сигналов при БМ производят только путем синхронного детектирования.

Однополосная амплитудная модуляция. Ещё более интересное усовершенствование принципа обычной АМ заключается в формировании сигнала с подавленной верхней или нижней боковой полосой частот (ОБП).

Сигналы с одной боковой полосой (SSB - singl side band) по внешним характеристикам напоминают обычные АМ-сигналы. Например, однотональный ОБП-сигнал с подавленной нижней боковой частотой записывается в виде:

                 (2.35)

Проводя тригонометрические преобразования, получаем:

                                                                                                   (2.36)

Два последних слагаемых представляют собой произведение двух функций, одна из которых изменяется во времени медленно, а другая – быстро.

Основное преимущество ОБП-сигналов – двукратное сокращение полосы занимаемых частот, что оказывается существенным для частотного уплотнения каналов связи.

Дальнейшим усовершенствованием систем ОБП является частичное или полное подавление несущего колебания. При этом мощность передатчика используется ещё более эффективно.

Амплитудно-манипулированные сигналы. Важным классом многотональных АМ-сигналов являются так называемые манипулированные сигналы. В простейшем случае это – последовательности радиоимпульсов, отделённых друг от друга паузами. Такие сигналы широко используются в технике связи. Если S(t) – функция, в каждый момент времени принимающая значение либо 0, либо 1, то амплитудно-манипулированный сигнал представляется в виде:

                                                       (2.37)

Пусть, например, функция S(t) отображает периодическую последовательность видеоимпульсов. Считая, что амплитуда этих импульсов A=1 при  имеем

(2.38)                                                                                               

Где q - скважность последовательности (,  – длительность одного импульса).