Краткие теоретические сведения. Радиочастотные колебания, создаваемые радиопередатчиком и излучаемые его антенной в

Радиочастотные колебания, создаваемые радиопередатчиком и излучаемые его антенной в виде электромагнитных волн, используются для передачи информации потому, что они легко распространяются на большие расстояния.

Сообщения, которые необходимо передавать, чаще всего представляют собой низкочастотные колебания. Так, механические колебания звука, преобразованные микрофоном в электрические, представляют собой колебания низкой частоты. Такие колебания не могут распространяться на большие расстояния. Поэтому спектр низкочастотного сигнала необходимо перенести в область радиочастот. Для этого необходимо осуществить управление ими.

Процесс управления колебаниями радиочастоты с помощью колебаний низкой частоты называется модуляцией.

Модуляция осуществляется с помощью специального устройства, называемого модулятором. На один вход модулятора подается напряжение радиочастоты, на другой — низкочастотный передаваемый сигнал. На выходе модулятора получается модулированное колебание.

Радиочастотные колебания, осуществляя перенос сигнала, сохраняют его свойства. Они называются несущими.

Амплитудной модуляцией называется процесс изменения амплитуды колебаний радиочастоты в соответствии с изменением амплитуды колебаний низкой частоты передаваемого сигнала.

Передаваемое колебание, например речь, музыка, является сложным колебанием. И его можно рассматривать как сумму простых гармонических составляющих колебаний различных амплитуд, частот и фаз.

Для простоты анализа рассмотрим модуляцию одним тоном частоты Ω, т.е. когда перед микрофоном звучит однотонное колебание одной частоты. График его можно представить в виде гармонического (синусоидального или косинусоидального) колебания, как показано на рисунке 1, а аналитически записать выражением uΩ=UΩ cos Ωt. При амплитудной модуляции по закону изменения модулирующего колебания, в данном случае по закону cos Ωt, должна изменяться амплитуда тока радиочастоты. Это означает, что во время положительного полупериода звукового колебания амплитуда радиочастотного тока возрастает (точки 2—4 на рисунке 1), а во время отрицательного полупериода — уменьшается (точки 4—6 на рисунке 1).

 

Рисунок 1 – Временная диаграмма амплитудно-модулированных колебаний

 

Изменение амплитуды радиочастотных колебаний математически можно выразить следующим образом. Уравнение тока в антенне или в выходной цепи модулируемого каскада до модуляции имеет вид i = I_НЕСсоsωHt. Это колебание называется несущим. В процессе модуляции амплитуда тока I_НЕС получает приращение ΔI_НЕС, причем это приращение изменяется по закону изменения модулирующего сигнала ΔI_НЕС cos Ωt.

 

Рисунок 2 – Графики амплитудно-модулированных сигналов при различной глубине модуляции: m <1(a), m=1(б), m>1(в,г)

 

Отношение приращения амплитуды тока несущей частоты при модуляции ΔI_НЕС к его значению до модуляции I_НЕС обозначают буквой m и называют коэффициентом глубины модуляции или глубиной модуляции.

 

 

Рисунок 3 – Спектр частот при амплитудной модуляции

 

Значение коэффициента глубины модуляции m зависит только от амплитуды модулирующего колебания. Например, при передаче речи или музыки — от громкости звука. При линейной модуляции коэффициент m прямо пропорционален амплитуде напряжения модулирующего сигнала m= aUΩ, где a — коэффициент пропорциональности. На рисунке 2 приведены временные диаграммы амплитудно-модулированных колебаний при различных коэффициентах модуляции m. При m = 0 модуляции нет. При m = 0,5 (50%) амплитуда напряжения модулирующих колебаний такова, что вызывает изменение амплитуды радиочастотных колебаний до половины первоначального значения. При m = l (UΩ= Uω) (стопроцентная модуляция) амплитуда радиочастотных колебании увеличивается в 2 раза. В этих двух случаях огибающая амплитуд модулированных колебаний точно (без искажении) воспроизводит форму сигнала. При дальнейшем увеличении амплитуды напряжения сигнала m > l (UΩ > Uω) получается перемодуляция. Во время отрицательного полупериода сигнала часть колебаний радиочастоты срезается (точки 1—2 на рисунке 2,б) и форма огибающей модулированных колебаний искажается. Возникают нелинейные искажения формы передаваемого сигнала. Следовательно, для осуществления амплитудной модуляции без искажений коэффициент модуляции m не должен превышать единицы.

Выражение для тока амплитудно-модулированных колебаний можно представить в следующем виде:

I =I_{а нес}cos ω_неct+0,5 т I_{а нес} cos (ω_неc +Ω ) t +  0,5 т I_{а нес} cos (ω_неc -Ω ) t.

Видно, что промодулированное по амплитуде колебание является сложным и состоит из трех составляющих:

1) колебания несущей частоты ω_неc  с амплитудой I_{а нес}, такой же, как и до модуляции;

2) колебания с частотой ω_неc + Ω и амплитудой 0,5 I_{а нес}, называемого колебанием верхней боковой частоты;

3) колебания с частотой ω_неc - Ω и амплитудой 0,5 I_{а нес}, называемого колебанием нижней боковой частоты.

Графически спектр колебаний, промодулированных по амплитуде низкочастотным колебанием одной частоты Ω, можно изобразить, как показано на рисунке 3,а. Видно, что при амплитудной модуляции одним тоном частоты и спектр модулированного колебания содержит три гармонических колебания — несущую и два боковых, каждое из которых находится на расстоянии, равном частоте модулирующего колебания.

При модуляции сложным колебанием модулированное колебание содержит столько нижних и верхних боковых составляющих, сколько их имеется в спектре модулирующего сигнала. В результате в составе модулированного колебания будет две полосы частот: нижняя боковая и верхняя боковая (рисунке 3,б).

 Недостатком амплитудной модуляции является широкая полоса частот, занимаемая модулированным колебанием, она вдвое шире спектра модулирующего сигнала.

Но амплитудная модуляция имеет важные достоинства, обусловливающие широкое применение ее в массовом радиовещании. К ним относится простота приемников для приема амплитудно-модулированных колебаний.

В основном амплитудная модуляция используется в радиовещательных системах длинных, средних и коротких волн, а также для передачи изображения в телевизионных передатчиках метровых и дециметровых волн.