Модулированные сигналы. 
Введение в радиоэлектронику

Передача информации с помощью гармонического колебания осуществляется с помощью модуляции (изменения) его параметров. Это необходимо потому, что само гармоническое колебание содержит минимум информации. Если такой сигнал принят, то мы получим сведения только о трех постоянных его параметрах: амплитуде, частоте и фазе.

Поскольку гармоническое колебание имеет три параметра, возможно три вида модуляции: амплитудная модуляция (АМ), частотная модуляция (ЧМ) и фазовая модуляция (ФМ). Частотную и фазовую модуляцию иногда объединяют в так называемую угловую модуляцию.

Первой появилась амплитудная модуляция¹, так как её легче получить и из нее проще выделить исходный сигнал. Если некоторый сигнал 5(/) передается с использованием амплитудной модуляции, то в соответствии с ним изменяется амплитуда колебания. Поскольку амплитуда величина положительная, а сигнал может быть знакопеременным (см. рис. 4.4), приходится к нему добавлять некоторую константу.

На рис. 4.7 показан вид АМ-колебания, с помощью которого передается гармонический сигнал ?(/) = соз (0/). Аналитическая форма такого модулированного колебания имеет следующий вид.

¹ Амплитудную модуляцию изобрел Р. О. Фессенден. В 1906 г. он провел первую радиопередачу музыки и речи.

Такой сигнал называют однотональным амплитудномодулированным сигналом. Константа М называется коэффициентом модуляции. Так как отрицательные значения амплитуды недопустимы, М может изменяться от 0 до 1.

На рис. 4.7 показан график гармонического сигнала с частотой /₀ = 15,0 кГц, промоделированного на амплитуде сигналом с частотой 7^ =1,0 кГц с коэффициентом модуляции М =0,8.

Рис. 4.7. Сигнал с однотональной амплитудной модуляцией

Исходное гармоническое колебание со8(со₀0 называют несущим колебанием. Частота (о₀ — это частота несущего колебания. Штриховую линию называют огибающей АМ-колебания. Она повторяет исходный сигнал. Однако само АМ-колебание совпадает с сигналом только в дискретных точках. Поэтому для удовлетворительного восстановления сигнала из АМ-колебания необходимо, чтобы несущая частота была раз в 10 выше частоты передаваемого сигнала. Если принять максимальную частоту звука, равной 10 кГц, то для передачи его с помощью АМколебания частота несущего колебания /₀ = 100 кГц.

Однотональный амплитудно-модулированный сигнал можно представит в виде суммы трех непрерывных гармонических колебаний. Действительно, используя известные тригонометрические формулы, получаем

Три гармонические составляющие АМ-сигнала можно изобразить в виде спектральной диаграммы. Её вид показан на рис.

4.8.

Рис. 4.8. Спектр амплитудно-молулированного сигнала

Слева и справа от несущей частоты присутствуют гармонические колебания боковых частот. Колебание с частотой со_ВБ = со₀ + П — это колебание верхней боковой частоты, а с частотой со_ВБ = со₀ -П — нижней боковой частоты.

Для произвольного сигнала 5″ (/) амплитудно-модулированное колебание имеет вид.

В качестве примера на рис. 4.9 показан спектр АМ-сигнала, передающего септаккорд, спектр которого показан на рис. 4.6.

Каждой спектральной составляющей исходного сигнала соответствует пара боковых частот.

Рис. 4.9. Спектр гармонического сигнала, промоделированного по амплитуде септаккордом

Амплитудная модуляция применяется для радиовещания на длинных и средних волнах. Сигнал изображения в телевидении передается одной из разновидностей такой модуляции.

При частотной модуляции в соответствии с передаваемым сигналом изменяется частота^[1]. Пусть Я (г) имеет вид, показанный на рис. 4.10.

Рис. 4.10. Вид исходною сиг’нала

По такому же закону при частотной модуляции будет меняться частота модулированного колебания. Вид частотномодулированного колебания, соответствующего исходному сигналу рис 4.10, показан на рис. 4.11.

Рис. 4.11. Частотно-модулированный сигнал

Хорошо видно, что расстояние между нулями изменяются. Однако между этими точками аргумент косинуса нелинейным образом изменяется во времени. Для такого колебания обычное понятие частоты теряет смысл, а это означает, что сигнал ?(/).

невозможно восстановить. Положение можно поправить, если потребовать, чтобы частота несущего колебания очень мало менялась за время его периода. Это требование гораздо более жесткое, чем для АМ-колебания. Для надежного восстановления информации частота несущего колебания должна быть в несколько сотен раз выше частоты передаваемого сигнала. Так для передачи звукового сигнала с частотой 10 кГц несущая частота должна быть порядка 10 МГц. Спектр колебания с частотной модуляцией имеет очень сложный вид. Вам расскажут о нем в специальных дисциплинах.

Основное преимущество частотной модуляции состоит в меньшем влиянии помех на качество передачи информации. Обычно помехи складываются с полезным сигналом и искажают закон изменения во времени его огибающей, мало влияя на его частоту¹. Именно по этой причине высококачественное вещание ведется с использованием частотной модуляции.

Частотная модуляция используется для высококачественного радиовещания на ультракоротких волнах (частоты порядка л.

100 МГЦ)". Звуковое сопровождение в телевизионном вещании передается также с помощью частотной модуляции.

Фазовая модуляция используется в ограниченном числе специальных случаев. Поэтому оставим её изучение на более позднее время.

• 1 Во всех телевизионных стандартах изображение предается с помощью одной из разновидностей амплитудной модуляции, а звуковое сопровождение — с помощью частотной. Поэтому помехи почти не действую на звук, но сильно сказываются на качестве изображения. Вы можете наблюдать это различие при приеме телевизионного сигнала за городской чертой на внешнюю антенну. В городе применяется кабельное телевидение, и действие помех сведено к минимуму.
• 2 Так, что «105 FM» (англ. «One О Five FM», а не смесь русского с английским «Сто пять ФМ»!) — это всего лишь англоязычная аббревиатура вещания на частоте 105 МГц с частотной модуляцией {Frequency Modulation). В русском варианте — «УКВ ЧМ на частоте 105 МГц» (длинновато, но правильно).

Как видите, гармонические функции широко используются при решении практических задач радиосвязи

Поэтому вы должны хорошо знать основные положения элементарной геометрии и тригонометрии и уметь их применять. Курс высшей математики существенно расширит ваши знания и умения в этих областях

• [1] Частотная модуляция предложена Э. Армстронгом. В 1933 г. он получил патент на этот вид модуляции.