Когда вы думаете о достижениях в модуляции сигналов, ваша машина умственного времени может вернуться к рубежу 21 -го века и LTE, который был предложен NTT Docomo как «Super 3G» в начале 2004 года. Но более ста лет назад, 3 июня. В 1900 году в городе Сан -Паулу, Бразилия, преподобный отец Роберто Ланделл де Мора продемонстрировал передачу голосовых сообщений на расстоянии 8 км с использованием амплитудной модуляции. Несколько месяцев спустя, 23 декабря 1900 года, Реджинальд Обри Фессенден успешно передал сигнал, модулированный амплитудой, приблизительно 1,6 км. В течение почти 123 лет с тех пор, как эти передачи произошли, возможно, схема модуляции не имела большего значения в мировой истории, чем амплитудная модуляция (AM).

В то время как AM является недорогим и простым способом передачи и получения сигналов на больших расстояниях, он также подвержен естественному и искусственному шуму, которые, как правило, также модулируются амплитудой. В этой статье мы сначала рассмотрим важность некоторых традиционных частотных полос, в которых амплитудная модуляция использовалась за эти годы и почему она продолжает быть важной сегодня. Затем мы опишем основные принципы амплитудной модуляции как в доменах времени, так и в частотных областях, что позволяет нам углубиться в его преимущества и недостатки. Наконец, мы обсуждаем современные схемы модуляции, для которых амплитудная модуляция все еще играет ключевую роль.

Появление радиооб связи AM

Большая часть ранней работы пионеров, пытающихся модулировать амплитуду, была выполнена на беспроводных телеграфных передатчиках в типе замыкания. Одной из трудностей с таким подходом было надежно достичь достаточной частоты искры для модуляции. Разработка детектора диода, а также вакуумная трубка («клапана») технологии и усилителя во время Первой мировой войны значительно продвинула конструкцию передатчиков и приемников. К концу 1915 года в Великобритании, вскоре после того, как группа разработчиков в Брукленде, возглавляемой Чарльзом Эдмондом Принсом Эта демонстрация была повторена в Сент -Омере, Франция, в феврале 1916 года, когда прозрачные голосовые передачи с самолета были получены за 20 миль.

Используемым воздушным радиостанциями было авиационное клапан Tuner Mk. I. Считается, что это радио охватило полосу от 300 до 800 метров (от 375 кГц до 1 МГц) и использовал один Q -клапан, питаемый с помощью батареи 6 В для нити и батареи 100 В для HT или высокого натяжения. Принс отметил, что понимание значения этой возможности отметил: «Казалось, почти не надеясь достичь действительно практической беспроводной телефонии с самолета, но трудности были преодолены, и новый [радио] набор ни в коем случае не является игрушкой или только из Научный интерес. Новая и удивительная сила дается им ».

Эти ранние, успешные разработки двухсторонних коммуникаций AM CW в диапазоне средних частот были воспроизведены в полосах HF и VHF в последующие годы, обозначенные каналами, помеченными «Am Comms» на рисунке 1. Амплитуда, модулированная HF, все еще находит широкое использование и очень важно при лете над океаном из -за его способности распространяться на большие расстояния. AM уже давно - и продолжает - используется в части группы VHF от 118 до 137 МГц, которая выделяется на авиационные связи.

Рисунок 1: Первичные полосы, частоты и приложения, для которых использовалась амплитудная модуляция.

Я вещал

Как и в двухсторонних коммуникациях, компоненты, доступные в результате развития технологии вакуумной трубки, привели к гораздо более высоким передатчикам мощности и гораздо более чувствительным приемникам.

Коммерческий департамент США начал регулировать вещание AM в линейке MF в 1921 году, и к концу 1925 года число вещательных станций выросло до 500 лет. Частоты от 550 кГц до 1500 кГц, в десяти кГц шагах ». Нынешняя радио-группа AM простирается от 530 кГц до 1700 кГц, как показано на рисунке 1. Хотя заводские радиоприемники были дорогими, кристаллические радиоприемники были очень недорогими, могли быть построены дома и стали очень популярны среди широкой публики. Американский спортсмен и автор Уолтер Ланьер «Красный» Барбер однажды сказал: «Люди, которых не было в двадцатых, когда радио взорвалось, не могут знать, что это значит, эта веха для человечества. Внезапно, с радио, произошло мгновенное человеческое общение. Наши дома больше не были изолированы, одиноки и молчали. Мир впервые вошел в наши дома. Музыка появилась. Вступил смех. Вошли новости. Мир сразился с радио ».

Передача амплитудных, среднечастотных радиосигналов быстро достигла масс и добилась огромного успеха в течение почти столетия, до сегодняшнего дня, но особенно с 1920-х годов по 1940-е годы, известный как «золотой век» радио.

На рисунке 1 также показаны традиционные телевизионные полосы и частоты работы, а также каналы, содержащиеся в этих группах. В телевизионном телевидении изображение, которое появляется на телевизионном экране, была модулирована амплитудой на носитель и передана над публичными воздушными волнами зрителям. Общая пропускная способность, выделенная для каждого телевизионного канала VHF или UHF, составляет 6 МГц.

Амплитудная модуляция во временной области

Во временной области легко увидеть тригонометрию, стоящую за передачей и получением амплитудной модуляции. Также нетрудно представить, как выглядит сигнал AM в области временной области. Ранние радиосвятники стремились амплитуды модулировать непрерывную волновую (CW) носитель с человеческим голосом и демодулировать этот сигнал в нескольких милях, что в то время называлось беспроводной телефонией. Команда Чарльза Принса в Великобритании преодолела дополнительную проблему с целью попытки воздушного завода модулировать носителя в очень шумной и ветреной среде, изобретая микрофон горла. На рисунке 2 показана очень упрощенная блок -схема микрофона (слева) в качестве модулятора передатчика AM вместе с его спутниковым приемником и математическими уравнениями, описывающими сигналы, присутствующие на различных этапах систем TX и RX. Кроме того, на рисунке 2 показана условная форма волны AM с математическими выражениями для оболочки [x (t)] и всей самой формы волны AM [x (t) cos (ω0t)], помеченной на диаграмме. Оболочка [x (t)] появляется как твердая линия просто для ясности. Сама модуляция часто называют сигналом базовой полосы, а косинусная форма - локальный генератор. Как у передатчика, так и в приемнике радиочастотный порт смесителя подключен к антенне.

Рисунок 2: Упрощенные блок -диаграммы TX и RX с выражениями формы волны и иллюстрацией временной области x (t) cos (ω0t).

Есть несколько вещей о AM и его математических выражениях, особенно в том, что он демодулирован в приемнике. Возможно, самая интересная математическая операция заключается в том, что при «настройке» приемника к желаемому, точной «станции» или частоте (ω0) у нас есть квадратная функция косинуса [cos2 (ω0t)]. Как показано на рисунке 2, мы используем следующую тригонометрическую идентичность, чтобы изменить форму демодулированного сигнала:

Следовательно, демодуляция дала два отдельных сигнала: математические выражения, для которых показывают, что один - просто масштабированная версия исходной модуляции (наш желаемый, полученный сигнал), а другой - сигнал AM, который в два раза превышает частоту Оригинальная передача. Поскольку самая высокая частота оболочки модуляции [x (t)], как правило, намного меньше частоты носителей, для фильтрации AM требуется простой нижний фильтр на низком уровне. Будьте внимательны к тому факту, что это немного упрощение, чтобы проиллюстрировать математический принцип, лежащий в основе демодуляции AM.

Чаще всего модулированная оболочка передаваемой формы волны сначала проходит через чувствительный детектор или выпрямитель, так что выявляются пики формы волны носителя (исправлено), воспроизводя исходную модуляцию в виде единой аудио-формы. Состав самой простой формы фильтра низкого уровня, который проходит этот процесс обнаружения/выпрямления, является резистором и конденсатором.

Преобразование частоты в приемниках от ω0 в некоторую более низкую, промежуточную частоту (если) обычно происходит перед обработкой и демодуляцией. Одна из основных причин для преобразования в IS - это то, что более высокие компоненты производительности доступны на более низкой частоте, что облегчает обработку и демодуляцию AM, а также другие модуляции. Приемники, известные тем, что используют этот принцип преобразования частоты в IF, а затем обработка и демодулирование известны как супергетеринные приемники. Техника супергетерина была изобретена Эдвином Ховардом Армстронгом в 1919 году.

Амплитудная модуляция в частотной области

Понимание AM в частотной области относительно проста благодаря преобразованию Фурье. Разработанный французским математиком Жан-Батистом Джозефом Фурье, преобразование Фурье может использоваться в качестве математической основы для перехода функции от временной области к частотной области. Преобразование Фурье F {cos (ω0t)} становится функцией ω и обозначается x (ω). Пошаговый процесс определения преобразования Фурье COS (ω0T) показан в Приложении A, и результат показан ниже:

Из -за уникального свойства дельта -функции Dirac (Δ) результирующее представление частотной области представляет собой два импульса, величина каждого из них составляет 1/2, одно из которых расположено при F0 и один в - F0, как показано на рисунке 3 ниже.

Рисунок 3: Представление частотной области COS (2πf0t), как предсказывалось преобразованием Фурье с использованием дельта -функций DIRAC.

Поскольку преобразование Фурье симметрично относится к оси Y из-за того, что оно определено на интервале-∞ до +∞, мы имеем импульсную частоту на отрицательной частоте. В действительности, отрицательных частот не существует, и наличие импульса там не имеет смысла, поскольку изучение какого -либо синусоидального сигнала на анализаторе спектра показывает, что вся величина сигнала находится при +F0.

Спектр модулирующего сигнала x (t) может быть достигнут, если мы просто рассмотрим это уникальное свойство преобразования Фурье, которое приводит как к положительным и отрицательным частотным компонентам. Предположим, что наш модулирующий сигнал x (t) находится в диапазоне аудиочастотных частот от 20 Гц до 15 кГц. Будет симметричное распределение на положительном и отрицательной частоте величины спектра в этом диапазоне частот. На рисунке 4 показан спектр условной аудио модуляции.

Рисунок 4: Нотационная аудиомодуляция от 20 Гц до 15 кГц в частотной области.

Вместо непрерывного аудио -спектра, мы могли бы сделать звук одной частотой, скажем, 10 кГц. Это будет представлено импульсом амплитуды ½ в - 10 кГц и импульсом амплитуды ½ при + 10 кГц.

Для создания модулированной формы волны носителя модуляция x (t) умножается на форму волны несущей (ω0t). Теорема о частотной свертке гласит, что «умножение двух сигналов во временной области эквивалентно свертке их спектра в частотной области». Качественно, благодаря свертке, спектр аудио модуляции, показанный на рисунке 4, который очень близок и симметричный относительно DC, смещается, поскольку он свернут с функцией дельта -носителя и теперь находится по обе стороны от частоты носителя. Спектры по обе стороны от импульсов носителей известны как боковые полосы, и этот тип амплитудной модуляции известен как двойная сторона (DSB) AM. Другими формами AM являются двустороннее подавленное носитель (DSB-SC), который является более сложным для приема, и с одной стороны (SSB). Переданный спектр сигнала AM показан на рисунке 5.

Рисунок 5: Спектр передаваемого домена частоты сигнала AM, показывающий свертку модуляции x (t) с cos (ω0t).

То, что происходит в частотной области на стороне приема, очень интересно. Помните, что умножение во временной области - это свертка в частотной области, а свертка с дельта -функцией в частотной области приводит к сдвигу частоты. Частотный спектр на рисунке 5 смещается на F0 и вниз на F0 и показан на рисунке 6. Так же, как в домене во времени (рис. 2) мы имеем низкочастотный компонент и компонент при 2F0, то же самое показано В спектре на рисунке 5. Поскольку 2F0 на частоте намного больше, чем сигнал модуляции основной полосы, последний очень легко разделить с помощью фильтра низкого уровня.

Рисунок 6: Полученный спектр сигнала AM после умножения на локальный сигнал осциллятора COS (ω0T).

Я, следовательно, я существует

AM вездесущий. В этом примечании примечания мы рассмотрели историю амплитудной модуляции, приписывая нескольким ключевым пионерам, достаточно важным, чтобы оставить неизгладимый след в истории. Мы также изучили различные приложения, в которых AM имеет сильную опору, и, по -видимому, здесь, чтобы остаться, включая авиационную связь и трансляцию. Были проиллюстрированы временные домены и частотные представления сигналов AM, чтобы объяснить теорию того, как AM создается, передается и получена.

Многие события в состоянии искусства электроники произошли за 100 с лишним лет с момента появления AM. Использование генераторов Spark-GAP для частот носителей уступило место вакуумной трубке. В конце концов, большинство вакуумных трубок (за исключением очень мощных труб вещательных станций) будут заменены транзисторами. С 1950 -х годов были проданы миллиарды транзисторных радиоприемников. Более 50 лет назад, в 1972 году, Motorola представила MC1496, двойной сбалансированный мультипликатор. Это устройство может использоваться в качестве радиопроизводительного смесителя, мультипликатора или модулятора и способно генерировать сигналы AM SSB (односторонняя полоса) или DSB (двойная сторона) AM. MC1496 также используется для демодуляции сигналов SSB или DSB и для множества других РЧ -применений. Перенесемся на 50 лет вперед, и современный сотовый телефон, вероятно, имеет 8 двойных сбалансированных множителей, встроенных прямо в IC контроллера, которые занимают менее 1/1000 в пространстве. AM остается очень важной схемой модуляции не только из -за ее долговечности, но и потому, что от этого зависят многие из более сложных сигналов, таких как QAM (модуляция квадратурной амплитуды). Мы будем обращаться к QAM специально в последующей статье.