Modulación de amplitud balanceada con supresión de portadora (DSB de doble banda lateral). Amplitud modulada

Desde el punto de vista cualitativo, la modulación de amplitud (AM) se puede definir como un cambio en la amplitud de la portadora en proporción a la amplitud de la señal moduladora (Figura 2, a).

Figura 2. Modulación de amplitud (m<<н).

a - forma de señal; b - espectro de frecuencias.

Para una señal moduladora de gran amplitud, la amplitud correspondiente de la portadora modulada debe ser grande para valores pequeños de Am. Como se verá más adelante, éste es un caso especial del método de modulación más general.

El producto de estas dos expresiones es:

La ecuación (3) muestra que la amplitud de la portadora modulada variará de cero (cuando mt = 900, cos(mt)=0) a AnAm (cuando mt = 0°, cos(mt)=1). El término Amcos(mt)An es la amplitud de las oscilaciones moduladas y depende directamente del valor instantáneo de la sinusoide moduladora. La ecuación (3) se puede transformar a la forma

Esta transformación se basa en la identidad trigonométrica.

La ecuación (4,a) es una señal que consta de dos oscilaciones con frecuencias 1 = n + my 2 = n-m y amplitudes. Reescribiendo la expresión para la oscilación modulada (4,a), obtenemos

1 y 2 se denominan bandas laterales porque m suele ser una banda de frecuencia en lugar de una frecuencia única. En consecuencia, 1 y 2 representan dos bandas de frecuencia: por encima y por debajo de la portadora (Figura 2, b), es decir. franjas laterales superior e inferior respectivamente. Toda la información que necesita ser transmitida está contenida en estas bandas laterales.

La ecuación (4,b) se obtuvo para el caso especial en el que la señal modulada fue el resultado de la multiplicación directa de en por em. Como resultado, la ecuación (4,b) no contiene un componente en la frecuencia portadora, es decir La frecuencia portadora está completamente suprimida. Este tipo de modulación de portadora suprimida a veces se diseña deliberadamente en sistemas de comunicaciones porque da como resultado una potencia radiada más baja. La mayoría de estos sistemas irradian algo de energía en la frecuencia portadora, lo que permite que el dispositivo receptor sintonice esa frecuencia. También es posible transmitir sólo una banda lateral, ya que contiene toda la información relevante sobre la señal de banda base. Luego, el dispositivo receptor reconstruye la señal a partir de la modulación de una banda lateral.

La expresión completa que representa la oscilación de amplitud modulada en forma general es:

Esta expresión describe tanto la portadora no suprimida (el primer término en el lado derecho de la ecuación) como el producto, es decir modulación (segundo término desde la derecha). La ecuación (6,a) se puede reescribir como

La última expresión muestra cómo cambia la amplitud de la portadora de acuerdo con los valores instantáneos de la oscilación moduladora. La amplitud de la señal modulada Anm consta de dos partes: An - la amplitud de la portadora no modulada y Amcos(mt) - los valores instantáneos de la oscilación moduladora:

La relación entre Am y An determina el grado de modulación. Para Am=An, el valor de Anm alcanza cero en cos(мt)=-1 (мt=180°) y Anm=2An en cos(мt)=1 (мt= 0°). La amplitud de la onda modulada varía de cero al doble de la amplitud de la portadora. Actitud

determina el coeficiente de modulación. Para evitar la distorsión de la información transmitida (la señal modulada), el valor de m debe estar en el rango de cero a uno: 0m1. Esto corresponde a AmAn. (Para m=0 Am=0, es decir, no hay señal moduladora). La ecuación (6,a) se puede reescribir con la introducción de m:

La Figura 3, a muestra la forma de las oscilaciones moduladas y el coeficiente de modulación m se expresa a través de los valores máximo y mínimo de su amplitud (valores pico y nodal). La Figura 3, b da una idea del espectro de oscilaciones moduladas, que se puede expresar transformando la ecuación (6):

Figura 3. Modulación de amplitud.

a - forma de señal; b - espectro de oscilaciones moduladas

La figura 4 muestra el resultado de la modulación con un coeficiente m superior al 100%: m>1.

Figura 4. Resultado de la modulación (m>1)

La Tabla 1 muestra la amplitud y potencia de cada uno de los tres componentes de frecuencia de la oscilación modulada.

Tabla 1. Potencia y amplitud de las oscilaciones AM.

Para una modulación del 100% (m=1) y una potencia portadora de 1 kW, la potencia total de las oscilaciones moduladas es 1 kW+(1/2)2 kW+(1/2)2 kW=1,5 kW. Tenga en cuenta que cuando m = 1, la potencia contenida en ambas bandas laterales es la mitad de la potencia de la portadora. De manera similar, con m=0,5, la potencia en ambas bandas laterales es 1/8 de la potencia de la portadora. Lo anterior sólo se aplica a la forma de onda AM sinusoidal. La modulación de amplitud se puede utilizar para transmitir valores de pulso.

En la modulación de banda lateral dual convencional utilizada en radiodifusión, la información se transmite exclusivamente en las bandas laterales. Para obtener, por ejemplo, una buena calidad de sonido, es necesario trabajar en una banda de frecuencia de 2M de ancho, donde M es el ancho de banda de reproducción de sonido de alta calidad (20-20.000 Hz). Esto significa que una transmisión AM estándar, por ejemplo, con frecuencias de hasta 20 kHz, debe tener un ancho de banda de ±20 kHz (40 kHz en total), teniendo en cuenta las bandas laterales superior e inferior. Sin embargo, en la práctica, las reglas de la FCC limitan el ancho de banda a 10 kHz (5 kHz), lo que proporciona solo un ancho de banda de 5 kHz para la transmisión de audio por radio, lo que está lejos de las condiciones de reproducción de alta calidad. La radiodifusión con modulación de frecuencia, como se mostrará a continuación, tiene una banda de frecuencia más amplia.

La Comisión Federal de Comunicaciones también establece tolerancias de frecuencia para todas las asignaciones de frecuencia en los Estados Unidos. Todas las transmisiones AM (535-1605 kHz) tienen una tolerancia de 20 Hz, o alrededor del 0,002%. Esta precisión y estabilidad de frecuencia se pueden lograr mediante el uso de osciladores de cristal.

Detectar o demodular ondas AM requiere rectificar la señal modulada y luego eliminar la frecuencia portadora mediante un filtrado adecuado. Estas dos etapas de reproducción de una señal moduladora se pueden demostrar con el ejemplo de la oscilación que se muestra en la Figura 3, a. Después de la rectificación, solo queda la mitad de la oscilación, y después del filtrado, solo queda su envolvente, que es la señal reproducida.

Como se sabe, AM es un tipo de modulación en el que la amplitud de la señal portadora cambia según la ley de la señal moduladora (de información). Hay muchas fuentes con descripciones teóricas y prácticas de AM. La descripción se proporciona principalmente para mostrar la composición de frecuencias de la señal AM. Una señal de un solo tono suele considerarse una señal moduladora. Esta señal viene dada por una función seno simple. Siempre me han preguntado, y también me he preguntado, cómo describir AM en caso de que haya una señal arbitraria como señal moduladora. Es una señal arbitraria, cuyo espectro de frecuencia consta de muchos componentes, lo cual es de interés, ya que la AM se utiliza en la radiodifusión para transmitir sonido.

Intentemos describir AM para el caso anterior, teniendo en cuenta que la señal moduladora se puede representar como una suma continua de señales simples de un solo tono de diferentes frecuencias con diferentes amplitudes y fases. Sin entrar en las complejidades del análisis matemático, esta señal se puede escribir como una suma continua de Fourier (integral):

¿Dónde está el límite superior de la frecuencia de la señal (banda de señal moduladora), es la variable de integración responsable de la frecuencia y ? Funciones y son la amplitud y fase de los componentes de la señal en frecuencia.

El integrando de esta fórmula es el llamado convolución trigonométrica en la forma de fase de amplitud del sumando de la serie de Fourier, en la que se puede descomponer la señal. La integral en (1) se puede llamar integral de Fourier, ya que, de hecho, es una suma continua, es decir, una serie continua de Fourier en la que se expande la señal original. Descomponer una señal en una serie similar da una idea de la composición de frecuencia de esta señal. Así, la señal moduladora original se presenta como una suma continua de sinusoides (en este caso, por conveniencia) de varias frecuencias desde hasta, cada una de ellas tiene su propia amplitud y cambio de fase. La función representa el espectro de frecuencia de la señal original.

Vale la pena señalar que la señal se considera por un período de tiempo limitado. En términos generales, si hablamos de una señal de audio, entonces, por regla general, tiene sentido práctico considerar el espectro de frecuencias para fragmentos de señal muy cortos. Obviamente, cuanto mayor sea la duración de la señal, más componentes de baja frecuencia (acercándose a cero) aparecerán en la composición espectral, que no se pueden comparar con las frecuencias de audio en el rango audible.

Además de la señal moduladora, existe una señal de tono, que es una oscilación portadora con frecuencia, amplitud y fase inicial cero:

Además. De hecho, en la radiodifusión, la frecuencia portadora es muchas veces mayor que el ancho de banda de la señal transmitida.

Pasemos ahora directamente al proceso de modulación de amplitud.

Se sabe que la señal AM es el resultado de multiplicar la señal portadora y la señal moduladora, previamente desplazadas e “indexadas” por el índice de modulación, es decir

Para evitar la llamada sobremodulación.

Sustituyamos los datos iniciales (1) y (2) en la expresión (3), abramos los corchetes e introduzcamos algunos factores en la integral que sean independientes de la variable de integración:

Apliquemos la conocida fórmula escolar de transformación de productos trigonométricos para funciones integrandos:

Esta fórmula es clave para AM y enfatiza estos “dos lados” en la composición espectral de la señal AM.

Continuando con la igualdad, dividimos la integral de la suma resultante por la suma de dos integrales, abrimos los corchetes y sacamos los factores necesarios en los argumentos de la función:

Los tres términos resultantes representan respectivamente, como se puede ver en la igualdad, la señal portadora, las señales laterales “inferior” y “superior”. Antes de dar una explicación específica, continuemos la ecuación utilizando el método de reemplazo de variables en la siguiente configuración:

Usemos este mismo reemplazo:

Al intercambiar los límites de integración en la primera integral (como resultado de lo cual el signo delante de la integral cambiará al opuesto), puedes combinar las dos integrales en una. Además, también se puede añadir allí el primer término que describe la señal portadora. En este caso, naturalmente, se deben generalizar las funciones integrandos de amplitud y fase. Todo esto se hace de forma condicional y para mayor claridad, sin entrar en las complejidades del análisis matemático. Así será:

Así, se introdujeron nuevas funciones por partes (4) y (5), que describen el cambio de amplitud y fase en función de la frecuencia. Al observar los componentes de la función (4), se puede ver que el tercer componente se obtuvo mediante la transferencia paralela de la función a , y el primero también con una rotación preliminar del espejo. No tengo en cuenta multiplicadores constantes frente a funciones que reducen la amplitud. Es decir, en el espectro de la señal AM existen tres componentes: portadora, lado superior y lado inferior, lo cual quedó reflejado en (4).

En conclusión, vale la pena señalar que la AM se puede describir utilizando un enfoque más complejo basado en señales y números complejos. La señal ordinaria analizada en este artículo no tiene un componente imaginario. Considerando la representación del diagrama vectorial en el plano complejo, una señal sin componente imaginaria es la suma de dos señales complejas con ambas componentes. Esto es obvio si imaginamos una señal de un solo tono como la suma de dos vectores que giran en direcciones opuestas simétricamente alrededor del eje x (Re). La velocidad de rotación de estos vectores es equivalente a la frecuencia de la señal y la dirección es equivalente al signo de la frecuencia (positiva o negativa). De esto se deduce que el espectro de frecuencias de una señal sin componente imaginario no sólo tiene un componente positivo, sino también negativo. Y, por supuesto, es simétrico con respecto a cero. Es con esta idea que podemos afirmar que en el proceso de modulación de amplitud el espectro de la señal moduladora se transfiere a lo largo de la escala de frecuencia hacia la derecha desde cero hasta la frecuencia portadora (y también hacia la izquierda). En este caso, el “lado inferior” no aparece; ya existe en la señal moduladora original, aunque se encuentra en la región de frecuencia negativa. A primera vista suena extraño, ya que parecería que las frecuencias negativas no existen en la naturaleza. Pero las matemáticas traen muchas sorpresas.

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La modulación de amplitud es el proceso de generar una señal modulada en amplitud, es decir una señal cuya amplitud cambia según la ley de la señal moduladora (mensaje transmitido). Este proceso se implementa mediante un modulador de amplitud.

El modulador de amplitud debe generar una oscilación de alta frecuencia, cuya expresión analítica en el caso general tiene la forma

¿Dónde está la envolvente de la oscilación modulada, descrita por una función que caracteriza la ley del cambio de amplitud?

Señal moduladora;

Y - frecuencia y fase inicial de oscilación de alta frecuencia.

Para obtener dicha señal, es necesario multiplicar una oscilación de alta frecuencia (portadora) y una señal moduladora de baja frecuencia de tal manera que se forme una envolvente de la forma. La presencia de un componente constante en la estructura de la envolvente asegura que su cambio sea unipolar; Proporciona profundidad de modulación. Está claro que tal operación de multiplicación irá acompañada de una transformación del espectro, lo que nos permite considerar la modulación de amplitud como un proceso esencialmente no lineal o paramétrico.

La estructura del modulador de amplitud en el caso de utilizar un elemento no lineal se muestra en la Fig. 8.4.

Arroz. 8.4. Diagrama de bloques de un modulador de amplitud.

El elemento no lineal transforma la oscilación de la portadora y la señal moduladora, como resultado de lo cual se forma una corriente (o voltaje), cuyo espectro contiene componentes en la banda de frecuencia desde hasta , y la frecuencia más alta en el espectro de la señal moduladora. Un filtro de paso de banda separa estos componentes del espectro, generando una señal de salida modulada en amplitud.

La multiplicación de dos señales se puede realizar utilizando un elemento no lineal, cuya característica se aproxima mediante un polinomio que contiene un término cuadrático. Gracias a esto se forma el cuadrado de la suma de dos señales que contiene su producto.

La esencia de lo dicho y la idea general de la formación de oscilaciones moduladas en amplitud se ilustran mediante transformaciones matemáticas bastante simples bajo el supuesto de que se lleva a cabo una modulación tonal (frecuencia única).

1. Utilizamos un transistor como elemento no lineal, cuya característica corriente-voltaje se aproxima mediante un polinomio de segundo grado. .

2. Se aplica un voltaje igual a la suma de dos oscilaciones: portadora y moduladora, es decir, a la entrada del elemento no lineal.

3. La composición espectral de la corriente se determina de la siguiente manera:

En la expresión resultante, los componentes espectrales están ordenados en orden creciente de sus frecuencias. Entre ellos se encuentran componentes con frecuencias , y , que forman una oscilación modulada en amplitud, es decir

Los dispositivos de transmisión suelen combinar procesos de modulación y amplificación, lo que garantiza una distorsión mínima de las señales moduladas. Para ello, se construyen moduladores de amplitud según el esquema de amplificadores de potencia resonantes, en los que se consigue un cambio en la amplitud de las oscilaciones de alta frecuencia cambiando la posición del punto de funcionamiento según la ley de la señal moduladora.

Circuito y modos de funcionamiento del modulador de amplitud.

El circuito de un modulador de amplitud basado en un amplificador resonante se muestra en la Fig. 8.5.

Arroz. 8.5. Circuito modulador de amplitud basado en un amplificador resonante.

A la entrada de un amplificador resonante que funciona en modo no lineal se suministra lo siguiente:

oscilación portadora de un autooscilador utilizando una conexión de transformador de alta frecuencia del circuito del circuito de entrada con la base del transistor;

Modulación de la señal mediante un transformador de baja frecuencia.

Los condensadores y el bloqueo proporcionan desacoplamiento de los circuitos de entrada de acuerdo con las frecuencias de la oscilación de la portadora y la señal moduladora, es decir. Aislamiento de alta y baja frecuencia. El circuito oscilatorio en el circuito colector está sintonizado a la frecuencia de oscilación de la portadora, el factor de calidad del circuito proporciona la banda de paso, donde está la frecuencia más alta en el espectro de la señal moduladora.

La elección del punto de funcionamiento determina el modo de funcionamiento del modulador. Son posibles dos modos: modo de señal pequeña y modo de señal grande.

A. Modo de entrada pequeña

Este modo se establece seleccionando el punto de operación en el medio de la sección cuadrática de la característica I-V del transistor. Al seleccionar la amplitud de la oscilación de la portadora, se garantiza el funcionamiento del modulador dentro de esta sección (Fig. 8.6).

Arroz. 8.6. Modo de pequeñas señales de entrada del modulador de amplitud.

La amplitud del voltaje en el circuito oscilatorio, cuya frecuencia de resonancia es igual a la frecuencia portadora, está determinada por la amplitud del primer armónico de la corriente, es decir , donde es la resistencia resonante del circuito. Considerando que la pendiente promedio de la característica corriente-tensión dentro del área de trabajo es igual a la relación entre la amplitud del primer armónico y la amplitud de la vibración de la portadora, es decir , podemos escribir

.

Bajo la influencia del voltaje de modulación suministrado a la base del transistor, la posición del punto de operación cambiará, lo que significa que la pendiente promedio de la característica I-V cambiará. Dado que la amplitud del voltaje en el circuito oscilatorio es proporcional a la pendiente promedio, para garantizar la modulación de amplitud de la vibración de la portadora es necesario garantizar una dependencia lineal de la pendiente de la señal moduladora. Demostremos que esto es posible cuando se utiliza la sección de trabajo de la característica corriente-voltaje, aproximada por un polinomio de segundo grado.

Entonces, dentro de la sección cuadrática de la característica corriente-voltaje descrita por el polinomio, hay un voltaje de entrada igual a la suma de dos oscilaciones: portadora y moduladora, es decir

La composición espectral de la corriente del colector se determina de la siguiente manera:

Seleccionamos el primer armónico de la corriente:

Por tanto, la amplitud del primer armónico es:

Como puede verse en la expresión resultante, la amplitud del primer armónico de corriente depende linealmente del voltaje de modulación. Por tanto, la transconductancia media también dependerá linealmente de la tensión moduladora.

Entonces el voltaje en el circuito oscilatorio será igual a:

En consecuencia, a la salida del modulador en cuestión se forma una señal modulada en amplitud de la forma:

Aquí está el coeficiente de profundidad de modulación;

- amplitud de la oscilación de alta frecuencia a la salida del modulador en ausencia de modulación, es decir en .

Al diseñar sistemas de transmisión, un requisito importante es la formación de oscilaciones de alta potencia con modulación de amplitud y con suficiente eficiencia. Es obvio que el modo de funcionamiento del modulador considerado no puede cumplir estos requisitos, especialmente el primero de ellos. Por lo tanto, el más utilizado es el llamado modo de señal grande.

b. Modo de entrada grande

Este modo se establece seleccionando el punto de operación en la característica I-V del transistor, en el cual el amplificador opera con un corte de corriente. A su vez, la elección de la amplitud de la oscilación de la portadora asegura un cambio en la amplitud de los pulsos de corriente del colector de acuerdo con la ley de la señal moduladora (Fig. 8.7). Esto conduce a un cambio similar en la amplitud del primer armónico de la corriente del colector y, en consecuencia, a un cambio en la amplitud del voltaje en el circuito oscilatorio del modulador, ya que

Y .

Arroz. 8.7. Modo modulador de amplitud de entrada grande

Un cambio en la amplitud del voltaje de alta frecuencia de entrada a lo largo del tiempo va acompañado de un cambio en el ángulo de corte y, por tanto, del coeficiente. En consecuencia, la forma de la envolvente de voltaje en el circuito puede diferir de la forma de la señal moduladora, lo cual es una desventaja del método de modulación considerado. Para garantizar una distorsión mínima, es necesario establecer ciertos límites para cambiar el ángulo de corte y trabajar con un coeficiente de modulación que no sea demasiado grande.

En el circuito modulador de amplitud mostrado en la Fig. 8.8, la señal moduladora se suministra a la base del transistor del generador de corriente estable. El valor de esta corriente es proporcional al voltaje de entrada. Para valores pequeños de voltajes de entrada, la amplitud del voltaje de salida dependerá de la señal moduladora de la siguiente manera

donde están los coeficientes de proporcionalidad.

Características del modulador de amplitud.

Para seleccionar el modo de funcionamiento del modulador y evaluar la calidad de su funcionamiento se utilizan diversas características, siendo las principales: característica de modulación estática, característica de modulación dinámica y característica de frecuencia.

Arroz. 8.8. Circuito modulador de amplitud con generador de corriente.

A. Característica de modulación estática.

Respuesta de modulación estática (SMC)- esta es la dependencia de la amplitud del voltaje de salida del modulador del voltaje de polarización con una amplitud constante del voltaje de frecuencia portadora en la entrada, es decir .

Al determinar experimentalmente la característica de modulación estática, solo se suministra el voltaje de frecuencia portadora a la entrada del modulador (no se suministra la señal de modulación), el valor cambia (como si se simulara un cambio en la señal de modulación en modo estático) y la Se registra el cambio en la amplitud de la oscilación de la portadora en la salida. El tipo de característica (figura 8.9a) está determinada por la dinámica de los cambios en la pendiente promedio de la característica corriente-voltaje cuando cambia el voltaje de polarización. La sección lineal creciente del SMC corresponde a la sección cuadrática de la característica corriente-voltaje, ya que en esta sección la transconductancia promedio aumenta al aumentar el voltaje de polarización. La sección horizontal del SMC corresponde a la sección lineal de la característica corriente-tensión, es decir zona con pendiente media constante. Cuando el transistor entra en modo de saturación, aparece una sección horizontal de la característica corriente-voltaje con pendiente cero, lo que se refleja en una disminución en el SMC

La característica de modulación estática le permite determinar el valor del voltaje de polarización y el rango aceptable de variación de la señal moduladora para asegurar su dependencia lineal del voltaje de salida. El modulador debe operar dentro de la sección lineal del SMX. El valor del voltaje de polarización debe corresponder a la mitad de la sección lineal y el valor máximo de la señal moduladora no debe ir más allá de la sección lineal del SMX. También puede determinar el factor de modulación máximo en el que todavía no hay distorsión. Su valor es igual .

Arroz. 8.9. Características del modulador de amplitud.

b. Respuesta de modulación dinámica

Respuesta de modulación dinámica (DMC) es la dependencia del coeficiente de modulación de la amplitud de la señal moduladora, es decir . Esta característica se puede obtener experimentalmente o a partir de la característica de modulación estática. Una vista del DMX se muestra en la Fig. 8.9, b. La sección lineal de la característica corresponde al funcionamiento del modulador dentro de la sección lineal del SMX.

v. Respuesta de frecuencia

Respuesta de frecuencia es la dependencia del coeficiente de modulación de la frecuencia de la señal moduladora, es decir . La influencia del transformador de entrada provoca una caída de las características a bajas frecuencias (figura 8.9c). A medida que aumenta la frecuencia de la señal moduladora, los componentes laterales de la oscilación modulada en amplitud se alejan de la frecuencia portadora. Esto conduce a su menor amplificación debido a las propiedades selectivas del circuito oscilatorio, lo que provoca una caída en las características a frecuencias más altas. Si la banda de frecuencia ocupada por la señal moduladora está dentro de la sección horizontal de la respuesta de frecuencia, entonces la distorsión durante la modulación será mínima.

Modulador de amplitud balanceado

Para utilizar eficazmente la potencia del transmisor, se utiliza modulación de amplitud equilibrada. En este caso se forma una señal modulada en amplitud, en cuyo espectro no hay ningún componente en la frecuencia portadora.

El circuito modulador balanceado (figura 8.10) es una combinación de dos circuitos moduladores de amplitud típicos con conexiones específicas de sus entradas y salidas. Las entradas de frecuencia portadora están conectadas en paralelo y las salidas están conectadas en inversión entre sí, formando una diferencia en los voltajes de salida. La señal moduladora se suministra a los moduladores en antifase. Como resultado, en las salidas de los moduladores tenemos

Y , y a la salida del modulador balanceado.

Arroz. 8.10. Circuito modulador de amplitud equilibrado.

Por tanto, el espectro de la señal de salida contiene componentes con frecuencias y . No hay ningún componente con la frecuencia portadora.

donde m=k AM S m /U mo – coeficiente de modulación de amplitud. En la figura. La Figura 5 muestra señales moduladas con coeficientes AM iguales a m=0,5 ym=1, respectivamente. Con una modulación de amplitud del 100% (m=1), se producen cambios máximos en la amplitud de la señal modulada: la amplitud cambia de cero al doble del valor.

Usando la fórmula trigonométrica para el producto de cosenos, la expresión (3) se puede representar como la fórmula (4). Los tres términos del lado derecho de la fórmula (4) son vibraciones armónicas. El primer término representa la oscilación original no modulada (portadora). Los términos segundo y tercero se denominan componentes laterales superior e inferior, respectivamente.

Hasta la fecha, en radioelectrónica no se han desarrollado métodos eficaces para multiplicar directamente dos o más señales analógicas. Por lo tanto, al implementar la modulación de amplitud, se utilizan métodos de multiplicación indirecta utilizando circuitos no lineales o paramétricos.

Una de las opciones para construir moduladores de amplitud es la AM basada en amplificadores de potencia resonantes, utilizando el efecto de convertir la suma de las oscilaciones moduladoras y portadoras suministradas en un elemento no lineal libre de inercia. El AM más simple se crea sobre la base de un amplificador resonante no lineal (Fig.6), conectando en serie en las fuentes de entrada un voltaje de polarización constante U o , una señal moduladora e(t) y un generador de oscilación portadora U n ( t), y sintonizando el circuito oscilatorio a la frecuencia portadora ωo.

Para obtener una señal AM de un solo tono, se debe aplicar un voltaje a la entrada del modulador.

Puede analizar el funcionamiento del modulador utilizando diagramas de corriente y voltaje (Fig. 7). Supongamos que la característica de extremo a extremo del transistor (la dependencia de la corriente del colector I to del voltaje base-emisor U be) se aproxima mediante dos segmentos de líneas rectas. Debido al movimiento del punto de operación con respecto a la tensión de polarización Uo según la ley de la señal moduladora e(t), cambia el ángulo de corte de corriente en la curva de oscilación de la portadora. Como resultado, los pulsos de la corriente del colector i k del transistor, que reflejan el cambio en la oscilación de la portadora, resultan estar modulados en amplitud.

El espectro de pulsos de corriente del colector de transistores contiene muchos componentes armónicos con frecuencias ω 0 y Ω, así como con frecuencias múltiples y combinacionales (componentes totales y diferenciales de los armónicos ω 0 y Ω). El circuito resonante debe tener un ancho de banda Δω AM = 2Ω para aislar del espectro de pulsos de corriente del colector solo los armónicos con frecuencias ω 0 – Ω, ω 0 y ω 0 + Ω.

Arroz. 7. Diagramas de corriente y tensión.

2.2. Modulación de ángulo

Con modulación angular en una oscilación armónica portadora u(t) = U m cos(wt+j), el valor de la amplitud de oscilación U m permanece constante y la información s(t) se transfiere a la frecuencia w o al ángulo de fase j. . En ambos casos, el valor actual del ángulo de fase de la oscilación armónica u(t) determina el argumento y(t) = wt+j, que se denomina fase total de la oscilación.

Modulación de fase(FM, modulación de fase - PM). Con modulación de fase, el valor del ángulo de fase de una frecuencia de oscilación de portadora constante w o es proporcional a la amplitud de la señal moduladora s(t). En consecuencia, la ecuación de la señal PM está determinada por la expresión:

u(t) = U m cos,

(6)

donde k es el coeficiente de proporcionalidad. En la figura 1 se muestra un ejemplo de una señal PM de un solo tono. 8.

Cuando s(t) = 0, la señal de FM es una oscilación armónica simple y se muestra en la figura mediante la función u o (t). Con valores crecientes de s(t), la fase total de oscilaciones y(t)=w o t+k×s(t) aumenta en el tiempo más rápido y está por delante del aumento lineal de w o t. En consecuencia, a medida que disminuyen los valores de s(t), la tasa de crecimiento de la fase total disminuye con el tiempo. En momentos de valores extremos de s(t), el valor absoluto del desplazamiento de fase Dy entre la señal PM y el valor w o t de la oscilación no modulada también es máximo y se denomina desviación de fase ( arriba Dj in = k×s max (t) o abajo Dj n = k×s min (t) teniendo en cuenta el signo de los valores extremos de la señal moduladora).

Para oscilaciones con modulación angular también se utiliza el concepto de frecuencia instantánea, que se entiende como la derivada de la fase total respecto del tiempo:

La Figura 9 muestra un diagrama de un modulador de fase (se utiliza un diagrama similar en la estación de radio Kama-R). El voltaje de alta frecuencia a través de una conexión de autotransformador se suministra al circuito primario: bobina L1 y varicap V1. Además, a través de los condensadores de acoplamiento C1, C2, se suministra voltaje al segundo circuito (L2, V2) y al tercero (L3, V3). Los varicaps actúan como condensadores de bucle.

En ausencia de voltaje de modulación del micrófono (U = 0), actúa un voltaje de polarización constante sobre los varicaps, que se ajusta mediante los potenciómetros R10-R12. El voltaje de polarización se adapta a la corriente de modo que cada circuito esté sintonizado a la frecuencia del voltaje de entrada. Por lo tanto, el voltaje de alta frecuencia pasa a través de los 3 circuitos sin recibir un cambio de fase adicional.

Cuando el voltaje de sonido U aparece en los pines 1 y 2, se suministra a los varicaps a través de los condensadores de aislamiento C6-C8. El voltaje de polarización se suma al voltaje de modulación y las capacitancias de los varicaps cambian en el tiempo con el voltaje de audio. Debido a la desafinación cambiante de los circuitos oscilatorios, la tensión de salida resulta estar modulada en fase. El número de circuitos determina la profundidad de la modulación.

Los condensadores C3 a C5 tienen baja resistencia a las corrientes de alta frecuencia (cortocircuito) y una resistencia relativamente alta a las corrientes de audiofrecuencia. Gracias a estos condensadores y resistencias R4–R6, se realiza el desacoplamiento entre las partes de alta y baja frecuencia del circuito.

Al transmitir mensajes por telégrafo, la emisión de energía de alta frecuencia se detiene y se reanuda periódicamente. Este proceso se llama manipulación.

La modulación de frecuencia (FM, modulación de frecuencia - FM) se caracteriza por una relación lineal entre la señal moduladora y la frecuencia de oscilación instantánea, en la que la frecuencia de oscilación instantánea se forma sumando la frecuencia de la oscilación portadora de alta frecuencia w o con la amplitud de la señal moduladora con un cierto coeficiente de proporcionalidad:

Ecuación de señal de FM:

u(t) = U m cos(ω o t+k s(t) dt +j o).

(8)

Similar a FM, para caracterizar la profundidad de la modulación de frecuencia, se utilizan los conceptos de desviación de frecuencia hacia arriba Dw in = k×s max (t) y hacia abajo

Dw n = k×s min (t).

La modulación de frecuencia y fase están interrelacionadas. Si cambia la fase inicial de la oscilación, también cambia la frecuencia instantánea y viceversa. Por este motivo se combinan bajo el nombre general de modulación angular. Basándose en la forma de las oscilaciones con modulación angular, es imposible determinar a qué tipo de modulación pertenece una determinada oscilación, PM o FM, y con funciones suficientemente suaves s(t), las formas de las señales PM y FM prácticamente no son diferentes. en absoluto.

El circuito modulador de frecuencia se muestra en la Fig. 10.

Al considerar el circuito, cabe decir que, a diferencia de la modulación de amplitud, la modulación de frecuencia se realiza directamente en el oscilador maestro del transmisor. En la figura. La Figura 10 muestra una versión simplificada de un esquema de modulación de frecuencia que utiliza un varicap.

Un varicap es un diodo semiconductor especialmente diseñado. Si el diodo se enciende en la dirección inversa, entonces su unión p-n cerrada puede considerarse como un capacitor. Al ajustar el voltaje de apagado, puede cambiar la capacidad de este "condensador". En la figura, el transistor VT2 con un circuito oscilatorio Sk, Lk y una bobina de acoplamiento Lsv forman un generador de oscilaciones sinusoidales con autoexcitación.

Dado que una capacitancia varicap está conectada en paralelo al circuito con el capacitor Sk a través de CSV, la frecuencia de las oscilaciones generadas en el modo “silencioso” se determinará de la siguiente manera:

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Aquí está la capacitancia del varicap en el estado inicial en ausencia de voltaje de sonido.

La capacitancia inicial está determinada por el voltaje de bloqueo inicial, que es igual al voltaje a través de Rk cuando fluye una corriente en reposo.

El modulador en el circuito es un amplificador de voltaje de audiofrecuencia en un transistor VT1 con una carga de colector y un varicap.

Cuando el micrófono se expone a la carga del colector Rk, se elimina el voltaje del sonido, que se suministra a través del inductor de alta frecuencia L1 al varicap y cambia su capacitancia y, en consecuencia, la frecuencia de las oscilaciones de alta frecuencia generadas.

El condensador Cсb se puede utilizar para regular la desviación de la frecuencia de las oscilaciones generadas. Un estrangulador de alta frecuencia le permite desacoplar la parte de alta frecuencia del circuito de la parte de baja frecuencia, en otras palabras, eliminar

El voltaje de alta frecuencia llega al colector del transistor amplificador de baja frecuencia.

2.3. Modulación de pulso

La modulación de pulsos (PM) no es realmente un tipo especial de modulación. Además, se hace una distinción entre amplitud de impulso y modulación de frecuencia de impulso. Aquí tienen en cuenta cómo se presenta la información: mediante un impulso o una serie de impulsos. Se puede considerar que la cantidad modulada es la amplitud del pulso, o su ancho, o su posición en una secuencia de pulsos, etc. Por lo tanto, existe una amplia variedad de métodos de modulación de pulsos. Todos utilizan AM o FM como forma de transmisión.

La modulación de pulso se puede utilizar para transmitir formas de onda tanto digitales como analógicas. Cuando hablamos de señales digitales, estamos ante niveles lógicos (alto y bajo) y podemos modular la portadora (usando AM o FM) con una serie de pulsos que representan un valor digital.

Cuando utilice métodos de pulso para transmitir señales analógicas, primero debe convertir los datos analógicos en forma de pulso. Esta conversión también está relacionada con la modulación, ya que los datos analógicos se utilizan para modular (cambiar) un tren de pulsos o una subportadora de pulsos. En la figura. 11a muestra la modulación de una secuencia de impulsos mediante una señal sinusoidal.

La amplitud de cada pulso en la secuencia modulada depende del valor instantáneo de la señal analógica. Se puede reconstruir una señal sinusoidal a partir de una secuencia de pulsos modulados mediante un simple filtrado. En la figura. La Figura 11b muestra gráficamente el proceso de restauración de la señal original conectando los vértices de los pulsos con líneas rectas. Sin embargo, restaurado en la Fig. 11b, la forma de onda no es una buena reproducción de la señal original debido al hecho de que el número de pulsos por período de la señal analógica es pequeño. Utilizando un mayor número de impulsos, es decir, a una tasa de repetición de impulsos mayor en comparación con la frecuencia de la señal moduladora, se puede conseguir una mejor reproducción. Este proceso de modulación de amplitud de pulso (PAM), que se refiere a la modulación de una subportadora con un tren de pulsos, se puede realizar muestreando una señal analógica a intervalos regulares con pulsos de muestreo de duración fija.

Los pulsos de muestreo son pulsos cuyas amplitudes son iguales a la magnitud de la señal analógica original en el momento del muestreo. La frecuencia de muestreo (pulsos por segundo) debe ser al menos el doble de la frecuencia más alta de la señal analógica. Para una mejor repetibilidad, la frecuencia de muestreo generalmente se establece en 5 veces la frecuencia de modulación más alta.

PIM es sólo un tipo de modulación de pulso. Además de esto existen:

PWM – modulación de ancho de pulso (modulación de duración de pulso);

PFM – modulación de frecuencia de pulso;

PCM – modulación de código de pulso.

La modulación de ancho de pulso convierte los niveles de voltaje muestreados en una serie de pulsos cuya duración es directamente proporcional a la amplitud de los voltajes muestreados. Tenga en cuenta que la amplitud de estos pulsos es constante; De acuerdo con la señal moduladora, solo cambia la duración de los pulsos. El intervalo de muestreo (intervalo entre pulsos) también es fijo.

La modulación de frecuencia de pulso convierte los niveles de voltaje muestreados en una secuencia de pulsos cuya frecuencia instantánea, o tasa de repetición, está directamente relacionada con la magnitud de los voltajes muestreados. Y aquí la amplitud de todos los pulsos es la misma, solo cambia su frecuencia. Esto es esencialmente lo mismo que la modulación de frecuencia convencional, sólo que la forma de onda portadora no es sinusoidal, como en el caso de la FM convencional; Consiste en una secuencia de impulsos.

Hay un interruptor AM-FM en el panel de cualquier radio moderna. Por regla general, el consumidor medio no piensa en lo que significan estas letras, le basta recordar que en FM está su emisora ​​​​de radio VHF favorita, que transmite una señal en sonido estéreo y con excelente calidad, y en AM puede hacerlo; atrapar "Mayak". Si profundiza en los detalles técnicos, al menos al nivel de las instrucciones de usuario, resulta que AM es modulación de amplitud y FM es modulación de frecuencia. ¿En qué se diferencian?

Para que la música se escuche por el altavoz de la radio, ésta debe sufrir ciertos cambios. En primer lugar, debería adaptarse a la radiodifusión. La modulación de amplitud fue la primera forma en que los ingenieros de comunicaciones aprendieron a transmitir programas de voz y música por aire. En 1906, el estadounidense Fessenden, utilizando un generador mecánico, obtuvo oscilaciones de 50 kilohercios, que se convirtió en la primera frecuencia portadora de la historia. A continuación, resolvió el problema técnico de la forma más sencilla posible instalando un micrófono a la salida del devanado. Cuando se expone al polvo de carbón dentro de la caja de membrana, su resistencia cambia y la magnitud de la señal proveniente del generador a la antena transmisora ​​disminuye o aumenta dependiendo de ellos. Así se inventó la modulación de amplitud, es decir, cambiar el alcance de la señal portadora para que la forma de la línea envolvente corresponda a la forma de la señal transmitida. En los años veinte, los generadores mecánicos fueron sustituidos por generadores de tubos de electrones. Esto redujo significativamente el tamaño y el peso de los transmisores.

Se diferencia de la onda de amplitud en que el alcance de la onda portadora permanece sin cambios, pero su frecuencia cambia. A medida que se desarrollaron la base electrónica y los circuitos, aparecieron otras formas en las que la señal de información "se asentaba" en la frecuencia de radio. Cambiar la fase y el ancho del pulso dio el nombre de modulación de fase y ancho de pulso. Parecía que la modulación de amplitud como método de transmisión de radio estaba obsoleta. Pero resultó diferente; mantuvo su posición, aunque en una forma ligeramente modificada.

La creciente demanda de riqueza de información en frecuencias llevó a los ingenieros a buscar formas de aumentar el número de canales transmitidos en una onda. Las posibilidades de la transmisión multicanal también están determinadas por la barrera de Nyquist; sin embargo, además de la cuantificación de la señal, ha sido posible aumentar la carga de información cambiando la fase; La modulación de amplitud en cuadratura es un método de transmisión en el que se transmiten diferentes señales a la misma frecuencia, desfasadas entre sí 90 grados. Las cuatro fases forman una cuadratura o combinación de dos componentes descrita por las funciones trigonométricas sin y cos, de ahí el nombre.

La modulación de amplitud en cuadratura se ha generalizado en las comunicaciones digitales. En esencia, es una combinación de modulación de fase y amplitud.