Espectro de señales moduladas en ángulo.

Los métodos de análisis de señales primarias discutidos anteriormente permiten determinar sus características espectrales y energéticas. Las señales primarias son los principales portadores de información. Al mismo tiempo, sus características espectrales no se corresponden con las características de frecuencia de los canales de transmisión de los sistemas de información de ingeniería de radio. Como regla general, la energía de las señales primarias se concentra en la región de baja frecuencia. Por ejemplo, al transmitir voz o música, la energía de la señal primaria se concentra aproximadamente en el rango de frecuencia de 20 Hz a 15 kHz. Al mismo tiempo, la gama UHF, muy utilizada para transmitir información y programas musicales, ocupa frecuencias de 300 a 3000 megahercios. Surge el problema de transferir los espectros de señales primarias a los rangos de radiofrecuencia apropiados para transmitirlos a través de canales de radio. Este problema se resuelve mediante la operación de modulación.

La modulación es el procedimiento para convertir señales primarias de baja frecuencia en señales de radiofrecuencia..

El procedimiento de modulación involucra una señal primaria y alguna oscilación auxiliar, llamada vibración portadora o simplemente un transportista. En general, el procedimiento de modulación se puede representar de la siguiente manera

¿Dónde está la regla para convertir (operador) la señal primaria en una oscilación modulada?

Esta regla indica qué parámetro (o varios parámetros) de la oscilación de la portadora cambia según la ley del cambio. Dado que controla el cambio de parámetros, entonces, como se señaló en la primera sección, la señal está controlada (modulada) y es modulada por señales. Evidentemente corresponde al operador del diagrama de bloques generalizado de RTIS.

La expresión (4.1) nos permite clasificar los tipos de modulación, que se presenta en la Fig. 4.1.

Arroz. 4.1

Como criterios de clasificación elegiremos el tipo (forma) de la señal de control, la forma de la vibración del portador y el tipo de parámetro controlado de la vibración del portador.

En el primer apartado se realizó la clasificación de señales primarias. En los sistemas de información de ingeniería de radio, las señales continuas y digitales se utilizan más ampliamente como señales primarias (de control). De acuerdo con esto, por el tipo de señal de control podemos distinguir continuo Y discreto modulación.

Las oscilaciones armónicas y las secuencias de impulsos se utilizan como oscilaciones portadoras en la ingeniería radioeléctrica práctica. Según la forma de las vibraciones del portador, se distinguen modulación de portadora armónica Y modulación de pulso.

Y finalmente, según el tipo de parámetro controlado de la oscilación de la portadora en el caso de una portadora armónica, se distingue amplitud, frecuencia Y modulación de fase. Evidentemente, en este caso, la amplitud, la frecuencia o la fase inicial de la oscilación armónica actúan como parámetro controlado, respectivamente. Si se utiliza una secuencia de pulsos como oscilación portadora, entonces un análogo de la modulación de frecuencia es modulación de ancho de pulso, donde el parámetro controlado es la duración del pulso, y el análogo de la modulación de fase es modulación de pulso de tiempo, donde el parámetro controlado es la posición del pulso en el eje del tiempo.

En los sistemas de radio modernos, la oscilación armónica se utiliza más ampliamente como oscilación portadora. Teniendo en cuenta esta circunstancia, en el futuro se prestará especial atención a las señales con modulación continua y discreta de una portadora armónica.

4.2. Señales de modulación de amplitud continua

Comencemos nuestra consideración de señales moduladas con señales en las que el parámetro variable es amplitud vibración del portador. La señal modulada en este caso es modulada en amplitud o señal modulada en amplitud (señal de AM).

Como se señaló anteriormente, se prestará especial atención a las señales cuya oscilación portadora sea una oscilación armónica de la forma

¿Dónde está la amplitud de la vibración del portador?

– frecuencia de la vibración del portador.

Como señales moduladoras, consideraremos primero las señales continuas. Entonces las señales moduladas serán señales con modulación de amplitud continua. Esta señal se describe mediante la expresión

¿Dónde está la envolvente de la señal AM?

– coeficiente de modulación de amplitud.

De la expresión (4.2) se deduce que la señal AM es el producto de la envolvente y la función armónica. El coeficiente de modulación de amplitud caracteriza. profundidad de modulación y en el caso general se describe mediante la expresión

. (4.3)

Evidentemente, cuando la señal es simplemente una onda portadora.

Para un análisis más detallado de las características de las señales AM, consideremos la señal AM más simple, en la que una oscilación armónica actúa como señal moduladora.

, (4.4)

donde , son la amplitud y frecuencia de la señal moduladora (control), respectivamente, y . En este caso, la señal se describe mediante la expresión

, (4.5)

y se denomina señal de modulación de amplitud de un solo tono.

En la Fig. 4.2 muestra la señal moduladora, la oscilación de la frecuencia portadora y la señal.

Para tal señal, el coeficiente de profundidad de modulación de amplitud es igual a

Usando la conocida relación trigonométrica

después de transformaciones simples obtenemos

La expresión (4.6) establece la composición espectral de una señal AM monotonal. El primer término representa la oscilación no modulada (oscilación de la portadora). Los términos segundo y tercero corresponden a nuevos componentes armónicos resultantes de la modulación de la amplitud de la vibración de la portadora; Las frecuencias de estas vibraciones. Y se denominan frecuencias laterales inferior y superior, y los componentes mismos se denominan componentes laterales inferior y superior.

Las amplitudes de estas dos oscilaciones son las mismas y ascienden a

, (4.7)

En la Fig. La Figura 4.3 muestra el espectro de amplitud de una señal AM de un solo tono. De esta figura se deduce que las amplitudes de los componentes laterales están ubicadas simétricamente con respecto a la amplitud y la fase inicial de la vibración del portador. Obviamente, el ancho del espectro de una señal AM de un solo tono es igual al doble de la frecuencia de la señal de control.

En el caso general, cuando la señal de control se caracteriza por un espectro arbitrario concentrado en la banda de frecuencia de a , el carácter espectral de la señal AM no es fundamentalmente diferente de una señal de un solo tono.

En la Fig. La Figura 4.4 muestra los espectros de la señal de control y la señal con modulación de amplitud. A diferencia de una señal AM de un solo tono, el espectro de una señal AM arbitraria incluye bandas laterales superior e inferior. En este caso, la banda lateral superior es una copia del espectro de la señal de control, desplazada a lo largo del eje de frecuencia en

valor, y la franja lateral inferior es una imagen especular de la superior. Obviamente, el ancho del espectro de una señal AM arbitraria

aquellos. igual al doble de la frecuencia límite superior de la señal de control.

Volvamos a la señal de modulación de amplitud de un solo tono y encontremos sus características energéticas. La potencia promedio de la señal AM durante el período de la señal de control está determinada por la fórmula:

. (4.9)

Ya que, a, pongamos , Dónde . Sustituyendo la expresión (4.6) en (4.9), después de transformaciones simples pero bastante engorrosas, teniendo en cuenta que y utilizando relaciones trigonométricas

Aquí, el primer término caracteriza la potencia promedio de la vibración del portador, y el segundo, la potencia promedio total de los componentes laterales, es decir,

Dado que la potencia promedio total de los componentes laterales se divide en partes iguales entre el inferior y el superior, como se desprende de (4.7), se sigue

Por lo tanto, se gasta más de la mitad de la potencia en transmitir la onda portadora en una señal AM (teniendo en cuenta esto) que en la transmisión de componentes laterales. Dado que la información está contenida precisamente en los componentes laterales, la transmisión del componente vibratorio portador no es práctica desde el punto de vista energético. La búsqueda de métodos más eficientes para utilizar el principio de modulación de amplitud conduce a señales de modulación de amplitud balanceadas y de banda lateral única.

4.3. Señales balanceadas y SSBAM

Las señales de modulación de amplitud equilibrada (BAM) se caracterizan por la ausencia de un componente de vibración de la portadora en el espectro. Procedamos inmediatamente a la consideración de señales de modulación balanceadas de un solo tono, cuando una señal armónica de la forma (4.4) actúa como oscilación de control. Eliminación de (4.6) del componente de vibración del portador.

conduce a resultados

Calculemos la potencia promedio de la señal de modulación balanceada. Sustituyendo (4.12) en (4.9) después de las transformaciones se obtiene la expresión

.

Es obvio que la ganancia de energía cuando se utilizan señales de modulación balanceadas en comparación con la modulación de amplitud clásica será igual a

Cuando esta ganancia es .

En la Fig. La Figura 4.5 muestra una de las opciones para el diagrama de bloques de un generador de señal de modulación de amplitud balanceada. El modelador contiene:

• Inv1, Inv2 – inversores de señal (dispositivos que cambian la polaridad de los voltajes al contrario);
• AM1, AM2 – moduladores de amplitud;
• SM – sumador.

La oscilación de la frecuencia portadora se suministra directamente a las entradas de los moduladores AM1 y AM2. En cuanto a la señal de control, se suministra directamente a la segunda entrada AM1 y a la segunda entrada AM2 a través del inversor Inv1. Como resultado, se forman oscilaciones de la forma en las salidas de los moduladores.

Las entradas del sumador reciben oscilaciones y . La señal resultante a la salida del sumador será

En el caso de modulación de amplitud de un solo tono, la expresión (4.13) toma la forma

Usando la fórmula para el producto de cosenos, después de transformaciones obtenemos

que coincide con (4.12) hasta un factor constante. Obviamente, el ancho del espectro de las señales BAM es igual al ancho del espectro de las señales AM.

La modulación de amplitud equilibrada elimina la transmisión de vibraciones de la portadora, lo que conduce a una ganancia de energía. Sin embargo, ambas bandas laterales (bandas laterales en el caso de AM monotono) transportan la misma información. Se sugiere la conclusión de que es aconsejable generar y transmitir señales con una de las bandas laterales suprimida. En este caso llegamos a la modulación de amplitud de banda lateral única (SAM).

Si excluimos uno de los componentes laterales del espectro de la señal BAM (digamos, el componente lateral superior), entonces, en el caso de una señal de control armónico, obtenemos

Dado que la potencia promedio de la señal BAM se divide en partes iguales entre los componentes laterales, es obvio que la potencia promedio de la señal OAM será

La ganancia de energía en comparación con la modulación de amplitud será

y cuando será igual a .

La formación de una señal AM de banda lateral única se puede realizar sobre la base de modeladores de señal de modulación balanceada. El diagrama de bloques de un modelador de señal AM de banda lateral única se muestra en la Fig. 4.6.

El acondicionador de señal con modulación de amplitud de banda lateral única incluye:

Las siguientes señales se reciben en las entradas de BAM1:

Luego, en su salida, de acuerdo con (4.15), se genera una señal

Las entradas de BAM2 reciben señales.

Y .

Se elimina una oscilación de la salida de BAM2, descrita de acuerdo con (4.14) con la sustitución de cosenos por senos.

Teniendo en cuenta la relación trigonométrica conocida

la señal de salida BAM2 se convierte a la forma

Sumar las señales (4.17) y (4.18) en el sumador SM da

que coincide con (4.16) hasta un factor constante. En cuanto a las características espectrales, el ancho del espectro de las señales OAM es la mitad que el de las señales AM o BAM.

Así, con los mismos valores, la AM de banda lateral única proporciona una ganancia de energía significativa en comparación con la AM clásica y la modulación balanceada. Al mismo tiempo, la implementación de señales de modulación de amplitud equilibrada y de banda lateral única está asociada con algunas dificultades con respecto a la necesidad de restaurar la onda portadora al procesar señales en el lado receptor. Este problema se resuelve mediante dispositivos de sincronización de los lados transmisor y receptor, lo que en general conduce a equipos más complejos.

4.4. Señales moduladas en ángulo continuo.

4.4.1. Representación generalizada de señales moduladas en ángulo.

En la sección anterior, se consideró el procedimiento de modulación, cuando el parámetro de información cambiado de acuerdo con la ley de la señal de control (moduladora) era la amplitud de la oscilación de la portadora. Sin embargo, además de la amplitud, la oscilación de la portadora también se caracteriza por la frecuencia y la fase inicial.

¿Dónde está la fase total de la oscilación de la portadora, que determina el valor actual del ángulo de fase?

Cambiar cualquiera de las señales de control o de acuerdo con ellas corresponde a modulación angular. Así, el concepto de modulación angular incluye tanto frecuencia(Copa del Mundo) y fase(FM) modulación.

Consideremos relaciones analíticas generalizadas para señales con modulación angular. En modulación de frecuencia De acuerdo con la señal de control, la frecuencia instantánea de la oscilación de la portadora cambia en el rango desde las frecuencias inferiores hasta las frecuencias límite.

El valor más grande de desviación de frecuencia se llama desviación frecuencias

.

Si las frecuencias límite están ubicadas simétricamente con respecto a , entonces la desviación de frecuencia

. (4.22)

Es precisamente este caso de modulación de frecuencia el que se considerará más adelante.

La ley de cambio de fase total se define como la integral de la frecuencia instantánea. Entonces, teniendo en cuenta (4.21) y (4.22), podemos escribir

Sustituyendo (4.23) en (4.20), obtenemos una expresión analítica generalizada para una señal con modulación de frecuencia.

Término representa el componente de fase total debido a la presencia de modulación de frecuencia. Es fácil comprobar que fase completa cambios de señal modulada en frecuencia según la ley de la integral de .

En modulación de fase, de acuerdo con la señal moduladora, la fase inicial de la oscilación de la portadora cambia dentro del rango desde los valores límite de fase inferior a superior

La mayor desviación del cambio de fase se llama desviación de fase. Si y están ubicados simétricamente con respecto a , entonces . En este caso, la fase total de la señal modulada en fase es

Luego, sustituyendo (4.26) en (4.20), obtenemos una expresión analítica generalizada para una señal con modulación de fase.

Consideremos cómo cambia la frecuencia instantánea de la señal durante la modulación de fase. Se sabe que la frecuencia instantánea y la corriente media

fase están relacionadas por la relación

.

Sustituyendo la fórmula (4.26) en esta expresión y realizando la operación de diferenciación, obtenemos

Dónde – componente de frecuencia debido a la presencia de modulación de fase de la oscilación de la portadora (4.20).

Por tanto, un cambio en la fase inicial de la oscilación de la portadora conduce a un cambio en los valores de frecuencia instantánea de acuerdo con la ley de la derivada del tiempo.

La implementación práctica de dispositivos de generación de señales con modulación angular se puede realizar mediante uno de dos métodos: directo o indirecto. Con el método directo, de acuerdo con la ley de cambio en la señal de control, cambian los parámetros del circuito oscilatorio del generador de oscilación portadora. La señal de salida se modula en frecuencia. Para recibir una señal de modulación de fase, se enciende un circuito diferenciador en la entrada del modulador de frecuencia.

Las señales de modulación de fase que utilizan el método directo se forman cambiando los parámetros del circuito oscilante del amplificador conectado a la salida del oscilador portador. Para convertir señales de modulación de fase en una señal de modulación de frecuencia, la oscilación de control se aplica a la entrada del modulador de fase a través de un circuito integrador.

Los métodos indirectos no implican una influencia directa de la señal de control sobre los parámetros del circuito oscilatorio. Uno de los métodos indirectos se basa en convertir señales moduladas en amplitud en señales de modulación de fase y éstas, a su vez, en señales de modulación de frecuencia. Las cuestiones relativas a la generación de señales de modulación de frecuencia y fase se analizarán con más detalle a continuación.

4.4.2. Señales de frecuencia modulada

Comenzaremos nuestro análisis de las características de las señales con modulación angular considerando la modulación de frecuencia de un solo tono. La señal de control en este caso es una oscilación de amplitud unitaria (esta forma siempre se puede reducir a)

, (4.29)

y el parámetro modulado de la oscilación de la portadora es la frecuencia instantánea. Luego, sustituyendo (4.29) en (4.24), obtenemos:

Habiendo realizado la operación de integración, llegamos a la siguiente expresión para una señal de modulación de frecuencia de un solo tono

Actitud

llamado índice modulación de frecuencia y tiene un significado físico de la parte de la desviación de frecuencia por unidad de frecuencia de la señal moduladora. Por ejemplo, si la desviación de la frecuencia portadora MHz es , y la frecuencia de la señal de control es kHz, entonces el índice de modulación de frecuencia será . En la expresión (4.30), la fase inicial no se tiene en cuenta por no tener un significado fundamental.

El diagrama de temporización de la señal para FM de tono único se muestra en la Fig. 4.7

Comencemos nuestra consideración de las características espectrales de una señal de FM con un caso especial. pequeñoíndice de modulación de frecuencia. Usando la proporción

representemos (4.30) en la forma

Desde entonces podemos usar representaciones aproximadas.

y la expresión (4.31) toma la forma

Usando la conocida relación trigonométrica

y suponiendo y , obtenemos:

Esta expresión se parece a la expresión (4.6) para una señal AM de un solo tono. La diferencia es que si en una señal AM de un solo tono las fases iniciales de los componentes laterales son lo mismo, luego, en una señal de FM de un solo tono con pequeños índices de modulación de frecuencia, difieren por ángulo, es decir. están en antifase.

El diagrama espectral de dicha señal se muestra en la Fig. 4.8

Entre paréntesis se indican los valores de la fase inicial de las componentes laterales. Obviamente, el ancho del espectro de la señal de FM con índices de modulación de frecuencia pequeños es igual a

.

Las señales con modulación de baja frecuencia se utilizan muy raramente en la ingeniería de radio práctica.

En los sistemas de radio reales, el índice de modulación de frecuencia supera significativamente uno.

Por ejemplo, en los sistemas de comunicaciones móviles analógicos modernos que utilizan señales de modulación de frecuencia para la transmisión de mensajes de voz en la frecuencia superior de la señal de voz kHz y desviación de frecuencia kHz, el índice, como es fácil ver, alcanza un valor de ~3-4. En los sistemas de radiodifusión de ondas métricas, el índice de modulación de frecuencia puede exceder un valor igual a 10. Por tanto, consideraremos las características espectrales de las señales de FM en valores arbitrarios de .

Volvamos a la expresión (4.32). Se conocen los siguientes tipos de descomposición.

¿Dónde está la función de Bessel de primer tipo de décimo orden?

Sustituyendo estas expresiones en (4.32), después de transformaciones simples pero bastante engorrosas usando las relaciones de productos de cosenos y senos ya mencionadas repetidamente anteriormente, obtenemos

(4.36)

Dónde .

La expresión resultante representa la descomposición de una señal de FM de un solo tono en componentes armónicos, es decir espectro de amplitud. El primer término de esta expresión es el componente espectral de la oscilación de la frecuencia portadora con amplitud . La primera suma de la expresión (4.35) caracteriza los componentes laterales con amplitudes y frecuencias, es decir la banda lateral inferior, y la segunda suma son los componentes laterales con amplitudes y frecuencias, es decir banda lateral superior del espectro.

El diagrama espectral de la señal de FM en forma arbitraria se muestra en la Fig. 4.9.

Analicemos la naturaleza del espectro de amplitud de la señal de FM. En primer lugar, observamos que el espectro es simétrico con respecto a la frecuencia portadora y teóricamente es infinito.

Los componentes de las bandas laterales están ubicados a una distancia Ω entre sí, y sus amplitudes Depende del índice de modulación de frecuencia. Y finalmente, las componentes espectrales de las frecuencias laterales inferior y superior con índices pares tienen las mismas fases iniciales, mientras que las componentes espectrales con índices impares difieren en un ángulo.

La tabla 4.1 muestra los valores de la función de Bessel para varios i Y . Prestemos atención al componente de la vibración del portador. La amplitud de este componente es igual a . De la Tabla 4.1 se deduce que cuando amplitud , es decir no hay componente espectral de la onda portadora en el espectro de la señal de FM. Pero esto no significa la ausencia de oscilación de la portadora en la señal de FM (4.30). Simplemente, la energía de la vibración del portador se redistribuye entre los componentes de las bandas laterales.

Tabla 4.1

Como ya se destacó anteriormente, el espectro de la señal de FM es teóricamente infinito. En la práctica, el ancho de banda de los dispositivos de radio siempre es limitado. Estimemos el ancho del espectro práctico en el que la reproducción de una señal de FM puede considerarse sin distorsión.

La potencia promedio de la señal de FM se determina como la suma de las potencias promedio de los componentes espectrales.

Los cálculos mostraron que alrededor del 99% de la energía de la señal de FM se concentra en componentes de frecuencia con números. Esto significa que los componentes de frecuencia con números puede ser descuidado. Entonces, la anchura práctica del espectro para FM monotonal, teniendo en cuenta su simetría con respecto a

y para valores grandes

Aquellos. igual al doble de la desviación de frecuencia.

Por tanto, la anchura del espectro de la señal de FM es aproximadamente veces mayor que la anchura del espectro de la señal de AM. Al mismo tiempo, se utiliza para transmitir información. toda la energía señal. Ésta es la ventaja de las señales de modulación de frecuencia sobre las señales de modulación de amplitud.

4.5. Señales de modulación discreta.

Las señales de modulación continua comentadas anteriormente se utilizan principalmente en radiodifusión, radiotelefonía, televisión y otros. Al mismo tiempo, la transición a las tecnologías digitales en la ingeniería de radio, incluso en las áreas enumeradas, ha llevado al uso generalizado de señales con modulación o manipulación discreta. Dado que históricamente las señales de modulación discretas se utilizaron por primera vez para transmitir mensajes telegráficos, dichas señales también se denominan señales telegráficas de amplitud (AT), frecuencia (FT) y fase (PT). A continuación, a la hora de describir las señales correspondientes, se utilizará esta abreviatura, que las distinguirá de las señales con modulación continua.

4.5.1. Señales de modulación de amplitud discreta

Las señales de modulación de amplitud discreta se caracterizan por el hecho de que la amplitud de la onda portadora cambia de acuerdo con la señal de control, que es una secuencia de pulsos, generalmente de forma rectangular. Al estudiar las características de las señales con modulación continua, se consideró una señal armónica como señal de control. Por analogía con esto, para señales con modulación discreta, utilizamos una secuencia periódica de pulsos rectangulares como señal de control.

Obviamente, como se desprende de (4.39), la duración del pulso es y el ciclo de trabajo es.

En la Fig. La figura 4.10 muestra diagramas de una señal de control, una oscilación de la portadora y una señal codificada en amplitud. Aquí y más asumiremos que la amplitud de los pulsos de la señal de control es igual a , y la fase inicial de la oscilación de la portadora es igual a . Entonces la señal con modulación de amplitud discreta se puede escribir de la siguiente manera

Anteriormente se obtuvo la expansión de una secuencia de pulsos rectangulares en una serie de Fourier (2.13). Para el caso considerado, la expresión (2.13) toma la forma

Sustituyendo (4.41) en (4.40) y usando la fórmula del producto de cosenos, obtenemos:

En la Fig. La Figura 4.11 muestra el espectro de amplitud de una señal modulada en amplitud por una secuencia de pulsos rectangulares. El espectro contiene una componente de frecuencia portadora con amplitud y dos bandas laterales, cada una de las cuales consta de un número infinito de componentes armónicos ubicados en frecuencias cuyas amplitudes varían según la ley. . Las bandas laterales, al igual que en la AM continua, se encuentran en una imagen especular con respecto a la componente espectral de la frecuencia portadora. Los ceros del espectro de amplitud de la señal AT corresponden a los ceros del espectro de amplitud de la señal, pero están desplazados una cantidad hacia la izquierda y hacia la derecha.

Debido al hecho de que la mayor parte de la energía de la señal de control se concentra dentro del primer lóbulo del espectro, la anchura práctica del espectro en el caso considerado, según la Fig. 4.11 se puede definir como

. (4.43)

Este resultado es consistente con los cálculos del espectro dados en [L.4], donde se muestra que la mayor parte de la potencia se concentra en los componentes laterales con frecuencias y .

4.5.2. Señales de modulación de frecuencia discreta

Al analizar señales con modulación angular discreta, es conveniente utilizar como señal moduladora una secuencia periódica de pulsos rectangulares del tipo “meandro”. Entonces la señal de control durante el intervalo de tiempo toma el valor , y en el intervalo de tiempo - el valor . Nuevamente, como en el análisis de señales AT, asumiremos .

Como se desprende de la subsección 4.3.1, una señal modulada en frecuencia se describe mediante la expresión (4.24). Luego, teniendo en cuenta que en el intervalo la señal de control , y en el intervalo la señal de control , luego de realizar la operación de integración obtenemos la expresión para la señal CT

La Figura 4.12 muestra los diagramas de tiempos de la señal de control, la oscilación de la portadora y la señal de modulación de frecuencia discreta.

Por otro lado, la señal CT, como se muestra en la Fig. 4.12, se puede representar mediante la suma de dos señales discretas de modulación de amplitud y , cuyas frecuencias de oscilaciones de la portadora son respectivamente iguales

,

Conferencia No. 6 Señales moduladas

Se entiende por modulación un proceso (lento en comparación con el período de oscilación de la portadora) en el que uno o más parámetros de la oscilación de la portadora se modifican según la ley del mensaje transmitido. Las oscilaciones obtenidas durante el proceso de modulación se denominan señales de radio. Dependiendo de cuál de los parámetros nombrados de la oscilación de la portadora está sujeto a cambios, existen dos tipos principales de modulación analógica: de amplitud y angular. El último tipo de modulación, a su vez, se divide en frecuencia y fase. En los sistemas modernos de transmisión de información digital, la modulación en cuadratura (amplitud-fase o fase-amplitud - FAM; modulación de fase de amplitud), en la que tanto la amplitud como la fase cambian simultáneamente. , se ha vuelto una señal generalizada. Este tipo de modulación se clasifica en analógico y digital.

En los sistemas de radio se utilizan a menudo y se utilizarán distintos tipos de modulación por impulsos y digital, en los que las señales de radio se presentan en forma de los llamados impulsos de radio.

Señales de radio con tipos de modulación analógica. En el proceso de modulación de amplitud de la onda portadora (1)

su amplitud debe cambiar según la ley: (2)

donde U H es la amplitud de la portadora en ausencia de modulación; ω 0 - frecuencia angular; φ 0 - fase inicial; ψ(t) = ω 0 + φ 0 - fase total (actual o instantánea) de la portadora; k A - coeficiente de proporcionalidad adimensional; e(t) - señal moduladora. U H (t) en ingeniería de radio se suele denominar envolvente de una señal de amplitud modulada (señal AM).

Sustituyendo (2) en (1) obtenemos la fórmula general de la señal AM (3)

Modulación de amplitud de un solo tono si la señal moduladora es una oscilación armónica (4)

dónde E 0 - amplitud; Ω = 2π/T 1 = 2πF - frecuencia de modulación angular; F-

frecuencia de modulación cíclica; T 1 - período de modulación; θ 0 - fase inicial.

Sustituyendo la fórmula (4) en la relación (3), obtenemos la expresión para la señal AM (5)

ACERCA DE denotando a través de ∆U = k A E 0 - la desviación máxima de la amplitud de la señal AM de la amplitud de la portadora U H y realizando cálculos simples, obtenemos (6)

Relación de modulación de amplitud o profundidad.

espectro de señal AM. Aplicando la fórmula trigonométrica para el producto de cosenos en la expresión (5), luego de cálculos simples obtenemos (7)

De la fórmula (7) se desprende claramente que con la modulación de amplitud de un solo tono, el espectro de la señal AM consta de tres componentes de alta frecuencia. El primero de ellos es la vibración inicial del portador con amplitud constante U H y frecuencia c ω 0. Los componentes segundo y tercero caracterizan nuevas oscilaciones armónicas que aparecen durante el proceso de modulación de amplitud y reflejan la señal transmitida. Las oscilaciones con frecuencias ω 0 + Ω y ω 0 - Ω se denominan, respectivamente, componentes laterales superior (banda lateral superior - USB) e inferior (banda lateral inferior - LSB).

Ancho espectral real de la señal AM con modulación monotono (8)

En la práctica, las señales AM de un solo tono se utilizan con fines docentes o de investigación. La señal moduladora real tiene una composición espectral compleja. Matemáticamente, una señal de este tipo, que consta de N armónicos, se puede representar mediante la serie trigonométrica N (10)

Aquí las amplitudes de los armónicos de la señal moduladora compleja E i son arbitrarias y sus frecuencias forman un espectro ordenado Ω 1< Ω 2 < ...< Ω i < ...< Ω N . В отличие от ряда Фурье частоты Ω i не обязательно кратны друг другу. Подставляя (10) в (3), после несложных преобразований, получим выражение АМ-сигнала с начальной фазой несущего ф0 = О (11)

(12)

Un conjunto de coeficientes de modulación parciales (parciales). Estos coeficientes caracterizan la influencia de los componentes armónicos de la señal moduladora en el cambio general en la amplitud de la oscilación de alta frecuencia. Usando la fórmula trigonométrica para el producto de dos cosenos y realizando transformaciones simples, escribimos (11) en la forma (13)

Arroz. 2. Diagramas espectrales modulados por una señal compleja:

a - señal moduladora; segundo - señal AM

El ancho del espectro de una señal AM compleja es igual al doble de la frecuencia más alta en el espectro de la señal moduladora Ω N, es decir (14)

Modulación de frecuencia

Con modulación de frecuencia (FM), el valor instantáneo de la frecuencia portadora ω(t) está relacionado con la señal moduladora e(t) por dependencia (15)

aquí k H es el coeficiente de proporcionalidad dimensional entre frecuencia y voltaje, rad/(V-s).

La fase completa de la señal de FM en cualquier momento t se determina integrando la frecuencia instantánea expresada mediante la fórmula (15),

Arroz. 3. Modulación de frecuencia de un solo tono:

a - vibración del portador; b - señal moduladora; c-señal de FM

Desviación de frecuencia máxima del valor ω 0, o desviación de frecuencia (desviación de frecuencia) durante la modulación de frecuencia;

La desviación máxima de la fase actual ω 0 t o la desviación de fase de la oscilación de la portadora se denomina índice de modulación de frecuencia. Este parámetro determina la intensidad de las oscilaciones de la fase inicial de la señal de radio.

Teniendo en cuenta las relaciones obtenidas (1) y (16), la señal modulada en frecuencia se escribirá de la siguiente forma:

Espectro de una señal de FM con modulación de un solo tono. Transformemos la expresión resultante (17)

Espectro de una señal de FM en m «1 (esta modulación angular se denomina banda estrecha). En este caso, se cumplen las siguientes igualdades aproximadas: (18)

Sustituyendo las fórmulas (18) en la expresión (17), después de simples transformaciones matemáticas obtenemos (en las fases iniciales de las oscilaciones moduladoras y portadoras θ 0 = 0 y φ 0 = 0): (19)

Vemos que a partir de la notación analítica, el espectro de una señal de FM con modulación de un solo tono se asemeja al espectro de una señal de AM y también consta de una vibración portadora y dos componentes laterales con frecuencias (ω 0 + Ω) y (ω 0 - Ω), y sus amplitudes se calculan de manera similar (solo que en lugar del coeficiente de modulación de amplitud M, en la fórmula de la señal de FM aparece el índice de modulación angular m). Pero también hay una diferencia fundamental que convierte la modulación de amplitud en modulación de frecuencia, un signo menos delante de uno de los componentes laterales.

Espectro de señal de FM enmetro> 1 . Se sabe por las matemáticas (20) (21)

donde J n (m) es la función de Bessel de primer tipo de enésimo orden.

EN
Teoría de las funciones de Bessel, se demuestra que las funciones con índices positivos y negativos están relacionadas entre sí mediante la fórmula (22)

Sustituimos las series (20) y (21) en la fórmula (17) y luego reemplazamos el producto de cosenos y senos con mediasumas de los cosenos de los argumentos correspondientes. Luego, teniendo en cuenta (22), obtenemos la siguiente expresión para la señal de FM (23)

Entonces, el espectro de una señal de FM con modulación de un solo tono en el índice

La modulación m > 1 consta de muchos armónicos de alta frecuencia: una vibración portadora y un número infinito de componentes laterales con frecuencias ω 0 + nΩ. y ω 0 -nΩ, ubicados en pares y simétricamente con respecto a la frecuencia portadora ω 0 .

En este caso, con base en (22), se puede observar que las fases iniciales de oscilaciones laterales con frecuencias ω 0 + nΩ. y ω 0 -nΩ coinciden si m es un número par y difieren en 180° si m es impar. Teóricamente, el espectro de una señal de FM (así como de una señal de FM) es infinito, pero en casos reales es limitado. Ancho de banda práctico de señales moduladas en ángulo.

Las señales de FM y FM utilizadas en la práctica en ingeniería de radio y comunicaciones tienen un índice de modulación m>> 1, por lo tanto

PAG La banda de frecuencia de una señal de FM con modulación de un solo tono es igual al doble de la desviación de frecuencia y no depende de la frecuencia de modulación.

Comparación de la inmunidad al ruido de sistemas de radio con modulación de amplitud y ángulo. Cabe señalar que las señales de radio con modulación de ángulo tienen una serie de ventajas importantes sobre las oscilaciones con modulación de amplitud.

1. Dado que con la modulación angular la amplitud de las oscilaciones moduladas no transporta ninguna información y no se requiere su constancia (a diferencia de la modulación de amplitud), casi cualquier cambio no lineal dañino en la amplitud de la señal de radio durante la comunicación no conduce a una distorsión notable de el mensaje transmitido.

2. La constancia de la amplitud de la señal de radio durante la modulación angular permite utilizar plenamente las capacidades energéticas del generador de frecuencia portadora, que opera con una potencia de oscilación promedio constante.

Señales moduladas en amplitud y sus espectros.

En la modulación de amplitud (AM), la amplitud de la señal portadora se ve afectada por la señal del mensaje. El valor instantáneo de una oscilación AM con portadora armónica se puede escribir como

donde U m (t) – “amplitud variable” o envolvente de amplitud;

– frecuencia angular de la señal portadora;

– fase inicial de la señal portadora.

La “amplitud variable” U m (t) es proporcional a la señal de control (señal de mensaje) U c (t):

, (2.17)

donde U m 0 es la amplitud de la señal portadora antes de la modulación de amplitud, es decir, llegando al modulador;

– coeficiente de proporcionalidad.

Al modular una señal portadora con una señal de mensaje, es necesario asegurarse de que U m (t) sea un valor positivo. Este requisito se cumple eligiendo el coeficiente.

Para eliminar la influencia de procesos transitorios en el circuito radioelectrónico del modulador y otros circuitos de conversión de señal modulada en el espectro de la señal del mensaje, se debe cumplir la siguiente condición: el componente espectral de frecuencia más alta en el espectro limitado de la señal del mensaje debe tener una frecuencia , que está garantizada por la elección de la frecuencia de la señal portadora.

En la Fig. Las figuras 2.10 y 2.11 muestran dos ejemplos de trazado de oscilaciones AM. En las figuras se muestran los siguientes gráficos:

a – señal de mensaje u c (t);

b – señal portadora u 0 (t);

c – envolvente de amplitud U m (t);

d – señal AM u(t).

Para comprender la formación del espectro de una señal AM, consideremos un caso simple: una oscilación de un solo tono modulada en amplitud. En este caso, la señal moduladora es armónica (tono único):

con amplitud U mc, frecuencia y fase inicial.

La envolvente de amplitud de una oscilación AM monotono tiene la forma:

donde es el incremento máximo de amplitud. Valor instantáneo de la oscilación AM de un solo tono.

La relación se llama factor de profundidad de modulación o simplemente factor de modulación. Desde U m (t) > 0 luego 0 < metro < 1. A menudo m se mide como porcentaje, entonces 0 < metro < 100%. Teniendo en cuenta la introducción del coeficiente de modulación, escribimos la oscilación modulada de un solo tono en la forma:

En la figura 1 se muestran gráficos que explican el proceso de modulación de amplitud de un solo tono. 2.12.

Arroz. 2.12. Modulación de amplitud de un solo tono

Para encontrar el espectro de una señal monotonal modulada en amplitud, es necesario realizar las siguientes transformaciones:

(2.20)

Al derivar la expresión (2.20), se utilizó la fórmula trigonométrica.

Así, con la modulación de amplitud de un solo tono de la señal portadora, el espectro contiene tres componentes: uno en la frecuencia portadora tiene una amplitud U m 0 y dos en las frecuencias laterales con amplitudes mU m 0 /2, dependiendo del coeficiente de modulación; Cajero automático < 1 sus amplitudes no son más que la mitad de la amplitud del armónico portador. Las fases iniciales de las oscilaciones de los componentes espectrales laterales difieren de la fase inicial en una cantidad. En la Fig. La Figura 2.13 muestra gráficos de ASF y PSF de una oscilación de un solo tono con modulación de amplitud.

Arroz. 2.13. Espectro de una oscilación de amplitud modulada de un solo tono.

Del análisis del espectro se deduce que la ASF es par con respecto a la frecuencia, y la FSF es impar con respecto al punto con coordenadas ( , ).

Siempre que todos los componentes del espectro sean de alta frecuencia, dicha señal se puede transmitir de manera efectiva mediante ondas electromagnéticas.

Consideremos los parámetros de energía de una señal AM de un solo tono. La potencia promedio liberada por unidad de resistencia durante el período de la señal portadora es

En ausencia de modulación, esta potencia es igual a

y durante la modulación varía de

.

Si m = 100%, entonces , y P min = 0. La potencia promedio de la señal durante el período de modulación será la suma de las potencias de los componentes espectrales.

En el caso de m=100% P av = 1,5P 0 .

Pasemos a considerar el caso general de la llamada señal AM multitono. La señal moduladora, es decir, la señal del mensaje, tiene un espectro de la forma (1.22)

.

La envolvente de amplitud tiene la forma:

donde es el incremento máximo en la amplitud del enésimo armónico de la señal moduladora.

La expresión para una señal AM multitono tendrá la siguiente forma:

(2.23)

donde es el coeficiente de modulación del enésimo armónico de la señal moduladora. Aplicando transformaciones trigonométricas similares a las realizadas para la modulación de amplitud de un solo tono, obtenemos

(2.24)

La expresión (2.24) representa el espectro de la señal modulada en amplitud. En cuanto a las oscilaciones con frecuencia, hay dos filas de componentes con frecuencias laterales superior e inferior. Estos componentes forman las llamadas bandas laterales superior e inferior del espectro.

Es imposible transmitir todo el espectro de la señal AM a través del canal de información por las siguientes razones. En primer lugar, es imposible crear un circuito lineal ideal en el rango de frecuencia, consulte el párrafo 1.4. En segundo lugar, a medida que aumenta el ancho de banda de un circuito lineal, la relación entre la potencia de la señal y la potencia del ruido puede disminuir (consulte la sección 1.5). En tercer lugar, el ancho de banda, si es posible, debe ser mínimo para que en un rango de frecuencia determinado funcionen tantas líneas de radio (canales de radio) como sea posible sin afectarse entre sí, es decir, sin crear interferencias entre sí. En consecuencia, el espectro de la señal está limitado a la frecuencia más alejada de la frecuencia de la señal portadora. En la Fig. 2.14 muestra el espectro de amplitud de la señal AM. El ancho del espectro está determinado por la frecuencia máxima en el espectro de la señal moduladora y es 2. En la tabla se presentan los anchos de espectro aproximados para algunas señales AM. 1.1.

Las señales moduladas en ángulo, como la AM, se pueden representar como una suma de oscilaciones armónicas. Esto se puede hacer con relativa facilidad para la modulación de tono. Con la modulación tonal, los espectros PM y FM son iguales si , por lo que consideraremos sólo el espectro de la señal FM.

Transformemos (2.15) usando la fórmula del coseno para la suma de dos argumentos:

¿Dónde está la función de Bessel de orden ésimo del argumento? Sustituyendo (2.17) en (2.16), realizando las transformaciones algebraicas habituales y revelando el producto de funciones trigonométricas, obtenemos:

.

Por tanto, el espectro, incluso para la modulación angular de un solo tono, es bastante complejo. En la fórmula (2.18), el primer término es el componente armónico con la frecuencia portadora. Grupo de componentes armónicos con frecuencias. define la banda lateral superior y el grupo de componentes con frecuencias banda lateral inferior. El número de armónicos superiores e inferiores de las frecuencias laterales es teóricamente infinito. Las vibraciones armónicas laterales se ubican simétricamente con respecto a la distancia. Las amplitudes de todos los componentes del espectro, incluidos los de frecuencia, son proporcionales a los valores de las funciones de Bessel.

La fórmula (2.18) se puede presentar de una forma más compacta. realmente considerando , obtenemos:

.

Para construir diagramas espectrales es necesario conocer las funciones de Bessel para varios valores de y . Esta información está disponible en libros de referencia de matemáticas. En la Fig. 2.6 muestra gráficas de funciones de Bessel para . Los valores de las funciones de Bessel que faltan en los gráficos se pueden encontrar usando la fórmula recurrente:

.

Ejemplo 2.1. Se da una expresión analítica para la señal modulada. Construya un diagrama espectral de esta señal.

De la ecuación matemática de la señal se deduce que se trata de una modulación angular monotonal con índice . Las componentes espectrales de la señal se determinan a partir de la ecuación (2.18), tomando , hasta que se especifique la amplitud de las componentes, por ejemplo, menos del 2% de . Con base en los resultados del cálculo, se construyó un diagrama espectral (Fig. 2.7).

El análisis de las gráficas de las funciones de Bessel muestra que cuanto mayor es el orden de la función de Bessel, mayores son los argumentos que se observa su máximo, pero con los valores de las funciones de Bessel resultan ser pequeños. En consecuencia, los componentes correspondientes del espectro también serán pequeños; se pueden descuidar. Por lo tanto, el ancho del espectro de señales con modulación angular se puede determinar aproximadamente mediante la fórmula.

Te lo advierto de inmediato: simplemente no funcionará. La modulación es algo demasiado complicado.

Para entender qué es la modulación, necesitas saber qué es la frecuencia, así que comencemos con eso.
Por ejemplo, tomemos un swing: la frecuencia de swing de un swing es el número de oscilaciones completas, swings por segundo.
Completo, esto significa que una oscilación es el movimiento del swing desde la posición extrema izquierda, hacia abajo, pasando por el centro hasta el nivel máximo a la derecha y luego nuevamente a través del centro hasta el mismo nivel a la izquierda.
Un columpio de jardín normal tiene una frecuencia de aproximadamente 0,5 hercios, lo que significa que completa un columpio completo en 2 segundos.
El altavoz de la columna de sonido oscila mucho más rápido, reproduciendo la nota "A" de la primera octava (440 hercios), produce 440 vibraciones por segundo.
En los circuitos eléctricos, las oscilaciones son una oscilación de voltaje, desde un valor positivo máximo, hacia abajo, pasando por un voltaje cero hasta un valor negativo máximo, hacia arriba, pasando por cero nuevamente hasta un valor positivo máximo. O desde el voltaje máximo, pasando por un cierto promedio hasta el mínimo, luego nuevamente por el promedio, nuevamente hasta el máximo.
En un gráfico (o pantalla de osciloscopio) se ve así:

La frecuencia de las fluctuaciones de voltaje a la salida de una estación de radio que emite una portadora en el canal 18 de la red C en Europa será de 27.175.000 oscilaciones por segundo o 27 megahercios y 175 kilohercios (megamillones; kilomil).

Para que la modulación sea visual, inventemos dos señales determinadas, una con una frecuencia de 1000 Hz y la segunda con una frecuencia de 3000 Hz, gráficamente se ven así:

Observemos cómo se muestran estas señales en los gráficos de la izquierda. Estos son gráficos de frecuencia y nivel. Cuanto mayor sea la frecuencia de la señal, más a la derecha se mostrará la señal en dicho gráfico; cuanto mayor sea su nivel (potencia), más alta será la línea de esta señal en el gráfico;

Ahora imagine que hemos sumado ambas señales, es decir, en forma terminada, nuestra señal de prueba ficticia es la suma de dos señales. ¿Cómo lo juntaste? Es muy simple: colocamos un micrófono y sentamos a dos personas frente a él: un hombre que gritó a una frecuencia de 1000 Hz y una mujer que chilló a 3000 Hz, en la salida del micrófono recibimos nuestra señal de prueba, que se ve así :

Y es precisamente esta señal de prueba la que “alimentaremos” la entrada de micrófono de nuestro transmisor ficticio, estudiando qué se obtiene en la salida (en la antena) y cómo afecta todo ello a la inteligibilidad y alcance de la comunicación.

Sobre la modulación en general.

La señal portadora modulada a la salida de cualquier transmisor en cualquier caso (con cualquier modulación) se obtiene sumando o multiplicando la señal portadora por la señal que se desea transmitir, por ejemplo, la señal de la salida de un micrófono. La única diferencia entre las modulaciones es qué se multiplica, qué se suma y en qué parte del circuito transmisor ocurre esto.
En cuanto a la recepción, todo se reduce a aislar de la señal recibida con qué se ha modulado la señal, amplificarla y hacerla comprensible (audible, visible).

Modulación de amplitud - AM (AM, modulación de amplitud)

Como puede ver, con la modulación de amplitud, el nivel de voltaje de las oscilaciones de alta frecuencia (portadora) depende directamente de la magnitud del voltaje proveniente del micrófono.
El voltaje en la salida del micrófono aumenta y el voltaje de la portadora en la salida del transmisor también aumenta, es decir, más potencia en la salida, menos voltaje del micrófono, menos voltaje en la salida. Cuando el voltaje en la salida del micrófono está en una determinada posición central, el transmisor emite una determinada potencia central (con modulación AM al 100% y silencio frente al micrófono al 50% de potencia).
La profundidad de modulación AM es el nivel de influencia de la señal del micrófono en el nivel de potencia de salida del transmisor. Si la oscilación es del 30%, entonces el pulso de voltaje negativo más fuerte del micrófono reducirá el nivel de la portadora de salida en un 30% de la potencia máxima.
Y así es como se ve el espectro de una señal con modulación AM (distribución de sus componentes por frecuencia):

En el centro, a una frecuencia de 27175000 Hz, tenemos la portadora, y debajo y encima de la frecuencia están las “bandas laterales”, es decir, la suma de la señal portadora y las frecuencias de audio de nuestra señal de prueba:
27175000+1000Hz y 27175000-1000Hz
27175000+3000Hz y 27175000-3000Hz
Las señales de portadora menos audio son la banda lateral inferior y las señales de portadora más audio son la banda lateral superior.
No es difícil notar que solo una banda lateral es suficiente para transmitir información; la segunda solo repite la misma información, pero solo con el signo opuesto, desperdiciando la potencia del transmisor en irradiar esta información duplicada al aire.
Si eliminas la portadora, que no contiene ninguna información útil, y una de las bandas laterales, obtienes modulación SSB (en ruso: OBP), modulación con una banda lateral y sin portadora (modulación de banda lateral única).

Modulación SSB (SSB, modulación de banda lateral única)

Así es como se ve SSB en la salida del transmisor:

Se puede observar que esta señal no es muy diferente de la modulación AM. Es comprensible que SSB sea una continuación de AM, es decir, SSB se crea a partir de la modulación AM, de cuya señal se eliminan la banda lateral y la portadora innecesarias.
Si nos fijamos en el espectro de la señal, la diferencia es obvia:

No hay portadora ni banda lateral duplicada (este gráfico muestra USB, es decir, modulación de banda lateral única, donde se deja la banda lateral superior, también hay LSB, es decir, cuando se deja la banda lateral inferior).
No hay operador ni respaldo: toda la potencia del transmisor se gasta únicamente en transmitir información útil.
Es simplemente imposible recibir dicha modulación en un receptor AM normal. Para recibir, debe restaurar el "punto de partida": el transportista. Esto es fácil de hacer: se conoce la frecuencia a la que opera el transmisor, lo que significa que solo necesita agregar una portadora de la misma frecuencia y aparecerá el punto de partida. El lector curioso probablemente ya se habrá dado cuenta de que si no se conoce la frecuencia del transmisor, entonces el punto de partida será incorrecto, agregaremos la portadora incorrecta, ¿qué escucharemos? Y al mismo tiempo escucharemos la voz de un “toro” o de un “gnomo”. Esto sucederá porque el receptor en este tipo de modulación no sabe qué frecuencias teníamos inicialmente, si eran 1000 Hz y 3000 Hz, 2000 Hz y 4000 Hz, o 500 Hz y 2500 Hz; las "distancias" entre las frecuencias son correctas, pero comenzaron a cambio, lo que resulta en un "pipí-pipí" o un "boo-boo-boo".

Modulación CW (telégrafo)

Con el telégrafo todo es simple: es una señal de modulación 100% AM, solo que nítida: o hay señal en la salida del transmisor o no hay señal. Se presiona la tecla del telégrafo, hay una señal, se suelta, no hay nada.
El telégrafo se ve así en los gráficos:

En consecuencia, el espectro de la señal telegráfica:

Es decir, la frecuencia portadora se modula al 100% presionando la tecla de telégrafo.
¿Por qué hay 2 barras en el espectro, que se alejan ligeramente de la señal de "frecuencia central", y no solo una: la portadora?
Aquí todo es simple: sea como fuere, un telégrafo es AM, y AM es la suma de señales portadoras y de modulación, ya que un telégrafo (código Morse) es una serie de pulsaciones de teclas, entonces estas también son oscilaciones con una determinada frecuencia. , aunque bajo en comparación con el sonido. Es con la frecuencia de presionar la tecla que las bandas laterales de la señal telegráfica se alejan del portador.
¿Cómo transmitir tales señales?
En el caso más simple, presionando el botón de transmisión durante el silencio frente al micrófono.
¿Cómo recibir tales señales?
Para recibir, debe convertir en sonido el transportista que aparece en el aire al mismo tiempo que se presiona la tecla. Hay muchos métodos, el más simple es conectar un circuito a la salida del detector del receptor de AM que emite un pitido cada vez que aparece voltaje en el detector (es decir, se suministra una portadora al detector). Una forma más compleja y razonable es mezclar la señal proveniente del aire con la señal del generador (oscilador local) integrado en el receptor y alimentar la diferencia de señales a un amplificador de audio. Entonces, si la frecuencia de la señal en el aire es 27175000Hz, la frecuencia del generador del receptor es 27174000, entonces la señal 27175000+27174000=54349000Hz y 27175000-27174000=1000Hz se recibirá en la entrada del amplificador de audio, naturalmente la primera. de ellos no es una señal de audio, sino una señal de radio, el amplificador de audio no la amplificará, pero el segundo, 1000Hz, es un sonido ya audible y lo amplificará y escucharemos “piiiiii” mientras haya una portadora encendida. el aire y el silencio (ruido del aire) cuando no lo hay.
Por cierto, cuando dos personas empiezan a transmitir al mismo tiempo, creo que mucha gente ha notado el efecto “piiiiii” que surge de la suma y resta de portadoras en el receptor. Lo que se escucha es la diferencia entre las señales portadoras que se producen en nuestro receptor.

Modulación FM (FM, modulación de frecuencia)

La esencia real de la modulación de frecuencia es simple: la frecuencia portadora cambia ligeramente en el tiempo con el voltaje en la salida del micrófono. Cuando el voltaje en el micrófono aumenta, la frecuencia también aumenta; cuando el voltaje en la salida del micrófono disminuye, la frecuencia portadora también disminuye.
La disminución y el aumento de la frecuencia portadora se producen dentro de pequeños límites, por ejemplo, para las estaciones de radio CB es de más/menos 3000 Hz con una frecuencia portadora de aproximadamente 27 000 000 Hz, para las estaciones de radiodifusión de FM es de más/menos 100 000 Hz.
Parámetro de modulación FM - índice de modulación. La relación entre el sonido de la frecuencia máxima que transmitirá el amplificador de micrófono del transmisor y el cambio máximo en la frecuencia portadora con el sonido más fuerte. No es difícil notar que para CB es 1 (o 3000/3000), y para estaciones de transmisión de FM es aproximadamente 6 ... 7 (100000/15000).
Con la modulación FM, el nivel de la portadora (potencia de la señal del transmisor) es siempre constante y no cambia según el volumen de los sonidos frente al micrófono;
En forma gráfica, a la salida del transmisor de FM, la modulación se ve así:

Con la modulación FM, como con AM, hay una portadora y dos bandas laterales en la salida del transmisor, ya que la frecuencia portadora oscila al compás de la señal moduladora, alejándose del centro:

DSB, DChT, fase y otros tipos de modulación.

Para ser justos, cabe señalar que existen otros tipos de modulación de portadora:
DSB: dos bandas laterales y sin portadora. DSB, esencialmente modulación AM en la que la portadora ha sido eliminada (cortada, suprimida).
DCT: el telégrafo de doble frecuencia, de hecho, no es más que una modulación de frecuencia, pero presionando una tecla de telégrafo. Por ejemplo, un punto corresponde a un desplazamiento de portadora de 1000 Hz y un guión corresponde a 1500 Hz.
Modulación de fase: modulación de la fase de la portadora. La modulación de frecuencia en índices pequeños 1-2 es esencialmente modulación de fase.

En algunos sistemas (televisión, radiodifusión estéreo FM), la modulación de la portadora la realiza otra portadora modulada, y ésta ya transporta información útil.
Por ejemplo, en pocas palabras, una señal de transmisión estéreo de FM es una portadora modulada por modulación de frecuencia, siendo la señal en sí misma una portadora modulada por modulaciones DSB, donde una banda lateral es la señal del canal izquierdo y la otra banda lateral es el canal de audio derecho. señal.

Aspectos importantes de la recepción y transmisión de señales AM, FM y SSB

Dado que AM y SSB son modulaciones en las que la señal de salida del transmisor es proporcional al voltaje proveniente del micrófono, es importante que se amplifique linealmente tanto en el lado receptor como en el transmisor. Es decir, si el amplificador se amplifica 10 veces, entonces con un voltaje en su entrada de 1 voltio, la salida debe ser de 10 voltios, y con 17 voltios en la entrada, la salida debe ser exactamente 170 voltios. Si el amplificador no es lineal, es decir, a un voltaje de entrada de 1 voltio, la ganancia es 10 y en la salida 10 voltios, y a 17 voltios en la entrada la ganancia es solo 5 y la salida es 85 voltios, entonces distorsión Aparecerá: sibilancias y gruñidos con sonidos fuertes frente al micrófono. Si, por el contrario, la ganancia es menor para señales de entrada pequeñas, entonces habrá sibilancias con sonidos suaves y matices desagradables incluso con sonidos fuertes (porque al comienzo de su vibración, cualquier sonido pasa por una zona cercana a cero).
La linealidad de los amplificadores para modulación SSB es especialmente importante.

Para ecualizar los niveles de señal en los receptores AM y SSB, se utilizan componentes de circuitos especiales: controladores automáticos de ganancia (circuitos AGC). La tarea del AGC es seleccionar tal ganancia de los nodos receptores que tanto la señal fuerte (de un corresponsal cercano) como la débil (de uno distante) resulten en última instancia aproximadamente iguales. Si no se utiliza AGC, las señales débiles se escucharán en silencio y las fuertes destrozarán el emisor de sonido del receptor, como una gota de nicotina desgarra a un hámster. Si el AGC reacciona demasiado rápido a un cambio de nivel, entonces comenzará no solo a ecualizar los niveles de las señales de los corresponsales cercanos y distantes, sino también a "estrangular" la modulación dentro de la señal, reduciendo la ganancia cuando aumenta el voltaje y aumentándolo cuando el voltaje disminuye, reduciendo toda la modulación a una señal no modulada.

La modulación FM no requiere una linealidad especial de los amplificadores; con la modulación FM, la información se transmite mediante un cambio de frecuencia y ninguna distorsión o limitación del nivel de la señal puede cambiar la frecuencia de la señal. En realidad, en un receptor de FM, generalmente se instala un limitador de nivel de señal, ya que el nivel no es importante, la frecuencia es importante, y cambiar el nivel solo interferirá con resaltar los cambios de frecuencia y convertir la portadora de FM en el sonido de la señal con el cual es modulado.
Por cierto, precisamente porque en el receptor de FM todas las señales son limitadas, es decir, los ruidos débiles tienen casi el mismo nivel que una señal fuerte y útil, en ausencia de una señal de FM el detector (demodulador) hace tanto ruido que intenta para resaltar el cambio de frecuencia del ruido en la entrada del receptor y el ruido del propio receptor, y en el ruido el cambio de frecuencia es muy grande y aleatorio, por lo que se escuchan sonidos fuertes aleatorios: ruido fuerte.
En un receptor de AM y SSB, hay menos ruido en ausencia de una señal, ya que el ruido del receptor en sí todavía tiene un nivel bajo y el nivel de ruido en la entrada es pequeño en comparación con la señal útil, y para AM y SSB es es el nivel que es importante.

Para el telégrafo, la linealidad tampoco es muy importante allí, la información se transmite por la presencia o ausencia del portador, y su nivel es solo un parámetro secundario.

FM, AM y SSB de oído

En las señales AM y SSB, el ruido pulsado es mucho más perceptible, como el crujido de los encendidos defectuosos de los automóviles, los clics de las descargas de rayos o el ruido sordo de los convertidores de voltaje pulsados.
Cuanto más débil es la señal, menor es su potencia, más silencioso es el sonido en la salida del receptor y cuanto más fuerte, más fuerte. Aunque AGC hace su trabajo nivelando los niveles de señal, sus capacidades no son infinitas.
Para la modulación SSB, es casi imposible utilizar un supresor de ruido y, en general, saber cuándo el otro corresponsal ha liberado la transmisión, ya que cuando hay silencio frente al micrófono en SSB, el transmisor no irradia nada al aire: hay no hay portadora, y si hay silencio frente al micrófono, entonces no hay bandas laterales.

Las señales de FM se ven menos afectadas por el ruido impulsivo, pero el alto nivel de ruido del detector de FM hace que sea insoportable sentarse sin silenciador en ausencia de una señal. Cada vez que se apaga la transmisión del corresponsal en el receptor, va acompañada de un característico "puf": el detector ya ha comenzado a convertir el ruido en sonido, pero el supresor de ruido aún no se ha cerrado.

Si escucha un receptor de AM en un receptor de FM o viceversa, escuchará gruñidos, pero aún podrá distinguir de qué están hablando. Si escucha SSB en un receptor de FM o AM, solo obtendrá un desorden de audio salvaje de “oink-zhu-zhu-bzhu” y absolutamente ninguna inteligibilidad.
En un receptor SSB se puede escuchar perfectamente CW (telégrafo), AM y, con cierta distorsión, FM con bajos índices de modulación.

Si dos o más emisoras de radio AM o FM se encienden simultáneamente en la misma frecuencia, el resultado es un desorden de portadoras, una especie de chirridos y chirridos entre los que no se oye nada.
Si dos o más transmisores SSB se encienden en la misma frecuencia, todos los que hablaron serán escuchados en el receptor, ya que SSB no tiene portadora y no hay nada que batir (mezcle hasta que silbe). Puedes escuchar a todos, como si todos estuvieran sentados en la misma habitación y comenzaran a hablar al mismo tiempo.

Si en AM o FM la frecuencia del receptor no coincide exactamente con la frecuencia del transmisor, aparecen distorsiones y "sibilancias" en los sonidos fuertes.
Si la frecuencia de un transmisor BLU cambia con el nivel de la señal (por ejemplo, el equipo no tiene suficiente potencia), entonces se puede escuchar un gorgoteo en la voz. Si la frecuencia del receptor o transmisor flota, entonces el sonido flota en frecuencia, luego "murmura", luego "chirría".

Eficiencia de los tipos de modulación: AM, FM y SSB

Teóricamente, enfatizo, teóricamente, con igual potencia del transmisor, el rango de comunicación dependerá del tipo de modulación de la siguiente manera:
AM = Distancia * 1
Copa del Mundo = Distancia * 1
SSB = Distancia * 2
En esa misma teoría, energéticamente, la SSB supera a la AM 4 veces en potencia, o 2 veces en voltaje. La ganancia aparece debido al hecho de que la potencia del transmisor no se gasta en emitir una portadora inútil y duplicar inútilmente la información de la segunda banda lateral.
En la práctica, la ganancia es menor, ya que el cerebro humano no está acostumbrado a escuchar el ruido de las ondas en las pausas entre sonidos fuertes y la inteligibilidad sufre un poco.
FM también es modulación "con sorpresa": algunos libros inteligentes dicen que AM y FM no son mejores entre sí, e incluso FM es peor, otros afirman que con índices de modulación bajos (y estas son estaciones de radioaficionados y CB) FM supera AM 1,5 veces. De hecho, según la opinión subjetiva del autor, la FM es aproximadamente 1,5 veces más “contundente” que la AM, principalmente porque la FM es menos susceptible al ruido impulsivo y a las fluctuaciones del nivel de la señal.

Equipos AM, FM y SSB en términos de complejidad y conversión de uno en otro

El equipo más complejo es el SSB.
De hecho, un dispositivo SSB puede funcionar fácilmente en AM o FM después de modificaciones insignificantes.
Es casi imposible convertir un transceptor de AM o FM a SSB (será necesario introducir muchísimos componentes adicionales en el circuito y rehacer completamente la unidad transmisora).
Del autor: personalmente, convertir un dispositivo AM o FM a SSB me parece una completa locura.
Monté el dispositivo SSB desde cero, pero no para convertir AM o FM en SSB.

El segundo más difícil es el aparato de FM.
De hecho, el dispositivo FM ya contiene en el receptor todo lo necesario para detectar señales AM, ya que también tiene AGC (control automático de ganancia) y por tanto un detector del nivel de la portadora recibida, es decir, esencialmente un completo Receptor de AM, que solo funciona en algún lugar del interior (el supresor de ruido de umbral también funciona desde esta parte del circuito).
Con el transmisor será más difícil, ya que casi todas sus etapas funcionan en modo no lineal.
Del autor: es posible rehacerlo, pero nunca fue necesario.

El equipo AM es el más simple.
Para convertir un receptor de AM a FM, deberá introducir nuevos componentes: un limitador y un detector de FM. De hecho, el limitador y el detector de FM son 1 microcircuito y algunas piezas.
Convertir un transmisor de AM a FM es mucho más sencillo, ya que sólo es necesario introducir una cadena que “chateará” la frecuencia portadora al mismo tiempo que el voltaje proveniente del micrófono.
Del autor: Convertí el transceptor AM a AM/FM un par de veces, en particular las estaciones de radio CB “Cobra 23 plus” y “Cobra 19 plus”.