Амплитудная модуляция. Балансная амплитудная модуляция с подавлением несущей (double side band DSB)

Введение Формирование сигналов с амплитудной модуляцией Спектр сигналов с амплитудной модуляцией Сигналы с балансной АМ (DSB) и их спектр Векторное представление сигналов с АМ и DSB Выводы Список литературы

DSPL-2.0 — свободная библиотека алгоритмов цифровой обработки сигналов Распространяется под лицензией LGPL v3 Страница проекта на SourceForge

В данной статье речь пойдет о разновидностях аналоговой амплитудной модуляции. Предполагается, что читатель понимает смысл комплексной огибающей полосового радиосигнала, а также понятия аналитического сигнала и преобразования Гильберта.

Как было отмечено ранее, процесс модуляции заключается в формировании низкочастотной комплексной огибающей

(1)

после чего производится перенос этой комплексной огибающей на несущую частоту умножением на

(2)

Также было отмечено, что все виды модуляции различаются только способом формирования комплексной огибающей на основе модулирующего сигнала

Рассмотрим как производится формирование комплексной огибающей в случае с амплитудной модуляцией (АМ).

При АМ производится изменение только амплитуды несущего колебания при постоянной начальной фазе:

(3)

где - закон изменения амплитуды, а - постоянная начальная фаза несущего колебания. Потребуем, чтобы модулирующий сигнал имел нулевую постоянную составляющую и Тогда где носит название глубины АМ и радиосигнал с АМ имеет вид:

(4)

Поясним смысл глубины АМ, для этого возьмем частный случай модулирующего сигнала где В этом случае получим так называемую однотональную АМ. При амплитуда несущего колебания не меняется. На рисунках 1 - 4 приведены графики АМ сигнала при различной глубине модуляции: от 0 до 1,5. Синим показана амплитуда При глубине модуляции от 0 до 1 амплитуда несущего колебания совпадает с , однако при наблюдается перемодуляция, так как пересекает ось абсцисс.

Рисунок 1: АМ сигнал при глубине модуляции равной 0	Рисунок 2: АМ сигнал при глубине модуляции равной 0,5
Рисунок 3: АМ сигнал при глубине модуляции равной 1	Рисунок 4: АМ сигнал при глубине модуляции равной 1,5

Если глубина АМ выбрана так, что перемодуляции не наблюдается, то измерить глубину АМ можно по осциллограмме радиосигнала. Для этого необходимо померить максимальную и минимальную амплитуду несущего колебания как это показано на рисунке 5, и по ним рассчитать глубину АМ по формуле:

(5)

Необходимо отметить, что перемодуляция вредный эффект, которого необходимо избегать, в противном случае возникнут проблемы при демодуляции сигнала.

Теперь рассмотрим структурную схему АМ модулятора. Для этого выделим из АМ сигнала (4) комплексную огибающую:

(6)

Таким образом, комплексная огибающая равна , тогда квадратурные составляющие комплексной огибающей равны:

(7)

Тогда структурная схема АМ модулятора на базе универсального квадратурного модулятора может быть представлена как это показано на рисунке 6.

Данная схема не является оптимальной, ее можно упростить, задав фазу комплексной огибающей равную нулю, тогда

(8)

Таким образом, квадратурная составляющая не учитывается, и радиосигнал формируется простым умножением несущего колебания на как это показано на рисунке 7.

Рассмотрим теперь спектр однотональной АМ. Для этого представим АМ сигнал в виде:

(9)

Таким образом, можно сделать вывод о том, что спектр однотональной АМ имеет три гармоники. Амплитудный и фазовый спектры сигнала с АМ представлены на рисунке 8.

Центральная гармоника не несет никакой информации, однако ее амплитуда максимальна и не зависит от глубины АМ. Информация заключена в боковых гармониках, при этом их уровень зависит от глубины АМ, чем она выше, тем уровень боковых гармоник больше. Максимальное значение глубины АМ при котором не наблюдается перемодуляции , это означает, что максимальный уровень боковых гармоник в 2 раза ниже уровня несущей частоты. При этом как нетрудно заметить при суммарная мощность информационных гармоник будет в 2 раза ниже мощности несущей частоты, другими словами передатчик бОльшую часть энергии тратит на излучение неинформационной несущей, то есть просто обогревает космос. Также необходимо сделать замечание: спектр АМ сигнала всегда симметричен относительно центральной частоты, если модулирующий сигнал чисто вещественный.

Давайте теперь допустим, что у нас есть перемодуляция, т.е. . Тогда при уровень информационных гармоник сравняется с уровнем несущей и при дальнейшем росте глубины модуляции уровень информационных гармоник уже начнет превосходить уровень несущей. Если позволить глубине модуляции расти неограниченно, то можно сделать предельный переход:

(10)

В выражении (10) множитель введен для того, чтобы зафиксировать уровень боковых информационных гармоник ( это легко понять рассмотрев выражение ). В результате при увеличении будет наблюдаться падение уровня несущей при фиксированном уровне информационных гармоник, так как все гармоники делятся на Такой предельный переход приводит к балансной АМ с подавлением несущей (DSB). Действительно, уровень несущей будет:

(11)

Рассмотрим однотональную балансную АМ с подавлением несущей при

(12)

Таким образом, спектр однотональной балансной АМ с подавлением несущей содержит всего две гармоники как это представлено на рисунке 9.

Комплексная огибающая балансной АМ имеет вид где

Cигнал с балансной АМ (10) имеет вид, представленный на рисунке 10. При этом можно заметить, что на осциллограмме видна несущая частота, которая отсутствует в спектре. Однако при пересечении модулирующим сигналом оси абсцисс, несущее колебание меняет знак (фаза сдвигается на ), это видно из рисунка 11 и в результате при излучении несущее колебание скомпенсируется, хотя на осциллограмме его можно увидеть.

Рисунок 10: Осциллограмма сигнала с балансной АМ с подавлением несущей

Рисунок 11: Сдвиг фазы при балансной АМ компенсирует несущую при излучении

Схема модулятора балансной АМ такая же как и в случае с АМ без подавления несущей, просто другой способ формирования амплитуды комплексной огибающей.

Рассмотрим векторное представление комплексной огибающей сигналов с АМ и с балансной АМ (рисунок 12).

В обоих случаях вектор повернут на угол и меняет свою амплитуду по закону При этом при АМ вектор всегда направлен в одну сторону и амплитуда меняется в зависимости от глубины АМ от до согласно (5), а при балансной АМ вектор меняется по амплитуде в пределах , причем в зависимости от модулирующего сигнала, вектор комплексной огибающей меняет знак на противоположный, что означает что фаза меняется на радиан (смотри рисунок 12 б).

Главное преимущество балансной АМ — полное подавление несущей частоты. Вся мощность передатчика идет на излучение информационных составляющих. Как и в случае с АМ, спектр радиосигнала с балансной АМ симметричен относительно несущей частоты. Ширина спектра радиосигнала с балансной АМ равна удвоенной верхней частоте модулирующего сигнала, или в случае однотональной модуляции ширина спектра равна

Таким образом, мы рассмотрели формирование АМ радиосигнала. Можно сделать выводы:

АМ сигнал формируется путем управления амплитудой несущего колебания по закону модулирующего сигнала.

Введено понятие глубины АМ, показано, что при слишком больших значениях глубины АМ может возникнуть перемодуляция, искажающая модулирующий сигнал.

При отсутствии перемодуляции на излучение информации приходится не более 33% мощности сигнала, остальное — излучение несущей, а при балансной АМ несущая подавлена и вся мощность расходуется на излучение информации.

Показано, что спектр АМ всегда симметричен относительно несущей при вещественном модулирующем сигнале и имеет ширину равную удвоенной верхней частоте модулирующего сигнала.