Amplitude modulering

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning

Med amplitude-modulering ( AM ) svinger amplituden for en højfrekvent svingning ved en lav frekvens. AM bruges stadig som en form for modulering i broadcasting . I musik forekommer amplitudemodulation også naturligt som en tremolo .

Lavfrekvente nyttige signaler som tale eller musik kan ofte ikke transmitteres direkte via de ønskede transmissionsmedier, f.eks. En radiokanal . For transmission skal det nyttige signal flyttes til et andet frekvensområde , hvilket f.eks. Kan udføres af AM. Ved skift kan flere nyttige signaler transmitteres samtidigt og uden gensidig interferens.

Sammenligning af amplitude og frekvensmodulation

Historisk

I de tidlige udsendelsesdage var amplitudemodulation den vigtigste metode til transmission af signaler. [1] Der var gode grunde til at vælge AM som moduleringstype:

  • Hovedårsagen var, at det var muligt at bygge primitive modtagere med uklare og dårligt forståede værktøjer såsom krystaldetektorer , som er baseret på princippet om konvolutkurvedemodulatoren og kun kræver nogle få komponenter.
  • Der var endnu ingen komponent eller metode, hvormed man kunne generere eller demodulere et frekvensmoduleret signal i mellembølgeområdet.

Det blev accepteret, at der med AM skal investeres en unødvendigt stor mængde energi i transmissionen af "transportøren" , mens kun maksimalt 18% af transmissionseffekten er i de informationsbærende sidebånd. I USA er der derfor blevet udviklet metoder til at reducere bæreeffekten, når den nyttige signalamplitude er lille for at spare energi. Efterhånden som antallet af sendere og - på grund af den øgede følsomhed for heterodyne -modtagerne, der blev opfundet i mellemtiden - steg rækkevidden med årene, blev det tydeligt, at nogle egenskaber ved AM var meget ufordelagtige:

  • Båndbredden er dobbelt så stor som den maksimale modulationsfrekvens. For at kunne tildele frekvenser i mellembølgeområdet til så mange sendere som muligt, blev et kanalnet på 9 kHz introduceret uden for Amerika. Den maksimale modulationsfrekvens er derved begrænset til 4,5 kHz, i praksis er AF -båndbredden endda begrænset til 2 til 3 kHz.
  • Med jammere lidt forskudt fra nettet, kan AM -udsendelser effektivt afbrydes selv fra en stor afstand, fordi der opstår irriterende interferensfløjtning. Dette fungerer på kortbølge over tusinder af kilometer.
  • Strengt taget er en konvolutdemodulator en synkron demodulator , der ikke genererer den nødvendige oscillatorfrekvens lokalt og med meget lidt strøm, men modtager den i den korrekte fase fra den fjerne sender. Hvis der opstår selektiv bærerfading over en stor afstand, afgiver demodulatoren et ubrugeligt signal.
  • Tordenvejr og gnister fra forbipasserende biler kan forstyrre AM -modtagelse mere end nogen anden form for modulering.

Betragtet ud fra den nuværende teknik er AM forældet, fordi kvalitetskravene er steget, og FM -enheder kan bygges med moderne komponenter på en betydeligt enklere, billigere og mere effektiv måde. Af kompatibilitetshensyn vil AM sandsynligvis ikke blive erstattet i mellembølgeområdet.

Spektral repræsentation

venstre: modulationssignal som funktion af tiden, højre: spektrum af det amplitude-modulerede signal

Det tilstødende billede viser virkningerne af (lavfrekvent) modulationssignal, hvis oscillogram er vist til venstre, på det transmitterede frekvensspektrum . For at forklare princippet vises en modulering med en skiftende frekvens og med en skiftende amplitude skiftevis.

Ved dette modulationssignal dannes yderligere to frekvenser, afstanden mellem den aktuelle modulationsfrekvens til bæreren symmetrisk til bærefrekvensen (engl .: Carrier). Enhver ændring er umiddelbart tydelig i placeringen af ​​disse ledsagende frekvenser med hensyn til bærefrekvensen. Hvis modulationsfrekvensen f.eks. Svinger mellem 300 Hz og 4000 Hz, fejes et frekvensbånd med en total bredde på 8000 Hz. I midten af ​​dette bånd er der et 600 Hz -hul med bæreren i midten. Frekvensområdet fejet ovenfor omtales som det øvre sidebånd (USB til øvre sidebånd) ; området fejet over kaldes det nedre sidebånd (LSB for Lower Side Band ).

Hvis moduleringssignalet er tale eller musik, formes sidebåndene forskelligt fra øjeblik til øjeblik afhængigt af transmissionens indhold og deres udseende svarer til frekvensspektret for modulationssignalet.

Hvis amplituden ( volumen ) af modulationssignalet ændres, påvirkes ikke bærerens amplitude, kun amplituden af ​​sidefrekvenserne. Brugeren selv overfører slet ingen information, den findes alene i de to sidebånd. For at reducere dette spild af energi i tilfælde af svag modulering blev der udviklet metoder for derefter også midlertidigt at reducere bærerens styrke ( dynamisk amplitudemodulation ). En anden ændret metode er enkelt sidebåndsmodulation .

Anvendelse af amplitude -modulering

AM bruges til:

Matematisk beskrivelse

I det følgende omtales både den faktiske frekvens f og vinkelfrekvensen as som frekvens. Dette er muligt, fordi begge har en konstant faktor relaterede. Alligevel skal man bemærke, at begge stadig er to forskellige størrelser. Når tal vises, udtrykkes dette ved hjælp af enhederne: [ f ] = Hz og [ ω ] = 1 / s.

Fig. 1: Eksempel på amplitudemodulation ( m = 0,5)

Du får et moduleret signal, når du går til det nyttige signal

(nulfasevinklen antages at være nul)

en konstant komponent tilføjet og derefter begge med en højfrekvent bæreroscillation med ganges

Ved hjælp af konverteringsformlen

du får:

Det resulterende frekvensspektrum kan aflæses ud fra formlen. Det modulerede signal indeholder (konstant) bæresignal:

med frekvens og amplituden , samt to sidebånd med frekvenserne og hver med amplituden . Denne enkleste type AM -modulering kaldes derfor også dobbelt sidebåndsmodulation (ZSB eller DSB) med bærer. Her er oplysningerne i sidebåndene, mens transportøren selv kun repræsenterer unødvendig ballast under transmission. Når amplituden Når den modulerende svingning ændrer sig, ændres også amplituden af ​​sidefrekvenserne. Når frekvensen af ​​det modulerende signal ændres, ændres også frekvenserne på sidebåndene.

I figur 1 kan du udover det modulerede signal også se de to såkaldte konvolutter. Disse bruges kun til illustration, fordi deres kurs er den samme som det modulerende nyttige signal. I figur 2 kan du se de tre spektre (fra venstre) af det modulerende nyttige signal, den umodulerede bærer og det modulerede signal. Som det kan ses, er amplituden af ​​de informationsbærende sidebånd væsentligt mindre end substratet (se FIG. Her er den dobbelt-sidebånds undertrykte bærer-transmission , bæresignalet undertrykkes fuldstændigt i det ideelle tilfælde, det vil sige, er).

Fig. 2: Spektrum af amplitudemodulationen; Grad af graduering m = 0,5

Som et alternativ til beregning af det modulerede signal i tidsdomænet kan dette også gøres ved hjælp af Fourier -transformationen i frekvensdomænet . Den omvendte Fourier -transformation fører tilbage til tidsdomænet.

Grad af graduering

Fig. 3: Modulationsgrad og modulerings trapez i tre varianter

Med grad af graduering angiver, hvor meget det modulerende nyttige signal påvirker amplituden af ​​det modulerede (bærer) signal:

med resultater for

Det skal være større end 0 og mindre end eller lig med 1 for at kunne demodulere usammenhængende. Ved nul er der ingen modulering, kun den umodulerede bærer transmitteres. på hvis overmodulation finder sted, kan det resulterende signal kun demoduleres på en sammenhængende, forvrængningsfri måde. Af denne grund er amplituden af ​​det modulerende signal ofte begrænset på forhånd for at undgå overdreven modulering .

Modulation trapezformet

Med moduleringstrapezet er amplituden af ​​det modulerede signal ( y -akse) afbildet mod amplituden af ​​det modulerende signal ( x -akse). I tilfælde af sinusformede signaler oprettes et trapez. Afhængigt af hvor stort m er, kan det ligne et normalt trapez (0 < m <1), som en trekant ( m = 1) eller en fiskform ( m > 1) (se figur 3). Formlen for m kan også let bestemmes ud fra trapezformen:

Hvis fasen ikke forbliver konstant, eller der ikke er noget rent sinusformet signal, forvrænges modulationstrapezet, eller det kan bule ind i en cylinder.

Markør repræsentation

I markørdisplayet afbildes moduleringskomponenterne som pointers og kombineres derefter (som med parallelogrammet af kræfter ) for at danne den resulterende pointer. De to vinkler på sidebåndsfrekvenserne U sf1 og U sf2 , som svarer til moduleringsfrekvensen, er på den stive bærer U t drej i den modsatte retning. Som det kan ses i figurerne, er x -komponenterne i sidefrekvensernes peger altid modsatte og annullerer derfor hinanden, når de tilføjes. Tilbage er kun summen af y -komponenterne, som tilføjes til eller trækkes fra bæreramplituden. Den resulterende øjeblikkelige amplitude af det modulerede signal er altid i samme retning (i fase) med bæreramplituden. Dette er karakteristisk for dobbelt sidebåndsmodulation. I tilfælde af amplitudemodulation med en undertrykt bærer mangler U t . I tilfælde af enkelt sidebåndsmodulation mangler enten U sf1 eller U sf2 .

Vektor repræsentationer af amplitude modulering
Bæreren U t roterer igen med den .

Tidssekvens af markørdisplayet: Du kan se den vekslende konstruktive og destruktive overlejring af bæreren og sidebåndene, hvilket resulterer i det samlede signal med dens konvolutkurve (grøn).

Fasedisplayet viser, at amplituden af ​​et højfrekvent overordnet signal (bestående af bærefrekvensen og sidebånd) ændrer sig i modulationens rytme, men amplituden af ​​bæreren U t forbliver konstant. Dette kan bevises enten med en spektrumanalysator eller ved at slutte en meget smalt bånd med hovedet (båndbredde <50 Hz), der ikke tillader modulation at passere.

Båndbredde

Eksemplet var meget enkelt for at kunne forstå moduleringen grundlæggende. I praksis moduleres en lav frekvens, for eksempel en enkelt tone med konstant styrke, til bæreren. I virkeligheden modulerer man mange flere successive frekvenser til bæreren. Denne mængde frekvenser fra 0 til kaldes et frekvensbånd eller basisbånd . De områder, der vises ved siden af ​​bæreren efter modulering, kaldes sidebånd . Der er et øvre sidebånd (OSB, USB, øvre sidebånd) og et nedre sidebånd (USB, LSB, nedre sidebånd); sammen danner de båndbredden B :

Fig. 7: Amplitudemodulation i spektret

Ved udsendelse transmitteres et standardiseret frekvensbånd på 4,5 kHz bredde (fra 0 Hz til 4,5 kHz) i AM -området for tale og musik, hvilket fører til en båndbredde på B = 9 kHz. Basisbåndet for tv -billedsignalet strækker sig til omkring 5,5 MHz.

Ydeevne vurdering

Den faktiske nyttige kraft er i sidebåndene, med de samme oplysninger i begge sidebånd, hvilket følgelig betyder, at et sidebånd er fuldstændig overflødigt, ligesom bæreren. Dette resulterer i en effektivitet :

med

R er enhver modstand, som effekten er relateret til. Afhængig af hvordan m nu er valgt, er mellem 0% ( m = 0) og 17% ( m = 1).

Praktisk implementering af moduleringen

Sender med amplitude -modulering

Det nyttige signal er normalt en frekvensblanding (f.eks. Tale), der kommer fra en LF -kilde, f.eks. En mikrofon. Selve bærefrekvensen genereres ved hjælp af et oscillator kredsløb.

Selve moduleringen finder sted i en mixer , for eksempel i en Gilbert -celle , hvor det nyttige signal ganges med bæreroscillationen. Efter båndpasfiltrering udsendes det amplitude-modulerede signal ved mixertrinets udgang og når til sidst antennen via en RF-forstærker.

Grundlæggende kredsløb for en amplitude -modulator med en triode

I tilfælde af amplitudemodulation i større transmissionssystemer, for eksempel kortbølgesendere med transmissionseffekter over 100 kW, bruges en vandkølet triode i udgangstrinnet til modulering, som vist i forenklet form i det tilstødende kredsløbsdiagram. Anodespændingen på trioden, der er overlejret med det lavfrekvente nyttige signal, fås fra en puls-trin-modulator (PSM). Den umodulerede bærefrekvens (RF) føres til kontrolgitteret i trioen. Det amplitude-modulerede signal kan derefter afkobles i anodekredsløbet og føres til transmitteren via et justerbart pi-filter .

Særlige former for amplitudemodulation

For at spare transmissionseffekt og / eller båndbredde er følgende moduleringsvarianter blevet udviklet:

Den øgede indsats, der er involveret i demodulation, begrænser ofte brugervenligheden.

Digitale processer tillader lav modtagelighed for interferens eller større brug af spektret:

Demodulation

Sammenhængende demodulation

Der findes en lokal bærer ved modtageren, som er i fase med bæreren af ​​det modtagne signal. Begge er derfor synkrone med hinanden og derfor sammenhængende. Generationen af ​​denne lokale transportør er teknisk meget kompleks, hvorfor metoden kun bruges til ekstremt svage eller stærkt forstyrrede signaler. På den anden side er den matematiske beskrivelse af demodulationen ganske enkel. Først multipliceres det modtagne signal, der består af de to sidefrekvenser og bæreren, med den lokale transportør:

Ved hjælp af additionssætninger

du får:

Derefter de uønskede højfrekvente komponenter med et lavpasfilter og DC-komponenten med et højpasfilter, så kun det ønskede signal med halvdelen af ​​amplituden er tilbage:

Usammenhængende demodulation

Denne enkleste form for demodulation kræver ikke møjsommelig oprettelse af en lokal operatør og gjorde det derfor muligt at udsende radiostationer for hundrede år siden. Metoden kan imidlertid kun bruges med tilstrækkeligt stærke signaler og kræver generelt en tidligere forstærker. Her filtreres det søgte frekvensbånd ud med et båndpas, derefter rektificeret med en diode og til sidst glattet med et lavpas . Den indeholdte konstante komponent fjernes om nødvendigt med et højpas .

På grund af denne metodes enkelhed kan det modtagne signal let forstyrres af forvrængning. Konvolutdetektoren og detektormodtageren er praktiske implementeringer af denne procedure.

Se også:

Multiplikativ demodulation på flere niveauer

Først udføres en smalbåndsforstærkning (båndpas) af det ønskede frekvensområde ( f T - f i max til f T + f i max ) med et let dæmpet resonanskredsløb, der kan indstilles til bærefrekvensen f T. Afhængigt af den tilgængelige teknologi udføres moduleringen til lavere frekvenser i n trin. Altså en modulator pr. Etape efterfulgt af et lavpas .

Som med senderen er selve modulatoren en multiplikator. I dette eksempel er der kun en ( n = 1) modulator for enkelthedens skyld. Bærefrekvensen i modtageren f Te, der kræves til modulatoren, skal svare så tæt som muligt til senderfrekvensen for senderen f T , da der ellers sker et slag . Omjusteringen af f Te sker i dag via en PLL (faselåst sløjfe).

Senderens resultat: f m 1 = 220 kHz og f m 2 = -240 kHz; f T = 230 kHz
(Fase repræsenteret med tegn)

I modtageren under betingelsen f T = f Te :

og (Fase og amplitude udeladt)

hvorfra frekvenserne resulterer med ovenstående oplysninger: −10 kHz; 450 kHz; −10 kHz; -470 kHz.

Alle frekvenser over 10 kHz kan nu filtreres fra med et lavpas.

I virkeligheden er det næppe muligt at ramme senderens bærefrekvens med tilstrækkelig nøjagtighed. For at få en idé om den krævede nøjagtighed er her et eksempel: Et slag på 50 Hz svarer til en frekvensafvigelse på 0,02% baseret på 230 kHz.

For at undgå så mange problemer i analog teknologi som muligt (justering, elektroniske komponenters alder) og for at minimere pladsbehovet, bruges digital signalbehandling i stigende grad. I princippet digitaliseres det modtagne signal direkte til sinus og cosinus komponenter med en hurtig analog-digital konverter . Resten udføres matematisk af signalprocessoren .

Forkortelser

  • A1: amplitude -tastering
  • A2: lydende telegrafi
  • A3: amplitude-moduleret transmission af analoge signaler (f.eks. Tale og musik)

Amplitude modulering i elektromagnetisk kompatibilitet

Inden for området elektromagnetisk kompatibilitet bruges amplitude-modulerede signaler ofte som interferenssignaler i immunitetstest. To forskellige referencer til det tilsvarende umodulerede signal bruges her. Hvis referenceniveauet for det modulerede signal er fastsat til dets topværdi , taler man om nedadgående modulering . Hvis referenceniveauet på den anden side er indstillet til nulkrydsningen af ​​det modulerede lavfrekvente nyttige signal, taler man om opadgående modulering. En sinustone med 1 kHz bruges som det nyttige signal, i sjældne tilfælde alternativt med 400 Hz eller 1 Hz. Graden af ​​modulering af interferenssignalet er normalt 80%, hvilket betyder, at spidsværdien af ​​et opad moduleret interferenssignal er 1,8 gange referenceniveauet.

Opadsmodulerede interferenssignaler bruges til test i overensstemmelse med grundstandarderne EN 61000-4-3 eller EN 61000-4-6 (immunitet over for udstrålede eller ledede elektromagnetiske felter).

Ved test i henhold til ISO 11451 eller ISO 11452 (vejkøretøjer-elektrisk interferens fra smalbåndsstrålet elektromagnetisk energi, vejkøretøjer eller komponenter), nedadmodulerede interferenssignaler.

Men over 800 MHz bruges pulsmodulerede interferenssignaler normalt i intervallet for de to ISO-standarder, hvorved den samme topværdi af interferenssignalet opnås med begge typer modulering på grund af AM nedadgående modulering.

Se også

Weblinks

Commons : Amplitude Modulation - samling af billeder, videoer og lydfiler
Wiktionary: amplitude modulation - forklaringer på betydninger, ordoprindelse, synonymer, oversættelser

Individuelle beviser

  1. AM - amplitudemodulation. Hentet 14. februar 2020 .