Амплитудная модуляция

Амплиту́дная модуля́ция (АМ) — вид модуляции, при которой изменяемым параметром несущего сигнала является его амплитуда.

Амплитудная модуляция имеет ряд разновидностей.

История и применение

Сигнал, например аудиосигнал, может модулировать амплитуду (AM) или частоту (ЧМ) несущей

Первые опыты передачи речи и музыки с помощью радиоволн и амплитудной модуляции (АМ) произвёл в 1906 году американский инженер Реджинальд Фессенден. В его опытах несущий сигнал (переменный ток с частотой 50 кГц) вырабатывался электромашинным генератором, а для модуляции его амплитуды между генератором и антенной включался угольный микрофон, изменяющий электрическое сопротивление цепи.

Амплитудная модуляция с 1920 года стала основной в звуковом радиовещании и до 1940-х годов применялась также и во всех других видах радиосвязи. С 1920 года вместо электромашинных генераторов несущего сигнала стали использоваться генераторы на электронных лампах. Со второй половины 1930-х годов, по мере освоения диапазона ультракоротких волн, эта модуляция постепенно начала вытесняться из радиовещания и радиосвязи в этом диапазоне частотной модуляцией (ЧМ), но продолжает применяться на длинных, средних и коротких волнах.

С середины XX века в служебной и любительской радиосвязи на всех частотах начали применять разновидность амплитудной модуляции — модуляцию с одной боковой полосой (ОБП), имеющую ряд преимуществ перед амплитудной модуляции, в частности сужение в 2 раза полосы частот, занимаемой радиосигналом. Однако модернизация сетей AM-вещания путём их перевода на ОБП была практически невозможна — это требовало замены огромного парка вещательных приёмников.

В 1939 году в СССР была изобретена так называемая полярная модуляция — её особенность состоит в том, что положительная полуволна несущего сигнала модулируется по амплитуде одним сообщением, а отрицательная — другим. В СССР этот метод был принят для системы стереофонического ЧМ-вещания.

В конце XX века начался переход к цифровому радиовещанию с использованием сигналов с амплитудной манипуляцией. В начале 2000-х годов был разработан комплект цифровых технологий Digital Radio Mondiale (DRM) на основе модуляции OFDM (в частности, для замены АМ-вещания в диапазонах длинных, средних и коротких волн). DRM позволяет прослушивать радиопередачи без шумов и помех, характерных для АМ, и с близким к ЧМ-вещанию качеством, однако массового отказа от АМ-вещания не произошло. Это связано с большими расходами на замену огромного парка радиоприёмного и радиопередающего оборудования, а также с некоторыми недостатками DRM, например, с неприятными для радиослушателя резкими обрывами радиоприёма при характерных для коротких волн глубоких замираниях радиосигнала.

Амплитудная модуляция получила распространение в системах телевизионного вещания (для передачи телевизионных сигналов), в проводных и беспроводных системах дальней многоканальной связи с частотным разделением каналов, а также применялся в СССР в 1960—1980-х годах в трёхпрограммном проводном вещании. Амплитудная модуляция применяется в авиационных средствах радиосвязи гражданской авиации в разных диапазонах частот, в том числе в диапазоне УКВ в полосе частот 118—136 МГц, а также для радиосвязи общего пользования в так называемом «гражданском диапазоне» — диапазоне 27 МГц.

Определение

Амплитудная модуляция с различным коэффициентом модуляции. На нижней осциллограмме — перемодуляция

Пусть

• $u_{m}(t)$ — информационный (модулирующий) сигнал,
• $u_{c}(t)$ — несущий (модулируемый) сигнал (несущее колебание).

Тогда АМ-сигнал $u_{\text{am}}(t)$ имеет вид:

$u_{\text{am}}(t)=u_{c}(t)\left[1+m{\frac {u_{m}(t)}{|u_{m}(t)|_{\max }}}\right].\qquad \qquad (1)$

Если $u_{c}(t)=U_{c}\cos(\omega _{c}t)$, то (1) примет вид:

$u_{\text{am}}(t)=U_{c}\left[1+m{\frac {u_{m}(t)}{|u_{m}(t)|_{\max }}}\right]\cos(\omega _{c}t).$

Здесь $m$ — некоторая неотрицательная константа, называемая коэффициентом модуляции. Формула (1) описывает несущий сигнал $u_{c}(t)$, модулированный по амплитуде сигналом $u_{m}(t)$ с коэффициентом модуляции $m$.

Для неискаженной модуляции необходимо выполнение условия $m\leq 1$. Выполнение этого условия необходимо для того, чтобы выражение в квадратных скобках в (1) всегда было положительным. Если оно может принимать отрицательные значения в какой-то момент времени, то происходит так называемая перемодуляция (избыточная модуляция).

Пример

Слева: модулирующий сигнал как функция времени. Справа: спектр АМ-сигнала

Спектр АМ-колебания

Допустим, что мы хотим промодулировать несущее колебание моногармоническим сигналом. Выражение для несущего колебания с частотой $\omega _{c}$ имеет вид (начальную фазу положим равной нулю):

$u_{c}(t)=U_{c}\cos(\omega _{c}t),$

где $U_{c}$ — амплитуда несущего колебания.

Выражение для модулирующего синусоидального сигнала с частотой $\omega _{m}$ имеет вид:

$u_{m}(t)=U_{m}\cos(\omega _{m}t+\varphi ),$

где $\varphi$ — начальная фаза, $|u_{m}(t)|_{\max }=U_{m}$ . Тогда, в соответствии с (1):

$u_{\mathrm {am} }(t)=U_{c}[1+m\cos(\omega _{m}t+\varphi )]\cos(\omega _{c}t).$

Приведённая выше формула для $u_{\mathrm {am} }(t)$ может быть записана в следующем виде:

$u_{\mathrm {am} }(t)=U_{c}\cos(\omega _{c}t)+$

$+{\frac {mU_{c}}{2}}[\cos((\omega _{c}-\omega _{m})t-\varphi )+\cos((\omega _{c}+\omega _{m})t+\varphi )].$

Спектр АМ-колебания в случае широкополосного модулирующего сигнала состоит из несущего колебания и двух так называемых боковых полос, имеющих частоту, отличную от $\omega _{c}$. Для примера синусоидального модулирующего сигнала, рассмотренного выше, боковые полосы представляют собой синусоидальные сигналы и их частоты равны $\omega _{c}+\omega _{m}$ и $\omega _{c}-\omega _{m}$.

Пока несущие частоты соседних по частоте радиостанций достаточно разнесены по частоте, и боковые полосы в спектре сигналов соседних по частоте станций не перекрываются между собой, станции не будут создавать взаимных помех.

Разновидности

В 1982 году Международный союз электросвязи установил следующие типы амплитудной модуляции:

Обозначение	Описание
A3E	двухполосная с полным несущим сигналом — основной метод амплитудной модуляции
R3E	однополосная с пониженным несущим сигналом
H3E	однополосная с полным несущим сигналом
J3E	однополосная с подавленным несущим сигналом
B8E	с излучением независимой боковой полосы
C3F	с частично подавленной боковой полосой
Lincompex	с компандированием (подрежим любого из вышеперечисленных способов реализации)

Литература

• Кулешов В. Н., Удалов Н. Н., Богачев В. М. и др. Генерирование колебаний и формирование радиосигналов. — М.: МЭИ, 2008. — 416 с. — ISBN 978-5-383-00224-7.
• Амплитудная модуляция : [арх. 3 января 2023] // А — Анкетирование. — М. : Большая российская энциклопедия, 2005. — С. 628. — (Большая российская энциклопедия : [в 35 т.] / гл. ред. Ю. С. Осипов ; 2004—2017, т. 1). — ISBN 5-85270-329-X.

Ссылки

• Амплитудная модуляция. Балансная амплитудная модуляция с подавлением несущей (double side band DSB)  (рус.). Дата обращения: 15 ноября 2010.
• Amplitude Modulation (англ.)