Кіріспе

Амплитудалық модуляция (AM) – радиобайланыста, ең көп қолданылатыны радио толқындар арқылы хабар тарату үшін пайдаланылатын модуляция тәсілі. Амплитудалық модуляцияда толқынның амплитудасы (сигналдың күші) аудиосигнал сияқты хабар сигналына пропорционалды түрде өзгереді. Бұл тәсіл бұрыштық модуляцияға қарама-қарсы келеді, онда тасымалдаушы толқынның жиілігі жиілік модуляциясында немесе оның фазасы фазалық модуляциясында өзгереді. AM радио хабарларын таратуда аудио тарату үшін қолданылған алғашқы модуляция тәсілі болды. Ол 20 ғасырдың басында Роберто Ланделл де Моура мен Реджинальд Фессенденнің 1900 жылғы радиотелефондық тәжірибелерімен басталды. AM-ның бұл бастапқы түрі кейде қос жақты жолақты амплитудалық модуляция (DSBAM) деп аталады, себебі стандартты тәсіл тасымалдаушы жиіліктің екі жағында жақты жолақтарды жасайды. Бір жақты жолақты модуляция жақты жолақтардың біреуін және мүмкін тасымалдаушы сигналды жою үшін жолақты өткізу сүзгілерін қолданады, бұл хабар қуатының жалпы тарату қуатына қатынасын жақсартады, желілік репитерлердің қуатты басқару талаптарын төмендетеді және тарату ортасының жолақты пайдалану тиімділігін арттырады. AM радио хабар таратудан басқа көптеген байланыс түрлерінде қолданылады: қысқа толқынды радио, радио әуесқойлар, екі тарапты радио, VHF ұшақ радиосы, азаматтық радио және QAM форматындағы компьютерлік модемдерде.

Shift пернелерін қосу

Бинарлық деректерді беруге қолданылатын цифрлық амплитуда модуляциясының қарапайым түрі – қосу-өшіру кілті, бұл амплитудалық ауысудың ең қарапайым түрі болып табылады, онда бірліктер мен нөлдер тасымалдаушының болуымен немесе болмауымен көрсетіледі. Қосу-өшіру кілті радио әуесқойлардың Морзе кодын тарату үшін де қолданылады, бұл үздіксіз толқын (CW) режимі деп аталады, тіпті беріліс қатаң түрде "үздіксіз" болмаса да. АМ-нің күрделі түрі – квадратуралық амплитуда модуляциясы қазіргі кезде цифрлық деректермен жиі қолданылады, сонымен бірге қолданылатын жолақты тиімді пайдалануға мүмкіндік береді.

Аналогты телефония

Амплитудалық модуляцияның қарапайым түрі – дәстүрлі аналогты телефоннан сөйлеу сигналдарын жалпы батареялық жергілікті желі арқылы беру болып табылады. Орталық кеңсе батареясымен ұсынылатын тұрақты ток 0 Гц жиілігіндегі тасымалдаушы болып табылады. Ол телефон аппаратындағы микрофон (таратушы) арқылы динамиктен келетін дыбыстық сигналға сәйкес модульделеді. Нәтижесінде өзгеретін амплитудалы тұрақты ток пайда болады, оның айнымалы ток (AC) компоненті басқа абонентке жіберу үшін орталық кеңседе алынатын сөйлеу сигналы болып табылады.

Амплитудалық сілтеме

Стандартты АМ-де тасымалдаушы ұсынатын, бірақ бір немесе екі жақты жолақты басқан тасымалдаушы берілісінде жоғалатын қосымша мүмкіндік – ол амплитуданың эталонын ұсынады. Қабылдағышта автоматты күшейтуді басқару (AGC) тасымалдаушыға жауап береді, соның арқасында қайта жаңғыртылған аудио деңгейі бастапқы модуляцияға пропорционалды болып қалады. Ал басқан тасымалдаушы берілістерінде модуляцияда үзіліс болғанда қуат берілмейді, сондықтан AGC модуляцияның жоғары нүктелерінде берілетін қуаттың жоғары нүктелеріне жауап беруі керек. Бұл көбінесе «жылдам реакция, баяу төмендеу» деп аталатын схеманы қамтиды, ол мұндай жоғары нүктелерден кейін, сөздердің арасында немесе бағдарламадағы қысқа үзілістерде AGC деңгейін бір секундқа немесе одан да көп уақытқа сақтайды. Бұл байланыс радиолары үшін өте қолайлы, себебі аудионы қысу түсініктілікті арттырады. Дегенмен, бұл музыка немесе әдеттегі хабар тарату бағдарламалары үшін қажет емес, онда бастапқы бағдарламаның, оның өзгеретін модуляция деңгейлерімен бірге, нақты көшірмесі күтіледі.

Тарих

Амплитудалық модуляция 1800 жылдардың аяғында мультиплексті телеграф және телефондық хабар тарату эксперименттерінде қолданылды. Дегенмен, бұл технологияның нақты дамуы 1900-1920 жылдар аралығындағы радиотелефондық хабар тарату кезеңімен байланысты, яғни радио толқындар арқылы аудио сигналдарды жіберуге жасалған тыраштандырулармен. Алғашқы радио хабар таратушылар, «ұшқыш тізбек» деп аталатын, ақпаратты сымсыз телеграф арқылы, тасымалдаушы толқынның импульстарын пайдаланып, Морзе кодында мәтіндік хабарларды жіберді. Олар аудионы таратуға мүмкіндік бермеді, себебі тасымалдаушы толқын – радио толқындарының тізбегі, олар нөлге дейін әлсіреп, қабылдағыштарда гул сияқты естілді. Іс жүзінде, олар бұрыннан амплитудалық модуляцияланған болатын.

Тұрақты толқындар

Алғашқы АМ хабарламасын 1900 жылғы 23 желтоқсанда Канадада туған американдық зерттеуші Реджинальд Фессенден арнайы жасалған 10 кГц жоғары жиілікті үзілісі бар ұшқыш ажыратылған таратушыны пайдаланып, Кобб аралында, Мэриленд штатында, АҚШ-та бір миль (1,6 км) қашықтықта жіберді. Оның алғашқы айтқан сөздері: "Сәлем. Бір, екі, үш, төрт. Сіздің жағыңызда қар жауып тұр ма, мырза Тиессен?". Сөздер ұшқыштың фондық шуының үстінен мүсіркеусіз естілді. Фессенден АМ радионың дамуында маңызды тұлға болды. Ол, жоғарыда айтылған тәжірибелерден, радио толқындарын жасау үшін қолданылатын қазіргі технология – ұшқыш таратушысы амплитудалық модуляция үшін қолдануға жарамсыз екенін, және жаңа түрдегі, яғни синусоидты үздіксіз толқындарды жасайтын таратушы қажет екенін түсінген алғашқы зерттеушілердің бірі болды. Бұл сол кездегі радикалды идея еді, өйткені сарапшылар импульстік ұшқын радиожиілікті толқындарды жасау үшін қажет деп сенді, ал Фессенденді күлдірді. Ол бірінші үздіксіз толқын таратушыларының бірі – Александерсон генераторын ойлап тапты және оны жасауға көмектесті, осымен ол 1906 жылғы Рождество қарсаңында алғашқы АМ халықтық ойын-сауық хабарламасын таратып, оны тарихта қалдырды. Ол сондай-ақ АМ-ның негізін құрайтын гетеродиндік принципін ашты және 1902 жылы АМ сигналдарын түзетуге және қабылдауға қабілетті алғашқы детекторлардың бірі – электролиттік детекторды немесе "сұйық бареттерді" ойлап тапты. Сымсыз телеграфия үшін ойлап табылған басқа радиодетекторлар, мысалы, Флеминг клапаны (1904) және кристалл детекторлары (1906) да АМ сигналдарын түзетуге қабілетті болды, сондықтан технологиялық қиындық АМ толқындарын жасау болды; оларды қабылдау мәселе емес еді.

Алғашқы технологиялар

Фессенден, Валдемар Пульсен, Эрнст Румер, Квирино Майорана, Чарльз Херрольд және Ли де Форест жүргізген AM радио хабарларын таратудағы алғашқы тәжірибелерге күшейткіш технологиясының болмауы кедергі келтірді. Алғашқы практикалық үздіксіз толқынды AM хабар таратушылар 1906–1910 жылдары жасалған үлкен, қымбат Александерсон генераторына немесе 1903 жылы ойлап табылған Поулсен доғалық таратушысының (доғалық түрлендіргіш) нұсқаларына негізделген. AM тарату үшін қажетті өзгерістер қиын болды және өте төмен сапалы дыбысқа әкелді. Модуляция көбінесе антеннаға немесе жер сымына тікелей қосылған көміртек микрофоны арқылы жасалды; оның өзгеретін кедергісі антеннаға берілетін токты өзгертетін. Микрофонның қуатты шектеулі басқару мүмкіндігі алғашқы радиотелефондардың қуатын шектеді; көптеген микрофондар сумен салқындатылды.

Вакуум түтіктері

1912 жылы Ли де Форест 1906 жылы ойлап тапқан Аудион түтігінің күшейту қабілетін табу осы мәселелерді шешті. Эдвин Армстронг пен Александр Мейснер 1912 жылы ойлап тапқан вакуумдық түтік кері байланыс осцилляторы үздіксіз толқындардың арзан көзі болды және оны AM таратушы құру үшін оңай модуляциялауға болады. Модуляцияны шығыста жасау қажет емес еді, оны соңғы күшейткіш түтігінен бұрын сигналға қолдануға болады, сондықтан микрофон немесе басқа да аудио көзі жоғары қуатты радио сигналын модуляциялауға міндетті болмады. Соғыс кезіндегі зерттеулер AM модуляциясын жетілдірді, ал соғыстан кейін арзан түтіктердің болуы жаңалықтар мен музыканы AM арқылы таратуды тәжірибелеп жатқан радиостанциялардың санының өсуіне әкелді. Вакуумдық түтік 1920 жылдар шамасында AM радио хабарларын таратудың дамуына себепкер болды, ол алғашқы электрондық жаппай коммуникация құралы болды. Амплитудалық модуляция екінші дүниежүзілік соғыстан кейін FM радио хабарларын тарату басталғанға дейін радио хабарларын таратуда қолданылатын дерлік жалғыз түр болды. AM радиосы қолданысқа кірген кезде, AT&T сияқты телефон компаниялары AM үшін тағы бір маңызды қолданысты дамытып жатты: бір сым арқылы бірнеше телефон қоңырауларын бөлек тасымалдаушы жиіліктерде модуляциялау арқылы жіберу, бұл жиілік бөлісу мультиплекстеу деп аталады.

Төменгі деңгейлі генерация

Қазіргі заманғы радио жүйелерінде модульденген сигналдар цифрлық сигналды өңдеу (DSP) арқылы жасалады. DSP көмегімен көптеген AM түрлерін бағдарламалық басқару арқылы қолдануға болады (оның ішінде тасымалдағышы бар DSB, басқышталған тасымалдағышы бар SSB және тәуелсіз бүйірлік жолақ немесе ISB). Есептелген цифрлық үлгілер цифрлық-аналогтық түрлендіргіш арқылы кернеуге түрлендіріледі, әдетте қажетті RF шығыс жиілігінен төмен жиілікте. Аналогтық сигналды жиілігін өзгерту және қажетті жиілікке және қуат деңгейіне дейін сызықтық күшейту қажет (модуляцияның бұрмалануын болдырмау үшін сызықтық күшейту қолданылуы тиіс). Бұл төмен деңгейлі AM әдісі көптеген әуесқой радио трансиверлерінде қолданылады. AM келесі бөлімде сипатталған аналогтық әдістерді пайдалану арқылы да төмен деңгейде жасалуы мүмкін.

Жоғары деңгейлі генерация

Жоғары қуатты АМ-шығыртқыштар (мысалы, АМ-хабар тарату үшін пайдаланылатындар) жоғары тиімділікке ие D және E кластағы қуат күшейткіш сатыларына негізделген, олармен жабдықталған қуат көзінің кернеуін өзгерту арқылы модуляция жасалады. Ескі конструкциялар (хабар тарату және радио әуесқойлары үшін) сондай-ақ таратушының соңғы күшейткішінің күшейтуін басқару арқылы АМ-ды жасауға мүмкіндік береді (әдетте тиімділік үшін С класы қолданылады). Келесі типтер вакуумдық түтіктермен жұмыс істейтін таратушыларға арналған (бірақ транзисторлармен де ұқсас нұсқалар бар):

Пластиналық модуляция Пластиналық модуляцияда радиожиілік күшейткішінің пластиналық кернеуі аудиосигналмен модуляцияланады. Аудиоқуаты радиожиілікті тасымалдаушы қуатының 50 пайызын құрайды. Хейзинг (тұрақты ток) модуляциясы Радиожиілік күшейткіш пластинасының кернеуі тұмша (жоғары индуктивтілік мәні бар индуктор) арқылы беріледі. АМ модуляциялық түтіктің пластинасы да сол индуктор арқылы қуаттандырылады, сондықтан модулятор түтігі радиожиілік күшейткіштен токты ауыстырады. Тұмша аудио жиіліктерінде тұрақты ток көзі ретінде әрекет етеді. Бұл жүйенің қуат тиімділігі төмен. Басқару торабының модуляциясы Соңғы радиожиілік күшейткішінің жұмыс режимі мен күшейтуін басқару торабының кернеуін өзгерту арқылы басқаруға болады. Бұл әдіс аз аудиоқуатты қажет етеді, бірақ бұрмалануды азайтуға көңіл бөлу қажет. Қалқанды түтік (экрандық тор) модуляциясы Экрандық тордың кернеуі қалқанды түтік арқылы басқарылады, ол модуляция сигналына сәйкес кернеуді төмендетеді. Бұл жүйеде төмен бұрмалауды сақтай отырып, 100% модуляцияға қол жеткізу қиын. Догерти модуляциясы Бір түтік тасымалдаушы сигнал кезінде қуатты қамтамасыз етеді, ал екіншісі тек оң модуляция шыңдары үшін жұмыс істейді. Жалпы тиімділік жақсы, ал бұрмалау деңгейі төмен. Фазадан шығу модуляциясы Екі түтік параллель жұмыс істейді, бірақ бір-біріне қатысты фазасы ығысқан. Олар дифференциалды түрде фазалық модуляцияланғандықтан, олардың біріктірілген амплитудасы өседі немесе кемиді. Дұрыс реттелгенде тиімділік жақсы және бұрмалау төмен. Импульстік ендік модуляциясы (PWM) немесе импульстік ұзақтық модуляциясы (PDM) Түтік пластинасына жоғары тиімді жоғары кернеулі қуат көзі қосылады. Бұл қуат көзінің шығыс кернеуі бағдарламаға сәйкес аудиожиілікпен өзгереді. Бұл жүйені Хилмер Свансон ойлап тапқан, және оның көптеген нұсқалары бар, олардың барлығы жоғары тиімділік пен дыбыс сапасын қамтамасыз етеді. Цифрлық әдістер Харрис корпорациясы цифрлық түрде таңдалған төмен қуатты күшейткіштер жиынтығынан модульденген жоғары қуатты тасымалдаушы толқынын жасауға патент алды, олар бірдей тасымалдаушы жиілігінде фазада жұмыс істейді. Кіріс сигналы әдеттегі аудио-аналогтық-цифрлық түрлендіргіш (ADC) арқылы дискреттеледі және цифрлық қоздырғышқа беріледі, ол төмен қуатты жазық күйдегі радиожиілік күшейткіштерінің сериясын қосу және өшіру арқылы таратушының жалпы шығыс қуатын модуляциялайды. Бұл біріктірілген шығыс антенна жүйесін басқарады.

Демодуляция әдістері

АМ демодуляторының ең қарапайым түрі конверт детектор ретінде жұмыс істейтін диодтан құралады. Басқа бір демодулятор түрі – көбейту детектор – қосымша схемалық күрделілікпен жақсы сапалы демодуляцияны қамтамасыз ете алады.