Введение

Амплитудная модуляция (AM) — это метод модуляции, используемый в электронной связи, чаще всего для передачи сообщений посредством радиоволны. При амплитудной модуляции амплитуда (сила сигнала) волны изменяется пропорционально амплитуде модулирующего сигнала, например, звукового. Этот метод противопоставляется угловой модуляции, в которой изменяется либо частота несущей волны (как при частотной модуляции), либо её фаза (как при фазовой модуляции). AM был первым методом модуляции, применённым для передачи звука в радиовещании. Он был разработан в первой четверти XX века, начиная с экспериментов Роберто Ланделла де Мура и Реджинальда Фессендена с радиотелефонией в 1900 году. Эта исходная форма AM иногда называется амплитудной модуляцией с двойной боковой полосой (DSBAM), поскольку стандартный метод формирует боковые полосы по обе стороны от частоты несущей. Модуляция с одной боковой полосой использует полосовые фильтры для подавления одной из боковых полос и, возможно, несущего сигнала, что повышает отношение мощности полезного сигнала к общей мощности передачи, снижает требования к мощности линейных репитеров и обеспечивает более эффективное использование полосы пропускания среды передачи. AM продолжает использоваться во многих системах связи, помимо AM-вещания: в коротковолновом радио, любительском радио, радиосвязи, авиационном радио VHF, гражданском радио и в компьютерных модемах в виде QAM.

Вставка клавиши Shift

Простой формой цифровой амплитудной модуляции, которую можно использовать для передачи двоичных данных, является метод включения-выключения, самая простая форма амплитудной манипуляции, в которой единицы и нули представляются наличием или отсутствием несущей. Метод включения-выключения также используется радиолюбителями для передачи кода Морзе, где он известен как работа непрерывной волной (CW), хотя передача не является строго "непрерывной". Более сложная форма AM, квадратурная амплитудная модуляция, теперь чаще используется для передачи цифровых данных, обеспечивая более эффективное использование доступной полосы пропускания.

Аналоговая телефония

Простой формой амплитудной модуляции является передача речевых сигналов от традиционного аналогового телефонного аппарата с использованием общей локальной батарейной линии. Постоянный ток, обеспечиваемый батареей центрального офиса, является несущей с частотой 0 Гц. Он модулируется микрофоном (передатчиком) в телефонном аппарате в соответствии с акустическим сигналом от говорящего. В результате получается постоянный ток с изменяющейся амплитудой, переменная составляющая которого представляет собой речевой сигнал, выделяемый в центральном офисе для передачи другому абоненту.

Ссылка на амплитуду

Дополнительная функция, обеспечиваемая несущей в стандартной AM, но теряемая при передаче с одинарной или двойной подавленной несущей, заключается в предоставлении опорного сигнала по амплитуде. В приемнике автоматическая регулировка усиления (АРУ) реагирует на несущую, поддерживая воспроизводимый уровень звука в фиксированной пропорции к исходной модуляции. В то же время, при передаче с подавленной несущей отсутствует передаваемая мощность во время пауз в модуляции, поэтому АРУ должна реагировать на пики передаваемой мощности, соответствующие пикам модуляции. Обычно это реализуется с помощью схемы с быстрой реакцией нарастания и медленной реакцией спада, которая удерживает уровень АРУ в течение секунды или более после таких пиков, между слогами или короткими паузами в программе. Это вполне приемлемо для средств связи, где компрессия звука повышает разборчивость речи. Однако это совершенно нежелательно для музыки или обычного вещания, где требуется точное воспроизведение исходной программы, включая ее изменяющиеся уровни модуляции.

История

Модуляция амплитуды использовалась в экспериментах с мультиплексными телеграфами и телефонной передачей в конце 1800-х годов. Однако практическое развитие этой технологии связывают с периодом между 1900 и 1920 годами радиотелефонной связи, то есть с усилиями по передаче звуковых сигналов по радиоволнам. Первые радиопередатчики, называемые передатчиками с искровым разрядом, передавали информацию по беспроводной телеграфии, используя импульсы несущей частоты для передачи текстовых сообщений кодом Морзе. Они не могли передавать звук, поскольку несущая состояла из цепочек затухающих волн – импульсов радиоволн, которые снижались до нуля и воспринимались в приемниках как жужжание. По сути, они уже были амплитудно-модулированными.

Непрерывные волны

Первая AM-передача была осуществлена канадским ученым, работавшим в США, Реджинальдом Фессенденом 23 декабря 1900 года с использованием искрового передатчика со специально разработанным высокочастотным прерывателем на 10 кГц на расстоянии в одну милю (1,6 км) на острове Кобб, штат Мэриленд, США. Его первыми переданными словами были: "Здравствуйте. Один, два, три, четыре. У вас там идет снег, мистер Тиссен?". Эти слова едва пробивались сквозь фоновый шум искры. Фессенден был выдающейся фигурой в развитии AM-радио. Он одним из первых исследователей пришел к выводу, на основе экспериментов, подобных этому, что существующая технология для генерации радиоволн – искровой передатчик – не подходит для амплитудной модуляции, и что необходим новый тип передатчика, генерирующий синусоидальные непрерывные волны. Это была радикальная идея для того времени, поскольку эксперты полагали, что импульсная искра необходима для создания радиочастотных волн, и Фессенден подвергался насмешкам. Он изобрел и помог разработать один из первых передатчиков непрерывных волн – генератор Александерсона, с помощью которого он осуществил то, что считается первой публичной развлекательной AM-трансляцией в канун Рождества 1906 года. Он также открыл принцип, лежащий в основе AM – гетеродинирование, и изобрел один из первых детекторов, способных детектировать и принимать AM-сигналы, – электролитический детектор, или "жидкий бареттер", в 1902 году. Другие радиодетекторы, изобретенные для беспроводной телеграфии, такие как клапан Флеминга (1904) и кристаллический детектор (1906), также оказались способны детектировать AM-сигналы, поэтому технологической проблемой было именно генерирование AM-волн, а не их прием.

Ранние технологии

Ранние эксперименты по передаче радио AM, проведенные Фессенденом, Вальдемаром Пульсеном, Эрнстом Румером, Кирино Майораной, Чарльзом Херрольдом и Ли де Форестом, затруднялись отсутствием технологии усиления сигнала. Первые практические передатчики AM с непрерывным излучением основывались либо на огромном и дорогостоящем генераторе Александерсона, разработанном в 1906–1910 годах, либо на модификациях лучевого передатчика Пульсена (лучевого преобразователя), изобретенного в 1903 году. Необходимые для передачи AM изменения были громоздкими и приводили к очень низкому качеству звука. Модуляция обычно осуществлялась с помощью угольного микрофона, включенного непосредственно в антенну или заземляющий провод; изменение его сопротивления изменяло ток, протекающий по антенне. Ограниченная мощность, которую мог выдержать микрофон, существенно ограничивала мощность первых радиотелефонов; многие микрофоны требовали водяного охлаждения.

Вакуумные трубки

Открытие в 1912 году способности трубки Audion к усилению, изобретенной Ли де Форестом в 1906 году, решило эти проблемы. Вакуумный генератор с обратной связью, изобретенный в 1912 году Эдвином Армстронгом и Александром Мейснером, был недорогим источником непрерывных волн и мог быть легко модулирован для создания AM-передатчика. Модуляцию не обязательно было выполнять на выходе, ее можно было применить к сигналу перед заключительным каскадом усиления, поэтому микрофон или другой источник звука не требовалось модулировать высокомощный радиосигнал. Военные исследования значительно усовершенствовали технологию AM-модуляции, а после войны доступность недорогих электронных ламп привела к резкому увеличению числа радиостанций, экспериментировавших с AM-трансляцией новостей или музыки. Электронная лампа стала основой для развития AM-вещания примерно в 1920 году, первого электронного средства массовой коммуникации. Амплитудная модуляция оставалась практически единственным типом, используемым для радиовещания, до начала FM-вещания после Второй мировой войны. Параллельно с развитием AM-радио, телефонные компании, такие как AT&T, разрабатывали другое важное применение AM: передачу нескольких телефонных разговоров по одному проводу путем модуляции их на различных несущих частотах, что называется частотным мультиплексированием.

Низкоуровневая генерация

В современных радиосистемах модулированные сигналы генерируются посредством цифровой обработки сигналов (DSP). С помощью DSP возможны различные типы AM с программным управлением (включая DSB с несущей, SSB с подавленной несущей и независимые боковые полосы, или ISB). Вычисленные цифровые отсчеты преобразуются в напряжения с помощью цифро-аналогового преобразователя, обычно на частоте, меньшей желаемой ВЧ-выходной частоты. Затем аналоговый сигнал необходимо сдвинуть по частоте и линейно усилить до требуемой частоты и уровня мощности (линейное усиление необходимо для предотвращения искажения модуляции). Этот метод формирования AM на низком уровне используется во многих трансиверах для радиолюбительской связи. AM также может быть сгенерирован на низком уровне, используя аналоговые методы, описанные в следующем разделе.

Высокоуровневая генерация

Высокомощные AM-передатчики (такие, как используемые для AM-вещания) основаны на высокоэффективных усилителях мощности класса D и класса E, модулируемых путем изменения напряжения питания. Более ранние конструкции (для вещания и любительского радио) также генерируют AM, контролируя усиление последнего каскада усилителя передатчика (обычно класса C, для повышения эффективности). Следующие типы предназначены для ламповых передатчиков (но аналогичные решения доступны и для транзисторных):

Модуляция пластины: При пластинковой модуляции напряжение на аноде RF-усилителя модулируется звуковым сигналом. Требуемая мощность звукового сигнала составляет 50% мощности RF-несущей. Модуляция с помощью дросселя (постоянного тока): Напряжение на аноде RF-усилителя подается через дроссель (индуктивность большой величины). Анод модуляционной лампы AM также питается через этот дроссель, поэтому модуляторная лампа отводит ток от RF-усилителя. Дроссель действует как источник постоянного тока в звуковом диапазоне. Эта система имеет низкую эффективность. Модуляция управляющей сетки: Рабочая точка смещения и усиление последнего RF-усилителя могут контролироваться путем изменения напряжения на управляющей сетке. Этот метод требует небольшой мощности звука, но необходимо принимать меры для снижения искажений. Модуляция с помощью зажимной лампы (экранирующей сетки): Смещение экранирующей сетки может контролироваться с помощью зажимной лампы, которая уменьшает напряжение в соответствии с модулирующим сигналом. С этой системой сложно достичь 100% модуляции при сохранении низкого уровня искажений. Модуляция Доэрти: Одна лампа обеспечивает мощность в условиях несущей, а другая работает только при положительных пиках модуляции. Общая эффективность высока, а искажения низкие. Модуляция с расфазировкой: Две лампы работают параллельно, но частично сдвинуты по фазе друг относительно друга. Поскольку они дифференциально фазомодулируются, их суммарная амплитуда изменяется. Эффективность высока, а искажения низкие при правильной настройке. Модуляция ширины импульса (PWM) или модуляция длительности импульса (PDM): Высокоэффективный высоковольтный источник питания подается на анод лампы. Выходное напряжение этого источника изменяется с частотой звукового сигнала, чтобы соответствовать программе. Эта система была разработана Хилмером Суонсоном и имеет множество вариантов, все из которых обеспечивают высокую эффективность и качество звука. Цифровые методы: Корпорация Harris получила патент на синтез модулированной высокомощной несущей волны из набора цифровых низкомощных усилителей, работающих в фазе на одной и той же частоте несущей. Входной сигнал дискретизируется обычным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и подается в цифровой возбудитель, который модулирует общую выходную мощность передатчика путем включения и выключения серии твердотельных RF-усилителей малой мощности. Комбинированный выходной сигнал управляет антенной системой.

Методы демодуляции

Простейшая форма АМ-демодулятора состоит из диода, настроенного как огибающий детектор. Другой тип демодулятора – детектор произведения – может обеспечить более качественную демодуляцию, но требует большей сложности схемы.