MODULOWANA AMPLITUDA: CHARAKTERYSTYKA I SPOSÓB DZIAŁANIA - FIZYCZNY - 2026

Modulacją amplitudy AM (modulacja amplitudy) jest techniką transmisji sygnału, w którym fala sinusoidalna elektromagnetyczny częstotliwości nośnej f _c , odpowiedzialne za przekazywanie wiadomości z częstotliwością f _s << f _c zależne (tj moduluje) amplituda zgodnie z amplitudą sygnału.

Oba sygnały są przesyłane jako jeden, całkowity sygnał (sygnał AM), który łączy w sobie zarówno falę nośną (sygnał nośny), jak i falę (sygnał informacyjny) zawierającą wiadomość, jak pokazano na poniższym rysunku:

Rysunek 1. Modulacja amplitudy. Źródło: Wikimedia Commons.

Należy zauważyć, że informacje są przesyłane w postaci otaczającej sygnał AM, zwanej kopertą.

Dzięki tej technice sygnał może być przesyłany na duże odległości, stąd ten rodzaj modulacji jest szeroko stosowany w radiu komercyjnym i pasmach cywilnych, chociaż procedura może być przeprowadzona z dowolnym typem sygnału.

Aby uzyskać informacje, potrzebny jest odbiornik, w którym za pomocą detektora obwiedni przeprowadzany jest proces zwany demodulacją.

Detektor obwiedni to nic innego jak bardzo prosty obwód zwany prostownikiem. Procedura jest prosta i niedroga, ale w procesie przesyłu zawsze występują straty mocy.

Jak działa modulowana amplituda?

Aby przesłać wiadomość wraz z sygnałem nośnej, nie wystarczy po prostu dodać dwa sygnały.

Jest to proces nieliniowy, w którym transmisję w sposób opisany powyżej uzyskuje się poprzez pomnożenie sygnału komunikatu przez sygnał nośnej, oba cosinusowe. I do wyniku tego dodaj sygnał nośnej.

Forma matematyczna wynikająca z tej procedury to zmienny sygnał w czasie E (t), którego postać to:

Gdzie amplituda E _c jest amplitudą nośnej, a m jest wskaźnikiem modulacji, określonym wzorem :

Zatem: E _s = mE _c

Amplituda komunikatu jest niewielka w porównaniu z amplitudą nośnej, dlatego:

W przeciwnym razie obwiednia sygnału AM nie miałaby dokładnego kształtu wiadomości, która ma być przesłana. Równanie na m można wyrazić jako procent modulacji:

Wiemy, że sygnały sinusoidalne i cosinusowe charakteryzują się określoną częstotliwością i długością fali.

Kiedy sygnał jest modulowany, jego rozkład częstotliwości (widmo) jest poddawany translacji, co zdarza się, że zajmuje pewien obszar wokół częstotliwości sygnału nośnego f _c (który nie jest w ogóle zmieniany podczas procesu modulacji), zwany szerokością zespół muzyczny.

Ponieważ są to fale elektromagnetyczne, ich prędkość w próżni odpowiada prędkości światła, która jest powiązana z długością fali i częstotliwością przez:

W ten sposób informacje, które mają być transmitowane, powiedzmy, ze stacji radiowej, docierają bardzo szybko do odbiorników.

Transmisje radiowe

Stacja radiowa musi przekształcić słowa i muzykę, z których wszystkie są sygnałami dźwiękowymi, na sygnał elektryczny o tej samej częstotliwości, na przykład za pomocą mikrofonów.

Ten sygnał elektryczny nazywany jest dźwiękowym sygnałem częstotliwości FA, ponieważ mieści się w zakresie od 20 do 20000 Hz, czyli widmem słyszalnym (częstotliwości, które słyszą ludzie).

Rysunek 2. Wiele stacji radiowych nadaje w AM. Źródło: Pixabay.

Sygnał ten musi zostać wzmocniony elektronicznie. We wczesnych latach radia był wykonany z lamp próżniowych, które później zostały zastąpione znacznie wydajniejszymi tranzystorami.

Wzmocniony sygnał jest następnie łączony z sygnałem częstotliwości radiowej FR przez obwody modulatora AM, tak aby uzyskać określoną częstotliwość dla każdej stacji radiowej. Jest to wspomniana wyżej częstotliwość nośna f _c .

Częstotliwości nośne stacji radiowych AM mieszczą się w zakresie od 530 Hz do 1600 Hz, ale stacje używające modulowanej częstotliwości lub FM mają wyższe nośne częstotliwości: 88-108 MHz.

Następnym krokiem jest ponowne wzmocnienie połączonego sygnału i przesłanie go do anteny, aby mógł być emitowany jako fala radiowa. W ten sposób może rozprzestrzeniać się w przestrzeni, aż dotrze do odbiorników.

Odbiór sygnału

Odbiornik radiowy posiada antenę wychwytującą fale elektromagnetyczne pochodzące ze stacji.

Antena składa się z przewodzącego materiału, który z kolei zawiera wolne elektrony. Pole elektromagnetyczne wywiera siłę na te elektrony, które natychmiast wibrują z tą samą częstotliwością co fale, wytwarzając prąd elektryczny.

Inną opcją jest to, że antena odbiorcza zawiera cewkę z drutu, a pole elektromagnetyczne fal radiowych indukuje w niej prąd elektryczny. W każdym przypadku ten strumień zawiera informacje pochodzące ze wszystkich przechwyconych stacji radiowych.

Teraz następuje to, że odbiornik radiowy jest w stanie rozróżnić każdą stację radiową, to znaczy dostroić się do tej, która jest preferowana.

Włącz radio i słuchaj muzyki

Wybór między różnymi sygnałami jest realizowany przez rezonansowy obwód LC lub oscylator LC. To bardzo prosty układ zawierający zmienną cewkę indukcyjną L i kondensator C umieszczone szeregowo.

Aby dostroić stację radiową, wartości L i C są dostosowywane tak, aby częstotliwość rezonansowa obwodu pokrywała się z częstotliwością strojonego sygnału, która jest niczym innym jak częstotliwością nośną stacji radiowej: f _c .

Po dostrojeniu stacji uruchamia się wspomniany na początku obwód demodulatora. To on jest odpowiedzialny za rozszyfrowanie, że tak powiem, wiadomości nadawanej przez stację radiową. Odbywa się to poprzez oddzielenie sygnału nośnego od sygnału komunikatu za pomocą diody i obwodu RC zwanego filtrem dolnoprzepustowym.

Rysunek 3. Po lewej obwód oscylatora LC. Po prawej obwód demodulatora. Źródło: F. Zapata.

Odseparowany już sygnał ponownie przechodzi przez proces wzmacniania i stamtąd trafia do głośników lub słuchawek, żebyśmy mogli go usłyszeć.

Proces jest tutaj nakreślony, ponieważ etapów jest tak naprawdę więcej i jest on znacznie bardziej złożony. Ale daje nam dobre wyobrażenie o tym, jak zachodzi modulacja amplitudy i jak dociera do uszu odbiorcy.

Przykład praktyczny

Fala nośna ma amplitudę E _c = 2 V (RMS) i częstotliwość f _c = 1,5 MHz. Jest on modulowany przez sygnał o częstotliwości fs = 500 Hz, a amplituda E _s = 1 V (RMS). Jakie jest równanie sygnału AM?

Rozwiązanie

Podstaw odpowiednie wartości do równania na sygnał modulowany:

Należy jednak zauważyć, że równanie obejmuje szczytowe amplitudy, które w tym przypadku są napięciami. Dlatego konieczne jest podanie wartości skutecznych napięć do wartości szczytowej mnożonej przez √2:

1. Analfabetyczna. Systemy modulacji. Odzyskany z: analfatecnicos.net.
2. Giancoli, D. 2006. Fizyka: Zasady z zastosowaniami. 6 ^th . Ed Prentice Hall.
3. Quesada, F. Communications Laboratory. Modulacja amplitudy. Odzyskany z: ocw.bib.upct.es.
4. Santa Cruz, O. Transmisja modulacji amplitudy. Odzyskany z: professors.frc.utn.edu.ar.
5. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fizyka dla nauki i inżynierii. Tom 2. 7 ^ma . Ed. Cengage Learning.
6. Fala nośna. Odzyskane z: es.wikipedia.org.