Modulacija je proces povećavanja i pojačavanja frekvencije i snage signala poruke. To je proces koji superponira izvorni signal i kontinuirani visokofrekventni signal. U Amplitudna modulacija (AM), amplituda vala nositelja varira sa signalom poruke. Proces AM je prikazan na slici ispod:

Na primjer,

Audio signal

Audio signali su signali s visokim šumom. Nije lako prenositi takve signale na velike udaljenosti. Stoga je za uspješan prijenos neophodna modulacija audio signala. AM modulacija je proces u kojem se signal poruke superponira na radio val kao nosivi signal. Kombinira se s radio valom nositelja visoke amplitude, što povećava magnitudu audio signala.

Slično tome, Frekvencijska modulacija (FM) bavi se varijacijom frekvencije nosivog signala, i Fazna modulacija (PM) bavi se faznom varijacijom nosivog signala.

Prvo razgovarajmo o analognom i srodnim terminima.

Prvo razgovarajmo o analognom i srodnim terminima.

Analog odnosi se na kontinuiranu varijaciju s vremenom. Analognu komunikaciju i analogni signal možemo definirati kao: An analogna komunikacija je komunikacija koja se neprestano mijenja s vremenom. Otkriven je prije digitalne komunikacije. Zahtijeva manju propusnost za prijenos s jeftinim komponentama. An analogni signal je signal koji kontinuirano varira s vremenom. Primjeri analognog signala uključuju sinusne valove i kvadratne valove.

Jednostavan analogni signal prikazan je ispod:

Ovdje ćemo raspravljati o sljedećem:

Što je modulacija?

Vrste amplitudne modulacije

nadzirano strojno učenje

Povijest amplitudne modulacije

Potreba za modulacijom

Prijevod frekvencije AM

Indeks modulacije

Učinkovitost AM

Prednosti i nedostaci amplitudne modulacije

Primjene amplitudne modulacije

Numerički primjeri

Što je modulacija?

Kada je signal poruke superponiran signalu nosača, to je poznato kao modulacija . Signal poruke superponiran je na vrhu vala nositelja. Ovdje superponirano znači postavljanje signala na drugi signal. Rezultirajući signal ima poboljšanu frekvenciju i snagu.

Prevođenje signala potrebno je na kraju odašiljača i za analogne i za digitalne signale. Prevođenje se provodi prije nego što se signal dovede na kanal za prijenos do prijemnika.

Signal poruke

Izvorni signal koji sadrži poruku koju treba prenijeti do primatelja poznat je kao signal poruke.

Signal nosača

Signal nosač je signal s konstantnom frekvencijom, koja je općenito visoka. Nosivi signalni valovi ne zahtijevaju medij za širenje.

Osnovni signal

Signal poruke koji predstavlja pojas frekvencija poznat je kao signal osnovnog pojasa. Raspon signala osnovnog pojasa je od 0 Hz do granične frekvencije. Također se naziva nemodulirani signal ili niskofrekventni signal.

Analogni signal je izlaz svjetlosnog/zvučnog vala pretvorenog u električni signal.

Prolazni signal

Središte je na frekvenciji višoj od maksimalne komponente signala poruke.

Primjer

Razmotrimo primjer govorni signal . To je vrsta audio signala.

Govorni signal ima niže frekvencije osnovnog pojasa u rasponu od 0,3 do 3,4 kHz. Ako dvije osobe žele komunicirati na istom kanalu, frekvencije osnovnog pojasa će interferirati. To je zato što niže frekvencije ne mogu dopustiti dvije osnovne frekvencije na istom kanalu. Stoga se s govornim signalom koristi nositelj visoke frekvencije do 8kHz. Povećava frekvencijski raspon govornog signala. Omogućuje komunikaciju dviju osoba na istom kanalu bez ikakvih smetnji.

Potreba za modulacijom

Komunikacijski sustav šalje podatke od odašiljača do prijamnika. Podaci se obrađuju i putuju više od stotine milja prije nego što stignu do primatelja. Šum tijekom prijenosa može utjecati na oblik komunikacijskog signala. Dodatno obmanjuje primljene informacije smanjujući frekvenciju i snagu signala. Potreban je postupak koji povećava frekvenciju i snagu signala. Proces u komunikaciji je poznat kao modulacija .

U komunikaciji je bitno prenijeti signal s jednog mjesta na drugo. Ovdje se izvorni signal zamjenjuje novim, povećavajući njegovu frekvenciju s f1 - f2 na f1' - f2'. Prisutan je u obliku koji se može obnoviti na kraju prijemnika. Potreba za modulacijom temelji se na sljedećim čimbenicima:

1. Frekventno multipleksiranje
2. Antene
3. Uski pojas
4. Uobičajena obrada

Frekventno multipleksiranje

Multipleksiranje se odnosi na prevođenje više signala na istom kanalu. Pretpostavimo da imamo tri signala koja se trebaju prenijeti duž jednog komunikacijskog kanala bez utjecaja na kvalitetu signala i podatke. To znači da bi signali trebali biti razlučivi i povratni na prijemnom kraju. To se može učiniti prevođenjem tri signala na različitim frekvencijama. Sprječava presijecanje više signala.

Neka frekvencijski raspon triju signala bude -f1 do f1, -f2 do f2 i -f3 do f3. Signali su odvojeni štitnikom između njih, kao što je prikazano u nastavku:

Ako se odabrane frekvencije ovih signala ne preklapaju, to se može lako povratiti na prijemnom kraju korištenjem odgovarajućih pojasnih filtara.

Antene

Antene odašilju i primaju signale u slobodnom prostoru. Duljina antene odabire se prema valnoj duljini emitiranog signala.

Uskopojasni

Signal se prenosi u slobodnom prostoru uz pomoć antene. Pretpostavimo da je frekvencijski raspon od 50 do 10⁴Hz. Omjer najviše prema najnižoj frekvenciji bit će 10⁴/50 ili 200. Duljina antene u ovom omjeru postat će preduga na jednom kraju i prekratka na drugom kraju. Nije pogodan za prijenos. Stoga se audio signal prevodi u raspon (10⁶+ 50) do (10⁶+ 10⁴). Omjer će sada biti oko 1,01. Poznato je kao uskopojasni .

Stoga se proces prevođenja može promijeniti u uskopojasni ili širokopojasni, ovisno o zahtjevima.

Uobičajena obrada

Ponekad moramo obraditi spektralni frekvencijski raspon različitih signala. Ako postoji velik broj signala, bolje je raditi u nekom fiksnom frekvencijskom rasponu umjesto obrađivanja frekvencijskog raspona svakog signala.

Na primjer,

Superheteroinski prijemnik

Ovdje se zajednički blok obrade podešava na drugu frekvenciju pomoću lokalnog oscilatora.

Vrste amplitudne modulacije

Vrste modulacije označene su DA (Međunarodna unija za telekomunikacije). Postoje tri vrste amplitudne modulacije, a to su:

• Modulacija s jednim bočnim pojasom
• Modulacija dvostrukog bočnog pojasa
• Ostatna modulacija bočnog pojasa

Izvorni naziv AM-a bio je DSBAM (Double Side Band Amplitude Modulation) jer se bočni pojasevi mogu pojaviti s obje strane nosive frekvencije.

Jednopojasna modulacija (SSB)

SSB AM je standardna metoda za proizvodnju bočnih pojaseva samo na jednoj strani nosive frekvencije. Amplitudna modulacija može proizvesti bočne trake s obje strane nosive frekvencije. U SSB-u koristi pojasne filtre za odbacivanje jednog bočnog pojasa. Proces SSB modulacije poboljšava iskorištenje širine pojasa i ukupnu snagu prijenosa prijenosnog medija.

Modulacija nositelja s dvostrukim bočnim pojasom (DSB-SCB)

Double znači dvije bočne trake. Frekvencije koje proizvodi AM u DSB su simetrične u odnosu na frekvenciju nosača. DSB je dalje kategoriziran kao DSB-SC i DSB-C . Modulacija DSB-SC (Double Sideband Suppress Carrier) ne sadrži nosivi pojas, zbog čega je i njena učinkovitost maksimalna u usporedbi s drugim vrstama modulacije. Dio nosača u DSB-SC uklonjen je iz izlazne komponente. DSB-C (Double Sideband with Carrier) sastoji se od vala nositelja. Izlaz koji proizvodi DSB-C ima nosač u kombinaciji s porukom i komponentom nositelja.

Vestigialna bočna modulacija (VSB)

Neke od informacija su SSB, a DSB se mogu izgubiti. Stoga se VSB koristi za prevladavanje nedostataka ove dvije vrste AM. Vestige znači dio signala. U VSB, dio signala je moduliran.

O tri vrste AM-a detaljno ćemo raspravljati kasnije u uputama.

Povijest amplitudne modulacije

• Godine 1831. engleski znanstvenik Michael Faraday otkrio je elektromagnet
• Godine 1873. matematičar i znanstvenik James C Maxwell opisao je širenje EM valova.
• Godine 1875. Graham Bell otkrio je telefon.
• Godine 1887. njemački fizičar H Hertz otkrio je postojanje radio valova.
• Godine 1901. kanadski inženjer nazvan R Fessenden preveo prvi amplitudno modulirani signal.
• R Fessenden ga je otkrio pomoću odašiljača iskrišta, koji prenosi signal uz pomoć električne iskre.
• Praktična primjena AM-a započela je između 1900. i 1920. putem radiotelefonskog prijenosa. Bila je to komunikacija pomoću audio ili govornog signala.
• Prvi kontinuirani Am odašiljač razvijen je oko 1906. - 1910.
• Godine 1915. američki teoretičar J R Carson pokrenuo je matematičku analizu amplitudne modulacije. Pokazao je da je jedan pojas dovoljan za prijenos audio signala.
• Dana 1. prosinca 1915. J R Carson patentirao je SSB (Jedna bočna traka) Modulacija.
• Radio AM emitiranje postalo je popularno nakon izuma vakuumske cijevi oko 1920.

Translacija frekvencije amplitudne modulacije

Signal se prenosi množenjem s pomoćnim sinusoidnim signalom. Daje ga:

Vm(t) = A_mcosω_mt

Vm(t) = A_mcos2πf_mt

Gdje,

Am je konstanta amplitude

Fm je modulirajuća frekvencija

Fm = ω_m/2p

Spektralni uzorak će biti dvostrani uzorak amplitude. Sastoji se od dvije linije amplitude Am/2, kao što je prikazano u nastavku:

Nalazi se u frekvencijskom području od f = fm do f = -fm.

string to long

Neka pomoćni sinusoidalni signal bude Vc(t).

Vc(t) = A_Ccosω_Ct

Množenjem dvostrukog spektralnog uzorka s pomoćnim signalom dobivamo:

Vm(t). Vc(t) = A_mcosω_mt x A_Ccosω_Ct

Vm(t). Vc(t) = A_mA_Ccosω_mt cosω_Ct

Sada postoje četiri spektralne komponente, kao što je prikazano gore.

To znači da spektralni uzorak sada ima dva sinusoidalna valna oblika frekvencije Fc + Fm i Fc - Fm. Amplituda prije množenja bila je Am/2. No, komponente nakon množenja imaju povećanja s dva na četiri.

Amplituda će sada biti:

AmAc/4

1 sinusna komponenta = 2 spektralne komponente

Stoga će amplituda svake sinusne komponente biti:

AmAc/2

Spektralni uzorak nakon množenja se prevodi u oba smjera pozitivne i negativne frekvencije. Ako se ova četiri spektralna uzorka pomnože, rezultat će biti 6 spektralnih komponenti u obliku osam sinusoidalnih valnih oblika.

Indeks modulacije

Indeks modulacije definiran je kao omjer maksimalne vrijednosti signala poruke i signala nositelja.

Daje ga:

Indeks modulacije = M/A

Gdje,

M je amplituda signala poruke

A je amplituda nosivog signala

Ili

Indeks modulacije = Am/Ac

Učinkovitost AM

Učinkovitost amplitudne modulacije definira se kao omjer snage bočnog pojasa i ukupne snage.

Učinkovitost = Ps/Pt

Ukupna snaga je zbroj snage bočnog pojasa i snage nositelja.

Pt = Ps + Pc

Stoga učinkovitost također možemo definirati kao:

Učinkovitost = Ps/ Ps + Pc

Am signal u frekvencijskoj domeni može se predstaviti kao:

S(t) = A_C[1 + km(t)] cosω_Ct

Gdje,

m(t) je signal osnovnog pojasa

k je amplitudna osjetljivost

s(t) čuva signal osnovnog pojasa I njegovu omotnicu

np znači

s(t) = A_Ccosω_Ct + A_Ckm(t)cosω_Ct

Prvi izraz je nosilac, a drugi član je bočni pojas.

Snaga se može predstaviti kao:

Za termin nositelja, snaga = A_C²/2

Za član bočnog pojasa, snaga = A_C²k²/2 x Pm

Pm je prosječna snaga signala poruke prisutnog u članu bočnog pojasa.

Učinkovitost = A_C²k²Pm/2 /( A_C²k²Pm/2 + A_C²/2)

Učinkovitost= k²Pm/1 + k²Pm

To je uobičajeni izraz koji se koristi za određivanje energetske učinkovitosti amplitudne modulacije.

Budući da nema nositelja u modulaciji suzbijanja nositelja s dvostrukim bočnim pojasom, njegova je učinkovitost 50%. Učinkovitost jednotonski moduliranog signala u slučaju sinusoidnog valnog oblika je oko 33%. Maksimalna učinkovitost od 100% može se postići pomoću SSBSC (Single Side Modulation Suppress Carrier).

Prednosti

Prednosti amplitudne modulacije su sljedeće:

• Amplitudna modulacija pomaže signalu da putuje na velike udaljenosti mijenjanjem amplitude signala poruke.
• Komponente koje se koriste u AM prijamnicima i odašiljačima imaju nisku cijenu.
• AM signale je lako modulirati i demodulirati.
• Modulirani signal ima nižu frekvenciju od signala nositelja.
• Proces implementacije amplitudne modulacije je jednostavan.
• Komunikacijski kanal koji se koristi za prijenos može biti žičani ili bežični kanal. Povezuje odašiljač s prijamnikom. Također prenosi informacije od odašiljača do prijamnika.

Nedostaci

AM je široko korištena modulacija unatoč raznim nedostacima. Nedostaci amplitudne modulacije su sljedeći:

• Osjetljiviji je na buku zbog prisutnosti AM detektora. To utječe na kvalitetu signala koji dolazi do prijemnika.
• Ima bočne pojaseve s obje strane nosive frekvencije. Snaga u dvostrukim bočnim trakama nije iskorištena 100%. Snaga koju nose AM valovi je oko 33%. To znači da se više od polovice snage u dvostrukoj strani gubi uzalud.
• AM zahtijeva veliku propusnost, tj. dvostruko veću od frekvencije zvuka.

Primjene amplitudne modulacije

Primjene amplitudne modulacije su sljedeće:

Emitiranje
Amplitudna modulacija povećava frekvenciju signala poruke zbog prisutnosti visokofrekventnog signala nositelja. Stoga se naširoko koristi u emitiranju zbog ove prednosti.Radio bendovi
Amplitudna modulacija koristi se u prijenosnim dvosmjernim radijima i band radijima za učinkovitu komunikaciju.

Numerički primjeri

Razmotrimo primjer temeljen na amplitudnoj modulaciji.

Primjer: Nađite ukupnu snagu amplitudno moduliranog signala sa snagom nositelja 400 W i indeksom modulacije 0,8.

Riješenje : Formula za izračunavanje ukupne snage amplitudno moduliranog signala dana je na sljedeći način:

Pt = Pc (1 + m²/2)

Gdje,

Pt je ukupna snaga

Pc je prijenosna snaga

M je modulirani signal

Pt = 400 (1 + (0,8)²/2)

Pt = 400 (1 + 0,64/2)

Pt = 400 (1 + 0,32)

Pt = 400 (1,32)

Pt = 528 vata

Dakle, ukupna snaga amplitudno moduliranog signala je 528 vata.

Primjer 2: Koja je maksimalna učinkovitost signala modulacije jednog tona?

Riješenje : Maksimalna učinkovitost signala modulacije jednog tona je 33%.

Učinkovitost je dana formulom:
Učinkovitost = u²/(2 + u²)

Pri maksimalnoj učinkovitosti, u = 1

Učinkovitost = 1²/(2 + 1²)

Učinkovitost = 1/3

10 od 100

Učinkovitost % = 1/3 x 100

Učinkovitost % = 100/3

Učinkovitost % = 33,33