Модуляция

Словари дают такое определение понятия «модуляция сигнала» — процесс изменения одного сигнала в соответствии с формой другого сигнала.

Амплитудная модуляция (АМ)

В 1900 году Реджинальд Обри Фессенден (Reginald Aubrey Fessenden) предложил принцип амплитудной модуляции: наложение звукового сигнала на несущее ВЧ-колебание. Считается, что он же первым использовал амплитудную модуляцию для передачи звука по радио: 24 декабря 1906 года публике была продемонстрирована реальная трансляция музыкальной и речевой программ.

Реализуется амплитудная модуляция довольно просто: достаточно, например, изменять напряжение питания генератора — такое решение широко используется до настоящего времени.

В классической реализации спектр АМ-сигнала (принято международное обозначение для этого вида модуляции в радиовещании — А3Е) включает в себя несущую и две боковые полосы (рис.2). Для передачи речи с полосой, например, 5 кГц в эфире нужно выделить полосу 10 кГц, а для музыки потребуется все 30. Радиочастотный ресурс используется не очень экономично, кроме того, сама несущая не несет никакой информации, а ведь на ее передачу расходуется львиная доля энергии.

В музыкальном радиовещании однополосная амплитудная модуляция не прижилась, потому что в приемнике нужно синтезировать несущую с очень высокой точностью, иначе разрушится музыкальный строй. Для звукового вещания используется режим с подавленной боковой полосой и ослабленной несущей.

Амплитудная модуляция с частично подавленной боковой полосой сочетает в себе достоинства амплитудной модуляции с ОБП (высокие энергетические показатели и эффективное использование радиочастотного спектра) и простоту абонентского приемника (не требуется синтез несущей). Этот метод практически повсеместно используется в аналоговом телевизионном вещании для передачи сигнала изображения.

Если в спектре модулирующего звуковой сигнал колебания преобладают инфранизкие частоты, то результат воспринимается как изменение громкости. Модуляция сигналом с частотой 20…30 Гц воспринимается как потеря прозрачности, вплоть до хриплости, звук становится «пластмассовым», тусклым, порог заметности — единицы процентов.

При синтезе звука амплитудная модуляция используется целенаправленно — с ее помощью формируется огибающая сигнала. Большая часть регуляторов в синтезаторе имеет отношение к амплитудной модуляции.

Частотная модуляция (ЧМ)

Метод частотной модуляции предложил Корнелиус Эре (Cornelius Ehret) в 1902 году. Летом 1934 года публика увидела и услышала эту технологию в действии. Летом 1940 года решением FCC (Федеральная комиссия по связи — Federal Communications Commission) для ЧМ-радиовещания (международное обозначение этого вида модуляции в радиовещании — F3E) был выделен диапазон 42…50 МГц.

Модуляция в радиовещании

Решение NTSC (Национальный комитет телевизионных стандартов США — National Television Standards Committee) открыло методу частотной модуляции путь в телевидение для передачи звукового сигнала. В аналоговом спутниковом телевизионном вещании метод частотной модуляции используется в настоящее время и для передачи сигнала изображения.

 Соотношение сигнал/шум на выходе канала с частотной модуляцией связано с величиной помех в радиоканале и индексом модуляции. Чем больше индекс модуляции, тем больше выигрыш по помехозащищенности. Имея в радиоканале отношение сигнал/шум, например, 30 дБ, можно получить в звуковом тракте существенно лучшие показатели — 50 дБ и более. Переход в стереорежим существенно ухудшает помехозащищенность.

Спектр ЧМ-сигнала теоретически бесконечен, но с достаточной для практических целей точностью можно считать, что полоса ЧМ-сигнала равна удвоенной сумме девиации и частоте модулирующего сигнала. Для комплексного стереофонического сигнала с полосой 53 кГц и девиации 75 кГц получаем, что спектр сигнала радиостанции имеет ширину (53 + 75)·2 = 256 кГц. Монозвук в телевидении занимает более узкую полосу (15 + 55)·2 = 130 кГц.

Спектр помех в ЧМ-канале неравномерен, их уровень повышается с ростом частоты модулирующего сигнала. Введение цепи предыскажений на входе модулятора и корректора на выходе детектора позволяет перераспределить помехи: оказываются ослабленными более заметные высокочастотные шумы, но, естественно, вместе с полезным сигналом.