Модуляция колебаний

        медленное по сравнению с периодом колебаний изменение амплитуды, частоты или фазы колебаний по определённому закону. Соответственно различаются амплитудная модуляция, частотная модуляция и фазовая модуляция (рис. 1). При любом способе М. к. скорость изменения амплитуды, частоты или фазы должна быть достаточно малой, чтобы за период колебания модулируемый параметр почти не изменился.

         М. к. применяется для передачи информации с помощью электромагнитных волн радио- или оптических диапазонов. Переносчиком сигнала в этом случае являются синусоидальные электрические колебания высокой частоты ω (несущая частота). Амплитуда, частота, или фаза этих колебаний, а в случае света и поляризация, модулируются передаваемым сигналом (см. Модуляция света).

         В простейшем случае модуляции амплитуды А синусоидальным сигналом модулированное колебание, изображенное на рис. 2, может быть записано в виде:

         х = А₀ (1 + m sin Ω t) sin (ω t + φ). (1)

        Здесь A₀ и ω — амплитуда и частота исходного колебания, Ω — частота модуляции, а величина m, называется глубиной модуляции, характеризует степень изменения амплитуды:

        

        Частота модуляции Ω характеризует скорость изменения амплитуды колебаний. Эта частота должна быть во много раз меньше, чем несущая частота ω. Модулированное колебание уже не является синусоидальным. Амплитудно-модулированное колебание представляет собой сумму трёх синусоидальных колебаний с частотами ω, ω + Ω и ω — Ω. Колебание частоты ω называется (в радиотехнике) несущим. Его амплитуда равна амплитуде исходного колебания А₀. Две остальные частоты называются боковыми частотами, или спутниками. Амплитуда каждого спутника равна mА₀/2.

         Т. о., любая передающая радиостанция, работающая в режиме амплитудной модуляции, излучает не одну частоту, а целый набор (спектр) частот. В простейшем случае М. к. синусоидальным сигналом этот спектр содержит лишь три составляющие — несущую и две боковые. Если же модулирующий сигнал не синусоидальный, а более сложный, то вместо двух боковых частот в модулированном колебании будут две боковые полосы, частотный состав которых определяется частотным составом модулирующего сигнала. Поэтому каждая передающая станция занимает в эфире определённый частотный интервал. Во избежание помех несущие частоты различных станций должны отстоять друг от друга на расстоянии, большем, чем сумма боковых полос. Ширина боковой полосы зависит от характера передаваемого сигнала: для радиовещания (См. Радиовещание) — 10 кгц, для телевидения (См. Телевидение) — 6 Мгц. Исходя из этих величин, выбирают интервал между несущими частотами различных станций. Для получения амплитудно-модулированного колебания колебание несущей частоты ω и модулирующий сигнал частоты Ω подают на специальное устройство — Модулятор.

         В случае частотной модуляции синусоидальным сигналом частота колебаний меняется по закону:

         ω = ω₀ + Δω cos Ω t, (3)

        где cos Ω t — модулирующий сигнал, Δω — т. н. девиация частоты. При частотной модуляции полоса частот модулированного колебания зависит от величины β = Δω/Ω, называемой индексом частотной модуляции. При β << 1 справедливо приближённое соотношение:

         х ≈ А₀ (sin ω t + β sin Ω t cos ω t). (4)

        В этом случае частотно-модулированное колебание, так же как и амплитудно-модулированное, состоит из несущей частоты ω и двух спутников с частотами ω + Ω и ω — Ω. Поэтому при малых β полосы частот, занимаемые амплитудно-модулированным и частотно-модулированным сигналами, одинаковы. При больших индексах β спектр боковых частот значительно увеличивается. Кроме колебаний с частотами ω ± Ω, появляются колебания, частоты которых равны ω ± 2 Ω, ω ± 3 Ω и т. д. Полная ширина полосы частот, занимаемая частотно-модулированным колебанием с девиацией Δω и частотой модуляции Ω (с точностью, достаточной для практических целей), может считаться равной 2 Δω + 2 Ω. Эта полоса всегда шире, чем при амплитудной модуляции.

         Преимуществом частотной модуляции перед амплитудной в технике связи является большая помехоустойчивость. Это качество частотной модуляции проявляется при β >> 1, т. е. когда полоса частот, занимаемая частотно-модулированным сигналом, во много раз больше 2 Ω. Поэтому частотно-модулированные колебания применяются для высококачественной передачи сигналов в диапазоне ультракоротких волн (УKB), где на каждую радиостанцию выделена полоса частот, в 15—20 раз большая, чем в диапазоне длинных, средних и коротких волн, на которых работают радиостанции с амплитудной модуляцией. Частотная модуляция применяется также для передачи звукового сопровождения телевизионных программ. Частотно-модулированные колебания могут быть получены изменением частоты задающего генератора (См. Задающий генератор) (см. Радиопередатчик).

         В случае фазовой модуляции модулированное колебание имеет вид:

         х = А₀ sin (ω₀ t + Δφ cos Ω t). (5)

        Если модулирующий сигнал синусоидальный, то форма модулированных колебаний и их спектральный состав для частотной и фазовой модуляции одинаковы. В случае несинусоидального модулирующего сигнала это различие четко выражено.

         В многоканальных системах связи в качестве переносчика информации используется не гармоническое колебание, а периодическая последовательность радиоимпульсов, каждый из которых представляет собой цуг колебаний высокой частоты (рис. 3). Периодическая последовательность таких импульсов определяется четырьмя основными параметрами: амплитудой, частотой следования, длительностью (шириной) и фазой. В соответствии с этим возможны четыре типа импульсной модуляции: амплитудно-импульсная, частотно-импульсная, широтно-импульсная, фазово-импульсная (рис. 4). Импульсная модуляция обладает повышенной помехоустойчивостью по сравнению с модуляцией непрерывной синусоидальной несущей, зато полоса частот, занимаемая передающей радиостанцией с импульсной модуляцией, во много раз шире, чем при амплитудной модуляции (см. Импульсная модуляция, Импульсная радиосвязь).

        

         Лит.: Харкевич А. А., Основы радиотехники, ч. 1, М., 1962; Гольдман С., Гармонический анализ, модуляция и шумы, пер. с англ., М., 1951; Рытов С. М., Модулированные колебания и волны, «Тр. Физического института АН СССР», 1940, т. 2, в. 1.

         В. Н. Парыгин.

        

        Рис. 1. Схематическое изображение модулированных колебаний: а — немодулированное колебание; б — модулирующий сигнал; в — амплитудно-модулированное колебание; г — частотно-модулированное колебание; д — фазово-модулированное колебание.

        

        Рис. 2. Амплитудная модуляция синусоидальным сигналом, ω — несущая частота, Ω — частота модулирующих колебаний, А_макс и А_мин — максимальное и минимальное значения амплитуды.

        

        Рис. 3. Радиоимпульс.

        

        Рис. 4. Различные виды импульсной модуляции: а — немодулированная последовательность радиоимпульсов; б — передаваемый сигнал; в — амплитудно-импульсная модуляция; г — частотно-импульсная модуляция; д — широтно-импульсная модуляция; е — фазово-импульсная модуляция.