La modulazione è il processo di aumento e potenziamento della frequenza e della forza del segnale del messaggio. È il processo che sovrappone il segnale originale e il segnale continuo ad alta frequenza. In Modulazione d'ampiezza (AM), l'ampiezza dell'onda portante varia con il segnale del messaggio. Il processo di AM è mostrato nell'immagine seguente:
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Per esempio,
Segnale audio
I segnali audio sono segnali con rumore elevato. Non è facile trasmettere tali segnali su lunghe distanze. Pertanto, la modulazione dei segnali audio è necessaria per una trasmissione riuscita. La modulazione AM è un processo in cui un segnale di messaggio viene sovrapposto all'onda radio come segnale portante. È combinato con l'onda portante radio di elevata ampiezza, che aumenta l'entità del segnale audio.
Allo stesso modo, Modulazione di frequenza (FM) si occupa della variazione di frequenza del segnale portante e Modulazione di fase (PM) si occupa della variazione di fase del segnale portante.
Parliamo prima dell'analogico e dei suoi termini correlati.
Parliamo prima dell'analogico e dei suoi termini correlati.
Analogico si riferisce alla variazione continua nel tempo. Possiamo definire la comunicazione analogica e il segnale analogico come: An comunicazione analogica è una comunicazione che varia continuamente nel tempo. È stato scoperto prima della comunicazione digitale. Richiede meno larghezza di banda per la trasmissione con componenti a basso costo. UN segnale analogico è un segnale che varia continuamente nel tempo. Gli esempi di segnale analogico includono onde sinusoidali e onde quadre.
Di seguito è mostrato un semplice segnale analogico:
Qui discuteremo di quanto segue:
Tipi di modulazione di ampiezza
Storia della modulazione di ampiezza
Vantaggi e svantaggi della modulazione di ampiezza
Applicazioni della modulazione di ampiezza
Cos'è la modulazione?
Quando il segnale del messaggio è sovrapposto al segnale della portante, è noto come modulazione . Il segnale del messaggio è sovrapposto alla parte superiore dell'onda portante. Qui sovrapporre significa posizionare un segnale sull'altro segnale. Il segnale risultante formato ha una frequenza e una forza migliorate.
La traduzione del segnale è richiesta all'estremità del trasmettitore sia per i segnali analogici che per quelli digitali. La traduzione viene effettuata prima che il segnale venga portato sul canale per la trasmissione al ricevitore.
Segnale di messaggio
Il segnale originale che contiene un messaggio da trasmettere al ricevitore è noto come segnale di messaggio.
Segnale portante
Un segnale portante è un segnale con una frequenza costante, generalmente alta. Le onde del segnale portante non richiedono un mezzo per propagarsi.
Segnale in banda base
Un segnale di messaggio che rappresenta la banda di frequenze è noto come segnale in banda base. La gamma dei segnali in banda base va da 0 Hz alla frequenza di taglio. Viene anche chiamato segnale non modulato o segnale a bassa frequenza.
Un segnale analogico è l'uscita di un'onda luminosa/sonora convertita in un segnale elettrico.
Segnale banda passante
È centrato alla frequenza superiore alla componente massima del segnale del messaggio.
Esempio
Consideriamo un esempio di segnale vocale . È un tipo di segnale audio.
Il segnale vocale ha frequenze in banda base più basse nell'intervallo da 0,3 a 3,4k Hz. Se due persone vogliono comunicare sullo stesso canale, le frequenze della banda base interferiranno. Ciò è dovuto al fatto che le frequenze più basse non possono consentire due frequenze in banda base sullo stesso canale. Pertanto, con il segnale vocale viene utilizzata una portante ad alta frequenza fino a 8k Hz. Aumenta la gamma di frequenza del segnale vocale. Permette a due persone di comunicare sullo stesso canale senza alcuna interferenza.
Necessità di modulazione
Un sistema di comunicazione invia i dati dal trasmettitore al ricevitore. I dati vengono elaborati e viaggiano per più di centinaia di chilometri prima di raggiungere il ricevitore. Il rumore durante la trasmissione può influenzare la forma del segnale di comunicazione. Fuorvia ulteriormente le informazioni ricevute riducendo la frequenza e la forza del segnale. È necessario un processo che aumenti la frequenza e la forza del segnale. Il processo di comunicazione è noto come modulazione .
È essenziale trasmettere un segnale da un luogo all'altro nella comunicazione. Qui un segnale originale viene sostituito con quello nuovo, aumentando la sua frequenza da f1 - f2 a f1' - f2'. È presente nella forma recuperabile all'estremità del ricevitore. Il requisito della Modulazione si basa sui seguenti fattori:
- Multiplexing di frequenza
- Antenne
- Strisce strette
- Elaborazione comune
Multiplexing di frequenza
Il multiplexing si riferisce alla traduzione di più segnali sullo stesso canale. Supponiamo di avere tre segnali da trasmettere lungo un unico canale di comunicazione senza influenzare la qualità e i dati del segnale. Ciò significa che i segnali dovrebbero essere distinguibili e recuperabili all'estremità ricevente. Può essere fatto traducendo i tre segnali a frequenze diverse. Impedisce l'intersezione di più segnali.
Lascia che l'intervallo di frequenza di tre segnali sia da -f1 a f1, da -f2 a f2 e da -f3 a f3. I segnali sono separati da una protezione tra di loro, come mostrato di seguito:
Se le frequenze selezionate di questi segnali non si sovrappongono, possono essere facilmente recuperate all'estremità ricevente utilizzando opportuni filtri passa-banda.
Antenne
Le antenne trasmettono e ricevono segnali nello spazio libero. La lunghezza dell'antenna viene selezionata in base alla lunghezza d'onda del segnale trasmesso.
Banda stretta
Il segnale viene trasmesso nello spazio libero con l'aiuto di un'antenna. Supponiamo che l'intervallo di frequenza sia compreso tra 50 e 104Hz. Il rapporto tra la frequenza più alta e quella più bassa sarà 104/50 o 200. La lunghezza dell'antenna con questo rapporto diventerà troppo lunga da un lato e troppo corta dall'altro. Non è adatto per la trasmissione. Pertanto, il segnale audio viene tradotto nell'intervallo (106+50) a (106+104). Il rapporto ora sarà intorno a 1,01. È noto come banda stretta .
Pertanto, il processo di traduzione può essere modificato in banda stretta o banda larga a seconda delle esigenze.
Elaborazione comune
A volte è necessario elaborare la gamma di frequenze spettrali di segnali diversi. Se sono presenti numerosi segnali, è meglio operare in un intervallo di frequenza fisso piuttosto che elaborare l'intervallo di frequenza di ciascun segnale.
Per esempio,
Ricevitore supereterogeno
In questo caso, un blocco di elaborazione comune viene sintonizzato su una frequenza diversa utilizzando un oscillatore locale.
Tipi di modulazione di ampiezza
I tipi di modulazione sono designati dal QUELLO (Unione Internazionale delle Telecomunicazioni). Esistono tre tipi di modulazione di ampiezza, che sono i seguenti:
- Modulazione a banda laterale singola
- Modulazione a doppia banda laterale
- Modulazione della banda laterale vestigiale
Il nome originale dell'AM era DSBAM (Double Side Band Amplitude Modulation) perché le bande laterali possono apparire su entrambi i lati della frequenza portante.
Modulazione a banda laterale singola (SSB)
L'AM SSB è il metodo standard per produrre bande laterali su un solo lato della frequenza portante. La modulazione di ampiezza può produrre bande laterali su entrambi i lati della frequenza portante. In SSB, utilizza i filtri passa-banda per eliminare una banda laterale. Il processo di modulazione SSB migliora l'utilizzo della larghezza di banda e la potenza di trasmissione totale del mezzo di trasmissione.
Modulazione della portante con soppressione della doppia banda laterale (DSB-SCB)
Doppio significa due bande laterali. Le frequenze prodotte dall'AM in DSB sono simmetriche rispetto alla frequenza portante. Il DSB è ulteriormente classificato come DSB-SC E DSB-C . La modulazione DSB-SC (Double Sideband Suppress Carrier) non contiene alcuna banda portante, per cui la sua efficienza è massima anche rispetto ad altri tipi di modulazione. La parte portante nel DSB-SC viene rimossa dal componente di uscita. Il DSB-C (Doppia banda laterale con portante) è costituito dall'onda portante. L'output prodotto dal DSB-C ha una portante in combinazione con il messaggio e la componente portante.
Modulazione della banda laterale vestigiale (VSB)
Alcune informazioni sono SSB e il DSB potrebbe andare perso. Pertanto, VSB viene utilizzato per superare gli inconvenienti di questi due tipi di AM. Vestige significa una sezione del segnale. Nel VSB una parte del segnale viene modulata.
Discuteremo i tre tipi di AM in dettaglio più avanti nel tutorial.
Storia della modulazione di ampiezza
- Nel 1831, uno scienziato inglese Michael Faraday scoprì l'elettromagnetismo
- Nel 1873, il matematico e scienziato James C Maxwell descrisse la propagazione delle onde EM.
- Nel 1875, A Graham Bell scoprì il telefono.
- Nel 1887, il fisico tedesco H Hertz scoprì l'esistenza delle onde radio.
- Nel 1901, un ingegnere canadese di nome R. Fessenden tradotto il primo segnale modulato in ampiezza.
- R. Fessenden lo scoprì utilizzando il trasmettitore a spinterometro, che trasmette il segnale con l'aiuto di una scintilla elettrica.
- L'implementazione pratica dell'AM iniziò tra il 1900 e il 1920 attraverso la trasmissione radiotelefonica. Si trattava di una comunicazione che utilizzava il segnale audio o vocale.
- Il primo trasmettitore Am continuo fu sviluppato intorno al 1906-1910.
- Nel 1915, un teorico americano JR Carson ha avviato l'analisi matematica della modulazione di ampiezza. Ha dimostrato che per la trasmissione del segnale audio è sufficiente la sola banda.
- Il 1° dicembre 1915 JR Carson brevettò il SSB Modulazione (banda laterale singola).
- La trasmissione radiofonica AM divenne popolare dopo l'invenzione del tubo a vuoto intorno al 1920.
Traduzione di frequenza della modulazione di ampiezza
Un segnale viene trasmesso moltiplicandolo con un segnale sinusoidale ausiliario. Esso è dato da:
Vm(t) = AMcosωMT
Vm(t) = AMcos2πfMT
Dove,
Am è la costante di ampiezza
Fm è la frequenza modulante
Fm = ωM/2p
Il modello spettrale sarà un modello di ampiezza a doppia faccia. È costituito da due linee ciascuna di ampiezza Am/2, come mostrato di seguito:
Si trova nell'intervallo di frequenze da f = fm a f = -fm.
Sia Vc(t) il segnale sinusoidale ausiliario.
Vc(t) = ACcosωCT
Moltiplicando il doppio pattern spettrale per il segnale ausiliario, otteniamo:
Vm(t). Vc(t) = AMcosωMtxACcosωCT
Vm(t). Vc(t) = AMUNCcosωMt cosωCT
Ora ci sono quattro componenti spettrali, come mostrato sopra.
Ciò significa che il modello spettrale ora ha due forme d'onda sinusoidali di frequenza Fc + Fm e Fc - Fm. L'ampiezza prima della moltiplicazione era Am/2. Ma i componenti dopo la moltiplicazione aumentano da due a quattro.
L'ampiezza ora sarà:
AmAc/4
1 componente sinusoidale = 2 componenti spettrali
Pertanto, l'ampiezza di ciascuna componente sinusoidale sarà:
AmAc/2
Il modello spettrale dopo la moltiplicazione viene tradotto in entrambe le direzioni di frequenza positiva e negativa. Se questi quattro modelli spettrali vengono moltiplicati per il guadagno, il risultato sarà di 6 componenti spettrali sotto forma di otto forme d'onda sinusoidali.
Indice di modulazione
L'indice di modulazione è definito come il rapporto tra il valore massimo del segnale del messaggio e il segnale della portante.
Esso è dato da:
Indice di modulazione = M/A
Dove,
M è l'ampiezza del segnale del messaggio
A è l'ampiezza del segnale portante
O
Indice di modulazione = Am/Ac
Efficienza dell'AM
L'efficienza della modulazione di ampiezza è definita come il rapporto tra la potenza della banda laterale e la potenza totale.
Efficienza = Ps/Pt
La potenza totale è la somma della potenza della banda laterale e della potenza della portante.
Pt = Ps + Pc
Possiamo quindi definire l’efficienza anche come:
Efficienza = Sal/ Sal + Pz
Il segnale Am nel dominio della frequenza può essere rappresentato come:
S(t) = AC[1 + km(t)] cosωCT
Dove,
m(t) è il segnale in banda base
k è la sensibilità all'ampiezza
s(t) preserva il segnale in banda base nel suo inviluppo
s(t) = ACcosωCt+ACkm(t)cosωCT
Il primo termine è il termine portante e il secondo termine è il termine della banda laterale.
La potenza può essere rappresentata come:
Per il termine portante, Potenza =AC2/2
Per il termine di banda laterale, Potenza =AC2K2/2 x PM
Pm è la potenza media del segnale del messaggio presente nel termine della banda laterale.
Efficienza = AC2K2Pm/2 /(AC2K2PM/2 + AC2/2)
Efficienza= K2PM/1 + k2PM
È l'espressione comune utilizzata per trovare l'efficienza energetica della modulazione di ampiezza.
Poiché non è presente alcuna portante nella modulazione della portante con soppressione della banda laterale doppia, la sua efficienza è del 50%. L'efficienza di un segnale modulato a tono singolo nel caso della forma d'onda sinusoidale è intorno al 33%. L'efficienza massima del 100% può essere raggiunta utilizzando SSBSC (Single Side Modulation Suppress Carrier).
Vantaggi
I vantaggi della modulazione di ampiezza sono i seguenti:
- La modulazione di ampiezza aiuta il segnale a percorrere lunghe distanze variando l'ampiezza del segnale del messaggio.
- I componenti utilizzati nei ricevitori e trasmettitori AM hanno un costo contenuto.
- I segnali AM sono facili da modulare e demodulare.
- Il segnale modulato ha una frequenza inferiore rispetto al segnale delle portanti.
- Il processo di implementazione della modulazione di ampiezza è semplice.
- Il canale di comunicazione utilizzato per la trasmissione può essere un canale cablato o un canale wireless. Collega il trasmettitore al ricevitore. Trasporta anche informazioni dal trasmettitore al ricevitore.
Svantaggi
AM è una modulazione ampiamente utilizzata nonostante i suoi vari svantaggi. Gli svantaggi della modulazione di ampiezza sono i seguenti:
- È più suscettibile al rumore a causa della presenza di rilevatori AM. Influisce sulla qualità del segnale che raggiunge il ricevitore.
- Ha bande laterali su entrambi i lati della frequenza portante. La potenza nelle doppie bande laterali non viene utilizzata al 100%. La potenza trasportata dalle onde AM è pari a circa il 33%. Ciò significa che più della metà della potenza nel doppio lato viene sprecata.
- L'AM richiede un'elevata larghezza di banda, ovvero il doppio di quella della frequenza audio.
Applicazioni della modulazione di ampiezza
Le applicazioni della modulazione di ampiezza sono le seguenti:
La modulazione di ampiezza aumenta la frequenza del segnale del messaggio a causa della presenza di un segnale portante ad alta frequenza. Quindi, è ampiamente utilizzato nelle trasmissioni grazie a questo vantaggio.
La modulazione di ampiezza viene utilizzata nelle radio ricetrasmittenti portatili e nelle radio a banda per comunicazioni efficaci.
Esempi numerici
Discutiamo un esempio basato sulla modulazione di ampiezza.
Esempio: Trova la potenza totale del segnale modulato in ampiezza con una potenza portante di 400 W e indice di modulazione di 0,8.
Soluzione : La formula per calcolare la potenza totale del segnale modulato in ampiezza è data da:
Pt = Pc (1 + m2/2)
Dove,
Pt è la potenza totale
Il PC è il potere portante
M è il segnale modulato
Pt = 400 (1 + (0,8)2/2)
Pt = 400 (1 + 0,64/2)
Pt = 400 (1 + 0,32)
Pt = 400 (1,32)
Pt = 528 Watt
Pertanto, la potenza totale del segnale modulato in ampiezza è di 528 watt.
Esempio 2: Qual è l'efficienza massima del segnale di modulazione a tono singolo?
Soluzione : L'efficienza massima del segnale di modulazione a tono singolo è del 33%.
L'efficienza è data dalla formula:
Efficienza = u2/(2 + u2)
Alla massima efficienza, u = 1
Efficienza = 12/(2+12)
Efficienza = 1/3
Efficienza % = 1/3 x 100
Efficienza % = 100/3
Efficienza % = 33,33