Amplitúdómoduláció

Az amplitúdómoduláció (rövidítve: AM) a jelátvitelben az amplitúdó változtatása, mely ezáltal az átviendő információt hordozza.

Egy rádiófrekvenciás jelre több módon lehet az információt ráültetni, ennek egyik módja, ha a jel amplitúdóját változtatjuk (moduláljuk). Morzeadásnál az amplitúdó nulla és maximum között változik. Általában azonban hangot vagy videojelet (széles sávú jelet) ültetnek rá egy sokkal nagyobb frekvenciájú vivő jelre (hordozóra). Az amplitúdómodulációnál a moduláció mértékét százalékban fejezik ki. Ha nincs moduláció, a százalék nulla; ha a modulációs csúcs nulla és maximum között ingadozik, akkor 100%.

A rádióamatőrök általában 75% körüli modulációt használnak, 100% felett torzítások lépnek fel. Moduláció során mindig keverés áll elő, azaz a vivő jel és a moduláló jel összege és különbsége jön létre. Az SSB/SC adás is alapjában véve amplitúdómodulációval működik, csak a vivőt elnyomják, és az egyik oldalsávot levágják. A vivőt a vételi oldalon kell helyreállítani ahhoz, hogy a vett jel azonos legyen a leadottal.

A moduláció: A vivőhullám a moduláció során felveszi az információt hordozó alapjel jellegzetességeit. Amplitúdómoduláció során a szinuszos vivő amplitúdóját változtatjuk az alapjel pillanatértékeivel arányosan.

Matematikai leírásaSzerkesztés

Az amplitúdó modulált jel (későbbiekben  ) az amplitúdójában hordozza az információt, azaz

 

mivel a koszinusz argumentumának nincs információtartalma, ezért a  , ezt az általánosság elvesztése nélkül megtehetjük. Az időfüggvénytől sokkal szemléletesebb képet kapunk a spektrális képpel, amit az időfüggvény Fourier-transzformáltjával kaphatunk meg:

 ,

ami Fourier-transzformáció modulációs tételéből következően nem más, mint

  ahol az   az   Fourier-transzformáltja. Ha ezt kicsit részletesebben kifejtjük:

 

ahol a   a Dirac-féle impulzus. Az ily módon modulált jel AM-DSB (AM – Dual Side Band), azaz kétoldalas amplitúdómodulált jel. A jel kisugárzásánál a Dirac-impulzus nagy energiát hordoz, ami egyébként felesleges, ezért ezt jó, ha kiszűrjük a kisugárzás előtt. Az ilyen jelet AM-DSB/SC (Supressed Carrier) névvel illetik, azaz „elnyomott vivőjű két oldalsávos amplitúdómodulált jel”.

Kapcsolódó fogalmakSzerkesztés

Modulációs mélységSzerkesztés

A   modulációs mélység, más néven modulációs index definíciója

    ahol   a moduláló jel csúcsértéke,   pedig a fent definiált egyenszint-eltolás.

A modulációs mélység különböző típusú amplitúdómodulációknál különböző lehet, vannak modulációs eljárások, ahol  , így  , míg máshol a demodulálás megkönnyítésére a vivőt is kisugározzák. 100% fölötti modulációs mélység esetén a jel burkolója nem egyezik meg a vivőt moduláló   jellel. Ez a burkoló visszaállításán alapuló demodulátorok esetén torzításhoz vezet.

 
20%-os modulációs index
 
100%-os modulációs index
 
150%-os modulációs index

Vivőhullám, vivőfrekvenciaSzerkesztés

 
Különböző modulációs eljárások hatása a spektrumra
1. alapsávi jel
2. AM-DSB
3. AM-DSB/SC
4. AM-SSB USB
5. AM-SSB LSB

A vivőhullám az a modulálatlan szinuszos jel, amellyel a moduláló jelet az átvitelhez használt frekvenciatartományba transzponáljuk, frekvenciája a vivőfrekvencia  . Amennyiben a modulációs mélység index véges, akkor az AM jel spektrumán megjelenik.

Modulációs típusok oldalsávok alapjánSzerkesztés

Az AM moduláció során előálló jel spektruma a vivő mindkét oldalán tartalmaz spektrumkomponenseket. Ez a két oldalsáv redundáns, mivel valós jel spektruma szimmetrikus  -ra, a moduláció után pedig a moduláló spektruma megjelenik  -vel és  -vel eltolva.[1] Ezért az egyik oldalsáv kiszűrésével is lehetséges az információ visszaállítása, és így a sávszélesség-igény és a sugárzóteljesítmény csökkenthető.

  • Kétoldalsávos moduláció (AM-DSB Double Sideband): Mindkét előállított oldalsávot kisugározzák
  • Egy oldalsávos moduláció (AM-SSB Single Sideband): Ebben az esetben a két oldalsáv egyikét a sávszélesség és az adóteljesítmény csökkentése érdekében még sugárzás előtt kiszűrik. Két változata használatos:
    • Felső oldalsávos (Upper Sideband): Ez az oldalsáv a moduláló spektrumának pozitív frekvenciájú összetevőjének eltoltja, ezért nem fordít spektrumot.
    • Alsó oldalsávos (Lower Sideband: Spektrumot fordít, mivel a negatív frekvenciájú félspektrum eltoltja, ami a moduláló pozitív frekvenciájú spektrumkomponensének tükörképe.
  • Elnyomott vivő (SC Suppressed Carrier): Az adóteljesítmény csökkentése érdekében a vivőfrekvenciás komponenst kiszűrik, vagy már eleve 0 középértékű modulálót használnak. Ez teljesítmény szempontjából kedvező, azonban megnehezíti a vivő visszaállítását. Ezért létezik egy átmeneti megoldás, ahol kis teljesítményű pilot vivőt sugároznak a jellel.

Moduláció típusok jelöléseSzerkesztés

Az Atlantic City-ben 1947-ben megtartott rádiókonferencia a következő jelöléseket választotta [2]

jel Moduláció Types of modulation
A amplitúdó moduláció Amplitude
F frekvencia, vagy fázismoduláció Frequency (or phase)
P impulzusmoduláció Pulse
második jel Átvitel típusa Types of transmission:
0 modulálatlan vivő Absence of any modulation intended to carry information
1 modulálatlan távírójel Telegraphy without the use of modulating audio frequency
2 modulált távírójel (amplitúdó, vagy frekvencia billentyűzés) Telegraphy by the keying of a modulating audio frequency or audio frequencies or by the keying of the modulated emission (special case: an unkeyed modulated emission)
3 hangfrekvencia Telephony
4 állókép átvitel Facsimile
5 televízió Television
9 a fentiek kombinálása Composite transmissions and cases not covered by the above
kiegészítő jelek Egyéb jellemzők Supplementary characteristics
jelöletlen két oldalsávos vivőhullám Double sideband, full carrier
a egy oldalsávos jel elnyomott vivőhullámmal Single sideband, reduced carrier
b két független oldalsáv elnyomott vivőhullámmal Two independent sidebands, reduced carrier
c egyéb jel, elnyomott vivőhullámmal Other emissions, reduced carrier
d amplitúdómodulált impulzusjel Pulse, amplitude modulated
e impulzusjel Pulse, width modulated
f impulzus, vagy fázismodulált jel Pulse, phase (or position) modulated
B egyik csoportba sem sorolható, csillapított vivőhullám As an exception to the above principles, damped waves

Például az A3b jelentése: két teljes oldalsávos amplitúdó moduláció, legfeljebb 3000 Hz moduláló frekvenciára (akkoriban a Hz helyett a c/s tehát a ciklus-per-szekundum mértékegységet használták)

A5,F3 a televíziós szabvány: amplitúdó modulált képjel, egy oldalon részben elnyomott oldalsávval, frekvencia modulált hangvivővel

DemodulációSzerkesztés

Koherens demodulátorSzerkesztés

 
koherens demodulátor

Koherens a demodulátor, más néven szorzódemodulátor, ha a visszaállított vivőt felhasználva állítja elő a demodulált jelet. Elve a következő:

Mivel

 ,

a modulált jelet a vivővel megszorozva

 

Ezt a kifejezést három részre bonthatjuk:

 

Ezek közül a DC és a vivőfrekvencia kétszerese környékén megjelenő komponenseket sávszűrővel elnyomva visszaállítható a moduláló jel.

A DC komponens elnyomásához két megjegyzés tartozik.

  • Elnyomott vivős (SC - suppressed carrier) átvitel esetén nincs szükség a DC komponens elnyomására.
  • Amennyiben a moduláló is tartalmazhat egyenkomponenst, a sávszűrő helyett aluláteesztő szűrő és szinteltolás alkalmazása ajánlatos.

A vivő visszaállításaSzerkesztés

A fenti gondolatmenetben felhasználtuk, hogy a vivőt frekvenciájában és fázisában tökéletesen sikerült visszaállítani. Lássuk mi a helyzet, ha a vivőt egy

 

jellel becsüljük.

Ekkor a modulált jelet a becsült vivővel szorozva

 

függvényt kapunk, amiből a szűrés és erősítés után

 

adódik. Vagyis a pontatlan vivővisszaállítás két következménnyel jár:

  • Ha pontatlan a vivőfrekvencia visszaállítása,   erősítése koszinuszosan fog változni, tehát időnként teljesen el is tűnik a moduláló jel.
  • Ha a fázis visszaállítása pontatlan, az erősítés csökken. Ez okozhatja azt is, hogy zavarjelet elnyomják a venni kívánt adást. Szélső esetben, ha  , a venni kívánt jel teljesen eltűnik. Ezt a jelenséget azonban hasznosítani is lehet, erre alapul a kvadratúra amplitúdómoduláció.

A fentiekből kitűnik, hogy a vivő pontos visszaállítása alapvető feltétele a demodulációnak. Ezért az ilyen vevő bonyolultabb áramköri megoldást igényel, mint a csúcsegyenirányítós demodulátor, viszont alkalmas egyoldalsávos (AM-SSB) és 100%-nál nagyobb modulációs mélységű jel demodulálására is. A vivő visszaállítására általában fáziszárt hurkot alkalmaznak.

Diódás demodulátorSzerkesztés

Az egyenes rendszerű vevőkészülékek rádiófrekvenciás fokozatában a demodulátor általában dióda. Itt a vett jel egyenirányításra kerül, nincs szűrés vagy egyéb javítás.

Digitális amplitúdómodulációSzerkesztés

Digitális jelek átvitelére is használatos az amplitúdómoduláció. Ebben az esetben az alapsávi jel amplitúdójában (és általában időben is) kvantált. A szintek számát és értékét az átviteli csatorna minősége, az elérhető adóteljesítmény és egyéb szempontok figyelembevételével választják ki.

Bináris amplitúdómodulációSzerkesztés

On-Off Shift Keying (OOK)Szerkesztés

Az On-Off Shift Keying a legegyszerűbb digitális modulációs eljárás. Egy szimbólum (elemi jel az alapsávi jelben) értéke 0 vagy A0 lehet, vagyis az egyik értéknél van adás, a másiknál nincs.

BPSKSzerkesztés

A bináris fázisbillentyűzés (angolul Binary Phase Shift Keying, BPSK) felfogható mind fázismodulációnak (minden kódváltásnál 180°-ot ugrik a vivő fázisa), mind amplitúdómodulációnak, amelyben a moduláló jel értéke +1 és -1 lehet. Előnye az OOK-val szemben, hogy ugyanakkora bithiba-arány adott jel-zaj viszony mellett kisebb adóteljesítmény mellett érhető el.

Pulzus amplitúdómodulációSzerkesztés

Amennyiben az elemi szimbólum értéke több értéket is felvehet, pulzus amplitúdómodulációról (PAM) beszélünk. A jelszintek száma általában 2 hatványa, 4, esetleg 8. Ha n szintű szimbólumokat használ a moduláció, akkor a modulációt nPAM-nak, tehát például 4PAM-nak szokás rövidíteni.

Kapcsolódó szócikkekSzerkesztés

ForrásokSzerkesztés

  1. Fodor, György. Hálózatok és rendszerek. Műegyetem Kiadó (2004). ISBN 963 420 810 0 
  2. Radio Regulations Annexed to the International Telecommunical Convention. www.itu.int. [2014. július 15-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2012. december 14.)