Amplitúdómoduláció

Ez a közzétett változat, ellenőrizve: 2024. augusztus 26.

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

Kétoldalsávos amplitúdómoduláció spektrumképe

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 (szélessávú jelet) ültetnek rá egy sokkal nagyobb frekvenciájú vivőjelre (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 vivőjel és a modulálójel 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 leírása

szerkesztés

Az amplitúdómodulált jel (későbbiekben  ) az amplitúdójában hordozza az információt, azaz

 

mivel a koszinusz argumentumának nincs információtartalma, ezért a  , ezt az általánosság megszorítása 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 fogalmak

szerkesztés

Modulációs mélység

szerkesztés

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, vivőfrekvencia

szerkesztés
 
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 alapján

szerkesztés

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.

Amplitúdó moduláció jelölése

szerkesztés

Az adásmód leírásánál a 3 karakteres jelölés első tagja írja le a moduláció tipusát. Amplitúdó moduláció esetén a következő karakterek lehetnek:

1. vagy 5. Moduláció tipusa
A kétoldalsávos amplitudómodulált adás
H egyoldalsávos amplitudómodulált adás, teljes vivővel
R egyoldalsávos amplitudómodulált adás, csökkentett vagy változó szintű vivővel
J egyoldalsávos amplitudómodulált adás, elnyomott vivővel
B független oldalsávos amplitudómodulált adás
C csonka oldalsávos amplitudómodulált adás

Például az 540 kHz-es középhullámon működő Kossuth rádió adásmódját így jelölhetjük:A3E

Ha a sávszálességét is megadjuk:9K00A3E

A teljes, 9 karakteres jelölés pedig: 9K00A3EGN

Demoduláció

szerkesztés

Koherens demodulátor

szerkesztés
 
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 visszaállítása

szerkesztés

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.

Az egyenes rendszerű vevőkészülékekben általában diódás demodulátort alkalmaznak. Itt a vett jel transzponálás nélkül egyenirányításra kerül.

Az egyszeres transzponálást végző készülékek esetén a középfrekvenciás jelet demodulálják diódás demodulátorral. A többszörös transzponálást végző készülékekben az utolsó transzponálás utáni jelet demodulálják diódás demodulátorral.

Digitális amplitúdómoduláció

szerkesztés

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 amplitúdómoduláció

szerkesztés

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.

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 amplitúdómoduláció

szerkesztés

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 szócikkek

szerkesztés
  1. Fodor, György. Hálózatok és rendszerek. Műegyetem Kiadó (2004). ISBN 963 420 810 0