4. témakör Amplitúdó moduláció AM modulátorok, demodulátorok
A moduláció Célja: Spektrumformálás 1.) Az átviteli csatornához igazítani a jelspektrumot (átviteli rendszer áteresztő sávja, elektromágneses hullámok terjedési tulajdonságai, frekvencia növekedtével az antenna hossza csökken, stb.) 2.) A rendelkezésre álló sávszélesség minél hatékonyabb kihasználása (többcsatornás rendszerek) 3.) Sávszélesség módosítás, jel/zaj viszony javítás A vivővel szemben támasztott követelmények: 1.) Jó hatásfokkal és gazdaságosan legyen továbbítható 2.) Tartalmazzon olyan paramétereket, amelyeket egyszerűen változtatni lehet az információ átvitele céljából 3.) Jól elválasztható legyen más vivőktől Általában szinuszos vivőt alkalmazunk.
Amplitúdó moduláció (AM) Általánosan a vivő időfüggvénye: Pillanatnyi frekvencia: Amplitúdó moduláció esetén (jele:am) a vivő amplitúdója nem konstans, hanem az információnak megfelelően változik az időben. A pillanatnyi frekvencia viszont konstans az időben. A fázis az egyszerűség kedvéért legyen 0!
AM jel spektruma a(t) legyen a hírnek megfelelő sávkorlátozott moduláló jel: A spektrum jelölése legyen általános, csak a sávhatárokat és az irányokat jelöljük. Vizsgálatunkat végezzük Fourier transzformálttal (a jel spektrumával): A transzformált és az általános eltolási tételek alkalmazása:
AM jel spektruma Ebből: Az AM jel spektruma (abszolút értéke) egyszerűen képezhető: 1.) A spektrum abszolút értéke a felére csökken 2.) A moduláló jel spektruma eltolódik +/- vivőfrekvenciával Mindkét lépés lineáris művelet, ezért az AM lineáris moduláció.
AM típusok DSB: Double Side Band (dupla oldalsáv) SSB: Single Side Band (egy oldalsáv) SC: Suppressed Carrier (elnyomott vivő) VSB: Vestigial Side Band (csonka oldalsáv)
Vizsgálat Vizsgálat szempontjából jobb megközelítés: A moduláló jel egyetlen koszinusz, amely egy Uv egyenkomponensre van szuperponálva. Ekkor: Mivel: A modulált jel:
AM-DSB A burkológörbe menete pontosan megegyezik a moduláló jel időfüggvényével. A sávszélesség: A modulációs mélység: AM-DSB esetén:
AM-DSB elfajuló esete
AM-DSB/SC A vivőt nem tartalmazza a spektrum. A vivő kisugárzása terheli az adót, ezért általában elnyomják (de, mint később látjuk, nem teljesen).
AM-SSB/SC Csak az egyik zérus! Például a felső oldalsávot elhagyva: Mindkét oldalsáv tartalmazza a bemenő jelre vonatkozó összes információt, ezért minden egyes oldalsávból előállítható az eredeti jel. Tehát nem szükséges mindkét oldalsávot átvinni, de a moduláció megvalósítása bonyolultabb. A sávszélesség kihasználás viszont jobb.
AM jel előállítása és demodulálása Szorzó modulátor: A fenti művelet egy szorzóáramkörrel végrehajtható (létrejön a moduláció) Szorzó demodulátor: Ugyanolyan szorzóáramkört használhatunk a demodulációhoz is: Az összeg második tagja aluláteresztő szűrővel eltávolítható. Az első tag tartalmazza a moduláló jel időfüggvényét. Fontos, hogy a demodulátorban alkalmazott vivőjel ugyanolyan fázisú legyen, mint a modulátorban alkalmazott vivőé, mert akkor kapjuk az elérhető maximális kimeneti jelet: Amennyiben a fáziseltérés tart a 90 fokhoz, úgy egyre csökken a demodulált jel amplitúdója.
AM jel előállítása és demodulálása Ez feltételezi: A szorzó demoduláció minden AM típusra alkalmazható. Az olyan demodulációs mód esetében, ahol ismernünk kell a fázishelyes vivőtjelet, koherens demodulációról beszélünk.
AM-DSB demodulálása egyszerű áramkörrel A modulált jel burkológörbéje megegyezik a moduláló jel időfüggvényével. A szorzóáramkörnél egy egyszerűbb megoldás is kínálkozik, a soros diódás burkolódetektor: Az R-C szűrőtag időállandóját úgy kell megválasztani, hogy a vivőt kiszűrje, de a modulációs tartalmat ne torzítsa. Fontos, hogy csak akkor alkalmazható, ha a modulációs mélység 100% alatt marad! Ez a demoduláció nem koherens.
Demodulálás SC esetben AM-DSB/SC: Csak szorzó demodulátor alkalmazható, de a vivő hiánya lehetetlenné teszi az adó vivőjének fázishelyes előállítását. Kompromisszumos megoldás, hogy egy kis teljesítményű vivőt kisugároznak (Pilot vivő) AM-SSB/SC: Csak szorzó demoduláció alkalmazható. Mivel nem annyira érzékeny a fázishibára, ezért a pilot vivőt elég időnként sugározni. A PAL, NTSC színinformációját ilyen formán sugározzák, megfűszerezve QAM-mel (ld. később).
A jel/zaj viszony alakulása a demoduláció során Analóg modulációs rendszer általános blokkvázlata additív Gauss zajos csatornával:
A jel/zaj viszony alakulása a demoduláció során A vizsgálatot a demodulátor előtt és után fellépő jel-zaj viszonyból határozzuk meg: A zaj a hasznos jel sávjában sávkorlátozott Gauss eloszlású fehérzaj. Azt várjuk, hogy a megnövekedett sávszélességért cserébe a kimeneti jel/zaj viszony javul. 1.) Ez az AM-DSB esetén nem következik be, mert a nagy teljesítményű vivő megjelenik a demodulátor bemenetén. 2.) Az elnyomott vivő esetén az eredmény a vártnak megfelelően alakul. 3.) Az egyoldalsávos esetben nincs sávszélesség növekedés, nincs jel-zaj viszony javulás sem.
AM-VSB (csonka oldalsávos AM) A TV videó jele a DSB (a) és az SSB (b) rendszer előnyeit egyesíti. 1.) A moduláló jel tartalmaz egyenáramú összetevőt is, amit át kell vinni (kismértékű vivő kisugárzódik) 2.) Hatékony sávszélesség kihasználást tesz lehetővé 3.) Burkolódetektor is alkalmazható, kisebb torzítással (történelem). Ma szorzó demodulátort használnak. 4.) Nem kell nagy meredekségű szűrőket gyártani 5.) 0,75MHz-ig az átvitel DSB, azon felül VSB. f(m) a szabványtól függően 5...6MHz A hanginformációt frekvencia modulációval viszik át, a sávon kívül.
QAM (Kvadratúra AM) Kihasználva a szorzó demodulátor fáziskritériumát, azonos frekvenciájú, de 90 fokkal eltolt vivőkkel két független csatorna is továbbítható, többlet-sávszélesség igénye nélkül. Adó: Vevő:
AM összefoglalás Viszonylag kis sávszélességet igénylő eljárás Zajjal szembe nem vagy csak alig mutat védettséget Lineáris torzítások hatása az AM jelre hasonló, mint alapsávban
AM rendszerű műsorszórás Az AM nemzetközileg elfogadott hullámsávjai: Hosszúhullám (HH): 150kHz...300kHz Középhullám (KH): 520kHz...1600kHz Rövidhullám (RH): 2,3MHz...26,1MHz Megengedett maximális moduláló jel frekvencia: f(max)=4,5khz Egy csatorna sávszélesség igénye: 2x4,5=9kHz Több csatorna fér el egymás mellett, különböző vivőkkel modulálva A zenei minőségről viszont le kell mondanunk AM sajátosságaiból eredően a jel-zaj viszony és a dinamika maximum 30dB lehet.
Szuperrendszerű AM vevő Általános követelmének: Jó szelektivitás (Bemenő kör előszűrő és KF szelektív erősítővel együttesen érhető el) Nagy erősítés (Stabil, nem hangolható KF szelektív erősítővel érhető el) Hangolhatóság Demodulálás Jó szinttartás (AVC Automatic Volume Control a bemenő nagyfrekvenciás jel függvényében) A működési elv az, hogy egy hangolható, de kis szelektivitású és erősítésű RF előerősítő után a keverő a különböző frekvenciájú bemenő jeleket egy előre meghatározott, állandó értékű frekvenciára transzponálja [f(kf)]. Ezen a frekvencián egy nem hangolható de jó szelektivitású és nagy erősítésű KF erősítő biztosítja az AM demodulátor számára a bemenő jelet.
Szuperrendszerű AM vevő A keverő tulajdonképp egy szorzó áramkör, amelynek egyik bemenetére a venni kívánt vivőfrekvenciás jelet, a másikra pedig egy oszcillátor jelét vezetjük (f0). Egy szorzó áramkörrel nem végzünk mást, mint amit az AM modulátor és demodulátor esetében láttunk, azaz lineáris modulációt végzünk. Eredményül a spektrumban előáll az AM jel de f0-fv és f0+fv vivőfrekvenciákon. A KF erősítővel általában az alacsonyabb frekvencián előállt AM spektrumot választják ki, (kf)=f0-fv. Együttesen hangolva az RF fokozatot és az oszcillátort, az a csatorna kerül végül kiválasztásra, amelynek vivőfrekvenciája az f0 és az fv különbségeként épp az f(kf)-re adódik. Felső keverés: f0>fv (AM vevőkben általában ezt használják) Alsó keverés: f0<fv
Ajánlott irodalom Géher: Híradástechnika Ferenczy: Hírközléselmélet Ferenczy: Video- és hangrendszerek Lucky, Salz, Weldon: Adatátvitel