GEMODULEERDE AMPLITUDE: KENMERKEN EN HOE HET WERKT - FYSIEK - 2024

De amplitudegemoduleerde AM (amplitudemodulatie) is een signaaltransmissietechniek waarbij een elektromagnetische golf sinusvormige draaggolffrequentie f _c , verantwoordelijk voor het verzenden van een berichtfrequentie f _s << f _c varieert (d.w.z. moduleert) de amplitude volgens de amplitude van het signaal.

Beide signalen reizen als één, een totaal signaal (AM-signaal) dat beide combineert: de draaggolf (draaggolfsignaal) en de golf (informatiesignaal) die het bericht bevat, zoals weergegeven in de volgende afbeelding:

Figuur 1. Amplitudemodulatie. Bron: Wikimedia Commons.

Opgemerkt wordt dat de informatie zich verplaatst in de vorm die het AM-signaal omringt, dat een envelop wordt genoemd.

Door deze techniek kan een signaal over grote afstanden worden verzonden, daarom wordt dit type modulatie veel gebruikt door commerciële radio en de civiele band, hoewel de procedure kan worden uitgevoerd met elk type signaal.

Om de informatie te verkrijgen, is een ontvanger nodig, waarin een proces dat demodulatie wordt genoemd, wordt uitgevoerd door middel van een envelopdetector.

De envelopdetector is niets meer dan een heel eenvoudig circuit, een gelijkrichter genoemd. De procedure is eenvoudig en goedkoop, maar tijdens het transmissieproces treden altijd vermogensverliezen op.

Hoe werkt de gemoduleerde amplitude?

Om het bericht samen met het draaggolfsignaal te verzenden, is het niet voldoende om eenvoudig beide signalen toe te voegen.

Het is een niet-lineair proces, waarbij de transmissie op de hierboven beschreven manier wordt bereikt door het berichtsignaal te vermenigvuldigen met het dragersignaal, beide cosinus. En voeg aan het resultaat hiervan het draaggolfsignaal toe.

De wiskundige vorm die het resultaat is van deze procedure is een variabel signaal in tijd E (t), waarvan de vorm is:

Waarbij de amplitude E _c de amplitude van de draaggolf is en m de modulatie-index, gegeven door:

Dus: E _s = mE _c

De amplitude van het bericht is klein in vergelijking met de amplitude van de drager, daarom:

Anders zou de omhullende van het AM-signaal niet de exacte vorm hebben van het te verzenden bericht. De vergelijking voor m kan worden uitgedrukt als een percentage van modulatie:

We weten dat sinusvormige en cosinussignalen worden gekenmerkt door een bepaalde frequentie en golflengte.

Wanneer een signaal wordt gemoduleerd, wordt zijn frequentieverdeling (spectrum) vertaald, wat toevallig een bepaald gebied bezet rond de frequentie van het draaggolfsignaal f _c (dat helemaal niet wordt gewijzigd tijdens het modulatieproces), breedte genoemd band.

Omdat het elektromagnetische golven zijn, is hun snelheid in vacuüm die van licht, die gerelateerd is aan golflengte en frequentie door:

Op deze manier reist de informatie die moet worden verzonden van bijvoorbeeld een radiostation zeer snel naar de ontvangers.

Radio-uitzendingen

Het radiostation moet woorden en muziek, die allemaal geluidssignalen zijn, omzetten in een elektrisch signaal met dezelfde frequentie, bijvoorbeeld met behulp van microfoons.

Dit elektrische signaal wordt het auditieve frequentiesignaal FA genoemd, omdat het in het bereik van 20 tot 20.000 Hz ligt, het hoorbare spectrum (de frequenties die mensen horen).

Figuur 2. Veel radiostations zenden uit in AM. Bron: Pixabay.

Dit signaal moet elektronisch worden versterkt. In de begintijd van de radio werd het gemaakt met vacuümbuizen, die later werden vervangen door veel efficiëntere transistors.

Het versterkte signaal wordt vervolgens gecombineerd met het radiofrequentiesignaal FR door AM-modulatorcircuits, om te resulteren in een specifieke frequentie voor elk radiostation. Dit is de hierboven genoemde draaggolffrequentie f _c .

De draaggolffrequenties van AM-radiostations liggen tussen 530 Hz en 1600 Hz, maar stations die gemoduleerde frequentie of FM gebruiken, hebben hogere frequentiedragers: 88-108 MHz.

De volgende stap is om het gecombineerde signaal opnieuw te versterken en naar de antenne te sturen, zodat het als radiogolf kan worden uitgezonden. Op deze manier kan het zich door de ruimte verspreiden totdat het de ontvangers bereikt.

Signaalontvangst

Een radio-ontvanger heeft een antenne om de elektromagnetische golven op te vangen die van het station komen.

Een antenne bestaat uit een geleidend materiaal dat op zijn beurt vrije elektronen bevat. Het elektromagnetische veld oefent kracht uit op deze elektronen, die onmiddellijk trillen met dezelfde frequentie als de golven en een elektrische stroom produceren.

Een andere optie is dat de ontvangende antenne een draadspoel bevat en het elektromagnetische veld van radiogolven daarin een elektrische stroom induceert. In beide gevallen bevat deze stream de informatie die afkomstig is van alle radiostations die zijn opgenomen.

Wat nu volgt is dat de radio-ontvanger in staat is om elk radiostation te onderscheiden, dat wil zeggen, af te stemmen op het station dat de voorkeur heeft.

Stem af op de radio en luister naar de muziek

Kiezen tussen de verschillende signalen wordt bereikt door een resonerende LC-kring of LC-oscillator. Dit is een heel eenvoudig circuit dat een variabele inductor L en condensator C in serie bevat.

Om het radiostation af te stemmen, worden de waarden van L en C aangepast, zodat de resonantiefrequentie van het circuit samenvalt met de frequentie van het af te stemmen signaal, wat niets anders is dan de draaggolffrequentie van het radiostation: f _c .

Zodra het station is afgestemd, treedt het in het begin genoemde demodulatorcircuit in werking. Hij is verantwoordelijk voor het ontcijferen, om zo te zeggen, de boodschap die door het radiostation wordt uitgezonden. Het doet dit door het dragersignaal en het berichtsignaal te scheiden met behulp van een diode en een RC-circuit dat een laagdoorlaatfilter wordt genoemd.

Figuur 3. Op het linker LC-oscillatorcircuit. Aan de rechterkant een demodulatorcircuit. Bron: F. Zapata.

Het reeds gescheiden signaal gaat weer door een versterkingsproces en van daaruit gaat het naar de speakers of koptelefoon zodat wij het kunnen horen.

Het proces wordt hier geschetst, omdat er eigenlijk meer fasen zijn en het is veel complexer. Maar het geeft ons een goed idee van hoe amplitudemodulatie plaatsvindt en hoe het de oren van de ontvanger bereikt.

Uitgewerkt voorbeeld

Een draaggolf heeft amplitude E _c = 2 V (RMS) en frequentie f _c = 1,5 MHz. Het wordt gemoduleerd door een signaal met frequentie fs = 500 Hz en amplitude E _s = 1 V (RMS). Wat is de vergelijking van het AM-signaal?

Oplossing

Vervang de juiste waarden in de vergelijking voor het gemoduleerde signaal:

Het is echter belangrijk op te merken dat de vergelijking de piekamplitudes omvat, die in dit geval spanningen zijn. Daarom is het noodzakelijk om de RMS-spanningen door te geven aan piek vermenigvuldiging met √2:

1. Analfabetici. Modulatiesystemen. Hersteld van: analfatecnicos.net.
2. Giancoli, D. 2006. Fysica: principes met toepassingen. 6 ^e . Ed Prentice Hall.
3. Quesada, F. Communications Laboratory. Amplitudemodulatie. Hersteld van: ocw.bib.upct.es.
4. Santa Cruz, O. Transmissie van amplitudemodulatie. Hersteld van: professors.frc.utn.edu.ar.
5. Serway, R., Jewett, J. (2008). Physics for Science and Engineering. Deel 2. 7 ^ma . Ed. Cengage Learning.
6. Draaggolf. Hersteld van: es.wikipedia.org.