Приём радиосигналов с амплитудной модуляцией

1 Общие сведения о радиосвязи

Возможность передавать информацию в пространстве без проводов впервые доказал Александр Степанович Попов, который 25 апреля (по старому стилю календаря) 7 мая (по новому стилю) 1895 года выступая в Петербургском университете на заседании Русского физико-химического общества продемонстрировал свой прибор, который потом стали называть «радиоприёмник Попова», с помощью которого он принимал длинные и короткие по времени сигналы (азбука Морзе) от передатчика, расположенного на расстоянии, примерно 60 м. Именно после этого события и стали развиваться радиосвязь и множество связанных с ней направлений науки и техники.

Радиосвязь осуществляется посредством радиоволн. «Радиоволны – это электромагнитные волны с частотами до 3 ТГц (3·10^12 Гц), распространяющиеся в среде без искусственных направляющих линий» [1]. Радиоволны относятся к электромагнитным колебаниям и могут распространяться в окружающей Землю среде – в атмосфере и в Космосе. Радиоволны характеризуются следующими основными параметрами: частота колебания (f), период колебания (T), длина волны (λ), скорость распространения (с).

Для того чтобы электромагнитная волна могла переносить в пространстве какую-либо информацию (звуковую, графическую, цифровые данные и др.) на передающей стороне осуществляют её модуляцию. Под модуляцией понимают изменение одного или нескольких параметров электромагнитной волны в соответствии с передаваемой информацией.

Выделяют следующие основные виды модуляции:

· амплитудная модуляция (АМ),

· частотная модуляция (ЧМ),

· фазовая модуляция (ФМ).

В названиях этих видов модуляции отражены сведения о том, какой именно параметр электромагнитной волны изменяется при модуляции. Так, в первом виде изменяется амплитуда, во втором – частота, а в третьем – фаза электромагнитной волны [2, 3]. Изменение указанных параметров осуществляется во времени, поэтому временные диаграммы сигналов с разными видами модуляции выглядят по-разному (рис. 1).

Рис. 1. К пояснению основных видов модуляции с помощью временных диаграмм

На рис. 1 показаны: высокочастотное немодулированное колебание (рис. 1 а), часто называемое несущим колебанием, модулирующий сигнал (рис. 1 б), и сигналы, полученные в результате амплитудной модуляции (рис. 1 в), частотной модуляции (рис. 1 г) и фазовой модуляции (рис. 1 д). По горизонтальной оси откладывается время, а по вертикальной – амплитуда. Кроме основных видов модуляции есть и другие, более сложные, в которых изменяются несколько параметров электромагнитной волны.

Полученный в передатчике промодулированный сигнал (напряжение или ток) подают в передающую антенну, которая преобразует его в промодулированное электромагнитное колебание (в радиоволну), называемое радиосигналом. Радиосигнал распространяется в окружающей среде – в атмосфере.

На приёмной стороне радиосигнал «улавливают» с помощью приёмной антенны, которая осуществляет обратное преобразование – из радиосигнала в напряжение (говорят и о преобразовании в ток, но мы остановимся на напряжении, так как именно напряжение легко визуализируется с помощью осциллографа, позволяющего увидеть форму сигнала (напряжения) или временные диаграммы сигнала (напряжения) в любой точке схемы приёмника), которое подают на вход радиоприёмника, усиливают до необходимого уровня и затем из радиосигнала выделяют передаваемую информацию, производя демодуляцию – действие, обратное модуляции. Часто процесс демодуляции называют детектированием (таким образом, демодуляция и детектирование – тождественные понятия). Далее выделенная информация (она соответствует модулирующему сигналу) поступает, обычно, на усилитель звуковых частот (УЗЧ) к выходу которого подключают оконечное устройство, например динамический громкоговоритель. Если на передающей стороне модуляция осуществлялась человеческим голосом, то на приёмной стороне получатель услышит тоже человеческий голос.

Отметим, что описанный процесс осуществления радиосвязи в общем одинаков при любом виде модуляции, хотя, конечно, каждый из них имеет свои особенности.

Далее мы коснёмся только амплитудной модуляции (АМ).

2 Приём радиосигналов с амплитудной модуляцией

При амплитудной модуляции изменяется амплитуда электромагнитной волны по закону изменения сигнала, которым осуществляют модуляцию. Для упрощения объяснения дальнейшего материала примем, что в передатчике модуляция несущего высокочастотного колебания с частотой f0 осуществляется низкочастотным синусоидальным сигналом с частотой F. Временные диаграммы, поясняющие получение АМ-сигнала, представлены на рис. 2.

Рис. 2. Временные диаграммы к пояснению получения АМ-сигнала

Для определённости и пояснения принципа получения АМ-сигнала будем считать, что модуляция в передатчике осуществляется синусоидальным сигналом (напряжением) частотой 1 кГц, что является среднеквадратичным значением частот, воспроизводимых человеческим голосом. Частота ВЧ-сигнала выбрана 15 кГц для того, чтобы на поясняющем принцип получения АМ-сигнала рисунке было хорошо видно и понятно, как изменяется амплитуда высокочастотного напряжения под действием низкочастотного напряжения (рис. 2).

Излучаемый антенной передатчика АМ-сигнал принимается антенной приёмника и поступает на вход приёмника, поэтому на входе приёмника временная диаграмма напряжения принимаемого АМ-сигнала имеет такой же вид, как АМ-сигнал на рис. 2, только меньшей амплитуды, так как радиосигнал затухает (уменьшается) по мере удаления от передатчика.

Принимаемый АМ-сигнал может быть представлен также в виде спектрограммы, у которой по горизонтальной оси откладывается частота, а по вертикальной – амплитуда соответствующих спектральных составляющих сигнала (рис. 3). Спектрограмму сигнала показывает прибор, называемый анализатор спектра.

Рис. 3. Спектрограмма АМ-сигнала

На рис. 3 приняты обозначения: Um 0 – амплитуда напряжения несущего колебания, m – коэффициент модуляции.

Временная диаграмма и спектрограмма АМ-сигнала жёстко связаны между собой [4]!

Для приёма радиосигнала на несущей частоте f0 входные цепи и усилители радиосигналов, входящие в радиотракт приёмника, должны быть настроены на несущую частоту передатчика АМ-сигналов f0. Такая настройка осуществляется с помощью колебательных контуров входной цепи и усилителей радиосигналов. Колебательные контуры обладают частотной избирательностью, то есть, пропускают в последующие каскады радиоприёмника сигналы одних частот (сигналы, попадающие в полосу пропускания колебательного контура DF), и задерживают сигналы других частот (сигналы, не попадающие в полосу пропускания колебательного контура DF). Оценить избирательность можно по резонансной характеристике колебательного контура (рис. 4), которую можно назвать и по-другому – амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) контура.

Рис. 4. Нормированная по амплитуде резонансная характеристика параллельного колебательного контура

На рис. 4 показана нормированная резонансная характеристика параллельного колебательного контура (обычно, именно параллельный колебательные контур применяется во входных цепях и в нагрузке усилителей радиосигналов). По горизонтальной оси откладывается частота, а по вертикальной оси значение отношения напряжения U (напряжения на контуре на любой выбранной частоте, как отличной от резонансной, так и на резонансной частоте контура) к U0 (напряжению на контуре при резонансе, то есть на резонансной частоте контура). Такое представление резонансной характеристики позволяет легко и наглядно сравнивать между собой параметры колебательных контуров, например, в различных каскадах приёмника, где уровни напряжения сигнала тоже разные. По такой резонансной характеристике легко определить, например, каково значение резонансной частоты f0, чему равна полоса пропускания контура DF, или какой контур имеет меньшую полосу пропускания DF и т.д. По резонансной характеристике можно сделать вывод, что в последующие каскады приёмника практически без ослабления будут передаваться сигналы, если их частоты находятся внутри полосы пропускания DF. Сигналы, частоты которых находятся за пределами полосы пропускания DF ослабляются, и ослабляются тем больше, чем дальше они выходят за границы полосы пропускания.

Для неискажённого приёма сигнала передатчика резонансные частоты колебательных контуров должны быть настроены на несущую частоту передатчика f0, а боковые спектральные составляющие АМ-сигнала передатчика должны попадать в полосу пропускания DF приёмника. Пояснение настроек колебательных контуров радиотракта приёмника на АМ-сигнал радиопередатчика для указанных ранее значений несущей f0, равной 15 кГц, и модулирующего синусоидального сигнала с частотой 1 кГц показано на рис. 5.

Рис. 5. К пояснению настройки колебательных контуров радиотракта приёмника на АМ-сигнал радиопередатчика

В реальности несущая частота f0, на которой осуществляется радиосвязь, значительно выше, чем 15 кГц, которые в начале мы выбрали для пояснения принципа получения АМ-сигнала, чтобы на рис. 2 было хорошо видно и понятно, как изменяется амплитуда высокочастотного напряжения под действием низкочастотного напряжения. В реальности несущая частота f0 может составлять сотни килогерц – мегагерцы – сотни мегагерц и выше.

Приведём пример временной диаграммы АМ-сигнала на входе приёмника: амплитуда несущей равна 1 мВ, частота несущей 1 МГц, модуляция выполнена синусоидальным сигналом частотой 1 кГц, коэффициент модуляции m = 0,6 (рис. 6). Спектрограмма этого сигнала приведена на рис. 7. Сравним эти рисунки с рис. 2 и рис. 5.

Рис. 6. Временная диаграмма АМ-сигнала (НЧ – 1 кГц, ВЧ – 1 МГц, m = 0,6)

Видим, что на рис. 6 наблюдается сплошная «заливка» в рамках огибающей АМ-сигнала, то есть форма временной диаграммы АМ-сигнала осталась без изменения, только увеличилась частота заполнения. На самом деле сплошной линии огибающей в АМ-сигнале нет, есть только ВЧ-сигнал, амплитуда которого изменяется по закону модулирующего НЧ-сигнала, как и на рис. 2. Однако из-за большой разности частот несущего и модулирующего колебаний на рис. 6 невозможно различить ВЧ-сигнал. Поэтому ранее и была выбрана частота ВЧ-сигнала 15 кГц.

Рассмотрим спектрограмму этого АМ-сигнала (рис. 7). Видно, что она похожа на спектрограмму АМ-сигнала, приведенную на рис. 5, она имеет тоже три спектральные составляющие с таким соотношением амплитуд, как и на рис. 5, только меньшими по абсолютному значению из-за затухания радиосигнала при распространении от передатчика к приёмнику: несущая – 1 мВ, боковые – 0,3 мВ, что соответствует коэффициенту модуляции m = 0,6. А вот значение несущей частоты теперь другое, оно равно 1 МГц (на рис. 5 было 15 кГц). Значения частот боковых спектральных составляющих, как и прежде, отличаются от частоты несущей на 1 кГц, то есть на значение частоты модулирующего сигнала, и равны: значение частоты нижней боковой – 0,999 МГц, значение частоты верхней боковой – 1,001 МГц.

Рис. 7. Спектрограмма АМ-сигнала, временная диаграмма которого представлена на рис. 6

Для приёма такого АМ-сигнала колебательные контуры тракта радиосигнала приёмника должны быть настроены на частоту несущей 1 МГц, а полоса пропускания должна быть не менее 1 кГц.

В приёмнике прямого усиления принятый антенной сигнал усиливается в радиотракте приёмника и подаётся на амплитудный детектор.

В супергетеродинном приёмнике после прохождения через радиотракт принятый сигнал сначала переносится на промежуточную частоту (преобразовывается), дополнительно усиливается и затем подаётся на амплитудный детектор. Временная диаграмма преобразованного сигнала (рис. 8) аналогична временной диаграмме принятого сигнала (рис. 6) по форме, отличие только в амплитуде и частоте заполнения, которая будет равна промежуточной частоте, выбранной для приёмника. Например, для вещательных приёмников промежуточную частоту, обычно, выбирают равной 465 кГц. Временная диаграмма преобразованного сигнала на выходе последнего каскада усилителя промежуточной частоты (или на входе амплитудного детектора) представлена на рис. 8.

Спектрограмма преобразованного сигнала (рис. 9) аналогична спектрограмме принятого сигнала (рис. 5) по форме, но отличается по значениям амплитуд (так как в тракте промежуточной частоты сигнал усиливается) и по значениям частот спектральных составляющих: значение несущей частоты равно 465 кГц, значение частоты нижней боковой – 464 кГц, значение частоты верхней боковой – 466 кГц.Видим, что значения частот боковых спектральных составляющих, как и прежде, отличаются от частоты несущей на 1 кГц, то есть на значение частоты модулирующего сигнала.

Рис. 8. Временная диаграмма АМ-сигнала на входе амплитудного детектора (НЧ – 1 кГц, ВЧ – 465 кГц, m = 0,6)

Рис. 9. Спектрограмма АМ-сигнала на входе амплитудного детектора, временная диаграмма которого представлена на рис. 8

Следует отметить, что если в приёмнике прямого усиления на детектор поступает сигнал с частотой несущей, равной частоте передачи сигнала в эфире, и эта частота может изменяться в широких пределах, то в супергетеродинном приёмнике на детектор поступает сигнал с частотой несущей, равной промежуточной частоте приёмника, и это частота не изменяется.

Поданный на вход амплитудного детектора АМ-сигнал детектируется детектором (можно сказать, что детектор выполнит демодуляцию принятого сигнала – выделит из АМ-сигнала его огибающую, то есть НЧ-сигнал) и на выходе детектора (рис. 10) получится сигнал, эквивалентный исходному НЧ-сигналу, которым осуществлялась модуляция (рис. 2).

Спектрограмма сигнала на выходе амплитудного детектора представлена на рис. 11.

Рис. 11. Спектрограмма сигнала на выходе амплитудного детектора, временная диаграмма которого представлена на рис. 10

Амплитудное значение сигнала на выходе детектора в общем случае отличается от исходного, так как оно определяется и усилением в приёмнике, и коэффициентом усиления антенны, и затуханием в среде распространения, и т.д., но, главное – на выходе детектора будет тот же сигнал, что и модулирующий сигнал в передатчике. Если на передающей стороне модуляция осуществлялась синусоидальным сигналом частотой 1 кГц, то на выходе детектора тоже будет синусоидальный сигнал той же частоты.

Рассматривая рис. 10 и рис. 11, видим, что выходной сигнал амплитудного детектора кроме синусоидального сигнала частотой 1 кГц содержит и постоянную составляющую напряжением, примерно, 2,2 В (на рис. 10 синусоидальный сигнал «поднят» над горизонтальной осью, примерно на 2,2 В, а на рис. 11 на частоте, равной 0 Гц, есть спектральная составляющая амплитудой, примерно, 2,2 В). Постоянная составляющая получается из-за особенности работы амплитудного детектора. Чтобы её не подавать на вход усилителя звуковой частоты, куда дальше поступает сигнал с выхода амплитудного детектора, между выходом амплитудного детектора и входом усилителя звуковой частоты ставят разделительный конденсатор. Разделительный конденсатор не пропускает постоянную составляющую, а переменную составляющую пропускает [5]. Временная диаграмма сигнала на входе усилителя звуковых частот представлена на рис. 12.

Рис. 12. Временная диаграмма сигнала на входе усилителя звуковых частот (НЧ – 1 кГц)

Спектрограмма сигнала на входе усилителя звуковых частот представлена на рис. 13.

Рис. 13. Спектрограмма сигнала на входе усилителя звуковых частот, временная диаграмма которого представлена на рис. 10

Усилитель звуковой частоты усиливает поданный на его вход сигнал до требуемого значения. Если на передающей стороне модуляция осуществлялась синусоидальным сигналом частотой 1 кГц, то на выходе усилителя звуковой частоты (на выходе радиоприёмника) тоже будет синусоидальный сигнал этой же частоты.

Если на передающей стороне модуляция осуществлялась человеческим голосом, то на приёмной стороне (на выходе радиоприёмника) получатель услышит тот же человеческий голос.

Голос – это сложный сигнал, в котором содержится множество спектральных составляющих с разными частотами и разными амплитудами, поэтому говорят, что голосовой сигнал занимает полосу частот от нижней частоты Fн (принято считать 300 Гц) до верхней Fв (принято считать 3400 Гц). Мы сейчас не будем рассматривать подробно модуляцию голосом, просто отметим, что всё рассмотренное для модуляции простым сигналом (тональным сигналом) синусоидальной формы распространяется и на модуляцию голосом.

Контрольные вопросы

1. Что такое временная диаграмма сигнала?

2. Что такое спектрограмма сигнала?

3. Как выглядит временная диаграмма АМ-сигнала?

4. Как выглядит спектрограмма АМ-сигнала?

5. Что такое резонансная характеристика колебательного контура?

6. Как по резонансной характеристике колебательного контура определить его полосу пропускания?

7. В чём разница между приёмником прямого усиления и супергетеродинным приёмником?

8. Как выглядит временная диаграмма на выходе амплитудного детектора?

9. Как выглядит спектрограмма на выходе амплитудного детектора?

Список рекомендуемой литературы

1. ГОСТ 24375-80. Радиосвязь. Термины и определения.

2. Медведев, И. И. Исследование устройств приёма и обработки сигналов с помощью интерактивного эмулятора радиосхем Multisim : учебно-методическое пособие. В 2 ч. / И. И. Медведев. – Воронеж : Воронежский институт МВД России, 2012. – Ч. 1. – 64 с. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Загл. с титул. экрана.

3. Медведев, И. И. Исследование устройств приёма и обработки сигналов с помощью интерактивного эмулятора радиосхем Multisim : учебно-методическое пособие. В 2 ч. / И. И. Медведев. – Воронеж : Воронежский институт МВД России, 2013. – Ч. 2. – 76 с. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Загл. с титул. экрана. – ISBN 978-5-88591-125-2.

4. Медведев, И. И. Устройства приёма и преобразования сигналов. Исследование параметров и характеристик сигналов с амплитудной модуляцией : методические указания к выполнению лабораторной работы № 1 для студентов очной формы обучения по направлению подготовки 11.03.01 – Радиотехника, профиль «Радиоэлектронные системы» / [разраб. И. И. Медведев]. – Брянск : БГТУ, 2024. – 12 с. – URL: http://mark.lib.tu-bryansk.ru/marcweb2/Default.asp. – Дата публикации: 25.01.2024. – Режим доступа: для зарегистрир. читателей НБ БГТУ. – Текст : электронный.

Медведев, И. И. Исследование устройств приёма и обработки сигналов с помощью интерактивного эмулятора радиосхем Multisim: учебно-методическое пособие. / И. И. Медведев. – Воронеж : Воронежский институт МВД России, 2014. – Ч. 3. – 65 с. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Загл. с титул. экрана. – ISBN 978-5-88591-181-8.

При воспроизведении приведенной информации не забудьте указать ссылку на канал или на первоисточник:

Медведев, И. И. Устройства приёма и преобразования сигналов. Приём радиосигналов с амплитудной модуляцией : методические указания к изучению дисциплины для студентов очной формы обучения по направлению подготовки 11.03.01 – Радиотехника, профиль «Радиоэлектронные системы» / [разраб. И. И. Медведев]. – Брянск : БГТУ, 2025. – 16 с. – URL: http://mark.lib.tu-bryansk.ru/marcweb2/Default.asp. – Дата публикации: 24.11.2025. – Режим доступа: для зарегистрир. читателей НБ БГТУ. – Текст : электронный.