Как создать амплитудно-модулированную волну

Модуляция AMМодуляция AM — это своего рода метод модуляции, который используется с самых первых дней беспроводной передачи данных. В системе радиопередачи существует связь между диапазонами частот, которые могут передаваться по беспроводной сети, и длиной передающей антенны. Соотношение обратно пропорционально друг другу, т.е. по мере увеличения частоты передаваемого сигнала длина антенны может быть уменьшена, а по мере уменьшения частоты передаваемого сигнала длина передающей антенны должна соответственно увеличиваться.

Используя антенну в несколько метров, частоты в диапазоне МГц могут быть легко переданы на какое-либо расстояние. Основной целью беспроводной передающей системы — передача аудиосигналов, но для передачи аудиосигналов в диапазоне нескольких кГц потребовалась бы антенна высотой более километра. Поскольку построить такую ​​длинную антенну практически невозможно, высокочастотные сигналы передаются после их модуляции низкочастотными звуковыми сигналами.

Амплитудная модуляция является простейшим методом модуляции среди всего многообразия используемых методов модуляции. Амплитудная модуляция высокочастотного сигнала легко достигается, и демодуляция также проста по сравнению с другими методами. Высокочастотный сигнал, который модулируется для переноса низкочастотных звуковых сигналов, называется «несущей частотой», а звуковые сигналы, используемые для модуляции, называются «модулирующим сигналом», «сигналом сообщения» или «сигналом основной полосы частот». В этой статье показано, как сгенерировать амплитудную модуляцию (АМ) с помощью простейшей схемы.

Описание

Чтобы продемонстрировать АМ-модуляцию несущего сигнала сигналом сообщения, также созданы схемы генерации несущего сигнала и сигнала сообщения, и их детали будут обсуждаться в следующем разделе. Несущий сигнал и сигнал сообщения, используемые в этом проекте, представляют собой чистые синусоидальные волны. Следовательно, всю схему можно разделить на три блока:

  1. Генератор несущей волны (высокочастотная синусоида)
  2. Генератор волны сообщений (низкочастотная синусоида)
  3. АМ-модулятор

Блок-схема модуляции AM, используемая в этом проекте, показана на следующей диаграмме:

Блок-схема
Блок-схема модуляции AM

Как для высокочастотного несущего сигнала, так и для низкочастотного сигнала сообщения разработаны одни и те же схемы генерации синусоидального сигнала, но частоты задаются соответственно высокими и низкими с помощью их переменных компонентов. Следовательно, этот проект имеет две аналогичные схемы генератора синусоидальной волны переменной частоты и схему модулятора AM.

Генератор синусоидальной волны переменной частоты

Схема генерации синусоидальной волны, используемая в этом проекте, представляет собой схему генератора моста Вина. Это единственная схема, которая может генерировать чистую синусоидальную волну без каких-либо искажений. Компонент усилителя, используемый в мостовой схеме Вина, представляет собой операционный усилитель с двойным источником питания. Обе схемы построены на универсальной микросхеме операционного усилителя 741. Схема генератора синусоидального сигнала показана на следующем изображении.

Схема синусоидального сигнала
Схема генератора синусоидального сигнала

Частоту вышеуказанной схемы можно изменять, просто изменяя потенциометр R2, а амплитуду формы волны можно регулировать, изменяя потенциометр R. Частота синусоидальной волны, генерируемой вышеуказанной схемой, зависит от компонентов R1, R2, C1 и C2, а уравнение частоты приведено ниже:

Уравнение

Схема, созданная для генерации несущего сигнала, показана ниже:

Схема генератора частоты
Схема генератора частоты (высокочастотных волн)

Затем схема настраивается для генерации высокочастотной синусоидальной волны, которую можно наблюдать в CRO, как показано на следующем фото:

Форма сигнала несущей частоты при АМ-модуляции
Форма сигнала несущей частоты при АМ-модуляции

Точно такая же схема подключена к макетной плате, и на этот раз схема настроена на создание синусоидальной волны низкой частоты. Две схемы генерации синусоидальной волны, подключенные к макетной плате, они показаны на следующем фото:

 Схема генерации двух синусоидальных волн
Схема генерации двух синусоидальных волн на макетной плате

Генератор переменного синусоидального сигнала

Волна, генерируемая двумя цепями, может быть подключена к CRO с использованием двух каналов CRO и может наблюдаться на экране CRO. На следующей фотографии показаны высокочастотные и низкочастотные синусоидальные волны, отображаемые на экране CRO:

Высокочастотные и низкочастотные синусоидальные волны
Высокочастотные и низкочастотные синусоидальные волны на экране CRO

Схемы моста Вина, показанные на фотографии выше, могут быть настроены на диапазон частот, который можно рассчитать с использованием упомянутого выше частотного уравнения. Согласно частотному уравнению, частота зависит от значений R1, R2, C1 и C2, а поскольку сопротивления R1 и емкости C1 и C2 имеют в цепи фиксированные значения, частоту можно регулировать, изменяя сопротивление потенциометра R2. Потенциометр R2 выбран на 100K, чтобы генерировать широкий диапазон частот. По мере увеличения значения R2 частота уменьшается в соответствии с частотным уравнением. Схема предназначена только для воспроизведения частот выше 100 Гц, поэтому значения других компонентов, влияющих на частоту, выбираются соответствующим образом. Когда значение R2 максимальное, т.е. 100000 Ом, то

Согласно частотному уравнению

Из приведенного выше уравнения R1*C1*C2 < 2,5*10^-11. Значение сопротивления R1 выбрано случайным образом как 1K и решено использовать одно и то же значение для C1 и C2, которое можно рассчитать по предыдущему соотношению как <0,15*10^-6. Поэтому значения конденсаторов выбраны как 0,1 мкФ.

Сопротивление R2 может варьироваться максимум до 100 кОм, и, используя частотное уравнение, соответствующую частоту можно рассчитать следующим образом:

R1 = 1000 Ом

R2 = 100000 Ом

С1 = 0,1*10^-6

С2 = 0,1*10^-6

Частоту можно рассчитать

Экспериментально наблюдаемая минимальная частота с использованием этой схемы составляет 166 Гц, что очень близко к теоретическому значению.

Согласно частотному уравнению, когда R2 равно нулю, схема будет генерировать бесконечную частоту, но на практике это невозможно. Минимальное значение R2, которое может генерировать синусоиду без искажений, было протестировано и оказалось равным 130 Ом. При этом низком значении R2 схема будет производить максимальную частоту, и ее можно рассчитать, используя частотное уравнение, как показано ниже:

Максимальная частота

Экспериментально наблюдаемая максимальная частота с использованием этой схемы, при том же значении R2, составляет 4166 Гц, что оправдывает расчет. Следовательно, используя схему генератора синусоидальной волны переменной частоты моста Вина, можно легко генерировать синусоидальную волну с частотой в диапазоне от 200 Гц до 4 кГц.

Для демонстрации модуляции AM одна схема настроена на генерацию высокой частоты около 4 кГц, а другая схема настроена на генерацию частоты около 500 Гц. Цепь 4 кГц действует как генератор несущей, а низкочастотная синусоидальная цепь 500 Гц действует как генератор сигнала сообщения.

АМ-модулятор

Существуют различные типы схем, которые могут производить модуляцию АМ. Наиболее распространены среди них схемы на основе транзисторов. Схемы на основе транзисторов требуют надлежащего смещения, и одного транзистора в большинстве случаев недостаточно для обработки как положительных, так и отрицательных циклов сигналов большой амплитуды. Существуют схемы на основе индукторов или катушек, которые также могут создавать модуляцию AM, но они также требуют правильной настройки и уязвимы для шума в окружающей среде.

Самая простая и стабильная схема модулятора АМ может быть разработана с помощью полевого транзистора. Несущая волна может проходить через канал полевого транзистора, а сигнал сообщения может использоваться для изменения ширины канала, и, следовательно, можно добиться простейшей модуляции AM.

Компонент, используемый здесь в качестве модулятора амплитудной модуляции, представляет собой N-канальный полевой транзистор BFW10. Несущий сигнал подается через N-канал от истока к стоку полевого транзистора, который затем модулируется путем подачи сигнала сообщения на затвор полевого транзистора. Схема, построенная на основе BFW10, которая может действовать как AM-модулятор, показана на следующей схеме:

Схема на основе BFW10
Схема АМ-модулятора, построенного на N-канальном полевом транзисторе BFW10

По сравнению с другими схемами, здесь нет сложных расчетов, связанных с проектированием компонентов, используемых в этой схеме. R1 используется в качестве токоограничивающего резистора, а резистор R3 используется для создания разумного падения напряжения, когда через него протекает ток AM-сигнала, чтобы на нем можно было получить напряжение AM-сигнала. Резистор R3 снова является токоограничивающим резистором для базы полевого транзистора, и он выбран в качестве потенциометра, так что, изменяя его, можно продемонстрировать изменение глубины модуляции. Глубина модуляции просто означает величину амплитуды сигнала сообщения, которая изменяется в заданной амплитуде несущего сигнала. Несущая волна подается через резистор R1 на полевой транзистор, а волна сообщения подается на затвор полевого транзистора через потенциометр R2. Потенциометром R2 можно регулировать глубину модуляции. Схема, построенная для модулятора AM с использованием BFW10, показана на следующей фотографии:

Модулятор AM с использованием схемы BFW10
Модулятор AM с использованием схемы BFW10

Сигнал несущей волны проходит через N-канал полевого транзистора, и по мере их прохождения напряжение сигнала сообщения на затворе полевого транзистора постоянно увеличивается, а ширина N-канала уменьшается. Таким образом, несущий сигнал, протекающий по каналу, испытывает увеличение и уменьшение сопротивления, соответствующее увеличению или уменьшению амплитуды сигнала сообщения. Отныне амплитуда несущего сигнала изменяется в зависимости от сигнала сообщения, когда он проходит через N-канал. Этот несущий сигнал с модулированной амплитудой появляется на истоке полевого транзистора и земле в виде АМ-волны.

Волна AM, генерируемая схемой и отображаемая в CRO, показана на следующих фотографиях:

AM-волна отображаемая на CRO
AM-волна, генерируемая схемой AM-модулятора, отображаемая на CRO
AM-волна отображаемая на экране CRO
AM-волна, генерируемая схемой AM-модулятора, отображаемая на экране CRO
Полная схема для генерации AM
Принципиальная схема генерации АМ

С Уважением, МониторБанк

Добавить комментарий