振幅変調 (AM) - アナログ通信

変調は、メッセージ信号の周波数と強度を増加および強化するプロセスです。元の信号と連続した高周波信号を重ね合わせる処理です。で 振幅変調 (AM) では、搬送波の振幅がメッセージ信号に応じて変化します。 AM のプロセスを以下の図に示します。

例えば、

オーディオ信号

音声信号はノイズの多い信号です。このような信号を長距離にわたって送信するのは簡単ではありません。したがって、送信を成功させるにはオーディオ信号の変調が必要です。 AM変調とは、電波に搬送信号としてメッセージ信号を重畳する方式です。これは高振幅の無線搬送波と結合され、オーディオ信号の大きさが増大します。

同様に、 周波数変調 (FM) は搬送波信号の周波数変動を扱います。 位相変調 (PM) は搬送波信号の位相変化を扱います。

まず、アナログとその関連用語について説明します。

アナログ 時間とともに連続的に変化することを指します。アナログ通信とアナログ信号は次のように定義できます。 アナログ通信 コミュニケーションは時間とともに変化し続けます。それはデジタル通信以前に発見されました。低コストのコンポーネントを使用すると、送信に必要な帯域幅が少なくなります。アン アナログ信号 時間とともに連続的に変化する信号です。アナログ信号の例としては、正弦波や方形波などが挙げられます。

単純なアナログ信号を以下に示します。

ここでは、次のことについて説明します。

変調とは何ですか?

メッセージ信号がキャリア信号に重畳される場合、それは次のように呼ばれます。変調。メッセージ信号は搬送波の上に重畳されます。ここで、重畳とは、信号を他の信号の上に重ねることを意味します。その結果形成される信号の周波数と強度が向上します。

アナログ信号とデジタル信号の両方について、送信側で信号の変換が必要です。変換は、信号が受信機に送信されるチャネルに送られる前に実行されます。

メッセージ信号

受信者に送信されるメッセージを含む元の信号は、メッセージ信号と呼ばれます。

キャリア信号

キャリア信号は一定の周波数を持つ信号であり、一般に高い周波数です。搬送信号波の伝播には媒体は必要ありません。

ベースバンド信号

周波数帯域を表すメッセージ信号は、ベースバンド信号として知られています。ベースバンド信号の範囲は 0 Hz からカットオフ周波数までです。無変調信号または低周波信号とも呼ばれます。

アナログ信号は、電気信号に変換された光/音波の出力です。

通過帯域信号

これは、メッセージ信号の最大成分よりも高い周波数を中心としています。

例

の例を考えてみましょう 音声信号 。音声信号の一種です。

音声信号のベースバンド周波数は 0.3 ～ 3.4k Hz の範囲です。 2 人が同じチャネルで通信したい場合、ベースバンド周波数が干渉します。これは、低い周波数では同じチャネル上に 2 つのベースバンド周波数を使用できないためです。したがって、音声信号には最大 8kHz の高周波搬送波が使用されます。音声信号の周波数範囲が広がります。これにより、2 人が干渉することなく同じチャネルで通信できます。

変調の必要性

通信システムは、送信機から受信機にデータを送信します。データは処理され、受信機に到達するまでに数百マイル以上移動します。送信中のノイズは、通信信号の形状に影響を与える可能性があります。信号の周波数と強度を低下させることで、受信した情報をさらに誤解させます。信号の周波数と強度を高めるプロセスが必要です。コミュニケーションにおけるプロセスは次のように知られています変調。

通信においては、ある場所から別の場所に信号を送信することが不可欠です。ここでは、元の信号が新しい信号に置き換えられ、周波数が f1 - f2 から f1' - f2' に増加します。これは、受信側に回復可能な形式で存在します。変調の要件は次の要素に基づいています。

周波数多重化
アンテナ
狭いバンディング
共通処理

周波数多重化

多重化とは、同じチャネル上で複数の信号を変換することを指します。信号の品質とデータに影響を与えることなく、単一の通信チャネルに沿って 3 つの信号を送信するとします。これは、信号が受信側で区別可能で復元可能である必要があることを意味します。これは、3 つの信号を異なる周波数に変換することで実現できます。複数の信号が交差するのを防ぎます。

3 つの信号の周波数範囲を -f1 ～ f1、-f2 ～ f2、および -f3 ～ f3 とします。以下に示すように、信号はガードによって区切られています。

これらの信号の選択された周波数が重複していない場合は、適切なバンドパスフィルターを使用することで受信側で簡単に復元できます。

アンテナ

アンテナは自由空間で信号を送受信します。アンテナの長さは、送信信号の波長に応じて選択されます。

ナローバンド化

信号はアンテナの助けを借りて自由空間に送信されます。周波数範囲が 50 ～ 10 であると仮定します。⁴ヘルツ。最高周波数と最低周波数の比率は 10 になります。⁴/50 または 200。この比率のアンテナの長さは、一方の端では長すぎ、もう一方の端では短すぎます。送信には適していません。したがって、オーディオ信号は範囲 (10⁶+50)から(10)⁶+10⁴）。この比率は約 1.01 になります。として知られています ナローバンド化 。

したがって、要件に応じて、翻訳プロセスを狭帯域または広帯域に変更できます。

共通処理

場合によっては、さまざまな信号のスペクトル周波数範囲を処理する必要があります。信号の数が多い場合は、各信号の周波数範囲を処理するよりも、ある固定周波数範囲で動作する方が適切です。

例えば、

スーパーヘテロイン受信機

ここでは、共通の処理ブロックが局部発振器を使用して異なる周波数に調整されます。

振幅変調の種類

変調の種類は次のように指定されます。それ (国際電気通信連合)。振幅変調には次の 3 つのタイプがあります。

単側波帯変調
両側波帯変調
残留側波帯変調

AM の元の名前は DSBAM (Double Side Band Amplitude Modulation) でした。これは、側波帯が搬送周波数のどちらの側にも現れる可能性があるためです。

単側波帯変調 (SSB)

SSB AM は、搬送波周波数の片側のみに側波帯を生成する標準的な方法です。振幅変調は、搬送波周波数の両側に側波帯を生成する可能性があります。 SSB では、バンドパスフィルターを使用して 1 つの側波帯を破棄します。 SSB 変調プロセスにより、伝送媒体の帯域幅利用率と総伝送電力が向上します。

両側波帯抑制搬送波変調 (DSB-SCB)

Double は 2 つの側波帯を意味します。 DSB の AM によって生成される周波数は、搬送波周波数に関して対称です。 DSB はさらに次のように分類されます。 DSB-SC そして DSB-C 。 DSB-SC (Double Sideband Suppress Carrier) 変調には搬送波帯域が含まれていないため、他のタイプの変調と比較して効率も最大になります。 DSB-SC のキャリア部分は出力コンポーネントから削除されます。 DSB-C (Double Sideband with Carrier) は搬送波で構成されます。 DSB-C によって生成される出力には、メッセージとキャリアコンポーネントを組み合わせたキャリアが含まれます。

残留側波帯変調 (VSB)

一部の情報はSSBであり、DSBは失われる可能性があります。したがって、VSB は、これら 2 つのタイプの AM の欠点を克服するために使用されます。痕跡とは信号の一部を意味します。 VSB では、信号の一部が変調されます。

3 つのタイプの AM については、チュートリアルの後半で詳しく説明します。

振幅変調の歴史

1831年、イギリスの科学者マイケル・ファラデーは電磁波を発見しました。
1873 年、数学者で科学者のジェームス C マクスウェルは EM 波の伝播について説明しました。
1875 年にグラハムベルが電話を発見しました。
1887年、ドイツの物理学者H・ヘルツが電波の存在を発見しました。
1901年に、カナダ人の技術者は、 R・フェッセンデン 最初の振幅変調信号を変換します。
R・フェッセンデンは、電気スパークの助けを借りて信号を送信するスパークギャップ送信機を使用してそれを発見しました。
AM の実用化は、1900 年から 1920 年にかけて無線電話伝送を通じて始まりました。それは音声信号または音声信号を使用した通信でした。
最初の連続 Am 送信機は 1906 ～ 1910 年頃に開発されました。
1915年にアメリカの理論家が J・R・カーソン 振幅変調の数学的解析を開始しました。彼は、音声信号の伝送には単一の帯域で十分であることを示しました。
1915 年 12 月 1 日、JR カーソンは特許を取得しました。 SSB (単側波帯) 変調。
ラジオAM放送は1920年頃に真空管が発明されてから普及しました。

振幅変調の周波数変換

信号は補助正弦波信号と乗算して送信されます。それは次のように与えられます。

Vm(t) = A_メートルcosω_メートルt

Vm(t) = A_メートルcos2πf_メートルt

どこ、

Am は振幅定数です

Fm は変調周波数です

Fm = ω_メートル/2p

スペクトルパターンは両面振幅パターンとなります。以下に示すように、それぞれ振幅 Am/2 の 2 つのラインで構成されます。

これは、f = fm から f = -fm までの周波数範囲に位置します。

補助正弦波信号を Vc(t) とします。

Vc(t) = A_Ccosω_Ct

ダブルスペクトルパターンと補助信号を乗算すると、次のようになります。

Ｖｍ（ｔ）。 Vc(t) = A_メートルcosω_メートルt×A_Ccosω_Ct

Ｖｍ（ｔ）。 Vc(t) = A_メートルあ_Ccosω_メートルtcosω_Ct

上に示すように、スペクトルコンポーネントは 4 つになりました。

これは、スペクトルパターンに周波数 Fc + Fm および Fc - Fm の 2 つの正弦波波形があることを意味します。乗算前の振幅はAm/2でした。ただし、乗算後の成分は 2 つから 4 つに増えています。

振幅は次のようになります。

AmAc/4

1 正弦波成分 = 2 スペクトル成分

したがって、各正弦波成分の振幅は次のようになります。

AmAc/2

乗算後のスペクトルパターンは、正と負の両方の周波数方向に変換されます。これら 4 つのスペクトルパターンにゲインを乗算すると、結果として 8 つの正弦波形の形式の 6 つのスペクトル成分が得られます。

変調指数

変調指数は、メッセージ信号と搬送波信号の最大値の比として定義されます。

それは次のように与えられます。

変調指数 = M/A

どこ、

M はメッセージ信号の振幅です。

A は搬送波信号の振幅です

または

変調指数 = Am/Ac

AMの効率

振幅変調の効率は、総電力に対する側波帯電力の比率として定義されます。

効率 = Ps/Pt

合計電力は、側波帯電力と搬送波電力の合計です。

Pt = Ps + Pc

したがって、効率は次のように定義することもできます。

効率 = ＰＳ／ＰＳ＋ＰＣ

周波数領域の Am 信号は次のように表すことができます。

S(t) = A_C[1 + km(t)] cosω_Ct

どこ、

m(t) はベースバンド信号です

k は振幅感度です

s(t) はベースバンド信号とそのエンベロープを保存します

s(t) = A_Ccosω_Ct + A_Ckm(t)cosω_Ct

第 1 項は搬送波項、第 2 項は側波帯項です。

パワーは次のように表すことができます。

キャリア項の場合、Power =A_C²/2

側波帯項の場合、電力 =A_C²k²/2×午後

Pm は、側波帯項に存在するメッセージ信号の平均パワーです。

効率 = A_C²k²午後/2 /( A_C²k²午後/2 + A_C²/2)

効率= k²午後/1 + k²午後

これは、振幅変調の電力効率を求めるために使用される一般的な式です。

両側波帯抑制搬送波変調には搬送波が存在しないため、効率は 50% になります。正弦波形の場合のシングルトーン変調信号の効率は約 33% です。 SSBSC (Single Side Modulation Suppress Carrier) を使用すると、100% の最大効率を達成できます。

利点

振幅変調の利点は次のとおりです。

振幅変調は、メッセージ信号の振幅を変化させることで、信号が長距離に伝わるようにします。
AM 受信機と送信機に使用されるコンポーネントは低コストです。
AM 信号は変調と復調が簡単です。
変調された信号の周波数は、搬送波の信号よりも低くなります。
振幅変調の実装プロセスは簡単です。
送信に使用される通信チャネルは、有線チャネルでも無線チャネルでもよい。送信機を受信機に接続します。また、送信機から受信機に情報を伝達します。

短所

AM はさまざまな欠点があるにもかかわらず、広く使用されている変調です。振幅変調の欠点は次のとおりです。

AM検波器があるため、ノイズの影響を受けやすくなります。受信機に到達する信号の品質に影響します。
搬送波周波数の両側に側波帯があります。両側波帯の電力は 100% 利用されません。 AM 波によって運ばれるパワーは約 33% です。これは、両面の電力の半分以上が無駄になることを意味します。
AM は高帯域幅、つまり音声周波数の 2 倍を必要とします。

振幅変調の応用

振幅変調の用途は次のとおりです。

数値例

振幅変調に基づいた例について説明します。

例：搬送波電力 400W、変調指数 0.8 の振幅変調信号の合計電力を求めます。

解決 : 振幅変調信号の合計パワーを計算する式は次のようになります。

Pt = Pc (1 + m²/2)

どこ、

Pt は合計パワーです

PCはキャリア電源です

M は変調信号です

Pt = 400 (1 + (0.8)²/2)

Pt = 400 (1 + 0.64/2)

Pt = 400 (1 + 0.32)

ポイント = 400 (1.32)

Pt = 528 ワット

したがって、振幅変調信号の合計電力は 528 ワットになります。

例 2: シングルトーン変調信号の最大効率はどれくらいですか?

解決 : シングルトーン変調信号の最大効率は 33% です。

効率は次の式で求められます。
効率 = u²/(2 + u²)

最大効率では、u = 1

効率 = 1²/(2 + 1²)

マドゥバラ

効率 = 1/3

効率 % = 1/3 x 100

効率 % = 100/3

効率 % = 33.33