Διαμόρφωση πλάτους ΑΜ

Στις ηλεκτρονικές επικοινωνίες, όταν το σήμα βασικής ζώνης δεν είναι συμβατό με το μέσο επικοινωνίας, χρησιμοποιούνται οι τεχνικές διαμόρφωσης. Διαμόρφωση είναι η επεξεργασία κατά την οποία η πληροφορία που πρόκειται να μεταδοθεί μεταβάλλει ένα σήμα υψηλότερης συχνότητας. Το σήμα πληροφορίας καλείται συνήθως διαμορφώνον σήμα και το σήμα υψηλότερης συχνότητας το οποίο διαμορφώνεται καλείται φορέας. Ο φορέας είναι συνήθως ένα ημιτονοειδές σήμα, ενώ το σήμα πληροφορίας μπορεί να έχει οποιαδήποτε μορφή.

Η πιο απλή και ο πιο παλιός τύπος διαμόρφωσης είναι η διαμόρφωση κατά πλάτος ΑΜ. Στην ΑΜ το σήμα πληροφορίας μεταβάλλει το πλάτος του ημιτονοειδούς φορέα, δηλαδή το στιγμιαίο πλάτος του φορέα μεταβάλλεται ανάλογα με την τιμή του διαμορφώνοντος σήματος. Στο σχήμα φαίνεται ένα ημιτονοειδές σήμα που διαμορφώνει ένα σήμα υψηλότερης συχνότητας.

 

Στο σχήμα, η φανταστική γραμμή που ενώνει τις θετικές και αρνητικές κορυφές της κυματομορφής του φορέα αναπαραγάγει το ακριβές σχήμα του διαμορφώνοντος σήματος πληροφορίας και είναι γνωστή με το όνομα περιβάλλουσα.

Τα σήματα στο παραπάνω σχήμα δείχνουν τη μεταβολή του φορέα με το χρόνο. Τέτοια σήματα που παριστάνονται σαν την μεταβολή της τάσης ή του ρεύματος με το χρόνο λέμε ότι είναι σήματα που εκφράζονται στο χώρο του χρόνου.

Δείκτης διαμόρφωσης

Όταν ένα σήμα πληροφορίας πλάτους V_m διαμορφώνει ένα φορέα πλάτους V_C, για να έχουμε ορθή διαμόρφωση ΑΜ, η τάση V_m του διαμορφώνοντος σήματος πρέπει να είναι μικρότερη από την τάση V_Cτου φορέα. Αυτή η σχέση εκφράζεται με το λόγο της τάσης του διαμορφώνοντος σήματος προς την τάση φορέα. Και ονομάζεται βαθμός διαμόρφωσης m.  Δηλαδή m = V_m / V_c

Ο δείκτης διαμόρφωσης πρέπει να είναι ένας αριθμός μεταξύ 0 και 1. Ο δείκτης διαμόρφωσης γίνεται μεγαλύτερος του 1 όταν το πλάτος της διαμορφώνουσας τάσης είναι μεγαλύτερη από την τάση του φορέα και σε αυτή τη περίπτωση έχουμε παραμόρφωση της διαμορφωμένης κυματομορφής, δηλαδή υπερδιαμόρφωση.

Πολλαπλασιάζοντας το δείκτη διαμόρφωσης με 100 παίρνουμε το βαθμό διαμόρφωσης σαν % ποσοστό. Στην πράξη θέλουμε διαμόρφωση κοντά 100% διότι τότε μεταδίδεται το μέγιστο πλάτος της πληροφορίας και έτσι μεταδίδεται περισσότερη ισχύς από το σήμα πληροφορίας.

Πλευρικές ζώνες

Όταν ο φορέας συχνότητας f_C και πλάτους V_C, ο οποίος περιγράφεται με τη μαθηματική εξίσωση:  v_C=V_Csin2πf_Ct διαμορφώνεται από ένα ημιτοναειδές σήμα συχνότητας f_m και πλάτους V_m το οποίο  περιγράφεται με την εξίσωση v_m=V_msin2πf_mt με ένα διαμορφωτή ΑΜ, στην έξοδο του παίρνουμε το διαμορφωμένο σήμα, που εκτελώντας τις μαθηματικές πράξεις μπορεί να γραφεί ως εξής:

V_α=V_Csin2πf_Ct + (V_m/2)cos2πt(f_C-f_m) - (V_m/2)cos2πt(f_C+f_m)

Βλέπομε ότι το διαμορφωμένο σήμα ΑΜ είναι το άθροισμα της συχνότητας του φορέα και δυο νέων ημιτονοειδών σημάτων οι καλούμενες πλευρικές συχνότητες ή πλευρικές ζώνες που βρίσκονται στο φάσμα πάνω και κάτω από τη συχνότητα του φορέα. Συγκεκριμένα οι πλευρικές ζώνες είναι το άθροισμα και η διαφορά των συχνοτήτων φορέα και πληροφορίας. Δηλαδή η άνω πλευρική f_USB και η κάτω πλευρική ζώνη f_LSB είναι

f_USB=f_C+f_m    f_LSB=f_C-f_m

Έτσι το τυπικό ΑΜ σήμα λαμβάνεται προσθέτοντας αλγεβρικά το φορέα και τα δυο σήματα πλευρικών ζωνών μαζί.

Στο πεδίο συχνότητας ένα διαμορφωμένο σήμα ΑΜ παριστάνεται με τη σχεδίαση των πλατών του φορέα και των πλευρικών ως προς την συχνότητα. Στην περίπτωση της διαμόρφωσης του φορέα με ημιτονοειδές σήμα, το διαμορφωμένο σήμα ΑΜ παριστάνεται στο πεδίο συχνότητας, όπως στο σχήμα.

Όταν ο φορέας διαμορφώνεται από ένα σύνθετο σήμα όπως είναι το σήμα φωνής που αποτελείται από πολλές ημιτονοειδής συνιστώσες συχνοτήτων που κυμαίνονται από 300 έως 3000Ηz, το προκύπτον ΑΜ κύμα θα αποτελείται από το φορέα και τις πλευρικές συχνότητες πάνω και κάτω από το φορέα. Αυτές οι πλευρικές συχνότητες καταλαμβάνουν φασματικό χώρο, όπως φαίνεται στο σχήμα.

Το εύρος ζώνης του ΑΜ σήματος είναι η απόσταση της ελάχιστης και μέγιστης πλευρικής συχνότητας. Αν για παράδειγμα, ο φορέας έχει συχνότητα 14,7ΜΗz και διαμορφώνεται από σήμα φωνής περιοχής συχνοτήτων μέχρι 3ΚHz τότε η μέγιστη και η ελάχιστη από τις πλευρικές ζώνες είναι:

f_USB=14700+3=14703KHz

f_LSB=14700-3=14697KHz

Το συνολικό εύρος ζώνης (ΒW) του ΑΜ σήματος είναι η διαφορά άνω και κάτω πλευρικής συχνότητας  BW=f_USB-f_LSB. Δηλαδή BW=14703kHz-14697kHz=6kHz.

Κατανομή ισχύος στη διαμόρφωση κατά πλάτος

Κατά την εκπομπή ενός διαμορφωμένου σήματος ΑΜ από ένα ραδιοπομπό, η συνολική εκπεμπόμενη ισχύς Ρ_Τ είναι το άθροισμα της ισχύος του φορέα Ρ_C και της ισχύος των δυο πλευρικών ζωνών P_USB και P_LSB , δηλαδή:

P_T=P_C+P_LSB+P_USB

Η ισχύς σε κάθε πλευρική ζώνη εξαρτάται από τον βαθμό διαμόρφωσης και δίνεται από τη σχέση:

P_S=P_LSB=P_USB=P_Cm²/4

Για διαμόρφωση 100%, δηλαδή όταν ο δείκτης διαμόρφωσης είναι m=1, έχουμε τη μέγιστη ισχύ που εμφανίζεται στις πλευρικές, η οποία ισχύς σε κάθε πλευρική ζώνη είναι το ¼ ή 25% της ισχύος του φορέα. Για παράδειγμα, όταν έχουμε 100% διαμόρφωση με ισχύ του φορέα 100W, η ισχύς κάθε πλευρικής ζώνης είναι 25W, οπότε η συνολική εκπεμπόμενη ισχύς είναι 100W+25W+25W=150W. Σε χαμηλά ποσοστά διαμόρφωσης, η ισχύς στις πλευρικές ζώνες είναι πολύ μικρή. Για παράδειγμα, για διαμόρφωση 70% με ισχύ φορέα 100W, η ισχύς κάθε πλευρικής ζώνης είναι 100W(0,7)²/4=12,25W Η συνολική εκπεμπόμενη ισχύς είναι τότε 100W=2X12,25W=124,5W

Μονοπλευρικές επικοινωνίες

Κατά τη διαμόρφωση ΑΜ ο φορέας δεν περιέχει πληροφορία, η πραγματική πληροφορία περιέχεται στις πλευρικές ζώνες. Έτσι περισσότερο από 2/3 της ολικής εκπεμπόμενης ισχύος είναι η ισχύς του φορέα και μένει μη αποτελεσματική. Από αυτό φαίνεται ότι η διαμόρφωση ΑΜ είναι μια ακατάλληλη μέθοδος διαμόρφωσης. Εφόσον ο φορέας δεν περιέχει καμία χρήσιμη πληροφορία, μια μέθοδος βελτιστοποίησης της εκπομπής είναι να συμπιέσουμε το φορέα.

Συμπιέζοντας το φορέα, το προκύπτον σήμα είναι απλώς οι δυο πλευρικές ζώνες άνω και κάτω που περιέχει την ίδια πληροφορία και ένα τέτοιο σήμα αναφέρεται σαν διπλοπλευρικό συμπιεσμένου φορέα DSB. Έτσι η ισχύς που εξοικονομείται από το φορέα εκπέμπεται από τις πλευρικές.

Εξετάζοντας ένα DSB σήμα, βλέπουμε ότι η βασική πληροφορία εκπέμπεται διπλά μια σε κάθε πλευρική ζώνη. Έτσι δεν υπάρχει κανένας λόγος εκπομπής και των δυο πλευρικών ζωνών για να μεταφερθεί η πληροφορία. Η μια πλευρική ζώνη μπορεί να συμπιεστεί και η παραμένουσα ζώνη καλείται SSB σήμα.

Τα πλεονεκτήματα της SSB εκπομπής σήματος είναι τα εξής: Πρώτον ο φασματικός χώρος που καταλαμβάνει είναι περιορισμένος αφού είναι ο μισός εκείνου ΑΜ ή DSB σήματος. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη δυνατότητα εκπομπής περισσότερων σημάτων στην ίδια περιοχή συχνοτήτων. Δεύτερο, περισσότερη ισχύς στο στάδιο εκπομπής διοχετεύεται στη μοναδική πλευρική ζώνη, επομένως έχουμε ένα ισχυρότερο σήμα που μεταδίδεται σε μεγαλύτερες αποστάσεις. Τρίτο, ο θόρυβος σαν τυχαία τάση αποτελείται από ένα ευρύ αριθμό συχνοτήτων, έτσι το SSB σήμα αφού έχει περιορισμένο εύρος ζώνης, θα περιέχει λιγότερο θόρυβο.