振幅変調

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Animation of audio, AM and FM modulated carriers.
図1:オーディオ信号(上)は、AMまたはFM方式を使用してキャリア信号で伝送できます。

振幅変調AM)は、電子通信で使用される変調技術であり、最も一般的には電波でメッセージを送信するために使用されます。振幅変調では、振幅の(信号強度)搬送波はなど、メッセージ信号のそれに比例して変化するオーディオ信号。で、この技術コントラスト角度変調いずれかれる、周波数搬送波のをのように、変化する周波数変調、または位相のように、位相変調

AMは、ラジオ放送でオーディオを送信するために使用された最も初期の変調方式でした。これは、1900年Roberto Landell deMouraReginaldFessenden無線電話実験から始まる20世紀の第1四半期に開発されました。[1]この元の形式のAMは、標準であるため、両側波帯振幅変調DSBAMと呼ばれることもあります。この方法では、搬送周波数の両側に側波帯が生成されます。単側波帯変調 バンドパスフィルターを使用して、側波帯の1つと、場合によってはキャリア信号を除去します。これにより、総送信電力に対するメッセージ電力の比率が向上し、ラインリピーターの電力処理要件が軽減され、伝送媒体の帯域幅使用率が向上します。

AMは、に加えて、通信の多くの形態で使用のままでAM放送短波ラジオアマチュア無線双方向ラジオVHF航空機無線市民ラジオ、およびコンピュータでモデムの形でQAM

フォーム

エレクトロニクス通信変調のいくつかの態様変化手段連続波 キャリア信号のような情報担持変調波形を有する音声信号の音を表し、又はビデオ信号の画像を表します。この意味で、メッセージ信号よりもはるかに高い周波数を持つ搬送波が情報を運びます。受信局では、復調によって変調された搬送波からメッセージ信号が抽出されます。

振幅変調では、キャリア振動の振幅または強度が変化します。たとえば、AM無線通信では、連続波無線周波数信号(正弦波 搬送波)の振幅は、送信前に音声波形によって変調されます。オーディオ波形は、搬送波の振幅を変更し、波形のエンベロープ決定します。周波数領域、振幅変調で濃縮パワーと信号生成キャリア周波数と隣接する二つの側波帯を。各側波帯の帯域幅は同じです変調信号のそれに、そして他の鏡像です。したがって、標準AMは「両側波帯振幅変調」(DSBAM)と呼ばれることもあります。

標準のAMだけでなく、すべての振幅変調技術の欠点は、受信機が信号に等しい割合でノイズ電磁干渉増幅して検出することです。したがって、受信信号対雑音比をたとえば10倍(10デシベルの改善)に増やすには、送信機の電力を10倍に増やす必要があります。これは、周波数変調(FM)やデジタル無線は対照的です。ここで、受信信号が受信のしきい値をはるかに上回っている限り、復調後のこのようなノイズの影響は大幅に減少します。このため、AM放送は音楽と忠実度の高さには適していません。放送ではなく、音声通信と放送(スポーツ、ニュース、トークラジオなど)用です。

AMは電力使用量も非効率的です。電力の少なくとも3分の2はキャリア信号に集中しています。キャリア信号には、送信されている元の情報(音声、ビデオ、データなど)は含まれていません。ただし、その存在は、包絡線検波を使用した復調の簡単な手段を提供し、側波帯から変調を抽出するための周波数と位相の基準を提供します。 AMに基づく一部の変調システムでは、キャリア成分を部分的または完全に排除することで、より低い送信機電力が必要になりますが、これらの信号の受信機は、正確なキャリア周波数基準信号(通常は中間周波数にシフト)を提供する必要があるため、より複雑です。)大幅に削減された「パイロット」キャリアから(削減されたキャリア送信の場合)またはDSB-RC)を復調プロセスで使用します。両側波帯抑制キャリア伝送キャリアが完全に排除された場合でもCostasフェーズロックループを使用してキャリア再生が可能です。これは、単側波帯抑制キャリア伝送(SSB-SC)では機能せず、わずかに離調すると、そのような受信機から特徴的な「ドナルドダック」音が発生します。それにもかかわらず、単側波帯AMは、電力と帯域幅の効率が高いため(標準のAMと比較してRF帯域幅を半分に削減)アマチュア無線やその他の音声通信で広く使用されています。一方、中波短波では放送、フルキャリアの標準AMにより、安価な受信機での受信が可能です。放送局は余分な電力コストを吸収して、潜在的な視聴者を大幅に増やします。

標準AMの搬送波によって提供されるが、片側波帯または両側波帯の抑制された搬送波伝送では失われる追加機能は、振幅基準を提供することです。受信機では、自動利得制御(AGC)がキャリアに応答するため、再生されたオーディオレベルは元の変調に対して一定の比率に保たれます。一方、抑制されたキャリア送信では、変調の一時停止中に送信電力ないため、AGCは変調のピーク時に送信電力のピークに応答する必要があります。これには通常、いわゆる高速攻撃、低速減衰が含まれますプログラムの音節または短い一時停止の間に、そのようなピークに続いて1秒以上AGCレベルを保持する回路。これは、音声の圧縮が明瞭度を高める通信ラジオに非常に受け入れられます。ただし、さまざまな変調レベルを含む元の番組の忠実な再生が期待される音楽や通常の放送番組には絶対に望ましくありません。

振幅変調の単純な形式は、一般的なバッテリーローカルループを使用した従来のアナログ電話セットからの音声信号の送信です。[2]セントラルオフィスのバッテリーから供給される直流は、周波数0 Hzのキャリアであり、スピーカーの口からの音響信号に応じて、電話機のマイク(送信機によって変調されます。その結果、振幅が変化する直流が発生します。そのAC成分は、別の加入者に送信するためにセントラルオフィスで抽出された音声信号です。

送信するために使用することができるデジタル振幅変調の単純な形式のバイナリデータがあるオンオフ変調、最も単純な形振幅偏移変調する、1とゼロがキャリアの存在または不在によって表されます。オンオフキーイングは、送信が厳密に「連続」ではない場合でも、アマチュア無線家がモールス信号を送信するために同様に使用されますモールス信号は、連続波(CW)操作として知られています。より複雑な形式のAMである直交振幅変調は、利用可能な帯域幅をより効率的に使用しながら、デジタルデータでより一般的に使用されるようになりました。

ITU指定

1982年、国際電気通信連合(ITU)は、振幅変調のタイプを指定しました。

指定 説明
A3E フルキャリアの両側波帯-基本的な振幅変調方式
R3E 単側波帯 還元キャリア
H3E 単側波帯フルキャリア
J3E 単側波帯抑制キャリア
B8E 独立側波帯放射
C3F 痕跡-サイドバンド
Lincompex リンクされたコンプレッサーとエキスパンダー(上記のITUエミッションモードのいずれかのサブモード)

歴史

粗製の真空管AM送信機の1つ、1906年のテレフンケンアーク送信機。キャリア波は、調整された回路に接続された垂直管内の6つの電気アークによって生成されます。変調は、アンテナリードの大きなカーボンマイク(コーン形状)によって行われます。
1913年にMeissnerによってRobertvonLiebenによる初期の三極真空管で製造された最初の真空管AMラジオ送信機の1つ彼はそれをベルリンからドイツのナウェンへの歴史的な36km(24マイル)の音声伝送で使用しました。その小さいサイズを上記の送信機と比較してください。

AMは、1800年代後半に多重電信および電話伝送のいくつかの大まかな実験で使用されましたが、[3]振幅変調の実際の開発は、1900年から1920年の「無線電話」伝送の開発と同義です。電波で音(音声)を送る。火花ギャップ送信機と呼ばれる最初の無線送信機は、無線電信によって情報を送信し搬送波のさまざまな長さのパルスを使用してモールス信号でテキストメッセージを綴りました。キャリアが減衰波のストリングで構成されていたため、音声を送信できませんでした、受信機のざわめきのように聞こえる、ゼロに低下した電波のパルス。事実上、それらはすでに振幅変調されていました。

連続波

最初のAM送信は、1900年12月23日にカナダの研究者Reginald Fessendenによって、特別に設計された高周波10 kHzインタラプタを備えた火花ギャップ送信機使用して、米国メリーランド州コブアイランドで1マイル(1.6 km)の距離にわたって行われました。彼の最初の伝達された言葉は、「こんにちは。1、2、3、4。あなたがいるところは雪が降っていますか、ティーセンさん?」でした。言葉は、火花の背景のざわめきの上ではほとんど理解できませんでした。

フェッセンデンはAMラジオの開発において重要な人物でした。彼は、上記のような実験から、電波を生成するための既存の技術である火花送信機が振幅変調に使用できないこと、および正弦波 連続波を生成する新しい種類の送信機であることを最初に認識した研究者の1人でした。、必要でした。専門家は高周波を生成するために衝撃的な火花が必要であると信じていたので、これは当時の急進的な考えでした、そしてフェッセンデンは嘲笑されました。彼は最初の連続波送信機の1つであるアレキサンダーソンオルタネーターを発明し、開発を支援しました彼は、1906年のクリスマスイブに最初のAMパブリックエンターテインメント放送と見なされるものを作成しました。彼はまた、AMの基礎となる原理を発見し、ヘテロダイニングしAM整流および受信できる最初の検出器の1つである電解検波器を発明しました。フレミングバルブ(1904)やクリスタル検出器(1906)など、ワイヤレステレグラフィー用に発明された他の無線検出器もAM信号を整流できることが証明されたため、技術的なハードルはAM波を生成していました。それらを受け取ることは問題ではありませんでした。

初期の技術

Fessenden、Valdemar PoulsenErnst RuhmerQuirino MajoranaCharles Herrold、およびLee de Forestによって実施されたAM無線送信の初期の実験は増幅技術の欠如によって妨げられていました。最初の実用的な連続波AM送信機、1906年から1910年に開発された巨大で高価なアレキサンダーソンオルタネーター、または1903年に発明されポールセンアーク送信機(アークコンバーター)のバージョンに基づいていました。AMを送信するために必要な変更は不器用で、結果として非常に低品質のオーディオ。変調は通常、カーボンマイクによって行われました。アンテナまたはアース線に直接挿入されます。その変化する抵抗はアンテナへの電流を変化させました。マイクの限られた電力処理能力は、最初の無線電話の電力を大幅に制限しました。マイクの多くは水冷式でした。

真空管

1906年にリー・ド・フォレストによって発明されオーディオン管の増幅能力の1912年の発見は、これらの問題を解決しました。1912年にエドウィンアームストロングアレクサンダーマイスナーによって発明された真空管フィードバック発振器は、安価な連続波源であり、簡単に変調できました。AM送信機を作るために。変調は出力で行う必要はありませんでしたが、最終的なアンプチューブの前の信号に適用できるため、マイクやその他のオーディオソースは高出力の無線信号を変調する必要がありませんでした。戦時中の研究はAM変調の技術を大きく進歩させ、戦後、安価なチューブの入手可能性により、ニュースや音楽のAM送信を実験するラジオ局の数が大幅に増加しました。真空管は、最初の電子マスコミ媒体である1920年頃AM放送の台頭の原因でした。振幅変調は、第二次世界大戦後にFM放送が開始れるまで、事実上ラジオ放送に使用された唯一のタイプでした。

AMラジオが始まると同時に、AT&Tなどの電話会社はAMのもう1つの大きなアプリケーションを開発していました。それは周波数分割多重と呼ばれる、別々の搬送周波数で変調することにより、単一の回線を介して複数の電話を送信することです。[3]

単側波帯

John Renshaw Carsonは1915年に振幅変調の最初の数学的分析を行い、非線形デバイスで結合された信号とキャリア周波数がキャリア周波数の両側に2つのサイドバンドを作成し、変調された信号を別の非線形デバイスに渡すと抽出されることを示しました。元のベースバンド信号。[3]彼の分析はまた、唯一の側波帯は、オーディオ信号を送信する必要があった、とカーソンは特許を示した単側波帯変調12月1日1915年に(SSB)の[3]の振幅変調のこのより高度な変異体がためにAT&Tによって採用された長波大西洋電話サービスは1927年1月7日から始まります。第二次世界大戦後、航空機通信用に軍によって開発されました。

Analysis

Illustration of amplitude modulation

The carrier wave (sine wave) of frequency fc and amplitude A is expressed by

.

The message signal, such as an audio signal that is used for modulating the carrier, is m(t), and has a frequency fm, much lower than fc:

,

where m is the amplitude sensitivity, M is the amplitude of modulation. If m < 1, (1 + m(t)/A) is always positive for undermodulation. If m > 1 then overmodulation occurs and reconstruction of message signal from the transmitted signal would lead in loss of original signal. Amplitude modulation results when the carrier c(t) is multiplied by the positive quantity (1 + m(t)/A):

In this simple case m is identical to the modulation index, discussed below. With m = 0.5 the amplitude modulated signal y(t) thus corresponds to the top graph (labelled "50% Modulation") in figure 4.

Using prosthaphaeresis identities, y(t) can be shown to be the sum of three sine waves:

Therefore, the modulated signal has three components: the carrier wave c(t) which is unchanged in frequency, and two sidebands with frequencies slightly above and below the carrier frequency fc.

Spectrum

Diagrams of an AM signal, with formulas
Fig 2: Double-sided spectra of baseband and AM signals.

A useful modulation signal m(t) is usually more complex than a single sine wave, as treated above. However, by the principle of Fourier decomposition, m(t) can be expressed as the sum of a set of sine waves of various frequencies, amplitudes, and phases. Carrying out the multiplication of 1 + m(t) with c(t) as above, the result consists of a sum of sine waves. Again, the carrier c(t) is present unchanged, but each frequency component of m at fi has two sidebands at frequencies fc + fi and fc - fi. The collection of the former frequencies above the carrier frequency is known as the upper sideband, and those below constitute the lower sideband. The modulation m(t) may be considered to consist of an equal mix of positive and negative frequency components, as shown in the top of Fig. 2. One can view the sidebands as that modulation m(t) having simply been shifted in frequency by fc as depicted at the bottom right of Fig. 2.

Sonogram of an AM signal, showing the carrier and both sidebands vertically
Fig 3: The spectrogram of an AM voice broadcast shows the two sidebands (green) on either side of the carrier (red) with time proceeding in the vertical direction.

The short-term spectrum of modulation, changing as it would for a human voice for instance, the frequency content (horizontal axis) may be plotted as a function of time (vertical axis), as in Fig. 3. It can again be seen that as the modulation frequency content varies, an upper sideband is generated according to those frequencies shifted above the carrier frequency, and the same content mirror-imaged in the lower sideband below the carrier frequency. At all times, the carrier itself remains constant, and of greater power than the total sideband power.

Power and spectrum efficiency

The RF bandwidth of an AM transmission (refer to Figure 2, but only considering positive frequencies) is twice the bandwidth of the modulating (or "baseband") signal, since the upper and lower sidebands around the carrier frequency each have a bandwidth as wide as the highest modulating frequency. Although the bandwidth of an AM signal is narrower than one using frequency modulation (FM), it is twice as wide as single-sideband techniques; it thus may be viewed as spectrally inefficient. Within a frequency band, only half as many transmissions (or "channels") can thus be accommodated. For this reason analog television employs a variant of single-sideband (known as vestigial sideband, somewhat of a compromise in terms of bandwidth) in order to reduce the required channel spacing.

Another improvement over standard AM is obtained through reduction or suppression of the carrier component of the modulated spectrum. In Figure 2 this is the spike in between the sidebands; even with full (100%) sine wave modulation, the power in the carrier component is twice that in the sidebands, yet it carries no unique information. Thus there is a great advantage in efficiency in reducing or totally suppressing the carrier, either in conjunction with elimination of one sideband (single-sideband suppressed-carrier transmission) or with both sidebands remaining (double sideband suppressed carrier). While these suppressed carrier transmissions are efficient in terms of transmitter power, they require more sophisticated receivers employing synchronous detection and regeneration of the carrier frequency. For that reason, standard AM continues to be widely used, especially in broadcast transmission, to allow for the use of inexpensive receivers using envelope detection. Even (analog) television, with a (largely) suppressed lower sideband, includes sufficient carrier power for use of envelope detection. But for communications systems where both transmitters and receivers can be optimized, suppression of both one sideband and the carrier represent a net advantage and are frequently employed.

A technique used widely in broadcast AM transmitters is an application of the Hapburg carrier, first proposed in the 1930s but impractical with the technology then available. During periods of low modulation the carrier power would be reduced and would return to full power during periods of high modulation levels. This has the effect of reducing the overall power demand of the transmitter and is most effective on speech type programmes. Various trade names are used for its implementation by the transmitter manufacturers from the late 80's onwards.

Modulation index

The AM modulation index is a measure based on the ratio of the modulation excursions of the RF signal to the level of the unmodulated carrier. It is thus defined as:

where and are the modulation amplitude and carrier amplitude, respectively; the modulation amplitude is the peak (positive or negative) change in the RF amplitude from its unmodulated value. Modulation index is normally expressed as a percentage, and may be displayed on a meter connected to an AM transmitter.

So if , carrier amplitude varies by 50% above (and below) its unmodulated level, as is shown in the first waveform, below. For , it varies by 100% as shown in the illustration below it. With 100% modulation the wave amplitude sometimes reaches zero, and this represents full modulation using standard AM and is often a target (in order to obtain the highest possible signal-to-noise ratio) but mustn't be exceeded. Increasing the modulating signal beyond that point, known as overmodulation, causes a standard AM modulator (see below) to fail, as the negative excursions of the wave envelope cannot become less than zero, resulting in distortion ("clipping") of the received modulation. Transmitters typically incorporate a limiter circuit to avoid overmodulation, and/or a compressor circuit (especially for voice communications) in order to still approach 100% modulation for maximum intelligibility above the noise. Such circuits are sometimes referred to as a vogad.

However it is possible to talk about a modulation index exceeding 100%, without introducing distortion, in the case of double-sideband reduced-carrier transmission. In that case, negative excursions beyond zero entail a reversal of the carrier phase, as shown in the third waveform below. This cannot be produced using the efficient high-level (output stage) modulation techniques (see below) which are widely used especially in high power broadcast transmitters. Rather, a special modulator produces such a waveform at a low level followed by a linear amplifier. What's more, a standard AM receiver using an envelope detector is incapable of properly demodulating such a signal. Rather, synchronous detection is required. Thus double-sideband transmission is generally not referred to as "AM" even though it generates an identical RF waveform as standard AM as long as the modulation index is below 100%. Such systems more often attempt a radical reduction of the carrier level compared to the sidebands (where the useful information is present) to the point of double-sideband suppressed-carrier transmission where the carrier is (ideally) reduced to zero. In all such cases the term "modulation index" loses its value as it refers to the ratio of the modulation amplitude to a rather small (or zero) remaining carrier amplitude.

Graphs illustrating how signal intelligibility increases with modulation index, but only up to 100% using standard AM.
Fig 4: Modulation depth. In the diagram, the unmodulated carrier has an amplitude of 1.

Modulation methods

Anode (plate) modulation. A tetrode's plate and screen grid voltage is modulated via an audio transformer. The resistor R1 sets the grid bias; both the input and output are tuned circuits with inductive coupling.

Modulation circuit designs may be classified as low- or high-level (depending on whether they modulate in a low-power domain—followed by amplification for transmission—or in the high-power domain of the transmitted signal).[4]

Low-level generation

In modern radio systems, modulated signals are generated via digital signal processing (DSP). With DSP many types of AM are possible with software control (including DSB with carrier, SSB suppressed-carrier and independent sideband, or ISB). Calculated digital samples are converted to voltages with a digital-to-analog converter, typically at a frequency less than the desired RF-output frequency. The analog signal must then be shifted in frequency and linearly amplified to the desired frequency and power level (linear amplification must be used to prevent modulation distortion).[5] This low-level method for AM is used in many Amateur Radio transceivers.[6]

AM may also be generated at a low level, using analog methods described in the next section.

High-level generation

High-power AM transmitters (such as those used for AM broadcasting) are based on high-efficiency class-D and class-E power amplifier stages, modulated by varying the supply voltage.[7]

Older designs (for broadcast and amateur radio) also generate AM by controlling the gain of the transmitter's final amplifier (generally class-C, for efficiency). The following types are for vacuum tube transmitters (but similar options are available with transistors):[8][9]

Plate modulation
In plate modulation, the plate voltage of the RF amplifier is modulated with the audio signal. The audio power requirement is 50 percent of the RF-carrier power.
Heising (constant-current) modulation
RF amplifier plate voltage is fed through a choke (high-value inductor). The AM modulation tube plate is fed through the same inductor, so the modulator tube diverts current from the RF amplifier. The choke acts as a constant current source in the audio range. This system has a low power efficiency.
Control grid modulation
The operating bias and gain of the final RF amplifier can be controlled by varying the voltage of the control grid. This method requires little audio power, but care must be taken to reduce distortion.
Clamp tube (screen grid) modulation
The screen-grid bias may be controlled through a clamp tube, which reduces voltage according to the modulation signal. It is difficult to approach 100-percent modulation while maintaining low distortion with this system.
Doherty modulation
One tube provides the power under carrier conditions and another operates only for positive modulation peaks. Overall efficiency is good, and distortion is low.
Outphasing modulation
Two tubes are operated in parallel, but partially out of phase with each other. As they are differentially phase modulated their combined amplitude is greater or smaller. Efficiency is good and distortion low when properly adjusted.
Pulse-width modulation (PWM) or pulse-duration modulation (PDM)
A highly efficient high voltage power supply is applied to the tube plate. The output voltage of this supply is varied at an audio rate to follow the program. This system was pioneered by Hilmer Swanson and has a number of variations, all of which achieve high efficiency and sound quality.
Digital methods
The Harris Corporation obtained a patent for synthesizing a modulated high-power carrier wave from a set of digitally selected low-power amplifiers, running in phase at the same carrier frequency.[10][citation needed] The input signal is sampled by a conventional audio analog-to-digital converter (ADC), and fed to a digital exciter, which modulates overall transmitter output power by switching a series of low-power solid-state RF amplifiers on and off. The combined output drives the antenna system.

Demodulation methods

The simplest form of AM demodulator consists of a diode which is configured to act as envelope detector. Another type of demodulator, the product detector, can provide better-quality demodulation with additional circuit complexity.

See also

References

  1. ^ "Father Landell de Moura : Radio Broadcasting Pioneer : FABIO S. FLOSI : UNICAMP – University of Campinas, State of São Paulo" (PDF). Aminharadio.com. Retrieved 15 July 2018.
  2. ^ AT&T, Engineering and Operations in the Bell System (1984) p.211
  3. ^ a b c d Bray, John (2002). Innovation and the Communications Revolution: From the Victorian Pioneers to Broadband Internet. Inst. of Electrical Engineers. pp. 59, 61–62. ISBN 0852962185.
  4. ^ A.P.Godse and U.A.Bakshi (2009). Communication Engineering. Technical Publications. p. 36. ISBN 978-81-8431-089-4.
  5. ^ Silver, Ward, ed. (2011). "Ch. 15 DSP and Software Radio Design". The ARRL Handbook for Radio Communications (Eighty-eighth ed.). American Radio Relay League. ISBN 978-0-87259-096-0.
  6. ^ Silver, Ward, ed. (2011). "Ch. 14 Transceivers". The ARRL Handbook for Radio Communications (Eighty-eighth ed.). American Radio Relay League. ISBN 978-0-87259-096-0.
  7. ^ Frederick H. Raab; et al. (May 2003). "RF and Microwave Power Amplifier and Transmitter Technologies - Part 2". High Frequency Design: 22ff.
  8. ^ Laurence Gray and Richard Graham (1961). Radio Transmitters. McGraw-Hill. pp. 141ff.
  9. ^ Cavell, Garrison C. Ed. (2018). National Association of Broadcasters Engineering Handbook, 11th Ed. Routledge. pp. 1099ff.
  10. ^ [1], "Amplitude modulation using digitally selected carrier amplifiers", issued 1981-12-24 

Bibliography

  • Newkirk, David and Karlquist, Rick (2004). Mixers, modulators and demodulators. In D. G. Reed (ed.), The ARRL Handbook for Radio Communications (81st ed.), pp. 15.1–15.36. Newington: ARRL. ISBN 0-87259-196-4.

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