Amplituudmodulatsioon

Amplituudmodulatsioon (lühend AM, inglise amplitude modulation) on raadio- ja sidetehnikas kõrgsagedusliku elektrivõnkumise (kandesignaali) või impulsijada mingi parameetri muutmine tunduvalt madalama sagedusega moduleeriva signaali m(t) rütmis. Modulatsiooniga kaasneb signaali m(t) esialgse kuju oluline muutus ja tema spektri üleminek teisele sagedusele. Tuntud on mitu AM-i alaliiki: kandjaga AM, kandjata AM ja ühe külgriba AM.
Moduleerimine võimaldab edastada signaali m(t) kanalis, mille sagedusomadused on piiratud, ning aitab vähendada edastatava signaali m(t) kuju või mõne tema olulise parameetri moonutusi edastusel. Eelkõige kasutatakse modulatsiooni selleks, et võimaldada mitme signaali samaaegset edastamist ühes kanalis.
Ühe külgriba modulatsioon on amplituudmodulatsiooni liik, mis võimaldab kasutada saatja võimsust ja ribalaiust tõhusamalt võrreldes kahe külgriba modulatsiooniga. Amplituudmodulatsiooni käigus saadakse modulaatori väljundisse kaks külgriba, mis kahekordistab ribalaiust. Seetõttu kasutatakse ühe külgriba modulatsiooni ribalaiuse vähendamiseks, kuid sellise modulaatori skeem ja häälestamine on keerukam. Praktikas kasutatakse kahe külgriba modulatsiooni vähe just suurema ribalaiuse ja vajamineva võimsuse tõttu. Kahe külgriba modulatsiooni tähtsus hakkas langema pärast teist maailmasõda, kui arenesid skeemitehnika ja riistvara ühe külgriba modulatsiooni sooritamiseks.

Ajalugu

Amplituudmodulatsioon on kasutusel olnud alates raadiotehnoloogia ajaloo algusaastatest. Esimene teadaolev juhtum leidis aset aastal 1901, kui Kanada insener Reginald Fessenden edastas amplituudmoduleeritud signaali. Selle saavutamiseks kasutas ta sädelahendusega edastust ning ühendas süsimikrofoni antenniga. Helilained, mis põrkasid vastu mikrofoni, muutsid selle takistust ja see omakorda muutis saate intensiivsust. Nii saadud signaal oli kuuldav paarisaja meetri kaugusele. Tõsi, selle kvaliteet ei olnud kõige parem, kuna sädelahenduse kasutamise tõttu oli saatesignaal kaetud praksuva/krigiseva heliga.

Ruutsõltuvuse modulaator

Ruutsõltuvuse modulaator kasutab tööks mittelineaarset seadist (diood, transistor) ning sellise modulaatori puhul on väljundi väärtus võrdne ligikaudu sisendi ruuduga. Mittelineaarne seade hakkab lülitama moduleeriva signaali taktis kandvat sagedust. Sel juhul saame väljundisse moduleeritud signaali, alaliskomponendi, kandva sageduse ning selle kordsed komponendid.

Transistormodulaator

Ühe külgriba modulatsiooni on võimalik teha transistormodulaatoriga. Transistor T1 ja T2 on seatud töötama mittelineaarse karakteristikuga. Kuna sisendtransformaator TR1 on mähise keskväljavõtuga, on moduleeriva signaali pinge väärtused transistoride T1 ja T2 baasiahelates üksteise suhtes vastandfaasis. Kandesagedus sisestatakse skeemi moduleeriva signaali transformaatori mähise keskväljavõtuga maandatuna, mistõttu on see transistoride baasiahelates faasis. Väljundisse saame moduleeritud signaali, kuid kandesagedus väljundisse ei jõua, kuna jõudes transformaatorisse TR2 on see vastasfaasis iseendaga. Praktikas ei oma skeemi erinevad pooled identseid karakteristikuid ning mõningane kandva sageduse leke on väljundis alati olemas.

Dioodmodulaator

Mõned balanssmodulaatorid kasutavad transistori ruutsõltuvuse karakteristiku asemel dioodi, mis käitub elektroonilise lülitina. Kui diood on päripingestatud, siis selle takistus on väga väike, ning kui see on vastupingestatud, on selle takistus väga suur. Eeldades, et kandva sageduse amplituud on moduleeriva signaali omast märkimisväärselt suurem, hakkab kandesagedus dioodi ümber lülitama.
Poolperioodide korral, mis muudavad punkti A punkti B suhtes positiivseks, on dioodid päripingestatud ning seetõttu on nende takistus väga väike. Vastupidi eelmisele olukorrale, kui punkt B on punkti A suhtes positiivne, on dioodid vastupingestatud ja nende takistus on väga suur. Modulaatori ülesanne on seega lülitada moduleerivat signaali modulaatori väljundis. Väljundsignaali mõistmiseks võib ette kujutada moduleerivat ja kandvat signaali erinevatel momentidel. Kandva sageduse positiivse poolperioodi korral on dioodid päripingestatud, mistõttu on nad väikese takistusega ja lasevad signaali läbi ning väljundis tekib moduleeriva signaali taktis impulss. Järgneva kandvasageduse negatiivse poolperioodi korral on dioodid vastupingestatud, sellest tulenevalt on nende takistus väga suur ning väljundis signaali pole. Väljundsignaal sisaldab lisaks moduleeritud signaalile ka ülemisi ja alumisi kõrvalsagedusi ning ebavajalikke sageduskomponente kuid mitte kandvat sagedust. Praktikas ei ole aga dioodid ideaalsed ning seetõttu tekib väljundisse mittevajalikke sageduskomponente ja soovitud kõrvalsageduste amplituudid pisut kahanevad. Reaalses olukorras ilmneb ka mõningane kandva sageduse komponendi leke ning selleks lisatakse skeemi potentsiomeeter, et seda minimeerida.

Cowani modulaator

Cowani modulaatori puhul sisestatakse kandesagedus punktide A ja B vahele ning see lülitab kõiki nelja dioodi nende juhtiva ja mittejuhtiva oleku vahel. Kui dioodid on avatud, siis väljundis moduleeritud signaali pole ja vastupidi. Seega modulaatori väljundisse tekivad moduleeriva signaali impulsid kandva sageduse negatiivse polarisatsiooni taktis. Cowani modulaatorit kasutatakse just tema lihtsuse ja odavuse tõttu kuna ta ei kasuta keskväljavõtuga transformaatoreid. Selline modulaator on ennast piirava karakteristikuga kuna kõrvalsageduse väljundpinge on võrdeline sisendsignaaliga ainult kuni teatud piirini ja sealt edasi seisab üsna konstantsena.

Ringmodulaator

Ringmodulaatorit kutsutakse ka topeltbalanssmodulaatoriks. Ringmodulaator töötab nii, et kandesagedus (inglise carrier), mis võngub negatiivse ja positiivse pinge vahel, muudab ühe dioodi paari juhtivaks ja teise mittejuhtivaks. Juhtiv dioodipaar kannab signaali vasakpoolsest transformaatori sekundaarmähisest parempoolsesse transformaatori primaarmähisesse. Kui vasakpoolne terminal on positiivne, juhivad ülemine ja alumine diood signaali parempoolsesse transformaatorisse. Kui külgmised dioodid on juhtivad, tekib transformaatorite vahel signaali polaarsuse muutumine. Sellist lahendust kutsutakse ringmodulaatoriks, kuna dioodid moodustavad skeemis ringi. Ringmodulaatori eripära seisneb selles, et see on kahesuunaline. Nimelt võib sisendi (moduleeriva signaali) ja väljundi omavahel ära vahetada, saades sama kandesageduse juures kas modulaator või demodulaator.

Külgribade mahasurumine

Kui kasutada moduleerimiseks keerukamat signaali, tekivad tahes-tahtmata ülemised ja alumised külgribad. Ilma kandjata ühe külgriba modulatsiooni (lühend SSB-SC, inglise Single-SideBand Suppressed-Carrier) puhul edastatakse ainult üks külgriba ja teine surutakse maha. Seda saab teha kahel viisil: kasutades filtri- või faasimeetodit.

Filtrimeetod

Levinuim meetod külgribade mahasurumiseks on filtrimeetod. Selleks lisatakse modulaatori väljundi järele ribafilter. Kui moduleeriva signaali sagedus on soovitud külgribale liiga lähedal, ei pruugi filter võimaldada piisavat summutust. Sel juhul kasutatakse topeltbalanssmodulaatorit, kuna selle väljundis ei ole moduleerivat signaali. Filtril peab olema pääsualas kiirelt kasvav sageduskarakteristik ja püsiva sumbuvusega sageduskarakteristik väljaspool pääsuala.

Faasimeetod

Kui kasutada faasimeetodit ilma kandjata ühe külgriba modulatsiooni saamiseks, ei pea kasutama pärast väljundit enam filtrit. Selle asemel kasutatakse lisabalanssmodulaatorit ja kahte faasi muutvat komponenti. Balanssmodulaatorisse jõuab moduleeriv signaal faasi muutmata, kuid kandesagedus on muudetud +90-kraadise faasiga. Balanssmodulaatorile lisatakse kandesagedus ilma faasi muutmata, kuid moduleeriv signaal on muudetud faasiga +90 kraadi. Selline lahendus tagab, et mõlema modulaatori väljundis on ülemised kõrvalsagedused faasis, kuid alumised vastandfaasis. Seejärel liidetakse modulaatori väljundid summaatori abil üheks signaaliks ja tulemuseks on ilma kandjata ühe külgriba modulatsioon, kuna vastandfaasis alumised kõrvalsagedused nullivad üksteist ära. Kui väljundis soovitakse näha hoopis alumisi kõrvalsagedusi, tuleb selleks moduleeriva signaali faasi muut ja kandva sageduse faasi muut sisestada ühte ja samasse balanssmodulaatorisse. Sel juhul on ülemised kõrvalsagedused vastandfaasis ja nullivad üksteist ära.
Faasimeetodi eelis filtrimeetodi ees on see, et faasimeetod lubab opereerida suurematel sagedustel, kuna ei kasutata filtrit, ning see on kergesti muudetav edastamaks kas ülemisi või alumisi kõrvalsagedusi. Puuduseks on aga vajadus aparatuuri järele, mis võimaldaks teha 90-kraadist faasinihet.