진폭 변조(AM) - 아날로그 통신

변조는 메시지 신호의 주파수와 강도를 증가시키고 강화하는 프로세스입니다. 원래의 신호와 연속적인 고주파 신호를 중첩시키는 과정입니다. ~ 안에 진폭 변조 (AM), 반송파의 진폭은 메시지 신호에 따라 달라집니다. AM 프로세스는 아래 이미지에 표시됩니다.

예를 들어,

오디오 신호

오디오 신호는 노이즈가 많은 신호입니다. 그러한 신호를 장거리로 전송하는 것은 쉽지 않습니다. 따라서 성공적인 전송을 위해서는 오디오 신호의 변조가 필요합니다. AM 변조는 메시지 신호가 반송파 신호인 전파에 중첩되는 프로세스입니다. 이는 높은 진폭의 무선 반송파와 결합되어 오디오 신호의 크기를 증가시킵니다.

비슷하게, 주파수 변조 (FM)은 반송파 신호의 주파수 변화를 다루고, 위상 변조 (PM)은 반송파 신호의 위상 변화를 처리합니다.

먼저 아날로그와 관련 용어에 대해 논의해 보겠습니다.

비슷한 물건 시간에 따른 연속적인 변화를 말한다. 아날로그 통신과 아날로그 신호를 다음과 같이 정의할 수 있습니다. 아날로그 통신 시간에 따라 끊임없이 변하는 의사소통이다. 디지털 통신 이전에 발견되었습니다. 저가형 구성 요소를 사용한 전송에는 더 적은 대역폭이 필요합니다. 안 아날로그 신호 시간에 따라 지속적으로 변화하는 신호입니다. 아날로그 신호의 예로는 정현파와 구형파가 있습니다.

간단한 아날로그 신호는 다음과 같습니다.

여기서는 다음 사항에 대해 논의하겠습니다.

변조란 무엇입니까?

메시지 신호가 반송파 신호에 중첩되면 다음과 같이 알려져 있습니다. 조정 . 메시지 신호는 반송파 상단에 중첩됩니다. 여기서 중첩이란 다른 신호 위에 신호를 배치하는 것을 의미합니다. 형성된 결과 신호는 향상된 주파수와 강도를 갖습니다.

아날로그 신호와 디지털 신호 모두에 대해 송신기 측에서 신호 변환이 필요합니다. 신호가 수신기로 전송되기 위해 채널에 전달되기 전에 변환이 수행됩니다.

메시지 신호

리눅스 오류 코드

수신자에게 전송될 메시지가 포함된 원본 신호를 메시지 신호라고 합니다.

캐리어 신호

반송파 신호는 일반적으로 높은 일정한 주파수를 갖는 신호입니다. 반송파 신호파는 전파하는 데 매체가 필요하지 않습니다.

베이스밴드 신호

주파수 대역을 나타내는 메시지 신호를 기저대역 신호라고 합니다. 베이스밴드 신호의 범위는 0Hz부터 차단 주파수까지입니다. 변조되지 않은 신호 또는 저주파 신호라고도 합니다.

아날로그 신호는 빛/음파를 전기 신호로 변환한 출력입니다.

통과대역 신호

이는 메시지 신호의 최대 성분보다 높은 주파수에 집중됩니다.

예

다음의 예를 생각해 봅시다. 음성 신호 . 일종의 오디오 신호입니다.

음성 신호는 0.3~3.4kHz 범위의 낮은 베이스밴드 주파수를 갖습니다. 두 사람이 동일한 채널에서 통신하려는 경우 베이스밴드 주파수가 간섭하게 됩니다. 낮은 주파수는 동일한 채널에서 두 개의 기저대역 주파수를 허용할 수 없기 때문입니다. 따라서 음성 신호에는 최대 8kHz의 고주파 반송파가 사용됩니다. 이는 음성 신호의 주파수 범위를 증가시킵니다. 이를 통해 두 사람이 간섭 없이 동일한 채널에서 통신할 수 있습니다.

변조의 필요성

통신 시스템은 송신기에서 수신기로 데이터를 보냅니다. 데이터는 처리되어 수신기에 도달하기 전에 수백 마일 이상 이동합니다. 전송 중 잡음은 통신 신호의 모양에 영향을 미칠 수 있습니다. 이는 신호의 주파수와 강도를 줄여 수신된 정보를 더욱 오도합니다. 신호의 주파수와 강도를 높이는 과정이 필요합니다. 의사소통 과정은 다음과 같이 알려져 있다. 조정 .

통신에서는 한 곳에서 다른 곳으로 신호를 전송하는 것이 필수적입니다. 여기서는 원래 신호가 새 신호로 대체되어 주파수가 f1 - f2에서 f1' - f2'로 증가합니다. 수신자 측에서 복구 가능한 형태로 존재합니다. 변조 요구 사항은 다음 요소를 기반으로 합니다.

주파수 다중화
안테나
좁은 밴딩
공통처리

주파수 다중화

멀티플렉싱은 동일한 채널에서 여러 신호를 변환하는 것을 의미합니다. 신호의 품질과 데이터에 영향을 주지 않고 단일 통신 채널을 통해 전송되는 세 개의 신호가 있다고 가정합니다. 이는 신호가 수신단에서 구별 및 복구 가능해야 함을 의미합니다. 이는 세 가지 신호를 서로 다른 주파수로 변환하여 수행할 수 있습니다. 여러 신호가 교차하는 것을 방지합니다.

세 신호의 주파수 범위를 -f1 ~ f1, -f2 ~ f2, -f3 ~ f3으로 설정합니다. 신호는 아래와 같이 가드로 구분됩니다.

이러한 신호의 선택된 주파수가 겹치지 않으면 적절한 대역 통과 필터를 사용하여 수신단에서 쉽게 복구할 수 있습니다.

안테나

안테나는 자유 공간에서 신호를 전송하고 수신합니다. 안테나의 길이는 전송되는 신호의 파장에 따라 선택됩니다.

협대역

신호는 안테나를 사용하여 자유 공간에서 전송됩니다. 주파수 범위가 50~10이라고 가정합니다.⁴헤르츠. 가장 높은 주파수와 가장 낮은 주파수의 비율은 10입니다.⁴/50 또는 200. 이 비율의 안테나 길이는 한쪽 끝에서는 너무 길어지고 다른 쪽 끝에서는 너무 짧아집니다. 전송에 적합하지 않습니다. 따라서 오디오 신호는 범위(10⁶+ 50) ~ (10)⁶+ 10⁴). 이제 비율은 약 1.01이 됩니다. 그것은 다음과 같이 알려져 있습니다. 협착 .

따라서 번역 과정은 요구 사항에 따라 협대역 또는 광대역으로 변경될 수 있습니다.

공통처리

때로는 다양한 신호의 스펙트럼 주파수 범위를 처리해야 하는 경우도 있습니다. 신호 수가 많은 경우 각 신호의 주파수 범위를 처리하는 것보다 고정된 주파수 범위에서 작동하는 것이 더 좋습니다.

예를 들어,

슈퍼헤테로인 수신기

여기서 공통 처리 블록은 국부 발진기를 사용하여 다른 주파수로 조정됩니다.

진폭 변조의 유형

변조 유형은 다음에 의해 지정됩니다. 저것 (국제 전기 통신 연합). 진폭 변조에는 다음과 같은 세 가지 유형이 있습니다.

단일 측파대 변조
이중 측파대 변조
흔적 측파대 변조

AM의 원래 이름은 DSBAM(Double Side Band Amplitude Modulation)이었습니다. 왜냐하면 측파대가 반송파 주파수의 양쪽에 나타날 수 있기 때문입니다.

단일 측파대 변조(SSB)

SSB AM은 반송파 주파수의 한쪽에서만 측파대를 생성하는 표준 방법입니다. 진폭 변조는 반송파 주파수의 양쪽에 측파대를 생성할 수 있습니다. SSB에서는 대역통과 필터를 사용하여 하나의 측파대를 폐기합니다. SSB 변조 프로세스는 전송 매체의 대역폭 활용도와 총 전송 전력을 향상시킵니다.

DSB-SCB(이중 측파대 억제 반송파 변조)

Double은 두 개의 측파대를 의미합니다. DSB의 AM에 의해 생성된 주파수는 반송파 주파수에 대해 대칭입니다. DSB는 다음과 같이 분류됩니다. DSB-SC 그리고 DSB-C . DSB-SC(Double Sideband Suppress Carrier) 변조에는 반송파 대역이 포함되어 있지 않으므로 다른 유형의 변조에 비해 효율성도 최대입니다. DSB-SC의 캐리어 부분이 출력 구성 요소에서 제거되었습니다. DSB-C(Double Sideband with Carrier)는 반송파로 구성됩니다. DSB-C에 의해 생성된 출력에는 메시지와 반송파 구성 요소가 결합된 반송파가 있습니다.

VSB(Vestigial Sideband Modulation)

정보 중 일부는 SSB이며 DSB는 손실될 수 있습니다. 따라서 VSB는 이 두 가지 유형의 AM의 단점을 극복하는 데 사용됩니다. 흔적(Vestige)은 신호의 한 부분을 의미합니다. VSB에서는 신호의 일부가 변조됩니다.

세 가지 유형의 AM에 대해서는 튜토리얼 뒷부분에서 자세히 논의하겠습니다.

진폭 변조의 역사

1831년 영국의 과학자 마이클 패러데이(Michael Faraday)가 전자기파를 발견했습니다.
1873년에 수학자이자 과학자인 제임스 C 맥스웰(James C Maxwell)은 전자기파의 전파를 설명했습니다.
1875년 그레이엄 벨(Graham Bell)이 전화기를 발견했습니다.
1887년 독일의 물리학자 H 헤르츠(H Hertz)가 전파의 존재를 발견했습니다.
1901년에 캐나다의 엔지니어가 R 페센덴 첫 번째 진폭 변조 신호를 변환했습니다.
R Fessenden은 전기 스파크의 도움으로 신호를 전송하는 스파크 갭 송신기를 사용하여 이를 발견했습니다.
AM의 실제 구현은 1900년에서 1920년 사이에 무선 전화 전송을 통해 시작되었습니다. 오디오나 음성 신호를 이용한 통신이었습니다.
최초의 연속 Am 송신기는 1906~1910년경에 개발되었습니다.
1915년 미국의 이론가 JR 카슨 진폭 변조의 수학적 분석을 시작했습니다. 그는 단일 대역이 오디오 신호 전송에 충분하다는 것을 보여주었습니다.
1915년 12월 1일 JR Carson은 SSB (단측파대) 변조.
라디오 AM 방송은 1920년경 진공관이 발명된 이후 대중화되었습니다.

진폭 변조의 주파수 변환

신호는 보조 정현파 신호와 곱하여 전송됩니다. 그것은 다음과 같이 주어진다:

Vm(t) = A_중cos Ω_중티

Vm(t) = A_중cos2πf_중티

어디,

Am은 진폭 상수입니다.

Fm은 변조 주파수입니다.

Fm = Ω_중/2p

Java에서 마커 인터페이스를 사용하는 이유

스펙트럼 패턴은 양면 진폭 패턴입니다. 이는 아래와 같이 진폭이 Am/2인 두 개의 선으로 구성됩니다.

f = fm에서 f = -fm까지의 주파수 범위에 위치합니다.

보조 정현파 신호를 Vc(t)라고 합니다.

Vc(t) = A_씨cos Ω_씨티

이중 스펙트럼 패턴을 보조 신호와 곱하면 다음을 얻습니다.

Vm(t). Vc(t) = A_중cos Ω_중t×A_씨cos Ω_씨티

Vm(t). Vc(t) = A_중ㅏ_씨cos Ω_중t cos Ω_씨티

위에 표시된 대로 이제 4개의 스펙트럼 구성요소가 있습니다.

이는 이제 스펙트럼 패턴에 주파수 Fc + Fm 및 Fc - Fm의 두 개의 정현파 파형이 있음을 의미합니다. 곱셈 전의 진폭은 Am/2였습니다. 그러나 곱셈 후 구성 요소는 2에서 4로 증가합니다.

이제 진폭은 다음과 같습니다.

AmAc/4

1개의 정현파 성분 = 2개의 스펙트럼 성분

따라서 각 정현파 성분의 진폭은 다음과 같습니다.

AmAc/2

곱셈 후의 스펙트럼 패턴은 양의 주파수 방향과 음의 주파수 방향 모두로 변환됩니다. 이 4개의 스펙트럼 패턴에 이득을 곱하면 결과는 8개의 정현파 형태의 6개 스펙트럼 구성 요소가 됩니다.

변조 지수

변조 지수는 메시지 신호와 반송파 신호의 최대값의 비율로 정의됩니다.

그것은 다음과 같이 주어진다:

변조 지수 = M/A

어디,

M은 메시지 신호의 진폭입니다.

A는 반송파 신호의 진폭입니다.

또는

변조 지수 = Am/Ac

AM의 효율성

진폭 변조의 효율성은 총 전력에 대한 측파대 전력의 비율로 정의됩니다.

효율성 = Ps/Pt

총 전력은 측파대 전력과 반송파 전력의 합입니다.

Pt = Ps + PC

따라서 효율성을 다음과 같이 정의할 수도 있습니다.

효율성 = Ps/ Ps + PC

주파수 영역의 Am 신호는 다음과 같이 표현될 수 있습니다.

에스(티) = A_씨[1 + km(t)] cosΩ_씨티

어디,

m(t)는 기저대역 신호입니다.

k는 진폭 감도입니다.

s(t)는 기저대역 신호 I의 포락선을 보존합니다.

s(t) = A_씨cos Ω_씨티 + 에이_씨km(t)cosΩ_씨티

첫 번째 항은 반송파 항이고 두 번째 항은 측파대 항입니다.

전력은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

반송파 용어의 경우 전력 =A_씨²/2

측파대 항의 경우 전력 =A_씨²케이²/2 x 오후

Pm은 측파대 항에 존재하는 메시지 신호의 평균 전력입니다.

효율성 = A_씨²케이²오후/2 /(A_씨²케이²오후/2 + A_씨²/2)

효율성= 케이²오후/1 + k²오후

진폭 변조(Amplitude Modulation)의 전력 효율을 구하는 데 사용되는 일반적인 표현입니다.

Double Sideband Suppress Carrier Modulation은 캐리어가 없으므로 효율은 50%이다. 정현파의 경우 단일 톤 변조 신호의 효율은 약 33%입니다. SSBSC(Single Side Modulation Suppress Carrier)를 사용하면 최대 효율 100%를 달성할 수 있습니다.

장점

진폭 변조의 장점은 다음과 같습니다.

진폭 변조는 메시지 신호의 진폭을 변경하여 신호가 장거리를 이동하는 데 도움이 됩니다.
AM 수신기 및 송신기에 사용되는 부품은 가격이 저렴합니다.
AM 신호는 변조 및 복조가 쉽습니다.
변조된 신호는 반송파가 신호하는 것보다 낮은 주파수를 갖습니다.
진폭 변조를 구현하는 과정은 간단합니다.
전송에 사용되는 통신 채널은 유선 채널일 수도 있고 무선 채널일 수도 있다. 송신기를 수신기에 연결합니다. 또한 송신기에서 수신기로 정보를 전달합니다.

단점

AM은 다양한 단점에도 불구하고 널리 사용되는 변조 방식입니다. 진폭 변조의 단점은 다음과 같습니다.

AM 감지기가 있기 때문에 노이즈에 더 취약합니다. 이는 수신기에 도달하는 신호의 품질에 영향을 미칩니다.
반송파 주파수의 양쪽에 측파대가 있습니다. 양면파대 전력은 100% 활용되지 않습니다. AM파가 전달하는 전력은 약 33%입니다. 양면에서 절반 이상의 전력이 낭비된다는 뜻이다.
AM에는 높은 대역폭, 즉 오디오 주파수의 2배가 필요합니다.

진폭 변조의 응용

진폭 변조의 적용은 다음과 같습니다.

수치 예

진폭 변조를 기반으로 한 예를 살펴보겠습니다.

예: 반송파 전력이 400W이고 변조 지수가 0.8인 진폭 변조 신호의 총 전력을 구합니다.

해결책 : 진폭 변조 신호의 총 전력을 계산하는 공식은 다음과 같습니다.

Pt = PC(1 + m²/2)

어디,

Pt는 총 전력입니다.

PC는 캐리어 전력입니다.

M은 변조된 신호입니다.

Pt = 400 (1 + (0.8)²/2)

Pt = 400 (1 + 0.64/2)

Pt = 400 (1 + 0.32)

포인트 = 400(1.32)

Pt = 528와트

따라서 진폭 변조 신호의 총 전력은 528와트입니다.

예시 2: 단일 톤 변조 신호의 최대 효율은 얼마입니까?

해결책 : 단일 톤 변조 신호의 최대 효율은 33%입니다.

효율성은 다음 공식으로 표현됩니다.
효율성 = 당신²/(2 + 당신²)

미니맥스 알고리즘

최대 효율에서 u = 1

효율성 = 1²/(2 + 1²)

효율성 = 1/3

효율성 % = 1/3 x 100

효율성 % = 100/3

효율성 % = 33.33