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LA MODULAZIONE DI AMPIEZZA Modulare in ampiezza vuol dire far variare l'ampiezza di una

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Academic year: 2021

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(1)

LA MODULAZIONE DI AMPIEZZA

Modulare in ampiezza vuol dire far variare l'ampiezza di una portante a radiofrequenza secondo l'ampiezza di una modulante a bassa frequenza.

L'operazione di modulazione di ampiezza si effettua partendo da un segnale elettrico prodotto da un oscillatore a radiofrequenza, cioè alle frequenze usualmente usate nelle trasmissioni radio che vanno dal megahertz in su, e che costituisce la portante.

Di questo ci si serve per portare, appunto, a distanza l'informazione racchiusa nel segnale a bassa frequenza detto modulante.

Il segnale portante è costituito da una sinusoide, mentre la modulante è un segnale analogico, che può essere schematizzato, per semplicità di calcolo, in un'altra sinusoide, per effetto del teorema di Fourier per cui un qualsiasi segnale periodico od aperiodico, può sempre considerarsi come la somma di infinite sinusoidi, come studiato a proposito dei segnali.

Nello schema seguente sono indicati i tre segnali: modulante, a bassa frequenza, portante, ad alta frequenza, modulato, con la frequenza della portante, ma l'ampiezza che varia secondo la modulante.

Sono indicati anche i periodi e le ampiezze dei tre segnali.

Le funzioni matematiche che esprimono questi segnali possono essere scelte come segue:

(2)

(((( )))) t V cos t

v

p

====

p

ω ωω ω

p

ricordando che pulsazione, frequenza e periodo sono legate fra loro:

m

m

T

f ==== 1

m m

m

T

f 2

2 ππππ ππππ ω

ωω

ω ==== ⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅ ==== ⋅⋅⋅⋅

p

T

p

f ==== 1

p p

p

T

f 2

2 ππππ ππππ ω ωω

ω ==== ⋅⋅⋅⋅ ⋅⋅⋅⋅ ==== ⋅⋅⋅⋅

e che deve esistere la condizione:

m

p

f

f >> >> >> >>

Per determinare la formula matematica del segnale modulato in ampiezza, ricordiamo che l'ampiezza del segnale modulato deve variare, partendo dal valore della portante a riposo, secondo la funzione modulante, pertanto il segnale modulato deve risultare:

(((( )))) t (((( V V cos t )))) cos t

v

AM

====

p

++++

m

ω ωω ω

m

⋅⋅⋅⋅ ω ωω ω

p

Definiamo a questo punto l'indice di modulazione, o profondità di modulazione, come il rapporto fra l'ampiezza del segnale modulante e l'ampiezza del segnale portante:

p m

V m ==== V

Risulterà di conseguenza:

p

m

mV

V ====

e l'espressione del segnale modulato potrà scriversi come segue:

(((( )))) t (((( V mV cos t )))) cos t V cos t mV cos t cos t

v

AM

====

p

++++

p

ω ωω ω

m

ω ωω ω

p

====

p

ωω ω ω

p

++++

p

ω ωω ω

m

ω ωω ω

p

Questa espressione, ricordando una delle formule di Werner:

(((( )))) (((( ))))

[[[[ αααα ββββ αααα ββββ ]]]]

ββββ

αααα

==== cos −−−− ++++cos ++++

2 cos 1 cos si può esprimere come segue:

(3)

(((( )))) cos( t) 2

t) mV 2 cos(

t mV cos

V t

v

AM

====

p

ωω ω ω

p

++++

p

ω ωω ω

p

−−−− ωω ω ω

m

++++

p

ωω ω ω

p

++++ ω ωω ω

m

Questa si interpreta come la somma di tre funzioni sinusoidali di cui la prima coincide con la portante a riposo, e le altre due sono due sinusoidi di ampiezza:

2 mV

p

che come frequenza hanno: una la somma, e una la differenza fra le frequenze portante e modulante.

Ne nasce la rappresentazione nel dominio delle frequenze della figura seguente, dove sono rappresentate: il segnale modulante, il segnale portante e il segnale modulato in ampiezza.

Si osservi come l'operazione di modulazione ha dato luogo ad una traslazione in frequenza del segnale modulante fm della quantità fP .

Si osservi la larghezza di banda del segnale modulato che risulta essere il doppio della frequenza fm modulante, infatti:

(((( f

p

f

m

)))) (((( f

p

f

m

)))) 2 f

m

B ==== ++++ −−−− −−−− ====

L'indice di modulazione m può variare fra 0 e 1 :

0 <<<< m <<<< 1

Ricordando la formula di m:

(4)

p m

V

m ==== V

osserviamo infatti che:

• Se è m = 0 vuol dire che non c'è modulante, quindi non si trasmette alcuna informazione, pur impegnando il canale con la portante.

• Se è m = 0,5 siamo nelle condizioni ottimali.

• Se è m = 1 siamo di fronte al massimo della modulazione.

• Se è m > 1 allora siamo in forte distorsione da crossover come indicato sotto:

L'indice di modulazione m si può rilevare dall'immagine di sopra con la formula:

(5)

(((( )))) (((( ))))

(((( )))) (((( ))))

p

m P m m

P m

P

m P

m P

V V V 4

V 4 V

2 V 2 V

2 V 2

V 2 V 2 V

2 V 2 B A

B

m A ==== ====

−−−−

++++

++++

−−−−

−−−−

==== ++++

++++

==== −−−−

L'indice di modulazione fin qui descritto è rilevato, si suol dire, in antenna, cioè all'uscita del modulatore, ma talora si dispone del segnale all'ingresso del modulatore, in tal caso si deve tenere conto della costante del modulatore KAM e la formula diventa:

POTENZA DI UN SEGNALE MODULATO IN AM

Poiché un segnale modulato in ampiezza è costituito dalla somma di tre segnali distinti, come si può vedere chiaramente dal suo spettro nel dominio delle frequenze:

la sua potenza sarà la somma delle potenze dei tre segnali:

right left

p

AM

P P P

P ==== ++++ ++++

dove, naturalmente, con Pp si è indicata la potenza della portante, con Pright la potenza della riga destra e con Pleft , la potenza della riga sinistra.

Indicando con R0 la resistenza di radiazione dell'antenna trasmittente, dai valori delle tensioni, espresse in valori massimi, indicate in figura, e nota R0, si trova la potenza complessiva del segnale modulato in AM in funzione dell'indice di modulazione m:

++++ ====

==== ++++

++++

++++

====

++++

++++

====

0

p2 2 p2

2 2 p 2

0 p 2

0 p

0 p2 right left

p

AM

2 R 4

V m 4

V V m

R 2

2 mV R

2 2 mV R

2 P V

P

P

P

(6)

++++ ====

++++ ====

====

++++ ⋅⋅⋅⋅

==== ++++

++++

++++

====

0 p2 2 p2 0

p2 2 p2

0 p2 2 p2 2 p2 0

p2 2 p2 2 p2

R 4

V m V 2 R

8 V m 2 V 4 R 2

1 4

V m V m V 4 R

24

V m V m V 4

++++

++++ ====

⋅⋅⋅⋅

==== 2

1 m 2 P

m 2 R 2

V

2

p 2

0 p2

RENDIMENTO DI MODULAZIONE

Dalla formula appena ricavata si vede che la potenza del segnale modulato in AM cresce con il crescere dell'indice di modulazione m.

Si è visto anche che il segnale modulato è formato da tre righe spettrali di cui due, uguali, rappresentano il segnale modulato, cioè l'informazione, e la terza, la più intensa, rappresenta la portante che invece non porta alcuna informazione.

Da questa osservazione si deduce che la modulazione di ampiezza ha un basso rendimento informativo, nel senso che per trasmettere una sola delle due righe laterali, che da sola contiene tutta l'informazione, si è invece costretti a trasmettere altre due righe, di cui una, la portante, di potenza molto maggiore.

Il rendimento di modulazione si definisce dunque come il rapporto fra la potenza del segnale informativo trasmesso contenuto in una sola delle due righe laterali, diviso tutta la potenza che si deve trasmettere, che è costituita da tre righe:

= +

= +

+

=

+ +

=

=

2 4 4 2

2 2

2 2 2

2 2

2 2

2 2 2

2 2

2 2

2

2

2

0 2

0 0

2

2

0

p p

p

p p

p

p

p p

p

p

AM left

V V m

V m mV

V mV

mV

R mV R

mV R

V

R mV

P η P

((((

2 2

))))

2 2

2 2

2 2

m 2 2

m m

2 2 4

m 2

m 2 4

m 2

1 m 4 m

==== ++++

⋅⋅⋅⋅ ++++

++++ ====

====

++++

====

In questa formula, sostituendo i valori limite attribuibili ad m, cioè 0 ed 1, si ottengono i

valori minimo e massimo del rendimento:

(7)

(((( 2 m )))) (((( 2 2 0 0 )))) 0

2 m

2 2

2

====

==== ++++

==== ++++

ηηηη

(((( 2 m )))) (((( 2 2 1 1 )))) 2 1 3 6 1 0 , 17

2 m

2 2

2

==== ≅≅≅≅

==== ⋅⋅⋅⋅

==== ++++

==== ++++

ηηηη

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