Amplitude-modulatie
Principe van de amplitudemodulatie
AM
Servers » TechTalk » Historisch perspectief » Audio » Radio » Principe amplitudemodulatie

Principe van de amplitudemodulatie met een voorbeeldschakeling van een getransistoriseerde AM zender.
-

-


Draaggolf, audiosignaal en gemoduleerde draaggolf


Diode-caracteristiek
met als abscis de spanning U
en als ordinaat de stroom I

De output is een stroom
In een transistor kan de stroom
versterkt worden


Modulatie door middel van een diode
Het kan maar zo eenvoudig zijn...


Modulatie door middel van een transistor
Met een voedingsspanning van 12V hebben we een zendvermogen van 20mW


Afgestemde emitterkring


Afgestemde collectorkring
De ferrietstaaf dient als zendantenne


Modulatie door middel van een radiobuis

De bedoeling van de modulatie is het signaal dat we willen overbrengen "in te pakken" in een draaggolf. De draaggolf zorgt ervoor dat het signaal over een afstand verstuurd kan worden zonder teveel vervorming. Modulatie zal je overal terugvinden: radio, televisie, GSM,...: door een aparte draaggolf (andere frekwentie) te gebruiken voor ieder signaal die we willen overbrengen kunnen we achteraf de verschillende signalen uit elkaar halen.

Men zou de draaggolf kunnen vergelijken met een trein, terwijl de passagiers de informatie is die we willen overbrengen. Eenmaal op bestemming aangekomen stappen de passagiers uit de trein. Het instappen en uitstappen heet moduleren en demoduleren.

Een van de meest voorkomende modulatiemethodes is de amplitude-modulatie. De eerste radio-uitzendingen gebeurden met AM modulatie omdat het een eenvoudig systeem is (zowel bij het moduleren en demoduleren). AM wordt daarom nog altijd voorzien als back up op schepen en vliegtuigen.

Tegenwoordig zijn er niet meer zoveel zenders op de middengolf of lange golf (de radio-banden die voor AM gebruikt worden), maar AM wordt nog gebruikt als deel van een meer complexe modulatietechniek, zoals QAM (quadrature amplitude modulation) waarbij zowel de fase als de amplitude van het signaal gewijzigd wordt. Daardoor kan men meer informatie overbrengen dan met AM of met fase modulatie alléén.

We hebben dus twee signalen die we willen samenvoegen: bijvoorbeeld een audiosignaal (20 tot 5000Hz) en een draaggolf (bijvoorbeeld 1MHz). We kunnen ze niet superponeren (bij elkaar optellen), we moeten ze met elkaar vermenigvuldigen, zodat de amplitude van het audiosignaal de amplitude van de draaggolf beinvloedt. Hoe kunnen we dat doen? Door een component te gebruiken die een niet-lineaire caracteristiek heeft zoals een diode.

Modulatie door middel van een diode

Hoe werkt een diode? We tekenen daarvoor zijn caracteristieke curve. Bij een lage aangelegde spanning (bijvoorbeeld 0.4V) geleid de diode bijna niet. De diode gedraagt zich eigenlijk als een hoogohmige weerstand. Bij een hoge spanning (bijvoorbeeld 0.7V) geleid de diode sterk, de "weerstand" van de diode is gedaald.

Van dit effekt gaan we gebruik maken om de draaggolf te moduleren. We plaatsen eerst het audiosignaal op de diode via een weerstand (paarse lijn). Door een correcte polarisatie varieert het audiosignaal van 0.4V tot 0.7V. In een tabel geven we de spanning en de bijhorende stroom aan en berekenen we de weerstand van de diode.

SpanningStroomWeerstand
0.4V (audiosignaal negatief)0.1mA4kΩ
0.7V (audiosignaal positief)0.5mA1.4kΩ

We gaan nu de draaggolf van 1MHz bijvoegen (groene lijn). De amplitude van de draaggolf over de diode heeft bijvoorbeeld een amplitude van 0.1V. Bij een signaalspanning van 0.4V komt er dus 0.1V bij tot 0.5V, bij een signaalspanning van 0.7V komt er ook 0.1V bij, tot 0.8V.

Bij een draaggolf van 0.1V veranderd de stroom van 0.1mA tot 0.2mA als de signaalspanning 0.4V bedraagt en van 0.5mA tot 1mA bij een signaalspanning van 0.7V.

Spanning
Minimum
Spanning
Maximum
Stroom
Minimum
Stroom
Maximum
Dynamische
weerstand
0.4V0.5V0.1mA0.2mA1kΩ
0.7V0.8V0.5mA1.0mA200Ω
Modulatie draaggolf 0.1V

Het verschil tussen minimum en maximum-waarde van de spanning wordt veroorzaakt door de RF modulatie die we op de signaalspanning superponeren. Het verschil in stroom kan men moeilijk gebruiken in praktische schakelingen, maar men kan wel het verschil in dynamische weerstand gebruiken (het stroomverschil zal men echer wel gebruiken bij transistorschakelingen). De dynamische weerstand van de diode bepaald hoe sterk de draaggolf zal verzwakt worden.

Veronderstel dat de groene weerstand 1kΩ bedraagt. Bij een lage audiospanning wordt de draaggolf dus ongeveer tot 50% gereduceerd (1kΩ / 1kΩ), bij een hoge audiospanning wordt de draaggolf tot ongeveer 20% gereduceerd (1kΩ / 200Ω).

De draaggolf wordt dus min of meer gereduceerd naargelang het audiosignaal, de diode gedraagt zich als een regelbare weerstand waarvan de loper verloopt naargelang de audio.

De diode-modulator wordt enkel in specifieke toepassingen gebruikt: er ontstaat een sterke vervorming (kruismodulatie die harmonischen veroorzaken) en een groot deel van het vermogen gaat verloren. Op het einde van de pagina (als u zover geraakt) staat er een toepassing van een diodemodulator.

Modulatie door middel van een transistor

Maar een transistor heeft ook een niet lineaire karacteristiek (het bestaat uit twee diodes). Concreet gebruiken we de niet-lineaire caracteristiek van de emitter-basis diode, waardoor er een niet-proportionele stroom door de junktie gaat lopen. De transistor versterkt lineair de emitter-basisstroom: dit vormt de collectorstroom. Een transistor heeft eigenlijk ook twee ingangen, je kan een spanning op de basis of de emitter aanleggen.

Het voordeel van de transistor is zijn eigen versterking, maar ook zijn twee ingangen, waardoor beide signalen elkaar minder storen (kruismodulatie).

We leggen het audiosignaal aan de basis en de modulatie aan de emitter. Waarom niet omgekeerd? Het kan ook, maar de schakeling zal beter werken met de modulatie op de emitter. De transistor heeft namelijk een relatief hoge inwendige capaciteit tussen basis en collector (zeker bij vermogenstransistoren). Deze capaciteit vormt bijna een kortsluiting tussen base (ingang van het hoogfrekwent signaal) en collector (uitgang). Bij de veel lagere audiofrekwenties speelt de capaciteit niet zo'n grote rol.

We bespreken dus de schakeling:

  • Massa en voedingsspanning (bijvoorbeeld 12V)

  • Audio ingang op de basis (paars), dit kan bijvoorbeeld het koptelefoonsignaal van een MP-3 speler zijn, waarbij beide ingangen (R en L) opgeteld worden door middel van twee weerstanden van 15Ω.

  • Radiofrekwente ingang op de emitter (groen), zie lager voor meer details

  • Voor de correcte polarisatie gebruiken we een emitterweerstand van 1kΩ. Deze weerstand zal het gelijkspanningswerkpunt stabiliseren. De weerstand is met een condensator van 10nF overbrugd, de waarde ervan kan gebracht worden naar 10µF indien de modulatie door het audiosignaal onvoldoende is.

  • In de emitterkring hebben we ook nog een afgestemde kring. Deze zorgt voor een meer lineaire werking door harmonischen van de draaggolf te onderdrukken. Voor de laagfrekwente signalen gedraagt de spoel zich als een kortsluiting.

    Door het laagohmig pad tussen emitter en massa gedraagt de schakeling zich als een schakeling met gemeenschappelijke emitter voor het audiosignaal.

  • De polarisatie gebeurt op klassieke wijze met twee weestanden, één van 5.6kΩ naar massa en één van 6.8kΩ naar de voedingsspanning.

  • Dan hebben we nog een condensator van 1nF tussen basis en massa.
    Die condensator vormt een kortsluiting voor het RF signaal en zorgt ervoor dat de transistor als een schakeling met gemeenschappelijke basis werkt voor de draaggolf.

  • De uitgang is in feite een ferrietstaaf, waarvan we een afgestemde kring maken door een extra condensator te voorzien. Danzij de afgestemde kring worden de harmonischen beter onderdrukt. De harmonische ontstaan altijd bij de modulatie en die moeten onderdrukt worden, anders zou de zender werken op 1MHz (grondfrekwentie), maar ook op 2MHz, 3MHz, enz.

Onze transistor versterkt alles, dus het audiosignaal, de draaggolf en de mengprodukten. Deze componenten zou je tegenkomen als je de stroom door de collector zou meten. Het audiosignaal wordt echter kortgesloten door de spoel van de ferrietstaaf. De draaggolf hebben we nodig bij AM (de draaggolf wordt onderdrukt bij bepaalde toepassingen (SSB: single side band) omdat die geen "informatie" overbrengt en enkel vermogen verbruikt). Het is om de mengprodukten te doen. Door een zorgvoldige keuze van de transistorinstelling kan men een versterking > 1 bekomen (de gemoduleerde draaggolf heeft een amplitude groter dan de draaggolf).


Signaal op de oscilloscoop

Boven het audiosignaal, onder de gemoduleerde draaggolf. De modulatie bedraagt nagenoeg 100%. Radiozenders vermijden normaal zo'n hoge modulatie-index te gebruiken omdat daardoor de vervorming bij de detectie van het signaal toeneemt.

Vanwaar komt eigenlijk het RF signaal (radiofrekwent)?
We kunnen een goedkope kristaloscillator van 1MHz in de vorm van een module kopen. Met deze frekwentie zitten we midden in de middengolfband. Deze kleine modules werken op 5V en leveren een TTL-compatibele uitgangssignaal. De afgestemde kring in de emitter van onze transistormodulator zorgt ervoor dat van de blokgolf een sinussignaal gemaakt wordt. De ingangsweerstand moet instelbaar zijn.

Opgelet, de waarden in de schema met transistor zijn berekend voor een frekwentie van 630kHz en de condensatoren van de afstemkringen moeten in waarde verlaagd worden.

Modulatie door middel van een radiobuis

Modulatie kan ook gebeuren met buizen. Radiobuizen werden zeer lang gebruikt in zendstations vanwege hun betrouwbare werking (ze kunnen hoge spanningspieken verdragen, bijvoorbeeld bij blikseminslag). Radiobuizen hebben echter een meer lineair verloop, waardoor de modulatieprodukten veel te zwak zijn. Bij buizen gebruikt men een andere modulatietechniek, namelijk anodemodulatie.

De draaggolf wordt aan de rooster aangelegd, het is niet belangrijk welk soort buis er gebruikt wordt, vaak gebruikt men beam tetrodes (tétrode à flux dirigé). De anode voert de versterkte draaggolf. Maar de voedingsspanning van de anode wordt gemoduleerd door het audiosignaal, waardoor ook de versterking van de buis gaat veranderen. Men heeft hier ook een modulatiesysteem bekomen.

De modulatie door de anode levert een signaal met zeer weinig vervorming, maar het audiosignaal moet zeer sterk zijn om de anodespanning voldoende te kunnen moduleren. Het audiosignaal moet een vermogen leveren van 50% van het zendvermogen bij 100% modulatie.

De transformator die gebruikt moet worden om de anodestroom te moduleren moet een hoog vermogen kunnen leveren en moet een voldoende bandbreedte hebben (audio bandbreedte). Dergelijke transformatoren zijn niet goedkoop.

De zendbuis werkt meestal in classe C, de buis is enkel in geleiding tijdens een heel korte periode, waarbij er kortstondig een hoge stroom geleverd wordt. Met een versterker in classe C bekomt men een hoog rendement (meer dan 90%), terwijl het rendement van een versterker in classe A nooit boven de 50% kan.

De buis moet gevolgd worden door één of meerdere afgestemde kringen om de stroomstoten om te zetten in een oscillatie. Anders gaat er heelwat zendvermogen verloren in harmonischen.

Kleinere zenders gebruiken een rooster-modulatie, waarbij het RF signaal aangelegd wordt op de eerste rooster en het versterkt audiosignaal aan de tweede rooster (schermrooster). Echte knutselaars zoals ik hebben zeker een radiozender gebouwd met een PL504 of PL509 (afkomstig van de lijneindtrap van een oude televisie). Men kan heel gemakkelijk een zendvermogen van dertig watt bekomen, lees de volgende pagina's.

Bij de rooster-modulatie moet het audiosignaal niet zo sterk zijn. Men kan ook de eigenschappen van de radiobuis optimaal benutten (google: "carrier controlled modulator"), waarbij de zender op relatief laag vermogen werkt bij een zwak audiosignaal, en veel sterker gaat werken als het audiosignaal sterker wordt. Zo'n type modulatie werd oorspronkelijk gebruikt op de korte golfband, maar het gebruik is nu ook toegelaten op de middengolf.

Lees verder over de realisatie van een AM zender.

Toepassing van een diode-modulatie

En om af te sluiten gaan we nog toepassing van de diode als modulator vermelden. Tijdens de tweede oorlog gebruikten de geallieerden de magnetron in hun radars (zie toepassing van de radar in de tweede wereldoorlog). Daardoor konden de radars op een veel hogere frekwentie werken, en zo een kleinere antenne gebruiken (wat belangrijk was in vliegtuigen). De resolutie van de radar was ook verbeterd, zodat de vliegtuigen de onderzeeboten konden detecteren zelfs als enkel de periscoop boven water uitstak.

De duitsers hadden (toen) geen magnetron, en hadden ook geen buizen die de hoge frekwenties die door de radar gebruikt werden konden versterken. Ze konden dus onmogelijk detecteren dat ze geraakt werden door radarsignalen. Maar een vliegtuig uitgerust met een magnetron stortte neer in de buurt van Rotterdam. De magnetron werd gebruikt om een detectiesysteem te bouwen.

Onderzoek naar de magnetron werd op bevel van Hitler stopgezet, maar de duitsers hadden dringend een systeem nodig om de radarsignalen van de geallieerden te detecteren. Een puntcontactdiode kan hier als modulator dienen: het antennesignaal en een zwak radiofrekwent signaal wordt aan de diode aangelegd.

Uit de mengprodukten ontstaat er onder andere een lagere frekwentie (de "beat" tussen het antennesignaal en het signaal van de lokale oscillator). Deze lagere frekwentie kon wél versterkt worden door de toen beschikbare buizen.

Als de radarverklikker in werking trad, dan wist de bemanning dat de onderzeeboot geraakt werd door de radiogolven van een geallieerde radar. Omdat slechts een klein deel van het signaal teruggekaatst wordt naar het vliegtuig heeft de onderzeeboot voldoende tijd om te duiken. De radardetector was echter niet betrouwbaar omdat die zeer snel gebouwd moest worden. De detector was ook onderhevig aan de slechte weersomstandigheden, waardoor die in het algemeen niet goed werkte.

Rechts: een puntcontactdiode zoals gebruikt in de radarverklikker. De huidige radarverklikkers gebruiken een gelijkaardig systeem: een kleine antenne, een oscillator, een mengdiode en een versterker die de radarpulsen versterkt.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's