Sách điện thông tin/Truyền tin viễn liên/Sóng phát thanh AM

Điều chế biên độ - AM

Hình 1: Một tín hiệu âm thanh (phía trên) có thể được mang bởi một sóng vô tuyến AM hoặc FM (điều biên màu đỏ, điều tần màu xanh)

Điều chế biên độ (hay còn gọi là điều biên, tiếng Anh: Amplitude Modulation, viết tắt là "AM") là một kỹ thuật được sử dụng trong điện tử viễn thông, phổ biến nhất là dùng để truyền thông tin qua một sóng mang vô tuyến. Kỹ thuật này là thay đổi biên độ của tín hiệu sóng mang theo biên độ của tín hiệu thông tin cần gửi đi, hay nói cách khác là điều chế sóng mang bằng biên độ theo tín hiệu mang tin. Ví dụ, thay đổi cường độ tín hiệu có thể được dùng để phản ánh các âm thanh được tái tạo lại bởi một người nói, hoặc để xác định độ chói của các điểm ảnh truyền hình. (Trái ngược với điều biên là điều tần, cũng thường được sử dụng để truyền âm thanh, trong đó tần số truyền được thay đổi; và điều pha thường được sử dụng trong điều khiển từ xa, trong đó pha của tín hiệu sóng mang được thay đổi)

Vào giữa những năm 1870, một dạng điều biên—ban đầu được gọi là "những dòng gợn"—là phương pháp đầu tiên thành công tạo âm thanh chất lượng tốt qua các đường dây điện thoại. Bắt đầu với các thuyết minh âm thanh của Reginald Fessenden vào năm 1906, nó cũng là phương pháp đầu tiên được sử dụng cho đài phát thanh, và ngày nay vẫn được sử dụng cho nhiều hình thức viễn thông—"AM" thường được dùng để chỉ dải sóng quảng bá là dải sóng trung (xem vô tuyến AM).

Ví dụ: điều chế biên độ biên kép

Hình 2: Phổ của một tín hiệu AM (2 biên).

Sóng dẩn

$c(t)=C\cdot \sin(\omega _{c}t+\phi _{c}),\,$ có tần số sóng (Hz) được tính:  $\omega _{c}/(2\pi ).\,$

Sóng âm thanh

$m(t)=M\cdot \cos(\omega _{m}t+\phi ).\,$

Sóng phát thanh AM

$y(t)=c(t)+m(t)$

Với tổng quát, $C\,$ và $\phi _{c}\,$ là các hằng số tùy ý biểu diễn cho pha ban đầu và biên độ sóng mang. Để đơn giản, ta thiết lập các giá trị tương ứng với $C\,$ bằng 1 và $\phi _{c}\,$ bằng 0. Do đó, thông tin có thể chỉ là một tín hiệu âm thanh đơn giản của tần số  $\omega _{m}/(2\pi ).\,$ . Thông thường  $\omega _{m}\ll \omega _{c}\,$  và  $\min[m(t)]=-M.\,$

Sau đó tín hiệu điều chế biên độ được tạo ra bằng cách nhân tín hiệu mang tin và tín hiệu sóng mang:

$y(t)\,$	$=[A+m(t)]\cdot c(t),\,$
	$=[A+M\cdot \cos(\omega _{m}t+\phi )]\cdot \sin(\omega _{c}t).$

$A\,$ biểu diễn hằng số khác ta có thể chọn. Giá trị A=1, và M=0.5, kết quả là tín hiệu y(t) được mô tả bằng phổ tín hiệu trên miền tần số với "mức điều chế 50%" ở hình 4.

Hình 4: Độ sâu điều chế

Với thí dụ đơn giản này, y(t) có thể được biểu diễn dưới dạng lượng giác tương đương sau:

$y(t)=A\cdot \sin(\omega _{c}t)+{\begin{matrix}{\frac {M}{2}}\end{matrix}}\left[\sin((\omega _{c}+\omega _{m})t+\phi )+\sin((\omega _{c}-\omega _{m})t-\phi )\right].\,$

Do đó, tín hiệu được điều chế có 3 thành phần, thành phần tần số sóng mang và hai thành phần tần số biên tần (sóng hình sin) có tần số lớn hơn và nhỏ hơn  $\omega _{c}.\,$

Chú ý rằng việc chọn A=0 sẽ loại trừ thành phần sóng mang, nhưng các dải biên vẫn còn. Đây là kiểu truyền DSBSC. Để tạo ra sóng mang đầy đủ và hai dải biên (A3E), ta phải chọn:  $A\geq M.\,$

Để được thêm các dạng tổng quát của m(t), dạng lượng giác là chưa đủ. Nhưng nếu đồ thị trên của hình 2 miêu tả phổ tần số của m(t), thì đồ thị dưới mô tả sóng mang được điều chế. Nó có hai nhóm: một ở tần số dương (0 $+\omega _{c}$) và một tại tần số âm (0 $-\omega _{c}$). Mỗi nhóm gồm hai dải biên và một thành phần hẹp ở giữa biểu diễn năng lượng tại tần số sóng mang. Ta chỉ cần quan tâm đến tần số dương. Tần số âm là thành phần toán học không chứa thông tin thêm. Vì vậy, ta thấy rằng phổ của một tín hiệu AM bao gồm cơ bản là phổ gốc (2 biên) dịch lên tần số sóng mang.

Đối với biến đổi toán học của hình 2, nó là kết quả của việc tính toán biến đổi Fourier của:   $[A+m(t)]\cdot \sin(\omega _{c}t),\,$ sử dụngcasc cặp biến đổi sau:

${\begin{aligned}m(t)\quad {\stackrel {\mathcal {F}}{\Longleftrightarrow }}&\quad M(\omega )\\\sin(\omega _{c}t)\quad {\stackrel {\mathcal {F}}{\Longleftrightarrow }}&\quad i\pi \cdot [\delta (\omega +\omega _{c})-\delta (\omega -\omega _{c})]\\A\cdot \sin(\omega _{c}t)\quad {\stackrel {\mathcal {F}}{\Longleftrightarrow }}&\quad i\pi A\cdot [\delta (\omega +\omega _{c})-\delta (\omega -\omega _{c})]\\m(t)\cdot \sin(\omega _{c}t)\quad {\stackrel {\mathcal {F}}{\Longleftrightarrow }}&{\frac {1}{2\pi }}\cdot \{M(\omega )\}*\{i\pi \cdot [\delta (\omega +\omega _{c})-\delta (\omega -\omega _{c})]\}\\=&{\frac {i}{2}}\cdot [M(\omega +\omega _{c})-M(\omega -\omega _{c})]\end{aligned}}$

Hình 3: ảnh phổ của một chương trình quảng bá AM gồm 2 dải biên (màu xanh) ở giữa là tín hiệu sóng mang (màu đỏ).

Dưới dạng tần số dương, băng thông truyền dẫn của AM gấp hai lần băng thông tín hiệu gốc (dải biên)—các dải biên của tần số dương và âm đều được dịch lên tần số sóng mang. Do đó, DSB-AM (điều biên với sóng mang đầy đủ và hai dải biên) là không hiệu quả, vì chỉ có vài đài phát thành có thể được cấp dải tần hoạt động trong dải tần số quảng bá được cấp trước. Các phương pháp triệt sóng mang khác nhau trong các dạng điều chế biên độ đã sử dụng để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và phổ. Với dạng điều biên triệt sóng mang sẽ không có việc tập trung phần lớn năng lượng ở thành phần trung tâm của phổ. Hiệu quả sử dụng năng lượng máy phát của DSB-AM tương đối thấp (khoảng 33%). Nhưng lợi ích của kiểu điều chế này là máy thu rẻ, dễ sản xuất, dễ dàng lọc được thông tin từ tín hiệu thu được. Các dạng AM triệt sóng mang có hiệu quả sử dụng năng lượng có thể đạt đến 100%, do đó không phí năng lượng trên sóng mang nhưng lại không mang thông tin.

Chỉ số điều chế (Hệ số điều chế)

Như với các chỉ số điều chế khác, trong AM, chỉ số này cũng còn được gọi là độ sâu điều chế, hệ số điều chế. Đối với AM, nó liên quan đến sự biến thiên trong biên độ sóng mang và nó được xác định bằng:

$h={\frac {\mathrm {peak\ value\ of\ } m(t)}{A}}={\frac {M}{A}},$   ở đây $M\,$ và $A\,$ được nói đến ở phần trên. Peak value of m(t) - giá trị đỉnh của m(t).

Nếu $h=0.5$, biên độ sóng mang biến thiên 50% trên và dưới mức không điều chế, và với $h=1.0$ nó biến thiên 100%. Để tránh méo dạng tín hiệu và hiện tượng quá điều chế trong chế độ truyền A3E, độ sâu điều chế phải thỏa mãn h <= 1. Các hệ thống máy phát thực tế sẽ kết hợp sử dụng một số mạch giới hạn, như mạch VOGAD, để đảm bảo tránh méo.

Mức độ biến thiên của các tín hiệu điều chế với tỷ lệ điều chế khác nhau được chỉ ra bên dưới. Trong mỗi hình, biên độ cực đại cao hơn so với hình trước đó.

Hình 4: Độ sâu điều chế