К основным видам аналоговой модуляции относятся амплитудная модуляция (AM), фазовая модуляция (ФМ) и частотная модуляция (ЧМ). Разновидностями AM являются балансная (БМ) и однополосная (ОМ) модуляции.
Непосредственная передача. Наиболее простым сигналом для передачи непрерывного сообщения u(t) является сигнал, пропорциональный u(t):
s(t)=Au(t), (3.3)
где А — некоторая постоянная. Такой сигнал соответствует форме (3.1), если в ней положить f(t)=A и М [u(t)]=u(t). Примером такой непосредственной передачи сообщений является обычная телефонная связь по проводам.
Амплитудная модуляция. Для этого вида модуляции: f(t)=
,![]()
где т — коэффициент модуляции.
Модулированный сигнал запишется
(3.4)
Это выражение даёт представление реального AM сигнала ![]()
Спектр сигнала в общем случае определяется как преобразование Фурье от s(t):
![]()
Учитывая, что
и ![]()
получим
(3.5)
где
— спектр передаваемого сообщения. Отсюда видно, что при AM происходит перенос спектра сообщения на частоту
(рис. 3.16). Ширина спектра сигнала F при AM в два раза шире спектра сообщения Fm:
При модуляции одним тоном, когда
u(t)=
,
(3.6)
Из этого выражения следует, что амплитуда модулированного сигнала изменяется от
до
, а мощность сигнала соответственно от
до ![]()
Где
мощность несущего колебания. Средняя мощность AM сигнала равна:

При m=l
и Pcp=1,5PH; отношение средней мощности к максимальной равно 0,375. "Эти соотношения указывают на существенный недостаток амплитудной модуляции — плохое использование мощности передатчика.
Балансная модуляция (БМ). Кроме обычной AM применяется передача AM без несущей — балансная модуляция. Для этого вида модуляции:
f(t)=
,
(3.7)
тогда
(3.8)
![]()
Спектр сигнала при БМ
(3.9)
Здесь имеются только две боковые полосы — несущая отсутствует.
При однополосной модуляции (ОМ) передается только одна боковая полоса. Для этого вида модуляции при передаче верхней боковой полосы:
f(t)=
,
(3.10)
(3.11)
![]()
Спектр сигнала ОМ
(3.12)
Действительно, если разложить функции u(t) и
(t) в ряд Фурье:
![]()
и учесть, что cosx; и sinx являются парой преобразования Гильберта, по получим
![]()
Такое представление является аналитическим для всех
>0. Замена модуляционной функции
[u(t)] на сопряженную ей
*[u(t)]=u(t)-i
(t) дает форму сигнала s(t), соответствующую нижней боковой полосе.
Системы БМ и ОМ позволяют сократить бесполезный расход энергии на составляющую несущей частоты, а при ОМ дополнительно вдвое сократить ширину спектра передаваемого сигнала. Однако реализация указанных преимуществ требует более сложной аппаратуры.
Угловая модуляция. В случае угловой модуляции (ЧМ и ФМ) модуляционная функция имеет вид
(3.13)
При синусоидальной несущей f(t)=
модулированный сигнал будет иметь следующее выражение:
(3.1 4)
Реальный сигнал
(3.15)
Это обычное представление сигнала с угловой модуляцией. Согласно (3.15) полная фаза высокочастотного колебания равна:
(3.16)
а мгновенная частота колебания изменяется по закону производной от
, т. е.
(3.17)
Наоборот, при изменении частоты по закону ω(t) (3.17) фаза колебания ψ(t) будет изменяться по закону интеграла от ω(t):
(3.18)
В случае фазовой модуляции
. Тогда на основании (3.15) и (3.16) имеем:
(З.19)
(3.20)
При частотной модуляции по закону передаваемого сообщения изменяется частота несущего колебания
(3.21)
где
— амплитуда частотного отклонения (девиация частоты). Полная фаза колебания при этом будет равна:
(3.22)
Тогда выражение ЧМ сигнала запишется в виде
(3.23)
При модуляции одним тоном, когда и (t)=cosΩt, выражения сигнала при ФМ и ЧМ по форме имеют одинаковый вид:
(3.24)
![]()
где т — индекс модуляции: при ФМ
при ЧМ ![]()
Для определения спектра сигнала заменим в (3.24) косинус суммы двух углов по известным формулам из тригонометрии
(3.25)
Здесь для упрощения записи мы положим
=0. Из теории бесселевых функций известны следующие соотношения:
(3.26)
(3.27)
где
— бесселева функция первого рода k-гo порядка от аргумента т. После подстановки (3.26) и (3.27) в (3.25) получаем
(3.28)
Таким образом, оказывается, что даже при синусоидальных ЧМ и ФМ получается теоретически безграничный спектр. Он состоит из несущей ω0 и двух боковых полос
. Амплитуда несущей А010(т) при ЧМ и ФМ. в отличие от AM, зависит от модулирующего колебания. При некоторых значениях т она может быть вообще равна нулю (т =2,3; 5,4). Амплитуда боковых частот равна
. Однако практически ширина спектра ЧМ и ФМ сигналов ограничена.

Рис. 3.2. Спектр сигнала с угловой модуляцией
На рис. 3.2 приведен спектр сигнала с угловой модуляцией одним тоном при m=5. Как видим, амплитуды боковых частот быстро убывают с увеличением номера гармоники k. При k>m составляющие спектра малы и ими можно пренебречь. Практически ширина спектра сигнала при угловой модуляции равна F=2(m+l)Fm, где Fт=
частота модулирующего колебания.
Различие между ЧМ и ФМ проявляется только при изменении частоты модуляции Ω. При ЧМ т=
, поэтому при m>>1 полоса
практически не зависит от Fm. При ФМ
b
при m>>1 ширина спектра будет равна F=2ΔφfmFm т. е. она зависит от модулирующей частоты Fm. В этом и состоит различие в спектрах ЧМ и ФМ.
В случае малого индекса модуляции спектр ЧМ и ФМ сигналов, так же как и в случае AM, имеет только три составляющие:
(3.29)
Это непосредственно следует из (3.28), если учесть, что при m<<l sin (msinΩt)
msinΩt, а cos (msinΩt)
1.
Сравнение (3.6) и (3.29) показывает, что различие спектров сигналов при AM и угловой модуляции заключается только в сдвиге фазы колебания нижней боковой частоты на 180° относительно его положения при AM. Это различие существенно и иллюстрируется векторными диаграммами, изображенными на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Векторные диаграммы: AM сигнала (а), ЧМ сигнала (ш<1) (б)
Однополосная угловая модуляция. Если функция
— аналитическая:
![]()
то сигнал
(3.30)
также является аналитической функцией при
. Он не содержит отрицательных частот, хотя и имеет бесконечный спектр в области положительных частот:
(3.31)
Выражение (3.30) определяет новый модулированный сигнал. Этот сигнал представляет собой вариант сигнала однополосной угловой модуляции. Для доказательства этого рассмотрим случай частотной модуляции одним тоном u(t)=sinΩt. Для этого случая функция φ(t) и ее преобразование Гильберта принимают вид:
![]()
Где
индекс модуляции. Модулирующая функция при этом преобразуется к виду
, а модулированный сигнал ![]()
Отсюда видно, что спектр модулированного сигнала состоит из одной боковой полосы частот. Сигнал однополосной ЧМ можно получить из обычного ФМ сигнала путем преобразования Гильберта (например, посредством фазового сдвига на
) и модуляции амплитуды по экспоненциальному закону. Тогда ограничение такого сигнала в приемнике восстановит нижнюю боковую полосу частот и позволит применить для детектирования обычный дискриминатор.