Модулированные колебания. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Модулированные колебания - колебания, параметры к-рых (амплитуда, фаза, частота, длительность и т. п.) изменяются во времени. Это понятие распространяется и на колебания, параметры к-рых изменяются в пространстве, тогда говорят о пространственно модулированных колебаниях; в отличие от временных M. к. они могут быть дву- и трёхмерными. Далее всюду речь идёт только о колебаниях, модулированных во времени. Характер исходных (несущих) колебаний и законы их модуляции разнообразны: от простейших гармонических до хаотических. Это могут быть даже не колебательные, а, напр., импульсные сигналы с переменными длительностью, скважностью или другими характерными для импульсной модуляции параметрами.

Простейшим примером M. к., имеющим принципиальное значение для описания мн. физ. процессов и техн. приложений, является квазигармонич. M. к.:

где a(t) - мгновенная амплитуда, j(t) - полная фаза колебаний, w₀ = const - несущая частота, y(t) - фаза колебаний. Все эти величины вводят но аналогии с обычными гармонич. колебаниями, для к-рых a(t) = const и y(t) = const. B произвольном случае представление (1) неоднозначно: множеству пар a(t), f(t) соответствует одна и та же функция u(t), что затрудняет строгий анализ M. к. Обычно эту неоднозначность удаётся устранить и оперировать с амплитудами и фазами как с определ. параметрами M. к. В частности, одним из эвристич. способов устранения неоднозначности является введение дополнит. сигнала u(t), каждая фурье-составляющая к-рого сдвинута по фазе па p/2 относительно соответствующей фурье-составляющей осн. сигнала u(t)(преобразование Гильберта), что приводит к образованию т. н. аналитического сигнала:

амплитуда a(t)и фаза f(t) к-рого однозначно выражаются через u(t) и u(t):

Физически это соответствует мысленной замене осцилляторов ротаторами. Во мн. техн. устройствах, реализующих, напр., приём M. к., преобразование (2) используют как наиболее эфф. "средство" демодуляции.

Интерпретации M. к. как в исходной (1), так и в обобщённой (2) форме совпадают, если предположить медленность изменения функций a(t)и f(t) на протяжении периода T несущей частоты w₀ = 2p/T и пренебречь усреднённым вкладом высших составляющих спектра. Как правило, именно с таким квазигармонич. M. к. приходится иметь дело в технике.

Виды M. к. Итак, в определ. условиях [медленность изменения и (или) возможность доопределения] M. к. можно разделить на амплитудно-модулированные колебания (AMK) и фазомодулированные колебания (ФМК). Последние называют иногда также колебаниями с угл. модуляцией, выделяя среди них частотно-модулированные колебания (ЧМК) и собственно ФМК. Тем не менее, поскольку

точных критериев различения режимов, в к-рых w(t) = const, ^.y(t)

const и y(t) = const, w(t)

const, не существует. Поэтому при проведении такой классификации руководствуются скорее нек-рой "спектральной интуицией", а главное принципами реализации процессов модуляции и демодуляции в соответствующих техн. устройствах.

Здесь а₀ - пост. амплитуда несущего колебания (рис., a), s(t) - нормированный [обычно mах|s(t)| =1] модулирующий сигнал (рис., б), M- коэф. модуляции (см. Амплитудная модуляция ).Случай M << 1 соответствует слабомодулированным AMK (рис., в), M

1 - глубокомодулиров. AMK; сигналы с M > 1 наз. перемодулированными (рис., г). При использовании AMK в приёмопередающих системах (вещание, связь и т. п.) выбирают оптимальные (с точки зрения эфф. использования мощности передатчиков и нелинейных искажений формы AMK) значения M. Поскольку передаваемая информация равнозначно заключена в верхних и нижних боковых составляющих спектра AMK, то выгодно формировать и передавать информацию AMK с подавлением одной из групп боковых частот (полос). В этом случае получаются т.н. однополосные M. к., содержащие комбинацию AMK н ФМК, характерные для систем с частотным уплотнением канала передачи и высокой энерготич. эффективностью. Иногда используют частичное или полное подавление несущей компоненты с последующим её восстановлением в приёмной системе.

Квазигармонич. ФМК и ЧМК записывают в виде, аналогичном (4):

где K_фм, K_чм - коэф., характеризующие девиацию фа-за Df и частоты Dw (рис, д, е). В силу соотношения(3) ф-лы (5) и (6) взаимно связаны, что и позволяет счи-тать ЧМК разновидностью ФМК и наоборот.

Модулированные колебания: a - несущее (немодулированное) колебание; б - гармоническое модулирующее колебание; в - амплитудно-модулированное колебание; г - перемодулирован-чое колебание; д - фазо-модулированное колебание; е - частотно-модулированное колебание.

Спектры ФМК и ЧМК (см. Частотная модуляция, Фазовая модуляция)существенно сложнее спектра AMK даже в случае гармонич. модуляции и в значит. мере определяются значением индекса модуляции т = Dw/W, характеризующего отношение девиации частоты к частоте W модулирующего сигнала. При т >> 1 (а именно такие значения обычно используют в системах связи) ширина спектра ЧМК равна удвоенной девиации частоты 2Dw = 2mW, тогда как спектр AMK занимает полосу ширины 2W, т. е. в то раз меньшую. Причём для ЧМК девиация частоты пропорц. амплитуде модулирующего сигнала Dw_чм и не зависит от частоты W, а для ФМК, в силу (3), Dw_фм пропорциональна W. Большая "широкополосность" ЧМК и ФМК часто (но не всегда, исключение составляют, напр., случаи оптим. приёма) обусловливает их большую помехоустойчивость по сравнению с AMK.

Др. важными видами M. к., встречающимися в технике и природе, являются колебания, модулированные как по амплитуде, так и по фазе (частоте), а также импульсно-модулиров. колебания - последовательности импульсов с ВЧ-заполнением (см. Импульсная мо-дуляция).

Применения M. к. Фактически все сигналы, используемые в технике и возникающие в естеств. условиях, можно считать M. к. В технике связи, напр., модулирующие сигналы являются информационными, т. е. содержащими передаваемую информацию, тогда как несущее колебание, частота к-рого, как правило много больше ширины спектра информац. сигнала, обеспечивает более эфф. передачу этой информации на расстояние При этом огибающая AMK подвергается случайным изменениям и на трассе распространения и в приёмопередающей аппаратуре (т. е. обладает слабой помехозащищённостью, в особенности в области НЧ), поэтому применение AMK целесообразно там, где важна простота устройств связи и характер сообщения может не пострадать из-за отсутствия или искажения НЧ-компонент спектра. Так, в телевидении для передачи изображения используют однополосные AMK, а для передачи НЧ-спектра звукового сопровождения применяют более помехоустойчивые ЧМК. У ЧМК, однако более широкий спектр по сравнению с AMK, в особенности когда индекс модуляции выбран большим для ослабления действия помех и повышения точности передачи сообщения, что снижает эффективность использования рабочего диапазона частот при ограниченном числе каналов связи.

В радиолокации и радиоастрономии M. к. используют для обнаружения целей и определения их важнейших геом. (размеры, конфигурация) и физ. (температура, плотность, диэлектрич. проницаемость и т. п.) параметров. Для физ. сред характерно появление естеств. модуляции, возникающей при воздействии магн. или электрич полей на излучающие материальные среды (см Зеемана эффект, Штарка эффект); при рассеянии света на колебаниях кристаллич. решётки твёрдых тел (Мандельштама - Бриллюэна рассеяние)и т. д. Понятие естеств. модуляции распространяют также на волны. Так, напр., волновой пучок достаточной интенсивности может изменять параметры среды и, как следствие, модулировать свою плотность (см. Самофо-кисировка света). При распространении волн в нелинейных диспергирующих средах (жидкостях, плазме) возникает явление автомодуляции волн, связанное с разл. видами неустойчивости волн по отношению к НЧ-пространственно-временным возмущениям. Естеств модуляция находит практич. приложение в радио- и оптич. спектроскопии для диагностики параметров разнообразных сред; в нелинейной оптике для формирования мощных световых потоков; в акустике и др областях прикладной физики. Способы практич. реализации M. к. связаны, как правило, с нелинейными устройствами, параметры к-рых (в радиотехнике, напр., это ёмкость, сопротивление; в акустике - плотность, и т. п. ) можно изменять во времени в соответствии с законом модуляции. Техн. устройства, реализующие M. к., наз. модуляторами.

Литература по модулированным колебаниям

Знаете ли Вы, что cогласно релятивистской мифологии "гравитационное линзирование - это физическое явление, связанное с отклонением лучей света в поле тяжести. Гравитационные линзы обясняют образование кратных изображений одного и того же астрономического объекта (квазаров, галактик), когда на луч зрения от источника к наблюдателю попадает другая галактика или скопление галактик (собственно линза). В некоторых изображениях происходит усиление яркости оригинального источника." (Релятивисты приводят примеры искажения изображений галактик в качестве подтверждения ОТО - воздействия гравитации на свет)
При этом они забывают, что поле действия эффекта ОТО - это малые углы вблизи поверхности звезд, где на самом деле этот эффект не наблюдается (затменные двойные). Разница в шкалах явлений реального искажения изображений галактик и мифического отклонения вблизи звезд - 10¹¹ раз. Приведу аналогию. Можно говорить о воздействии поверхностного натяжения на форму капель, но нельзя серьезно говорить о силе поверхностного натяжения, как о причине океанских приливов.
Эфирная физика находит ответ на наблюдаемое явление искажения изображений галактик. Это результат нагрева эфира вблизи галактик, изменения его плотности и, следовательно, изменения скорости света на галактических расстояниях вследствие преломления света в эфире различной плотности. Подтверждением термической природы искажения изображений галактик является прямая связь этого искажения с радиоизлучением пространства, то есть эфира в этом месте, смещение спектра CMB (космическое микроволновое излучение) в данном направлении в высокочастотную область. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.