Amplitudenmodulation - Amplitude modulation

Animation von Audio-, AM- und FM-modulierten Trägern.
Abbildung 1: Ein Audiosignal (oben) kann mit AM- oder FM-Methoden von einem Trägersignal übertragen werden.

Amplitudenmodulation ( AM ) ist eine Modulationstechnik , die in der elektronischen Kommunikation verwendet wird, am häufigsten zur Übertragung von Nachrichten mit einer Funkwelle . Bei der Amplitudenmodulation wird die Amplitude (Signalstärke) der Trägerwelle proportional zu der des Nachrichtensignals, beispielsweise eines Audiosignals, variiert . Diese Technik steht im Gegensatz zur Winkelmodulation , bei der entweder die Frequenz der Trägerwelle variiert wird, wie bei der Frequenzmodulation , oder ihre Phase , wie bei der Phasenmodulation .

AM war das früheste Modulationsverfahren, das zur Übertragung von Audio im Rundfunk verwendet wurde. Es wurde im ersten Viertel des 20. Jahrhunderts Anfang an mit entwickelt Roberto Landell de Moura und Reginald Fessenden ‚s Sprechfunk Diese ursprüngliche Form AM manchmal Experimente im Jahr 1900 wird als Zweiseitenband - Amplitudenmodulation ( DSBAM ), da die Standard - Methode erzeugt Seitenbänder auf beiden Seiten der Trägerfrequenz. Die Einseitenbandmodulation verwendet Bandpassfilter, um eines der Seitenbänder und möglicherweise das Trägersignal zu eliminieren, was das Verhältnis der Nachrichtenleistung zur Gesamtsendeleistung verbessert, die Leistungshandhabungsanforderungen von Leitungsverstärkern verringert und eine bessere Bandbreitennutzung des Übertragungsmediums ermöglicht.

AM bleibt im Einsatz in vielen Formen der Kommunikation zusätzlich zu AM - Rundfunk : Kurzwellenradio , Amateurfunk , Zweiweg-Radios , UKW - Flugfunk , CB-Funk und in Computer - Modem in Form von QAM .

Formen

In der Elektronik und Telekommunikation , Modulationsmittel einen Aspekt eines variierenden kontinuierlichen Wellenträgersignal mit einem informationstragenden Modulationswellenform, wie beispielsweise ein Audiosignal , das Ton darstellt, oder ein Videosignal , das Bilder darstellt. In diesem Sinne ist die Trägerwelle, die eine viel höhere Frequenz als das Nachrichtensignal hat, trägt die Information. An der Empfangsstation wird das Nachrichtensignal durch Demodulation aus dem modulierten Träger extrahiert .

Bei der Amplitudenmodulation wird die Amplitude bzw. Stärke der Trägerschwingungen variiert. Beispielsweise wird bei der AM-Funkkommunikation die Amplitude eines Dauerstrich-Hochfrequenzsignals (eine sinusförmige Trägerwelle ) vor der Übertragung durch eine Audiowellenform moduliert. Die Audiowellenform modifiziert die Amplitude der Trägerwelle und bestimmt die Hüllkurve der Wellenform. Im Frequenzbereich erzeugt die Amplitudenmodulation ein Signal, dessen Leistung auf die Trägerfrequenz und zwei benachbarte Seitenbänder konzentriert ist . Jedes Seitenband hat die gleiche Bandbreite wie das Modulationssignal und ist ein Spiegelbild des anderen. Standard-AM wird daher manchmal als "Doppelseitenband-Amplitudenmodulation" (DSBAM) bezeichnet.

Ein Nachteil aller Amplitudenmodulationstechniken, nicht nur der Standard-AM, besteht darin, dass der Empfänger Rauschen und elektromagnetische Störungen im gleichen Verhältnis zum Signal verstärkt und erkennt . Eine Erhöhung des empfangenen Signal-Rausch-Verhältnisses , beispielsweise um den Faktor 10 (eine Verbesserung um 10 Dezibel ), würde daher eine Erhöhung der Sendeleistung um den Faktor 10 erfordern. Dies steht im Gegensatz zu Frequenzmodulation (FM) und Digitalradio wobei die Wirkung eines solchen Rauschens nach der Demodulation stark reduziert wird, solange das empfangene Signal deutlich über der Empfangsschwelle liegt. Aus diesem Grund wird AM-Rundfunk nicht für Musik- und High-Fidelity- Sendungen bevorzugt , sondern eher für Sprachkommunikation und Übertragungen (Sport, Nachrichten, Talkradio usw.).

AM ist auch im Stromverbrauch ineffizient; mindestens zwei Drittel der Leistung sind im Trägersignal konzentriert. Das Trägersignal enthält keine der übertragenen Originalinformationen (Sprache, Video, Daten usw.). Sein Vorhandensein bietet jedoch ein einfaches Mittel zur Demodulation unter Verwendung der Hüllkurvenerkennung , die eine Frequenz- und Phasenreferenz liefert, um die Modulation aus den Seitenbändern zu extrahieren. Bei einigen auf AM basierenden Modulationssystemen ist eine geringere Sendeleistung durch teilweises oder vollständiges Eliminieren der Trägerkomponente erforderlich, Empfänger für diese Signale sind jedoch komplexer, da sie ein präzises Trägerfrequenz-Referenzsignal (normalerweise verschoben auf die Zwischenfrequenz) liefern müssen ) von einem stark reduzierten "Pilot"-Träger (bei trägerreduzierter Übertragung oder DSB-RC) zur Verwendung im Demodulationsprozess. Selbst wenn der Träger bei der Zweiseitenband-Übertragung mit unterdrücktem Träger vollständig eliminiert ist, ist eine Trägerregeneration unter Verwendung einer Costas-Phasenregelschleife möglich . Dies funktioniert bei Einseitenband-Suppressed-Carrier-Übertragung (SSB-SC) nicht, was bei leichten Verstimmungen zu dem charakteristischen "Donald Duck"-Sound solcher Empfänger führt. Einseitenband-AM wird dennoch häufig im Amateurfunk und in anderen Sprachkommunikationen verwendet, da es Leistungs- und Bandbreiteneffizienz aufweist (wodurch die HF-Bandbreite im Vergleich zu Standard-AM halbiert wird). Im Mittelwellen- und Kurzwellenrundfunk hingegen ermöglicht Standard-AM mit dem vollen Träger den Empfang mit preiswerten Empfängern. Der Sender übernimmt die zusätzlichen Stromkosten, um das potenzielle Publikum stark zu erhöhen.

Eine zusätzliche Funktion, die der Träger beim Standard-AM bietet, die jedoch bei der Übertragung mit unterdrücktem Träger im Ein- oder Zweiseitenband verloren geht, besteht darin, dass er eine Amplitudenreferenz liefert. Im Empfänger reagiert die automatische Verstärkungsregelung (AGC) auf den Träger, so dass der wiedergegebene Audiopegel in einem festen Verhältnis zur ursprünglichen Modulation bleibt. Andererseits gibt es bei trägerunterdrückten Übertragungen während Pausen in der Modulation keine Sendeleistung, so dass die AGC auf Spitzen der gesendeten Leistung während Spitzen in der Modulation reagieren muss. Dies beinhaltet typischerweise eine sogenannte Fast Attack, Slow Decay- Schaltung, die den AGC-Pegel für eine Sekunde oder länger nach solchen Spitzen zwischen Silben oder kurzen Pausen im Programm hält. Dies ist für Kommunikationsfunkgeräte sehr akzeptabel, bei denen die Komprimierung des Audios die Verständlichkeit unterstützt. Es ist jedoch absolut unerwünscht für Musik- oder normale Rundfunkprogramme, wo eine originalgetreue Wiedergabe des Originalprogramms einschließlich seiner unterschiedlichen Modulationsstufen erwartet wird.

Eine einfache Form der Amplitudenmodulation ist die Übertragung von Sprachsignalen von einem herkömmlichen analogen Telefongerät unter Verwendung einer gemeinsamen batteriebetriebenen Teilnehmerschleife. Der von der Vermittlungsamtsbatterie bereitgestellte Gleichstrom ist ein Träger mit einer Frequenz von 0 Hz, der von einem Mikrofon ( Sender ) im Telefongerät entsprechend dem akustischen Signal aus dem Mund des Sprechers moduliert wird . Das Ergebnis ist ein Gleichstrom mit variierender Amplitude, dessen Wechselstromkomponente das Sprachsignal ist, das bei der Vermittlungsstelle zur Übertragung an einen anderen Teilnehmer extrahiert wird.

Eine einfache Form der digitalen Amplitudenmodulation, die zum Übertragen von Binärdaten verwendet werden kann, ist die Ein -Aus-Umtastung , die einfachste Form der Amplitudenumtastung , bei der Einsen und Nullen durch das Vorhandensein oder Fehlen eines Trägers dargestellt werden. On-Off-Keying wird ebenfalls von Funkamateuren verwendet, um Morse-Code zu übertragen , wobei dies als Dauerstrichbetrieb (CW) bekannt ist, obwohl die Übertragung nicht streng "kontinuierlich" ist. Eine komplexere Form von AM, die Quadraturamplitudenmodulation, wird jetzt häufiger mit digitalen Daten verwendet, während die verfügbare Bandbreite effizienter genutzt wird.

ITU-Bezeichnungen

1982 bezeichnete die Internationale Fernmeldeunion (ITU) die Arten der Amplitudenmodulation:

Bezeichnung Beschreibung
A3E Doppelseitenband ein Vollträger - das grundlegende Amplitudenmodulationsschema
R3E Einseitenband- reduzierter Träger
H3E Einseitenband -Vollträger
J3E einseitenbandunterdrückter träger
B8E unabhängige Seitenbandemission
C3F Überbleibsel-Seitenband
Lincompex verbundener Kompressor und Expander (ein Untermodus eines der oben genannten ITU-Emissionsmodi)

Geschichte

Einer der rohen AM-Sender mit Vorvakuumröhre, ein Telefunken- Bogensender von 1906. Die Trägerwelle wird durch 6 Lichtbögen in den vertikalen Röhren erzeugt, die an einen Schwingkreis angeschlossen sind . Die Modulation erfolgt durch das große Carbonmikrofon (Kegelform) im Antennenkabel.
Einer der ersten Vakuumröhren- AM-Radiosender, gebaut von Meissner 1913 mit einer frühen Triodenröhre von Robert von Lieben. Er verwendete es in einer historischen 36 km (24 Meilen) langen Sprachübertragung von Berlin nach Nauen, Deutschland. Vergleichen Sie seine geringe Größe mit dem obigen Sender.

Obwohl AM Ende des 19. Jahrhunderts in einigen groben Experimenten in der Multiplex-Telegraphen- und Telefonübertragung verwendet wurde, ist die praktische Entwicklung der Amplitudenmodulation gleichbedeutend mit der Entwicklung zwischen 1900 und 1920 der " Funktelefon " -Übertragung, dh dem Bemühen, Ton zu senden ( Audio) durch Funkwellen. Die ersten Funksender, sogenannte Funkenstreckensender , übermittelten Informationen per drahtloser Telegraphie , indem sie Trägerwellenimpulse unterschiedlicher Länge verwendeten, um Textnachrichten im Morsecode zu buchstabieren . Sie konnten kein Audio übertragen, weil der Träger aus gedämpften Wellen bestand , Funkwellen, die auf Null sanken, die wie ein Summen in den Empfängern klangen. Tatsächlich waren sie bereits amplitudenmoduliert.

Kontinuierliche Wellen

Die erste AM-Übertragung wurde vom kanadischen Forscher Reginald Fessenden am 23. Dezember 1900 unter Verwendung eines Funkenstreckensenders mit einem speziell entwickelten Hochfrequenz-10-kHz- Unterbrecher über eine Entfernung von 1,6 km auf Cobb Island, Maryland, USA, durchgeführt. Seine ersten übertragenen Worte waren: "Hallo. Eins, zwei, drei, vier. Schneit es bei Ihnen, Herr Thiessen?". Die Worte waren über dem Hintergrundsummen des Funkens kaum verständlich.

Fessenden war maßgeblich an der Entwicklung des AM-Radios beteiligt. Er war einer der ersten Forscher, der aus Experimenten wie dem obigen erkannte, dass die bestehende Technologie zur Erzeugung von Radiowellen, der Funkensender, nicht für die Amplitudenmodulation geeignet ist, und dass eine neue Art von Sendern, die sinusförmige kontinuierliche Wellen erzeugten, , wurde benötigt. Dies war damals eine radikale Idee, denn Experten glaubten, der impulsive Funke sei notwendig, um Hochfrequenzwellen zu erzeugen, und Fessenden wurde lächerlich gemacht. Er erfand und half mit, einen der ersten Dauerstrichsender zu entwickeln - den Alexanderson-Generator , mit dem er am Heiligabend 1906 die erste öffentliche AM-Unterhaltungssendung machte. Er entdeckte auch das Prinzip, auf dem AM basiert, die Überlagerung und erfand einen der ersten Detektoren Lage zu korrigieren und AM, den elektrolytischen Detektor oder „liquid baretter“, 1902. Anderen Funk Detektoren für drahtlose Telegraphie erfunden, wie beispielsweise den Empfang Fleming Ventil (1904) und der Kristalldetektor (1906) haben auch bewiesen , in der Lage, AM-Signale zu korrigieren, so dass die technologische Hürde darin bestand, AM-Wellen zu erzeugen; Sie zu bekommen war kein Problem.

Frühe Technologien

Frühe Experimente zur AM-Funkübertragung, die von Fessenden, Valdemar Poulsen , Ernst Ruhmer , Quirino Majorana , Charles Herrold und Lee de Forest durchgeführt wurden , wurden durch das Fehlen einer Technologie zur Verstärkung behindert . Die ersten praktischen AM- Sender mit kontinuierlicher Welle basierten entweder auf dem riesigen, teuren Alexanderson-Generator , entwickelt 1906-1910, oder auf Versionen des Poulsen-Bogensenders (Lichtbogenwandler), der 1903 erfunden wurde sehr schlechte Audioqualität. Die Modulation wurde normalerweise durch ein Kohlemikrofon erreicht, das direkt in die Antenne oder das Erdungskabel eingefügt wurde; sein veränderlicher Widerstand veränderte den Strom zur Antenne. Die begrenzte Belastbarkeit des Mikrofons schränkte die Leistung der ersten Funktelefone stark ein; viele der Mikrofone waren wassergekühlt.

Vakuumröhren

Die Entdeckung der Verstärkungsfähigkeit der Audion-Röhre im Jahr 1912, die 1906 von Lee de Forest erfunden wurde , löste diese Probleme. Der 1912 von Edwin Armstrong und Alexander Meissner erfundene Vakuumröhren- Rückkopplungsoszillator war eine billige Quelle für kontinuierliche Wellen und konnte leicht zu einem AM-Sender moduliert werden . Die Modulation musste nicht am Ausgang erfolgen, sondern konnte auf das Signal vor der Endverstärkerröhre angewendet werden, sodass das Mikrofon oder eine andere Audioquelle kein Hochleistungsradiosignal modulieren musste. Die Kriegsforschung hat die Kunst der AM-Modulation stark vorangetrieben, und nach dem Krieg führte die Verfügbarkeit billiger Röhren zu einem starken Anstieg der Zahl von Radiosendern, die mit AM-Übertragung von Nachrichten oder Musik experimentierten. Die Vakuumröhre war verantwortlich für den Aufstieg des AM-Rundfunks um 1920, dem ersten elektronischen Massenkommunikationsmedium . Amplitudenmodulation war praktisch der einzige Typ, der für den Rundfunk verwendet wurde, bis der UKW-Rundfunk nach dem Zweiten Weltkrieg begann.

Zur gleichen Zeit, als das AM-Radio begann, entwickelten Telefongesellschaften wie AT&T die andere große Anwendung für AM: das Senden mehrerer Telefonanrufe über eine einzige Leitung, indem sie auf separate Trägerfrequenzen moduliert wurden , genannt Frequenzmultiplex .

Einseitenband

John Renshaw Carson führte 1915 die erste mathematische Analyse der Amplitudenmodulation durch und zeigte, dass ein Signal und eine Trägerfrequenz, die in einem nichtlinearen Gerät kombiniert werden, zwei Seitenbänder auf beiden Seiten der Trägerfrequenz erzeugen würden und das Durchleiten des modulierten Signals durch ein anderes nichtlineares Gerät die ursprüngliches Basisbandsignal. Seine Analyse zeigte auch, dass nur ein Seitenband erforderlich war, um das Audiosignal zu übertragen, und Carson patentierte am 1. Dezember 1915 die Einseitenbandmodulation (SSB). Diese fortschrittlichere Variante der Amplitudenmodulation wurde von AT&T ab dem 7. Januar 1927 für den transatlantischen Langwellen- Telefondienst übernommen Nach dem 2. Weltkrieg wurde es vom Militär für die Flugzeugkommunikation entwickelt.

Analyse

Darstellung der Amplitudenmodulation

Die Trägerwelle ( Sinuswelle ) der Frequenz f c und der Amplitude A wird ausgedrückt durch

.

Das Nachrichtensignal, beispielsweise ein Audiosignal, das zum Modulieren des Trägers verwendet wird, ist m ( t ) und hat eine Frequenz f m , die viel niedriger als f c ist :

,

wobei m die Amplitudenempfindlichkeit ist, M die Amplitude der Modulation. Wenn m < 1, ist (1 + m(t)/A) immer positiv für Untermodulation. Wenn m > 1 ist, tritt eine Übermodulation auf und die Rekonstruktion des Nachrichtensignals aus dem übertragenen Signal würde zu einem Verlust des ursprünglichen Signals führen. Amplitudenmodulation ergibt sich, wenn der Träger c(t) mit der positiven Größe (1 + m(t)/A) multipliziert wird :

In diesem einfachen Fall ist m identisch mit dem unten diskutierten Modulationsindex . Mit m = 0,5 entspricht das amplitudenmodulierte Signal y ( t ) somit dem oberen Graphen (mit "50% Modulation" bezeichnet) in Abbildung 4.

Unter Verwendung von Prosthaphaerese-Identitäten kann gezeigt werden , dass y ( t ) die Summe von drei Sinuswellen ist:

Daher hat das modulierte Signal drei Komponenten: die Trägerwelle c(t), deren Frequenz unverändert ist, und zwei Seitenbänder mit Frequenzen etwas oberhalb und unterhalb der Trägerfrequenz f c .

Spektrum

Diagramme eines AM-Signals mit Formeln
Abbildung 2: Doppelseitige Spektren von Basisband- und AM-Signalen.

Ein nützliches Modulationssignal m(t) ist normalerweise komplexer als eine einzelne Sinuswelle, wie oben behandelt. Durch das Prinzip der Fourier-Zerlegung kann m(t) jedoch als Summe einer Menge von Sinuswellen verschiedener Frequenzen, Amplituden und Phasen ausgedrückt werden. Führt man die Multiplikation von 1 + m(t) mit c(t) wie oben durch, besteht das Ergebnis aus einer Summe von Sinuswellen. Auch hier ist der Träger c(t) unverändert vorhanden, aber jede Frequenzkomponente von m bei f i hat zwei Seitenbänder bei den Frequenzen f c + f i und f c – f i . Die Ansammlung der erstgenannten Frequenzen oberhalb der Trägerfrequenz wird als oberes Seitenband bezeichnet, und die darunter liegenden bilden das untere Seitenband. Die Modulation m(t) kann als eine gleiche Mischung positiver und negativer Frequenzkomponenten betrachtet werden, wie oben in Abbildung 2 gezeigt. Man kann die Seitenbänder so betrachten, dass die Modulation m(t) einfach in der Frequenz um f c wie unten rechts in Abbildung 2 dargestellt.

Sonogramm eines AM-Signals, das den Träger und beide Seitenbänder vertikal zeigt
Abbildung 3: Das Spektrogramm einer AM-Sprachübertragung zeigt die beiden Seitenbänder (grün) auf beiden Seiten des Trägers (rot) im zeitlichen Verlauf in vertikaler Richtung.

Das kurzzeitige Modulationsspektrum, das sich beispielsweise bei einer menschlichen Stimme ändert, der Frequenzinhalt (horizontale Achse) kann wie in Abbildung 3 als Funktion der Zeit (vertikale Achse) aufgetragen werden wenn sich der Inhalt der Modulationsfrequenz ändert, wird ein oberes Seitenband entsprechend den oberhalb der Trägerfrequenz verschobenen Frequenzen erzeugt, und der gleiche Inhalt wird im unteren Seitenband unterhalb der Trägerfrequenz gespiegelt. Zu allen Zeiten bleibt der Träger selbst konstant und von größerer Leistung als die gesamte Seitenbandleistung.

Leistungs- und Spektrumeffizienz

Die HF-Bandbreite einer AM-Übertragung (siehe Abbildung 2, jedoch nur unter Berücksichtigung positiver Frequenzen) ist doppelt so groß wie die Bandbreite des modulierenden (oder " Basisband ") Signals, da das obere und untere Seitenband um die Trägerfrequenz herum jeweils eine genauso große Bandbreite haben als höchste Modulationsfrequenz. Obwohl die Bandbreite eines AM-Signals schmaler ist als bei Verwendung von Frequenzmodulation (FM), ist sie doppelt so breit wie bei Einseitenbandtechniken ; es kann daher als spektral ineffizient angesehen werden. Innerhalb eines Frequenzbandes können somit nur halb so viele Übertragungen (oder "Kanäle") untergebracht werden. Aus diesem Grund verwendet das analoge Fernsehen eine Variante des Einseitenbands (sogenanntes Restseitenband , ein gewisser Kompromiss in Bezug auf die Bandbreite), um den erforderlichen Kanalabstand zu reduzieren.

Eine weitere Verbesserung gegenüber Standard-AM wird durch Reduzierung oder Unterdrückung der Trägerkomponente des modulierten Spektrums erreicht. In Abbildung 2 ist dies die Spitze zwischen den Seitenbändern; selbst bei voller (100%) Sinusmodulation ist die Leistung in der Trägerkomponente doppelt so hoch wie in den Seitenbändern, sie trägt jedoch keine eindeutige Information. Somit besteht ein großer Effizienzvorteil beim Reduzieren oder vollständigen Unterdrücken des Trägers, entweder in Verbindung mit der Eliminierung eines Seitenbands ( Einseitenband-Übertragung mit unterdrücktem Träger ) oder mit beiden verbleibenden Seitenbändern ( Doppelseitenband-unterdrückter Träger ). Während diese unterdrückten Trägerübertragungen hinsichtlich der Sendeleistung effizient sind, erfordern sie komplexere Empfänger, die eine synchrone Erfassung und Regeneration der Trägerfrequenz verwenden. Aus diesem Grund wird Standard-AM weiterhin weit verbreitet verwendet, insbesondere bei der Rundfunkübertragung, um die Verwendung kostengünstiger Empfänger mit Hüllkurvenerkennung zu ermöglichen . Auch (analoges) Fernsehen mit (weitgehend) unterdrücktem unteren Seitenband enthält ausreichend Trägerleistung für die Verwendung der Hüllkurvenerkennung. Aber für Kommunikationssysteme, bei denen sowohl Sender als auch Empfänger optimiert werden können, stellt die Unterdrückung sowohl eines Seitenbands als auch des Trägers einen Nettovorteil dar und wird häufig verwendet.

Eine in AM-Rundfunksendern weit verbreitete Technik ist eine Anwendung des Hapburg-Trägers, der erstmals in den 1930er Jahren vorgeschlagen wurde, aber mit der damals verfügbaren Technologie nicht praktikabel war. Während Perioden geringer Modulation würde die Trägerleistung reduziert und würde während Perioden hoher Modulationspegel zur vollen Leistung zurückkehren. Dies hat die Wirkung, den Gesamtleistungsbedarf des Senders zu reduzieren und ist bei Sprachprogrammen am effektivsten. Ab Ende der 80er Jahre werden von den Senderherstellern verschiedene Handelsnamen für die Implementierung verwendet.

Modulationsgrad

Der AM-Modulationsindex ist ein Maß basierend auf dem Verhältnis der Modulationsausschläge des HF-Signals zum Pegel des unmodulierten Trägers. Es ist somit definiert als:

wobei und die Modulationsamplitude bzw. die Trägeramplitude sind; die Modulationsamplitude ist die (positive oder negative) Spitzenänderung der HF-Amplitude gegenüber ihrem unmodulierten Wert. Der Modulationsindex wird normalerweise als Prozentsatz ausgedrückt und kann auf einem an einen AM-Sender angeschlossenen Messgerät angezeigt werden.

Wenn also die Trägeramplitude um 50% über (und unter) ihres unmodulierten Pegels variiert, wie in der ersten Wellenform unten gezeigt. Für variiert sie um 100 %, wie in der Abbildung darunter gezeigt. Bei 100% Modulation erreicht die Wellenamplitude manchmal Null, dies stellt eine Vollaussteuerung mit Standard AM dar und ist oft ein Ziel (um ein möglichst hohes Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten ), darf aber nicht überschritten werden. Eine Erhöhung des Modulationssignals über diesen Punkt hinaus, bekannt als Übermodulation , führt zum Versagen eines Standard-AM-Modulators (siehe unten), da die negativen Ausschläge der Wellenhülle nicht kleiner als Null werden können, was zu einer Verzerrung ("Clipping") der empfangenen Modulation führt . Sender enthalten typischerweise eine Begrenzerschaltung , um eine Übermodulation zu vermeiden, und/oder eine Kompressorschaltung (insbesondere für Sprachkommunikationen), um für maximale Verständlichkeit über dem Rauschen immer noch eine Modulation von 100 % zu erreichen. Solche Schaltungen werden manchmal als Vogad bezeichnet .

Es ist jedoch möglich, von einem Modulationsindex von mehr als 100 % zu sprechen, ohne eine Verzerrung einzuführen, im Fall einer Übertragung mit reduziertem Träger im Zweiseitenband . In diesem Fall führen negative Auslenkungen über Null hinaus zu einer Umkehrung der Trägerphase, wie in der dritten Wellenform unten gezeigt. Dies kann nicht unter Verwendung der effizienten Hochpegel-(Ausgangsstufen-)Modulationstechniken (siehe unten) erzeugt werden, die insbesondere in Hochleistungs- Rundfunksendern weit verbreitet sind . Vielmehr erzeugt ein spezieller Modulator eine solche Wellenform auf einem niedrigen Pegel, gefolgt von einem linearen Verstärker . Darüber hinaus ist ein Standard-AM-Empfänger, der einen Hüllkurvendetektor verwendet, nicht in der Lage, ein solches Signal richtig zu demodulieren. Vielmehr ist eine synchrone Erkennung erforderlich. Somit wird Doppelseitenbandübertragung im Allgemeinen nicht als "AM" bezeichnet, obwohl sie eine identische HF-Wellenform wie Standard-AM erzeugt, solange der Modulationsindex unter 100% liegt. Solche Systeme versuchen häufiger eine radikale Reduzierung des Trägerpegels im Vergleich zu den Seitenbändern (wo die Nutzinformationen vorhanden sind) bis zu dem Punkt einer Doppelseitenbandübertragung mit unterdrücktem Träger, wo der Träger (idealerweise) auf Null reduziert wird. In all diesen Fällen verliert der Begriff "Modulationsindex" seinen Wert, da er sich auf das Verhältnis der Modulationsamplitude zu einer eher kleinen (oder null) verbleibenden Trägeramplitude bezieht.

Diagramme, die veranschaulichen, wie die Signalverständlichkeit mit dem Modulationsindex zunimmt, jedoch nur bis zu 100 % bei Standard-AM.
Abbildung 4: Modulationstiefe. Im Diagramm hat der unmodulierte Träger eine Amplitude von 1.

Modulationsverfahren

Anoden-(Platten-)Modulation. Die Platten- und Schirmgitterspannung einer Tetrode wird über einen Audiotransformator moduliert. Der Widerstand R1 stellt die Gittervorspannung ein; sowohl der Eingang als auch der Ausgang sind Schwingkreise mit induktiver Kopplung.

Modulationsschaltungsdesigns können als Low- oder High-Level klassifiziert werden (je nachdem, ob sie in einem Niedrigleistungsbereich – gefolgt von einer Verstärkung für die Übertragung – oder im Hochleistungsbereich des übertragenen Signals modulieren).

Low-Level-Generierung

In modernen Funksystemen werden modulierte Signale über digitale Signalverarbeitung (DSP) erzeugt. Mit DSP sind viele AM-Typen mit Softwaresteuerung möglich (einschließlich DSB mit Träger, SSB-unterdrückter Träger und unabhängiges Seitenband oder ISB). Berechnete digitale Abtastwerte werden mit einem Digital-Analog- Umsetzer in Spannungen umgewandelt , typischerweise bei einer Frequenz, die niedriger als die gewünschte HF-Ausgangsfrequenz ist. Das analoge Signal muss dann in der Frequenz verschoben und auf die gewünschte Frequenz und Leistung linear verstärkt werden (lineare Verstärkung muss verwendet werden, um Modulationsverzerrungen zu vermeiden). Diese Low-Level-Methode für AM wird in vielen Amateurfunk-Transceivern verwendet.

AM kann auch auf niedrigem Niveau erzeugt werden, indem analoge Verfahren verwendet werden, die im nächsten Abschnitt beschrieben werden.

Generation auf hohem Niveau

High-Power - AM - Sender (wie diejenigen , für die verwendeten AM - Rundfunk ) basieren auf hocheffiziente Klasse-D und die Klasse-E - Leistungsverstärker Stufen, moduliert durch die Versorgungsspannung variiert.

Ältere Designs (für Rundfunk und Amateurfunk) erzeugen auch AM, indem sie die Verstärkung des Endverstärkers des Senders (im Allgemeinen Klasse-C, aus Effizienzgründen) steuern. Die folgenden Typen sind für Vakuumröhrentransmitter (aber ähnliche Optionen sind mit Transistoren verfügbar):

Plattenmodulation
Bei der Plattenmodulation wird die Plattenspannung des HF-Verstärkers mit dem Audiosignal moduliert. Der Audioleistungsbedarf beträgt 50 Prozent der HF-Trägerleistung.
Heising (Konstantstrom) Modulation
Die Plattenspannung des HF-Verstärkers wird durch eine Drossel (hochwertige Induktivität) gespeist . Die AM-Modulationsröhrenplatte wird durch dieselbe Induktivität gespeist, sodass die Modulatorröhre den Strom vom HF-Verstärker ableitet. Die Drossel wirkt im Audiobereich als Konstantstromquelle. Dieses System hat eine geringe Energieeffizienz.
Steuergittermodulation
Die Betriebsspannung und die Verstärkung des letzten HF-Verstärkers können durch Variieren der Spannung des Steuergitters gesteuert werden. Diese Methode erfordert wenig Audioleistung, aber es muss darauf geachtet werden, dass Verzerrungen reduziert werden.
Klemmrohr (Schirmgitter) Modulation
Die Schirm-Gitter-Vorspannung kann durch eine Klemmröhre gesteuert werden , die die Spannung entsprechend dem Modulationssignal reduziert. Es ist schwierig, sich mit diesem System einer 100-prozentigen Modulation zu nähern und gleichzeitig eine geringe Verzerrung beizubehalten.
Doherty-Modulation
Eine Röhre liefert die Leistung unter Trägerbedingungen und eine andere arbeitet nur für positive Modulationsspitzen. Die Gesamteffizienz ist gut und die Verzerrung ist gering.
Outphasing-Modulation
Zwei Röhren werden parallel betrieben, jedoch teilweise phasenverschoben. Da sie differentiell phasenmoduliert sind, ist ihre kombinierte Amplitude größer oder kleiner. Die Effizienz ist gut und die Verzerrung gering, wenn sie richtig eingestellt ist.
Pulsweitenmodulation (PWM) oder Pulsdauermodulation (PDM)
An der Rohrplatte ist eine hocheffiziente Hochspannungsversorgung angelegt. Die Ausgangsspannung dieser Versorgung wird mit einer Audiorate variiert, um dem Programm zu folgen. Dieses System wurde von Hilmer Swanson entwickelt und verfügt über eine Reihe von Variationen, die alle eine hohe Effizienz und Klangqualität erreichen.
Digitale Methoden
Die Harris Corporation hat ein Patent für die Synthese einer modulierten Hochleistungsträgerwelle aus einem Satz digital ausgewählter Niederleistungsverstärker erhalten, die mit derselben Trägerfrequenz in Phase laufen. Das Eingangssignal wird von einem herkömmlichen Audio-Analog-Digital-Wandler (ADC) abgetastet und einem digitalen Exciter zugeführt, der die Gesamtausgangsleistung des Senders durch Ein- und Ausschalten einer Reihe von Halbleiter-HF-Verstärkern mit geringer Leistung moduliert. Der kombinierte Ausgang treibt das Antennensystem.

Demodulationsverfahren

Die einfachste Form des AM-Demodulators besteht aus einer Diode, die als Hüllkurvendetektor konfiguriert ist . Ein anderer Demodulatortyp, der Produktdetektor , kann eine Demodulation mit besserer Qualität mit zusätzlicher Schaltungskomplexität bereitstellen.

Siehe auch

Verweise

Literaturverzeichnis

  • Newkirk, David und Karlquist, Rick (2004). Mischer, Modulatoren und Demodulatoren. In DG Reed (Hrsg.), The ARRL Handbook for Radio Communications (81. Aufl.), S. 15.1–15.36. Newington: ARRL. ISBN  0-87259-196-4 .

Externe Links