Grundlagen der Signalmodulation: Typen, Parameter und Techniken

Grundlagen der Signalmodulation und Übertragungstechniken

1. Was ist Modulation und Modulationstypen?

Die Modulation ist ein Prozess, bei dem die Zeitfunktion, die das Informationssignal beschreibt, mit einem anderen Signal, meist dem Träger, multipliziert wird.

Modulationstypen (Überblick)

• Amplitudenmodulation (AM): DSB-SC, AM, SSB
• Frequenzmodulation (FM): NBFM (Schmalband-FM), VBFM (Breitband-FM)
• Phasenmodulation (PM): Narrow Band (Schmalband), Breitband-VSB (Vestigial Sideband)

2. Wichtige Empfängerparameter

Selektivität

Misst die Fähigkeit des Empfängers, ein bestimmtes Frequenzband zu akzeptieren und andere Frequenzen abzulehnen.

Empfindlichkeit

Ist das minimale HF-Signal am Empfängereingang, das erkannt werden kann, um ein nützliches moduliertes Informationssignal zu erzeugen.

Dynamikbereich (Dynamic Range)

Ist der Unterschied in dB zwischen dem minimalen und dem maximalen Eingangssignal, ohne dass Verzerrungen auftreten.

Fidelität (Treue)

Es ist das Maß eines Kommunikationssystems, um am Empfängerausgang eine genaue Nachbildung des Originals-Signals ohne Verzerrung zu erzeugen.

Rauschmaß

Dieser Parameter misst die Leistung eines Kommunikationssystems in Gegenwart von Rauschen. Das gesamte Rauschmaß gibt an, wie viel Rauschen das System hinzufügt.

Ablehnungsfaktor (Rejection Factor)

Ist das Verhältnis zwischen der Bandbreite bei -60 dB und der Bandbreite bei -3 dB.

3. Spezielle Modulationstechniken

Was ist DSB-SC?

Doppelseitenbandmodulation mit unterdrücktem Träger (DSB-SC) ist eine Technik, bei der das Frequenzspektrum des Signals $f(t)$ übertragen wird, indem $f(t)$ mit einem Sinussignal multipliziert wird, dessen Frequenz der erforderlichen Verschiebung entspricht.

Synchron-Erkennung (Synchronous Detection)

Am Empfängereingang wird das Signal zunächst mit einer lokal erzeugten Sinuskurve multipliziert und gelangt dann durch einen Tiefpassfilter, dessen Bandbreite gleich der Nachrichtenbandbreite $\omega_m$ oder etwas größer ist. Angenommen, der lokale Oszillator (LO) ist sowohl in Phase als auch in Frequenz mit dem Träger synchronisiert, daher der Name Synchron-Erkennung.

4. Übertragungsarten

Art der Übermittlung

• Simplex-System: Informationen werden nur in eine Richtung gesendet und empfangen. Beispiel: Rundfunk.
• Halbduplex-System (Half-System): Es werden Informationen gesendet und empfangen, jedoch nicht gleichzeitig. Beispiel: Funkgeräte (Walkie-Talkie).
• Duplex-System: Senden und Empfangen von Informationen erfolgen gleichzeitig. Beispiel: Telefonie.

5. Analyse der Amplitudenmodulation (AM)

Warum ist die AM-Modulation linear?

Die AM-Modulation ist linear, da sie ein Multiplikationsprozess zwischen einem Informationssignal und einem Trägersignal ist. Dabei variiert die Amplitude des Trägers linear entsprechend den Schwankungen in der Höhe des modulierenden Signals.

Einseitenband (SSB) und deren Erzeugung

Die SSB-Modulation unterdrückt den Träger und eines der Seitenbänder, sodass nur ein Seitenband mit allen Informationen übertragen wird. Nach dem Empfang des SSB-Signals wird der Träger wieder eingesetzt, um das Signal zu demodulieren und das Informationssignal zurückzugewinnen.

Erzeugungsmethoden:

• Filter-Methode: Entfernung eines der Seitenbänder eines DSB-SC-Signals mithilfe eines geeigneten Bandpassfilters.
• Phasenverschiebungsmethode (Phase-Shift-Methode): SSB-Signale werden durch eine indirekte Methode zur Ableitung des Phasenspektrums erzeugt.

6. Frequenz- und Phasenmodulation (FM/PM)

Wie kann ein FM-Signal generiert werden?

FM-Signale können auf zwei Arten erzeugt werden:

• Indirekte FM: Zuerst wird das modulierende Signal $f(t)$ integriert und dann ein Trägersignal moduliert, um ein Schmalband-Phasensignal zu erzeugen. Anschließend wird häufig eine Multiplikation verwendet, um den Modulationsindex zu erhöhen. Dies basiert auf der einfachen Erzeugung von PM-Signalen.
• Direkte FM: Bei dieser Methode wird die Trägerfrequenz direkt durch das modulierende Signal variiert.

Grundlegende Unterschiede zwischen einem phasenmodulierten (PM) und einem frequenzmodulierten (FM) Signal

• Bei FM erscheinen Informationsänderungen in der Frequenzänderung $\omega_c(t)$.
• Bei PM erzeugen die Schwankungen des Informationssignals eine Phasenvariation.
• Zusätzlich ist der Modulationsindex bei AM direkt proportional zur Amplitude des modulierenden Signals und unabhängig von der Frequenz. Bei FM ist der Modulationsindex direkt proportional zur Amplitude des modulierenden Signals und umgekehrt proportional zur Frequenz.

Unterschiede zwischen Einseitenband (SSB) und Restseitenband (VSB)

Beim Einseitenbandsystem (SSB) wird eines der Bänder des DSB-SC durch ein geeignetes Bandpassfilter eliminiert. Bei einem Restseitenbandsystem (VSB) wird nicht vollständig ein Seitenband (wie bei USB) eliminiert, sondern es wird ein gradueller Abfall unterstützt.

Auswirkung der Modulationsrate auf die Sendeleistung (Winkelmodulation)

Die Erhöhung der Modulationsrate hat keine Auswirkung auf die Sendeleistung eines modulierten Signals bei Winkelmodulation, da die Sendeleistung von der Amplitude des Trägers abhängt.

Auswirkung der Trägerzunahme auf die Bandbreite eines FM-Signals

Die Bandbreite wird nicht vom Trägersignal beeinflusst, da sie von Index und Modulationsfrequenz abhängt.

Unterschiede zwischen Schmalband-FM und Breitband-FM

• Im Schmalband-FM (NBFM) wird viel weniger Information übertragen als im Breitband-FM (WBFM).
• Ein Schmalband-FM-Signal benötigt die Bandbreite $B_w = 2\omega_m$, während ein Breitband-FM eine größere Bandbreite, $B_w \approx 2n\omega_m$, aufweist (wobei $n$ der Modulationsindex ist).

7. Demodulation von AM-Signalen

Vorteile der Wiedereingliederung des Trägers bei der Rückgewinnung eines AM-Signals

Der Vorteil ist die Möglichkeit, einen Hüllkurvendetektor im Empfänger zu verwenden, um das Informationssignal $f(t)$ zu ermitteln.