Amplitudenmodulation

Einführung

Amplitudenmodulation (AM) ist ein Modulationsverfahren. Dabei wird die Amplitude des Trägersignals durch das zu übertragende Signal beeinflusst. Die Amplitudenmodulation ist gegenüber Störungen relativ anfällig. Treten Schwankungen der Empfangsfeldstärke auf, äußert sich dies in Lautstärkeänderungen beim Empfänger. Bezogen auf den Rundfunkempfang hat die Amplitudenmodulation den Vorteil, leistungssparend zu sein. Gegenüber der Frequenzmodulation wird der Träger bei leisen Stellen nicht mit voller Amplitude übertragen. Die Amplitudenmodulation ist eine sehr einfache Modulationsart und schaltungstechnisch sowohl bei der Modulation als auch bei der Demodulation sehr einfach zu beherrschen.

Modulation

Datei:Am sender.png

Abb. 1: Sender mit Amplitudenmodulation

Wie in Abb. 1 zu sehen, erzeugt ein HF-Generator oder –Oszillator die Trägerfrequenz. Im Falle der Mittelwelle wären das zum Beispiel 1600 KHz. Die HF-Trägerfrequenz wird einem AM-Modulator zugeführt. An diesem Modulator ist ein NF-Verstärker samt Mikrofon oder ähnliches angeschlossen. Der Modulator addiert die beiden Frequenzen, verzerrt das Ergebnis an einem Bauelement mit nichtlinearer Kennlinie, wie zum Beispiel eine Diode, Triode oder Transistor und gibt wiederum dieses Ergebnis an einen Bandpass weiter. Die dadurch entstandene AM-Signal geht zu einem HF-Verstärker und dann zur Senderendstufe wo die AM an einer Antenne abgestrahlt wird.

Abb. 2: Überlagerung von Träger- und Informationssignal

Wie oben beschrieben, ist der erste Schritt zur Erzeugung eines AM-Signals die Addition des Trägersignals u_T und des Informationssignals u_i. Eine einfache Schaltung dazu zeigt Abb. 2. Wie man sieht braucht man dazu nur 2 Generatoren, die in Reihe geschalten sind. In der Praxis ist es ein [HF]-[Oszillator] und ein NF-Verstärker samt Mikrofon oder anderer NF-Quelle. Die Spannungsabfälle der Generatoren addieren sich dabei zu u_T+i (Überlagerung). Die Diagramme in Abb. 2 zeigen die Diagramme zeigen u_T, u_i und das Ergebnis u_T+i. Im Diagramm u_T+i ist noch mal zur Veranschaulichung u_i grün eingezeichnet.

Abb. 3: Einfacher Diodenmodulator

Der zweite Schritt ist, u_T+i an ein Bauelement mit gekrümmter Kennlinie zu geben. Einen einfachen Diodenmodulator zeigt dazu die Schaltung in Abb. 3, wo die Wechselspannung u_T+i an die Anode einer Diode gegeben wird. Um später ein einwandfreies AM-Signal zu erhalten muss vorher der Arbeitspunkt der Diode mit R1 so eingestellt werden, dass die Diode gerade so leitfähig ist (Schwellspannung). Das bedeutet, dass der Arbeitspunkt am unteren Ende der Kennlinie liegt. Es fließt daher ein geringer Diodenstrom I_D. C1 dient zur Abblockung der Diodenvorspannung, damit diese nicht rückwärts in den HF-Generator fließt. Über C1 fließt die Spannung u_T+i in die Diode, wodurch der Arbeitspunkt im Takte von u_T+i an der gekrümmten Kennlinie hoch- und runtergeschoben wird. Durch die Änderung des Arbeitspunktes ändert sich auch I_D. Man kann sagen I_D ist die Funktion von u_T+i, wobei die Funktion durch die Kennlinie der Diode dargestellt wird (I_D=f(u_T+i)). I_D erzeugt dabei einen Spannungsabfall an R2 (u_R2), welcher proportional zu I_D ist. Das Ergebnis der Verzerrung mit dem neuen Bezugspunkt, gekennzeichnet als blauer Sinus, zeigt das u_R2-Diagramm. Daraus ist zu erkennen, dass u_R2 einen Gleichspannungsanteil besitzt. Dieser kommt daher, weil durch die Arbeitspunkteinstellung immer ein geringer Diodengleichstrom I_D fließt, welcher einen Gleichspannungsabfall an R2 erzeugt. Der Gleichspannungsabfall addiert sich somit mit u_R2. Um ein AM-Signal zu erhalten, muss u_R2 noch auf ein Bandpass gegeben werden, welcher die Gleichspannung und durch die Modulation hervorgerufene unerwünschte Frequenzanteile abblockt. Das u_AM-Diagramm zeigt das fertige AM-Signal. Rot gekennzeichnet ist das Informationssignal u_i, welches die Amplitude das Trägers beeinflusst. Das Informationssignal ist jedoch zweimal vorhanden. Einmal beeinflusst es die Amplitude der positiven Halbwellen des Trägersignals und einmal die Negativen. Vergleicht man das u_T-Diagramm in Abb. 2 mit dem AM-Signal in Abb 3, so stellt man fest, dass die Trägeramplitude während der positiven Amplitude von u_i teilweise größer ist, als beim Träger ohne Modulation.

Eine wichtige Kenngröße der Amplitudenmodulation ist der Modulationsgrad m. Er gibt das Verhältnis von maximaler Größe der Änderung der Amplitude des Trägers zur Größe des unmodulierten Trägers an.

Bei einer normalen Amplitudenmodulation muss ein Modulationsgrad größer 1 vermieden werden. In diesem Fall fände eine Übermodulation statt, im Träger gäbe es eine Phasendrehung.(ωsignal darf nie größer als 1/2m werden!) Dies würde bedeuten, dass die erkennbare Signallinie die x-Achse kreuzen würde. Dieses Signal wäre nicht mehr mit oben beschriebener einfacher Methode zu demodulieren.

Im Spektrum betrachtet hat ein amplitudenmoduliertes Signal, welches nur einen Sinus überträgt, den Träger sowie zwei Seitenschwingungen mit dem Abstand der Signalfrequenz vom Träger: f_T+f_S und f_T-f_S. Siehe: Fourieranalyse. Wird Musik oder Sprache übertragen, spricht man auch von Seitenbändern.

Die Bandbreite einer AM beträgt das Doppelte der höchsten Signalfrequenz. Änderungen der Signalfrequenz bewirken eine Änderung der Frequenz der Seitenschwingungen, Änderungen der Amplitude bewirken eine Änderung der Amplitude der Seitenschwingungen.

Das Bild 2 zeigt eine Amplitudenmodulation im Spektrum. Die y-Achse gibt die Amplitudenhöhe an, die x-Achse die Frequenz. Zuerst ist das unmodulierte Signal mit den Punkten f_Smin und f_Smax zur Veranschaulichung dargestellt. Danach kommt das modulierte Signal. Bei f_T liegt der Träger, USB ist das untere Seitenband, OSB bezeichnet das obere Seitenband. Die Lage des OSB ist die Regellage, beim USB hat die höchste Signalfrequenz die kleinste Frequenz, dies bezeichnet man als Kehrlage. Weiterhin ist die Bandbreite eingezeichnet.

Demodulation

Die einfachste Art der Demodulation kann Gleichrichtung mit einer Diode sowie anschließender Glättung erfolgen (Hüllkurvendemodulator). Siehe Detektorempfänger.

Schwingungsbildungsgleichung der Amplitudenmodulation

u_AM(t)=Û_T·(1+m·cos(ω_St))·cos(ω_Tt)

m=Û_M/Û_T

Komponentengleichung der Amplitudenmodulation

u_AM(t)=Û_T·cos(ω_Tt)+ Û_T·m/2·cos((ω_T-ω_S)·t)+ Û_T·m/2·cos((ω_T+ω_S)·t)
Der erste Teil der Formel steht für den Träger, der zweite Teil für die untere Seitenschwingung und der dritte Teil für die obere Seitenschwingung.

Kurzbezeichnungen

• A1 - Amplitudentastung
• A2 - tönende Telegrafie
• A3 - amplitudenmodulierte Übertragung analoger Signale (zum Beispiel von Sprache und Musik)

Sonderformen

Sonderformen der Amplitudenmodulation sind

• Amplitudenmodulation mit unterdrücktem Träger (DSSC, double side band supressed carrier)
• Einseitenbandmodulation (SSB, single side band)
• Restseitenbandmodulation
• Quadraturamplitudenmodulation QAM
• dynamische Amplitudenmodulation.

Anwendung der Amplitudenmodulation

Amplitudenmodulation wird verwendet bei:

• Rundfunk auf den Frequenzbändern Langwelle, Mittelwelle, Kurzwelle
• Bildsignal beim Fernsehen (Restseitenbandmodulation, siehe Fernsehsignal)
• CB-Funk
• Amateurfunk (meist in Form der Einseitenbandmodulation)
• Flugfunk