Informations- und Kommunikationstechnik

Demodulation von AM-Signalen

Nach dem Empfang eines hochfrequenten modulierten Signals wird durch ein Demodulationsverfahren das ursprüngliche NF-Informationssignal zurückgewonnen. Das Signalbild der niederfrequenten Information ist in der Hüllkurve des amplitudenmodulierten Signals erkennbar. Sie ist die gedachte Verbindungslinie aller Spitzenwerte der Trägeramplitude eines AM-Signals und verläuft im Positiven und Negativen symmetrisch zur Zeitachse. Nebenher kann die Demodulation auch eine Regelspannung erzeugen, um die Empfangsfeldstärke zu optimieren. Beschrieben werden der Hüllkurvendemodulator und das parallele Erzeugen einer Regelspannung. Näher eingegangen wird auf die Notwendigkeit des Trägers zur Demodulation als unbedingte Voraussetzung für die ZM-Demodulation, also für AM-Signale mit unterdrücktem Träger.

Hüllkurvendemodulator

Aus dem AM-Signal kann mit einer entsprechend geschalteten Diode entweder der positive oder negative AM-Signalbereich abgetrennt werden. Es handelt sich um eine Spitzenwertgleichrichtung, der ein geeignet dimensionierter Tiefpass nachgeschaltet ist. Bei leitender Diode lädt jede hochfrequente Signalhalbwelle den Kondensator auf den Spitzenwert auf. Danach bleibt die Diode gesperrt und ein zum Kondensator paralleler Widerstand leitet eine langsame Entladung ein. Wird die Diode bei der nächsten passenden Halbwelle erneut leitend, so wird der Kondensator auf den neuen Spitzenwert nachgeladen. Der Spannungsverlauf am Kondensator entspricht bei optimaler Dimensionierung in der kontinuierlichen Hüllkurve dem ursprünglichen Informationssignal.

Die Schaltung zeigt die Demodulation eines AM-Signals durch Spitzenwertgleichrichtung mit nachgeschaltetem Ladekondensator und Entladewiderstand. Die Frequenzverhältnisse zwischen HF und NF sind bewusst ungünstig gewählt, damit der Auf- und Entladevorgang, der zur Bildung der Hüllkurve führt, erkennbar ist.

Hüllkurvendemodulator

Bei festgelegtem Wert des Entladewiderstands muss die Kapazität des Kondensators so groß sein, dass es während der Sperrphasen der Diode zu keiner vollständigen Entladung kommt. Seine Kapazität darf auch nicht zu groß sein, da er sonst die höchste NF-Frequenz dämpft. Die Zeitkonstante des RC-Glieds ist so bemessen, dass sich die Kondensatorspannung während der Diodensperrzeit nur wenig ändert. Diese Bedingungen führen zu folgender Abschätzung: THF < 2 · π · R · C < TNF, wobei T die jeweilige Periodendauer ist.

Das folgende Bild zeigt die Dimensionierung eines Hüllkurvendemodulators aus der Rundfunkempfängertechnik für den Lang-, Mittel- und Kurzwellenbereich. Als Eingangssignal wurde die im Empfänger übliche Zwischenfrequenz von ZF = 470 kHz und die in diesen Rundfunkbändern maximale NF-Frequenz von 4 kHz gewählt. Ein zu großer Modulationsgrad beeinflusst die Güte der Spitzenwertgleichrichtung negativ, da er eine höhere Restwelligkeit bewirkt. Zur Messung wurde der in der Sendertechnik höchste Wert von m = 0,6 eingestellt.

Spitzenwertgleichrichter

Bei einem zu hohen Modulationsgrad kann die minimale HF-Amplitude zu klein sein, um die Diode in den optimal leitenden Zustand zu steuern. Das Ergebnis der Demodulation ist eine verzerrte Hüllkurve und das NF-Signal entspricht nicht mehr dem Original. Das durch die Demodulation zurückgewonnene NF-Signal bei (2) ist von guter Qualität. Das Ausgangssignal der Spitzenwertgleichrichtung hat eine DC-Komponente.

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Erzeugen einer Regelspannung

Die Gleichspannungskomponente kann nutzbringend angewendet werden. Unterschiedliche Sendersignale werden verschieden stark empfangen. Das im Empfänger gebildete Zwischenfrequenzsignal hat bei einem Sender höherer Feldstärke eine größere Amplitude als bei einem weit entfernten und somit schwächer zu empfangenen Sender. Nach der Demodulation des ZF-Signals ist der Gleichspannungsanteil eines starken Senders folglich höher.

Mit dieser Gleichspannung kann die Verstärkung des ZF-Verstärkers oder eine davor liegende HF-Verstärkerstufe regelbar gemacht werden. Durch einen spannungsgesteuerten Verstärker lassen sich in einem weiten Regelbereich Signalschwankungen am Eingang ausgleichen und ein Ausgangssignal nahezu gleicher Amplitude liefern. Zwei bewährte Regelungsarten werden hier beschrieben.

Aufwärtsregelung

Ohne Eingangssignal arbeitet der Verstärker mit minimaler Verstärkung. Mit zunehmendem Eingangssignal wird seine Verstärkung hochgeregelt. Dieses Konzept kann bei zu großen Eingangssignalen leicht zur Übersteuerung des Verstärkers führen.

Abwärtsregelung

Ohne Signal arbeitet der Verstärker mit maximaler Verstärkung. Mit zunehmender Eingangsamplitude verringert der Regelkreis den Verstärkungsfaktor, wodurch eine Übersteuerung ausgeschlossen ist.

Der folgende Schaltungsauszug zeigt die Gewinnung der Regelspannung am Hüllkurvendemodulator. Mit der Polung der Diode wird die Polarität der Regelspannung, hier positiv, festgelegt. Die Grenzfrequenz des Tiefpasses muss sehr niedrig gegenüber der Signalfrequenz sein, um die NF nicht zu dämpfen.

Regelspannungsgewinnung

Die Regelspannung entsteht am Tiefpass hat mit 22 kΩ und 1 μF, dessen Grenzfrequenz unter 10 Hz liegt. Im Simulationsprogramm stellte sich bei offenem Regelkreis und einem AM-Signal mit 3 V Spitzenwert eine Regelspannung von 1,3 V ein. Ein AM-Signal mit gleichem Modulationsgrad und 1,25 V Spitzenwert erzeugte eine Regelspannung von 350 mV.

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Notwendigkeit des Trägers zur Demodulation

Werden Signale mit unterschiedlichen Frequenzen an einer nicht linearen Kennlinie, beispielsweise einer Diodenstrecke, überlagert, entsteht ein AM-Signal mit den Seitenfrequenzen und der Trägerfrequenz. Die Hüllkurvendemodulation findet ebenfalls an einer Diode statt, sodass die Annahme nahe liegt, dass es zu einer erneuten Modulation der Frequenzen kommt. Die oberen und unteren Seitenbandfrequenzen bilden mit der Trägerfrequenz neue Modulationsprodukte, in denen dann auch die ursprüngliche NF-Information vorhanden ist.

Für den folgenden qualitativen Beweis hat ein AM-Signal die Trägerfrequenz von 10 kHz, die untere Seitenbandfrequenz liegt bei 8 kHz und die obere Seitenbandfrequenz bei 12 kHz. Dieses Signal wird am gekrümmten Bereich einer Diodenkennlinie überlagert, also mit sich selbst moduliert. Rechnerisch ergeben sich die in der Tabelle aufgeführten Frequenzen. Die Seitenbandfrequenzen erzeugen miteinander weitere Modulationsprodukte, auf die hier nicht eingegangen wird. Im Spektrum der Simulation sind sie mit sehr geringer Amplitude erkennbar.

Demodulation als Modulation mit sich selbst

Liegt an beiden Eingängen eines Vierquadranten-Multiplizierers oder Produktmodulators dasselbe AM-Signal an, so bestätigt die Fourieranalyse die formale Rechnung und Annahme. Beim Modulationsgrad m = 0 hat das Ausgangssignal die doppelte Trägerfrequenz mit halber Signalamplitude. Mit dem Anwenden der mathematischen Regeln für die Multiplikation zweier Sinusfunktionen kann das Ergebnis auch hergeleitet werden. Damit erklärt sich die im Spektrum vorhandene Frequenzlinie bei 20 kHz.

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ZM-Demodulation

Die Amplitudenmodulation mit unterdrücktem Träger, als Zweiseitenbandmodulation ZM bezeichnet, hat im Frequenzspektrum bei fehlender Trägerfrequenz nur das USB und OSB. Mit der direkten Demodulation nach dem Hüllkurvenverfahren kann daher die ursprüngliche Information nicht zurückgewonnen werden. Das Demodulationssignal hätte die doppelte Frequenz.

Zur Demodulation muss der Modulationsträger frequenz- und phasenrichtig im Signal vorhanden sein.

Das Empfangsgerät muss mit einem eigenen Oszillator den senderseitig unterdrückten Träger in seiner Frequenz und Phasenlage generieren, wobei es unterschiedliche Methoden gibt. Die Amplitude des generierten (Hilfs)-Trägers muss mindestens das Doppelte der maximalen Amplitude eines Seitenbandes haben. Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die Hilfsträgeramplitude mindestens gleich der ZM-Signalamplitude ist. Bei Amplitudengleichheit beträgt der Modulationsgrad m = 1 und nimmt mit größerer Trägeramplitude ab.

ZM-Blockschaltung

Im analogen Stereorundfunk überträgt der Sender mit dem Stereo-ZM-Signal ein an den Senderträger gebundenes Hilfssignal. Der 38 kHz Träger ist im Stereosignal vollständig unterdrückt. Der Sender strahlt einen dazu synchronen 19 kHz Pilotton geringer Amplitude ab. Im Empfänger wurde früher daraus der Träger zurückgewonnen und heute wird damit ein eigener Oszillator synchronisiert oder getriggert.

Im analogen Farbfernsehen ist im QAM-Farbsignal der eigenständige, senderseitige Farbträger nicht enthalten. Der Sender überträgt den Farbhilfsträger als Burstsignal im nicht sichtbaren Bildbereich auf der hinteren Schwarzschulter. Im Empfänger wird damit ein Quarzoszillator auf die genaue Frequenz und Phasenlage des senderseitigen Farbträgers synchronisiert.

Bei digitalen Modulationssignalen kann im Empfänger aus der zeitlichen Länge des Datenworts zwischen Start- und Stopbit bei bekannter Bitzahl auf die Trägerfrequenz zurückgerechnet werden.

Hüllkurvenverfahren für die ZM

Das folgende Bild zeigt das ZM-Signal (rot) und den im Empfänger zugesetzten Hilfsträger (grün). Die Addition beider Signale ergibt das AM-Signal (blau). Daraus kann mit einem Hüllkurvendemodulator das NF-Signal zurückgewonnen werden. Zur Demodulation kann auch ein Multiplizierer, Koinzidenzmodulator oder Ringmodulator verwendet werden. Sie alle benötigen zur korrekten Demodulation als Eingangssignale das ZM-Signal und den regenerierten Träger.

ZM-Demodulation

Diodenringdemodulator

Da die Demodulation als erneute Modulation mit der Trägerfrequenz verstanden werden kann, eignet sich der Diodenringmodulator auch als Demodulator. Anstelle des zu modulierenden NF-Signals steht jetzt links das modulierte ZM-Signal. Die Trägerfrequenz schaltet die Diodenpaare abwechselnd in den leitenden oder gesperrten Zustand. Solange eine positive Trägerspannung die Dioden RD1 und RD2 leiten lässt, gelangt das anliegende ZM-Signal direkt an den Ausgang. Eine negative Trägerspannung schaltet die Dioden RD3 und RD4 leitend, während RD1 und RD2 gesperrt bleiben. Das zu dieser Zeit anliegende Eingangssignal gelangt invertiert an den Ausgang. Das Ausgangssignal ist die demodulierte ZM, das NF-Informationssignal.

Diodenring-Demodulation

Zur Demodulation muss die Oszillatorfrequenz sehr genau mit der im Sender benutzten Trägerfrequenz übereinstimmen. Bei akustischen Signalen darf die Abweichung nur wenige Hertz betragen, da sich das demodulierte Signal sonst um diese Frequenzdifferenz der Träger verschiebt. Ebenso wichtig ist die genaue Übereinstimmung der Phasenlage zwischen dem Senderträger und dem generierten Hilfsträger im Empfangsgerät. Bei einkanaligen Audiosignalen kann akustisch nicht zwischen der Phasenlage 0° und 180° des Hilfsträgers unterschieden werden. Alle anderen Abweichungen ergeben ein schlechteres oder verzerrtes Demodulationsergebnis.

ZM-Demodulationsfehler

Die Diagramme lassen erkennen, dass schon eine Frequenzabweichung des Hilfsträgers kleiner 1% ein stark verzerrtes Audiosignal zur Folge hat. Bei einem Audio-Monosignal wäre ein größerer Phasenfehler dagegen noch tolerierbar, während bei einem Farbbildsignal schon sehr geringe Phasenfehler zu sichtbaren Farbverfälschungen führen.