Informations- und Kommunikationstechnik

AM nach dem Einseitenbandverfahren

Zur elektronischen Übertragung von Nachrichten muss für jeden Sendekanal eine von der Nachricht, dem Basisband und der Modulationsart abhängige Bandbreite zur Verfügung gestellt werden. Die Bandbreite einer normalen Amplitudenmodulation errechnet sich aus dem doppelten Wert der höchsten zu übertragenen Informationsfrequenz. Die Information ist in beiden Seitenbändern gleichermaßen enthalten. Durch die Demodulation des oberen oder unteren Seitenbandes alleine könnte die Information zurückgewonnen werden. Nach allgemeinen Hinweisen wird die ESB Modulation nach der Filtermethode beschrieben und danach auf die Demodulation eines ESB-Modulationssignals zur Rückgewinnung der gesendeten Information eingegangen.

Die Einseitenbandmodulation ist ein AM-Verfahren, bei dem nur ein Seitenband übertragen wird. Oftmals ist auch noch der Träger unterdrückt. Für das Modulationsverfahren bestehen im Deutschen die Abkürzungen ESB, EM und EB. Im englischen Sprachbereich wird sie als SSB, single side band und SSBSC (suppressed carrier) mit unterdrücktem Träger bezeichnet. Im Englischen steht für das obere Seitenband OSB im Frequenzbereich (fT + finfo) die Abkürzung USB als upper side band. Für das untere Seitenbands USB mit dem Bereich (fT − finfo) verwendet der englische Sprachraum die Kurzform LSB, lower side band.

Vorteile der ESB sind der halbe Bandbreitenbedarf gegenüber der normalen AM und Einsparungen bei der Sendeenergie. Von Nachteil ist der höhere technische Aufwand im Umgang mit ESB-Signalen. Nach der Modulation und vor dem Senden müssen eines der Seitenbänder und der Träger ausgefiltert werden. Dazu werden besonders steilflankige Filter benötigt. Die technisch aufwendigere Phasenmethode arbeitet mit zwei parallel laufenden Ringmodulatoren. Dem einen Modulator werden der Träger und das Basisband in der Originalphasenlage, dem anderen Modulator die Signale um 90° phasengedreht zugeführt. Nach der additiven Überlagerung beider ZM-Modulationsprodukte rechnet sich eines der Seitenbänder heraus. Die Phasenmethode kommt ohne steilflankige Filter hoher Ordnung aus. Sie benötigt stattdessen breitbandige Phasenschieber, die für das gesamte Informationsband eine 90°-Phasendrehung gewährleisten. Die Phasenmethode konnte sich daher nicht durchsetzen.

Weitere Probleme ergeben sich bei der Demodulation zur Rückgewinnung der Information. Das im Einseitenbandverfahren modulierte Signal wird normalerweise mit unterdrücktem Träger gesendet. Ein EM-Signal mit reduziertem Träger ist auch möglich, spart aber kaum Sendeenergie und erfordert sehr steilflankige Filter. Zur Demodulation muss im Empfänger der Träger mit ausreichend großer Amplitude und möglichst genauer Frequenz erzeugt werden. Bei Signalen mit reduziertem Träger muss dieser mit sehr schmalbandigen Filtern ausgefiltert und vor der Demodulation verstärkt zugefügt werden.

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ESB nach der Filtermethode

Vor dem Einsatz der Filter findet eine normale Amplitudenmodulation statt. Soll der Träger unterdrückt werden, so bietet sich ein Diodenringmodulator oder Vierquadranten-Multiplizierer an. Im nächsten Schritt wird eines der beiden Seitenbänder herausgefiltert. Je näher die beiden Seitenbänder zusammenstehen, desto steilflankiger muss das Filter sein. Diese Eigenschaft haben nur mehrstufige LC-Filter oder Quarzfilter.

Informationen mit sehr tiefen Frequenzen eignen sich nicht für das ESB-Verfahren. Die niedrigste Informationsfrequenz bestimmt den Abstand der Seitenbänder. Bei einer Frequenz von 50 Hz beträgt der Abstand zueinander gerade 100 Hz. Das Einseitenbandfilter müsste eine fast rechteckige Charakteristik aufweisen, um die geforderte Mindestdämpfung von 40 dB für den Telefonie-Sprechfunk zu erreichen.

Für das Sprachband ist eine untere Grenzfrequenz von 300 Hz festgelegt. Der Abstand der Seitenbänder beträgt dann 600 Hz. Für einen erfolgreichen Filtereinsatz ist dieser absolute Abstand nicht allein entscheidend. Je höher die Trägerfrequenz ist, desto geringer wird der relative Seitenbandabstand. Das erfordert eine noch größere Filtersteilheit.

Betrachtet man die Durchlasskurven eingliedriger LC-Grundketten, so ist erkennbar, dass ein Bandpass aus zwei Parallelschwingkreisen, die mittels Reihenschwingkreis verkoppelt sind, diese Steilheit nicht erreicht. Diese Filterkette müsste symmetrisch mit LC-Reihenschaltungen erweitert werden. Einseitenbandfilter erfordern eine aufwendige Schaltung mit Bauteilen besonders hoher Güte und Langzeitstabilität.

Eine zur Filteranwendung günstige niedrige Trägerfrequenz eignet sich nicht als Sendefrequenz. Daher wird in einer weiteren Modulationsstufe das ausgefilterte Seitenband erneut AM, aber diesmal auf einen hochfrequenten Sendeträger moduliert. Der Träger kann unterdrückt werden. Es entstehen wieder zwei Seitenbänder, von denen eines ausgefiltert und gesendet wird. Der Abstand der Seitenbänder zueinander ist jetzt wesentlich größer und es reichen einfachere Bandpassfilter.

Frequenzschema bei der ESB-Modulation

Wird das Seitenband der ersten Modulationsstufe zwischen 10300 Hz bis 13500 Hz auf einen Träger mit 500 kHz moduliert, so liegen in diesem Modulationsprodukt die Eckfrequenzen zwischen dem unteren und oberen Seitenband bei 489,7 kHz und 510,3 kHz. Die Frequenzlücke beträgt somit 20,6 kHz. Zum Ausfiltern eines der Seitenbänder genügt ein nicht so steilflankiger Bandpass geringerer Ordnung. Das folgende Blockschaltbild zeigt die beschriebene ESB-Modulation in zwei Stufen mit den zugehörigen Eckfrequenzen.

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Demodulation eines ESB-Modulationssignals

Die Demodulation eines ESB-Signals erfolgt im Empfangsgerät nach dem Zufügen der ursprünglichen Trägerfrequenz. Die im Empfänger erzeugte Hilfsträgerfrequenz sollte genau der im Sender verwendeten, aber unterdrückten Trägerfrequenz entsprechen. Diese Genauigkeit kann nur mit Quarzoszillatoren erreicht werden. Die Phasenlage des Hilfsträgers ist dabei nicht so wichtig.

In einem der Demodulationsverfahren werden das ESB-Signal und der Hilfsträger an einer linearen Widerstandsmatrix addiert. Die Amplitude des Hilfsträgers sollte wesentlich größer als die des ESB-Signals sein. Das folgende Bild zeigt beispielhaft die additive Überlagerung eines 10 kHz Hilfsträgers mit einer oberen ESB-Seitenfrequenz von 11 kHz. Das Zeitdiagramm scheint einer normalen AM zu entsprechen. Die Amplitudenschwankungen der Hüllkurve stellen die ursprüngliche Informationsfrequenz von 1 kHz dar. Die Fourieranalyse zeigt, dass es sich nicht um ein herkömmliches AM-Signal handelt. Dennoch erhält man wie bei der AM mit Träger durch die Hüllkurvendemodulation mittels Diode und Tiefpass die Informations-NF zurück.

ESB-Demodulation, Zeit- und Frequenzdiagramm

Für dieses Demodulationsverfahren muss die Amplitude des Hilfsträgers viel größer als die des ESB-Empfangssignals sein. Bei zu geringem Unterschied machen sich Phasenfehler in einer deutlich verzerrten, nicht mehr sinusförmigen Hüllkurve bemerkbar. Die zurückgewonnene Information weist dann einen großen Klirrfaktor auf.

Liegt die Hilfsträgerfrequenz etwas oberhalb der Senderträgerfrequenz, so verschiebt sich die zurückgewonnene Information in Richtung tieferer Frequenzen. Liegt der Hilfsträger etwas zu tief, so ist die Frequenz des Demodulationssignals zu hoch. Der Amateurfunkbereich auf Kurzwelle nutzt unter anderem ESB. Am Empfangsgerät ist die Hilfsträgerfrequenz einstellbar. Eine Fehlabstimmung macht sich akustisch als Grotten- oder Mickymauseffekt bemerkbar.

Bei einer anderen, etwas komfortableren Demodulationsmethode wird das empfangene Seitenband mit dem Hilfsträger am Ringmodulator oder durch ein Vierquadranten-Multiplizierer-IC moduliert, wobei der Träger unterdrückt ist. Das folgende Bild zeigt das Ergebnis der Modulation zwischen dem 10 kHz Hilfsträger und dem ESB-Signal von 11 kHz. Das Zeitdiagramm weist nicht den typischen Verlauf einer AM mit unterdrücktem Träger auf. Die Fourieranalyse zeigt die beiden Seitenfrequenzen, und dass bei 10 kHz der Hilfsträger unterdrückt ist. Die untere Seitenlinie ist das Ergebnis der Differenz zwischen ESB und Hilfsträger. Sie stellt mit 1 kHz die ursprüngliche Information dar. Die Summenfrequenz liegt bei 21 kHz. Aus dem Modulationssignal kann so mit einem einfachen Tiefpass die Information ausgefiltert werden.

ESB-Demodulation, Zeit- und Frequenzdiagramm

Die relativen Signalamplituden vor der Modulation sind unkritisch. Bei diesem Verfahren treten keine Phasenfehler auf. Der Klirrfaktor des zurückgewonnenen Informationssignals wird nicht größer. Das Einhalten der genauen Hilfsträgerfrequenz ist weiterhin notwendig. Für den Fall der ESB-Demodulation ist in beiden Methoden die Phasenlage des Hilfsträgers unkritisch. Die Demodulation einer ZM mit unterdrücktem Träger reagiert dagegen auf Phasenfehler des Hilfsträgers empfindlicher.

Vor- und Nachteile der ESB-Modulation

Verglichen mit der AM mit Träger hat die ESB-Modulation Vorteile. Das Modulationssignal benötigt nur die halbe Bandbreite. Die gesamte Sendeleitung kommt dem ESB zugute und teilt sich nicht auf 2 Seitenbänder und dem Trägersignal auf. Das ESB-Signal ist gegenüber Empfangsschwund unempfindlich, denn es gibt keinen Träger, der Amplitudenverringerungen oder Auslöschungen durch Interferenzen bei der Wellenausbreitung erfährt.

Zu den Nachteilen der ESB-Modulation zählen die hohen Anforderungen an die ESB-Filter zum Ausfiltern des gewünschten Seitenbandes und die meist erforderliche zweifache Modulation. Im Empfänger muss zur Demodulation eine quarzgenaue Hilfsträgerfrequenz zugeführt werden. Da Quarzoszillatoren nicht durchstimmbar sind, hat sich die ESB-Technik im normalen Rundfunk nicht durchgesetzt.