Informations- und Kommunikationstechnik

AM nach dem Einseitenbandverfahren

Zur optimalen elektronischen Übertragung von Nachrichten benötigt jeder Sendekanal eine bestimmte Bandbreite. Sie wird vom Basisband, der zu sendenden Nachricht und der Modulationsart bestimmt. Die Mindestbandbreite einer normalen Amplitudenmodulation (AM) errechnet sich aus dem doppelten Wert der höchsten zu übertragenen Informationsfrequenz. Symmetrisch zur Trägerfrequenz enthalten beide Seitenbänder die gleiche Information. Im unteren Seitenband (USB) befindet sich die Frequenzfolge der Information in der Kehrlage und im oberen Seitenband (OSB) in der Normallage. Zur Rückgewinnung der Information reicht alleine die Demodulation des oberen oder unteren Seitenbandes aus.

Bei der Amplitudenmodulation nach dem Einseitenbandverfahren wird nur ein Seitenband übertragen, wobei oftmals auch noch der Träger unterdrückt ist. 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. Das bei uns obere Seitenband (OSB) im Frequenzbereich (fT + finfo) hat im englischen Sprachbereich die Abkürzung USB (upper side band). Das bei uns untere Seitenband (USB) im Bereich (fT − finfo) wird im englischen Sprachraum mit der Kurzform LSB (lower side band) bezeichnet.

Verglichen mit der normalen AM benötigt das ESB-Verfahren nur die halbe Bandbreite und kann mit Trägerunterdrückung weitere Sendeenergie einsparen. 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, wobei besonders steilflankige Filter benötigt werden. Die technisch aufwendigere Phasenmethode arbeitet mit zwei parallel laufenden AM-Modulatoren. Beide Signale werden in der Originalphase und um 90° gedreht verwendet und mit entgegengesetzter Phasenlage moduliert. Bei der anschließenden additiven Überlagerung rechnen sich der Träger und ein Seitenband heraus. Die Phasenmethode kommt ohne Filter hoher Ordnung aus.

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.

ESB nach der Filtermethode

Vor dem Einsatz der Filter findet eine normale Amplitudenmodulation statt. Für eine AM mit Trägerunterdrückung (ZM) bietet sich ein Diodenringmodulator oder Vierquadranten-Multiplizierer an. Im nächsten Schritt wird eines der beiden Seitenbänder herausgefiltert. Da die beiden Seitenbänder frequenzmäßig dicht aufeinanderfolgen, muss das Filter sehr steilflankig sein. Diese Eigenschaft haben nur Quarz- oder mehrstufige LC-Filter.

Der Abstand der Seitenbänder wird von der niedrigsten Informationsfrequenz bestimmt, sodass sich Informationen mit sehr niederfrequenten Anteilen nicht für das ESB-Verfahren eignen. Bei einer Frequenz von 50 Hz beträgt die Lücke zwischen den Seitenbändern nur 100 Hz. Das ESB-Filter müsste eine fast rechteckige Charakteristik aufweisen, um die für den Telefonie-Sprechfunk geforderte Mindestdämpfung von 40 dB 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 und erfordert größere Filtersteilheit.

Aus den Durchlasskurven eingliedriger LC-Grundketten ist zu erkennen, 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 Modulationsfrequenz eignet sich nicht als Sendefrequenz-Träger. 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 Bandpass geringerer Ordnung. Das Blockschaltbild zeigt die beschriebene ESB-Modulation in zwei Stufen mit den zugehörigen Eckfrequenzen.

ESB nach der Phasenmethode

Das Verfahren benötigt eine HF-Trägerfrequenz in der Sinuslage (I = Inphase) und Cosinuslage (Q = Quadratur). Für die Aufspaltung eines monofrequenten Signals ist eine Phasenschiebebrücke gut geeignet. Ebenso muss das Informationssignal in eine Sinus- und Cosinuskomponente gewandelt werden. Bei einem Verhältnis Bandbreite zur Bandmittenfrequenz größer 0,1 ist ein einfacher Phasenschieber nicht mehr geeignet. Das folgende Bild zeigt eine RC-Phasenschiebebrücke für die NF-Mittenfrequenz 1447 Hz. Der Phasenwinkel zwischen den Brückenpunkten A und B beträgt absolut 90° mit gleichen Amplituden der beiden Teilspannungen.

RC-Phasenschieber bei Mittenfrequenz

Bei einem Frequenzband als Eingangssignal variieren bei der Phasenschiebebrücke die Amplituden am Punkt A und B. Der linke RC-Zweig bildet für den Punkt A einen Tiefpass, wo mit zunehmender Eingangsfrequenz die Signalamplitude abnimmt und der Phasenwinkel negativer wird. Der rechte RC-Zweig bildet für den Punkt B einen Hochpass. Mit zunehmender Eingangsfrequenz nimmt die Signalamplitude zu und der Phasenwinkel wird positiver. Die Phasenwinkeldifferenz zwischen den Punkten A und B bleibt mit absolut 90° unverändert. Die folgende Grafik zeigt das Blockschaltbild für eine ESB nach der Phasenmethode mit analogen Baugruppen, wie sie im Amateurfunk angewendet wurde. Da die Phasenlagen der Eingangssignale beider Modulatoren wegen der NF-Bandbreite keine feste Phasenlage zur I-Q-Modulation haben, ist keine optimale Auslöschung eines Seitenbandes möglich.

Blockschaltbild der Phasenmethode

Die folgenden Diagramme zeigen die optimale Arbeitsweise der Phasenmethode für ein monofrequentes NF-Signal von 1 kHz und einer HF-Trägerfrequenz von 50 kHz. Spezielle schmalbandige Filter oder Mehrfachmodulationen sind nicht notwendig. Dargestellt sind die Modulationsprodukte an den Punkten A und B des Blockschaltbilds und das daraus gewonnene Summensignal am Punkt C als Zeitdiagramme und Fourier Analysen. Das Ausgangssignal ist nur die reine obere Seitenfrequenz.

Diagramme zur Phasenmethode

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, meistens 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 Fourier Analyse 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 Mickymaus Effekt bemerkbar.

Demodulation nach vorhergehender ZM-Modulation

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 entspricht nicht dem typischen Verlauf einer AM mit unterdrücktem Träger. Die Fourier Analyse 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 diesem Modulationssignal kann 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

Im Vergleich einer 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 separaten Träger. Würde sich die Amplitude des Trägers durch Interferenzen bei der Wellenausbreitung verringern oder auslöschen, könnte das empfangene AM-Signal nicht mehr ordentlich demoduliert werden.

Zu den Nachteilen der ESB-Modulation zählen die hohen Anforderungen an die ESB-Filter zum Ausfiltern des gewünschten Seitenbandes und die oftmals 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. Die Phasenmethode hat sich in der Analogtechnik nicht durchsetzen können.