Informations- und Kommunikationstechnik

Amplitudenmodulation mit unterdrücktem Träger

Die herkömmliche Amplitudenmodulation hat in Bezug auf die zu übertragene Information ein schlechtes Leistungsverhältnis. Die meiste Senderenergie muss für den Träger aufgebracht werden, der als Hilfssignal keine Information enthält. Durch geeignete Maßnahmen kann im Modulationsprodukt der Träger unterdrückt werden, sodass nur noch die beiden Seitenbänder gesendet werden müssen. Das Verfahren nennt sich Amplitudenmodulation mit unterdrücktem Träger oder Zweiseitenbandmodulation ZM, englisch als DSBM, double side band modulation. Die derzeit bekanntesten Einsatzbereiche der ZM sind stereofone Tonübertragungen und analoges Farbfernsehen. Es werden einige Methoden zur AM mit unterdrücktem Träger gezeigt.

Der mathematische Hintergrund

Das Modulations- oder Informationssignal und der hochfrequente Träger werden direkt miteinander multipliziert. Eine vorangehende Signalüberlagerung oder Addition findet nicht statt. Hinweise zur Multiplikation der Cosinusfunktionen finden sich im Abschnitt Fachmathematik – Winkelfunktionen. Das Ergebnis zeigt bei fehlendem Trägersignal nur die beiden Seitenbänder symmetrisch zum Ort der Trägerfrequenz.

Modulationsgleichungen

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Amplitudenmodulation mithilfe Multiplizierer-IC

Bei der Simulation durch Software werden die Signale mathematisch multipliziert. In der Praxis und in Simulationsschaltungen verwendet man als Modulator ein Vierquadranten-Multiplizierer-IC. Die Baugruppe benötigt eine symmetrische Gleichspannungsversorgung. An den einen Eingang wird das NF-Signal und an den anderen das HF-Signal gelegt. Das Ausgangssignal ist ein amplitudenmoduliertes Signal mit unterdrücktem Träger.

Das Zeitdiagramm der AM nach dem ZM-Verfahren unterscheidet sich deutlich vom normalen AM-Signal. Im Frequenzspektrum sind bei der Einton-Modulation nur die beiden Seitenlinien zu erkennen. Beide Eingangssignale kommen im Ausgangssignal nicht vor. Höhere Modulationsprodukte entstehen nicht, sodass kein Filter zur Signalaufbereitung notwendig ist. Das NF-Eingangssignal (blau) ist als Vergleichssignal im AM-Ausgangssignal mit dargestellt.

ZM im Zeit- und Frequenzdiagramm

Ein Sprach- oder Musikfrequenzband wäre im Frequenzdiagramm als oberes Seitenband OSB und unteres Seitenband USB symmetrisch zu beiden Seiten der Trägerfrequenzstelle angeordnet. Die Lautstärke entspricht der Signalamplitude. Die Bandbreite ist wie bei der normalen AM doppelt so groß wie die höchste zu übertragene NF-Frequenz. Es gilt: b = 2 · fNF max

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AM-Zweiseitenbandmodulation mit Diodenringmodulator

Die AM mit unterdrücktem Träger wurde schon lange vor der Entwicklung integrierter Multiplizierer angewendet. Die Schaltung verwendet ein Diodenquartett mit selektierten Dioden. Sie bilden in einer Reihenschaltung einen in einer Richtung leitfähigen Ring. Der Träger dient als Schaltspannung für die Dioden. Seine Amplitude muss die Dioden sicher in den leitenden oder gesperrten Zustand schalten können und hat keinen Einfluss auf die Amplitude des Ausgangssignals. Ohne NF-Informationssignal ist an der Ausgangswicklung bei UZM kein Signal zu messen. Der Diodenringmodulator hat den Nachteil, dass zwei gleich dimensionierte kleine HF-Transformatoren mit Mittelanzapfung benötigt werden. Der Schaltungsaufbau ist im folgenden Bild dargestellt.

Diodenringmodulator

Das Trägersignal liegt an den Mittelanzapfungen der Trafos an, die über den Diodenring in Verbindung stehen. Im Wechsel der Polarität der HF-Halbwellen führt mal die linke oder rechte Trafospule positiveres Signal. Dadurch werden entweder die außen oder innenliegenden Dioden leitend. Ohne NF-Signal besteht an den Spulenenden jedes Trafos keine Potenzialdifferenz und in die Ausgangswicklung wird kein Signal induziert.

Liegt am linken Trafo das Modulationssignal an, so überträgt er die Wechselspannung auf die Innenwicklung. Von dort gelangt die NF über das gerade leitende Diodenpaar zum Ausgangstrafo und wird als Wechselgröße auf die Ausgangsspule transformiert. Im Ausgangssignal ist der Schaltvorgang deutlich zu erkennen. Im Nulldurchgang beider Signalspannungen tritt ein Phasensprung auf. Der Polaritätswechsel der Phasensprünge ist bei geradzahligem Frequenzverhältnis alternierend. Das folgende Schaltschema verdeutlicht das Entstehen der Phasensprünge.

Diagramm zur Darstellung des Phasensprungs
Fourieranalyse der UZM

Das Frequenzspektrum des Ausgangssignals weist eine ganze Reihe höherfrequenter Modulationsprodukte auf. Sie liegen bei den ungeraden ganzzahligen Vielfachen der Trägerfrequenz. Der Träger hat die Funktion einer Schaltspannung für die Dioden und hätte daher auch durch ein symmetrisches Rechtecksignal gleicher Frequenz ersetzt werden können. Die Fourieranalyse einer derartigen Rechteckspannung würde Spektrallinien bei den ungeraden Vielfachen der Grundfrequenz anzeigen.

Im AM-Signal mit unterdrücktem Träger treten an diesen Trägerpositionen symmetrisch nur die Seitenbänder auf. Die höheren Modulationsprodukte müssen durch einen guten Tiefpassfilter entfernt werden. Die 1. Harmonische des ZM-Signals kann auch sehr gut mit einem Schwingkreis, der auf die Grundfrequenz des Trägers abgeglichen ist, ausgefiltert werden.

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AM mit Produkt- oder Koinzidenzmodulator

Transformatoren und Spulen sind recht voluminös. Für annähernd identische Eigenschaften müssten sie paarweise selektiert werden und zudem nicht langzeitstabil. Wo es geht, versucht man daher diese Bauteile zu ersetzen. Anstelle des Diodenringmodulators wird eine Transistorschaltung zur Zweiseitenbandmodulation eingesetzt. Sie gibt es als integrierte Schaltung, dem Produkt- oder Koinzidenzmodulator. Koinzidenz, aus dem Lateinischen, bedeutet hier, dass nur das gleichzeitige Auftreten von zwei Signalen an den Eingängen ein Ausgangssignal erzeugt. In der Schaltung arbeiten drei Differenzverstärkerstufen K1,2, K3,4 und K5,6. Zwischen den beiden Kollektorwiderständen mit gleichem Wert entsteht als Brückenspannung das Modulationsprodukt UZM.

Produktmodulator

Die Schaltung ist so dimensioniert, dass die HF-Trägerspannung mit ihrer positiven Halbwelle den Transistor K5 leiten lässt. Bei der negativen Halbwelle wird K6 leitend, da dann seine Basis relativ zu der von K5 positiver wird. Ohne NF-Signal sind die oberen Differenzverstärker nicht leitend. Es entsteht keine Brückenspannung. Die positive Halbwelle des NF-Signals lässt K1 und K4 leiten. Die negative Halbwelle steuert K2 und K3 leitend. Daraus folgt eine wechselseitige Potenzialänderung an den Kollektorwiderständen. Die endgültige Polarität des Modulationsprodukts wird vom Umschalten der unteren Transistoren bestimmt.