Amplitudenmodulation

Modulation

Die erste Möglichkeit ist mit dem Signal die Amplitude der Trägerwelle zu beeinflussen. Begonnen hat es damit, die Trägerwelle einfach im Takt des Morsecodes ein- und auszuschalten. Später wurde dann die Amplitude der Trägerwelle mit einem Niederfrequenzsignal moduliert, also die Intensität der Welle schwankt mit der Tonfrequenz.

amplitudenmodulierte Welle

Aus mathematischer Sicht entsteht eine amplitudenmodulierte Schwingung durch Multiplikation der Trägerwelle mit der Modulationsfrequenz. Bei der Multiplikation zweier Sinus oder Kosinusschwingungen entstehen zwei neue Schwingungen. Einmal die Summe und einmal die Differenz der Ausgangsfrequenzen. $$cos(x) \cdot cos(y) = \frac{1}{2}cos(x+y) + \frac{1}{2}cos(x-y)$$ Beim amplitudenmodulierten Rundfunk wird zusätzlich die originale Trägerfrequenz mit übertragen. Ein Sender auf 800kHz, der mit einem Tonsignal von 1KHz moduliert wird, strahlt 3 Frequenzen ab. Die Trägerfrequenz 800kHz, die Summenfrequenz 800kHz+1kHz=801kHz und die Differenzfrequenz 800kHz-1kHz=799kHz.

AM Frequenzspektrum

Audiosignale bestehen aus vielen verschiedenen Frequenzen. Dadurch bilden sich oberhalb und unterhalb der Trägerfrequenz ein Summen- und ein Differenzfrequenzband. Der Sender belegt dadurch einen Frequenzbereich, der doppelt so groß ist, wie die höchste Modulationsfrequenz. Man nennt das die Bandbreite eines Senders. Damit sich verschiedene Sender nicht stören, müssen die Trägerfrequenzen mindestens um den Betrag der Bandbreite auseinander liegen, weil sich sonst die Seitenbänder überschneiden würden. Damit möglichst viele Sender Platz finden, wurde die Bandbreite amplitudenmodulierter Rundfunksender in den meisten Ländern auf 9kHz begrenzt (in den USA 10kHz). Das bedeutet, es dürfen keine höheren Modulationsfrequenzen als 4,5kHz vorkommen, was der Übertragungsqualität natürlich sehr abträglich ist.

AM Senderabstand & Bandbreite

Die Stärke der Amplitudenänderung mit der Modulation nennt man Modulationsgrad. Sinkt die Amplitude der Trägerfrequenz mit der Modulation bis auf 0 ab, ist der höchste Modulationsgrad m=1 erreicht. Um Übersteuerungen zu vermeiden, reizt man das aber nicht voll aus.

AM Modulationsgrad

In der Trägerwelle selbst steckt keine Information, sondern nur in den Seitenbändern. Selbst bei maximaler Modulation gehen 2/3 der Sendeenergie in den Träger und der Rest verteilt sich auf die Seitenbänder, also je 1/6. Das ist sehr ineffektiv. Darum entwickelte man Modulationsverfahren, wo der Träger abgesenkt oder sogar ganz unterdrückt wird. Einige Funkdienste und Amateurfunker gehen sogar noch einen Schritt weiter. Zur Informationsübertragung wird eigentlich nur ein Seitenband benötigt. Das zweite ist nur die Spiegelung. Die gesamte Energie wird jetzt zur Übertragung dieses einen Seitenbandes genutzt.

AM Einseitenband-Modulation

Ein Nebeneffekt der sogenannten Einseitenbandmodulation ist die Halbierung der Bandbreite des Senders. Klassische Rundfunkempfänger sind zum Empfang von Sendungen mit unterdrücktem Träger nicht vorbereitet, deshalb sind spezielle Empfänger dafür notwendig.


Demodulation

Ein normaler amplitudenmodulierter Rundfunksender mit Träger und 2 Seitenbändern lässt sich mit sehr wenigen Mitteln empfangen. Das geht sogar ohne zusätzliche Spannungsversorgung, einfach nur mit der Sendeenergie aus der Luft. Fast jeder Bastler hat früher mit einem einfachen Detektorempfänger angefangen.

Detektorempfänger

Verbindet man bei einer amplitudenmodulierten Schwingung die Spitzen der Ausschläge miteinander, bekommt man eine Hüllkurve, die genau dem aufmodulierten Signal entspricht. Der Empfänger braucht also nur diese Hüllkurve herauszufiltern.
Bei dem amplitudenmodulierten Träger schlägt die Amplidude gleichzeitig in positive und negative Richtung aus. Die Summe dieser Schwankungen ergibt immer Null und lässt sich so nicht gebrauchen. Ein einfacher Gleichrichter schneidet eine Halbwelle ab, sodass jetzt ein Spannungsverlauf entsteht, der genau dem Modulationssignal entspricht.

AM demoduliert

Jetzt muss man nur noch die darunter liegende hochfrequente Trägerfrequenz beseitigen. Das erledigt ein Kondensator, der die Hochfrequenz kurzschließt. Prinzipiell funktioniert so ein einfacher Detektorempfänger aber auch ohne den Kondensator, da ein angeschlossenener Kopfhörer die Hochfrequenz nicht wiedergeben kann und sie auf natürliche Art und Weise herausfiltert.

Sendungen mit unterdrücktem Träger lassen sich so aber nicht empfangen und auch keine Telegrafiesender (so nennt man Stationen, die im Morsecode senden), die den Träger nicht modulieren, sondern nur im Takt ein- und ausschalten. Im Empfänger würde man die Taktung der Trägerfrequenz nur durch eine Änderung im Rauschen wahrnehmen. Passende Empfänger haben einen eigenen Oszillator.

Telegrafie-Empfänger

Die Frequenz liegt knapp neben der Trägerfrequenz. Durch Mischung beider Frequenzen entsteht unter anderem eine Differenzfrequenz im hörbaren Bereich. Die Träger- und die Summenfrequenz werden herausgefiltert. Mit der Oszillatorfrequenz lässt sich die Tönhöhe individuell einstellen.

Auch Sendungen mit unterdrücktem Träger, wie das Einseitenbandsignal der Amateurfunker, lässt sich nicht mit einem einfachen Hüllkurvendemodulator empfangen. Vor der Demodulation muss der Träger wieder hergestellt werden. Der Oszillator muss die Trägerfrequenz in genau dem richtigen Abstand zum Seitenband erzeugen. Anderenfalls gibt es nach der Demodulation eine Frequenzverschiebung gegenüber dem originalen Modulationssignal, was zu einer schlechten Verständlichkeit führt.



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