Amplitudenmodulation AM, Einseitenbandmodulation SSB

1. Einleitung

In diesem Beitrag möchte ich möglichst einfacher und  verständlich Form die

– Amplitudenmodulation AM und die

– Einseitenbandmodulationen SSB ( Amateurfunk LSB oder USB )

erläutern.

Es geht dabei um das Verstehen der Modulationsprinzipen vor allem der Einseitenbandmodulation SSB ( LSB oder USB ) und nicht um komplizierte, schaltungstechnische und tiefgreifende mathematische Zusammenhänge.

 

Entstehungsgeschichte Amplitudenmodulation AM zu Seitenbandmodulation SSB:

In der Anfangszeit des Rundfunks gab es gute Gründe, AM als Modulationsart zu wählen.

Hauptgrund war, dass man auch mit obskuren Hilfsmitteln wie Kristalldetektoren primitive Empfänger bauen konnte, die auf dem Prinzip des „Hüllkurven – Demodulators“ beruhen und nur wenige Bauelemente benötigten.

Dabei wurde in Kauf genommen, dass beim Senden mit Amplitudenmodulation AM unnötig viel Energie in die Ausstrahlung des „Trägers“ investiert werden muss, während nur maximal 18 % der Sendeleistung in den informationstragenden Seitenbändern stecken.

Der Nachteil dieser nicht effizienten Modulationsart AM war allgemein bekannt.

Ende 1915 meldete John R. Carson die Idee zur Seitenband- und Trägerunterdrückung als Patent an.

Nach vielen rechtlichen Auseinandersetzungen wurde 1923 schließlich das Patent in USA erteilt.

1927 wurde die „Transatlantik SSB-Radiotelephonie“ für die öffentliche Nutzung eingeführt.

Im Jahr 1933 wurden erstmals Aktivitäten von Amateurfunkern in der Modulationsart SSB gemeldet.

15 Jahre später wurde die SSB Technik im Amateurfunk eingeführt und weiter entwickelt.

Der zweite Weltkrieg hatte in allen Ländern die technische Entwicklung im Kommunikationsbereich nach vorne gebracht und so  gab es wichtige herstellertechnische Durchbrüche, die für die SSB Technik sehr wichtig waren.

 

2. Amplitudenmodulation mit Träger (AM)

2.1 Grundlagen

An Hand der nachfolgenden Zeichnungen lässt sich die Amplitudenmodulation AM am einfachsten erklären.

am nf Modulation

Quelle Internet Wikipedia

 

Blau eingezeichnet ( U, I ) ist das Niederfrequenz-Signal ( NF ) mit „eingeschränktem“ Frequenzgang von ca. 50 – 4000 Hz, das sogenannte „Basisband“.

Rot eingezeichnet ( U,T ) ist der unmodulierte Hochfrequenz-Träger ( HF )

Ebenfalls rot eingezeichnet ( U, AM ) ist der durch das NF-Signal 50 – 4000 Hz modulierte Hochfrequenz-Träger ( Amplitudenmodulation AM ) mit gedachter „NF-Hüllkurven.“         ( schwarz )

Erzeugt wird durch das NF-Signal eine Zweiseitenbandmodulation untere- und obere Hüllkurve   ( AM ) auf dem Hochfrequenz-Träger ( HF ), wobei die NF-Information von ca. 50 – 4000 Hz im untern und im obern Seitenband vorhanden ist.

Die nächste Abbildung zeigt das Prinzip der Amplitudenmodulation ( AM ) detaillierter auf :

 

amplitudenmodulation

Quelle Internet Wikipedia

 

Der HF-Träger ( Grundschwingung, englisch „Carrier“ ) wird durch das NF-Signal 50 – 4000 Hz symmetrisch moduliert. ( entsprechend NF-Amplitude, Lautstärke )

– Bei positiver NF-Amplitude wird die HF-Signalstärke beidseitig erhöht                                                 ( + Δp  über Mittelwert, maximal bis 100% Sendeleistung )

– Bei negativer NF-Amplitude wird die HF-Signalstärke beidseitig abgeschwächt                                  ( – Δp  unter Mittelwert, minimal bis 0% Sendeleistung )

Bei der Amplitudenmodulation ( AM ) entstehen identisch modulierte Seitenbänder:

– oberes Seitenband   ( Upper Side Band )

– unteres Seitenband  ( Lower Side Band )

Die  Bandbreite ( B ) beträgt somit plus ( + ) resp. minus ( – ) 4 kHz also maximal 8 kHz.

Der Gleichanteil ( Mittelwert der Grundschwingung ) stellt im modulierten Signal den HF-Trägeranteil dar.  

 

2.2 Zeigerdarstellung, Modulationsanteile

Eine andere Form die AM-Modulation darzustellen ist die Zeigerdarstellung.

In dieser Darstellung werden die Modulationsanteile LSB / USB als Zeiger ( mit Winkeln ) aufgetragen und dann zum resultierenden Zeiger zusammengesetzt.

 

Beispiel:

Neuste zeigerd AM

Zeichnung neu erstellt durch HB9LCD

 

Auf dem starren Träger Ut sind die beiden Zeiger der Seitenbandfrequenzen U, LSB und U, USB  die sich mit der Modulationsfrequenz  in jeweils entgegen gesetzten Richtungen drehen dargestellt ( + Δp und – Δp  )

Die Positionen der Zeigerspitzen werden im Koordinatensystem in eine x – Komponente                   ( horizontal ) und eine y – Komponente ( vertikal ) zerlegt.

Wie man in der Abbildung oben sehen kann, sind die x – Komponenten der Zeiger der Seitenbandfrequenzen stets entgegengesetzt gerichtet und heben sich deshalb bei einer Addition     ( + /- ) auf.

Dies auf Grund der Additionstheoremen für Winkelfunktionen, Summen- und Differenzfrequenzen.

Es bleiben dabei nur noch die Summen der y – Komponenten, die zur Trägeramplitude                      ( entsprechend Winkel ) addiert oder subtrahiert werden.

Somit ist die resultierende momentane Amplitude des modulierten Signals immer in gleicher Richtung ( in Phase ) mit der Trägeramplitude.

Das ist charakteristisch für die Zweiseitenbandmodulation In der nachfolgenden Momentanaufnahme einer NF-Schwingungsperiode sind die Zeigerdarstellungen der Modulationen dargestellt.

 

Pos.    a                b               c             d               e              f              g            h                i

zeiger mit wellen

Quelle Internet Wikipedia

 

 

2.2 Bandbreiten

 

Europa

Durch den 9 kHz Kanalraster im Mittelwellenband ( MW ) von 526.5 kHz – 1606.5 kHz konnten ca. 120 MW-Sender zugeteilt werden.

radio frontplatte

Quelle Internet

 

Amerikanischer Kontinent

Das Mittelwellenband hat einen Frequenzbereich von 530 kHz – 1720 kHz bei einem 10 kHz Raster.

Natürlich ist die Tonqualität mit dem europäischen Raster von 9 kHz nicht berauschend, dabei ist der amerikanische 10 kHz Raster mit etwas größer Bandbreite schon besser.

Die HF-Bandbreite ( B )   definiert sich somit

B = 2 x f, NF-Band

 

Beispiel Bandbreite:

– Trägerfrequenz 1000 kHz

– Nutzsignal 1 kHz ( NF-Ton, blau eingezeichnet )

seitenbänder 22

Quelle Internet Wikipedia

 

An diesem einfachen Beispiel wird ein AM Rundfunksender bei einer HF-Frequenz von 1000 kHz      ( Mittelwellen Band ) mit einem NF- Nutzsignal ( 1 kHz Ton ) moduliert.

Dabei entstehen folgende Signale:

– untere Seitenfrequenz ( Differenzfrequenz von 1000 kHz – 1 kHz = 999 kHz )

– obere Seitenfrequenz,  ( Summenfrequenz von 1000 kHz + 1 kHz= 1001 kHz)

Für die Übertragung des Sprachfrequenzbandes erfolgt dies nach dem genau gleichen Prinzip, wobei bei 4 kHz die Bandbreite ( Kanalraster Mittelwelle ) begrenzt werden muss.

 

 

2.3 Praktische Realisierung der Modulation

am mod 444

 

Quelle Internet Wikipedia

 

Das Informationssignal ( NF ) stammt aus einem „Mikrofon“ oder „Tonträger.“

Die Trägerfrequenz ( HF ) wird in einer Oszillatorschaltung erzeugt.

Im AM-Modulator wird das NF-Nutzsignal ( NF ) zur Trägerfrequenz ( HF ) addiert resp. subtrahiert.

Wie bereits erwähnt entstehen dabei, nach dem Additionstheorem für Winkelfunktionen, Summen- und Differenzfrequenzen

Am Ausgang der Mischstufe, nach der Bandpassfilterung

( max. NF-Frequenz 4 kHz begrenzt für 8 kHz Bandbreite ),

wird das amplitudenmodulierte HF-Signal ausgegeben.

Der HF-Verstärker erzeugt die gewünschte Sendeleistung ( kW ).

Über eine Zuleitung gelangt das HF-Signal zur Antenne und wird dort als elektromagnetische Welle abgestrahlt.

 

2.4 Zusammenfassung AM:

Die Amplitudenmodulation ( AM ) ist ein Modulationsverfahren, bei dem die Amplitude des hochfrequenten Gesamtsignals ( HF ) in Abhängigkeit des niederfrequenzen Nutzsignal ( NF ) verändert wird.

Die Bandbreite ist:                 B = 2 x f, NF-Band

 

 

3. Einseitenbandmodulation SSB ( LSB oder USB )

 

3.1 Grundlagen, DSB, SSB, LSB, USB

Nach der Beschreibung Amplitudenmodulation mit Träger ( AM ) kommen wir nun zuerst zur Doppelseitenbandmodulation DSB

und dann zur Einseitenbandmodulation SSB ( LSB oder USB )

a) Doppelseitenband  DSB

trägerfrequenz unterdrückt

Quelle Internet Wikipedia

Bild: Doppelseitenband DSB ( LSB und USB gleichzeitig ausgestrahlt! ), Trägerfrequenz unterdrückt.  

Nicht zulässig im Amateurfunk !

Moduliert man beispielsweise einen Träger von 3700 kHz mit einer Frequenz von 1 kHz, so erhält man außer der Trägerfrequenz noch die Seitenfrequenzen 3699 kHz und 3701 kHz.

Auch wenn man nun den Träger unterdrückt, kann eine Frequenz von 3699 kHz ( unteres Seitenband LSB ) oder 3701 kHz ( oberes Seitenband USB ) von einer Antenne abgestrahlt werden.

Das bedeutet:

Die Seitenbandfrequenzen liegen bereits im Hochfrequenzbereich.

 

b) Einseitenbandmodulation SSB ( LSB oder USB )

 

ssb lsb

Quelle Internet  Wikipedia

 

Bild:  Einseitenband SSB, Trägerfrequenz unterdrückt, Amateurfunk:  LSB oder USB.

Aus der Doppelseitenbandmodulation DSB kann die Einseitenmodulation SSB durch unterdrücken des LSB– oder USB– Bandes erreicht werden.

Diese Modulationsart heißt dann Einseitenbandmodulation SSB ( Single-Side-Band ).

 

 

3.2 Einseitenbandmodulation SSB (LSB oder USB)

Die Einseitenbandmodulation SSB ( LSB oder USB ) ist ein spektrums- und energieeffizientes Modulationsverfahren.

Im Amateurfunk wird unterschieden zwischen dem

unteren Seitenband LSB ( Lower Side Band,  160 m, 80m, 40m-Band )

und dem

oberen Seitenband USB  ( Upper Side Band, 20 m, 17 m, 15 m, 12 m, 10 m-Band )

Technische Vorteile der Seitenbandmodulation SSB:

Bei der Einseitenbandmodulation SSB wird die gesamte Sendeenergie ausschließlich für den Informationsgehalt des NF-Signals verwendet.

Dadurch werden  größere Reichweiten und bessere Störabstände erzielt.

Die Modulationsart SSB hat gegenüber AM entscheidende Vorteile:

– SSB ( LSB oder USB ) halbiert den Bandbreitenbedarf

– Die Störanfälligkeit bei SSB ( LSB oder USB ) wird reduziert.

Das SSB-Signal hat sich im Kurwellenbereich als besonders robust gegen Fading und atmosphärische Störungen erwiesen.

 

3.3 Bandbreite SSB

Die Bandbreite bei SSB ergibt sich aus der Differenz der höchsten und der niedrigsten vorkommenden NF-Frequenz.

Bandbreite B,

SSB = f NF max.

SSB = f NF min.

Vereinfacht Bandbreite B,

SSB = ungefähr  maximale NF- Frequenz

Die Bandbreite eines SSB-Signals ist praktisch identisch mit der Bandbreite des NF-Signals.

 

 

3.3. Die SSB Erzeugung ( LSB oder USB )

Übersicht:

Die Technik zur Aufbereitung des SSB-Signals ist vergleichsweise teuer und stand der Einführung der Einseitenbandmodulation jahrzehntelang im Weg!

In der Ära der analogen Signalverarbeitung waren zur Erzeugung eines SSB-Signals

– die Filtermethode,

– die Phasenmethode,

– die Weaver-Methode

gebräuchlich, die mit Hilfe von „Multiplizierern“ und „Filtern“ eine mehr oder weniger gutes  SSB-Signals erlaubten.

Heutige Geräte digitalisieren das Basisbandsignal ( NF ) und erzeugen das SSB-Signal durch digitale Implementierung der „Phasenmethode“ oder „Weaver-Methode“, wobei nach der Digital- /Analog-Rückwandlung das SSB-Signal als solches analog wieder zur Verfügung steht.

 

3.3.1 Filtermethode ( analog )

An Hand der früher verwendeten Filtermethode kann die SSB Erzeugung sehr gut und einfach erklärt werden:

 

einseitenband 444

Quelle Internet Wikipedia

Bild: SSB Erzeugung mit Filtermethode, analog ( früher ), Blockschaltbild Erläuterungen zur SSB

Erzeugung:

– Der Trägeroszillator A erzeugt die Hochfrequenz ( HF )

– Die Niederfrequenz ( NF ) B wird in einem Ringmodulator C moduliert

– Es entsteht eine Zweiseitenbandmodulation ( DSB ) ohne HF-Träger

– Diese wird über ein Filter D ( SSB ) geschickt und nur ein Seitenband ( LSB oder USB )  durchgelassen.

 

3.3.2 Phasenmethode

Bei der Phasenmethode, die dem IQ-Verfahren ( In-Phase-&-Quadrature-Verfahren )  entspricht, entfällt das teure Filter D ( wie bei „Filtermethode“ dargestellt )

 

phasenmethode

 

Quelle Internet Wikipedia

Bild:  SSB-Erzeugung nach Phasenmethode, durch „Vorzeichenwechsel“ im I- oder Q-Zweig.

Dabei ist es sehr problematisch, diesen Wert im gesamten Sprachfrequenzbereich von 300 Hz bis 3500 Hz mit den Bauteilen der „Analogtechnik“ zu erzeugen.

Jede Abweichung führt zu schlechter Unterdrückung des unerwünschten Seitenbandes.

 

3.3.3 Weaver – Methode ( digital )

Heute wird fast immer die “ Weaver- Methode“ ( digital ) zur Modulation ( TX ) und Empfang ( RX ) verwendet.

Professor Weaver hat diese Methode ( auch 3. Methode genannt ) 1960 als Patent angemeldet.

 

w methode

 

Bild von PA3ECT:

SSB-Erzeugung nach „Weaver-Methode“ ( 3. Methode )

Erklärungsversuch:

Heute wird fast nur noch die „Weaver-Methode“ verwendet, die mit digitalen Bausteinen eine preiswerte Aufbereitung des SSB-Signals erlaubt.

Dabei wird das analoge Sprachsignal digitalisiert und mit „Hilbert-Transformation“                       ( Funktionsalanysis ) und „IQ-Modulator“ ( In-Phase-&-Quadrature-Verfahren ) erzeugt.

Durch die Aufteilung in die beiden Signalflusswege I und Q werden Spiegelungen und Phasenverschiebungen der Signale ( 180°/90°/-90° ) erzeugt.

Zudem wird bei der „Weaver-Methode“ ein „LO“-Signal von 1700 Hz in der Mitte des Audiobands eingeführt.

Dieses „LO“-Signal von 1700 Hz dient als Zentrierung für Frequenzspiegelungen oberhalb und unterhalb dieses „LO“-Signals.

( Erklärung:  Wie ein Blatt Papier das gefaltet wird )

Dies hat zur Folge, dass die SSB-Audiobandbreite auf ca. 200 Hz bis 3200 Hz begrenzt wird.

LSB und USB sind dann spiegelbildlich und können gut auf das gewünschte Seitenband                      ( LSB oder USB ) ausgefiltert werden.

weaver Bild

 

Bild von PA3ECT:

Obere Bildhälfte:   Phasen- Methode nach „Hartley“

Untere Bildhälfte:   „Weaver-Methode“ ( „LO“ Signal beachten bei 1700 Hz )

Nach der Digital /Analog-Wandlung kann das SSB-Signal ( LSB oder USB )  in analoger Form weiterverwendet werden.

Die „Weaver-Methode“ ist nicht einfach zu verstehen, doch sie ist sehr gut für Einseitenband-Modulation  ( TX ) und Einseitenband- Demodulation (  RX  ) einsetzbar.

Für weitere Technische Details dieser Methode verweise ich auf das Internet

http://pa3ect.eu/Weaver%20eng.html

 

 

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