Difference between revisions of "Modulation Methods/Envelope Demodulation"

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{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Amplitudenmodulation und AM–Demodulation
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|Untermenü=Amplitude Modulation and Demodulation
|Vorherige Seite=Synchrondemodulation
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|Vorherige Seite=Synchronous Demodulation
|Nächste Seite=Einseitenbandmodulation
+
|Nächste Seite=Single-Sideband Modulation
 
}}
 
}}
==Funktionsweise bei idealen Bedingungen==
+
==Functionality under ideal conditions==
 
<br>
 
<br>
Wir gehen zunächst von folgenden Voraussetzungen aus:  
+
We first assume the following conditions:
*Das Quellensignal &nbsp;$q(t)$&nbsp; sei gleichsignalfrei und betragsmäßig auf &nbsp;$q_{\rm max}$&nbsp; begrenzt.  
+
*Let the source signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; be free of a DC component and limited in magnitude to &nbsp;$q_{\rm max}$.
*Die Übertragung basiert auf dem Modulationsverfahren „ZSB–AM mit Träger”.&nbsp;  
+
*Zur einfacheren Darstellung wird die Trägerphase ohne Einschränkung der Allgemeingültigkeit &nbsp;$\mathbf{ϕ_{\rm T} } = 0$&nbsp; gesetzt:
+
*The transmission is based on the modulation method&nbsp; "DSB–AM with carrier".&nbsp;
 +
 
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*For simplicity of representation,&nbsp; the carrier phase is set to &nbsp;$\mathbf{ϕ_{\rm T} } = 0$&nbsp; without restricting generality:
 
:$$s(t) = \left(q(t) + A_{\rm T}\right)  \cdot \cos (\omega_{\rm T}\cdot t )\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$s(t) = \left(q(t) + A_{\rm T}\right)  \cdot \cos (\omega_{\rm T}\cdot t )\hspace{0.05cm}.$$
*Der Modulationsgrad sei &nbsp;$m ≤ 1$.&nbsp; Aus der Definition &nbsp;$m = q_{\rm max}/A_{\rm T}$&nbsp; folgt somit auch &nbsp;$q(t) + A_{\rm T} ≥ 0$.  
+
 
*Der Kanal sei ideal, das heißt, es gibt keine Verzerrungen, keine Dämpfung, keine Laufzeit und keine (Rausch–) Störungen.  
+
*Let the modulation depth be&nbsp;$m ≤ 1$.&nbsp; Therefore,&nbsp; from the definition&nbsp; $m = q_{\rm max}/A_{\rm T}$&nbsp; it also follows that &nbsp;$q(t) + A_{\rm T} ≥ 0$.
*Mit &nbsp;$H_{\rm K}(f) = 1$&nbsp; und &nbsp;$n(t) \equiv 0$&nbsp; erhält man somit für das Empfangssignal:  
+
:$$r(t) = s(t) = a(t)  \cdot \cos (\omega_{\rm T}\cdot t )\hspace{0.05cm}.$$
+
*Let the channel be ideal,&nbsp; that is,&nbsp; there is no distortion,&nbsp; no attenuation,&nbsp; no delay,&nbsp; no  interference,&nbsp; and no noise.
*In dieser Gleichung bezeichnet &nbsp;$a(t)$&nbsp; die&nbsp; '''Hüllkurve'''&nbsp; von &nbsp;$r(t)$.&nbsp; Die Phasenfunktion ist &nbsp;$\mathbf{ϕ}(t) = 0$.  
+
 
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*Thus,&nbsp; when &nbsp;$H_{\rm K}(f) = 1$&nbsp; and &nbsp;$n(t) \equiv 0$&nbsp; we get for the received signal:  
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:$$r(t) = s(t) = a(t)  \cdot \cos (\omega_{\rm T}\cdot t )\hspace{0.05cm}$$
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 +
*In this equation, &nbsp;$a(t)$&nbsp; describes the&nbsp; &raquo;'''envelope'''&laquo;&nbsp; of the received signal &nbsp;$r(t)$.&nbsp; The phase function is &nbsp;$\mathbf{ϕ}(t) = 0$.  
  
  
 
{{BlaueBox|TEXT=
 
{{BlaueBox|TEXT=
$\text{Definition:}$ &nbsp; Ein&nbsp; '''Hüllkurvendemodulator'''&nbsp; detektiert die Hüllkurve &nbsp;$a(t)$&nbsp; seines Eingangssignals &nbsp;$r(t)$&nbsp; und gibt diese nach Eliminierung des Gleichanteils &nbsp;$A_{\rm T}$&nbsp; als Sinkensignal aus:  
+
$\text{Definition:}$ &nbsp; An &nbsp; &raquo;'''envelope demodulator'''&laquo;&nbsp; detects the envelope &nbsp;$a(t)$&nbsp; of its input signal &nbsp;$r(t)$&nbsp; and outputs the sink signal after eliminating the DC component &nbsp;$A_{\rm T}$:  
 
:$$v(t) = a(t) - A_{\rm T}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$v(t) = a(t) - A_{\rm T}\hspace{0.05cm}.$$
Die Entfernung des Gleichanteils &nbsp;$A_{\rm T}$&nbsp; kann beispielsweise durch einen Hochpass realisiert werden, der alle Frequenzen bis auf $f = 0$&nbsp; ungehindert passieren lässt.}}
+
The removal of the DC component &nbsp;$A_{\rm T}$&nbsp; can be realized,&nbsp; for example,&nbsp; by a high-pass filter that allows all frequencies to pass unimpeded except for&nbsp; $f = 0$&nbsp;.}}
  
  
*Sind alle obigen Voraussetzungen erfüllt, so gilt &nbsp;$v(t) = q(t)$.  
+
*If all the above conditions are met,&nbsp; then&nbsp;$v(t) = q(t)$&nbsp; holds.
*Das bedeutet, dass mit einem (idealen) Hüllkurvendemodulator durchaus ein ideales Nachrichtenübertragungssystem realisiert werden kann.  
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*This means that an ideal communication system can certainly be realized with an&nbsp; (ideal)&nbsp; envelope demodulator.
  
  
[[File:P_ID1019__Mod_T_2_3_S1_neu.png|right|frame|Signalverläufe zur Verdeutlichung der Hüllkurvendemodulation]]
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[[File:P_ID1019__Mod_T_2_3_S1_neu.png|right|frame|Signal waveforms illustrating envelope demodulation]]
  
 
{{GraueBox|TEXT=
 
{{GraueBox|TEXT=
$\text{Beispiel 1:}$ &nbsp; In der Grafik ist unten das Empfangssignal &nbsp;$r(t) = s(t)$&nbsp; dargestellt, wobei „ZSB–AM mit Träger” zugrunde liegt $($Modulationsgrad &nbsp;$m = 0.5)$.  
+
$\text{Example 1:}$ &nbsp; In the graph,&nbsp; the received signal &nbsp;$r(t) = s(t)$&nbsp; is shown below,&nbsp; and is based on&nbsp; "DSB–AM with carrier”&nbsp; $($modulation depth &nbsp;$m = 0.5)$.  
*Die vom Hüllkurvendemodulator auszuwertende Hüllkurve &nbsp;$a(t)$&nbsp; ist gleich der Summe aus dem Quellensignal &nbsp;$q(t)$&nbsp; und dem beim Sender zugesetzten Gleichanteil &nbsp;$A_{\rm T}$.  
+
*The envelope &nbsp;$a(t)$&nbsp; to be evaluated by the envelope demodulator is equal to the sum of the source signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; and the DC component &nbsp;$A_{\rm T}$&nbsp; added at the transmitter.
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*$v(t) = q(t)$&nbsp; holds for the demodulator output signal after removing the DC component &nbsp;$A_{\rm T}$&nbsp; with a high-pass filter,&nbsp; assuming that the source signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; did not include a DC component.&nbsp; Such a DC component would&nbsp; (wrongly)&nbsp; also be removed by the high-pass filter.}}
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==Realizing an envelope demodulator==
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[[File: EN_Mod_T_2_3_S2.png|right|frame|Principle of envelope demodulation in the time domain]]
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The adjacent graph shows:
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*above,&nbsp; a simple possible realization of the envelope demodulator,
  
*Für das Demodulatorausgangssignal nach Eliminierung des Gleichanteils &nbsp;$A_{\rm T}$&nbsp; mit einem Hochpass gilt &nbsp;$v(t) = q(t)$, vorausgesetzt, dass das Quellensignal &nbsp;$q(t)$&nbsp; keinen Gleichanteil beinhaltet hat.&nbsp; Ein solcher würde (fäschlicherweise) durch den Hochpass ebenfalls entfernt. }}
+
*below,&nbsp; the signals &nbsp;$r(t)$&nbsp; and &nbsp;$w(t)$&nbsp; to illustrate the principle.  
  
  
==Realisierung eines Hüllkurvendemodulators==
+
First,&nbsp; consider the middle signal section denoted by &nbsp;$T = T_{\rm opt}$.
[[File: P_ID1020__Mod_T_2_2_S2_v80Ganz_neu.png|frame|Hüllkurvendemodulator | rechts]]
 
Die nebenstehende Grafik zeigt
 
*oben eine einfache Realisierungsmöglichkeit des Hüllkurvendemodulators,  
 
*unten die Signale &nbsp;$r(t)$&nbsp; und &nbsp;$w(t)$&nbsp; zur Verdeutlichung des Prinzips.  
 
  
 +
The first circuit section – consisting of a diode and a parallel connection of a resistor &nbsp;$R$&nbsp; and a capacitance&nbsp;$C$&nbsp; – performs the following tasks:
 +
*If the&nbsp; (light)&nbsp; gray signal&nbsp; $r(t)$&nbsp;is larger than the voltage &nbsp;$w(t)$&nbsp; at &nbsp;$R$&nbsp; and &nbsp;$C$,&nbsp; the diode conducts, &nbsp;$w(t) = r(t)$&nbsp; holds,&nbsp; and the capacitance&nbsp; $C$&nbsp;  is charged.  In these regions,&nbsp; $w(t)$&nbsp; is drawn in green.
  
Betrachten Sie zunächst den mit &nbsp;$T = T_{\rm opt}$&nbsp; bezeichneten mittleren Signalausschnitt.
+
*If &nbsp;$r(t) < w(t)$,&nbsp; as is the case at the times marked in purple,&nbsp; the diode blocks and the capacitance discharges through resistor &nbsp;$R$.&nbsp;  The signal &nbsp;$w(t)$&nbsp; decays exponentially with time constant &nbsp;$T = R · C$.
  
Der erste Schaltungsteil – bestehend aus einer Diode und der Parallelschaltung eines Widerstandes &nbsp;$R$&nbsp; und einer Kapazität &nbsp;$C$&nbsp; – erfüllt folgende Aufgaben:
+
*From the times marked with circles, &nbsp;$r(t) > w(t)$&nbsp; holds again and the capacitance is recharged.&nbsp; It can be seen from the sketch that &nbsp;$w(t)$&nbsp; matches&nbsp; "approximately"&nbsp; the envelope &nbsp;$a(t)$.
*Ist das (hell)grau gezeichnete Signal &nbsp;$r(t)$&nbsp; größer als die Spannung &nbsp;$w(t)$&nbsp; an &nbsp;$R$&nbsp; und &nbsp;$C$, so leitet die Diode, es gilt &nbsp;$w(t) = r(t)$&nbsp; und die Kapazität $C$ wird aufgeladen.&nbsp; In diesen Bereichen ist das Signal &nbsp;$w(t)$&nbsp; grün gezeichnet.
 
*Gilt &nbsp;$r(t) < w(t)$&nbsp; wie zu den violett markierten Zeiten, so sperrt die Diode und die Kapazität entlädt sich über den Widerstand &nbsp;$R$.&nbsp; Das Signal &nbsp;$w(t)$&nbsp; fällt exponentiell mit der Zeitkonstanten &nbsp;$T = R · C$&nbsp; ab.
 
*Ab den mit Kreisen markierten Zeitpunkten gilt wieder &nbsp;$r(t) > w(t)$&nbsp; und die Kapazität wird wieder aufgeladen.&nbsp; Man erkennt aus der Skizze, dass &nbsp;$w(t)$&nbsp; &bdquo;in etwa&rdquo; mit der Hüllkurve &nbsp;$a(t)$&nbsp; übereinstimmt.  
 
  
  
 
{{BlaueBox|TEXT=
 
{{BlaueBox|TEXT=
$\text{Design-Kriterien:}$ &nbsp;  
+
$\text{Design criteria:}$ &nbsp;  
*Die Abweichungen zwischen der Hüllkurven&ndash;Näherung &nbsp;$w(t)$&nbsp; und dessen Sollfunktion &nbsp;$a(t)$&nbsp; sind um so geringer, je größer die Trägerfrequenz &nbsp;$f_{\rm T}$&nbsp; im Vergleich zur Bandbreite &nbsp;$B_{\rm NF}$&nbsp; des niederfrequenten Nachrichtensignals ist.&nbsp; Als Richtwert wird oft &nbsp;$f_{\rm T} ≥ 100 · B_{\rm NF}$&nbsp; angegeben.  
+
*The deviations between the envelope approximation &nbsp;$w(t)$&nbsp; and its nominal function &nbsp;$a(t)$&nbsp; decrease the larger the carrier frequency &nbsp;$f_{\rm T}$&nbsp; is compared to the bandwidth &nbsp;$B_{\rm NF}$&nbsp; of the low frequency message signal.&nbsp; As a guideline, &nbsp;$f_{\rm T} ≥ 100 · B_{\rm NF}$&nbsp; is often given.
*Gleichzeitig sollte die Zeitkonstante &nbsp;$T$&nbsp; des RC&ndash;Parallelschwingkreises stets sehr viel größer als &nbsp;$1/f_{\rm T}$&nbsp; und sehr viel kleiner als &nbsp;$1/B_{\rm NF}$&nbsp; sein.&nbsp; Ein guter Kompromiss ist das geometrische Mittel zwischen beiden Grenzen:  
+
 
:$$1/f_{\rm T}\hspace{0.1cm} \ll \hspace{0.1cm} T  \hspace{0.1cm} \ll  \hspace{0.1cm} 1/B_{\rm NF} \hspace{0.05cm}, \hspace{2cm} T_{\rm opt} = {1}/{\sqrt{f_{\rm T} \cdot B_{\rm NF} } } \hspace{0.05cm}.$$
+
*At the same time,&nbsp; the time constant &nbsp;$T$&nbsp; of the RC parallel resonant circuit should always be much larger than &nbsp;$1/f_{\rm T}$&nbsp; and much smaller than &nbsp;$1/B_{\rm NF}$:
*Ist die Zeitkonstante &nbsp;$T$&nbsp; zu klein wie im linken Bereich obiger Skizze, so entlädt der Kondensator stets zu schnell und die Abweichung &nbsp;$w(t) \ – \ a(t)$&nbsp; ist unnötig groß.  
+
:$$1/f_{\rm T}\hspace{0.1cm} \ll \hspace{0.1cm} T  \hspace{0.1cm} \ll  \hspace{0.1cm} 1/B_{\rm NF} \hspace{0.05cm}, $$
*Auch ein zu großer Wert &nbsp;$T > T_{\rm opt}$&nbsp; führt zu einer Verschlechterung, wie im rechten Signalausschnitt dargestellt.&nbsp; In diesem Fall kann &nbsp;$w(t)$&nbsp; der Hüllkurve &nbsp;$a(t)$&nbsp; nicht mehr folgen.}}
+
 
 +
*A good compromise is the geometric mean between the two limits:
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:$$ T_{\rm opt} = {1}/{\sqrt{f_{\rm T} \cdot B_{\rm NF} } } \hspace{0.05cm}.$$
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 +
*If the time constant &nbsp;$T$&nbsp; is too small,&nbsp; as in the left area of the sketch above,&nbsp; the capacitor will always discharge too quickly and the deviation &nbsp;$w(t) \ – \ a(t)$&nbsp; will be unnecessarily large.
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*Also,&nbsp; a too large value &nbsp;$T > T_{\rm opt}$&nbsp; will result in deterioration,&nbsp; as shown in the right signal detail.&nbsp; In this case, &nbsp;$w(t)$&nbsp; can no longer follow the envelope &nbsp;$a(t)$.}}
  
  
 
{{GraueBox|TEXT=
 
{{GraueBox|TEXT=
$\text{Beispiel 2:}$ &nbsp; Bei einer NF–Bandbreite von &nbsp;$5 \ \rm kHz$&nbsp; sollte die Trägerfrequenz mindestens &nbsp;$500 \ \rm kHz$&nbsp; gewählt werden.  
+
$\text{Example 2:}$ &nbsp; For a low frquency bandwidth of &nbsp;$B_{\rm NF} = 5 \ \rm kHz$,&nbsp; the carrier frequency should be at least &nbsp;$f_{\rm T} = 500 \ \rm kHz$&nbsp;.  
*Die Zeitkonstante &nbsp;$T$&nbsp; muss sehr viel größer als &nbsp;$1/f_{\rm T} = 2 \ \rm  &micro; s$&nbsp; und gleichzeitig sehr viel kleiner als &nbsp;$1/B_{\rm NF} = 200 \ \rm &micro;  s $ sein.  
+
*The time constant &nbsp;$T$&nbsp; must be much larger than &nbsp;$1/f_{\rm T} = 2 \ \rm  &micro; s$&nbsp; and at the same time much smaller than &nbsp;$1/B_{\rm NF} = 200 \ \rm &micro;  s $.
*Der optimale Wert entsprechend der Kompromissformel ist dann:
+
 
 +
*The optimal value according to the compromise formula is thus:
 
:$$T_{\rm opt} =  1/\sqrt{ 5 \cdot 10^5 \ {\rm Hz} \cdot 5 \cdot 10^3 \ {\rm Hz} } = 20 \ \rm &micro; s \hspace{0.05cm}.$$ }}
 
:$$T_{\rm opt} =  1/\sqrt{ 5 \cdot 10^5 \ {\rm Hz} \cdot 5 \cdot 10^3 \ {\rm Hz} } = 20 \ \rm &micro; s \hspace{0.05cm}.$$ }}
  
  
[[File:Mod_T_2_3_S2b_version2.png|right|frame|Beschreibung des Hüllkurvendemodulators im Frequenzbereich]]
+
[[File:EN_Mod_T_2_3_S2b.png|right|frame|Frequency domain representation of an envelope demodulator]]
Die rechte  Grafik soll die Wirkungsweise des Hüllkurvendemodulators im Frequenzbereich verdeutlichen.&nbsp; Das Spektrum &nbsp;$W(f)$&nbsp; des Signals &nbsp;$w(t)$&nbsp; an der RC–Parallelschaltung unterscheidet sich vom Spektrum &nbsp;$Q(f)$&nbsp; des Quellensignals wie folgt:  
+
The graph on the right is intended to illustrate the operation of the envelope demodulator in the frequency domain. The spectrum &nbsp;$W(f)$&nbsp; of the signal &nbsp;$w(t)$&nbsp; at the RC parallel circuit differs from the spectrum  &nbsp;$Q(f)$&nbsp; of the source signal as follows:
*Aufgrund des beim Sender zugesetzten Trägersignals &nbsp;$z(t)$&nbsp; beinhaltet die Spektralfunktion &nbsp;$W(f)$&nbsp; eine Diraclinie bei &nbsp;$f = 0$&nbsp; mit dem Gewicht &nbsp;$A_{\rm T}$&nbsp; (Trägeramplitude).  
+
*Due to the carrier signal &nbsp;$z(t)$&nbsp; added at the transmitter,&nbsp; the spectral function &nbsp;$W(f)$&nbsp; includes a Dirac delta line at &nbsp;$f = 0$&nbsp; with weight &nbsp;$A_{\rm T}$&nbsp; (carrier amplitude).
* $W(f)$&nbsp; weist zudem auch Spektralanteile im Bereich um die Trägerfrequenz &nbsp;$f_{\rm T}$&nbsp; auf, die sich mit dem gezackten Zeitverlauf &nbsp;$w(t)$&nbsp; erklären lassen&nbsp; (siehe erste Grafik zu diesem Abschnitt).  
+
 
*Auch im NF–Bereich unterscheidet sich &nbsp;$W(f)$&nbsp; gegenüber &nbsp;$Q(f)$&nbsp; geringfügig.&nbsp; Der Fehler wird dabei um so geringer sein, je größer die Trägerfrequenz im Vergleich zur NF-Bandbreite ist.  
+
* $W(f)$&nbsp; also exhibits spectral components in the region around the carrier frequency  &nbsp;$f_{\rm T}$,&nbsp; which can be explained by the jagged time course of &nbsp;$w(t)$&nbsp; (see the first graph in this section).
 +
 
 +
*&nbsp;$W(f)$&nbsp; also differs only slightly from &nbsp;$Q(f)$&nbsp; in the low frequency domain.&nbsp; Here,&nbsp; the error gets smaller as the carrier frequency increases compared to the bandwidth&nbsp; $B_{\rm NF}$.
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
Die zwei erstgenannten Signalverfälschungen werden durch den Hochpass und den Tiefpass eliminiert, die zusammen einen Bandpass ergeben.&nbsp; Es bleibt aber auch eine geringfügige Abweichung zwischen dem Sinkensignal &nbsp;$v(t)$&nbsp; und dem Quellensignal &nbsp;$q(t)$&nbsp; im interessanten Bereich &nbsp;$0 < f < B_{\rm NF}$&nbsp; erhalten, wie aus dem Vergleich des rot eingezeichneten Ausgangsspektrums &nbsp;$V(f)$&nbsp; und des blau hinterlegten Eingangsspektrums &nbsp;$Q(f)$&nbsp; hervorgeht.  
+
The first two signal distortions are eliminated by the high-pass and low-pass filters,&nbsp; which together produce a band-pass. However,&nbsp; there also remains a slight deviation between the sink signal &nbsp;$v(t)$&nbsp; and the source signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; in the interesting range &nbsp;$0 < f < B_{\rm NF}$,&nbsp; as shown by comparing the output spectrum &nbsp;$V(f)$&nbsp; plotted in red and the input spectrum &nbsp;$Q(f)$&nbsp; plotted in blue.
 +
 
  
==Warum die Hüllkurvendemodulation bei&nbsp; $m > 1$&nbsp; versagt==
+
==Why does envelope demodulation fail for&nbsp; $m > 1$?==
 
<br>
 
<br>
[[File:Mod_T_2_3_S3_version2.png|right|frame|Hüllkurvendemodulation mit&nbsp; $m  < 1$&nbsp; (oben) und&nbsp;  $m  > 1$&nbsp; (unten)]]
 
Die Grafik zeigt die ZSB–AM–Signale für &nbsp;$m = 0.5$&nbsp; und &nbsp;$m = 2$.&nbsp;
 
  
Aus dieser Darstellung erkennt man folgende Unterschiede:  
+
The graph shows the DSB-AM signals for &nbsp;$m = 0.5$&nbsp; and &nbsp;$m = 2$.&nbsp; From this picture one can recognize the following differences:
 +
[[File:Mod_T_2_3_S3_version2.png|right|frame|Envelope demodulation  when&nbsp; $m  < 1$&nbsp; (above) and&nbsp;  $m  > 1$&nbsp; (below)]]
  
* Bei einem Modulationsgrad &nbsp;$m ≤ 1$&nbsp; gilt für die Hüllkurve des Bandpass–Signals:  
+
* For a modulation depth &nbsp;$m ≤ 1$&nbsp; the envelope of the band-pass signal is characterized by:
:$$a(t) = q(t) + A_{\rm T}\hspace{0.05cm}.$$
+
::$$a(t) = q(t) + A_{\rm T}\hspace{0.05cm}.$$
:Hier ist mit dem Hüllkurvendemodulator eine ideale Demodulation möglich &nbsp; &rArr; $v(t) = q(t)$, wenn man das unvermeidbare Rauschen außer Betracht lässt.
+
:Here,&nbsp; an ideal demodulation &nbsp; &rArr; &nbsp; $v(t) = q(t)$&nbsp; is possible with an envelope demodulator,&nbsp; if we ignore unavoidable noise.
  
* Dagegen gilt bei &nbsp;$m > 1$&nbsp; folgender Zusammenhang:  
+
* In contrast,&nbsp; with &nbsp;$m > 1$&nbsp; the following relationship holds:
:$$a(t) = | q(t) + A_{\rm T}|\hspace{0.05cm}.$$
+
::$$a(t) = |q(t) + A_{\rm T} |\hspace{0.05cm}.$$  
:Hier führt die Hüllkurvendemodulation stets zu &nbsp;[[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Nichtlineare_Verzerrungen|nichtlinearen Verzerrungen]].  
+
#Here,&nbsp; envelope demodulation always leads to &nbsp;[[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Nonlinear_Distortions|$\text{nonlinear distortions}$]].
:*Das Sinkensignal &nbsp;$v(t)$&nbsp; wird nun auch neue Frequenzen beinhalten, die in &nbsp;$q(t)$&nbsp; nicht vorhanden waren.
+
#The sink signal &nbsp;$v(t)$&nbsp; now includes new frequencies,&nbsp; which were not present in&nbsp;$q(t)$.
:*Für den Gleichanteil (Erwartungswert) der Hüllkurve gilt in diesem Fall: &nbsp;  
+
#For the DC component&nbsp;(expected value)&nbsp; of the envelope,  in this case it holds that: <br> &nbsp; &nbsp;${\rm E}[a(t)] \ne  A_{\rm T}\hspace{0.05cm}.$
::$${\rm E}[a(t)] \ne  A_{\rm T}\hspace{0.05cm}.$$
+
#Since now instead of &nbsp;$A_{\rm T}$&nbsp; this DC component &nbsp;${\rm E}[a(t)]$&nbsp; is removed by the high-pass filter,&nbsp; an additional level shift occurs.
:*Da nun anstelle von &nbsp;$A_{\rm T}$&nbsp; dieser Gleichanteil &nbsp;${\rm E}[a(t)]$&nbsp; durch den Hochpass entfernt wird, kommt es zusätzlich zu einer Pegelverschiebung.  
 
  
==Beschreibung mit Hilfe des äquivalenten Tiefpass–Signals==
+
==Description using the equivalent low-pass signal==
 
<br>
 
<br>
Insbesondere dann, wenn das Quellensignal &nbsp;$q(t)$&nbsp; als Summe mehrerer harmonischer Schwingungen dargestellt werden kann, ist eine Signalbeschreibung mit dem äquivalenten Tiefpass–Signal &nbsp;$|r_{\rm TP}(t)|$&nbsp; äußerst vorteilhaft.&nbsp;  Dieses wurde im Buch &nbsp;[[Signal_Representation/Equivalent_Low_Pass_Signal_and_Its_Spectral_Function|Signaldarstellung]]&nbsp; ausführlich beschrieben.  
+
Especially when the source signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; can be represented as a sum of several harmonic oscillations,&nbsp; a signal description with the equivalent low-pass signal &nbsp;${r_{\rm TP}(t)}$&nbsp; is extremely advantageous.&nbsp;  This is described in detail in the book &nbsp;[[Signal_Representation/Equivalent_Low-Pass_Signal_and_its_Spectral_Function|"Signal Representation"]].  
  
 
{{BlaueBox|TEXT=
 
{{BlaueBox|TEXT=
$\text{Bitte beachten Sie:}$&nbsp; Lässt man Rauschen/Störungen außer Betracht, so kann für das&nbsp; '''Empfangssignal'''&nbsp; geschrieben werden:  
+
$\text{Please note:}$&nbsp; If noise/interference is disregarded,&nbsp; the&nbsp; &raquo;'''received signal'''&laquo;&nbsp; can be written as:
 
:$$r(t) = a(t)  \cdot \cos (\omega_{\rm T}\cdot t + \phi(t))\hspace{0.05cm}.$$}}
 
:$$r(t) = a(t)  \cdot \cos (\omega_{\rm T}\cdot t + \phi(t))\hspace{0.05cm}.$$}}
  
  
Diese Gleichung gilt für jede Form der Amplitudenmodulation bei unterschiedlichen Randbedingungen:  
+
This equation is valid for any form of amplitude modulation under different boundary conditions:
*Zweiseitenband (ZSB) oder Einseitenband (ESB),  
+
*Double sideband (DSB) or single sideband (SSB),
*mit oder ohne Träger,  
+
*idealer Kanal oder linear verzerrender Kanal.  
+
*with or without a carrier,  
 +
 
 +
*ideal channel or linear distorting channel.  
  
  
 
{{BlaueBox|TEXT=
 
{{BlaueBox|TEXT=
Das dazugehörige&nbsp; '''äquivalente Tiefpass–Signal'''&nbsp; ist im allgemeinen Fall komplex und lautet:  
+
$\text{In general}$:&nbsp; The associated&nbsp; &raquo;'''equivalent low-pass signal'''&laquo;&nbsp; (German:&nbsp; "äquivalentes Tiefpass&ndash;Signal" &nbsp; &rArr; &nbsp; subscript&nbsp; "TP")&nbsp;is complex and given as:  
 
:$$r_{\rm TP}(t) = a(t)  \cdot {\rm e}^{\hspace{0.03cm}{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} \phi(t)}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$r_{\rm TP}(t) = a(t)  \cdot {\rm e}^{\hspace{0.03cm}{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} \phi(t)}\hspace{0.05cm}.$$
  
Die in den Gleichungen enthaltenen Zeitfunktionen &nbsp;$a(t)$&nbsp; und &nbsp;$ϕ(t)$&nbsp; sind bei beiden Darstellungen identisch:  
+
The time functions &nbsp;$a(t)$&nbsp; and &nbsp;$ϕ(t)$&nbsp; contained in the equations are identical for both representations:
* $a(t)$&nbsp; beschreibt die&nbsp; '''Hüllkurve'''&nbsp; (zeitabhängige Amplitude) des physikalischen Signals &nbsp;$r(t)$&nbsp; bzw. den Betrag &nbsp;$\vert r_{\rm TP}(t) \vert $&nbsp; des äquivalenten TP–Signals.&nbsp; Dieser wird bei Hüllkurvendemodulation detektiert.
+
* The function&nbsp; $a(t)$&nbsp; describes the&nbsp; &raquo;'''envelope'''&laquo;&nbsp; (time-dependent amplitude)&nbsp; of the physical signal &nbsp;$r(t)$&nbsp; and the magnitude &nbsp;$\vert r_{\rm TP}(t) \vert $&nbsp; of the equivalent low-pass signal, respectively.&nbsp; This is detected during envelope demodulation.
* $ϕ(t)$&nbsp; ist die&nbsp; '''zeitabhängige Phase'''.&nbsp; Diese Funktion beinhaltet alle Informationen über die Lage der Nulldurchgänge von &nbsp;$r(t)$&nbsp; und gibt an, ob eine zusätzliche Phasenmodulation wirksam ist.}}
 
  
 +
* The function&nbsp; $ϕ(t)$&nbsp; is the&nbsp; &raquo;'''time-dependent phase'''&laquo;.&nbsp; This function contains all information about the position of the zero crossings of &nbsp;$r(t)$&nbsp; and indicates whether an additional phase modulation is effective.}}
  
Im Fall der Zweiseitenband–Amplitudenmodulation gilt bei idealem Kanal:  
+
 
*Die ''Ortskurve'' – darunter versteht man die zeitabhängige Darstellung des Signals &nbsp;$r_{\rm TP}(t)$&nbsp; in der komplexen Ebene ist eine horizontale Gerade auf der reellen Achse.  
+
In the case of double sideband amplitude modulation&nbsp; $\text{(DSB-AM)}$,&nbsp; the following holds for an ideal channel:
*Daraus folgt weiter, dass die Phasenfunktion nur die zwei Werte &nbsp;$0$&nbsp; und &nbsp;$π$ &nbsp; $(180^\circ)$&nbsp; annehmen kann.  
+
*The&nbsp; &raquo;'''locality curve'''&laquo;&nbsp; or&nbsp; &raquo;'''locus curve'''&laquo;&nbsp; by this we mean the time-dependent representation of the signal&nbsp; $r_{\rm TP}(t)$&nbsp; in the complex plane is a horizontal straight line on the real axis.
:*Bei &nbsp;$m ≤ 1$&nbsp; ist &nbsp;$ϕ(t) ≡ 0$&nbsp; und die Hüllkurvendemodulation ist verzerrungsfrei anwendbar.  
+
 
:*Bei &nbsp;$m > 1$&nbsp; liegt ein Teil der Ortskurve in der linken Halbebene &nbsp; &rArr; &nbsp; es kommt es bei Anwendung der Hüllkurvendemodulation zu nichtlinearen Verzerrungen.  
+
*It further follows that the phase function can take only two values: &nbsp;$0$&nbsp; and &nbsp;$π$ &nbsp; $(180^\circ)$&nbsp;.  
 +
:*When &nbsp;$m ≤ 1$,&nbsp; then &nbsp;$ϕ(t) ≡ 0$&nbsp; and the envelope demodulation can be applied without distortion.  
 +
:*When &nbsp;$m > 1$,&nbsp; a section of the locus curve lies in the left half-plane &nbsp; &rArr; &nbsp; nonlinear distortions arise when envelope demodulation is applied.  
  
  
[[File: P_ID1023__Mod_T_2_3_S4_neu.png|right|frame|Ortskurven zur Beschreibung der Hüllkurvendemodulation]]
 
 
{{GraueBox|TEXT=
 
{{GraueBox|TEXT=
$\text{Beispiel 3:}$ &nbsp; Wir setzen voraus, dass das Quellensignal &nbsp;$q(t)$&nbsp; alle Werte zwischen &nbsp;$±1\ \rm  V$&nbsp; annehmen kann.  
+
$\text{Example 3:}$ &nbsp; We assume that the source signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; can take on all values in the range &nbsp;$±1\ \rm  V$.
*Durch Zusetzen eines Gleichanteils von &nbsp;$A_{\rm T} = 2\ \rm  V$&nbsp; ergibt sich eine ZSB–AM mit dem Modulationsgrad &nbsp;$m = 0.5$, deren Ortskurve in der linken Grafik zu sehen ist.
+
[[File: P_ID1023__Mod_T_2_3_S4_neu.png|right|frame|Locus curves illustrating envelope demodulation]]
*$r_{\rm TP}(t)$&nbsp; liegt immer in der rechten Halbebene.&nbsp; Die Zeigerlänge verändert sich entsprechend dem Nachrichtensignal &nbsp;$q(t)$.  
+
*Adding a DC component of &nbsp;$A_{\rm T} = 2\ \rm  V$&nbsp; results in a DSB-AM with modulation depth &nbsp;$m = 0.5$,&nbsp; whose locus curve can be seen in the left graph.
  
 +
*$r_{\rm TP}(t)$&nbsp; always lies in the right half-plane.&nbsp; The pointer length changes with the source signal &nbsp;$q(t)$.
  
Die rechte Grafik beschreibt die Ortskurve für &nbsp;$A_{\rm T} = 0.5 \ \rm  V$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $m = 2$.
 
*&nbsp;$r_{\rm TP}(t)$&nbsp; nimmt nun reelle Werte zwischen &nbsp;$-0.5\ \rm  V$&nbsp; und &nbsp;$1.5\ \rm  V$&nbsp; an.
 
*Der Hüllkurvendemodulator kann nicht zwischen positiven und negativen Werten unterscheiden &nbsp; &rArr; &nbsp; es kommt zu nichtlinearen Verzerrungen.
 
  
 +
The right-hand graph holds for &nbsp;$A_{\rm T} = 0.5 \ \rm  V$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $m = 2$.
 +
*&nbsp;$r_{\rm TP}(t)$&nbsp; now takes on real values between&nbsp;$-0.5\ \rm  V$&nbsp; and &nbsp;$1.5\ \rm  V$.
 +
 +
*The envelope demodulator cannot distinguish between positive and negative values &nbsp; &rArr; &nbsp; nonlinear distortions occur.
  
Die entsprechenden physikalischen Signale &nbsp;$q(t)$, &nbsp;$r(t)$ sowie &nbsp;$v(t)$&nbsp; zu diesem Beispiel finden Sie in der Grafik auf der [[Modulation_Methods/Hüllkurvendemodulation#Warum_die_H.C3.BCllkurvendemodulation_bei_m_.3E_1_versagt|vorherigen Seite]].}}
 
  
==Sonderfall eines cosinusförmigen Nachrichtensignals==
+
The physical signals &nbsp;$q(t)$, &nbsp;$r(t)$ and &nbsp;$v(t)$&nbsp; corresponding to this example can be found in the graph in the&nbsp; [[Modulation_Methods/Envelope_Demodulation#Why_does_envelope_demodulation_fail_for_.7F.27.22.60UNIQ-MathJax104-QINU.60.22.27.7F.3F|"previous section"]].}}
 +
 
 +
==Special case of a cosine-shaped message signal==
 
<br>
 
<br>
Zur quantitativen Erfassung der nichtlinearen Verzerrungen aufgrund eines Modulationsgrades &nbsp;$m> 1$&nbsp; gehen wir von folgendem Szenario aus:  
+
To quantitatively capture the nonlinear distortions due to a modulation depth &nbsp;$m> 1$,&nbsp; we assume the following scenario:
[[File: P_ID2960__Mod_T_2_3_S5_neu.png |right|frame| Fehlersignal bei Hüllkurvendemodulation]]
+
 
*cosinusförmiges Quellensignal: &nbsp; $q(t) = A_{\rm N} \cdot  \cos(\omega_{\rm N} \cdot t);$
+
*cosine-shaped source signal: &nbsp; $q(t) = A_{\rm N} \cdot  \cos(\omega_{\rm N} \cdot t);$
*ZSB–AM mit Träger: &nbsp; $s(t) = \left ( q(t) + A_{\rm T} \right ) \hspace{-0.05cm}\cdot  \hspace{-0.05cm}\cos(\omega_{\rm N} \hspace{-0.05cm}\cdot \hspace{-0.05cm}t),$ &nbsp; $r(t) = s(t);$
+
 
*Modulationsgrad: &nbsp; $m = A_{\rm N}/A_{\rm T} = 1.25;$
+
*DSB–AM with carrier: &nbsp; $s(t) = \left ( q(t) + A_{\rm T} \right ) \hspace{-0.05cm}\cdot  \hspace{-0.05cm}\cos(\omega_{\rm N} \hspace{-0.05cm}\cdot \hspace{-0.05cm}t),$ &nbsp; $r(t) = s(t);$
*ideale Hüllkurvendemodulation: &nbsp; $a(t) = | q(t) + A_{\rm T}|; $
+
 
*Eliminierung des Gleichanteils durch Tiefpass: &nbsp;  $r(t) = a(t) - {\rm E}\big[a(t)\big].$
+
*modulation depth: &nbsp; $m = A_{\rm N}/A_{\rm T} = 1.25;$
 +
 
 +
*ideal envelope demodulation: &nbsp; $a(t) = {| q(t) + A_{\rm T}|} $
 +
 
 +
*elimination of the DC component by a low-pass: &nbsp;  $r(t) = a(t) - {\rm E}\big[a(t)\big].$
 +
 
 +
 
 +
The graph is valid for the signal parameters  &nbsp;$A_{\rm N} = 5 \ \rm V$, &nbsp;$f_{\rm N} = 2 \ \rm kHz$, &nbsp;$A_{\rm T} = 4 \ \rm  V$&nbsp; and &nbsp;$f_{\rm T} = 100\ \rm  kHz$.&nbsp; It shows
 +
*above,&nbsp; the sink signal &nbsp;$v(t)$&nbsp; compared to the source signal &nbsp;$q(t)$,
  
 +
*in the middle,&nbsp; the received signal &nbsp;$r(t)$&nbsp; as well as the envelope curve &nbsp;$a(t) = {|r(t)|}$,
 +
 +
*below,&nbsp; the error signal &nbsp;$ε(t) = v(t) \ – \ q(t)$&nbsp; due to nonlinear distortions.
 +
 +
 +
Based on the graphs, the following statements can be made:
 +
[[File: P_ID2960__Mod_T_2_3_S5_neu.png |right|frame| Error signal&nbsp;$ε(t)$&nbsp; for envelope demodulation]]
 +
*A comparison of the signals &nbsp;$q(t)$&nbsp; and &nbsp;$a(t)$&nbsp; reveals,&nbsp; that in this example the envelope &nbsp;$a(t)$&nbsp; correctly reproduces the shape of the source signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; in around &nbsp; $80\%$&nbsp; of the time.
 +
 +
*However,&nbsp; the maximum of the envelope&nbsp;$a(t)$&nbsp; is noticeably larger than the maximum of the source signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; due to the added carrier &nbsp;$A_{\rm T}$.
  
Die Grafik gilt für die Signalparameter &nbsp;$A_{\rm N} = 5 \ \rm V$, &nbsp;$f_{\rm N} = 2 \ \rm kHz$, &nbsp;$A_{\rm T} = 4 \ \rm  V$&nbsp; und &nbsp;$f_{\rm T} = 100\ \rm  kHz$.&nbsp; Sie zeigt
+
*The sink signal &nbsp;$v(t)$&nbsp; differs from the envelope curve &nbsp;$a(t)$&nbsp; by the expected value &nbsp;${\rm Ε}\big[a(t)\big]$,&nbsp; which is removed by the low-pass of the envelope demodulator.
* oben das Sinkensignal &nbsp;$v(t)$&nbsp; im Vergleich zum Quellensignal &nbsp;$q(t)$,
+
* in der Mitte das Empfangssignal &nbsp;$r(t)$&nbsp;  sowie die Hüllkurve &nbsp;$a(t) = |r(t)|$,
+
*Since &nbsp;${\rm Ε}\big[a(t)\big] = 4.27 \ \rm  V$&nbsp; does not match &nbsp;$A_{\rm T} = 4 \ \rm V$,&nbsp;$v(t)$&nbsp; differs from &nbsp;$q(t)$&nbsp; by the constant value &nbsp;$0.27 \ \rm V$,&nbsp; also in the regions where &nbsp;$a(t)$&nbsp; is correctly detected.
*unten das Fehlersignal &nbsp;$ε(t) = v(t) \ – \ q(t)$&nbsp; aufgrund von nichtlinearen Verzerrungen.
+
<br clear=all>
+
*The cosine source signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; becomes a signal &nbsp;$v(t)$&nbsp; with harmonics:
Anhand der Grafiken sind folgende Aussagen möglich:
 
*Ein Vergleich der Signale &nbsp;$q(t)$&nbsp; und &nbsp;$a(t)$&nbsp; zeigt, dass im Beispiel zu etwa&nbsp; $80\%$&nbsp; aller Zeiten die Hüllkurve &nbsp;$a(t)$&nbsp; das Quellensignal &nbsp;$q(t)$&nbsp; in der Form richtig wiedergibt.
 
*Das Maximum von &nbsp;$a(t)$&nbsp; ist allerdings um den zugesetzten Träger &nbsp;$A_{\rm T}$&nbsp; deutlich größer als das Maximum von &nbsp;$q(t)$.
 
*Das Sinkensignal &nbsp;$v(t)$&nbsp; unterscheidet sich von der Hüllkurve &nbsp;$a(t)$&nbsp; durch den Erwartungswert &nbsp;${\rm Ε}\big[a(t)\big]$, der vom Tiefpass des Hüllkurvendemodulators entfernt wird.  
 
*Da &nbsp;${\rm Ε}\big[a(t)\big] = 4.27 \ \rm  V$&nbsp; nicht mit &nbsp;$A_{\rm T} = 4 \ \rm V$&nbsp; übereinstimmt, unterscheidet sich &nbsp;$v(t)$&nbsp; von &nbsp;$q(t)$&nbsp; auch in den Bereichen, in denen &nbsp;$a(t)$&nbsp; richtig detektiert wird, und zwar um den konstanten Wert &nbsp;$0.27 \ \rm V$.  
 
*Aus dem cosinusförmigen Quellensignal &nbsp;$q(t)$&nbsp; wird ein Signal &nbsp;$v(t)$&nbsp; mit Oberwellen:  
 
 
:$$v(t) = A_{\rm 1} \cdot \cos(\omega_{\rm N} t ) +A_{\rm 2} \cdot \cos(2\omega_{\rm N} t
 
:$$v(t) = A_{\rm 1} \cdot \cos(\omega_{\rm N} t ) +A_{\rm 2} \cdot \cos(2\omega_{\rm N} t
 
  )+A_{\rm 3} \cdot \cos(3\omega_{\rm N} t )+ \text{...}$$
 
  )+A_{\rm 3} \cdot \cos(3\omega_{\rm N} t )+ \text{...}$$
 
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}A_{\rm 1} = 4.48\,{\rm V},\hspace{0.3cm}A_{\rm 2} = 0.46\,{\rm V},\hspace{0.3cm}A_{\rm 3} = -0.37\,{\rm V},\hspace{0.3cm}
 
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}A_{\rm 1} = 4.48\,{\rm V},\hspace{0.3cm}A_{\rm 2} = 0.46\,{\rm V},\hspace{0.3cm}A_{\rm 3} = -0.37\,{\rm V},\hspace{0.3cm}
 
  A_{\rm 4} = 0.26\,{\rm V},\hspace{0.1cm}\text{...}$$
 
  A_{\rm 4} = 0.26\,{\rm V},\hspace{0.1cm}\text{...}$$
*Damit erhält man für die einzelnen Klirrfaktoren sowie den Gesamtklirrfaktor entsprechend den Angaben im Buch &nbsp;[[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Nichtlineare_Verzerrungen#Der_Klirrfaktor|Lineare zeitinvariante Systeme]]:  
+
 
:$$K_2 ={|A_{\rm 2}|}/{A_{\rm 1}} = 0.102,\hspace{0.3cm}K_3 =
+
*Thus,&nbsp; according to the details in the book&nbsp; [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Nonlinear_Distortions#The_distortion_factor|"Linear and Time Invariant Systems"]],&nbsp; we obtain for the individual distortion factors as well as the total distortion factor:
{|A_{\rm 3}|}/{A_{\rm 1}} = 0.082,\hspace{0.3cm}K_4 =
+
:$$K_2 ={|A_{\rm 2}|}/{A_{\rm 1}} = 0.102\hspace{0.3cm}K_3 ={|A_{\rm 3}|}/{A_{\rm 1}} = 0.082,\hspace{0.3cm}K_4 = {|A_{\rm 4}|}/{A_{\rm 1}} = 0.058,\hspace{0.1cm}\text{...}$$
{|A_{\rm 4}|}/{A_{\rm 1}} = 0.058,\hspace{0.1cm}\text{...}$$
 
 
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}K = \sqrt{K_2^2 + K_3^2 + K_4^2 +\text{...} } \approx 15 \%.$$
 
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}K = \sqrt{K_2^2 + K_3^2 + K_4^2 +\text{...} } \approx 15 \%.$$
  
Im Kapitel &nbsp;[[Modulation_Methods/Qualitätskriterien#Untersuchungen_im_Hinblick_auf_Signalverzerrungen|Qualitätskriterien]]&nbsp; wurde gezeigt, dass damit auch das SNR &nbsp;$ρ_v = 1/K^2 ≈ 44$&nbsp; festliegt.&nbsp; $ρ_v$&nbsp; $($nicht aber &nbsp;$K)$&nbsp; kann zudem auch dann als Qualitätskriterium herangezogen werden, wenn &nbsp;$q(t)$&nbsp; mehr als eine Frequenz beinhaltet  &nbsp; ⇒  &nbsp; Herleitung im Buch &nbsp;[[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Nichtlineare_Verzerrungen#Der_Klirrfaktor|Lineare zeitinvariante Systeme]].  
+
*In the chapter &nbsp;[[Modulation_Methods/Quality_Criteria#Investigations_with_regard_to_signal_distortions|"Quality Criteria"]]&nbsp; it was shown,&nbsp; that this also fixes the SNR at &nbsp;$ρ_v = 1/K^2 ≈ 44$&nbsp;.&nbsp;
 +
 +
*The SNR&nbsp; $ρ_v$&nbsp; $($but not &nbsp;$K)$&nbsp; can also be used as a quality criterion if &nbsp;$q(t)$&nbsp; contains more than one frequency &nbsp; ⇒  &nbsp; derivation in the book&nbsp;[[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Nonlinear_Distortions#The_distortion_factor|"Linear and Time Invariant Systems"]].  
  
==Berücksichtigung von Kanalverzerrungen==
+
==Considering channel distortions==
 
<br>
 
<br>
Für die folgenden Betrachtungen setzen wir das Modulationsverfahren „ZSB–AM mit Träger” sowie ein cosinusförmiges Quellensignal &nbsp;$q(t)$&nbsp; voraus. Die Amplituden von Nachrichten– und Trägersignal seien &nbsp;$A_{\rm N} = 4 \ \rm V$&nbsp; und &nbsp;$A_{\rm T} = 5 \ \rm  V $ &nbsp; ⇒  &nbsp;  Modulationsgrad &nbsp;$m = 0.8$. Damit ist (ideale) Hüllkurvendemodulation prinzipiell anwendbar.  
+
For the following considerations,&nbsp; we assume the modulation method&nbsp; "DSB-AM with carrier"&nbsp; as well as a cosine-shaped source signal&nbsp;$q(t)$&nbsp;.  
 +
*Let the amplitudes of the source and carrier signals be &nbsp;$A_{\rm N} = 4 \ \rm V$&nbsp; and &nbsp;$A_{\rm T} = 5 \ \rm  V $,&nbsp; resp. &nbsp; ⇒  &nbsp;  modulation depth &nbsp;$m = 0.8$.  
  
[[File: P_ID1028__Mod_T_2_3_S7_neu.png |right|frame|Spektren und Signale zur Verdeutlichung der Hüllkurvendemodulation]]
+
*Thus&nbsp; (ideal)&nbsp; envelope demodulation is applicable in principle.  
Die Grafik zeigt von oben nach unten
 
*die Spektren &nbsp;$S_{\rm TP}(f)$&nbsp; und &nbsp;$R_{\rm TP}(f)$&nbsp; des äquivalenten Tiefpass–Signals, die als reell angenommen werden,
 
*die äquivalenten Tiefpass–Signale &nbsp;$s_{\rm TP}(t)$&nbsp; und &nbsp;$r_{\rm TP}(t)$&nbsp; in der komplexen Ebene, und schließlich
 
*die physikalischen Signale &nbsp;$s(t)$&nbsp; und &nbsp;$r(t)$.
 
  
 +
[[File: P_ID1028__Mod_T_2_3_S7_neu.png |right|frame|Spectra and signals illustrating envelope demodulation]]
 +
<br>The graph shows,&nbsp; in descending order
 +
*the spectra&nbsp; $S_{\rm TP}(f)$&nbsp; and &nbsp;$R_{\rm TP}(f)$&nbsp; of the equivalent low-pass signals,&nbsp; which are assumed to be real,
  
 +
*the equivalent low-pass signals &nbsp;$s_{\rm TP}(t)$&nbsp; and &nbsp;$r_{\rm TP}(t)$&nbsp; in the complex plane, and lastly
 +
 +
*the physical signals &nbsp;$s(t)$&nbsp; and &nbsp;$r(t)$.
  
  
Die linke Bildhälfte zeigt die Senderseite und gibt gleichzeitig die Verhältnisse am Empfänger bei idealem Kanal an.  
+
The left half of the image shows the transmitter and at the same time gives the conditions at the receiver for an ideal channel.  
*Wegen des Modulationsgrades &nbsp;$m ≤ 1$&nbsp; erkennt man in der Hüllkurve &nbsp;$a(t)$&nbsp; das Quellensignal &nbsp;$q(t)$. &nbsp; Demzufolge ist Hüllkurvendemodulation bei gewissen Voraussetzungen ohne Verzerrungen anwendbar, wie im &nbsp;$\text{Beispiel 4}$&nbsp; gezeigt wird.
+
#Due to the modulation depth &nbsp;$m ≤ 1$,&nbsp; the source signal &nbsp;$q(t)$ can be recognized in the envelope &nbsp;$a(t)$.  
 +
#Consequently,&nbsp; envelope demodulation is applicable without distortion under certain conditions,&nbsp; as shown in &nbsp;$\text{Example 4}$.
  
 
   
 
   
*Die rechte Hälfte berücksichtigt unsymmetrische Verzerrungen durch den Kanal.&nbsp; Der Träger wird hier mit &nbsp;$α_{\rm T} = 0.8$&nbsp; gedämpft, das obere Seitenband sogar mit &nbsp;$α_{\rm O} = 0.5$.&nbsp; Nun verläuft die Hüllkurve &nbsp;$a(t) ≠ q(t) + A_{\rm T}$&nbsp; nicht mehr cosinusförmig  &nbsp; ⇒  &nbsp; Hüllkurvendemodulation führt hier zu nichtlinearen Verzerrungen wie im &nbsp;$\text{Beispiel 5}$&nbsp; gezeigt.  
+
The right half considers asymmetrical distortions through the channel.  
 +
#Here the carrier is attenuated by &nbsp;$α_{\rm T} = 0.8$,&nbsp; and the upper sideband by &nbsp;$α_{\rm O} = 0.5$.&nbsp;  
 +
#Now the envelope  &nbsp;$a(t) ≠ q(t) + A_{\rm T}$&nbsp; is no longer cosine-shaped.
 +
#Here,&nbsp; envelope demodulation leads to nonlinear distortions as shown in &nbsp;$\text{Example 5}$.  
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
[[File:Mod_T_2_3_S7a_version2.png|right|frame| Hüllkurvendemodulation bei idealem Kanal]]
 
 
{{GraueBox|TEXT=
 
{{GraueBox|TEXT=
$\text{Beispiel 4:}$ &nbsp; Es gelte weiterhin &nbsp;$A_{\rm N} = 4 \ \rm V$&nbsp; und &nbsp;$A_{\rm T} = 5 \rm V$  &nbsp; ⇒  &nbsp;  Modulationsgrad &nbsp;$m = 0.8$.  
+
$\text{Example 4:}$ &nbsp; Let &nbsp;$A_{\rm N} = 4 \ \rm V$&nbsp; and &nbsp;$A_{\rm T} = 5 \rm V$  &nbsp; continue to hold ⇒  &nbsp;  modulation depth &nbsp;$m = 0.8$.&nbsp; The graph illustrates the use of an ideal envelope demodulator with an ideal channel,&nbsp; whereby the following identities are considered:
 
+
[[File:Mod_T_2_3_S7a_version2.png|right|frame|Envelope demodulation with an ideal channel]]
Die Grafik verdeutlicht den Einsatz eines idealen Hüllkurvendemodulators bei idealem Kanal, wobei folgende Identitäten berücksichtigt sind:
+
:$$R_{\rm TP}(f) \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm}  S_{\rm TP}(f) \hspace{0.02cm}, \hspace{0.5cm}
:$$R_{\rm TP}(f) \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm}  S_{\rm TP}(f) \hspace{0.02cm}, \hspace{0.15cm}
+
r_{\rm TP}(t) \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm} s_{\rm TP}(t) \hspace{0.02cm}, \hspace{0.5cm}
r_{\rm TP}(t) \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm} s_{\rm TP}(t) \hspace{0.02cm}, \hspace{0.15cm}
 
 
r(t) \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm}  s(t) \hspace{0.02cm}.$$   
 
r(t) \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm}  s(t) \hspace{0.02cm}.$$   
  
Man erkennt aus diesen Darstellungen:  
+
From these representations one can recognize:  
*Der den Träger beschreibende rote Zeiger der Länge &nbsp;$A_{\rm T}$&nbsp; liegt fest.  
+
#The red pointer of length &nbsp;$A_{\rm T}$&nbsp; depicting the carrier is fixed.  
*Das obere Seitenband (blau) dreht in mathematisch positiver Richtung, das untere Seitenband (grün) entgegengesetzt.  
+
#The upper sideband&nbsp; (in blue)&nbsp; rotates in mathematically positive direction,&nbsp; the lower sideband&nbsp; (in green)&nbsp; in the opposite direction.
*Da der blaue und der grüne Zeiger beide mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit &nbsp;$ω_{\rm N}$&nbsp; drehen, aber in entgegengesetzte Richtungen, ist die vektorielle Summe aller Zeiger stets reell.  
+
#Since the blue and green pointers both rotate with the same angular velocity &nbsp;$ω_{\rm N}$&nbsp; but in opposite directions,&nbsp; the vector sum of all pointers is always real.
*Ist der Modulationsgrad &nbsp;$m ≤ 1$, so gilt für alle Zeiten &nbsp;$r_{\rm TP}(t) ≥ 0$&nbsp; und &nbsp;$ϕ(t) = 0$. Das bedeutet, dass die Nulldurchgänge des Empfangssignals &nbsp;$r(t)$&nbsp; genau mit denen des Trägersignals &nbsp;$z(t)$&nbsp; übereinstimmen.  
+
#Should the modulation depth &nbsp;$m ≤ 1$,&nbsp; then at all times &nbsp;$r_{\rm TP}(t) ≥ 0$&nbsp; and &nbsp;$ϕ(t) = 0$.&nbsp; This means,&nbsp; that the zero crossings of the received signal &nbsp;$r(t)$&nbsp; exactly coincide with those of the carrier signal &nbsp;$z(t)$.  
*Die Hüllkurve &nbsp;$a(t)$&nbsp; des physikalischen Signals &nbsp;$r(t)$&nbsp; ist gleich der resultierenden Zeigerlänge, also gleich dem Betrag von &nbsp;$r_{\rm TP}(t)$. Wegen &nbsp;$m< 1$&nbsp; gilt &nbsp;$a(t) = q(t) + A_{\rm T}$.  
+
# The envelope&nbsp;$a(t)$&nbsp; of the physical signal  &nbsp;$r(t)$&nbsp; is equal to the resulting pointer length, i.e., equal to the magnitude of &nbsp;$r_{\rm TP}(t)$.&nbsp; Because &nbsp;$m< 1$&nbsp;, &nbsp;$a(t) = q(t) + A_{\rm T}$ holds.  
*Bei den gegebenen Amplitudenwerten liegt die Ortskurve &nbsp;$r_{\rm TP}(t)$&nbsp; auf der reellen Achse zwischen den Endpunkten &nbsp;$A_{\rm T} \ – \ A_{\rm N} = 1\ \rm  V$&nbsp; und &nbsp;$A_{\rm T} + A_{\rm N} = 9 \ \rm  V$.  
+
#For the given amplitude values,&nbsp; the locus curve &nbsp;$r_{\rm TP}(t)$&nbsp; lies on the real axis between the end-points  &nbsp;$A_{\rm T} \ – \ A_{\rm N} = 1\ \rm  V$&nbsp; and &nbsp;$A_{\rm T} + A_{\rm N} = 9 \ \rm  V$.  
*Die Ortskurve auf der reellen Achse in der rechten Halbebene ist ein Indiz dafür, dass  das Nachrichtensignal durch einen Hüllkurvendemodulator verzerrungsfrei extrahiert werden kann.}}  
+
#The locus curve on the real axis in the right half-plane is an indicator that the message signal can be extracted without distortion by an envelope demodulator.}}  
  
  
[[File:Mod_T_2_3_S7b_version2.png|right|frame|Hüllkurvendemodulation bei verzerrendem Kanal]]
 
 
{{GraueBox|TEXT=
 
{{GraueBox|TEXT=
$\text{Beispiel 5:}$ &nbsp; Betrachten wir nun die gleichen Grafiken für den verzerrenden Kanal mit
+
$\text{Example 5:}$ &nbsp; Now let us consider the same graphs for a distorting channel where
*$α_{\rm U} = 1$  &nbsp; ⇒  &nbsp; das untere Seitenband (USB) wird nicht verändert,
+
*$α_{\rm U} = 1.0$  &nbsp; ⇒  &nbsp; the lower sideband&nbsp;  (German:&nbsp; "unteres Seitenband" &nbsp; &rArr; &nbsp; subscript "U")&nbsp; is unchanged,
*$α_{\rm T} = 0.8$ &nbsp; ⇒  &nbsp; der Träger wird etwas gedämpft,
 
* $α_{\rm U} = 0.5$ &nbsp;⇒  &nbsp; das obere Seitenband (OSB) wird mehr gedämpft.
 
  
 +
*$α_{\rm T} = 0.8$ &nbsp; ⇒  &nbsp; the carrier&nbsp; (German:&nbsp; "Träger" &nbsp; &rArr; &nbsp; subscript "T")&nbsp; is slightly attenuated,
  
Diese Grafiken lassen sich wie folgt interpretieren:  
+
* $α_{\rm U} = 0.5$ &nbsp;⇒  &nbsp; the upper sideband &nbsp; (German:&nbsp; "oberes Seitenband" &nbsp; &rArr; &nbsp; subscript "O")&nbsp; is attenuated more.
*Aufgrund der unterschiedlichen Längen von grünem Zeiger (USB) und blauem Zeiger (OSB) wird die Ortskurve zu einer Ellipse, deren Mittelpunkt durch den (roten) Träger festliegt.  
+
*Der Winkel zwischen dem komplexwertigen  &nbsp;$r_{\rm TP}(t)$&nbsp; und dem Koordinatenursprung ist nun nicht mehr durchgängig &nbsp;$ϕ(t) = 0$, sondern schwankt zwischen &nbsp;$±ϕ_{\rm max}.$  
+
[[File:Mod_T_2_3_S7b_version2.png|right|frame|Envelope demodulation with a distorting channel]]
*Die maximale Phase ist gleich dem Winkel der Tangente an die Ellipse. Im physikalischen Signal führt &nbsp;$ϕ(t) ≠ 0$&nbsp; zu Verschiebungen der Nulldurchgänge von &nbsp;$r(t)$&nbsp; gegenüber seinen Solllagen &ndash; vorgegeben durch das Trägersignal &nbsp;$z(t)$.  
+
<br>
*Der Betrag &nbsp;$a(t) = \vert r_{\rm TP}(t) \vert$ – also die Hüllkurve von &nbsp;$r(t)$ – ist nun nicht mehr cosinusförmig und das Signal nach dem Hüllkurvendemodulator beinhaltet außer der Frequenz &nbsp;$f_{\rm N}$&nbsp; auch Oberwellen:
+
The graphs can then be interpreted as follows:
:$$v(t) = A_{\rm 1} \cdot \cos(\omega_{\rm N}\cdot t ) +A_{\rm 2} \cdot \cos(2\omega_{\rm N}\cdot t
+
#Due to the different lengths of the green pointer&nbsp; $\rm (USB)$&nbsp;    and blue pointer&nbsp; $\rm (OSB)$,&nbsp; the locus curve becomes an ellipse,&nbsp; whose center is fixed by the&nbsp; (red)&nbsp; carrier.
  )+A_{\rm 3} \cdot \cos(3\omega_{\rm N} \cdot t )+ \text{...}$$
+
#The angle between the complex-valued &nbsp;$r_{\rm TP}(t)$&nbsp; and the coordinate origin is now no longer continuous &nbsp;$ϕ(t) \equiv 0$,&nbsp; but instead fluctuates between &nbsp;$±ϕ_{\rm max}.$  
*Diese führen zu nichtlinearen Verzerrungen und werden durch den Klirrfaktor &nbsp;$K$&nbsp; erfasst. <br>Mit &nbsp;$A_{\rm N} = 4 \ \rm V$, &nbsp;$A_{\rm T} = 5 \ \rm  V$, &nbsp;$α_{\rm U} = 1$&nbsp; und &nbsp;$α_{\rm T} = 0.8$&nbsp; ergeben sich in Abhängigkeit von &nbsp;$α_{\rm O}$&nbsp; folgende Zahlkenwerte:  
+
#The maximal phase is equal to the angle of the tangent to the ellipse.&nbsp; In the physical signal, &nbsp;$ϕ(t) ≠ 0$&nbsp; leads to shifts  of the zero crossings of &nbsp;$r(t)$&nbsp; with respect to its nominal positions &ndash; as given by the carrier signal &nbsp;$z(t)$.  
 +
#The magnitude &nbsp;$a(t) = \vert r_{\rm TP}(t) \vert$ – i.e.,&nbsp; the envelope of &nbsp;$r(t)$ – is thus no longer cosine-shaped,&nbsp; and the signal after the envelope demodulator contains harmonics in addition to the frequency &nbsp;$f_{\rm N}$: <br> &nbsp; &nbsp; $v(t) = A_{\rm 1} \cdot \cos(\omega_{\rm N}\cdot t ) +A_{\rm 2} \cdot \cos(2\omega_{\rm N}\cdot t
 +
  )+A_{\rm 3} \cdot \cos(3\omega_{\rm N} \cdot t )+ \text{...}$<br>
 +
#These lead to nonlinear distortions,&nbsp; which are captured by the distortion factor &nbsp;$K$&nbsp;. <br>When &nbsp;$A_{\rm N} = 4 \ \rm V$, &nbsp;$A_{\rm T} = 5 \ \rm  V$, &nbsp;$α_{\rm U} = 1$&nbsp; and &nbsp;$α_{\rm T} = 0.8$,&nbsp; the following numerical values are obtained as a function of the upper sideband&nbsp;$α_{\rm O}$:  
  
:: $α_{\rm O} = 1.00$:  &nbsp;  &nbsp; $K = 0$ &nbsp; ⇒  &nbsp; lediglich der Träger wird gedämpft,
+
::: $α_{\rm O} = 1.00$:  &nbsp;  &nbsp; $K = 0$ &nbsp; ⇒  &nbsp; only the carrier is attenuated,
:: $α_{\rm O} = 0.75$:  &nbsp;  &nbsp; $K ≈ 0.4\%$,
+
::: $α_{\rm O} = 0.75$:  &nbsp;  &nbsp; $K ≈ 0.4\%$,
:: $α_{\rm O} = 0.50$:  &nbsp;  &nbsp; $K ≈ 1.5\%$ &nbsp;⇒  &nbsp; dieser Wert ist der Grafik zugrunde gelegt,  
+
::: $α_{\rm O} = 0.50$:  &nbsp;  &nbsp; $K ≈ 1.5\%$ &nbsp;⇒  &nbsp; this value is used as a basis for the graph,  
:: $α_{\rm O} = 0.25$:  &nbsp;  &nbsp; $K ≈ 4\%$,  
+
::: $α_{\rm O} = 0.25$:  &nbsp;  &nbsp; $K ≈ 4\%$,  
:: $α_{\rm O} = 0.00$:  &nbsp;  &nbsp; $K ≈ 10\%$ &nbsp; ⇒  &nbsp; vollständige Unterdrückung des OSB.  
+
::: $α_{\rm O} = 0.00$:  &nbsp;  &nbsp; $K ≈ 10\%$ &nbsp; ⇒  &nbsp; complete suppression of&nbsp; $\rm OSB$.  
  
*Die Grafik gilt für &nbsp;$α_{\rm O} = 0.5$.&nbsp; Dann kommt es (allerdings ist beides mit dem bloßen Auge nur schwer zu erkennen)  
+
This graph is valid for &nbsp;$α_{\rm O} = 0.5$,&nbsp; in which case we obtain&nbsp; (although difficult to see with the naked eye):
:*zu Verschiebungen der Nulldurchgänge  im Signal &nbsp;$r(t)$&nbsp; um maximal &nbsp;$25^\circ\hspace{-0.05cm}/360^\circ ≈ 7\%$ der Trägerperiode $T_0$, und
+
*shifts in the zero crossings of the signal &nbsp;$r(t)$&nbsp; by at most &nbsp;$25^\circ\hspace{-0.05cm}/360^\circ ≈ 7\%$&nbsp; of the carrier period&nbsp; $T_0$,&nbsp; and
:* zur Abweichung von der idealen Cosinusform   &nbsp; ⇒  &nbsp;  $K ≈ 1.5\%$ . }}
+
 +
* deviation from the ideal cosine shape   &nbsp; ⇒  &nbsp;  $K ≈ 1.5\%$ . }}
  
  
==Symmetrische Kanalverzerrungen – Dämpfungsverzerrungen==
+
==Symmetrical channel distortions - attenuation distortions==
 
<br>
 
<br>
Ein wesentliches Ergebnis des letzten Abschnitts war, dass es bei unsymmetrischen linearen Verzerrungen auf dem Kanal zu nichtlinearen Verzerrungen bezüglich des Nachrichtensignals kommt.&nbsp; Wird dagegen das untere Seitenband in gleicher Weise gedämpft wie das obere Seitenband, so ist die Ortskurve wieder eine horizontale Gerade und es entstehen keine nichtlinearen Verzerrungen.&nbsp; Vielmehr sind dann die Verzerrungen bezüglich &nbsp;$q(t)$&nbsp; und &nbsp;$v(t)$ – ebenso wie die Verzerrungen bezüglich &nbsp;$s(t)$&nbsp; und &nbsp;$r(t)$ – linear und können durch ein geeignet dimensioniertes Filter entzerrt werden.  
+
An important result of the last section was that nonlinear signal distortions occur in the case of asymmetric linear distortions in the channel.&nbsp; 
 +
*If,&nbsp; on the other hand,&nbsp; the lower sideband is attenuated in the same way as the upper sideband,&nbsp; the locus curve is once again a horizontal straight line and no nonlinear distortions occur.
 +
 
 +
*Rather,&nbsp; the distortions with respect to &nbsp;$q(t)$&nbsp; and &nbsp;$v(t)$&nbsp; as well as the distortions with respect to &nbsp;$s(t)$&nbsp; and &nbsp;$r(t)$ –&nbsp; are linear in this case,&nbsp; and can be corrected for by a suitably dimensioned  filter.
  
  
Wir gehen hier von folgenden Voraussetzungen aus:  
+
We now assume the following:  
*Quellensignal &nbsp;$q(t)$&nbsp; – bestehend aus zwei Cosinusanteilen bei den Frequenzen &nbsp;$f_1$&nbsp; und &nbsp;$f_2$&nbsp; mit den Amplituden &nbsp;$A_1$&nbsp; und &nbsp;$A_2$;
+
*A source signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; – composed of two cosine components at the frequencies &nbsp;$f_1$&nbsp; and &nbsp;$f_2$&nbsp; with amplitudes &nbsp;$A_1$&nbsp; and &nbsp;$A_2$.
*ZSB–AM mit Träger &nbsp; ⇒  &nbsp;  das Sendesignal &nbsp;$s(t)$&nbsp; setzt sich aus insgesamt fünf Cosinusschwingungen bei den Frequenzen &nbsp;$f_{\rm T}, &nbsp;f_{\rm T} ± f_1$&nbsp; und &nbsp;$f_{\rm T} ± f_2$&nbsp; zusammen;
+
[[File:Mod_T_2_3_S6_version2.png|right|frame|Spektren im äquivalenten Tiefpass-Bereich]]
+
*DSB–AM with carrier&nbsp; ⇒  &nbsp;  the transmitted signal &nbsp;$s(t)$&nbsp; is composed of a total of five cosine oscillations at the frequencies &nbsp;$f_{\rm T}, &nbsp;f_{\rm T} ± f_1$&nbsp; and &nbsp;$f_{\rm T} ± f_2$.
*Kanal mit Dämpfungsverzerrungen, symmetrisch um die Trägerfrequenz:  
+
[[File:Mod_T_2_3_S6_version2.png|right|frame|Spectra in the equivalent low-pass region]]
 +
*A channel with attenuation distortions,&nbsp; symmetrical about the carrier frequency:  
 
:$$H_{\rm K} (f = f_{\rm T})= \alpha_0,  \hspace{0.3cm} H_{\rm K} (f
 
:$$H_{\rm K} (f = f_{\rm T})= \alpha_0,  \hspace{0.3cm} H_{\rm K} (f
 
= \pm f_{\rm 1})= \alpha_1,  \hspace{0.3cm}H_{\rm K} (f = \pm
 
= \pm f_{\rm 1})= \alpha_1,  \hspace{0.3cm}H_{\rm K} (f = \pm
 
f_{\rm 2})= \alpha_2;$$
 
f_{\rm 2})= \alpha_2;$$
*Idealer Hüllkurvendemodulator gemäß der Beschreibung in diesem Abschnitt.
 
  
 +
*An ideal envelope demodulator as described in this section.
  
Die Grafik zeigt die Spektralfunktionen der äquivalenten Tiefpass–Signale von Sende– und Empfangssignal.&nbsp; Anhand dieses Bildes sind folgende Aussagen möglich:  
+
 
*Das äquivalente Tiefpass–Signal &nbsp;$r_{\rm TP}(t)$&nbsp; ist reell.&nbsp; Die Ortskurve also die Spitze des Zeigerverbundes in der komplexen Ebene liegt auch hier wieder auf der reellen Achse.  
+
The graphic shows the spectral function of the equivalent low-pass signals of the transmitted signal and the received signal. From this picture,&nbsp; the following statements can be made:
*Ist &nbsp;$α_0 · A_{\rm T}$&nbsp; größer als &nbsp;$α_1 · A_1 + α_2 · A_2,$ so ist der „Modulationsgrad des Empfangssignals” kleiner als&nbsp; $1$&nbsp; und es kommt nicht zu nichtlinearen Verzerrungen.  
+
#The equivalent low-pass signal &nbsp;$r_{\rm TP}(t)$&nbsp; is real.&nbsp; The locus curve i.e., the peak of the pointer composite in the complex plane again also lies on the real axis.  
*Das Sinkensignal nach idealer Hüllkurvendemodulation und Eliminierung des Gleichanteils &nbsp;$α_0 · A_{\rm T}$&nbsp; durch den nachgeschalteten Hochpass lautet:  
+
#Should &nbsp;$α_0 · A_{\rm T}$&nbsp; be greater than &nbsp;$α_1 · A_1 + α_2 · A_2$,&nbsp; then the&nbsp; "modulation depth of the received signal"&nbsp;  is less than&nbsp; $1$&nbsp; and nonlinear distortions do not occur.
:$$v(t) = \alpha_1 \cdot A_{\rm 1} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm 1} t ) +
+
#The sink signal after ideal envelope demodulation and elimination of the DC component &nbsp;$α_0 · A_{\rm T}$&nbsp; by the downstream high-pass filter is:  
 +
::$$v(t) = \alpha_1 \cdot A_{\rm 1} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm 1} t ) +
 
  \alpha_2 \cdot A_{\rm 2} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm 2} t ) \hspace{0.05cm}.$$
 
  \alpha_2 \cdot A_{\rm 2} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm 2} t ) \hspace{0.05cm}.$$
*Das bedeutet: &nbsp; Es kommt zu linearen Verzerrungen (Dämpfungsverzerrungen), falls &nbsp;$α_2 ≠ α_1$&nbsp; ist.&nbsp; Wäre die Symmetrie bezüglich &nbsp;$f_{\rm T}$&nbsp; nicht gegeben, so würden nichtlineare Verzerrungen entstehen.
+
This means: &nbsp;  
 +
*'''Linear distortions (attenuation distortions) occur when &nbsp;$α_2 ≠ α_1$&nbsp;.&nbsp;  
  
 +
*'''If the symmetry with respect to &nbsp;$f_{\rm T}$&nbsp; were not present,&nbsp; nonlinear distortions would arise'''.
  
Wir verweisen auf das Lernvideo&nbsp; [[Lineare_und_nichtlineare_Verzerrungen_(Lernvideo)|Lineare und nichtlineare Verzerrungen]].
 
  
==Einfluss von Rauschstörungen==
+
&rArr; &nbsp; We refer you to the&nbsp; (German language)&nbsp; learning video&nbsp; [[Lineare_und_nichtlineare_Verzerrungen_(Lernvideo)|"Lineare und nichtlineare Verzerrungen"]] &nbsp; &rArr; &nbsp; "Linear and nonlinear distortions".
 +
 
 +
==Influence of additive white Gaussian noise==
 
<br>
 
<br>
[[File: P_ID1031__Mod_T_2_3_S8_neu.png |right|frame| Sinkenstörabstand bei &bdquo;ZSB-AM mit/ohne  Träger&rdquo; und Hüllkurvendemodulation]]
+
Based on the system configuration
Ausgehend von der Systemkonfiguration
+
*DSB–AM with modulation depth &nbsp;$m ≤ 1$,&nbsp; and
*ZSB–Amplitudenmodulation mit Modulationsgrad &nbsp;$m ≤ 1$&nbsp; sowie
+
*bestmöglich angepasste Hüllkurvendemodulation
+
*the best-fitting envelope demodulation
  
  
wird nun der Einfluss von additivem Rauschen abgeschätzt.&nbsp; Verzerrungen jeglicher Art beispielsweise bedingt durch einen ungeeigneten Kanal oder die nichtperfekte Realisierung von Modulator und Demodulator werden ausgeschlossen.
+
we can now estimate the influence of additive white Gaussian noise. Distortions of any kind&nbsp; – for example caused by an unsuitable channel or an imperfect realization of the modulator and demodulator &nbsp; are ruled out.
  
 
+
The graph on the right shows the sink SNR &nbsp;$10 · \lg \, ρ_v$&nbsp; for different modulation depths &nbsp;$m$&nbsp; as a function of the logarithmic performance parameter:
Die Grafik zeigt den Sinkenstörabstand &nbsp;$10 · \lg \, ρ_v$&nbsp; bei unterschiedlichem Modulationsgrad &nbsp;$m$&nbsp; in Abhängigkeit der logarithmierten Leistungskenngröße
+
[[File: P_ID1031__Mod_T_2_3_S8_neu.png |right|frame| SNR for&nbsp; "DSB-AM with/without carrier"&nbsp; and envelope demodulation]]
 
:$$10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm} \xi = 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm} \frac{\alpha_{\rm K}^2 \cdot P_{\rm S}}{N_0 \cdot B_{\rm NF}} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm} \xi = 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm} \frac{\alpha_{\rm K}^2 \cdot P_{\rm S}}{N_0 \cdot B_{\rm NF}} \hspace{0.05cm}.$$
  
Das Ergebnis des Hüllkurvendemodulators ist mit durchgezogenen Linien markiert, während die gestrichelten Geraden den Synchrondemodulator kennzeichnen.  
+
The result of the envelope demodulator&nbsp; $\rm (ED)$&nbsp; is marked with solid lines,&nbsp; while the dotted lines represent the synchronous demodulator&nbsp; $\rm (SD)$.  
  
Wie bereits in Kapitel &nbsp;[[Modulation_Methods/Qualitätskriterien#Untersuchungen_im_Hinblick_auf_Signalverzerrungen|Untersuchungen im Hinblick auf Signalverzerrungen]]&nbsp; hergeleitet wurde, ergeben sich für den Synchrondemodulator in dieser doppelt–logarithmischen Darstellung
+
As already derived in the section&nbsp;[[Modulation_Methods/Quality_Criteria#Investigations_with_regard_to_signal_distortions|"Investigations with regard to signal distortions"]],&nbsp; the results for the synchronous demodulator in this double-logarithmic representation are
*die Winkelhalbierende&nbsp; (für &nbsp;$m → ∞$, ZSB–AM ohne Träger), bzw.
+
*the angle bisector&nbsp; (for &nbsp;$m → ∞$,&nbsp; "DSB–AM without carrier"),&nbsp; and
*hierzu parallel verschobene Gerade mit vertikalem Abstand &nbsp;$10 · \lg \, (1 + 2/m^2$).  
+
 +
*a shifted line parallel to it for&nbsp; "DSB–AM with carrier", with a vertical distance of &nbsp;$10 · \lg \, (1 + 2/m^2$).  
  
  
Bei Anwendung von Hüllkurvendemodulation sind folgende Unterschiede festzustellen:  
+
When envelope demodulation&nbsp; $\rm (ED)$&nbsp; is applied,&nbsp; the following differences are observed:  
*Ein Hüllkurvendemodulator ist für &nbsp;$m > 1$&nbsp; nicht sinnvoll, da dadurch starke nichtlineare Verzerrungen entstehen würden.  
+
*An envelope demodulator is not useful when &nbsp;$m > 1$,&nbsp; because it would cause strong nonlinear distortions.
*Die durchgehend gezeichneten Kurven für den Hüllkurvendemodulator&nbsp; $\rm (HKD)$&nbsp; liegen stets unterhalb der für den Synchrondemodulator&nbsp; $\rm (SD)$&nbsp; gültigen gestrichelten Geraden, wenn man vom gleichen Modulationsgrad&nbsp; $m$&nbsp; ausgeht.  
+
*Ab einem gewissen Wert der Leistungskenngröße &nbsp;$ξ$&nbsp; sind die&nbsp; $\rm HKD$–Kurven von den&nbsp; $\rm SD$–Geraden innerhalb der Zeichengenauigkeit nicht mehr zu unterscheiden.  
+
*The&nbsp; $\rm ED$&ndash;curves always lie beneath the dashed&nbsp; $\rm SD$&ndash;lines,&nbsp; assuming the same modulation depth&nbsp; $m$.
 +
 +
*Above a certain&nbsp; $ξ$&ndash;value,&nbsp; the&nbsp; $\rm ED$&ndash; and the&nbsp; $\rm SD$&ndash;curves cannot be distinguished for the given degree of precision.  
  
  
Mehr Informationen zu dieser Thematik finden Sie beispielsweise in&nbsp; [Kam 04]<ref>Kammeyer, K.D.: ''Nachrichtenübertragung.'' Stuttgart: B.G. Teubner, 4. Auflage, 2004.</ref>.  
+
More information on this topic can be found e.g. in&nbsp; [Kam 04]<ref>Kammeyer, K.D.:&nbsp; Nachrichtenübertragung.&nbsp; Stuttgart: B.G. Teubner, 4. Auflage, 2004.</ref>.  
  
  
==Argumente für und gegen den Hüllkurvendemodulator==
+
==Arguments for and against the envelope demodulator==
 
<br>
 
<br>
Der wichtigste Grund für die Verwendung des Hüllkurvendemodulators ist &nbsp;(besser gesagt:&nbsp; war), dass damit die oft aufwändige Frequenz– und Phasensynchronisation vermieden wurde, so dass dieser preisgünstig realisiert werden konnte.&nbsp; Der Hüllkurvendemodulator ist somit ein Beispiel eines ''inkohärenten Demodulators''.  
+
The most important reason for the use of the envelope demodulator is&nbsp; (better said:&nbsp; was)&nbsp; that it avoids the often laborious need for frequency and phase synchronization,&nbsp; so that it can be realized cheaply.&nbsp;  The envelope demodulator is thus an example of an&nbsp; "incoherent demodulator".
 +
 
 +
On the other hand,&nbsp; several reasons can be given in favour of the&nbsp; [[Modulation_Methods/Synchronous_Demodulation|$\text{synchronous demodulator}$]]&nbsp; and against the envelope demodulator:
 +
*With envelope demodulation,&nbsp; an over-modulation &nbsp;$(m > 1)$&nbsp; must be avoided under all circumstances.&nbsp; This can be achieved for example by limiting the amplitude of the source signal,&nbsp; though this also results in nonlinear distortions.
 +
 
 +
*All else being equal,&nbsp; the modulation depth &nbsp;$m < 1$&nbsp; can only be achieved by increasing the transmitted power by at least a factor of&nbsp; $3$.&nbsp; This is also problematic because of justified discussions on the topic of&nbsp; "electronic smog"&nbsp; in large parts of our society.
  
Für den&nbsp; [[Modulation_Methods/Synchrondemodulation|Synchrondemodulator]]&nbsp; und gegen den Hüllkurvendemodulator können dagegen mehrere Gründe angeführt werden:
+
*Linear channel distortions  in the case of an envelope demodulator can lead to irreversible nonlinear channel distortions,&nbsp; whereas the linear distortions occurring during synchronous demodulation can possibly be compensated for by special measures taken at the receiver.  
*Bei Hüllkurvendemodulation muss eine Übermodulation &nbsp;$(m > 1)$&nbsp; unter allen Umständen vermieden werden.&nbsp; Dies erreicht man beispielsweise durch die Amplitudenbegrenzung des Quellensignals, was aber ebenfalls nichtlineare Verzerrungen zur Folge hat.
 
*Bei sonst gleichen Randbedingungen ist ein Modulationsgrad &nbsp;$m < 1$&nbsp; nur durch die Erhöhung der Sendeleistung um mindestens den Faktor&nbsp; $3$&nbsp; zu erreichen.&nbsp; Dies ist auch wegen der berechtigten Diskussionen zum Thema „Elektro-Smog” in großen Teilen unserer Gesellschaft problematisch.
 
*Lineare Kanalverzerrungen können bei einem Hüllkurvendemodulator zu irreversiblen nichtlinearen Verzerrungen führen, während die bei Synchrondemodulation entstehenden linearen Verzerrungen möglicherweise durch besondere Maßnahmen beim Empfänger kompensiert werden können.  
 
  
==Aufgaben zum Kapitel==
+
==Exercises for the chapter==
 
<br>
 
<br>
[[Aufgaben:Aufgabe_2.7:_Ist_der_Modulationsgrad_zu_groß%3F|Aufgabe 2.7: Ist der Modulationsgrad zu groß?]]
+
[[Aufgaben:Exercise_2.7:_Is_the_Modulation_Depth_Too_High%3F|Exercise 2.7: Is the Modulation Depth Too High?]]
  
[[Aufgaben:Aufgabe_2.7Z:_ZSB-AM_und_Hüllkurvendemodulator|Aufgabe 2.7Z: ZSB-AM und Hüllkurvendemodulator]]
+
[[Aufgaben:Exercise_2.7Z:_DSB-AM_and_Envelope_Demodulator|Exercise 2.7Z: DSB-AM and Envelope Demodulator]]
  
[[Aufgaben:Aufgabe_2.8:_Unsymmetrischer_Kanal|Aufgabe 2.8: Unsymmetrischer Kanal]]
+
[[Aufgaben:Exercise_2.8:_Asymmetrical_Channel|Exercise 2.8: Asymmetrical Channel]]
  
[[Aufgaben:Aufgabe_2.9:_Symmetrische_Verzerrungen|Aufgabe 2.9: Symmetrische Verzerrungen]]
+
[[Aufgaben:Exercise_2.9:_Symmetrical_Distortions|Exercise 2.9: Symmetrical Distortions]]
  
  
==Quellenverzeichnis==
+
==References==
 
<references/>
 
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Latest revision as of 11:44, 13 January 2023

Functionality under ideal conditions


We first assume the following conditions:

  • Let the source signal  $q(t)$  be free of a DC component and limited in magnitude to  $q_{\rm max}$.
  • The transmission is based on the modulation method  "DSB–AM with carrier". 
  • For simplicity of representation,  the carrier phase is set to  $\mathbf{ϕ_{\rm T} } = 0$  without restricting generality:
$$s(t) = \left(q(t) + A_{\rm T}\right) \cdot \cos (\omega_{\rm T}\cdot t )\hspace{0.05cm}.$$
  • Let the modulation depth be $m ≤ 1$.  Therefore,  from the definition  $m = q_{\rm max}/A_{\rm T}$  it also follows that  $q(t) + A_{\rm T} ≥ 0$.
  • Let the channel be ideal,  that is,  there is no distortion,  no attenuation,  no delay,  no interference,  and no noise.
  • Thus,  when  $H_{\rm K}(f) = 1$  and  $n(t) \equiv 0$  we get for the received signal:
$$r(t) = s(t) = a(t) \cdot \cos (\omega_{\rm T}\cdot t )\hspace{0.05cm}$$
  • In this equation,  $a(t)$  describes the  »envelope«  of the received signal  $r(t)$.  The phase function is  $\mathbf{ϕ}(t) = 0$.


$\text{Definition:}$   An   »envelope demodulator«  detects the envelope  $a(t)$  of its input signal  $r(t)$  and outputs the sink signal after eliminating the DC component  $A_{\rm T}$:

$$v(t) = a(t) - A_{\rm T}\hspace{0.05cm}.$$

The removal of the DC component  $A_{\rm T}$  can be realized,  for example,  by a high-pass filter that allows all frequencies to pass unimpeded except for  $f = 0$ .


  • If all the above conditions are met,  then $v(t) = q(t)$  holds.
  • This means that an ideal communication system can certainly be realized with an  (ideal)  envelope demodulator.


Signal waveforms illustrating envelope demodulation

$\text{Example 1:}$   In the graph,  the received signal  $r(t) = s(t)$  is shown below,  and is based on  "DSB–AM with carrier”  $($modulation depth  $m = 0.5)$.

  • The envelope  $a(t)$  to be evaluated by the envelope demodulator is equal to the sum of the source signal  $q(t)$  and the DC component  $A_{\rm T}$  added at the transmitter.
  • $v(t) = q(t)$  holds for the demodulator output signal after removing the DC component  $A_{\rm T}$  with a high-pass filter,  assuming that the source signal  $q(t)$  did not include a DC component.  Such a DC component would  (wrongly)  also be removed by the high-pass filter.


Realizing an envelope demodulator

Principle of envelope demodulation in the time domain

The adjacent graph shows:

  • above,  a simple possible realization of the envelope demodulator,
  • below,  the signals  $r(t)$  and  $w(t)$  to illustrate the principle.


First,  consider the middle signal section denoted by  $T = T_{\rm opt}$.

The first circuit section – consisting of a diode and a parallel connection of a resistor  $R$  and a capacitance $C$  – performs the following tasks:

  • If the  (light)  gray signal  $r(t)$ is larger than the voltage  $w(t)$  at  $R$  and  $C$,  the diode conducts,  $w(t) = r(t)$  holds,  and the capacitance  $C$  is charged. In these regions,  $w(t)$  is drawn in green.
  • If  $r(t) < w(t)$,  as is the case at the times marked in purple,  the diode blocks and the capacitance discharges through resistor  $R$.  The signal  $w(t)$  decays exponentially with time constant  $T = R · C$.
  • From the times marked with circles,  $r(t) > w(t)$  holds again and the capacitance is recharged.  It can be seen from the sketch that  $w(t)$  matches  "approximately"  the envelope  $a(t)$.


$\text{Design criteria:}$  

  • The deviations between the envelope approximation  $w(t)$  and its nominal function  $a(t)$  decrease the larger the carrier frequency  $f_{\rm T}$  is compared to the bandwidth  $B_{\rm NF}$  of the low frequency message signal.  As a guideline,  $f_{\rm T} ≥ 100 · B_{\rm NF}$  is often given.
  • At the same time,  the time constant  $T$  of the RC parallel resonant circuit should always be much larger than  $1/f_{\rm T}$  and much smaller than  $1/B_{\rm NF}$:
$$1/f_{\rm T}\hspace{0.1cm} \ll \hspace{0.1cm} T \hspace{0.1cm} \ll \hspace{0.1cm} 1/B_{\rm NF} \hspace{0.05cm}, $$
  • A good compromise is the geometric mean between the two limits:
$$ T_{\rm opt} = {1}/{\sqrt{f_{\rm T} \cdot B_{\rm NF} } } \hspace{0.05cm}.$$
  • If the time constant  $T$  is too small,  as in the left area of the sketch above,  the capacitor will always discharge too quickly and the deviation  $w(t) \ – \ a(t)$  will be unnecessarily large.
  • Also,  a too large value  $T > T_{\rm opt}$  will result in deterioration,  as shown in the right signal detail.  In this case,  $w(t)$  can no longer follow the envelope  $a(t)$.


$\text{Example 2:}$   For a low frquency bandwidth of  $B_{\rm NF} = 5 \ \rm kHz$,  the carrier frequency should be at least  $f_{\rm T} = 500 \ \rm kHz$ .

  • The time constant  $T$  must be much larger than  $1/f_{\rm T} = 2 \ \rm µ s$  and at the same time much smaller than  $1/B_{\rm NF} = 200 \ \rm µ s $.
  • The optimal value according to the compromise formula is thus:
$$T_{\rm opt} = 1/\sqrt{ 5 \cdot 10^5 \ {\rm Hz} \cdot 5 \cdot 10^3 \ {\rm Hz} } = 20 \ \rm µ s \hspace{0.05cm}.$$


Frequency domain representation of an envelope demodulator

The graph on the right is intended to illustrate the operation of the envelope demodulator in the frequency domain. The spectrum  $W(f)$  of the signal  $w(t)$  at the RC parallel circuit differs from the spectrum  $Q(f)$  of the source signal as follows:

  • Due to the carrier signal  $z(t)$  added at the transmitter,  the spectral function  $W(f)$  includes a Dirac delta line at  $f = 0$  with weight  $A_{\rm T}$  (carrier amplitude).
  • $W(f)$  also exhibits spectral components in the region around the carrier frequency  $f_{\rm T}$,  which can be explained by the jagged time course of  $w(t)$  (see the first graph in this section).
  •  $W(f)$  also differs only slightly from  $Q(f)$  in the low frequency domain.  Here,  the error gets smaller as the carrier frequency increases compared to the bandwidth  $B_{\rm NF}$.


The first two signal distortions are eliminated by the high-pass and low-pass filters,  which together produce a band-pass. However,  there also remains a slight deviation between the sink signal  $v(t)$  and the source signal  $q(t)$  in the interesting range  $0 < f < B_{\rm NF}$,  as shown by comparing the output spectrum  $V(f)$  plotted in red and the input spectrum  $Q(f)$  plotted in blue.


Why does envelope demodulation fail for  $m > 1$?


The graph shows the DSB-AM signals for  $m = 0.5$  and  $m = 2$.  From this picture one can recognize the following differences:

Envelope demodulation when  $m < 1$  (above) and  $m > 1$  (below)
  • For a modulation depth  $m ≤ 1$  the envelope of the band-pass signal is characterized by:
$$a(t) = q(t) + A_{\rm T}\hspace{0.05cm}.$$
Here,  an ideal demodulation   ⇒   $v(t) = q(t)$  is possible with an envelope demodulator,  if we ignore unavoidable noise.
  • In contrast,  with  $m > 1$  the following relationship holds:
$$a(t) = |q(t) + A_{\rm T} |\hspace{0.05cm}.$$
  1. Here,  envelope demodulation always leads to  $\text{nonlinear distortions}$.
  2. The sink signal  $v(t)$  now includes new frequencies,  which were not present in $q(t)$.
  3. For the DC component (expected value)  of the envelope, in this case it holds that:
       ${\rm E}[a(t)] \ne A_{\rm T}\hspace{0.05cm}.$
  4. Since now instead of  $A_{\rm T}$  this DC component  ${\rm E}[a(t)]$  is removed by the high-pass filter,  an additional level shift occurs.

Description using the equivalent low-pass signal


Especially when the source signal  $q(t)$  can be represented as a sum of several harmonic oscillations,  a signal description with the equivalent low-pass signal  ${r_{\rm TP}(t)}$  is extremely advantageous.  This is described in detail in the book  "Signal Representation".

$\text{Please note:}$  If noise/interference is disregarded,  the  »received signal«  can be written as:

$$r(t) = a(t) \cdot \cos (\omega_{\rm T}\cdot t + \phi(t))\hspace{0.05cm}.$$


This equation is valid for any form of amplitude modulation under different boundary conditions:

  • Double sideband (DSB) or single sideband (SSB),
  • with or without a carrier,
  • ideal channel or linear distorting channel.


$\text{In general}$:  The associated  »equivalent low-pass signal«  (German:  "äquivalentes Tiefpass–Signal"   ⇒   subscript  "TP") is complex and given as:

$$r_{\rm TP}(t) = a(t) \cdot {\rm e}^{\hspace{0.03cm}{\rm j} \hspace{0.05cm} \cdot \hspace{0.05cm} \phi(t)}\hspace{0.05cm}.$$

The time functions  $a(t)$  and  $ϕ(t)$  contained in the equations are identical for both representations:

  • The function  $a(t)$  describes the  »envelope«  (time-dependent amplitude)  of the physical signal  $r(t)$  and the magnitude  $\vert r_{\rm TP}(t) \vert $  of the equivalent low-pass signal, respectively.  This is detected during envelope demodulation.
  • The function  $ϕ(t)$  is the  »time-dependent phase«.  This function contains all information about the position of the zero crossings of  $r(t)$  and indicates whether an additional phase modulation is effective.


In the case of double sideband amplitude modulation  $\text{(DSB-AM)}$,  the following holds for an ideal channel:

  • The  »locality curve«  or  »locus curve«  – by this we mean the time-dependent representation of the signal  $r_{\rm TP}(t)$  in the complex plane – is a horizontal straight line on the real axis.
  • It further follows that the phase function can take only two values:  $0$  and  $π$   $(180^\circ)$ .
  • When  $m ≤ 1$,  then  $ϕ(t) ≡ 0$  and the envelope demodulation can be applied without distortion.
  • When  $m > 1$,  a section of the locus curve lies in the left half-plane   ⇒   nonlinear distortions arise when envelope demodulation is applied.


$\text{Example 3:}$   We assume that the source signal  $q(t)$  can take on all values in the range  $±1\ \rm V$.

Locus curves illustrating envelope demodulation
  • Adding a DC component of  $A_{\rm T} = 2\ \rm V$  results in a DSB-AM with modulation depth  $m = 0.5$,  whose locus curve can be seen in the left graph.
  • $r_{\rm TP}(t)$  always lies in the right half-plane.  The pointer length changes with the source signal  $q(t)$.


The right-hand graph holds for  $A_{\rm T} = 0.5 \ \rm V$   ⇒   $m = 2$.

  •  $r_{\rm TP}(t)$  now takes on real values between $-0.5\ \rm V$  and  $1.5\ \rm V$.
  • The envelope demodulator cannot distinguish between positive and negative values   ⇒   nonlinear distortions occur.


The physical signals  $q(t)$,  $r(t)$ and  $v(t)$  corresponding to this example can be found in the graph in the  "previous section".

Special case of a cosine-shaped message signal


To quantitatively capture the nonlinear distortions due to a modulation depth  $m> 1$,  we assume the following scenario:

  • cosine-shaped source signal:   $q(t) = A_{\rm N} \cdot \cos(\omega_{\rm N} \cdot t);$
  • DSB–AM with carrier:   $s(t) = \left ( q(t) + A_{\rm T} \right ) \hspace{-0.05cm}\cdot \hspace{-0.05cm}\cos(\omega_{\rm N} \hspace{-0.05cm}\cdot \hspace{-0.05cm}t),$   $r(t) = s(t);$
  • modulation depth:   $m = A_{\rm N}/A_{\rm T} = 1.25;$
  • ideal envelope demodulation:   $a(t) = {| q(t) + A_{\rm T}|} $
  • elimination of the DC component by a low-pass:   $r(t) = a(t) - {\rm E}\big[a(t)\big].$


The graph is valid for the signal parameters  $A_{\rm N} = 5 \ \rm V$,  $f_{\rm N} = 2 \ \rm kHz$,  $A_{\rm T} = 4 \ \rm V$  and  $f_{\rm T} = 100\ \rm kHz$.  It shows

  • above,  the sink signal  $v(t)$  compared to the source signal  $q(t)$,
  • in the middle,  the received signal  $r(t)$  as well as the envelope curve  $a(t) = {|r(t)|}$,
  • below,  the error signal  $ε(t) = v(t) \ – \ q(t)$  due to nonlinear distortions.


Based on the graphs, the following statements can be made:

Error signal $ε(t)$  for envelope demodulation
  • A comparison of the signals  $q(t)$  and  $a(t)$  reveals,  that in this example the envelope  $a(t)$  correctly reproduces the shape of the source signal  $q(t)$  in around   $80\%$  of the time.
  • However,  the maximum of the envelope $a(t)$  is noticeably larger than the maximum of the source signal  $q(t)$  due to the added carrier  $A_{\rm T}$.
  • The sink signal  $v(t)$  differs from the envelope curve  $a(t)$  by the expected value  ${\rm Ε}\big[a(t)\big]$,  which is removed by the low-pass of the envelope demodulator.
  • Since  ${\rm Ε}\big[a(t)\big] = 4.27 \ \rm V$  does not match  $A_{\rm T} = 4 \ \rm V$, $v(t)$  differs from  $q(t)$  by the constant value  $0.27 \ \rm V$,  also in the regions where  $a(t)$  is correctly detected.
  • The cosine source signal  $q(t)$  becomes a signal  $v(t)$  with harmonics:
$$v(t) = A_{\rm 1} \cdot \cos(\omega_{\rm N} t ) +A_{\rm 2} \cdot \cos(2\omega_{\rm N} t )+A_{\rm 3} \cdot \cos(3\omega_{\rm N} t )+ \text{...}$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}A_{\rm 1} = 4.48\,{\rm V},\hspace{0.3cm}A_{\rm 2} = 0.46\,{\rm V},\hspace{0.3cm}A_{\rm 3} = -0.37\,{\rm V},\hspace{0.3cm} A_{\rm 4} = 0.26\,{\rm V},\hspace{0.1cm}\text{...}$$
$$K_2 ={|A_{\rm 2}|}/{A_{\rm 1}} = 0.102\hspace{0.3cm}K_3 ={|A_{\rm 3}|}/{A_{\rm 1}} = 0.082,\hspace{0.3cm}K_4 = {|A_{\rm 4}|}/{A_{\rm 1}} = 0.058,\hspace{0.1cm}\text{...}$$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm}K = \sqrt{K_2^2 + K_3^2 + K_4^2 +\text{...} } \approx 15 \%.$$
  • In the chapter  "Quality Criteria"  it was shown,  that this also fixes the SNR at  $ρ_v = 1/K^2 ≈ 44$ . 
  • The SNR  $ρ_v$  $($but not  $K)$  can also be used as a quality criterion if  $q(t)$  contains more than one frequency   ⇒   derivation in the book "Linear and Time Invariant Systems".

Considering channel distortions


For the following considerations,  we assume the modulation method  "DSB-AM with carrier"  as well as a cosine-shaped source signal $q(t)$ .

  • Let the amplitudes of the source and carrier signals be  $A_{\rm N} = 4 \ \rm V$  and  $A_{\rm T} = 5 \ \rm V $,  resp.   ⇒   modulation depth  $m = 0.8$.
  • Thus  (ideal)  envelope demodulation is applicable in principle.
Spectra and signals illustrating envelope demodulation


The graph shows,  in descending order

  • the spectra  $S_{\rm TP}(f)$  and  $R_{\rm TP}(f)$  of the equivalent low-pass signals,  which are assumed to be real,
  • the equivalent low-pass signals  $s_{\rm TP}(t)$  and  $r_{\rm TP}(t)$  in the complex plane, and lastly
  • the physical signals  $s(t)$  and  $r(t)$.


The left half of the image shows the transmitter and at the same time gives the conditions at the receiver for an ideal channel.

  1. Due to the modulation depth  $m ≤ 1$,  the source signal  $q(t)$ can be recognized in the envelope  $a(t)$.
  2. Consequently,  envelope demodulation is applicable without distortion under certain conditions,  as shown in  $\text{Example 4}$.


The right half considers asymmetrical distortions through the channel.

  1. Here the carrier is attenuated by  $α_{\rm T} = 0.8$,  and the upper sideband by  $α_{\rm O} = 0.5$. 
  2. Now the envelope  $a(t) ≠ q(t) + A_{\rm T}$  is no longer cosine-shaped.
  3. Here,  envelope demodulation leads to nonlinear distortions as shown in  $\text{Example 5}$.


$\text{Example 4:}$   Let  $A_{\rm N} = 4 \ \rm V$  and  $A_{\rm T} = 5 \rm V$   continue to hold ⇒   modulation depth  $m = 0.8$.  The graph illustrates the use of an ideal envelope demodulator with an ideal channel,  whereby the following identities are considered:

Envelope demodulation with an ideal channel
$$R_{\rm TP}(f) \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm} S_{\rm TP}(f) \hspace{0.02cm}, \hspace{0.5cm} r_{\rm TP}(t) \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm} s_{\rm TP}(t) \hspace{0.02cm}, \hspace{0.5cm} r(t) \hspace{-0.05cm}=\hspace{-0.05cm} s(t) \hspace{0.02cm}.$$

From these representations one can recognize:

  1. The red pointer of length  $A_{\rm T}$  depicting the carrier is fixed.
  2. The upper sideband  (in blue)  rotates in mathematically positive direction,  the lower sideband  (in green)  in the opposite direction.
  3. Since the blue and green pointers both rotate with the same angular velocity  $ω_{\rm N}$  but in opposite directions,  the vector sum of all pointers is always real.
  4. Should the modulation depth  $m ≤ 1$,  then at all times  $r_{\rm TP}(t) ≥ 0$  and  $ϕ(t) = 0$.  This means,  that the zero crossings of the received signal  $r(t)$  exactly coincide with those of the carrier signal  $z(t)$.
  5. The envelope $a(t)$  of the physical signal  $r(t)$  is equal to the resulting pointer length, i.e., equal to the magnitude of  $r_{\rm TP}(t)$.  Because  $m< 1$ ,  $a(t) = q(t) + A_{\rm T}$ holds.
  6. For the given amplitude values,  the locus curve  $r_{\rm TP}(t)$  lies on the real axis between the end-points  $A_{\rm T} \ – \ A_{\rm N} = 1\ \rm V$  and  $A_{\rm T} + A_{\rm N} = 9 \ \rm V$.
  7. The locus curve on the real axis in the right half-plane is an indicator that the message signal can be extracted without distortion by an envelope demodulator.


$\text{Example 5:}$   Now let us consider the same graphs for a distorting channel where

  • $α_{\rm U} = 1.0$   ⇒   the lower sideband  (German:  "unteres Seitenband"   ⇒   subscript "U")  is unchanged,
  • $α_{\rm T} = 0.8$   ⇒   the carrier  (German:  "Träger"   ⇒   subscript "T")  is slightly attenuated,
  • $α_{\rm U} = 0.5$  ⇒   the upper sideband   (German:  "oberes Seitenband"   ⇒   subscript "O")  is attenuated more.
Envelope demodulation with a distorting channel


The graphs can then be interpreted as follows:

  1. Due to the different lengths of the green pointer  $\rm (USB)$  and blue pointer  $\rm (OSB)$,  the locus curve becomes an ellipse,  whose center is fixed by the  (red)  carrier.
  2. The angle between the complex-valued  $r_{\rm TP}(t)$  and the coordinate origin is now no longer continuous  $ϕ(t) \equiv 0$,  but instead fluctuates between  $±ϕ_{\rm max}.$
  3. The maximal phase is equal to the angle of the tangent to the ellipse.  In the physical signal,  $ϕ(t) ≠ 0$  leads to shifts of the zero crossings of  $r(t)$  with respect to its nominal positions – as given by the carrier signal  $z(t)$.
  4. The magnitude  $a(t) = \vert r_{\rm TP}(t) \vert$ – i.e.,  the envelope of  $r(t)$ – is thus no longer cosine-shaped,  and the signal after the envelope demodulator contains harmonics in addition to the frequency  $f_{\rm N}$:
        $v(t) = A_{\rm 1} \cdot \cos(\omega_{\rm N}\cdot t ) +A_{\rm 2} \cdot \cos(2\omega_{\rm N}\cdot t )+A_{\rm 3} \cdot \cos(3\omega_{\rm N} \cdot t )+ \text{...}$
  5. These lead to nonlinear distortions,  which are captured by the distortion factor  $K$ .
    When  $A_{\rm N} = 4 \ \rm V$,  $A_{\rm T} = 5 \ \rm V$,  $α_{\rm U} = 1$  and  $α_{\rm T} = 0.8$,  the following numerical values are obtained as a function of the upper sideband $α_{\rm O}$:
$α_{\rm O} = 1.00$:     $K = 0$   ⇒   only the carrier is attenuated,
$α_{\rm O} = 0.75$:     $K ≈ 0.4\%$,
$α_{\rm O} = 0.50$:     $K ≈ 1.5\%$  ⇒   this value is used as a basis for the graph,
$α_{\rm O} = 0.25$:     $K ≈ 4\%$,
$α_{\rm O} = 0.00$:     $K ≈ 10\%$   ⇒   complete suppression of  $\rm OSB$.

This graph is valid for  $α_{\rm O} = 0.5$,  in which case we obtain  (although difficult to see with the naked eye):

  • shifts in the zero crossings of the signal  $r(t)$  by at most  $25^\circ\hspace{-0.05cm}/360^\circ ≈ 7\%$  of the carrier period  $T_0$,  and
  • deviation from the ideal cosine shape   ⇒   $K ≈ 1.5\%$ .


Symmetrical channel distortions - attenuation distortions


An important result of the last section was that nonlinear signal distortions occur in the case of asymmetric linear distortions in the channel. 

  • If,  on the other hand,  the lower sideband is attenuated in the same way as the upper sideband,  the locus curve is once again a horizontal straight line and no nonlinear distortions occur.
  • Rather,  the distortions with respect to  $q(t)$  and  $v(t)$  – as well as the distortions with respect to  $s(t)$  and  $r(t)$ –  are linear in this case,  and can be corrected for by a suitably dimensioned filter.


We now assume the following:

  • A source signal  $q(t)$  – composed of two cosine components at the frequencies  $f_1$  and  $f_2$  with amplitudes  $A_1$  and  $A_2$.
  • DSB–AM with carrier  ⇒   the transmitted signal  $s(t)$  is composed of a total of five cosine oscillations at the frequencies  $f_{\rm T},  f_{\rm T} ± f_1$  and  $f_{\rm T} ± f_2$.
Spectra in the equivalent low-pass region
  • A channel with attenuation distortions,  symmetrical about the carrier frequency:
$$H_{\rm K} (f = f_{\rm T})= \alpha_0, \hspace{0.3cm} H_{\rm K} (f = \pm f_{\rm 1})= \alpha_1, \hspace{0.3cm}H_{\rm K} (f = \pm f_{\rm 2})= \alpha_2;$$
  • An ideal envelope demodulator as described in this section.


The graphic shows the spectral function of the equivalent low-pass signals of the transmitted signal and the received signal. From this picture,  the following statements can be made:

  1. The equivalent low-pass signal  $r_{\rm TP}(t)$  is real.  The locus curve – i.e., the peak of the pointer composite in the complex plane – again also lies on the real axis.
  2. Should  $α_0 · A_{\rm T}$  be greater than  $α_1 · A_1 + α_2 · A_2$,  then the  "modulation depth of the received signal"  is less than  $1$  and nonlinear distortions do not occur.
  3. The sink signal after ideal envelope demodulation and elimination of the DC component  $α_0 · A_{\rm T}$  by the downstream high-pass filter is:
$$v(t) = \alpha_1 \cdot A_{\rm 1} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm 1} t ) + \alpha_2 \cdot A_{\rm 2} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm 2} t ) \hspace{0.05cm}.$$

This means:  

  • Linear distortions (attenuation distortions) occur when  $α_2 ≠ α_1$ . 
  • If the symmetry with respect to  $f_{\rm T}$  were not present,  nonlinear distortions would arise.


⇒   We refer you to the  (German language)  learning video  "Lineare und nichtlineare Verzerrungen"   ⇒   "Linear and nonlinear distortions".

Influence of additive white Gaussian noise


Based on the system configuration

  • DSB–AM with modulation depth  $m ≤ 1$,  and
  • the best-fitting envelope demodulation


we can now estimate the influence of additive white Gaussian noise. Distortions of any kind  – for example caused by an unsuitable channel or an imperfect realization of the modulator and demodulator –  are ruled out.

The graph on the right shows the sink SNR  $10 · \lg \, ρ_v$  for different modulation depths  $m$  as a function of the logarithmic performance parameter:

SNR for  "DSB-AM with/without carrier"  and envelope demodulation
$$10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm} \xi = 10 \cdot {\rm lg }\hspace{0.1cm} \frac{\alpha_{\rm K}^2 \cdot P_{\rm S}}{N_0 \cdot B_{\rm NF}} \hspace{0.05cm}.$$

The result of the envelope demodulator  $\rm (ED)$  is marked with solid lines,  while the dotted lines represent the synchronous demodulator  $\rm (SD)$.

As already derived in the section "Investigations with regard to signal distortions",  the results for the synchronous demodulator in this double-logarithmic representation are

  • the angle bisector  (for  $m → ∞$,  "DSB–AM without carrier"),  and
  • a shifted line parallel to it for  "DSB–AM with carrier", with a vertical distance of  $10 · \lg \, (1 + 2/m^2$).


When envelope demodulation  $\rm (ED)$  is applied,  the following differences are observed:

  • An envelope demodulator is not useful when  $m > 1$,  because it would cause strong nonlinear distortions.
  • The  $\rm ED$–curves always lie beneath the dashed  $\rm SD$–lines,  assuming the same modulation depth  $m$.
  • Above a certain  $ξ$–value,  the  $\rm ED$– and the  $\rm SD$–curves cannot be distinguished for the given degree of precision.


More information on this topic can be found e.g. in  [Kam 04][1].


Arguments for and against the envelope demodulator


The most important reason for the use of the envelope demodulator is  (better said:  was)  that it avoids the often laborious need for frequency and phase synchronization,  so that it can be realized cheaply.  The envelope demodulator is thus an example of an  "incoherent demodulator".

On the other hand,  several reasons can be given in favour of the  $\text{synchronous demodulator}$  and against the envelope demodulator:

  • With envelope demodulation,  an over-modulation  $(m > 1)$  must be avoided under all circumstances.  This can be achieved for example by limiting the amplitude of the source signal,  though this also results in nonlinear distortions.
  • All else being equal,  the modulation depth  $m < 1$  can only be achieved by increasing the transmitted power by at least a factor of  $3$.  This is also problematic because of justified discussions on the topic of  "electronic smog"  in large parts of our society.
  • Linear channel distortions in the case of an envelope demodulator can lead to irreversible nonlinear channel distortions,  whereas the linear distortions occurring during synchronous demodulation can possibly be compensated for by special measures taken at the receiver.

Exercises for the chapter


Exercise 2.7: Is the Modulation Depth Too High?

Exercise 2.7Z: DSB-AM and Envelope Demodulator

Exercise 2.8: Asymmetrical Channel

Exercise 2.9: Symmetrical Distortions


References

  1. Kammeyer, K.D.:  Nachrichtenübertragung.  Stuttgart: B.G. Teubner, 4. Auflage, 2004.