Aufgabe 2.1Z: ZSB-AM ohne/mit Träger

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Die bei der AM beteiligten Signale

Die Grafik zeigt als rote Kurve einen Ausschnitt des Sendesignals  $s(t) = q(t) · z(t)$  einer Zweiseitenband–Amplitudenmodulation  (abgekürzt mit ZSB-AM)  ohne Träger.  Die Dauer des Zeitausschnitts beträgt  $\rm 200 \ µ s$.

Zusätzlich sind in der Grafik eingetragen:

  • das Quellensignal (als blau–gestrichelte Kurve):
$$q(t) = 1\,{\rm V} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm N} t + \phi_{\rm N}),$$
  • das Trägersignal (grau–gepunkteter Verlauf):
$$z(t) = 1 \cdot \cos(2 \pi f_{\rm T} t + \phi_{\rm T})$$

Ab der Teilaufgabe  (4)  wird die  „ZSB–AM mit Träger”  betrachtet.  Dann gilt mit  $A_{\rm T} = 2\text{ V}$:

$$s(t) = \left(q(t) + A_{\rm T} \right) \cdot z(t) \hspace{0.05cm}.$$





Hinweise:



Fragebogen

1

Ermitteln Sie aus der Grafik die Phasenwerte von Quellen– und Trägersignal.

$\phi_{\rm N} \ = \ $

$\ \text{Grad}$
$\phi_{\rm T} \ = \ $

$\ \text{Grad}$

2

Welche Frequenz $f_{\rm N}$  besitzt das Nachrichtensignal  $q(t)$  und welche Frequenz $f_{\rm T}$  das Trägersignal  $z(t)$?

$f_{\rm N} \ = \ $

$\ \text{kHz}$
$f_{\rm T} \ = \ $

$\ \text{kHz}$

3

Analysieren Sie die Nulldurchgänge von  $s(t)$. Welche Aussagen treffen zu?

Alle Nulldurchgänge von  $z(t)$  bleiben in  $s(t)$  erhalten.
Es gibt weitere Nullstellen, verursacht durch  $q(t)$.
Es gilt  $s(t) = a(t) · \cos(ω_T · t)$  mit  $a(t) = |q(t)|$.

4

Bestimmen Sie die Spektralfunktion  $S(f)$  über die Faltung.  Welche (positiven) Frequenzen $f_1$  und $f_2 > f_1$  sind im Signal enthalten?

$f_1 \ = \ $

$\ \text{kHz}$
$f_2\ = \ $

$\ \text{kHz}$

5

Es gelte nun  $A_{\rm T} = 2\text{ V}$.  Wie groß ist der Modulationsgrad  $m$?

$m \ = \ $

6

Welche der Aussagen treffen bei der  „ZSB–AM mit Träger”  und  $A_{\rm T} = 2\text{ V}$  zu?

$S(f)$  beinhaltet nun auch Diracfunktionen bei  $±f_{\rm T}$.
Die Gewichte dieser Diraclinien sind jeweils  $2\text{ V}$.
$q(t)$  ist in der Hüllkurve von  $s(t)$  zu erkennen.
Durch den zusätzlichen Trägeranteil bleibt die Leistung unverändert.


Musterlösung

(1)  Beide Signale sind cosinusförmig   ⇒   $ϕ_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline { = 0}$  und  $ϕ_{\rm T} \hspace{0.15cm}\underline { = 0}$.


(2)  Aus der Grafik können für  $q(t)$  und $z(t)$ die Periodendauern  $200$ μs  bzw.  $20$ μs  abgelesen werden.

  • Daraus ergeben sich die Frequenzen zu  $f_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline { = 5}$  kHz und  $f_{\rm T} \hspace{0.15cm}\underline { = 50}$ kHz.


(3)  Richtig sind die Lösungsvorschläge 1 und 2:

  • Die Nullstellen von  $z(t)$  bei  $±5$ μs,  $±15$ μs,  $±25$ μs, ... sind auch im Signal  $s(t)$  vorhanden   ⇒   Aussage 1 ist richtig.
  • Weitere Nullstellen von  $s(t)$ – verursacht durch  $q(t)$  – liegen bei  $±50$ μs,  $±150$ μs,  $±250$ μs, ....   ⇒   Aussage 2 ist richtig.
  • Die dritte Aussage trifft dagegen nicht zu, sondern es gilt:   $ s(t) = a(t) \cdot \cos[\omega_{\rm T} t + \phi (t)] \hspace{0.05cm}.$
  • Für  $q(t) > 0$  ist die Phasenfunktion  $ϕ(t) = 0$  und  $s(t)$  ist gleichlaufend mit  $z(t)$.
  • Dagegen gilt für  $q(t) < 0$:   $ϕ(t) = π = 180^\circ$.
  • Bei den Nulldurchgängen von  $q(t)$  weist das modulierte Signal  $s(t)$  Phasensprünge auf.


ZSB–AM–Spektrum  $Z(f)$,  $Q(f)$  und  $S(f)$

(4)  Das Spektrum  $S(f)$  ergibt sich aus der Faltung der Spektralfunktionen  $Z(f)$  und  $Q(f)$, die jeweils aus nur zwei Diracfunktionen bestehen.  Die Grafik zeigt das Ergebnis.

  • Die rot eingezeichneten Diracfunktionen gelten nur für die  „ZSB–AM mit Träger”  und beziehen sich auf die Teilaufgabe  (6).
  • Die Faltung der beiden  $Z(f)$–Diracfunktionen bei  $f_{\rm T} = 50\text{ kHz}$  mit  $Q(f)$  führt zu den Diraclinien bei  $f_{\rm T} - f_{\rm N}$  und  $f_{\rm T} + f_{\rm N}$, jeweils mit Gewicht  $0.5 · 0.5\text{ V}= 0.25\text{ V}$.
  • Die gesuchten Werte sind somit  $f_1\hspace{0.15cm}\underline { = 45 \ \rm kHz}$  und  $f_1\hspace{0.15cm}\underline { = 55 \ \rm kHz}$.
  • Die mit zwei Markierungsstrichen versehene Diracfunktion  $0.5 · δ(f + f_{\rm T})$  führt zu zwei weiteren Diraclinien bei  $-f_1$  und  $-f_2$.


(5)  Der Modulationsgrad berechnet sich zu:

$$ m = \frac{q_{\rm max}}{A_{\rm T}} = \frac{A_{\rm N}}{A_{\rm T}} \hspace{0.15cm}\underline {= 0.5} \hspace{0.05cm}.$$


(6)  Richtig sind die Lösungsvorschläge 1 und 3:

  • Gemäß der Skizze ergeben sich Diraclinien bei  $±f_{\rm T}$, beide mit dem Impulsgewicht  $A_{\rm T}/2 = 1\text{ V}$.
  • Bei  $m ≤ 1$  ist  $q(t)$  in der Hüllkurve erkennbar und Hüllkurvendemodulation anwendbar.
  • Allerdings muss diese einfachere Empfängervariante durch eine sehr viel größere Sendeleistung erkauft werden. 
  • In diesem Beispiel  $(m = 0.5)$  wird die Sendeleistung durch den Trägerzusatz verneunfacht.