Aufgabe 2.2: Modulationsgrad

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Modulationsgrad-Definition bei ZSB–AM

Die Grafik zeigt ZSB–amplitudenmodulierte Signale  $s_1(t)$  bis  $s_4(t)$  mit unterschiedlichem Modulationsgrad  $m$. Nachrichtensignal  $q(t)$  und Trägersignal  $z(t)$  seien jeweils cosinusförmig:

$$q(t) = A_{\rm N} \cdot \cos (2 \pi f_{\rm N} t),\hspace{0.2cm} f_{\rm N} = 4\,{\rm kHz}\hspace{0.05cm},$$
$$ z(t) = \hspace{0.2cm}1 \hspace{0.15cm} \cdot \cos (2 \pi f_{\rm T} t),\hspace{0.2cm} f_{\rm T} = 50\,{\rm kHz}\hspace{0.05cm}.$$

Das modulierte Signal (Sendesignal) lautet mit dem im Modulator zugesetzten Gleichanteil  $A_{\rm T}$:

$$s(t ) = A(t) \cdot z(t), \hspace{0.2cm} A(t) = q(t) + A_{\rm T}\hspace{0.05cm}.$$

Bei den Grafiken wurde zur Normierung gewählt:

$$A_{\rm T}+ A_{\rm N} = 2\,{\rm V}\hspace{0.05cm}.$$
  • Ist der Modulationsgrad  $m ≤ 1$, so ist  $A(t)= q(t) + A_{\rm T}$  gleich der Hüllkurve  $a(t)$.
  • Dagegen gilt für den Modulationsgrad  $m > 1$:
$$a(t ) = |A(t)|\hspace{0.05cm}.$$
  • Der Cosinusverlauf  $A(t)$  schwankt zwischen  $A_{\rm max}$  und  $A_{\rm min}$; wegen der Normierung ist stets  $A_{\rm max} = 2 \ \rm V$.
  • Die Minimalwerte von  $A(t)$  treten bei der halben Periodendauer des Quellensignals  $($also für  $t = 125 \ \rm µ s)$  auf:
$$A_{\rm min} = q(T_0/2)+ A_{\rm T} = A_{\rm T}-A_{\rm N}.$$
  • Die Zahlenwerte sind in der Grafik angegeben.





Hinweise:


Fragebogen

1

Bestimmen Sie für die Signale  $s_1(t)$,  $s_2(t)$,  $s_3(t)$  jeweils den Modulationsgrad.

$m_1 \ = \ $

$m_2 \ = \ $

$m_3 \ = \ $

2

Welche Aussagen treffen für das Signal  $s_4(t)$  zu?

Es handelt sich um  „ZSB–AM ohne Träger”.
Der Modulationsgrad ist  $m = 0$.
Der Modulationsgrad  $m$  ist unendlich groß.

3

Es gelte nun  $A_{\rm T} = A_{\rm N} = 1\ \rm V$, also  $m = 1$.  Wie lautet das Spektrum  $S_+(f)$  des analytischen Signals?
Welche Diracgewichte treten bei  $f_{\rm T}$  sowie bei  $f_{\rm T}± f_{\rm N}$  auf?

$S_+(f_{\rm T}) \ = \ $

$\ \text{V}$
$S_+(f_{\rm T} ± f_{\rm N}) \ = \ $

$\ \text{V}$

4

Es gelte weiter  $m = 1$.  Welcher Anteil  $P_{\rm T}/P_{\rm S}$  der gesamten Sendeleistung  $P_{\rm S}$  geht allein auf den Träger zurück, der nicht zur Demodulation genutzt werden kann?

$P_{\rm T}/P_{\rm S} \ = \ $

5

Verallgemeinern Sie das Ergebnis aus  (4)  für einen beliebigen Modulationsgrad  $m$.
Welche Leistungsverhältnisse ergeben sich für  $m = 0.5$,  $m = 3$  und  $m → ∞$ ?

$m = 0.5\text{:}\hspace{0.3cm} P_{\rm T}/P_{\rm S} \ = \ $

$m = 3.0\text{:}\hspace{0.3cm} P_{\rm T}/P_{\rm S} \ = \ $

$m → ∞ \text{:}\hspace{0.3cm} P_{\rm T}/P_{\rm S} \ = \ $

6

Welche der nachfolgenden Bewertungen erscheinen Ihnen nach den bisherigen Berechnungen als sinnvoll?

$m ≈ 1$  ist aus energetischen Gründen günstiger als ein kleines  $m$.
Nur bei Hüllkurvendemodulation ist der Träger sinnvoll.


Musterlösung

(1)  Aus den beiden Gleichungen

$$ A_{\rm max} = A_{\rm T}+A_{\rm N}=2\,\,{\rm V},\hspace{0.3cm} A_{\rm min} = A_{\rm T}-A_{\rm N}\hspace{0.05cm}$$

folgt direkt

$$A_{\rm N} = (A_{\rm max} - A_{\rm min})/2,\hspace{0.3cm} A_{\rm T} = (A_{\rm max} + A_{\rm min})/2\hspace{0.05cm}.$$
  • Somit lautet der Modulationsgrad
$$m = \frac{A_{\rm max} - A_{\rm min}}{A_{\rm max} + A_{\rm min}}\hspace{0.05cm}.$$
  • Mit den angegebenen Zahlenwerten erhält man:

$$ m_1 = \frac{2\,{\rm V} - 0.667\,{\rm V}}{2\,{\rm V} + 0.667\,{\rm V}} \hspace{0.15cm}\underline {= 0.5}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.5cm} m_2 = \frac{2\,{\rm V} - 0\,{\rm V}}{2\,{\rm V} + 0\,{\rm V}} \hspace{0.15cm}\underline {= 1.0}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.5cm} m_3 = \frac{2\,{\rm V} -(-1\,{\rm V})}{2\,{\rm V} + (-1\,{\rm V})} \hspace{0.15cm}\underline{=3.0}\hspace{0.05cm}.$$


(2)  Richtig sind die Aussagen 1 und 3:

  • In diesem Fall ist  $A_{\rm T} = 0$, das heißt, es liegt tatsächlich eine  „ZSB–AM ohne Träger”  vor.
  • Der Modulationsgrad  $m = A_{\rm N}/A_{\rm T}$  ist unendlich groß.



Spektrum: Analytisches Signal

(3)  Das Spektrum  $S_+(f)$  setzt sich für jeden Modulationsgrad  $m$  aus drei Diraclinien zusammen mit folgenden Gewichten:

  • $A_{\rm T}$  $($bei  $f = f_{\rm T})$,
  • $m/2 · A_{\rm T}$  $($bei  $f = f_{\rm T} ± f_{\rm N})$.


Für $m = 1$ ergeben sich die Gewichte entsprechend der Skizze:

  • $S_+(f_{\rm T}) = 1\ \rm V$,
  • $S_+(f_{\rm T} ± f_{\rm T}) = 0.5\ \rm V$.



(4)  Die auf den Widerstand  $1 \ Ω$  bezogene Leistung  (Quadrat des Effektivwertes)  einer harmonischen Schwingung mit der Amplitude  $A_{\rm T} = 1 \ \rm V$  beträgt:

$$P_{\rm T} ={A_{\rm T}^2}/{2} = 0.5\,{\rm V}^2 \hspace{0.05cm}.$$
  • In gleicher Weise erhält man für die Leistungen des unteren und des oberen Seitenbandes:
$$P_{\rm USB} = P_{\rm OSB} =({A_{\rm N}}/{2})^2/2 = 0.125\,{\rm V}^2 \hspace{0.05cm}.$$
  • Das gesuchte Verhältnis ist somit für  $m=1$:
$${P_{\rm T}}/{P_{\rm S}}= \frac{P_{\rm T}}{P_{\rm USB} + P_{\rm T}+ P_{\rm OSB}}= \frac{0.5\,{\rm V}^2}{0.125\,{\rm V}^2 + 0.5\,{\rm V}^2+ 0.125\,{\rm V}^2}= 2/3\hspace{0.15cm}\underline { = 0.667}\hspace{0.05cm}.$$


(5)  Mit den Diracgewichten  $m/2 · A_{\rm T}$  der beiden Seitenbänder entsprechend der Teilaufgabe  (3)  erhält man:

$${P_{\rm T}}/{P_{\rm S}}= \frac{A_{\rm T}^2/2}{A_{\rm T}^2/2 + 2 \cdot (m/2)^2 \cdot A_{\rm T}^2/2}= \frac{2}{2 + m^2}\hspace{0.05cm}.$$
  • Dies führt zu den Zahlenwerten  $8/9 = 0.889$  $($für  $m = 0.5)$,     $2/11 = 0.182$  $($für  $m = 3)$  und     $0$  $($für  $m \to ∞$).


(6)  Beide Aussagen treffen zu:

  • Die Zusetzung des Trägers macht nur Sinn, um den einfacheren Hüllkurvendemodulator verwenden zu können.  Dies geht nur für  $m \le 1$.
  • Ist dagegen der Modulationsgrad  $m > 1$  und somit der Einsatz eines Synchrondemodulators erforderlich, sollte man aus energetischen Gründen auf den Träger (fast) ganz verzichten.
  • Ebenso ist bei Anwendung eines Hüllkurvendemodulators aus energetischen Gründen ein möglichst großer Modulationsgrad  $m < 1$    ⇒   $m \to 1$  anzustreben.
  • Allerdings kann durch einen kleinen Restträger die Trägerrückgewinnung erleichtert werden, die beim Synchrondemodulator zur Frequenz– und Phasensynchronisation benötigt wird.  Die zweite Aussage ist somit nur bedingt als richtig zu bewerten.