Difference between revisions of "Modulation Methods/General Model of Modulation"

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{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Allgemeine Beschreibung
+
|Untermenü=General Description
|Vorherige Seite=Qualitätskriterien
+
|Vorherige Seite=Quality_Criteria
|Nächste Seite=Zweiseitenband-Amplitudenmodulation
+
|Nächste Seite=Double-Sideband_Amplitude_Modulation
 
}}
 
}}
==Gemeinsame Beschreibung von Amplituden– und Winkelmodulation==
+
==Joint description of amplitude and angle modulation==
 
<br>
 
<br>
[[File:P_ID955__Mod_T_1_3_S1_neu.png | frame|Gemeinsame Beschreibung von AM und WM | rechts]]
+
In the following two chapters &nbsp;[[Modulation_Methods/Double-Sideband_Amplitude_Modulation|"Amplitude Modulation"]]&nbsp; $\rm (AM)$&nbsp; and    
Bei den Beschreibungen von [[Modulationsverfahren/Zweiseitenband-Amplitudenmodulation|Amplitudenmodulation]] (AM) und    
+
&nbsp;[[Modulation_Methods/Phase_Modulation_(PM)|"Angle Modulation"]]&nbsp; $\rm (WM$&nbsp; &ndash; from German "Winkelmodulation",&nbsp; including&nbsp; $\rm PM$&nbsp; as well as&nbsp; $\rm FM)$&nbsp; we will always consider the set-up shown in the figure on the right.&nbsp; Here,&nbsp; the central block is the&nbsp; &raquo;'''Modulator'''&laquo;.
[[Modulationsverfahren/Phasenmodulation_(PM)|Winkelmodulation]] (WM, sowohl PM als auch FM)  in den beiden nächsten Kapiteln wird stets die nebenstehende Konstellation betrachtet. Der zentrale Block ist hierbei der '''Modulator.'''  
+
[[File:P_ID955__Mod_T_1_3_S1_neu.png | frame|Gemeinsame Beschreibung von Amplituden&ndash; und Winkelmodulation | Joint description of amplitude and angle modulation]]
 +
The two input signals and the output signal have the following characteristics:
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*The&nbsp; &raquo;'''source signal'''&laquo; &nbsp; (German:&nbsp; "Quellensignal" &nbsp; &rArr; &nbsp; letter&nbsp; "q") &nbsp; &rArr; &nbsp; $q(t)$&nbsp; is the low-frequency message signal and has the spectrum &nbsp;$Q(f)$.&nbsp; This signal is continuous in value and time and limited to the frequency range &nbsp;$|f| ≤ B_{\rm NF}$&nbsp; <br>("NF"&nbsp; from German&nbsp; "Niederfrequenz"&nbsp; i.e.&nbsp; "low-frequency").
 +
 
 +
*The&nbsp; &raquo;'''carrier signal'''&laquo; &nbsp;$z(t)$&nbsp; is a harmonic oscillation of the form &nbsp; (subscript&nbsp; "T"&nbsp; from German&nbsp; "Träger"&nbsp; i.e.&nbsp; "carrier"):
 +
:$$z(t) = A_{\rm T} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm T} t - \varphi_{\rm T})= A_{\rm T} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm T} t + \phi_{\rm T})\hspace{0.05cm}.$$
 +
 
 +
*The&nbsp; &raquo;'''transmitted signal'''&laquo;&nbsp;  (German:&nbsp;  "Sendesignal" &nbsp;  ⇒ &nbsp;  letter  "s") &nbsp;  ⇒ &nbsp;$s(t)$&nbsp; is a higher frequency signal,&nbsp; whose spectrum &nbsp;$S(f)$&nbsp;is in the range around the carrier frequency&nbsp;$f_{\rm T}$.
 +
 
  
Die beiden Eingangssignale und das Ausgangssignal weisen folgende Eigenschaften auf:
+
The modulator output signal &nbsp;$s(t)$&nbsp; depends on both input signals &nbsp;$q(t)$&nbsp; and &nbsp;$z(t)$.&nbsp; The modulation methods considered below differ only by different combinations of &nbsp;$q(t)$&nbsp; and &nbsp;$z(t)$.
*Das '''Quellensignal''' $q(t)$ ist das niederfrequente Nachrichtensignal und besitzt das Spektrum $Q(f)$. Dieses Signal ist wert– und zeitkontinuierlich und auf den Frequenzbereich $|f| ≤ B_{\rm NF}$ begrenzt.
 
*Das '''Trägersignal''' $z(t)$ ist eine harmonische Schwingung der Form
 
:$$z(t) = A_{\rm T} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm T} t - \varphi_{\rm T})= A_{\rm T} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm T} t + \phi_{\rm T})\hspace{0.05cm}.$$
 
*Das Sendesignal $s(t)$ ist ein hochfrequentes Signal, dessen Spektralfunktion $S(f)$ im Bereich um die Trägerfrequenz $f_{\rm T}$ liegt.  
 
  
 +
{{BlaueBox|TEXT=$\text{Definition:}$&nbsp; Each &nbsp;[[Signal_Representation/Harmonic_Oscillation|$\text{harmonic oscillation}$]] &nbsp;$z(t)$&nbsp; can be described by
 +
*the amplitude &nbsp;$A_{\rm T}$,
 +
 +
*the frequency &nbsp;$f_{\rm T}$&nbsp; and
 +
 +
*the zero phase position &nbsp;${\it ϕ}_{\rm T}$ .
  
Das Modulatorausgangssignal $s(t)$ hängt von beiden Eingangssignalen $q(t)$ und $z(t)$ ab. Die nachfolgend betrachteten Modulationsverfahren differieren ausschließlich durch unterschiedliche Verknüpfungen von $q(t)$ und $z(t)$.
 
  
{{BlaueBox|TEXT=Die [[Signaldarstellung/Harmonische_Schwingung|Harmonische Schwingung]] $z(t)$ ist beschreibbar durch
+
Though the above left equation with a minus sign and &nbsp;$φ_{\rm T}$&nbsp; is mostly used for the application of Fourier series and Fourier integrals,&nbsp; the right equation with &nbsp;${\it ϕ}_{\rm T} = \ – φ_{\rm T}$&nbsp; and a plus sign is more common for the description of modulation processes.}}
*die Amplitude $A_{\rm T}$,
 
*die Frequenz $f_{\rm T}$ und
 
*die Nullphasenlage ${\it ϕ}_{\rm T}$ .
 
Während bei Anwendung von Fourierreihe und Fourierintegral meist die linke Gleichung mit Minuszeichen und $φ_{\rm T}$ benutzt wird, ist zur Beschreibung der Modulationsverfahren die rechte Gleichung mit ${\it ϕ}_{\rm T} = \ – φ_{\rm T}$ und Pluszeichen üblich.}}
 
 
    
 
    
  
==Eine sehr einfache, leider nicht ganz richtige Modulatorgleichung==
+
==A very simple (though unfortunately not always correct) modulator equation==
 
<br>
 
<br>
{{BlaueBox|TEXT=Ausgehend von der harmonischen Schwingung (hier mit der Kreisfrequenz $ω_{\rm T} = 2πf_{\rm T}$ geschrieben)  
+
{{BlaueBox|TEXT=$\text{Definition:}$&nbsp; Starting from the harmonic oscillation&nbsp; $($here written with the angular frequency&nbsp; &nbsp;$ω_{\rm T} = 2πf_{\rm T}$)  
 
:$$z(t) = A_{\rm T} \cdot \cos(\omega_{\rm T}\cdot t + \phi_{\rm T})$$
 
:$$z(t) = A_{\rm T} \cdot \cos(\omega_{\rm T}\cdot t + \phi_{\rm T})$$
kommt man zur '''allgemeinen Modulatorgleichung''', indem die bisher festen Schwingungsparameter als zeitabhängig angesetzt werden:
+
we arrive at the &nbsp;&raquo;'''general modulator equation'''&laquo;,&nbsp; by assuming the previously fixed oscillation parameters to be time-dependent:
:$$s(t) = a(t) \cdot \cos[\omega(t) \cdot t + \phi(t)]\hspace{0.05cm}.$$
+
:$$s(t) = a(t) \cdot \cos \big[\omega(t) \cdot t + \phi(t)\big ]\hspace{0.05cm}.$$
'''!! Vorsicht !!''' Diese allgemeine Modulatorgleichung ist sehr einfach und plakativ und trägt zum Verständnis der Modulationsverfahren bei. Leider stimmt diese Gleichung bei der Frequenzmodulation nur in Ausnahmefällen. Hierauf wird im Kapitel [[Modulationsverfahren/Frequenzmodulation_(FM)#Signalverl.C3.A4ufe_bei_Frequenzmodulation|Signalverläufe bei Frequenzmodulation]] noch ausführlich eingegangen. }}
+
$\text{!! Attention !!}$&nbsp; This general modulator equation is very simple and striking and aids in understanding modulation methods.&nbsp; Unfortunately, this equation is true for frequency modulation only in exceptional cases.&nbsp; This will be discussed further in the chapter &nbsp;[[Modulation_Methods/Frequency_Modulation_(FM)#Signal_characteristics_with_frequency_modulation|"Signal characteristics in frequency modulation"]]&nbsp;. }}
  
  
Als Sonderfälle sind in dieser Gleichung enthalten:  
+
Special cases included in this equation are:
*Bei der '''Amplitudenmodulation''' (AM) ändert sich die zeitabhängige Amplitude $a(t)$ entsprechend dem Quellensignal $q(t)$, während die beiden anderen Signalparameter konstant sind:  
+
*In&nbsp; &raquo;'''amplitude modulation'''&laquo;&nbsp; $\rm (AM)$,&nbsp; the time-dependent amplitude &nbsp;$a(t)$&nbsp; changes according to the signal&nbsp; $q(t)$,&nbsp; while the other two signal parameters stay constant:  
:$$\omega(t) = \omega_{\rm T} = {\rm const.}\hspace{0.08cm}, \hspace{0.2cm}\phi(t) = \phi_{\rm T} = {\rm const.}\hspace{0.08cm}, \hspace{0.2cm} a(t) = {\rm Funktion \hspace{0.15cm}von}\hspace{0.15cm}q(t) .$$
+
:$$\omega(t) = \omega_{\rm T} = {\rm const.}\hspace{0.08cm}, \hspace{0.2cm}\phi(t) = \phi_{\rm T} = {\rm const.}\hspace{0.08cm}, \hspace{0.2cm} a(t) = {\rm function \hspace{0.15cm}of}\hspace{0.15cm}q(t) .$$
*Bei der '''Frequenzmodulation''' (FM) wird ausschließlich die momentane (Kreis–)Frequenz $\omega(t)$ durch das Quellensignal  $q(t)$ bestimmt:
 
:$$a(t) = A_{\rm T} = {\rm const.}\hspace{0.08cm}, \hspace{0.2cm}\phi(t) = \phi_{\rm T} = {\rm const.}\hspace{0.08cm}, \hspace{0.2cm} \omega(t)= {\rm Funktion \hspace{0.15cm}von}\hspace{0.15cm}q(t) .$$
 
*Bei der '''Phasenmodulation''' (PM) variiert die Phase $\phi(t)$ entsprechend dem Quellensignal  $q(t)$:
 
:$$a(t) = A_{\rm T} = {\rm const.}\hspace{0.08cm}, \hspace{0.2cm}\omega(t) = \omega_{\rm T} = {\rm const.}\hspace{0.08cm}, \hspace{0.2cm} \phi(t) = {\rm Funktion \hspace{0.15cm}von}\hspace{0.15cm}q(t) .$$
 
  
 +
*In&nbsp; &raquo;'''frequency modulation'''&laquo;&nbsp; $\rm (FM)$,&nbsp; only the instantaneous&nbsp; (circular)&nbsp; frequency&nbsp;$\omega(t)$&nbsp; is determined by the signal&nbsp; $q(t)$:
 +
:$$a(t) = A_{\rm T} = {\rm const.}\hspace{0.08cm}, \hspace{0.2cm}\phi(t) = \phi_{\rm T} = {\rm const.}\hspace{0.08cm}, \hspace{0.2cm} \omega(t)= {\rm function \hspace{0.15cm}of}\hspace{0.15cm}q(t) .$$
  
Bei diesen grundlegenden Verfahren werden also stets zwei der drei Schwingungsparameter konstant gehalten.
+
*In&nbsp; &raquo;'''phase modulation'''&laquo;&nbsp; $\rm (PM)$,&nbsp;the phase&nbsp;$\phi(t)$&nbsp; varies according to the signal&nbsp; $q(t)$:
*Daneben gibt es auch Varianten mit mehr als einer Zeitabhängigkeit von Amplitude, Frequenz bzw. Phase.  
+
:$$a(t) = A_{\rm T} = {\rm const.}\hspace{0.08cm}, \hspace{0.2cm}\omega(t) = \omega_{\rm T} = {\rm const.}\hspace{0.08cm}, \hspace{0.2cm} \phi(t) = {\rm function \hspace{0.15cm}of}\hspace{0.15cm}q(t) .$$
*Ein Beispiel hierfür ist die [[Modulationsverfahren/Einseitenbandmodulation|Einseitenbandmodulation]], bei der sowohl $a(t)$ als auch ${\it ϕ}(t)$ vom Quellensignal $q(t)$ beeinflusst werden.
 
  
  
==Modulierte Signale bei digitalem Quellensignal==
+
In these basic methods,&nbsp; two of the three oscillation parameters are thus always kept constant.
<br>
+
*Additionally,&nbsp; there are also variants with more than one time dependency for amplitude,&nbsp; frequency,&nbsp; and phase, resp.
Bei der Beschreibung von AM, FM und PM wird meist das Quellensignal $q(t)$ als zeit- und wertkontinuierlich angenommen. Die obigen Gleichungen lassen sich aber auch auf ein rechteckförmiges Quellensignal anwenden. $q(t)$ ist in diesem Fall zeitkontinuierlich, aber wertdiskret.
+
*An example of this is &nbsp;[[Modulation_Methods/Single-Sideband_Modulation|$\text{Single-Sideband Modulation}$]],&nbsp; where both &nbsp;$a(t)$&nbsp; and &nbsp;${\it ϕ}(t)$&nbsp; are affected by the source signal &nbsp;$q(t)$.  
Damit sind auch [[Modulationsverfahren/Lineare_digitale_Modulationsverfahren|Lineare digitale Modulationsverfahren]] beschreibbar.
 
  
[[File:P_ID956__Mod_T_1_3_S3_neu.png|right|frame|Basisbandsignal, ASK, FSK und PSK]]
 
{{GraueBox|TEXT=
 
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp; Die Grafik zeigt
 
*ein rechteckförmiges Quellensignal $q(t)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; ''Basisbandsignal'', und
 
*die modulierten Signale $s(t)$, die sich bei den eben vorgestellten Modulationsverfahren ergeben.
 
  
 +
==Modulated signals with a digital source signal==
 +
<br>
 +
When describing &nbsp; $\rm AM$,&nbsp; $\rm FM$&nbsp; and&nbsp; $\rm PM$,&nbsp; the source signal  &nbsp;$q(t)$&nbsp; is usually assumed to be continuous in time and value.
 +
*However,&nbsp; the above equations can also be applied to a rectangular source signal.
 +
*In this case,&nbsp; $q(t)$&nbsp; is continuous in time but discrete in value.&nbsp;  Thus,&nbsp; it also describes methods for&nbsp; [[Modulation_Methods/Linear_Digital_Modulation|$\text{Linear Digital Modulation}$]].
  
Bei der Amplitudenmodulation, deren digitale Variante unter der Bezeichnung ''Amplitude Shift Keying'' (ASK) bekannt ist, ist das Nachrichtensignal in der Hüllkurve von $s(t)$ zu erkennen.
 
  
 +
[[File:EN_Mod_T_1_3_S3.png|right|frame|Baseband signal together with &nbsp; $\rm ASK$,&nbsp; $\rm FSK$&nbsp; and&nbsp; $\rm PSK$]]
 +
{{GraueBox|TEXT=
 +
$\text{Example 1:}$&nbsp; The graph shows at the top a rectangular source signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; &nbsp; &rArr; &nbsp; "baseband signal",&nbsp; and the modulated signals &nbsp;$s(t)$&nbsp; which result from important digital modulation methods drawn underneath.
  
Im Signalverlauf der ''Frequency Shift Keying'' (FSK) werden die beiden möglichen Signalwerte von $q(t) = +1$ &nbsp;bzw.&nbsp; $q(t) =-1$ durch zwei unterschiedliche Frequenzen dargestellt.  
+
*In amplitude modulation,&nbsp; the digital variant of which is known as&nbsp; "Amplitude Shift Keying"&nbsp; $\rm (ASK)$,&nbsp; the source signal can be seen in the&nbsp;$s(t)$&nbsp; envelope.
  
 +
 +
*In the&nbsp; "Frequency Shift Keying"&nbsp; $\rm (FSK)$&nbsp; signal waveform,&nbsp; the two possible signal values &nbsp;$q(t) = +1$ &nbsp; and &nbsp; $q(t) =-1$&nbsp; are represented by two different frequencies, respectively.
 +
  
Dagegen führt die ''Phase Shift Keying'' (PSK) bei den Amplitudensprüngen des Quellensignals $q(t)$ zu Phasensprüngen im Signal $s(t)$, im binären Fall jeweils um $\pm π$ (bzw. $\pm$180°). }}
+
*"Phase Shift Keying"&nbsp; $\rm (PSK)$&nbsp;  results in phase jumps in the signal &nbsp;$s(t)$ when the amplitude of the source signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; jumps,&nbsp; by &nbsp;$\pm π$&nbsp; (or $\pm 180^\circ$)&nbsp; in each binary case. }}
  
==Beschreibung von ''s''(''t'') mit Hilfe des analytischen Signals==
+
==Describing the physical signal using the analytic signal==
 
<br>
 
<br>
Das modulierte Signal $s(t)$ ist bandpassartig. Wie bereits im Buch „Signaldarstellung” beschrieben wurde, wird ein solches BP–Signal $s(t)$ häufig durch das dazugehörige [[Signaldarstellung/Analytisches_Signal_und_zugehörige_Spektralfunktion|analytische Signa]]l $s_+(t)$ charakterisiert. Zu beachten ist:  
+
The modulated signal &nbsp; $s(t)$&nbsp; is&nbsp; "band-pass".&nbsp; As already described in the book&nbsp; "Signal Representation",&nbsp; such a band-pass signal  &nbsp;$s(t)$&nbsp; is often characterized by its associated &nbsp;[[Signal_Representation/Analytical_Signal_and_Its_Spectral_Function|$\text{analytical signal}$]]&nbsp; $s_+(t)$.&nbsp; It is important to note:  
*Das analytische Signal $s_+(t)$ erhält man aus dem reellen, physikalischen Signal $s(t)$, indem zu diesem als Imaginärteil dessen [[Signaldarstellung/Analytisches_Signal_und_zugehörige_Spektralfunktion#Darstellung_mit_der_Hilberttransformation|Hilberttransformierte]] hinzugefügt wird:  
+
*The analytical signal&nbsp;$s_+(t)$&nbsp; is obtained from the real physical signal &nbsp;$s(t)$,&nbsp; by adding to it&nbsp; (as an imaginary part)&nbsp; its [[Signal_Representation/Analytical_Signal_and_Its_Spectral_Function#Representation_with_Hilbert_transform|$\text{Hilbert transform}$]]:  
 
:$$s_+(t) = s(t) + {\rm j} \cdot {\rm H}\{ s(t)\}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$s_+(t) = s(t) + {\rm j} \cdot {\rm H}\{ s(t)\}\hspace{0.05cm}.$$
*Das analytische Signal $s_+(t)$ ist somit stets komplex. Zwischen den beiden Zeitsignalen gilt der folgende einfache Zusammenhang:
 
:$$s(t) = {\rm Re} [s_+(t)] \hspace{0.05cm}.$$
 
*Das Spektrum $S_+(f)$ des analytischen Signals ergibt sich aus dem zweiseitigen Spektrum $S(f)$, wenn man dieses bei positiven Frequenzen verdoppelt und für negative Frequenzen zu Null setzt:
 
:$$S_+(f) =\left[ 1 + {\rm sign}(f)\right]  \cdot S(f)  = \left\{ \begin{array}{c} 2 \cdot S(f) \\ 0 \\  \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{10}c}    {\rm{f\ddot{u}r}} \\  {\rm{f\ddot{u}r}}  \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} f>0 \hspace{0.05cm}, \\ f<0  \hspace{0.05cm}, \\ \end{array} \hspace{1.3cm}
 
\text{mit}\hspace{1.3cm}
 
{\rm sign}(f)  = \left\{ \begin{array}{c} +1 \\ -1 \\  \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{10}c}    {\rm{f\ddot{u}r}} \\  {\rm{f\ddot{u}r}}  \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} f>0 \hspace{0.05cm}, \\ f<0  \hspace{0.05cm}. \\ \end{array}$$
 
  
 +
*The analytical signal &nbsp;$s_+(t)$&nbsp;  is therefore always complex.&nbsp;  The following simple relationship holds between the two time signals:
 +
:$$s(t) = {\rm Re} \big[s_+(t)\big] \hspace{0.05cm}.$$
 +
 +
*The spectrum &nbsp;$S_+(f)$&nbsp; of the analytic signal is obtained from the two-sided spectrum &nbsp;$S(f)$ by doubling it for positive frequencies and setting it to zero for negative frequencies:
 +
:$$S_+(f) =\big[ 1 + {\rm sign}(f)\big]  \cdot S(f)  = \left\{ \begin{array}{c} 2 \cdot S(f) \\ 0 \\  \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{10}c}    {\rm{for}} \\  {\rm{for}}  \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} f>0 \hspace{0.05cm}, \\ f<0  \hspace{0.05cm}, \\ \end{array} \hspace{1.3cm}
 +
\text{with}\hspace{1.3cm}
 +
{\rm sign}(f)  = \left\{ \begin{array}{c} +1 \\ -1 \\  \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{10}c}    {\rm{for}} \\  {\rm{for}}  \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} f>0 \hspace{0.05cm}, \\ f<0  \hspace{0.05cm}. \\ \end{array}$$
  
[[File:Mod_T_1_3_S4a_version2.png|right|frame| Verdeutlichung des analytischen Signals im Frequenzbereich]]
 
 
{{GraueBox|TEXT=
 
{{GraueBox|TEXT=
$\text{Beispiel 2:}$&nbsp; Die obere Grafik zeigt das Spektrum $S(f)$ eines reellen Zeitsignals $s(t)$. Man erkennt:
+
$\text{Example 2:}$&nbsp; The above graph shows the spectrum &nbsp;$S(f)$&nbsp; of a real-time signal &nbsp;$s(t)$.&nbsp; One can see:
*Die Achsensymmetrie der Spektralfunktion $S(f)$  bezüglich der Frequenz $f=0$: &nbsp; ${\rm Re}[S(-f)] = {\rm Re}[S(f)].$
+
[[File:Mod_T_1_3_S4a_version2.png|right|frame| Illustration of the analytical signal in the frequency domain]]
*Hätte das  Spektrum  des reellen Zeitsignals $s(t)$ einen Imaginärteil, so wäre dieser punktsymmetrisch um $f=0$: &nbsp; ${\rm Im}[S(-f)] = -{\rm Im}[S(f)].$
+
*The axial symmetry of the spectral function &nbsp;$S(f)$&nbsp; with respect to the frequency &nbsp;$f=0$: &nbsp;  
 +
:$${\rm Re}\big[S( - f)\big] = {\rm Re}\big[S(f)\big].$$
  
 +
*If the spectrum of the actual band-pass signal &nbsp;$s(t)$&nbsp; has an imaginary part,&nbsp; it would be point-symmetric about &nbsp;$f=0$: 
 +
:$${\rm Im}\big[S( - f)\big] = - {\rm Im}\big[S(f)\big].$$
  
Unten ist das Spektrum $S_+(f)$ des zugehörigen analytischen Signals $s_+(t)$ dargestellt. Dieses ergibt sich aus $S(f)$ durch
+
The spectrum&nbsp;$S_+(f)$&nbsp; of the corresponding analytical signal &nbsp;$s_+(t)$&nbsp; is shown below.&nbsp; This is obtained from &nbsp;$S(f)$&nbsp; by
* Abschneiden der negativen Frequenzanteile:  &nbsp; $S_+(f) \equiv 0$ für $f<0$,
+
*truncating the negative frequency components:  &nbsp; $S_+(f) \equiv 0$ &nbsp;for&nbsp; $f<0$,
*Verdoppeln  der positiven Frequenzanteile:  &nbsp; $S_+(f ) = 2 \cdot S(f )$ für $f \ge 0$.
 
  
 +
*doubling the positive frequency components:  &nbsp; $S_+(f ) = 2 \cdot S(f )$ &nbsp;for&nbsp; $f \ge 0$.
  
Bis auf einen nicht praxisrelevanten Sonderfall ist das analytische Signal $s_+(t)$ stets komplex.}}
 
  
 +
Except for one exceptional case that is not relevant in practice,&nbsp; the analytical signal &nbsp;$s_+(t)$&nbsp; is always complex.}}
  
  
Wenden wir nun diese Definitionen auf das modulierte Signal $s(t)$ an. Im Sonderfall $q(t) \equiv 0$ ist $s(t)$ wie das Trägersignal $z(t)$ eine harmonische Schwingung, und es gilt:  
+
We now apply these definitions to the modulated signal &nbsp;$s(t)$.&nbsp; In the special case that &nbsp;$q(t) \equiv 0$&nbsp;, &nbsp;$s(t)$&nbsp;is a harmonic oscillation like the carrier signal &nbsp;$z(t)$.&nbsp; It holds that:
 +
[[File:P_ID963__Mod_T_1_3_S4_b_neu.png |right|frame| Illustration of the analytical signal in the time domain for &nbsp;$ϕ_{\rm T} = -45^\circ$.&nbsp;Note: <br>(1)&nbsp; To be display the relation &nbsp;$s(t) = {\rm Re}[s_+(t)]$&nbsp; horizontally,&nbsp;  the complex plane is rotated by &nbsp;$90^\circ$&nbsp; to the left,&nbsp; contrary to the usual representation.&nbsp; Thus:<br>(2) &nbsp; The real part is plotted vertically and the imaginary part horizontally.]]
 
:$$s(t) = A_{\rm T} \cdot \cos(\omega_{\rm T}\cdot t + \phi_{\rm T}) \hspace{0.3cm} \Leftrightarrow \hspace{0.3cm} s_+(t) = A_{\rm T} \cdot {\rm e}^{\hspace{0.03cm}{\rm j} \hspace{0.03cm}(\omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} + \phi_{\rm T})}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$s(t) = A_{\rm T} \cdot \cos(\omega_{\rm T}\cdot t + \phi_{\rm T}) \hspace{0.3cm} \Leftrightarrow \hspace{0.3cm} s_+(t) = A_{\rm T} \cdot {\rm e}^{\hspace{0.03cm}{\rm j} \hspace{0.03cm}(\omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} + \phi_{\rm T})}\hspace{0.05cm}.$$
  
Die zweite Gleichung beschreibt einen Drehzeiger mit folgenden Eigenschaften:  
+
The second equation describes a rotating pointer with the following properties:
*Die Zeigerlänge kennzeichnet die Signalamplitude $A_{\rm T}$.  
+
*The pointer length denotes the signal amplitude &nbsp;$A_{\rm T}$.&nbsp; At time &nbsp;$t = 0$,&nbsp; the pointer lies in the complex plane with an angle of &nbsp;$ϕ_{\rm T}$.  
*Zur Zeit $t = 0$ liegt der Zeiger mit dem Winkel $ϕ_{\rm T}$ in der komplexen Ebene.
 
*Für $t > 0$ dreht der Zeiger mit der konstanten Winkelgeschwindigkeit $ω_{\rm T}$ in mathematisch positive Richtung, also entgegen dem Uhrzeigersinn.
 
*Die Zeigerspitze liegt stets auf einem Kreis mit dem Radius $A_{\rm T}$ und benötigt für eine Umdrehung genau die Periodendauer $T_0$.  
 
  
[[File:P_ID963__Mod_T_1_3_S4_b_neu.png |center|frame| Verdeutlichung des analytischen Signals im Zeitbereich]]
+
*For &nbsp;$t > 0$,&nbsp; the pointer rotates with constant angular velocity &nbsp;$ω_{\rm T}$&nbsp;  in a mathematically positive direction (counterclockwise).  
  
Die Grafik gilt für $ϕ_{\rm T} = -45^\circ$. Um den Zusammenhang $s(t) = {\rm Re}[s_+(t)]$ im Querformat verdeutlichen zu können, ist die komplexe Ebene entgegen der üblichen Darstellung um $90^\circ$ nach links gedreht: Der Realteil ist nach oben und der Imaginärteil nach links aufgetragen.  
+
*The pointer tip always lies on a circle with radius &nbsp;$A_{\rm T}$&nbsp; and requires exactly the period &nbsp;$T_0$ for one rotation.
 +
<br clear=all>
 +
{{BlaueBox|TEXT=
 +
$\text{The individual modulation methods can now be represented as follows:}$
 +
*In&nbsp; &raquo;'''amplitude modulation'''&laquo;&nbsp; the pointer length &nbsp;$a(t) = \vert s_+(t)\vert $&nbsp; changes  according to the source signal &nbsp;$q(t)$. <br>The angular velocity &nbsp;$ω(t)$&nbsp; remains constant in this case.
 +
 +
*During&nbsp; &raquo;'''frequency modulation'''&laquo;&nbsp; the angular velocity &nbsp;$ω(t)$&nbsp; of the rotating pointer changes according to &nbsp;$q(t)$. <br>The pointer length &nbsp;$a(t) = A_{\rm T}$&nbsp; stays unchanged.
 +
 +
*In&nbsp; &raquo;'''phase modulation'''&laquo;,&nbsp; the phase &nbsp;$ϕ(t)$&nbsp; is time-dependent according to the source signal &nbsp;$q(t)$. <br>There are many similarities with frequency modulation,&nbsp; which also belongs to the class of angle modulation.}}
  
  
Die einzelnen Modulationsverfahren lassen sich nun wie folgt darstellen:
 
*Bei der Amplitudenmodulation ändert sich die Zeigerlänge $a(t) = |s_+(t)|$ und damit die Hüllkurve von $s(t)$ entsprechend dem Quellensignal $q(t)$. Die Winkelgeschwindigkeit $ω(t)$ ist dabei konstant.
 
*Bei der Frequenzmodulation ändert sich die Winkelgeschwindigkeit $ω(t)$ des rotierenden Zeigers entsprechend $q(t)$, während die Zeigerlänge $a(t) = A_{\rm T}$ nicht verändert wird.
 
*Bei der Phasenmodulation ist die Phase $ϕ(t)$ zeitabhängig. Es bestehen viele Gemeinsamkeiten mit der Frequenzmodulation, die ebenfalls zur Klasse der Winkelmodulation zählt.
 
  
 +
==Describing the physical signal using the equivalent low-pass signal==
 +
<br>
 +
Some facts concerning modulation at the transmitter and demodulation at the receiver can be explained best by means of the [[Signal_Representation/Equivalent_Low-Pass_Signal_and_its_Spectral_Function|$\text{equivalent low-pass signal}$]]&nbsp; (German:&nbsp; "äquivalentes Tiefpass&ndash;Signal" &nbsp; &rArr; &nbsp; subscript&nbsp; "TP")&nbsp; according to the definition given in the book&nbsp; [[Signal_Representation/Equivalent_Low-Pass_Signal_and_its_Spectral_Function|"Signal Representation"]].&nbsp;
 +
[[File:Mod_T_1_3_S5a_version2.png|right|frame|The equivalent lowpass signal in the frequency domain]]
  
==Beschreibung von ''s''(''t'') mit Hilfe des äquivalenten TP-Signals==
+
The following statements hold for this signal &nbsp;$s_{\rm TP}(t)$:
<br>
 
Manche Sachverhalte bezüglich der sendeseitigen Modulation und der Demodulation am Empfänger lassen sich anhand des [[Signaldarstellung/Äquivalentes_Tiefpass-Signal_und_zugehörige_Spektralfunktion|äquivalenten Tiefpass–Signals]] entsrechend der Definition im Buch „Signaldarstellung” anschaulich erklären.
 
  
[[File:Mod_T_1_3_S5a_version2.png|right|frame|Zum äquivalenten Tiefpass–Signal im Frequenzbereich]]
+
*The spectrum &nbsp;$S_{\rm TP}(f)$&nbsp; of the equivalent low-pass signal is obtained from &nbsp;$S_+(f)$&nbsp; by shifting it to the left by &nbsp;$f_{\rm T}$&nbsp; and is thus in the frequency range around &nbsp;$f =0$:  
Für dieses Signal $s_{\rm TP}(t)$ und dessen Spektrum $S_{\rm TP}(f)$ gelten die folgenden Aussagen:
 
*Das Spektrum $S_{\rm TP}(f)$ des äquivalenten Tiefpass–Signals erhält man aus $S_+(f)$ durch Verschiebung um $f_{\rm T}$ nach links. Aus der Grafik erkennt man, dass $S_{\rm TP}(f)$ im Bereich um die Frequenz $f =$ 0 liegt.  
 
 
:$$S_{\rm TP}(f) = S_+(f + f_{\rm T}) \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$S_{\rm TP}(f) = S_+(f + f_{\rm T}) \hspace{0.05cm}.$$
*Nach dem [[Signaldarstellung/Gesetzmäßigkeiten_der_Fouriertransformation#Verschiebungssatz|Verschiebungssatz]] gilt somit für die zugehörige Zeitfunktion:  
+
*For the corresponding time function,&nbsp; according to the &nbsp;[[Signal_Representation/Fourier_Transform_Laws#Shifting_Theorem|$\text{Shifting Theorem}$]]&nbsp; holds:  
 
:$$s_{\rm TP}(t) = s_+(t) \cdot {\rm e}^{{-\rm j}\hspace{0.08cm}
 
:$$s_{\rm TP}(t) = s_+(t) \cdot {\rm e}^{{-\rm j}\hspace{0.08cm}
 
\omega_{\rm T} \hspace{0.03cm}t }\hspace{0.05cm}.$$
 
\omega_{\rm T} \hspace{0.03cm}t }\hspace{0.05cm}.$$
*Das äquivalente Tiefpass–Signal einer unmodulierten harmonischen Schwingung ist für alle Zeiten konstant – die Ortskurve besteht in diesem Sonderfall aus einem einzigen Punkt:  
+
 
 +
*The equivalent low-pass signal of an unmodulated harmonic oscillation is constant for all times.&nbsp; The&nbsp; "locus curve"&nbsp; in this special case consists of a single point:
 
:$$s(t) = A_{\rm T} \cdot \cos(\omega_{\rm T}\cdot t + \phi_{\rm T}) \hspace{0.3cm} \Leftrightarrow \hspace{0.3cm} s_+(t) = {\rm e}^{\hspace{0.03cm}{\rm j} \hspace{0.03cm}(\omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} + \phi_{\rm T})}\hspace{0.05cm},$$
 
:$$s(t) = A_{\rm T} \cdot \cos(\omega_{\rm T}\cdot t + \phi_{\rm T}) \hspace{0.3cm} \Leftrightarrow \hspace{0.3cm} s_+(t) = {\rm e}^{\hspace{0.03cm}{\rm j} \hspace{0.03cm}(\omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} + \phi_{\rm T})}\hspace{0.05cm},$$
 
:$$ s_+(t) = {\rm e}^{\hspace{0.03cm}{\rm j} \hspace{0.03cm}(\omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} + \phi_{\rm T})}\hspace{0.3cm} \Leftrightarrow \hspace{0.3cm}
 
:$$ s_+(t) = {\rm e}^{\hspace{0.03cm}{\rm j} \hspace{0.03cm}(\omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} + \phi_{\rm T})}\hspace{0.3cm} \Leftrightarrow \hspace{0.3cm}
 
  s_{\rm TP}(t) = A_{\rm T} \cdot {\rm e}^{\hspace{0.03cm}{\rm j} \hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.05cm} \phi_{\rm T}}\hspace{0.05cm}.$$
 
  s_{\rm TP}(t) = A_{\rm T} \cdot {\rm e}^{\hspace{0.03cm}{\rm j} \hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.05cm} \phi_{\rm T}}\hspace{0.05cm}.$$
*Dagegen gilt für ein amplituden– oder phasenmoduliertes Signal mit der Trägerfrequenz $f_{\rm T}$:
+
<br clear=all>
 +
{{BlaueBox|TEXT=
 +
$\text{Important result:}$&nbsp; For an amplitude or phase modulated signal with carrier frequency &nbsp;$f_{\rm T}$&nbsp; it holds that:  
 +
 
 
:$$s(t) = a(t) \cdot \cos(\omega_{\rm T}\cdot t + \phi(t)) \hspace{0.3cm} \Leftrightarrow \hspace{0.3cm}
 
:$$s(t) = a(t) \cdot \cos(\omega_{\rm T}\cdot t + \phi(t)) \hspace{0.3cm} \Leftrightarrow \hspace{0.3cm}
 
  s_{\rm TP}(t) = a(t) \cdot {\rm e}^{\hspace{0.03cm}{\rm j} \hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.05cm} \phi (t)}\hspace{0.05cm}.$$
 
  s_{\rm TP}(t) = a(t) \cdot {\rm e}^{\hspace{0.03cm}{\rm j} \hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.05cm} \phi (t)}\hspace{0.05cm}.$$
  
{{BlaueBox|TEXT=
+
The envelope &nbsp;$a(t)$&nbsp; and the phase response &nbsp;$ϕ(t)$&nbsp; of the&nbsp; (physical)&nbsp; band-pass signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; are also preserved in the equivalent low-pass signal &nbsp;$s_{\rm TP}(t)$. }}
$\text{Wichtiges Ergebnis:}$&nbsp; <br>Die Hüllkurve $a(t)$ und der Phasenverlauf $ϕ(t)$ des Bandpass-Signals $s(t)$ bleiben auch im äquivalenten TP–Signal $s_{\rm TP}(t)$ erhalten. }}
 
  
  
 
{{GraueBox|TEXT=
 
{{GraueBox|TEXT=
$\text{Beispiel 3:}$&nbsp; Die Grafik zeigt jeweils rechts das modulierte Signal $s(t)$ roter Signalverlauf im Vergleich zum Trägersignal $z(t)$ blauer Signalverlauf. Links dargestellt sind die jeweiligen äquivalenten Tiefpass–Signale $s_{\rm TP}(t)$ grüne Ortskurven.  
+
$\text{Example 3:}$&nbsp; The graph shows the modulated signal &nbsp;$s(t)$ &nbsp; &nbsp; red signal waveform,&nbsp; compared to the carrier signal &nbsp;$z(t)$ &nbsp; &nbsp; blue signal waveform. <br>Shown on the left are the respective equivalent low-pass signals &nbsp;$s_{\rm TP}(t)$ &nbsp; &nbsp; green locus.  
  
[[File:P_ID965__Mod_T_1_3_S5b_neu.png |right|frame| Sendesignale bei Amplituden– und Winkelmodulation]]
+
[[File:EN_Mod_T_1_3_S5b_neu.png |right|frame| Transmitted signals for amplitude and angle modulation]]
  
Oben ist die '''Amplitudenmodulation''' beschrieben, bei der das Quellensignal $q(t)$ in der Hüllkurve $a(t)$ zu erkennen ist:
+
Upper graph &nbsp; &rArr; &nbsp; &raquo;'''Amplitude modulation'''&laquo;&nbsp; $\rm (AM)$:  
*Da die Nulldurchgänge des Trägers $z(t)$ in $s(t)$ erhalten bleiben, ist $ϕ(t) =$ 0 und das äquivalente TP–Signal $s_{\rm TP}(t) = a(t)$ reell.
+
*Here,&nbsp; the source signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; can be seen in the envelope &nbsp;$a(t)$.
*Die Herleitung dieses Sachverhalts erfolgt im Kapitel [[Modulationsverfahren/Hüllkurvendemodulation#Beschreibung_mit_Hilfe_des_.C3.A4quivalenten_TP.E2.80.93Signals|Beschreibung mit Hilfe des äquivalenten TP-Signals]].
 
  
 +
*Since the zero crossings of the carrier &nbsp;$z(t)$&nbsp; stay the same: &nbsp;$ϕ(t) = 0$.&nbsp; The equivalent low-pass signal &nbsp;$s_{\rm TP}(t) = a(t)$&nbsp; is real.
 +
 +
*The derivation of this fact takes place in chapter &nbsp;[[Modulation_Methods/Envelope_Demodulation#Description_using_the_equivalent_low-pass_signal|"Description using the equivalent low-pass signal"]].
  
Unten ist die '''Winkelmodulation''' verdeutlicht.
 
*Hier ist die Hüllkurve $a(t)$ konstant. Das äquivalente TP-Signal $s_{\rm TP}(t) = A_{\rm T} · e^{\rm j·ϕ(t)}$ beschreibt einen Kreisbogen.
 
* Die Information über das Nachrichtensignal $q(t)$ steckt in der Lage der Nulldurchgänge von $s(t)$.
 
*Genaueres hierüber finden Sie im Kapitel [[Modulationsverfahren/Phasenmodulation_(PM)#Gemeinsamkeiten_zwischen_Phasen.E2.80.93_und_Frequenzmodulation|Gemeinsamkeiten zwischen PM und FM]]}}
 
  
 +
Bottom graph &nbsp; &rArr; &nbsp; &raquo;'''Angle modulation'''&laquo;&nbsp; $\rm (WM)$:
 +
*Here,&nbsp; the envelope &nbsp;$a(t)$&nbsp; is constant &nbsp; &rArr; &nbsp; the equivalent low-pass signal &nbsp;$s_{\rm TP}(t) = A_{\rm T} · e^{\rm j·ϕ(t)}$&nbsp; describes a circular arc.
  
''Hinweise:''
+
*The information about the source signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; is found here in the location of the zero crossings &nbsp;$s(t)$.
*Den zeitabhängigen Verlauf von $s_{\rm TP}(t)$ in der komplexen Ebene bezeichnen wir im Folgenden als ''Ortskurve'', während das ''Zeigerdiagramm'' den Verlauf des analytischen Signals $s_+(t)$ beschreibt.  
+
 
*Der hier dargelegte Sachverhalt wird mit den Interaktionsmodulen [[Zeigerdiagramm – Darstellung des analytischen Signals ]] sowie [[Ortskurve – Verlauf des äquivalenten Tiefpass-Signals]] im Zeitbereich verdeutlicht.
+
*More details about this modulation method can be found in the chapter &nbsp;[[Modulation_Methods/Phase_Modulation_(PM)#Similarities_between_phase_and_frequency_modulation|"Similarities between phase and frequency modulation"]].}}
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{{BlaueBox|TEXT=
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$\text{Notes:}$
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*In the following,&nbsp; we also refer to the time-dependent course of&nbsp; $s_{\rm TP}(t)$&nbsp; in the complex plane as the&nbsp; &raquo;'''locus curve'''&laquo;.&nbsp;
 +
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*The&nbsp; &raquo;'''pointer diagram'''&laquo;&nbsp; describes the course of the analytical signal&nbsp; $s_+(t)$.
 +
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*The topic presented here is illustrated in the time domain with two interactive&nbsp; "HTML 5/JS"&nbsp; applets:
 +
::(1) &nbsp;[[Applets:Physikalisches_Signal_%26_Analytisches_Signal|"Physical & Analytic Signal"]],
 +
:: (2) &nbsp;[[Applets:Physikalisches_Signal_%26_Äquivalentes_TP-Signal|"Physical Signal & Equivalent Lowpass Signal"]].}}
  
  
==Aufgaben zum Kapitel==
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==Exercises for the chapter==
 
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[[Aufgaben:Aufgabe_1.4:_Zeigerdiagramm_und_Ortskurve|Aufgabe 1.4: Zeigerdiagramm und Ortskurve]]
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[[Aufgaben:Exercise_1.4:_"Pointer_diagram"_and_"Locality_Curve"|Exercise 1.4: Pointer diagram and locus curve]]
  
[[Aufgaben:Aufgabe_1.4Z:_Darstellungsformen_von_Schwingungen|Aufgabe 1.4Z: Darstellungsformen von Schwingungen]]
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[[Aufgaben:Exercise_1.4Z:_Representation_of_Oscillations|Exercise 1.4Z: Representation of Oscillations]]
 
   
 
   
  
 
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Latest revision as of 18:09, 12 January 2023

Joint description of amplitude and angle modulation


In the following two chapters  "Amplitude Modulation"  $\rm (AM)$  and  "Angle Modulation"  $\rm (WM$  – from German "Winkelmodulation",  including  $\rm PM$  as well as  $\rm FM)$  we will always consider the set-up shown in the figure on the right.  Here,  the central block is the  »Modulator«.

Joint description of amplitude and angle modulation

The two input signals and the output signal have the following characteristics:

  • The  »source signal«   (German:  "Quellensignal"   ⇒   letter  "q")   ⇒   $q(t)$  is the low-frequency message signal and has the spectrum  $Q(f)$.  This signal is continuous in value and time and limited to the frequency range  $|f| ≤ B_{\rm NF}$ 
    ("NF"  from German  "Niederfrequenz"  i.e.  "low-frequency").
  • The  »carrier signal«  $z(t)$  is a harmonic oscillation of the form   (subscript  "T"  from German  "Träger"  i.e.  "carrier"):
$$z(t) = A_{\rm T} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm T} t - \varphi_{\rm T})= A_{\rm T} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm T} t + \phi_{\rm T})\hspace{0.05cm}.$$
  • The  »transmitted signal«  (German:  "Sendesignal"   ⇒   letter "s")   ⇒  $s(t)$  is a higher frequency signal,  whose spectrum  $S(f)$ is in the range around the carrier frequency $f_{\rm T}$.


The modulator output signal  $s(t)$  depends on both input signals  $q(t)$  and  $z(t)$.  The modulation methods considered below differ only by different combinations of  $q(t)$  and  $z(t)$.

$\text{Definition:}$  Each  $\text{harmonic oscillation}$  $z(t)$  can be described by

  • the amplitude  $A_{\rm T}$,
  • the frequency  $f_{\rm T}$  and
  • the zero phase position  ${\it ϕ}_{\rm T}$ .


Though the above left equation with a minus sign and  $φ_{\rm T}$  is mostly used for the application of Fourier series and Fourier integrals,  the right equation with  ${\it ϕ}_{\rm T} = \ – φ_{\rm T}$  and a plus sign is more common for the description of modulation processes.


A very simple (though unfortunately not always correct) modulator equation


$\text{Definition:}$  Starting from the harmonic oscillation  $($here written with the angular frequency   $ω_{\rm T} = 2πf_{\rm T}$)

$$z(t) = A_{\rm T} \cdot \cos(\omega_{\rm T}\cdot t + \phi_{\rm T})$$

we arrive at the  »general modulator equation«,  by assuming the previously fixed oscillation parameters to be time-dependent:

$$s(t) = a(t) \cdot \cos \big[\omega(t) \cdot t + \phi(t)\big ]\hspace{0.05cm}.$$

$\text{!! Attention !!}$  This general modulator equation is very simple and striking and aids in understanding modulation methods.  Unfortunately, this equation is true for frequency modulation only in exceptional cases.  This will be discussed further in the chapter  "Signal characteristics in frequency modulation" .


Special cases included in this equation are:

  • In  »amplitude modulation«  $\rm (AM)$,  the time-dependent amplitude  $a(t)$  changes according to the signal  $q(t)$,  while the other two signal parameters stay constant:
$$\omega(t) = \omega_{\rm T} = {\rm const.}\hspace{0.08cm}, \hspace{0.2cm}\phi(t) = \phi_{\rm T} = {\rm const.}\hspace{0.08cm}, \hspace{0.2cm} a(t) = {\rm function \hspace{0.15cm}of}\hspace{0.15cm}q(t) .$$
  • In  »frequency modulation«  $\rm (FM)$,  only the instantaneous  (circular)  frequency $\omega(t)$  is determined by the signal  $q(t)$:
$$a(t) = A_{\rm T} = {\rm const.}\hspace{0.08cm}, \hspace{0.2cm}\phi(t) = \phi_{\rm T} = {\rm const.}\hspace{0.08cm}, \hspace{0.2cm} \omega(t)= {\rm function \hspace{0.15cm}of}\hspace{0.15cm}q(t) .$$
  • In  »phase modulation«  $\rm (PM)$, the phase $\phi(t)$  varies according to the signal  $q(t)$:
$$a(t) = A_{\rm T} = {\rm const.}\hspace{0.08cm}, \hspace{0.2cm}\omega(t) = \omega_{\rm T} = {\rm const.}\hspace{0.08cm}, \hspace{0.2cm} \phi(t) = {\rm function \hspace{0.15cm}of}\hspace{0.15cm}q(t) .$$


In these basic methods,  two of the three oscillation parameters are thus always kept constant.

  • Additionally,  there are also variants with more than one time dependency for amplitude,  frequency,  and phase, resp.
  • An example of this is  $\text{Single-Sideband Modulation}$,  where both  $a(t)$  and  ${\it ϕ}(t)$  are affected by the source signal  $q(t)$.


Modulated signals with a digital source signal


When describing   $\rm AM$,  $\rm FM$  and  $\rm PM$,  the source signal  $q(t)$  is usually assumed to be continuous in time and value.

  • However,  the above equations can also be applied to a rectangular source signal.
  • In this case,  $q(t)$  is continuous in time but discrete in value.  Thus,  it also describes methods for  $\text{Linear Digital Modulation}$.


Baseband signal together with   $\rm ASK$,  $\rm FSK$  and  $\rm PSK$

$\text{Example 1:}$  The graph shows at the top a rectangular source signal  $q(t)$    ⇒   "baseband signal",  and the modulated signals  $s(t)$  which result from important digital modulation methods drawn underneath.

  • In amplitude modulation,  the digital variant of which is known as  "Amplitude Shift Keying"  $\rm (ASK)$,  the source signal can be seen in the $s(t)$  envelope.


  • In the  "Frequency Shift Keying"  $\rm (FSK)$  signal waveform,  the two possible signal values  $q(t) = +1$   and   $q(t) =-1$  are represented by two different frequencies, respectively.


  • "Phase Shift Keying"  $\rm (PSK)$  results in phase jumps in the signal  $s(t)$ when the amplitude of the source signal  $q(t)$  jumps,  by  $\pm π$  (or $\pm 180^\circ$)  in each binary case.

Describing the physical signal using the analytic signal


The modulated signal   $s(t)$  is  "band-pass".  As already described in the book  "Signal Representation",  such a band-pass signal  $s(t)$  is often characterized by its associated  $\text{analytical signal}$  $s_+(t)$.  It is important to note:

  • The analytical signal $s_+(t)$  is obtained from the real physical signal  $s(t)$,  by adding to it  (as an imaginary part)  its $\text{Hilbert transform}$:
$$s_+(t) = s(t) + {\rm j} \cdot {\rm H}\{ s(t)\}\hspace{0.05cm}.$$
  • The analytical signal  $s_+(t)$  is therefore always complex.  The following simple relationship holds between the two time signals:
$$s(t) = {\rm Re} \big[s_+(t)\big] \hspace{0.05cm}.$$
  • The spectrum  $S_+(f)$  of the analytic signal is obtained from the two-sided spectrum  $S(f)$ by doubling it for positive frequencies and setting it to zero for negative frequencies:
$$S_+(f) =\big[ 1 + {\rm sign}(f)\big] \cdot S(f) = \left\{ \begin{array}{c} 2 \cdot S(f) \\ 0 \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{10}c} {\rm{for}} \\ {\rm{for}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} f>0 \hspace{0.05cm}, \\ f<0 \hspace{0.05cm}, \\ \end{array} \hspace{1.3cm} \text{with}\hspace{1.3cm} {\rm sign}(f) = \left\{ \begin{array}{c} +1 \\ -1 \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{10}c} {\rm{for}} \\ {\rm{for}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} f>0 \hspace{0.05cm}, \\ f<0 \hspace{0.05cm}. \\ \end{array}$$

$\text{Example 2:}$  The above graph shows the spectrum  $S(f)$  of a real-time signal  $s(t)$.  One can see:

Illustration of the analytical signal in the frequency domain
  • The axial symmetry of the spectral function  $S(f)$  with respect to the frequency  $f=0$:  
$${\rm Re}\big[S( - f)\big] = {\rm Re}\big[S(f)\big].$$
  • If the spectrum of the actual band-pass signal  $s(t)$  has an imaginary part,  it would be point-symmetric about  $f=0$:
$${\rm Im}\big[S( - f)\big] = - {\rm Im}\big[S(f)\big].$$

The spectrum $S_+(f)$  of the corresponding analytical signal  $s_+(t)$  is shown below.  This is obtained from  $S(f)$  by

  • truncating the negative frequency components:   $S_+(f) \equiv 0$  for  $f<0$,
  • doubling the positive frequency components:   $S_+(f ) = 2 \cdot S(f )$  for  $f \ge 0$.


Except for one exceptional case that is not relevant in practice,  the analytical signal  $s_+(t)$  is always complex.


We now apply these definitions to the modulated signal  $s(t)$.  In the special case that  $q(t) \equiv 0$ ,  $s(t)$ is a harmonic oscillation like the carrier signal  $z(t)$.  It holds that:

Illustration of the analytical signal in the time domain for  $ϕ_{\rm T} = -45^\circ$. Note:
(1)  To be display the relation  $s(t) = {\rm Re}[s_+(t)]$  horizontally,  the complex plane is rotated by  $90^\circ$  to the left,  contrary to the usual representation.  Thus:
(2)   The real part is plotted vertically and the imaginary part horizontally.
$$s(t) = A_{\rm T} \cdot \cos(\omega_{\rm T}\cdot t + \phi_{\rm T}) \hspace{0.3cm} \Leftrightarrow \hspace{0.3cm} s_+(t) = A_{\rm T} \cdot {\rm e}^{\hspace{0.03cm}{\rm j} \hspace{0.03cm}(\omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} + \phi_{\rm T})}\hspace{0.05cm}.$$

The second equation describes a rotating pointer with the following properties:

  • The pointer length denotes the signal amplitude  $A_{\rm T}$.  At time  $t = 0$,  the pointer lies in the complex plane with an angle of  $ϕ_{\rm T}$.
  • For  $t > 0$,  the pointer rotates with constant angular velocity  $ω_{\rm T}$  in a mathematically positive direction (counterclockwise).
  • The pointer tip always lies on a circle with radius  $A_{\rm T}$  and requires exactly the period  $T_0$ for one rotation.


$\text{The individual modulation methods can now be represented as follows:}$

  • In  »amplitude modulation«  the pointer length  $a(t) = \vert s_+(t)\vert $  changes according to the source signal  $q(t)$.
    The angular velocity  $ω(t)$  remains constant in this case.
  • During  »frequency modulation«  the angular velocity  $ω(t)$  of the rotating pointer changes according to  $q(t)$.
    The pointer length  $a(t) = A_{\rm T}$  stays unchanged.
  • In  »phase modulation«,  the phase  $ϕ(t)$  is time-dependent according to the source signal  $q(t)$.
    There are many similarities with frequency modulation,  which also belongs to the class of angle modulation.


Describing the physical signal using the equivalent low-pass signal


Some facts concerning modulation at the transmitter and demodulation at the receiver can be explained best by means of the $\text{equivalent low-pass signal}$  (German:  "äquivalentes Tiefpass–Signal"   ⇒   subscript  "TP")  according to the definition given in the book  "Signal Representation"

The equivalent lowpass signal in the frequency domain

The following statements hold for this signal  $s_{\rm TP}(t)$:

  • The spectrum  $S_{\rm TP}(f)$  of the equivalent low-pass signal is obtained from  $S_+(f)$  by shifting it to the left by  $f_{\rm T}$  and is thus in the frequency range around  $f =0$:
$$S_{\rm TP}(f) = S_+(f + f_{\rm T}) \hspace{0.05cm}.$$
$$s_{\rm TP}(t) = s_+(t) \cdot {\rm e}^{{-\rm j}\hspace{0.08cm} \omega_{\rm T} \hspace{0.03cm}t }\hspace{0.05cm}.$$
  • The equivalent low-pass signal of an unmodulated harmonic oscillation is constant for all times.  The  "locus curve"  in this special case consists of a single point:
$$s(t) = A_{\rm T} \cdot \cos(\omega_{\rm T}\cdot t + \phi_{\rm T}) \hspace{0.3cm} \Leftrightarrow \hspace{0.3cm} s_+(t) = {\rm e}^{\hspace{0.03cm}{\rm j} \hspace{0.03cm}(\omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} + \phi_{\rm T})}\hspace{0.05cm},$$
$$ s_+(t) = {\rm e}^{\hspace{0.03cm}{\rm j} \hspace{0.03cm}(\omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} + \phi_{\rm T})}\hspace{0.3cm} \Leftrightarrow \hspace{0.3cm} s_{\rm TP}(t) = A_{\rm T} \cdot {\rm e}^{\hspace{0.03cm}{\rm j} \hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.05cm} \phi_{\rm T}}\hspace{0.05cm}.$$


$\text{Important result:}$  For an amplitude or phase modulated signal with carrier frequency  $f_{\rm T}$  it holds that:

$$s(t) = a(t) \cdot \cos(\omega_{\rm T}\cdot t + \phi(t)) \hspace{0.3cm} \Leftrightarrow \hspace{0.3cm} s_{\rm TP}(t) = a(t) \cdot {\rm e}^{\hspace{0.03cm}{\rm j} \hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.05cm} \phi (t)}\hspace{0.05cm}.$$

The envelope  $a(t)$  and the phase response  $ϕ(t)$  of the  (physical)  band-pass signal  $s(t)$  are also preserved in the equivalent low-pass signal  $s_{\rm TP}(t)$.


$\text{Example 3:}$  The graph shows the modulated signal  $s(t)$   ⇒   red signal waveform,  compared to the carrier signal  $z(t)$   ⇒   blue signal waveform.
Shown on the left are the respective equivalent low-pass signals  $s_{\rm TP}(t)$   ⇒   green locus.

Transmitted signals for amplitude and angle modulation

Upper graph   ⇒   »Amplitude modulation«  $\rm (AM)$:

  • Here,  the source signal  $q(t)$  can be seen in the envelope  $a(t)$.
  • Since the zero crossings of the carrier  $z(t)$  stay the same:  $ϕ(t) = 0$.  The equivalent low-pass signal  $s_{\rm TP}(t) = a(t)$  is real.


Bottom graph   ⇒   »Angle modulation«  $\rm (WM)$:

  • Here,  the envelope  $a(t)$  is constant   ⇒   the equivalent low-pass signal  $s_{\rm TP}(t) = A_{\rm T} · e^{\rm j·ϕ(t)}$  describes a circular arc.
  • The information about the source signal  $q(t)$  is found here in the location of the zero crossings  $s(t)$.


$\text{Notes:}$

  • In the following,  we also refer to the time-dependent course of  $s_{\rm TP}(t)$  in the complex plane as the  »locus curve«. 
  • The  »pointer diagram«  describes the course of the analytical signal  $s_+(t)$.
  • The topic presented here is illustrated in the time domain with two interactive  "HTML 5/JS"  applets:
(1)  "Physical & Analytic Signal",
(2)  "Physical Signal & Equivalent Lowpass Signal".


Exercises for the chapter


Exercise 1.4: Pointer diagram and locus curve

Exercise 1.4Z: Representation of Oscillations