Difference between revisions of "Modulation Methods/Further AM Variants"

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{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Amplitudenmodulation und AM–Demodulation
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|Untermenü=Amplitude Modulation and Demodulation
|Vorherige Seite=Einseitenbandmodulation
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|Vorherige Seite=Single-Sideband Modulation
|Nächste Seite=Phasenmodulation (PM)
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|Nächste Seite=Phase Modulation (PM)
 
}}
 
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==Restseitenband–Amplitudenmodulation==
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==Vestigial sideband amplitude modulation==
 
<br>
 
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Bei der Signalübertragung mittels Einseitenbandmodulation&nbsp; $\rm (ESB–AM)$&nbsp; treten folgende Probleme auf:  
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When transmitting signals using single-sideband modulation&nbsp; $\rm (SSB–AM)$&nbsp; the following problems occur:  
*Zum Unterdrücken des unerwünschten Seitenbandes muss ein Filter mit sehr hoher Flankensteilheit verwendet werden.
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*To suppress the unwanted sideband,&nbsp; a filter with a very high edge slope must be used.
*Solche steilflankigen Filter weisen jedoch starke Gruppenlaufzeitverzerrungen auf, insbesondere an der Grenze des Durchlassbereichs.  
 
  
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*Such steep-edged filters exhibit strong group delay distortions,&nbsp; especially at the limit of the passband.
  
[[File:EN_Mod_T_2_5_S1.png|right|frame|Spektrum (des analytischen Signals) bei Restseitenband–Amplitudenmodulation]]
 
Das Problem kann stark abgeschwächt werden, wenn man anstelle der Einseitenband–AM die&nbsp; ''Restseitenband–Amplitudenmodulation''&nbsp; $\rm (RSB–AM)$&nbsp; nutzt, wie in der nebenstehenden Grafik gezeigt.
 
  
Die vorliegende Beschreibung basiert auf dem Lehrbuch&nbsp; [Mäu88]<ref>Mäusl, R.: ''Analoge Modulationsverfahren.'' Heidelberg: Dr. Hüthig, 1988.</ref>.&nbsp;  Danach kann die RSB–AM stichpunktartig wie folgt charakterisiert werden:  
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[[File:EN_Mod_T_2_5_S1.png|right|frame|Spectrum&nbsp; (of the analytical signal)&nbsp; for vestigial sideband amplitude modulation]]
*Man nutzt noch einen gewissen Frequenzbereich des eigentlich unterdrückten Seitenbandes im betrachteten Beispiel des USB mit relativ flach abfallender Übertragungsfunktion zusätzlich aus.  
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The problem can be greatly mitigated if instead of single-sideband AM one uses &nbsp; "vestigial sideband amplitude modulation"&nbsp; $\rm (VSB–AM)$,&nbsp; as shown in the adjacent graph.
*Empfängerseitig wird im Übergangsbereich vom unterdrückten zum übertragenen Seitenband eine frequenz–linear ansteigende Selektionskurve mit so genannter "Nyquist–Flanke" verwendet.  
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*Die Demodulation führt eine Faltung der Seitenbänder um den Träger durch, so dass resultierend der Nachrichteninhalt eines Bandes mit für alle Frequenzen gleicher Amplitude gewonnen wird.
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The present description is based on the textbook &nbsp; [Mäu88]<ref>Mäusl, R.:&nbsp; Analoge Modulationsverfahren.&nbsp; Heidelberg: Dr. Hüthig, 1988.</ref>.&nbsp;  According to it,&nbsp; the VSB-AM can be characterized as follows:  
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*A certain frequency range of the actually suppressed sideband in the considered example of the LSB is additionally used with a relatively flat decreasing transfer function.
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*On the receiver side,&nbsp; a  selection curve linearly increasing in frequency with a so-called&nbsp; "Nyquist edge"&nbsp; is used in the transition range from the suppressed sideband to the transmitted sideband.
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*The demodulation performs a convolution of the sidebands around the carrier,&nbsp; so that as a result the message content of a band with the same amplitude for all frequencies is obtained.
  
  
 
{{GraueBox|TEXT=
 
{{GraueBox|TEXT=
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp; Anwendung findet das Restseitenbandverfahren beim (analogen) Farbfernsehen, dessen Frequenzspektrum nach der CCIR–Norm in der Grafik abgebildet ist.&nbsp; Die angegebenen Frequenzen beziehen sich auf das in Deutschland verwendete &nbsp;[https://en.wikipedia.org/wiki/PAL PAL–B/G–Fernsehformat].  
+
$\text{Example 1:}$&nbsp; The vestigial sideband method is used for&nbsp; (analog)&nbsp; color television,&nbsp; whose frequency spectrum according to the CCIR standard is shown in the graphic.&nbsp; The frequencies given refer to the &nbsp;[https://en.wikipedia.org/wiki/PAL $\text{PAL–B/G Television format}$]&nbsp; used in Germany.  
  
[[File:EN_Mod_T_2_5_S1b.png|right|frame|Zur Verdeutlichung der Nyquistflanke bei PAL]]
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[[File:EN_Mod_T_2_5_S1b.png|right|frame|Illustrating the Nyquist edge for PAL–B/G Television]]
Man erkennt aus dieser schematischen Darstellung:  
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In this schematic representation,&nbsp; one recognizes:  
*Das abgestrahlte Spektrum&nbsp; (es sind nur positive Frequenzen gezeichnet)&nbsp; reicht von &nbsp;$f_{\rm T} - 1.25 \ \rm MHz$&nbsp; bis &nbsp;$f_{\rm T} + 5.75 \ \rm MHz$.&nbsp; Das untere Restseitenband ist also inklusive der Nyquistflanke ca. &nbsp;$1.25 \ \rm MHz$&nbsp; breit.  
+
*The radiated spectrum&nbsp; (only positive frequencies are drawn)&nbsp; ranges from &nbsp;$f_{\rm T} - 1.25 \ \rm MHz$&nbsp; to &nbsp;$f_{\rm T} + 5.75 \ \rm MHz$.&nbsp; The lower vestigial sideband including Nyquist edge is &nbsp;$\approx 1.25 \ \rm MHz$&nbsp; wide.
*Die grün-gestrichelte Linie zeigt die Empfänger–Durchlasskurve. Der Bildträger&nbsp; '''(B)'''&nbsp; bei der Trägerfrequenz &nbsp;$f_{\rm T}$&nbsp; liegt mittig zur Nyquistflanke.  
+
*Das Luminanzsignal&nbsp; '''(L)'''&nbsp; geht bis etwa &nbsp;$5 \ \rm MHz$.&nbsp; Es enthält die Information für die Bildhelligkeit und die Farbe „Grün”.  
+
*The green dashed line shows the receiver passband.&nbsp; The image carrier&nbsp; '''(B)'''&nbsp; &ndash; abbreviation&nbsp; "B"&nbsp; from German "Bild" &nbsp; &rArr; &nbsp;  "image") &ndash; &nbsp; at carrier frequency  &nbsp;$f_{\rm T}$&nbsp; is centered on the Nyquist edge.
*Im oberen Teil ist das Chromianzsignal&nbsp; '''(C)'''&nbsp; eingebettet.&nbsp; Dabei werden zwei orthogonale Träger bei &nbsp;$4.43 \ \rm MHz$&nbsp; für „Rot” und „Blau”&nbsp; [[Modulation_Methods/Weitere_AM–Varianten#Quadratur.E2.80.93Amplitudenmodulation_.28QAM.29|QAM]]–moduliert; der Träger wird dabei unterdrückt.  
+
*Der Tonträger&nbsp; '''(T)'''&nbsp; liegt bei &nbsp;$f_{\rm T} + 5.5 \ \rm MHz$&nbsp; und ist um &nbsp;$12  \ \rm  dB$&nbsp; niedriger als der Bildträger.&nbsp; Falls eine Stereo– oder Zweikanaltonübertragung vorliegt, folgt bei &nbsp;$5.75 \ \rm MHz$&nbsp; ein zweiter Tonträger. }}
+
*The luminance signal &nbsp; '''(L)'''&nbsp; goes up to about &nbsp;$5 \ \rm MHz$.&nbsp; It contains the information for the image brightness and for the color&nbsp; "green".
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*The chrominance signal &nbsp; '''(C)'''&nbsp; is embedded in the upper part. Two orthogonal carriers are [[Modulation_Methods/Further_AM_Variants#Quadrature_Amplitude_Modulation_.28QAM.29|$\text{QAM-modulated}$]]&nbsp; at &nbsp;$4.43 \ \rm MHz$&nbsp; for&nbsp; "red"&nbsp; and&nbsp; "blue";&nbsp; the carrier is suppressed.
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*The audio carrier &nbsp; '''(T)'''&nbsp; &ndash; abbreviation&nbsp; "T"&nbsp; from German "Ton" &nbsp; &rArr; &nbsp; "sound/audio") &ndash; &nbsp; is at &nbsp;$f_{\rm T} + 5.5 \ \rm MHz$&nbsp; and is &nbsp;$12  \ \rm  dB$&nbsp; lower than the image carrier.
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 +
*If there is a two-channel sound&nbsp; (stereo)&nbsp; transmission &nbsp; &rArr; &nbsp; a second &nbsp; '''(T)'''&nbsp; carrier at &nbsp;$5.75 \ \rm MHz$.}}
  
  
 
==Quadrature Amplitude Modulation (QAM)==
 
==Quadrature Amplitude Modulation (QAM)==
 
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Durch Ausnutzung der Orthogonalität von Cosinus– und Sinusfunktion kann ein Kanal zur gleichzeitigen Übertragung zweier Quellensignale &nbsp;$q_1(t)$&nbsp; und &nbsp;$q_2(t)$&nbsp; ohne gegenseitige Beeinträchtigungen doppelt genutzt werden.&nbsp; Man bezeichnet dieses Verfahren als&nbsp; ''Quadratur–Amplitudenmodulation''&nbsp; $\rm (QAM)$.  
+
By exploiting the orthogonality of cosine and sine functions,&nbsp; a channel can be used twice for simultaneous transmission of two source signals &nbsp;$q_1(t)$&nbsp; and &nbsp;$q_2(t)$&nbsp; without mutual interference.&nbsp; This method is called&nbsp; "quadrature amplitude modulation"&nbsp; $\rm (QAM)$.
  
[[File:P_ID1053__Mod_T_2_5_S2_neu.png |center|frame|Modell der Quadratur–Amplitudenmodulation]]
+
[[File:P_ID1053__Mod_T_2_5_S2_neu.png |right|frame|Model of quadrature amplitude modulation]]
  
Das QAM&ndash;System weist folgende Eigenschaften auf:  
+
The QAM system has the following characteristics:  
*Das Sendesignal setzt sich aus zwei zueinander orthogonalen Anteilen zusammen:  
+
*The transmitted signal is composed of two mutually orthogonal components:  
 
:$$s(t) = q_1(t)  \cdot \cos (\omega_{\rm T}\cdot t) - q_2(t)  \cdot \sin (\omega_{\rm T}\cdot t)\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$s(t) = q_1(t)  \cdot \cos (\omega_{\rm T}\cdot t) - q_2(t)  \cdot \sin (\omega_{\rm T}\cdot t)\hspace{0.05cm}.$$
*Bei frequenz– und phasensynchroner Demodulation lautet das Signal im oberen Zweig vor dem Tiefpass &nbsp;$H_{\rm E1}(f)$:  
+
 
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*For frequency and phase synchronous demodulation,&nbsp; the signal in the upper branch before the low-pass &nbsp;$H_{\rm E1}(f)$&nbsp;  is:
 
:$$b_1(t) = q_1(t)  \cdot 2 \cdot \cos^2 (\omega_{\rm T}\cdot t)  - q_2(t)  \cdot 2 \cdot
 
:$$b_1(t) = q_1(t)  \cdot 2 \cdot \cos^2 (\omega_{\rm T}\cdot t)  - q_2(t)  \cdot 2 \cdot
  \cos (\omega_{\rm T}\cdot t)\cdot \sin (\omega_{\rm T}\cdot t)=  q_1(t)\cdot \big[ 1 + \cos (2 \omega_{\rm T}\cdot t) \big] - q_2(t)\cdot \sin (2 \omega_{\rm T}\cdot t) \hspace{0.05cm}.$$
+
  \cos (\omega_{\rm T}\cdot t)\cdot \sin (\omega_{\rm T}\cdot t)  $$
*Durch Begrenzung auf Frequenzen &nbsp;$|f| < f_{\rm T}$&nbsp; ergibt sich somit im oberen bzw. unteren Zweig:
+
:$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} b_1(t) =  q_1(t)\cdot \big[ 1 + \cos (2 \omega_{\rm T}\cdot t) \big] - q_2(t)\cdot \sin (2 \omega_{\rm T}\cdot t) \hspace{0.05cm}.$$
:$$v_1(t) = q_1(t),\hspace{0.3cm} v_2(t) = q_2(t)\hspace{0.05cm}.$$
+
 
*Bei einem Phasenversatz &nbsp;$Δϕ_{\rm T}$&nbsp; zwischen den sende– und empfängerseitigen Trägersignalen kommt es neben einer Dämpfung des gewünschten Teilnehmers zusätzlich zu Übersprechen des zweiten Teilnehmers und damit zu nichtlinearen Verzerrungen:  
+
*Thus,&nbsp; by limiting to frequencies &nbsp;$|f| < f_{\rm T}$,&nbsp; we obtain in the upper and lower branches,&nbsp; resp.:
:$$v_1(t) = \alpha_{11} \cdot q_1(t)+ \alpha_{12} \cdot q_2(t) \hspace{0.05cm}, \hspace{0.3cm} v_2(t) = \alpha_{21} \cdot q_1(t)+ \alpha_{22} \cdot q_2(t)$$
+
:$$v_1(t) = q_1(t),$$
 +
:$$v_2(t) = q_2(t)\hspace{0.05cm}.$$
 +
 
 +
*When there is a phase offset &nbsp;$Δϕ_{\rm T}$&nbsp; between the transmitted and received carrier signals,&nbsp; in addition to attenuation of the intended participant,<br>crosstalk from the second participant occurs,&nbsp; resulting in nonlinear distortion:
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:$$v_1(t) = \alpha_{11} \cdot q_1(t)+ \alpha_{12} \cdot q_2(t) \hspace{0.05cm}, $$
 +
:$$v_2(t) = \alpha_{21} \cdot q_1(t)+ \alpha_{22} \cdot q_2(t)$$
 
:$$\Rightarrow\hspace{0.3cm}\alpha_{11} =  \alpha_{22} = \cos(\Delta \phi_{\rm T}) \hspace{0.05cm},  \hspace{0.3cm} \alpha_{12} =  -\alpha_{21} = \sin(\Delta \phi_{\rm T}) \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$\Rightarrow\hspace{0.3cm}\alpha_{11} =  \alpha_{22} = \cos(\Delta \phi_{\rm T}) \hspace{0.05cm},  \hspace{0.3cm} \alpha_{12} =  -\alpha_{21} = \sin(\Delta \phi_{\rm T}) \hspace{0.05cm}.$$
  
==Inkohärente (nichtkohärente) Demodulation==
+
==Incoherent (non-coherent) Demodulation==
 
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Demodulatoren können in folgender Weise klassifiziert werden:
 
 
 
{{BlaueBox|TEXT=
 
{{BlaueBox|TEXT=
$\text{Definition:}$&nbsp; Man bezeichnet einen Demodulator als&nbsp; '''kohärent''', wenn er zur Rekonstruktion des Nachrichtensignals neben der erforderlichen Frequenzsynchronität auch genaue Informationen über die Phase des sendeseitigen Trägersignals &nbsp;$z(t)$&nbsp; benötigt.  
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$\text{Definition:}$&nbsp; Demodulators can be classified in the following way:
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*A demodulator is said to be&nbsp; &raquo;'''coherent'''&laquo;,&nbsp; if in addition to the required frequency synchronization,&nbsp; it requires accurate information about the phase of the transmit-side carrier signal &nbsp;$z(t)$&nbsp; to reconstruct the source signal.
  
Ist diese Phaseninformation nicht erforderlich, so spricht man von einem&nbsp; '''inkohärenten  Demodulator'''.}}  
+
*If this phase information is not required,&nbsp; the demodulator is said to be an&nbsp; &raquo;'''incoherent demodulator'''&laquo;&nbsp; or&nbsp;  "non-coherent demodulator".}}  
  
  
Ein Beispiel für einen inkohärenten (oder nichtkohärenten) Demodulator ist der&nbsp; [[Modulation_Methods/Hüllkurvendemodulation|Hüllkurvendemodulator]].
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An example of an incoherent demodulator is the&nbsp; [[Modulation_Methods/Envelope_Demodulation|$\text{envelope demodulator}$]].
  
 
{{GraueBox|TEXT=
 
{{GraueBox|TEXT=
$\text{Beispiel 2:}$&nbsp; Ein zweites Beispiel zeigt das folgende Blockschaltbild.&nbsp; Im Gegensatz zur Quadratur–Amplitudenmodulation wird hier die Orthogonalität zwischen Cosinus– und Sinusfunktion nicht zur gleichzeitigen Übertragung eines zweiten Quellensignals herangezogen, sondern zur Vereinfachung der Empfangseinrichtung genutzt.   
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$\text{Example 2:}$&nbsp; A second example is shown in the following block diagram.&nbsp; In contrast to quadrature amplitude modulation,&nbsp;  here the orthogonality between cosine and sine functions is not used for the simultaneous transmission of a second source signal,&nbsp; but rather to simplify the receiver-side device.   
  
[[File:P_ID1054__Mod_T_2_5_S3_neu.png |center|frame|Inkohärente Demodulation bei&nbsp; $\rm ZSB-AM$]]
+
[[File:P_ID1054__Mod_T_2_5_S3_neu.png |right|frame|Incoherent demodulation with&nbsp; $\rm DSB-AM$]]
  
Zu dieser Anordnung ist weiter anzumerken:  
+
It should be further noted regarding this arrangement:
*Die empfängerseitigen Trägersignale können gegenüber den Trägersignalen beim Sender einen beliebigen und auch zeitabhängigen Phasenversatz &nbsp;$Δϕ_{\rm T}$&nbsp; aufweisen, so lange die Phasendifferenz zwischen den beiden Zweigen weiterhin genau &nbsp;$90^\circ$&nbsp; beträgt.  
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*The receiver-side carrier signals can have an arbitrary and also time-dependent phase offset &nbsp;$Δϕ_{\rm T}$&nbsp; with respect to the carrier signals at the transmitter, as long as the phase difference between the two branches remains exactly &nbsp;$90^\circ$&nbsp;.
*Für die Signale im oberen und unteren Zweig jeweils nach dem Multiplizierer und der Tiefpassfilterung gilt nämlich:  
+
 
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*For the signals in the upper and lower branches after the multiplier and low-pass filtering, respectively it holds:
 
:$$b_1(t) = \cos(\Delta \phi_{\rm T}) \cdot q(t), $$
 
:$$b_1(t) = \cos(\Delta \phi_{\rm T}) \cdot q(t), $$
 
:$$b_2(t) = -\sin(\Delta \phi_{\rm T}) \cdot q(t).$$
 
:$$b_2(t) = -\sin(\Delta \phi_{\rm T}) \cdot q(t).$$
*Damit ist gewährleistet, dass das Sinkensignal &nbsp;$v(t)$&nbsp; unabhängig vom Phasenversatz &nbsp;$Δϕ_{\rm T}$&nbsp; mit dem Quellensignal &nbsp;$q(t)$&nbsp; zumindest betragsmäßig übereinstimmt:  
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*This ensures that the sink signal &nbsp;$v(t)$&nbsp; matches the source signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; in magnitude,&nbsp; regardless of the phase offset &nbsp;$Δϕ_{\rm T}$:
 
:$$v(t) = \sqrt{ b_1^2(t) + b_2^2(t)} = \sqrt{ q^2(t) } = \vert q(t) \vert \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$v(t) = \sqrt{ b_1^2(t) + b_2^2(t)} = \sqrt{ q^2(t) } = \vert q(t) \vert \hspace{0.05cm}.$$
*Voraussetzung für die Funktionsfähigkeit – also für das Ergebnis &nbsp;$v(t) = q(t)$&nbsp; – ist, dass zu allen Zeiten &nbsp;$q(t) ≥ 0$&nbsp; ist.&nbsp; Bei einem analogen Nachrichtensystem könnte man diesen Sachverhalt beispielsweise mit dem Modulationsverfahren „ZSB–AM mit Träger” erzwingen.
 
*Angewandt wird diese Form von nichtkohärenter Demodulation – oder Modifikationen hiervon – vorwiegend bei einigen&nbsp; '''Digitalen Modulationsverfahren''', die im vierten Kapitel [[Modulation_Methods|dieses Buches]] ausführlich behandelt werden.}}
 
  
==Aufgaben zum Kapitel==
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*A prerequisite for operability&nbsp; &ndash;  that is,&nbsp; for the result &nbsp;$v(t) = q(t)$&nbsp; &ndash;&nbsp; is that at all times &nbsp;$q(t) ≥ 0$.&nbsp;  In an analog transmission system,&nbsp; this fact could be enforced using the&nbsp; "DSB-AM with carrier"&nbsp; modulation method,&nbsp; for example.
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*This form of non-coherent demodulation&nbsp; (or modifications of it)&nbsp; is mainly applied in some&nbsp; &raquo;'''digital modulation methods'''&laquo;,&nbsp; which are discussed in detail in the fourth chapter of&nbsp; [[Modulation_Methods|"this book"]].}}
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==Exercises for the chapter==
 
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[[Aufgaben:Aufgabe_2.12:_Zur_nichtkohärenten_Demodulation|Aufgabe 2.12: Zur nichtkohärenten Demodulation]]
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[[Aufgaben:Exercise_2.12:_Non-coherent_Demodulation|Exercise 2.12: Non-coherent Demodulation]]
  
[[Aufgaben:Aufgabe_2.13:_Quadratur-Amplitudenmodulation_(QAM)|Aufgabe 2.13: Quadratur-Amplitudenmodulation (QAM)]]
+
[[Aufgaben:Exercise_2.13:_Quadrature_Amplitude_Modulation|Exercise 2.13: Quadrature Amplitude Modulation (QAM)]]
  
  
==Quellenverzeichnis==
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==References==
 
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Latest revision as of 10:52, 13 January 2023

Vestigial sideband amplitude modulation


When transmitting signals using single-sideband modulation  $\rm (SSB–AM)$  the following problems occur:

  • To suppress the unwanted sideband,  a filter with a very high edge slope must be used.
  • Such steep-edged filters exhibit strong group delay distortions,  especially at the limit of the passband.


Spectrum  (of the analytical signal)  for vestigial sideband amplitude modulation

The problem can be greatly mitigated if instead of single-sideband AM one uses   "vestigial sideband amplitude modulation"  $\rm (VSB–AM)$,  as shown in the adjacent graph.

The present description is based on the textbook   [Mäu88][1].  According to it,  the VSB-AM can be characterized as follows:

  • A certain frequency range of the actually suppressed sideband – in the considered example of the LSB – is additionally used with a relatively flat decreasing transfer function.
  • On the receiver side,  a selection curve linearly increasing in frequency with a so-called  "Nyquist edge"  is used in the transition range from the suppressed sideband to the transmitted sideband.
  • The demodulation performs a convolution of the sidebands around the carrier,  so that as a result the message content of a band with the same amplitude for all frequencies is obtained.


$\text{Example 1:}$  The vestigial sideband method is used for  (analog)  color television,  whose frequency spectrum according to the CCIR standard is shown in the graphic.  The frequencies given refer to the  $\text{PAL–B/G Television format}$  used in Germany.

Illustrating the Nyquist edge for PAL–B/G Television

In this schematic representation,  one recognizes:

  • The radiated spectrum  (only positive frequencies are drawn)  ranges from  $f_{\rm T} - 1.25 \ \rm MHz$  to  $f_{\rm T} + 5.75 \ \rm MHz$.  The lower vestigial sideband including Nyquist edge is  $\approx 1.25 \ \rm MHz$  wide.
  • The green dashed line shows the receiver passband.  The image carrier  (B)  – abbreviation  "B"  from German "Bild"   ⇒   "image") –   at carrier frequency  $f_{\rm T}$  is centered on the Nyquist edge.
  • The luminance signal   (L)  goes up to about  $5 \ \rm MHz$.  It contains the information for the image brightness and for the color  "green".
  • The chrominance signal   (C)  is embedded in the upper part. Two orthogonal carriers are $\text{QAM-modulated}$  at  $4.43 \ \rm MHz$  for  "red"  and  "blue";  the carrier is suppressed.
  • The audio carrier   (T)  – abbreviation  "T"  from German "Ton"   ⇒   "sound/audio") –   is at  $f_{\rm T} + 5.5 \ \rm MHz$  and is  $12 \ \rm dB$  lower than the image carrier.
  • If there is a two-channel sound  (stereo)  transmission   ⇒   a second   (T)  carrier at  $5.75 \ \rm MHz$.


Quadrature Amplitude Modulation (QAM)


By exploiting the orthogonality of cosine and sine functions,  a channel can be used twice for simultaneous transmission of two source signals  $q_1(t)$  and  $q_2(t)$  without mutual interference.  This method is called  "quadrature amplitude modulation"  $\rm (QAM)$.

Model of quadrature amplitude modulation

The QAM system has the following characteristics:

  • The transmitted signal is composed of two mutually orthogonal components:
$$s(t) = q_1(t) \cdot \cos (\omega_{\rm T}\cdot t) - q_2(t) \cdot \sin (\omega_{\rm T}\cdot t)\hspace{0.05cm}.$$
  • For frequency and phase synchronous demodulation,  the signal in the upper branch before the low-pass  $H_{\rm E1}(f)$  is:
$$b_1(t) = q_1(t) \cdot 2 \cdot \cos^2 (\omega_{\rm T}\cdot t) - q_2(t) \cdot 2 \cdot \cos (\omega_{\rm T}\cdot t)\cdot \sin (\omega_{\rm T}\cdot t) $$
$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} b_1(t) = q_1(t)\cdot \big[ 1 + \cos (2 \omega_{\rm T}\cdot t) \big] - q_2(t)\cdot \sin (2 \omega_{\rm T}\cdot t) \hspace{0.05cm}.$$
  • Thus,  by limiting to frequencies  $|f| < f_{\rm T}$,  we obtain in the upper and lower branches,  resp.:
$$v_1(t) = q_1(t),$$
$$v_2(t) = q_2(t)\hspace{0.05cm}.$$
  • When there is a phase offset  $Δϕ_{\rm T}$  between the transmitted and received carrier signals,  in addition to attenuation of the intended participant,
    crosstalk from the second participant occurs,  resulting in nonlinear distortion:
$$v_1(t) = \alpha_{11} \cdot q_1(t)+ \alpha_{12} \cdot q_2(t) \hspace{0.05cm}, $$
$$v_2(t) = \alpha_{21} \cdot q_1(t)+ \alpha_{22} \cdot q_2(t)$$
$$\Rightarrow\hspace{0.3cm}\alpha_{11} = \alpha_{22} = \cos(\Delta \phi_{\rm T}) \hspace{0.05cm}, \hspace{0.3cm} \alpha_{12} = -\alpha_{21} = \sin(\Delta \phi_{\rm T}) \hspace{0.05cm}.$$

Incoherent (non-coherent) Demodulation


$\text{Definition:}$  Demodulators can be classified in the following way:

  • A demodulator is said to be  »coherent«,  if in addition to the required frequency synchronization,  it requires accurate information about the phase of the transmit-side carrier signal  $z(t)$  to reconstruct the source signal.
  • If this phase information is not required,  the demodulator is said to be an  »incoherent demodulator«  or  "non-coherent demodulator".


An example of an incoherent demodulator is the  $\text{envelope demodulator}$.

$\text{Example 2:}$  A second example is shown in the following block diagram.  In contrast to quadrature amplitude modulation,  here the orthogonality between cosine and sine functions is not used for the simultaneous transmission of a second source signal,  but rather to simplify the receiver-side device.

Incoherent demodulation with  $\rm DSB-AM$

It should be further noted regarding this arrangement:

  • The receiver-side carrier signals can have an arbitrary and also time-dependent phase offset  $Δϕ_{\rm T}$  with respect to the carrier signals at the transmitter, as long as the phase difference between the two branches remains exactly  $90^\circ$ .
  • For the signals in the upper and lower branches – after the multiplier and low-pass filtering, respectively – it holds:
$$b_1(t) = \cos(\Delta \phi_{\rm T}) \cdot q(t), $$
$$b_2(t) = -\sin(\Delta \phi_{\rm T}) \cdot q(t).$$
  • This ensures that the sink signal  $v(t)$  matches the source signal  $q(t)$  in magnitude,  regardless of the phase offset  $Δϕ_{\rm T}$:
$$v(t) = \sqrt{ b_1^2(t) + b_2^2(t)} = \sqrt{ q^2(t) } = \vert q(t) \vert \hspace{0.05cm}.$$
  • A prerequisite for operability  – that is,  for the result  $v(t) = q(t)$  –  is that at all times  $q(t) ≥ 0$.  In an analog transmission system,  this fact could be enforced using the  "DSB-AM with carrier"  modulation method,  for example.
  • This form of non-coherent demodulation  (or modifications of it)  is mainly applied in some  »digital modulation methods«,  which are discussed in detail in the fourth chapter of  "this book".

Exercises for the chapter


Exercise 2.12: Non-coherent Demodulation

Exercise 2.13: Quadrature Amplitude Modulation (QAM)


References

  1. Mäusl, R.:  Analoge Modulationsverfahren.  Heidelberg: Dr. Hüthig, 1988.