Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.2: Modulation Depth"

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{{quiz-Header|Buchseite=Modulationsverfahren/ ZSB-Amplitudenmodulation
+
{{quiz-Header|Buchseite=Modulation_Methods/Double-Sideband_Amplitude_Modulation
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID989__Mod_A_2_2.png|right|frame|Modulationsgrad-Definition bei ZSB–AM]]
+
[[File:P_ID989__Mod_A_2_2.png|right|frame|Definition of modulation depth for DSB–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:
+
The graph shows  "DSB amplitude-modulated signals"   $s_1(t)$  to  $s_4(t)$  with differing modulation depth  $m$.  Let the message signal  $q(t)$  and the carrier signal  $z(t)$  each be cosine:
 
:$$q(t) = A_{\rm N} \cdot \cos (2 \pi f_{\rm N} t),\hspace{0.2cm} f_{\rm N} = 4\,{\rm kHz}\hspace{0.05cm},$$
 
:$$q(t) = A_{\rm N} \cdot \cos (2 \pi f_{\rm N} t),\hspace{0.2cm} f_{\rm N} = 4\,{\rm kHz}\hspace{0.05cm},$$
 
:$$ z(t) = \hspace{0.2cm}1 \hspace{0.15cm} \cdot \cos (2 \pi f_{\rm T} t),\hspace{0.2cm} f_{\rm T} = 50\,{\rm kHz}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$ z(t) = \hspace{0.2cm}1 \hspace{0.15cm} \cdot \cos (2 \pi f_{\rm T} t),\hspace{0.2cm} f_{\rm T} = 50\,{\rm kHz}\hspace{0.05cm}.$$
Das modulierte Signal (Sendesignal) lautet mit dem im Modulator zugesetzten Gleichanteil $A_{\rm T}$:
+
The modulated signal  (transmitted signal)  with the DC component added in the modulator is  $A_{\rm T}$:
 
:$$s(t ) = A(t) \cdot z(t), \hspace{0.2cm} A(t) = q(t) + A_{\rm T}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$s(t ) = A(t) \cdot z(t), \hspace{0.2cm} A(t) = q(t) + A_{\rm T}\hspace{0.05cm}.$$
Bei den Grafiken wurde zur Normierung gewählt:
+
In the graphs,  the chosen normalization was:
 
:$$A_{\rm T}+ A_{\rm N} = 2\,{\rm V}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$A_{\rm T}+ A_{\rm N} = 2\,{\rm V}\hspace{0.05cm}.$$
*Ist der Modulationsgrad $m ≤ 1$, so ist $A(t)= q(t) + A_{\rm T}$ gleich der Hüllkurve $a(t)$.  
+
*If the modulation depth is  $m ≤ 1$,  then  $A(t)= q(t) + A_{\rm T}$   is equal to the envelope  $a(t)$.  
*Dagegen gilt für den Modulationsgrad $m > 1$:
+
*In contrast,  for a modulation depth  $m > 1$:
 
:$$a(t ) = |A(t)|\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$a(t ) = |A(t)|\hspace{0.05cm}.$$
 +
*The cosine curve  $A(t)$  varies between  $A_{\rm max}$  and  $A_{\rm min}$; because of normalization,   ⇒   $A_{\rm max} = 2 \ \rm  V$.
 +
*The minimum values of  $A(t)$  occur at half the period of the source signal  $($i.e., for  $t = 125 \ \rm µ s)$:
 +
:$$A_{\rm min} = q(T_0/2)+ A_{\rm T} = A_{\rm T}-A_{\rm N}.$$
 +
*The numerical values are given in the graph.
 +
 +
  
Der cosinusförmige Verlauf $A(t)$ schwankt zwischen $A_{\rm max}$ und $A_{\rm min}$, wobei wegen der obigen Normierung stets $A_{\rm max} = 2 \ \rm  V$ ist. Die Minimalwerte von $A(t)$ treten zum Beispiel bei der halben Periodendauer des Quellensignals (also für $t = 125 \ \rm μs$) 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:''
+
Hints:  
*Die Aufgabe gehört zum  Kapitel [[Modulationsverfahren/Zweiseitenband-Amplitudenmodulation|Zweiseitenband-Amplitudenmodulation]].
+
*This exercise belongs to the chapter   [[Modulation_Methods/Double-Sideband_Amplitude_Modulation|Double-Sideband Amplitude Modulation]].
*Bezug genommen wird insbesondere auf die Seite [[Modulationsverfahren/Zweiseitenband-Amplitudenmodulation#ZSB-Amplitudenmodulation_mit_Tr.C3.A4ger|ZSB-Amplitudenmodulation mit Träger]].
+
*Particular reference is made to the page  [[Modulation_Methods/Double-Sideband_Amplitude_Modulation#Double-Sideband_Amplitude_Modulation_with_carrier|DSB-AM with carrier]].
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
+
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
  
{Bestimmen Sie für die Signale $s_1(t)$, $s_2(t)$, $s_3(t)$ jeweils den Modulationsgrad.
+
{Determine the modulation depth for each of the signals &nbsp;$s_1(t)$, &nbsp;$s_2(t)$, &nbsp;$s_3(t)$.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$m_1 \ = \ $ { 0.5 3% }
 
$m_1 \ = \ $ { 0.5 3% }
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$m_3 \ = \ $ { 3 3% }  
 
$m_3 \ = \ $ { 3 3% }  
  
{Welche Aussagen treffen für das Signal $s_4(t)$ zu?
+
{Which statements are true for the signal &nbsp;$s_4(t)$?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Es handelt sich um „ZSB–AM ohne Träger”.
+
+ This is a case of&nbsp; "DSB–AM without carrier".
- Der Modulationsgrad ist $m = 0$.
+
- The modulation depth is &nbsp;$m = 0$.
+ Der Modulationsgrad $m$ ist unendlich groß.
+
+ The modulation depth &nbsp;$m$&nbsp; is infinite.
  
 
 
{Es gelte nun $A_{\rm T} = A_{\rm N} = 1\ \rm V$, also $m = 1$. Wie lautet das Spektrum $S_+(f)$ des analytischen Signals? <br>Welche Diracgewichte treten bei $f_{\rm T}$ sowie bei $f_{\rm T}± f_{\rm N}$ auf?
+
{Let &nbsp;$A_{\rm T} = A_{\rm N} = 1\ \rm V$ &nbsp; &rArr; &nbsp; $m = 1$.&nbsp; What is the spectrum &nbsp;$S_+(f)$&nbsp; of the analytical signal?&nbsp; Which Dirac weights occur at &nbsp;$f_{\rm T}$&nbsp; as well as at &nbsp;$f_{\rm T}± f_{\rm N}$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$S_+(f_{\rm T})  \ = \ $ { 1 3% } $\ \text{V}$  
 
$S_+(f_{\rm T})  \ = \ $ { 1 3% } $\ \text{V}$  
 
$S_+(f_{\rm T} ± f_{\rm N})  \ = \ $ { 0.5 3% }  $\ \text{V}$  
 
$S_+(f_{\rm T} ± f_{\rm N})  \ = \ $ { 0.5 3% }  $\ \text{V}$  
  
{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?
+
{Now let &nbsp;$m = 1$.&nbsp; Which fraction &nbsp;$P_{\rm T}/P_{\rm S}$&nbsp; of the total transmission power &nbsp;$P_{\rm S}$&nbsp; is due to the carrier alone,&nbsp; and thus cannot be used for demodulation??
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$P_{\rm T}/P_{\rm S}  \ = \ $ { 0.667 3% }  
 
$P_{\rm T}/P_{\rm S}  \ = \ $ { 0.667 3% }  
  
{Verallgemeinern Sie das Ergebnis aus (4) für einen beliebigen Modulationsgrad $m$. Welche Leistungsverhältnisse ergeben sich für $m = 0.5$, $m = 3$ und $m → ∞$ ?
+
{Generalize the result from &nbsp; '''(4)'''&nbsp; for an arbitrary modulation depth&nbsp; $m$.&nbsp; What are the power ratios for  &nbsp;$m = 0.5$, &nbsp;$m = 3$&nbsp; and &nbsp;$m → ∞$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$m = 0.5\text{:}\hspace{0.3cm} P_{\rm T}/P_{\rm S}  \ = \ $ { 0.889 3% }  
 
$m = 0.5\text{:}\hspace{0.3cm} P_{\rm T}/P_{\rm S}  \ = \ $ { 0.889 3% }  
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$m → ∞ \text{:}\hspace{0.3cm} P_{\rm T}/P_{\rm S}  \ = \  $ { 0. }  
 
$m → ∞ \text{:}\hspace{0.3cm} P_{\rm T}/P_{\rm S}  \ = \  $ { 0. }  
  
{Welche der nachfolgenden Bewertungen erscheinen Ihnen nach den bisherigen Berechnungen als sinnvoll?
+
{Based on the calculations so far,&nbsp; which of the following statements seem reasonable to you?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ $m ≈ 1$ ist aus energetischen Gründen günstiger als ein kleines $m$.
+
+ $m ≈ 1$&nbsp; is more favorable than a small&nbsp; $m$&nbsp; for energy reasons.
+ Nur bei Hüllkurvendemodulation ist der Träger sinnvoll.
+
+ The carrier is only useful for envelope demodulation.
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''1.'''Aus den beiden Gleichungen
+
'''(1)'''&nbsp; From the two equations
$$ A_{\rm max} = A_{\rm T}+A_{\rm N}=2\,\,{\rm V},\hspace{0.3cm} A_{\rm min} = A_{\rm T}-A_{\rm N}\hspace{0.05cm}$$
+
:$$ A_{\rm max} = A_{\rm T}+A_{\rm N}=2\,\,{\rm V},\hspace{0.3cm} A_{\rm min} = A_{\rm T}-A_{\rm N}\hspace{0.05cm}$$
folgt direkt
+
directly follows:
$$A_{\rm N}  =  (A_{\rm max} - A_{\rm min})/2$$
+
:$$A_{\rm N}  =  (A_{\rm max} - A_{\rm min})/2,\hspace{0.3cm}
$$A_{\rm T}  = (A_{\rm max} + A_{\rm min})/2\hspace{0.05cm}.$$
+
A_{\rm T}  = (A_{\rm max} + A_{\rm min})/2\hspace{0.05cm}.$$
Somit lautet der Modulationsgrad
+
*Thus,&nbsp; the modulation depth is
$$m = \frac{A_{\rm max} - A_{\rm min}}{A_{\rm max} + A_{\rm min}}\hspace{0.05cm}.$$
+
:$$m = \frac{A_{\rm max} - A_{\rm min}}{A_{\rm max} + A_{\rm min}}\hspace{0.05cm}.$$
Mit den angegebenen Zahlenwerten erhält man:
+
*With the given numerical values,&nbsp; one obtains:
$$ m_1  =  \frac{2\,{\rm V} - 0.667\,{\rm V}}{2\,{\rm V} + 0.667\,{\rm V}} \hspace{0.15cm}\underline {= 0.5}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.5cm} m_2 = \frac{2\,{\rm V} - 0\,{\rm V}}{2\,{\rm V} + 0\,{\rm V}} \hspace{0.15cm}$$
+
:$$ m_1  =  \frac{2\,{\rm V} - 0.667\,{\rm V}}{2\,{\rm V} + 0.667\,{\rm V}} \hspace{0.15cm}\underline {= 0.5}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.5cm} m_2 = \frac{2\,{\rm V} - 0\,{\rm V}}{2\,{\rm V} + 0\,{\rm V}} \hspace{0.15cm}\underline {= 1.0}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.5cm}
$$m_3 = \frac{2V - (-1)}{2V - (-1)} \underline{=3.0}$$
+
m_3 = \frac{2\,{\rm V} -(-1\,{\rm V})}{2\,{\rm V} + (-1\,{\rm V})} \hspace{0.15cm}\underline{=3.0}\hspace{0.05cm}.$$
 +
 
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'''(2)'''&nbsp; <u>Answers 1 and 3</u>&nbsp; are correct:
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*In this case,&nbsp; $A_{\rm T} = 0$,&nbsp; which means it is indeed&nbsp; "DSB-AM without carrier".
 +
*The modulation depth&nbsp; $m = A_{\rm N}/A_{\rm T}$&nbsp; is infinitely large.
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[[File:P_ID990__Mod_A_2_2_c.png|right|frame|Analytical signal's spectrum ]]
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'''(3)'''&nbsp; The spectrum&nbsp; $S_+(f)$&nbsp; is composed of three Dirac delta lines for each modulation depth &nbsp; $m$&nbsp; with the following weights:
 +
*$A_{\rm T}$&nbsp; $($at&nbsp; $f = f_{\rm T})$,
 +
* $m/2 · A_{\rm T}$&nbsp; $($at&nbsp; $f = f_{\rm T} ± f_{\rm N})$.
 +
 
 +
 
 +
For&nbsp; $m = 1$,&nbsp;  the weights are obtained according to the graph:
 +
*$S_+(f_{\rm T}) = 1\ \rm V$,
 +
*$S_+(f_{\rm T} ± f_{\rm T}) = 0.5\ \rm V$.
 +
 
  
  
'''2.''' In diesem Fall ist $A_T = 0$, das heißt, es liegt tatsächlich eine „ZSB–AM ohne Träger” vor und der Modulationsgrad $m = A_N/A_T$ ist unendlich groß. Richtig sind demnach die Aussagen 1 und 3.
+
'''(4)'''&nbsp; The power (mean square) of a harmonic oscillation with amplitude &nbsp; $A_{\rm T} = 1 \ \rm V$&nbsp; referenced to the &nbsp; $1 \ Ω$&nbsp; resistor is:
 +
:$$P_{\rm T} ={A_{\rm T}^2}/{2} = 0.5\,{\rm V}^2 \hspace{0.05cm}.$$
 +
*In the same way,&nbsp; for the powers of the lower and the upper sideband we obtain:
 +
:$$P_{\rm LSB} = P_{\rm USB} =({A_{\rm N}}/{2})^2/2 = 0.125\,{\rm V}^2 \hspace{0.05cm}.$$
 +
*Thus,&nbsp; for&nbsp; $m=1$,&nbsp; the ratio we are looking for is:
 +
:$${P_{\rm T}}/{P_{\rm S}}= \frac{P_{\rm T}}{P_{\rm USB} + P_{\rm T}+ P_{\rm OSB}}= \frac{0.5\,{\rm V}^2}{0.125\,{\rm V}^2 + 0.5\,{\rm V}^2+ 0.125\,{\rm V}^2}= 2/3\hspace{0.15cm}\underline { = 0.667}\hspace{0.05cm}.$$
  
[[File:P_ID990__Mod_A_2_2_c.png|right|]]
 
'''3.'''Das Spektrum $S_+(f)$ setzt sich für jeden Modulationsgrad m aus drei Diraclinien mit den Gewichten $A_T$ (bei $f = f_T$) sowie $m/2 · A_T$ (bei $f = f_T ± f_N$) zusammen. Für m = 1 ergeben sich die Gewichte entsprechend der Skizze: $S_+(f_T) = 1V$, $S_+(f_T ± f_N) = 0.5V$.
 
  
  
'''4.''' Die auf den Widerstand 1 Ω bezogene Leistung (Quadrat des Effektivwertes) einer harmonischen Schwingung mit der Amplitude $A_T$ beträgt (mit $A_T = 1V$):
+
'''(5)'''&nbsp; Using the Dirac weights&nbsp; $m/2 · A_{\rm T}$&nbsp; of the two sidebands corresponding to subtask&nbsp; '''(3)''',&nbsp; we get:
$$P_{\rm T} ={A_{\rm T}^2}/{2} = 0.5\,{\rm V}^2 \hspace{0.05cm}.$$
+
:$${P_{\rm T}}/{P_{\rm S}}= \frac{A_{\rm T}^2/2}{A_{\rm T}^2/2 + 2 \cdot (m/2)^2 \cdot A_{\rm T}^2/2}= \frac{2}{2 + m^2}\hspace{0.05cm}.$$
In gleicher Weise erhält man für die Leistungen des unteren und des oberen Seitenbandes:
+
*This leads to the numerical values &nbsp; $8/9 = 0.889$&nbsp; $($for&nbsp; $m = 0.5)$, &nbsp; &nbsp; $2/11 = 0.182$&nbsp; $($for&nbsp; $m = 3)$,  &nbsp; &nbsp; $0$&nbsp;  $($for&nbsp; $m \to ∞$).
$$P_{\rm USB} = P_{\rm OSB} =({A_{\rm N}}/{2})^2/2 = 0.125\,{\rm V}^2 \hspace{0.05cm}.$$
 
Das gesuchte Verhältnis ist somit:
 
$$m=1: \hspace{0.15cm} \frac{P_{\rm T}}{P_{\rm S}}= \frac{P_{\rm T}}{P_{\rm USB} + P_{\rm T}+ P_{\rm OSB}}= \frac{0.5\,{\rm V}^2}{0.125\,{\rm V}^2 + 0.5\,{\rm V}^2+ 0.125\,{\rm V}^2}= 2/3\hspace{0.15cm}\underline { = 0.667}\hspace{0.05cm}.$$
 
  
'''5.''' Mit den Diracgewichten $m/2 · A_T$ der beiden Seitenbänder (siehe Erklärungen unter c) erhält man
 
$$\frac{P_{\rm T}}{P_{\rm S}}= \frac{A_{\rm T}^2/2}{A_{\rm T}^2/2 + 2 \cdot (m/2)^2 \cdot A_{\rm T}^2/2}= \frac{2}{2 + m^2}\hspace{0.05cm}.$$
 
Dies führt zu den Zahlenwerten 8/9 = 0.889 (für m = 0.5), 2/11 = 0.182 (für m = 3) und 0 (für m → ∞).
 
  
'''6.'''Die Zusetzung des Trägers macht nur Sinn, um den einfacheren Hüllkurvendemodulator verwenden zu können. Dies geht nur für m < 1. Ist dagegen der Modulationsgrad größer als 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 anzustreben. Beide Aussagen treffen also zu.
 
  
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.
+
'''(6)'''&nbsp; <u>Both statements</u>&nbsp; are true:
 +
*The addition of the carrier only makes sense in order to use the simpler envelope demodulator.&nbsp;  This is only possible for&nbsp; $m \le 1$.
 +
*However,&nbsp; should the modulation depth be&nbsp; $m > 1$&nbsp; and the use of a synchronous demodulator therefore be required,&nbsp; the carrier should be (almost) completely omitted for energy reasons.
 +
*Similarly due to energy concerns,&nbsp; if an envelope demodulator is used,&nbsp; the largest possible modulation depth&nbsp; $m < 1$&nbsp;  &nbsp; &rArr;  &nbsp; $m \to 1$&nbsp; should be aimed for.  
 +
*However,&nbsp; a small residual carrier can facilitate carrier recovery,&nbsp; which is needed in a synchronous demodulator for frequency and phase synchronization.&nbsp;  Thus,&nbsp; the second statement is only conditionally correct.
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
  
[[Category:Aufgaben zu Modulationsverfahren|^2.1 ZSB-Amplitudenmodulation^]]
+
[[Category:Modulation Methods: Exercises|^2.1 Double Sideband Amplitude Modulation^]]

Latest revision as of 15:17, 18 January 2023

Definition of modulation depth for DSB–AM

The graph shows  "DSB amplitude-modulated signals"   $s_1(t)$  to  $s_4(t)$  with differing modulation depth  $m$.  Let the message signal  $q(t)$  and the carrier signal  $z(t)$  each be cosine:

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

The modulated signal  (transmitted signal)  with the DC component added in the modulator is  $A_{\rm T}$:

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

In the graphs,  the chosen normalization was:

$$A_{\rm T}+ A_{\rm N} = 2\,{\rm V}\hspace{0.05cm}.$$
  • If the modulation depth is  $m ≤ 1$,  then  $A(t)= q(t) + A_{\rm T}$  is equal to the envelope  $a(t)$.
  • In contrast,  for a modulation depth  $m > 1$:
$$a(t ) = |A(t)|\hspace{0.05cm}.$$
  • The cosine curve  $A(t)$  varies between  $A_{\rm max}$  and  $A_{\rm min}$; because of normalization,   ⇒   $A_{\rm max} = 2 \ \rm V$.
  • The minimum values of  $A(t)$  occur at half the period of the source signal  $($i.e., for  $t = 125 \ \rm µ s)$:
$$A_{\rm min} = q(T_0/2)+ A_{\rm T} = A_{\rm T}-A_{\rm N}.$$
  • The numerical values are given in the graph.



Hints:


Questions

1

Determine the modulation depth for each of the signals  $s_1(t)$,  $s_2(t)$,  $s_3(t)$.

$m_1 \ = \ $

$m_2 \ = \ $

$m_3 \ = \ $

2

Which statements are true for the signal  $s_4(t)$?

This is a case of  "DSB–AM without carrier".
The modulation depth is  $m = 0$.
The modulation depth  $m$  is infinite.

3

Let  $A_{\rm T} = A_{\rm N} = 1\ \rm V$   ⇒   $m = 1$.  What is the spectrum  $S_+(f)$  of the analytical signal?  Which Dirac weights occur at  $f_{\rm T}$  as well as at  $f_{\rm T}± f_{\rm N}$?

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

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

$\ \text{V}$

4

Now let  $m = 1$.  Which fraction  $P_{\rm T}/P_{\rm S}$  of the total transmission power  $P_{\rm S}$  is due to the carrier alone,  and thus cannot be used for demodulation??

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

5

Generalize the result from   (4)  for an arbitrary modulation depth  $m$.  What are the power ratios for  $m = 0.5$,  $m = 3$  and  $m → ∞$?

$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

Based on the calculations so far,  which of the following statements seem reasonable to you?

$m ≈ 1$  is more favorable than a small  $m$  for energy reasons.
The carrier is only useful for envelope demodulation.


Solution

(1)  From the two equations

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

directly follows:

$$A_{\rm N} = (A_{\rm max} - A_{\rm min})/2,\hspace{0.3cm} A_{\rm T} = (A_{\rm max} + A_{\rm min})/2\hspace{0.05cm}.$$
  • Thus,  the modulation depth is
$$m = \frac{A_{\rm max} - A_{\rm min}}{A_{\rm max} + A_{\rm min}}\hspace{0.05cm}.$$
  • With the given numerical values,  one obtains:
$$ m_1 = \frac{2\,{\rm V} - 0.667\,{\rm V}}{2\,{\rm V} + 0.667\,{\rm V}} \hspace{0.15cm}\underline {= 0.5}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.5cm} m_2 = \frac{2\,{\rm V} - 0\,{\rm V}}{2\,{\rm V} + 0\,{\rm V}} \hspace{0.15cm}\underline {= 1.0}\hspace{0.05cm}, \hspace{0.5cm} m_3 = \frac{2\,{\rm V} -(-1\,{\rm V})}{2\,{\rm V} + (-1\,{\rm V})} \hspace{0.15cm}\underline{=3.0}\hspace{0.05cm}.$$


(2)  Answers 1 and 3  are correct:

  • In this case,  $A_{\rm T} = 0$,  which means it is indeed  "DSB-AM without carrier".
  • The modulation depth  $m = A_{\rm N}/A_{\rm T}$  is infinitely large.


Analytical signal's spectrum

(3)  The spectrum  $S_+(f)$  is composed of three Dirac delta lines for each modulation depth   $m$  with the following weights:

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


For  $m = 1$,  the weights are obtained according to the graph:

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


(4)  The power (mean square) of a harmonic oscillation with amplitude   $A_{\rm T} = 1 \ \rm V$  referenced to the   $1 \ Ω$  resistor is:

$$P_{\rm T} ={A_{\rm T}^2}/{2} = 0.5\,{\rm V}^2 \hspace{0.05cm}.$$
  • In the same way,  for the powers of the lower and the upper sideband we obtain:
$$P_{\rm LSB} = P_{\rm USB} =({A_{\rm N}}/{2})^2/2 = 0.125\,{\rm V}^2 \hspace{0.05cm}.$$
  • Thus,  for  $m=1$,  the ratio we are looking for is:
$${P_{\rm T}}/{P_{\rm S}}= \frac{P_{\rm T}}{P_{\rm USB} + P_{\rm T}+ P_{\rm OSB}}= \frac{0.5\,{\rm V}^2}{0.125\,{\rm V}^2 + 0.5\,{\rm V}^2+ 0.125\,{\rm V}^2}= 2/3\hspace{0.15cm}\underline { = 0.667}\hspace{0.05cm}.$$


(5)  Using the Dirac weights  $m/2 · A_{\rm T}$  of the two sidebands corresponding to subtask  (3),  we get:

$${P_{\rm T}}/{P_{\rm S}}= \frac{A_{\rm T}^2/2}{A_{\rm T}^2/2 + 2 \cdot (m/2)^2 \cdot A_{\rm T}^2/2}= \frac{2}{2 + m^2}\hspace{0.05cm}.$$
  • This leads to the numerical values   $8/9 = 0.889$  $($for  $m = 0.5)$,     $2/11 = 0.182$  $($for  $m = 3)$,     $0$  $($for  $m \to ∞$).


(6)  Both statements  are true:

  • The addition of the carrier only makes sense in order to use the simpler envelope demodulator.  This is only possible for  $m \le 1$.
  • However,  should the modulation depth be  $m > 1$  and the use of a synchronous demodulator therefore be required,  the carrier should be (almost) completely omitted for energy reasons.
  • Similarly due to energy concerns,  if an envelope demodulator is used,  the largest possible modulation depth  $m < 1$    ⇒   $m \to 1$  should be aimed for.
  • However,  a small residual carrier can facilitate carrier recovery,  which is needed in a synchronous demodulator for frequency and phase synchronization.  Thus,  the second statement is only conditionally correct.