Difference between revisions of "Modulation Methods/Double-Sideband Amplitude Modulation"

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{{Header
|Untermenü=Amplitudenmodulation und AM–Demodulation
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|Untermenü=Amplitude Modulation and Demodulation
|Vorherige Seite=Allgemeines Modell der Modulation
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|Vorherige Seite=General Model of Modulation
|Nächste Seite=Synchrondemodulation
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|Nächste Seite=Synchronous Demodulation
 
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== # ÜBERBLICK ZUM ZWEITEN HAUPTKAPITEL # ==
+
== # OVERVIEW OF THE SECOND MAIN CHAPTER # ==
 
<br>
 
<br>
Nach einigen allgemeingültigen Erläuterungen zu Modulation und Demodulation folgt nun im zweiten Kapitel eine detaillierte Beschreibung der&nbsp; ''Amplitudenmodulation''&nbsp; und der zugehörigen&nbsp; ''Demodulatoren''.&nbsp; Dieses Kapitel behandelt im Einzelnen:
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After some general explanations of modulation and demodulation,&nbsp; now a detailed description of&nbsp; '''&raquo;amplitude modulation&laquo;'''&nbsp; and the associated&nbsp; '''&raquo;demodulators&laquo;'''.&nbsp;
*die Beschreibung und Realisierung der Zweiseitenband-Amplitudenmodulation (ZSB–AM) im Frequenz- und Zeitbereich,
 
*die Eigenschaften des Synchrondemodulators und die Anwendungsmöglichkeiten des Hüllkurvendemodulators,
 
*die Gemeinsamkeiten/Unterschiede der Einseitenbandmodulation gegenüber ZSB–AM und abgewandelte  AM–Verfahren.
 
  
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This chapter deals in detail with:
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*the description and realization of&nbsp; &raquo;double-sideband amplitude modulation&laquo;&nbsp;  $\text{(DSB–AM)}$&nbsp; in frequency and time domain,
  
Weitere Informationen zum Thema sowie Aufgaben, Simulationen und Programmierübungen finden Sie im Versuch "Analoge Modulationsverfahren" des Praktikums „Simulation Digitaler Übertragungssysteme ”. Diese (ehemalige) LNT-Lehrveranstaltung an der TU München basiert auf
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*the characteristics of a&nbsp; &raquo;synchronous demodulator&laquo;&nbsp; and the possible applications of an&nbsp; &raquo;envelope demodulator&laquo;,
  
*dem Windows-Programm&nbsp; [http://en.lntwww.de/downloads/Sonstiges/Programme/AMV.zip AMV] &nbsp; &rArr; &nbsp; Link verweist auf die ZIP-Version des Programms; und
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*the similarities/differences of&nbsp; &raquo;single-sideband modulation&raquo;&nbsp; $\text{(SSB–AM)}$&nbsp; compared to DSB-AM and&nbsp; &raquo;modified AM methods&raquo;.
*der zugehörigen&nbsp; [http://en.lntwww.de/downloads/Sonstiges/Texte/Analoge_Modulationsverfahren.pdf Praktikumsanleitung]  &nbsp; &rArr; &nbsp; Link verweist auf die PDF-Version.
 
  
  
 
==Description in the frequency domain==
 
==Description in the frequency domain==
 
<br>
 
<br>
Wir betrachten die folgende Aufgabenstellung: &nbsp; Ein Nachrichtensignal &nbsp;$q(t)$, dessen Spektrum &nbsp;$Q(f)$&nbsp; auf den Bereich &nbsp;$\pm B_{\rm NF}$&nbsp; bandbegrenzt ist, soll mit Hilfe einer harmonischen Schwingung der Frequenz &nbsp;$f_{\rm T}$, die wir im Weiteren als Trägersignal &nbsp;$z(t)$&nbsp; bezeichnen, in einen höherfrequenten Bereich verschoben werden, in dem der Kanalfrequenzgang &nbsp;$H_{\rm K}(f)$ günstige Eigenschaften aufweist.  
+
We consider the following problem:&nbsp; a source signal&nbsp;$q(t)$,&nbsp; whose spectrum &nbsp;$Q(f)$&nbsp; is bandlimited to the range &nbsp;$\pm B_{\rm NF}$&nbsp; (subscript&nbsp; "NF"&nbsp; from German "Niederfrequenz" &nbsp; ⇒ &nbsp; low frequency),&nbsp;
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* is to be shifted to a higher frequency range where the channel frequency response&nbsp; $H_{\rm K}(f)$&nbsp; has favorable characteristics,&nbsp;
 +
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*using a harmonic oscillation of frequency &nbsp;$f_{\rm T}$, which we will refer to as the carrier signal&nbsp; $z(t)$.  
  
[[File:P_ID974__Mod_T_2_1_S1a_neu.png |center|frame|Darstellung der Amplitudenmodulation im Frequenzbereich]]
 
  
Die Grafik verdeutlicht die Aufgabenstellung, wobei folgende vereinfachende Annahmen getroffen sind:  
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The diagram illustrates the task, with the following simplifying assumptions:
*Das gezeichnete Spektrum &nbsp;$Q(f)$&nbsp; ist hier schematisch zu verstehen.&nbsp; Es besagt, dass in &nbsp;$q(t)$&nbsp; nur Spektralanteile im Bereich &nbsp;$|f| ≤ B_{\rm NF}$&nbsp; enthalten sind.&nbsp; $Q(f)$&nbsp; könnte auch ein Linienspektrum sein.  
+
 
*Der Kanal sei in einem Bereich der Bandbreite &nbsp;$B_{\rm K}$&nbsp; um die Frequenz &nbsp;$f_{\rm M}$&nbsp; ideal, das heißt, es gelte &nbsp;$H_{\rm K}(f) = 1$&nbsp; für &nbsp;$|f - f_{\rm M}| ≤ B_{\rm K}/2.$&nbsp; Rauschstörungen werden vorerst nicht betrachtet.  
+
[[File:P_ID974__Mod_T_2_1_S1a_neu.png |right|frame|Representation of amplitude modulation in the frequency domain]]
*Das Trägersignal sei cosinusförmig&nbsp; $($Phase &nbsp;$ϕ_T = 0)$&nbsp; und besitze die Amplitude &nbsp;$A_{\rm T} = 1$&nbsp; (ohne Einheit).&nbsp; Die Trägerfrequenz &nbsp;$f_{\rm T}$&nbsp; sei gleich der Mittenfrequenz des Übertragungsbandes.  
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*The spectrum &nbsp;$Q(f)$&nbsp; drawn here is schematic.&nbsp; It states that only spectral components in the range &nbsp;$|f| ≤ B_{\rm NF}$&nbsp; are included in &nbsp;$q(t)$.&nbsp; $Q(f)$&nbsp; could also be a line spectrum.  
*Das Spektrum des Trägersignals &nbsp;$z(t) = \cos(ω_{\rm T} · t)$&nbsp; lautet somit&nbsp; (in der Grafik grün eingezeichnet):  
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*Let the channel be ideal in a bandwidth range &nbsp;$B_{\rm K}$&nbsp; around frequency&nbsp; $f_{\rm M}$,&nbsp; that is, let &nbsp;$H_{\rm K}(f) = 1$&nbsp; for &nbsp;$|f - f_{\rm M}| ≤ B_{\rm K}/2.$&nbsp; Impairments by noise are ignored for now.
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*Let the carrier signal be cosine &nbsp; $($phase &nbsp;$ϕ_{\rm T} = 0)$&nbsp; and have amplitude&nbsp; $A_{\rm T} = 1$&nbsp; (without a unit).&nbsp; Let the carrier frequency &nbsp;$f_{\rm T}$&nbsp; be equal to the center frequency of the transmission band.  
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 +
*Thus,&nbsp; the spectrum of the carrier signal &nbsp;$z(t) = \cos(ω_{\rm T} · t)$&nbsp; is <br>(plotted in green in the graph):  
 
:$$Z(f) = {1}/{2} \cdot \delta (f + f_{\rm T})+{1}/{2} \cdot \delta (f - f_{\rm T})\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$Z(f) = {1}/{2} \cdot \delta (f + f_{\rm T})+{1}/{2} \cdot \delta (f - f_{\rm T})\hspace{0.05cm}.$$
  
Wer mit den &nbsp;[[Signal_Representation/Fourier_Transform_Laws|Gesetzmäßigkeiten der Spektraltransformation]]&nbsp; und insbesondere mit dem &nbsp;[[Signal_Representation/The_Convolution_Theorem_and_Operation|Faltungssatz]]&nbsp; vertraut ist, kann sofort eine Lösung für das Spektrum &nbsp;$S(f)$&nbsp; des Modulatorausgangssignals angeben:
+
Those familiar with the &nbsp;[[Signal_Representation/Fourier_Transform_Laws|$\text{laws of spectral transformation}$]]&nbsp; and in particular with the &nbsp;[[Signal_Representation/The_Convolution_Theorem_and_Operation|$\text{Convolution Theorem}$]]&nbsp; can immediately give a solution for the spectrum &nbsp;$S(f)$&nbsp; of the modulator output signal:
 
:$$S(f)= Z(f) \star Q(f) = 1/2 \cdot \delta (f + f_{\rm T})\star Q(f)+1/2 \cdot \delta (f - f_{\rm T})\star Q(f) = 1/2 \cdot Q (f + f_{\rm T})+ 1/2 \cdot Q(f - f_{\rm T})
 
:$$S(f)= Z(f) \star Q(f) = 1/2 \cdot \delta (f + f_{\rm T})\star Q(f)+1/2 \cdot \delta (f - f_{\rm T})\star Q(f) = 1/2 \cdot Q (f + f_{\rm T})+ 1/2 \cdot Q(f - f_{\rm T})
 
  \hspace{0.05cm}.$$
 
  \hspace{0.05cm}.$$
  
 
{{BlaueBox|TEXT=
 
{{BlaueBox|TEXT=
$\text{Bitte beachten Sie:}$&nbsp; Bei dieser Gleichung ist berücksichtigt, dass die Faltung einer verschobenen Diracfunktion &nbsp;$δ(x x_0)$&nbsp; mit einer beliebigen Funktion &nbsp;$f(x)$&nbsp; die&nbsp; '''verschobene Funktion''' &nbsp;$f(x - x_0)$&nbsp; ergibt.}}  
+
$\text{Please note:}$&nbsp; This equation takes into account
 +
*that the convolution of a shifted Dirac delta function  &nbsp;$δ(x - x_0)$&nbsp; with an arbitrary function&nbsp;$f(x)$&nbsp; yields the &nbsp; &raquo;'''shifted function'''&laquo; &nbsp;$f(x - x_0)$.}}  
  
  
[[File:P_ID975__Mod_T_2_1_S1b_neu.png|center|frame|Spektrum der ZSB–AM ohne Träger]]
+
The diagram displays the result.&nbsp; One can identify the following characteristics:
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[[File:EN_Mod_T_2_1_S1b.png|right|frame|Spectrum of double-sideband amplitude modulation without carrier; <br>other name:&nbsp; "double-sideband amplitude modulation with carrier suppression"]]
 +
*Due to the system-theoretic approach with positive and negative frequencies,&nbsp;$S(f)$&nbsp; is composed of two parts around &nbsp;$\pm f_{\rm T}$,&nbsp; each of which have the same shape as &nbsp;$Q(f)$.
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*The factor &nbsp;$1/2$&nbsp; results from the carrier amplitude &nbsp;$A_{\rm T} = 1$.&nbsp; Thus,&nbsp; $s(t = 0) = q(t = 0)$&nbsp;  and the integrals over their spectral functions&nbsp; $S(f)$&nbsp; and &nbsp;$Q(f)$&nbsp; must also be equal.
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*The channel bandwidth &nbsp;$B_{\rm K}$&nbsp;  must be at least twice the signal bandwidth &nbsp;$B_{\rm NF}$,&nbsp; which gives the name&nbsp; <br>&raquo;'''Double-Sideband Amplitude Modulation'''&laquo;&nbsp; $\text{(DSB–AM)}$.
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*It should be noted that&nbsp;$B_{\rm NF}$ and $B_{\rm K}$&nbsp; are absolute and &nbsp;[[Signal_Representation/Fourier_Transform_Theorems#Reciprocity_Theorem_of_time_duration_and_bandwidth|$\text{non-equivalent bandwidths}$]].&nbsp; The latter are defined over rectangles of equal area and are denoted  in our tutorial by&nbsp; $Δf_q$&nbsp; and&nbsp; $Δf_{\rm K}$,&nbsp; resp.
  
Die Grafik zeigt das Ergebnis. Man erkennt folgende Charakteristika:
+
*The spectral function &nbsp;$S(f)$&nbsp; does not include any Dirac-lines at the carrier frequency &nbsp;$(\pm f_{\rm T})$.&nbsp; Therefore, this method is also referred to as&nbsp; "DSB-AM '''without carrier'''".
*Aufgrund der systemtheoretischen Betrachtungsweise mit positiven und negativen Frequenzen setzt sich &nbsp;$S(f)$&nbsp; aus zwei Anteilen um &nbsp;$\pm f_{\rm T}$&nbsp; zusammen, die jeweils formgleich mit &nbsp;$Q(f)$&nbsp; sind.  
+
*Der Faktor &nbsp;$1/2$&nbsp; ergibt sich wegen der Trägeramplitude &nbsp;$A_{\rm T} = 1$.&nbsp; Somit ist &nbsp;$s(t = 0) = q(t = 0)$, so dass auch die Integrale über deren Spektralfunktionen &nbsp;$S(f)$&nbsp; bzw. &nbsp;$Q(f)$&nbsp; gleich sein müssen.
+
*The frequency components
*Die Kanalbandbreite &nbsp;$B_{\rm K}$&nbsp; muss mindestens doppelt so groß sein wie die Signalbandbreite &nbsp;$B_{\rm NF}$, was zu der Namensgebung "Zweiseitenband–Amplitudenmodulation" (ZSB–AM) geführt hat.
+
:*above the carrier frequency  &nbsp;$f_{\rm T}$&nbsp; are called the&nbsp; "upper sideband"&nbsp; $\rm (USB)$,
*Zu beachten ist, dass &nbsp;$B_{\rm NF}$ und $B_{\rm K}$&nbsp; absolute und nicht etwa &nbsp;[[Signal_Representation/Fourier_Transform_Laws#Reziprozit.C3.A4tsgesetz_von_Zeitdauer_und_Bandbreite|äquivalente Bandbreiten]]&nbsp; sind.&nbsp; Letztere sind über flächengleiche Rechtecke definiert und werden in unserem Tutorial mit &nbsp;$Δf_q$&nbsp; bzw. &nbsp;$Δf_{\rm K}$&nbsp; bezeichnet.
+
:*and those below &nbsp;$f_{\rm T}$&nbsp; are the&nbsp; "lower sideband"&nbsp; $\rm (LSB)$.  
*Die Spektralfunktion &nbsp;$S(f)$&nbsp; beinhaltet keine Diraclinien bei der Trägerfrequenz &nbsp;$(\pm f_{\rm T})$.&nbsp; Deshalb wird dieses Verfahren auch als "'''ZSB–AM ohne Träger'''" bezeichnet.
 
*Die Frequenzanteile oberhalb der Trägerfrequenz &nbsp;$f_{\rm T}$&nbsp; nennt man das ''obere Seitenband''&nbsp; (OSB), diejenigen unterhalb von &nbsp;$f_{\rm T}$&nbsp; als das ''untere Seitenband''&nbsp; (USB).  
 
  
==Beschreibung im Zeitbereich==
+
==Description in the time domain==
 
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Der Faltungssatz lautet mit der auf dieses Problem angepassten Nomenklatur:  
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Adapting the notation and nomenclature to this problem,&nbsp; the convolution theorem reads:
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:$$S(f)  = Z(f) \star Q(f)\hspace{0.2cm}\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, \hspace{0.2cm} s(t) = q(t) \cdot z(t) = q(t) \cdot \cos(\omega_{\rm T}\cdot t + \phi_{\rm T})\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$S(f)  = Z(f) \star Q(f)\hspace{0.2cm}\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, \hspace{0.2cm} s(t) = q(t) \cdot z(t) = q(t) \cdot \cos(\omega_{\rm T}\cdot t + \phi_{\rm T})\hspace{0.05cm}.$$
Dieses Ergebnis stimmt auch dann noch, wenn die auf der letzten Seite getroffenen Einschränkungen $($reellwertiges Spektrum &nbsp;$Q(f)$, Trägerphase &nbsp;$ϕ_{\rm T} = 0)$&nbsp; aufgehoben werden.&nbsp; Im Allgemeinen ergibt sich somit eine komplexwertige Spektralfunktion &nbsp;$S(f)$.
+
[[File:Mod_T_2_1_S2a_version2.png|right|frame|Models of DSB–AM without carrier]]
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This result is still true if the restrictions made in the last section are removed:
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#real-valued spectrum &nbsp;$Q(f)$,&nbsp;
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#carrier phase &nbsp;$ϕ_{\rm T} = 0$.&nbsp;  
  
[[File:Mod_T_2_1_S2a_version2.png|right|frame|Modelle der ZSB–AM ohne Träger]]
+
In general,&nbsp; this results in a complex-valued spectrum  &nbsp;$S(f)$.
Nach dieser Gleichung kann man für die Zweiseitenband–Amplitudenmodulation zwei Modelle  angeben.&nbsp; Diese sind wie folgt zu interpretieren:  
+
 
*Das erste Modell beschreibt direkt den oben angegebenen Zusammenhang, wobei hier der Träger &nbsp;$z(t) = \cos(ω_{\rm T}t + ϕ_{\rm T})$&nbsp; ohne Einheit angesetzt ist.  
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According to this equation, two models can be given for double-sideband amplitude modulation.&nbsp; These are to be interpreted as follows:  
*Das zweite Modell entspricht eher den physikalischen Gegebenheiten, nachdem jedes Signal auch eine Einheit besitzt.&nbsp; Sind &nbsp;$q(t)$&nbsp; und &nbsp;$z(t)$&nbsp; jeweils Spannungen, so ist im Modell noch eine Skalierung mit der Modulatorkonstanten &nbsp;$K_{\rm AM}$&nbsp; (Einheit: &nbsp;${\rm V^{–1} }$) vorzusehen, damit auch das Ausgangssignal &nbsp;$s(t)$&nbsp; einen Spannungsverlauf darstellt.  
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*The upper model directly describes the relationship given above,&nbsp; where the carrier &nbsp;$z(t) = \cos(ω_{\rm T}t + ϕ_{\rm T})$&nbsp; is applied without a unit.
*Wählt man &nbsp;$K_{\rm AM} = 1/A_{\rm T}$, so sind beide Modelle gleich.&nbsp; Im Folgenden werden wir stets vom einfacheren Modell ausgehen.
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*The lower model is more in line with the physical condition&nbsp; "each signal also has a unit".&nbsp; If &nbsp;$q(t)$&nbsp; and &nbsp;$z(t)$&nbsp; are voltages,&nbsp; the model still needs to provide a scaling with the modulator constant &nbsp;$K_{\rm AM}$&nbsp; with unit&nbsp; &nbsp;$\rm 1/V$,&nbsp; so that the output signal &nbsp;$s(t)$&nbsp; also represents a voltage waveform.
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*If we set &nbsp;$K_{\rm AM} = 1/A_{\rm T}$,&nbsp; both models are the same.&nbsp; In the following,&nbsp; we will always assume the lower, simpler model.
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
[[File:P_ID977__Mod_T_2_1_S2b_neu.png|right|frame|Signalverläufe bei der ZSB–AM ohne Träger]]
+
[[File:P_ID977__Mod_T_2_1_S2b_neu.png|right|frame|Signal waveforms in DSB–AM without carrier]]
 
{{GraueBox|TEXT=
 
{{GraueBox|TEXT=
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp; Die Grafik zeigt in roter Farbe die Sendesignale &nbsp;$s(t)$&nbsp; bei ZSB–AM für zwei unterschiedliche Trägerfrequenzen.&nbsp;  
+
$\text{Example 1:}$&nbsp; The graph shows in red the transmitted signals &nbsp;$s(t)$&nbsp; for DSB–AM with two different carrier frequencies.&nbsp;
*Das in beiden Fällen gleiche Quellensignal &nbsp;$q(t)$&nbsp; mit der Bandbreite &nbsp;$B_{\rm NF} = 4\text{ kHz}$ ist durchgehend blau gezeichnet und das Signal &nbsp;$-q(t)$&nbsp; gestrichelt.
+
*Das Trägersignal &nbsp;$z(t)$&nbsp; hat in beiden Fällen einen cosinusförmigen Verlauf.&nbsp;
+
The source signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; with bandwidth &nbsp;$B_{\rm NF} = 4\text{ kHz}$,&nbsp; which is the same in both cases,&nbsp; is drawn in solid blue and the signal &nbsp;$-q(t)$&nbsp; is dashed.
*Für das obere Bild liegt die Trägerfrequenz &nbsp;$f_{\rm T} = 20\text{ kHz}$&nbsp; zugrunde und für das untere Bild &nbsp;$f_{\rm T} = 100\text{ kHz}$.}}
 
  
==Ringmodulator==
+
The carrier signal &nbsp;$z(t)$&nbsp; has a cosine shape in both cases.&nbsp; In the upper sketch,&nbsp; the carrier frequency&nbsp; (German:&nbsp; "Trägersignal" &nbsp; &rArr; &nbsp; subscript "T")&nbsp; is &nbsp;$f_{\rm T} = 20\text{ kHz}$&nbsp; and in the lower sketch &nbsp;$f_{\rm T} = 100\text{ kHz}$.}}
 +
 
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==Ring modulator==
 
<br>
 
<br>
Eine Möglichkeit zur Realisierung der&nbsp; „Zweiseitenband–Amplitudenmodulation mit Trägerunterdrückung”&nbsp; bietet der so genannte &nbsp;''Ringmodulator'', der auch unter der Bezeichnung&nbsp; ''Doppelgegentakt–Diodenmodulator''&nbsp; bekannt ist.&nbsp; Nachfolgend sehen Sie links die Schaltung und rechts ein einfaches Funktionsschaltbild.  
+
One possibility to realize&nbsp; "double-sideband amplitude modulation with carrier suppression"&nbsp; is offered by a so-called&nbsp; &raquo;'''ring modulator'''&laquo;,&nbsp; also known as&nbsp; "double push-pull diode modulator".&nbsp; Below you can see the circuit on the left and a simple functional diagram on the right.
  
[[File:P_ID978__Mod_T_2_1_S3a_neu.png|center|frame|Ringmodulator zur Realisierung der ZSB–AM ohne Träger]]
+
Without claiming to be complete, the principle can be stated as follows:
Ohne Anspruch auf Vollständigkeit kann das Prinzip wie folgt dargestellt werden:
+
[[File:P_ID978__Mod_T_2_1_S3a_neu.png|right|frame|Ring modulator to realize DSB–AM without carrier]]
*Die Amplitude der harmonischen Trägerschwingung &nbsp;$z(t)$&nbsp; sei sehr viel größer als der Maximalwert &nbsp;$q_{\rm max}$&nbsp; des Nachrichtensignals &nbsp;$q(t)$.&nbsp; Somit werden alle Dioden als Schalter betrieben.
+
*Let the amplitude of the harmonic carrier oscillation&nbsp; $z(t)$&nbsp; be much larger than the maximum value &nbsp;$q_{\rm max}$&nbsp; of the source signal&nbsp; $q(t)$.&nbsp; Thus,&nbsp; all diodes are operated as switches.
*Bei positiver Halbwelle der Trägerschwingung &nbsp;$(z(t) > 0)$&nbsp; leiten die zwei magentafarbenen Dioden, während die olivfarbenen sperren.&nbsp; Ohne Berücksichtigung von Verlusten gilt somit &nbsp;$s(t) = q(t)$.  
 
*Bei negativer Halbwelle leiten die olivfarbenen Dioden und die Dioden in den Längszweigen sperren.&nbsp; Wie aus dem rechten Bild hervorgeht, gilt bei dieser unteren Schalterstellung &nbsp;$s(t) = \ – q(t)$.
 
*Wegen des Schalterbetriebs kann die harmonische Schwingung &nbsp;$z(t)$&nbsp; auch durch ein periodisches Rechtecksignal gleicher Periodendauer ersetzt werden:
 
:$$z_{\rm R}(t) = \left\{ \begin{array}{c} +1 \\ -1 \\  \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{10}c}    {\rm{f\ddot{u}r}} \\  {\rm{f\ddot{u}r}}  \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} {z(t) >0,}  \\ {z(t) <0.}  \\ \end{array}$$
 
*Das modulierte Signal &nbsp;$s(t)$&nbsp; ergibt sich dann als das Produkt des Nachrichtensignals &nbsp;$q(t)$&nbsp; mit diesem Rechtecksignal &nbsp;$z_{\rm R}(t)$, während bei idealer ZSB–AM mit einem Cosinussignal multipliziert wird.
 
*Der Träger &nbsp;$z(t)$&nbsp; selbst ist im Signal &nbsp;$s(t)$&nbsp; nicht enthalten.&nbsp; Da dieser über die Mittelanzapfungen der Übertrager zugeführt wird, heben sich die induzierten Spannungen auf („ZSB–AM ohne Träger”).  
 
  
 +
*When the half-wave of the carrier is positive &nbsp;$(z(t) > 0)$&nbsp; the two magenta diodes conduct while the light green ones block. Thus, without considering losses,&nbsp; it holds&nbsp; $s(t) = q(t)$.
  
{{GraueBox|TEXT=
+
*For a negative half-wave,&nbsp; the light green diodes conduct and the diodes in the longitudinal branches block.&nbsp; As can be seen on the right,&nbsp; $s(t) = \ – q(t)$&nbsp; holds for this lower switch position.
$\text{Beispiel 2:}$&nbsp; Nun wird die Wirkungsweise des Ringmodulators anhand beispielhafter Signalverläufe nochmals beschrieben.&nbsp; Die Trägerfrequenz sei &nbsp;$f_{\rm T} = 10\text{ kHz}$.
+
 
 +
*Due to the operation of this switch,&nbsp; the harmonic oscillation&nbsp; $z(t)$&nbsp; can also be replaced by a periodic&nbsp; (rectangular)&nbsp; square wave signal with identical period duration:
 +
:$$z_{\rm R}(t) = \left\{ \begin{array}{c} +1 \\ -1 \\  \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{10}c}    {\rm{for}} \\  {\rm{for}}  \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} {z(t) >0,}  \\ {z(t) <0.}  \\ \end{array}$$
  
[[File:Mod_T_2_1_S3b_version2.png|right|frame|Signale zur Verdeutlichung des Ringmodulators]]
+
*The modulated signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; is then obtained as the product of the source signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; and this  rectangular signal  &nbsp;$z_{\rm R}(t)$,&nbsp; whereas in ideal DSB-AM one multiplies&nbsp;$q(t)$&nbsp; by a cosine signal.&nbsp; The carrier &nbsp;$z(t)$&nbsp; is not itself included in the signal&nbsp;$s(t)$.&nbsp; Since this is supplied via the center taps of the transformers, the induced voltages cancel out &nbsp; &rArr; &nbsp;  &raquo;'''DSB-AM without carrier'''&laquo;.  
  
*Die obere Grafik zeigt die Signale &nbsp;$q(t)$&nbsp; und &nbsp;$-q(t)$&nbsp; als magenta- bzw. olivfarbene Kurvenverläufe.
 
  
+
{{GraueBox|TEXT=
*Dazu ist blau-gestrichelt das bipolare Rechtecksignal &nbsp;$z_{\rm R}(t)$&nbsp; dargestellt, das die Werte &nbsp;$±1$&nbsp; annimmt.
+
$\text{Example 2:}$&nbsp; Now we will explain the operation mode of a ring modulator using exemplary  signal characteristics.&nbsp; Let the carrier frequency be &nbsp;$f_{\rm T} = 10\text{ kHz}$.
  
 +
[[File:EN_Mod_T_2_1_S3a.png|right|frame|Signals to illustrate a ring modulator]]
 +
<br><br><br><br>
 +
*The top graph shows the signals &nbsp;$q(t)$&nbsp; and &nbsp;$-q(t)$&nbsp; as magenta and light green waveforms respectively.&nbsp; The bipolar square wave&nbsp; (rectangular)&nbsp; signal&nbsp;$z_{\rm R}(t)$&nbsp; is shown in blue dashes,&nbsp; and takes the values &nbsp;$±1$&nbsp;.
 
   
 
   
*Die mittlere Grafik zeigt das modulierte Signal  des Ringmodulators:  
+
*The middle chart shows the modulated signal from the ring modulator:  
 
:$$s_{\rm RM}(t) = q(t) · z_{\rm R}(t).$$
 
:$$s_{\rm RM}(t) = q(t) · z_{\rm R}(t).$$
  
 
+
*For comparison, the conventional DSB-AM signal is shown in the bottom graph:
*Zum Vergleich ist in der unteren Skizze das herkömmliche ZSB–AM–Signal dargestellt:
 
 
:$$s(t) = q(t) · \cos(ω_{\rm T} · t).$$
 
:$$s(t) = q(t) · \cos(ω_{\rm T} · t).$$
<br clear=all>  
+
<br clear=all>
Man erkennt deutliche Unterschiede, die sich jedoch auf einfache Weise kompensieren lassen:  
+
One can see significant differences, but these can be compensated for in a simple way:  
*Die Fourierreihendarstellung des periodischen Rechtecksignals &nbsp;$z_{\rm R}(t)$&nbsp; lautet:
+
*The Fourier series representation of the periodic rectangular signal&nbsp;$z_{\rm R}(t)$&nbsp; is:
 
:$$z_{\rm R}(t) = \frac{4}{\pi} \cdot \cos(\omega_{\rm T}\cdot t)-\frac{4}{3\pi} \cdot \cos(3\omega_{\rm T}\cdot t) +\frac{4}{5\pi} \cdot \cos(5\omega_{\rm T}\cdot t)- \text{ ...}$$
 
:$$z_{\rm R}(t) = \frac{4}{\pi} \cdot \cos(\omega_{\rm T}\cdot t)-\frac{4}{3\pi} \cdot \cos(3\omega_{\rm T}\cdot t) +\frac{4}{5\pi} \cdot \cos(5\omega_{\rm T}\cdot t)- \text{ ...}$$
*Die dazugehörige Spektralfunktion besteht demnach aus Diraclinien bei &nbsp;$±f_{\rm T}, ±3f_{\rm T}, ±5f_{\rm T}$&nbsp; usw.&nbsp; Die Faltung mit &nbsp;$Q(f)$&nbsp; führt zu der Spektralfunktion (der Index steht für „Ringmodulator”):  
+
*The associated spectral function consists of Dirac delta lines at &nbsp;$±f_{\rm T}, ±3f_{\rm T}, ±5f_{\rm T}$, etc.&nbsp; Convolution with &nbsp;$Q(f)$&nbsp; leads to the spectrum <br>(the subscript stands for "ring modulator"):
 
:$$S_{\rm RM}(f) = \frac{2}{\pi} \cdot Q (f \pm f_{\rm T})-\frac{2}{3\pi} \cdot Q (f \pm 3f_{\rm
 
:$$S_{\rm RM}(f) = \frac{2}{\pi} \cdot Q (f \pm f_{\rm T})-\frac{2}{3\pi} \cdot Q (f \pm 3f_{\rm
 
  T})+\frac{2}{5\pi} \cdot Q (f \pm 5f_{\rm T}) -\text{ ...} \hspace{0.05cm}$$
 
  T})+\frac{2}{5\pi} \cdot Q (f \pm 5f_{\rm T}) -\text{ ...} \hspace{0.05cm}$$
*Daraus ist ersichtlich, dass durch eine geeignete Bandbegrenzung $($zum Beispiel auf &nbsp;$±2f_{\rm T})$ und eine Dämpfung mit &nbsp;$π/4 ≈ 0.785$&nbsp; das bekannte ZSB–AM–Spektrum gewonnen werden kann:  
+
*From this, it can be seen that by appropriately band-limiting $($e.g. to &nbsp;$±2f_{\rm T})$ and attenuating with  &nbsp;$π/4 ≈ 0.785$&nbsp; the familiar DSB-AM spectrum can be obtained:
 
:$$S(f) = {1}/{2} \cdot Q (f \pm f_{\rm T})\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$S(f) = {1}/{2} \cdot Q (f \pm f_{\rm T})\hspace{0.05cm}.$$
Bei diesen Überlegungen ist zu berücksichtigen, dass stets &nbsp;$B_{\rm NF} \ll f_{\rm T}$&nbsp; angenommen werden kann.}}
+
Here it must be taken into account that in the above reasoning, &nbsp;$B_{\rm NF} \ll f_{\rm T}$&nbsp; must hold.}}
  
==AM-Signale und -Spektren bei harmonischem Eingangssignal==
+
==AM signals and spectra with a harmonic input signal==
 
<br>
 
<br>
Nun soll der für Testzwecke wichtige Sonderfall betrachtet werden, dass nicht nur das Trägersignal &nbsp;$z(t)$, sondern auch das zu modulierende Nachrichtensignal &nbsp;$q(t)$&nbsp; eine harmonische Schwingung ist:  
+
Now we consider a special case which is important for testing purposes,&nbsp; where not only the carrier&nbsp; $z(t)$&nbsp;  is a harmonic oscillation,&nbsp; but also the signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; to be modulated:  
 
:$$\begin{align*}q(t) & = A_{\rm N} \cdot \cos(\omega_{\rm N} \cdot t + \phi_{\rm N})\hspace{0.05cm}, \\ \\ z(t) & = \hspace{0.15cm}1 \hspace{0.13cm} \cdot \hspace{0.1cm}\cos(\omega_{\rm T} \cdot t + \phi_{\rm T})\hspace{0.05cm}.\end{align*}$$
 
:$$\begin{align*}q(t) & = A_{\rm N} \cdot \cos(\omega_{\rm N} \cdot t + \phi_{\rm N})\hspace{0.05cm}, \\ \\ z(t) & = \hspace{0.15cm}1 \hspace{0.13cm} \cdot \hspace{0.1cm}\cos(\omega_{\rm T} \cdot t + \phi_{\rm T})\hspace{0.05cm}.\end{align*}$$
  
Bitte beachten Sie: &nbsp; Bei der Beschreibung von Modulationsverfahren wird  in obigen Gleichungen der Phasenterm mit Pluszeichen berücksichtigt.  
+
Please note: &nbsp; Since we are describing modulation processes,&nbsp; the phase term is used with a plus sign in the above equations.  
*Somit steht &nbsp;$ϕ_{\rm N} = - 90^\circ$&nbsp; für ein sinusförmiges Eingangssignal &nbsp;$q(t)$&nbsp; und &nbsp;$ϕ_{\rm T} = - 90^\circ$&nbsp; kennzeichnet ein sinusförmiges Trägersignal $z(t)$.  
+
*Thus, &nbsp;$ϕ_{\rm N} = - 90^\circ$&nbsp; represents a sinusoidal input signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; and&nbsp; $ϕ_{\rm T} = - 90^\circ$&nbsp; denotes a sinusoidal carrier signal&nbsp; $z(t)$.
*Damit lautet die Gleichung für das modulierte Signal:  
+
 +
*Therefore,&nbsp; the equation for the modulated signal is:
 
:$$s(t) = q(t) \cdot z(t) = A_{\rm N} \cdot \cos(\omega_{\rm N} t + \phi_{\rm
 
:$$s(t) = q(t) \cdot z(t) = A_{\rm N} \cdot \cos(\omega_{\rm N} t + \phi_{\rm
 
  N})\cdot  \cos(\omega_{\rm T} t + \phi_{\rm T})\hspace{0.05cm}.$$
 
  N})\cdot  \cos(\omega_{\rm T} t + \phi_{\rm T})\hspace{0.05cm}.$$
  
 
+
This equation can be transformed using the trigonometric addition theorem:  
Diese Gleichung kann mit Hilfe des Additionstheorems der Trigonometrie umgeformt werden:  
 
 
:$$s(t) = A_{\rm N}/{2} \cdot \cos \big [(\omega_{\rm T} +\omega_{\rm N})\cdot t + \phi_{\rm T}+ \phi_{\rm N} \big ] + A_{\rm N}/{2} \cdot \cos \big [(\omega_{\rm T} -\omega_{\rm N})\cdot t + \phi_{\rm T}- \phi_{\rm N} \big ]\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$s(t) = A_{\rm N}/{2} \cdot \cos \big [(\omega_{\rm T} +\omega_{\rm N})\cdot t + \phi_{\rm T}+ \phi_{\rm N} \big ] + A_{\rm N}/{2} \cdot \cos \big [(\omega_{\rm T} -\omega_{\rm N})\cdot t + \phi_{\rm T}- \phi_{\rm N} \big ]\hspace{0.05cm}.$$
  
*Bei cosinusförmigen Signalen &nbsp;$(ϕ_{\rm T} = ϕ_{\rm N} = 0)$&nbsp; vereinfacht sich diese Gleichung zu
+
*For cosinusoidal signals&nbsp; $(ϕ_{\rm T} = ϕ_{\rm N} = 0)$,&nbsp; this equation simplifies to
 
:$$s(t) = {A_{\rm N}}/{2} \cdot \cos\big[(\omega_{\rm T}+\omega_{\rm N})\cdot t\big]  + {A_{\rm N}}/{2} \cdot \cos\big[(\omega_{\rm T} -\omega_{\rm N})\cdot t \big]\hspace{0.05cm}.$$  
 
:$$s(t) = {A_{\rm N}}/{2} \cdot \cos\big[(\omega_{\rm T}+\omega_{\rm N})\cdot t\big]  + {A_{\rm N}}/{2} \cdot \cos\big[(\omega_{\rm T} -\omega_{\rm N})\cdot t \big]\hspace{0.05cm}.$$  
  
*Durch Fouriertransformation kommt man zur Spektralfunktion:  
+
*Using a Fourier transform we arrive at the spectral function:
 
:$$S(f) = {A_{\rm N}}/{4} \cdot \big[\delta ( f - f_{\rm T} - f_{\rm
 
:$$S(f) = {A_{\rm N}}/{4} \cdot \big[\delta ( f - f_{\rm T} - f_{\rm
 
  N})+\delta ( f + f_{\rm T} + f_{\rm N})\big)] +  {A_{\rm N}}/{4} \cdot \big[ \delta ( f - f_{\rm T}+ f_{\rm N})+\delta ( f+ f_{\rm T} - f_{\rm N} ) \big]\hspace{0.05cm}.$$
 
  N})+\delta ( f + f_{\rm T} + f_{\rm N})\big)] +  {A_{\rm N}}/{4} \cdot \big[ \delta ( f - f_{\rm T}+ f_{\rm N})+\delta ( f+ f_{\rm T} - f_{\rm N} ) \big]\hspace{0.05cm}.$$
  
 
+
This result,&nbsp; which would also have been arrived at via convolution,&nbsp; states:
Dieses Ergebnis, zu dem man auch über die Faltung gekommen wäre, besagt:  
+
#The spectrum consists of four Dirac delta lines at frequencies &nbsp;$±(f_{\rm T} + f_{\rm N})$&nbsp; and &nbsp;$±(f_{\rm T} - f_{\rm N})$.&nbsp;
*Das Spektrum besteht aus vier Diraclinien bei den Frequenzen &nbsp;$±(f_{\rm T} + f_{\rm N})$&nbsp; und &nbsp;$±(f_{\rm T} - f_{\rm N})$, wobei in beiden Klammerausdrücken die erste Diracfunktion diejenige bei positiver Frequenz angibt.  
+
#In both bracket expressions, the first Dirac delta function indicates the one for positive frequencies.  
*Die Gewichte aller Diracfunktionen sind gleich und jeweils &nbsp;$A_{\rm N}/4$.&nbsp; Die Summe dieser Gewichte – also das Integral über $S(f)$ – ist entsprechend der Theorie gleich dem Signalwert &nbsp;$s(t = 0) = A_{\rm N}$.  
+
#The weights of all Dirac delta functions are equal and each is &nbsp;$A_{\rm N}/4$.&nbsp;
*Die Diraclinien bleiben auch für &nbsp;$ϕ_{\rm T} ≠ 0$&nbsp; und/oder &nbsp;$ϕ_{\rm N} ≠ 0$&nbsp; bei den gleichen Frequenzen erhalten.&nbsp; Zu den Gewichten &nbsp;$A_{\rm N}/4$&nbsp; müssen dann jedoch komplexe Drehfaktoren hinzugefügt werden.  
+
#The sum of these weights &nbsp; - that is, the integral over&nbsp;  $S(f)$ - &nbsp; is equal to the signal value&nbsp; $s(t = 0) = A_{\rm N}$.  
 +
#The Dirac delta lines remain for &nbsp;$ϕ_{\rm T} ≠ 0$&nbsp; and/or &nbsp;$ϕ_{\rm N} ≠ 0$&nbsp; at the same frequencies.&nbsp; However, complex rotation factors must then be added to the weights &nbsp;$A_{\rm N}/4$&nbsp;.
  
  
 
{{GraueBox|TEXT=
 
{{GraueBox|TEXT=
$\text{Beispiel 3:}$&nbsp; Die folgende Grafik zeigt die Spektralfunktionen &nbsp;$S(f)$&nbsp; für unterschiedliche Werte von &nbsp;$ϕ_{\rm T}$&nbsp; bzw. &nbsp;$ϕ_{\rm N}$.&nbsp; Die weiteren Parameter sind zu &nbsp;$f_{\rm T} = 50\text{ kHz}$, &nbsp;$f_{\rm N} = 10\text{ kHz}$&nbsp; und &nbsp;$A_{\rm N} = 4\text{ V}$&nbsp; vorausgesetzt.&nbsp; Die Beträge aller Diraclinien sind somit &nbsp;$A_{\rm N}/4 = 1\text{ V}$.  
+
$\text{Example 3:}$&nbsp; The following diagram shows the spectral functions &nbsp;$S(f)$&nbsp; for different values of &nbsp;$ϕ_{\rm T}$&nbsp; and &nbsp;$ϕ_{\rm N}$,&nbsp; respectively.&nbsp; The other parameters are assumed to be &nbsp;$f_{\rm T} = 50\text{ kHz}$, &nbsp;$f_{\rm N} = 10\text{ kHz}$&nbsp; and &nbsp;$A_{\rm N} = 4\text{ V}$.&nbsp; Thus,&nbsp; the magnitudes of all Dirac delta lines are&nbsp;$A_{\rm N}/4 = 1\text{ V}$.  
  
[[File:P_ID980__Mod_T_2_1_S4.png|right|frame|Beispielhafte Spektren der ZSB–AM]]
+
[[File:EN_Mod_T_2_1_S4.png|right|frame|Typical spectra for DSB-AM]]
 
<br>
 
<br>
*Das linke obere Bild zeigt den gerade besprochenen Fall: &nbsp; Sowohl der Träger als auch das Nachrichtensignal sind cosinusförmiges. Somit setzt sich das amplitudenmodulierte Signal &nbsp;$s(t)$&nbsp; aus zwei Cosinusschwingungen mit &nbsp;$ω_{60} = 2 π · 60\text{ kHz}$&nbsp; und &nbsp;$ω_{40} = 2 π · 40\text{ kHz}$&nbsp; zusammen.
+
*The upper left diagram shows the case just discussed:&nbsp; Both the carrier and the source signal are cosine.&nbsp; Thus,&nbsp; the amplitude-modulated signal &nbsp;$s(t)$&nbsp; is composed of two cosine oscillations with &nbsp;$ω_{60} = 2 π · 60\text{ kHz}$&nbsp; and &nbsp;$ω_{40} = 2 π · 40\text{ kHz}$.
  
 
   
 
   
*Bei den drei anderen Konstellationen ist zumindest eines der Signale &nbsp;$q(t)$&nbsp; bzw. &nbsp;$z(t)$&nbsp; sinusförmig, so dass stets &nbsp;$s(0) =  0$&nbsp; ist.&nbsp; Somit ergeben sich bei diesen Spektren die Summe der vier Impulsgewichte jeweils zu Null.
+
*For the other three constellations,&nbsp; at least one of the signals &nbsp;$q(t)$&nbsp; or &nbsp;$z(t)$&nbsp; is sinusoidal,&nbsp; so that &nbsp;$s(0) =  0$&nbsp; always holds.&nbsp; Thus,&nbsp; for these spectra,&nbsp; the sum of the four pulse weights each add up to zero.
  
 
   
 
   
*Das rechte untere Bild beschreibt &nbsp;$s(t) = A_{\rm N} · \sin(ω_{\rm N} t) · \sin(ω_{\rm T}t)$.&nbsp; Die Multiplikation zweier ungerader Funktionen ergibt die gerade Funktion &nbsp;$s(t)$&nbsp; und damit ein reelles Spektrum &nbsp;$S(f)$.&nbsp; Dagegen führen die beiden anderen Konstellationen jeweils zu imaginären Spektralfunktionen. }}
+
*The bottom right diagram depicts &nbsp;$s(t) = A_{\rm N} · \sin(ω_{\rm N} t) · \sin(ω_{\rm T}t)$.&nbsp; Multiplying two odd functions yields the even function &nbsp;$s(t)$&nbsp; and thus a real spectrum &nbsp;$S(f)$.&nbsp; In contrast,&nbsp; the other two constellations each result in imaginary spectral functions. }}
  
 
==Double-Sideband Amplitude Modulation with carrier==
 
==Double-Sideband Amplitude Modulation with carrier==
 
<br>
 
<br>
Die folgende Grafik zeigt, wie man von der&nbsp; „ZSB–AM ohne Träger”&nbsp; zur bekannteren Variante&nbsp; „ZSB–AM mit Träger”&nbsp; gelangt.&nbsp; Diese hat den Vorteil, dass durch eine einfache Maßnahme beim Sender der Demodulator sehr viel einfacher und billiger realisiert werden kann.  
+
The following diagram shows how to get from&nbsp; "DSB-AM without carrier"&nbsp; to the better known variant "DSB-AM with carrier".&nbsp; This has the advantage that the demodulator can be realized much more easily and cheaply by a simple manipulation at the transmitter.
  
[[File: P_ID981__Mod_T_2_1_S5a_neu.png|center|frame|Modelle der ZSB–AM mit Träger]]
+
[[File: P_ID981__Mod_T_2_1_S5a_neu.png|right|frame|Models of DSB–AM with carrier]]
 
 
Die Grafik ist wie folgt zu interpretieren:
 
*Die obere Darstellung zeigt das physikalische Modell der „ZSB–AM mit Träger”, wobei Veränderungen gegenüber der „ZSB–AM ohne Träger” rot hervorgehoben sind.
 
*Dem Signal &nbsp;$s(t)$&nbsp; ist additiv das Trägersignal &nbsp;$z(t) = A_{\rm T} · \cos(ω_{\rm T} · t)$&nbsp; hinzugefügt, das im Spektrum zwei zusätzliche Diracfunktionen bei &nbsp;$±f_{\rm T}$&nbsp; bewirkt,&nbsp; jeweils mit dem Impulsgewicht &nbsp;$A_{\rm T}/2$.
 
*Durch Addition des Gleichsignals &nbsp;$A_{\rm T}$&nbsp; zum Quellensignal und anschließende Multiplikation mit dem dimensionslosen Träger &nbsp;$z(t)$&nbsp; entsprechend der unteren Skizze ergibt sich das gleiche Signal &nbsp;$s(t)$&nbsp; und das gleiche Spektrum &nbsp;$S(f)$&nbsp; wie oben.
 
*Die zweite Darstellung ist also mit dem oberen Modell äquivalent.&nbsp; Die Trägerphase  ist in beiden Fällen nur aus Gründen einer vereinfachten Darstellung &nbsp;$ϕ_{\rm T} = 0$&nbsp; gesetzt.
 
  
 +
The diagram is to be interpreted as follows: 
 +
*The top plot shows the physical model of the&nbsp; "DSB-AM with carrier",&nbsp; with changes from the&nbsp; "DSB-AM without carrier"&nbsp; highlighted in red.
 +
*The carrier signal &nbsp;$z(t) = A_{\rm T} · \cos(ω_{\rm T} · t)$&nbsp;  is added to the signal &nbsp;$s(t)$,&nbsp;  which causes two additional Dirac delta functions in the spectrum &nbsp;$±f_{\rm T}$,&nbsp; each with impulse weight &nbsp;$A_{\rm T}/2$.
 +
*Adding the DC signal &nbsp;$A_{\rm T}$&nbsp; to the source signal and then multiplying by the dimensionless carrier &nbsp;$z(t)$&nbsp; as shown in the lower sketch results in the same signal &nbsp;$s(t)$&nbsp; and spectrum &nbsp;$S(f)$&nbsp; as above.
 +
*Thus, the second representation is equivalent to the upper model.&nbsp; In both cases the carrier phase is only set to &nbsp;$ϕ_{\rm T} = 0$&nbsp; for the sake of simplified presentation. 
 +
<br clear=all>
  
 
{{GraueBox|TEXT=
 
{{GraueBox|TEXT=
$\text{Beispiel 4:}$&nbsp; Die&nbsp; ''Zweiseitenband-Amplitudenmodulation mit Träger''&nbsp; findet auch heutzutage noch ihre Hauptanwendung in der Rundfunkübertragung auf
+
$\text{Example 4:}$&nbsp; The&nbsp; "double-sideband amplitude modulation with carrier"&nbsp; still finds its main application in radio transmissions for
*Langwelle&nbsp; &nbsp; $($Frequenzbereich&nbsp; $\text{30 kHz}$ ... $\text{300 kHz})$,  
+
*long wave &nbsp; &nbsp; $($frequency range&nbsp; $\text{30 kHz}$ ... $\text{300 kHz})$,  
*Mittelwelle&nbsp; $($Frequenzbereich&nbsp; $\text{300 kHz}$ ... $\text{3 MHz})$,  
+
*medium wave&nbsp; $($frequency range&nbsp; $\text{300 kHz}$ ... $\text{3 MHz})$,  
*Kurzwelle&nbsp; &nbsp; $($Frequenzbereich&nbsp; $\text{3 MHz}$ ... $\text{30 MHz})$.  
+
*short wave&nbsp; &nbsp; $($frequency range&nbsp; $\text{3 MHz}$ ... $\text{30 MHz})$.  
  
  
Diese Frequenzen werden jedoch mehr und mehr für digitale Anwendungen freigegeben, zum Beispiel für&nbsp; ''Digital Video Broadcast''&nbsp; (DVB).  
+
However,&nbsp; these frequencies are increasingly being made available for digital applications, e.g.&nbsp; "Digital Video Broadcast"&nbsp; $\rm (DVB)$.  
  
Eine Anwendung von&nbsp; ''Zweiseitenband-Amplitudenmodulation ohne Träger''&nbsp; gibt es beispielsweise beim UKW-Stereo-Rundfunk:  
+
An application of &nbsp; "double-sideband amplitude modulation without carrier"&nbsp; exists for example in FM stereo broadcasting:  
*Hier wird das Differenzsignal zwischen den beiden Stereokanälen bei&nbsp; $\text{39 kHz}$&nbsp; trägerlos amplitudenmoduliert.  
+
*Here,&nbsp; the differential signal between the two stereo channels is amplitude modulated (without carrier) at&nbsp; $\text{39 kHz}$.
*Dann werden das Summensignal der beiden Kanäle&nbsp; $($jeweils im Bereich&nbsp; $\text{30 Hz}$ ... $\text{15 kHz})$, ein Hilfsträger bei&nbsp; $\text{19 kHz}$&nbsp; sowie das Differenzsignal zusammengefasst und frequenzmoduliert.}}  
+
*Then the sum signal of the two channels&nbsp; $($each in the range&nbsp; $\text{30 Hz}$ ... $\text{15 kHz})$&nbsp; is combined with the differential signal and an auxiliary carrier at&nbsp; $\text{19 kHz}$.&nbsp; Then, this combined signal is frequency modulated.}}  
  
  
 
{{GraueBox|TEXT=
 
{{GraueBox|TEXT=
$\text{Beispiel 5:}$&nbsp; Die folgenden Signalverläufe sollen das Prinzip der „ZSB–AM mit Träger” weiter verdeutlichen.
+
$\text{Example 5:}$&nbsp; The following signal waveforms are intended to further clarify the principle of the modulation method&nbsp; "DSB-AM with carrier".
  
[[File: P_ID983__Mod_T_2_1_S5b_neu.png|right|frame|Signalverläufe bei der ZSB–AM mit Träger]]
+
[[File:EN_Mod_T_2_1_S5b_v2.png|right|frame|Signal waveforms for&nbsp; "DSB–AM with carrier"&nbsp; and&nbsp; "DSB-AM with carrier suppression"]]
<br>
+
*Oben sehen Sie einen Ausschnitt des auf Frequenzen &nbsp;$\vert f \vert \le 4\text{ kHz}$&nbsp; begrenzten Quellensignal &nbsp;$q(t)$.
+
*In the upper diagram you see a section of the source signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; with frequencies in the range &nbsp;$\vert f \vert \le 4\text{ kHz}$.
 +
 +
*$s(t)$&nbsp; is obtained by adding the DC component &nbsp;$A_{\rm T}$&nbsp; to &nbsp;$q(t)$&nbsp; and multiplying this summed signal by the carrier  &nbsp;$z(t)$&nbsp; of frequency  &nbsp;$f_{\rm T} = 100\text{ kHz}$ &nbsp; &rArr; &nbsp; see middle diagram.
 +
 
 +
*In the lower diagram you see  for comparison the transmitted signal of the "DSB-AM without carrier" &nbsp; &rArr; &nbsp; "DSB-AM with carrier suppression".
 +
 
 +
 
 +
A comparison of these signal waveforms shows:
 +
*By adding the DC component &nbsp;$A_{\rm T}$&nbsp; the signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; can now be seen in the envelope of &nbsp;$s(t)$.
 +
*Thus,&nbsp; [[Modulation_Methods/Envelope_Demodulation|$\text{envelope demodulation}$]]&nbsp; can be applied,&nbsp; which is easier and cheaper to implement than coherent &nbsp;[[Modulation_Methods/Synchronous_Demodulation|$\text{synchronous demodulation}$]].
 +
*However,&nbsp; a prerequisite for the application of the envelope demodulator is a modulation depth &nbsp;$m <1$.&nbsp;
 +
*This parameter is defined as follows:
 +
:$$m = \frac{q_{\rm max} }{A_{\rm T} } \hspace{0.3cm}{\rm with}\hspace{0.3cm} q_{\rm max} = \max_{t} \hspace{0.05cm} \vert q(t) \vert\hspace{0.05cm}.$$}}
  
 
*$s(t)$&nbsp; ergibt sich, wenn man zu &nbsp;$q(t)$&nbsp; den Gleichanteil &nbsp;$A_{\rm T}$&nbsp; addiert und  die Signalsumme mit dem Trägersignal &nbsp;$z(t)$&nbsp; der Frequenz &nbsp;$f_{\rm T} = 100\text{ kHz}$&nbsp; multipliziert.
 
  
+
{{BlaueBox|TEXT=
*Unten ist zum Vergleich das Sendesignal der „ZSB–AM ohne Träger” dargestellt.
+
$\text{Conclusions:}$&nbsp;
<br clear=all>
+
*The advantage of a simpler demodulator is traded off with a much higher transmit power,&nbsp; since the power of the carrier cannot be used for demodulation.&nbsp;  
Ein Vergleich dieser Signalverläufe zeigt:
+
*Furthermore,&nbsp; care must be taken to ensure that the source signal does not contain a DC component,&nbsp; since this would be masked by the carrier.&nbsp;
*Durch die Zusetzung des Gleichanteils &nbsp;$A_{\rm T}$&nbsp; wurde erreicht, dass nun das Nachrichtensignal &nbsp;$q(t)$&nbsp; in der Hüllkurve von &nbsp;$s(t)$&nbsp; zu erkennen ist.
+
*For speech and music signals,&nbsp; however,&nbsp; this is not a major restriction. }}
*Dadurch kann die &nbsp;[[Modulation_Methods/Hüllkurvendemodulation|Hüllkurvendemodulation]]&nbsp; angewandt werden, die einfacher und billiger zu realisieren ist als die kohärente &nbsp;[[Modulation_Methods/Synchrondemodulation|Synchrondemodulation]].
 
*Voraussetzung für die Anwendung des Hüllkurvendemodulators ist aber ein Modulationsgrad &nbsp;$m <1$.&nbsp; Dieser ist wie folgt definiert:
 
:$$m = \frac{q_{\rm max} }{A_{\rm T} } \hspace{0.3cm}{\rm mit}\hspace{0.3cm} q_{\rm max} = \max_{t} \hspace{0.05cm} \vert q(t) \vert\hspace{0.05cm}.$$
 
*Der Vorteil eines einfacheren Demodulators muss aber durch eine deutlich höhere Sendeleistung erkauft werden, da der Leistungsbeitrag des Trägers nicht zur Demodulation genutzt werden kann.
 
*Weiter ist zu darauf zu achten, dass das Quellensignal keinen Gleichanteil beinhaltet, da dieser durch den Träger überdeckt würde.&nbsp; Bei Sprach– und Musiksignalen ist dies allerdings keine große Einschränkung. }}
 
  
==Beschreibung der ZSB-AM durch das analytische Signal==
+
==Describing DSB-AM with carrier using the analytical signal==
 
<br>
 
<br>
[[File:Mod_T_2_1_S6_version2.png|right|frame|Spektrum des analytischen Signals in zwei verschiedenen Darstellungsformen]]
+
[[File:Mod_T_2_1_S6_version2.png|right|frame|Spectrum of the analytical signal in two different viewpoints]]
Im weiteren Verlauf wird zur Vereinfachung von Grafiken meist das Spektrum &nbsp;$S_+(f)$&nbsp; des &nbsp;[[Modulation_Methods/Allgemeines_Modell_der_Modulation#Beschreibung_des_physikalischen_Signals_mit_Hilfe_des_analytischen_Signals|analytischen Signals]]&nbsp; anstelle des tatsächlichen, physikalischen Spektrums &nbsp;$S(f)$&nbsp; angegeben.&nbsp;
+
In the further course of this chapter,&nbsp; for the sake of simplifying the graphs,&nbsp; the spectrum &nbsp;$S_+(f)$&nbsp; of the &nbsp;[[Modulation_Methods/General_Model_of_Modulation#Describing_the_physical_signal_using_the_analytic_signal|$\text{analytical signal}$]]&nbsp; is usually given instead of the actual, physical spectrum &nbsp;$S(f)$.  
  
Beispielhaft betrachten wir hier eine&nbsp; „ZSB–AM mit Träger”&nbsp; und folgende Signale:
+
As an example,&nbsp; let us consider&nbsp; "DSB-AM with carrier"&nbsp; and the following signals:
  
 
:$$\begin{align*}s(t) & = \left(q(t) + A_{\rm T}\right) \cdot \cos(\omega_{\rm T}\cdot  t + \phi_{\rm T})\hspace{0.05cm}, \\ \\ q(t) & = A_{\rm N} \cdot \cos(\omega_{\rm N}\cdot  t + \phi_{\rm N})\hspace{0.05cm}.\end{align*}$$
 
:$$\begin{align*}s(t) & = \left(q(t) + A_{\rm T}\right) \cdot \cos(\omega_{\rm T}\cdot  t + \phi_{\rm T})\hspace{0.05cm}, \\ \\ q(t) & = A_{\rm N} \cdot \cos(\omega_{\rm N}\cdot  t + \phi_{\rm N})\hspace{0.05cm}.\end{align*}$$
  
Dann lautet das dazugehörige analytische Signal:  
+
Then the corresponding analytical signal is:
 
:$$s_+(t)  = A_{\rm T} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.01cm}(\omega_{\rm T}\cdot \hspace{0.02cm}t \hspace{0.05cm}+ \hspace{0.05cm}\phi_{\rm T})}+  \frac{A_{\rm N}}{2} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.01cm}((\omega_{\rm T} \hspace{0.05cm}+ \hspace{0.05cm} \omega_{\rm N} )\hspace{0.02cm}\cdot \hspace{0.02cm}t \hspace{0.05cm}+ \hspace{0.05cm} \phi_{\rm T}+ \phi_{\rm N})} + \frac{A_{\rm N}}{2} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.01cm}((\omega_{\rm T} \hspace{0.05cm}- \hspace{0.05cm} \omega_{\rm N} )\hspace{0.02cm}\cdot \hspace{0.02cm}t \hspace{0.05cm}+ \hspace{0.05cm} \phi_{\rm T}- \phi_{\rm N})} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$s_+(t)  = A_{\rm T} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.01cm}(\omega_{\rm T}\cdot \hspace{0.02cm}t \hspace{0.05cm}+ \hspace{0.05cm}\phi_{\rm T})}+  \frac{A_{\rm N}}{2} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.01cm}((\omega_{\rm T} \hspace{0.05cm}+ \hspace{0.05cm} \omega_{\rm N} )\hspace{0.02cm}\cdot \hspace{0.02cm}t \hspace{0.05cm}+ \hspace{0.05cm} \phi_{\rm T}+ \phi_{\rm N})} + \frac{A_{\rm N}}{2} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.01cm}((\omega_{\rm T} \hspace{0.05cm}- \hspace{0.05cm} \omega_{\rm N} )\hspace{0.02cm}\cdot \hspace{0.02cm}t \hspace{0.05cm}+ \hspace{0.05cm} \phi_{\rm T}- \phi_{\rm N})} \hspace{0.05cm}.$$
  
Die zugehörige Spektralfunktion &nbsp;$S_+(f)$&nbsp; besteht aus drei Diraclinien mit jeweils komplexen Gewichten entsprechend der Grafik:  
+
The corresponding spectral function &nbsp;$S_+(f)$&nbsp; consists of three Dirac delta lines,&nbsp; each with complex weights corresponding to the graph:  
  
*Die linke Skizze zeigt den Betrag &nbsp;$|S_+(f)|$, wobei &nbsp;$A_{\rm T}$&nbsp; das Gewicht des Trägers angibt und &nbsp;$A_{\rm N}/2$&nbsp; die Gewichte von&nbsp; '''OSB'''&nbsp; (oberes Seitenband)&nbsp; und&nbsp; '''USB'''&nbsp; (unteres Seitenband).  
+
*The left sketch shows&nbsp; $|S_+(f)|$.&nbsp; $A_{\rm T}$&nbsp; indicates the weight of the carrier and &nbsp;$A_{\rm N}/2$&nbsp; indicates the weights of&nbsp; $\rm USB$&nbsp; (upper sideband) and&nbsp; $\rm LSB$&nbsp; (lower sideband).
*In Klammern stehen die auf &nbsp;$A_{\rm T}$&nbsp; normierten Werte.&nbsp; Da hier &nbsp;$q_{\rm max} = A_{\rm N}$&nbsp; gilt, erhält man mit dem Modulationsgrad &nbsp;$m = A_{\rm N}/A_{\rm T}$&nbsp; als normierte Gewichte von oberem und unterem Seitenband jeweils&nbsp; $m/2$.  
+
*The values normalized to &nbsp;$A_{\rm T}$&nbsp; are given in parentheses.&nbsp; Since &nbsp;$q_{\rm max} = A_{\rm N}$&nbsp; holds here,&nbsp; the modulation depth &nbsp;$m = A_{\rm N}/A_{\rm T}$&nbsp; gives &nbsp;$m/2$ as the normalized weights of both the upper and lower sideband.  
*Die rechte Skizze gibt einen Blick in Richtung der Frequenzachse und zeigt die Phasenwinkel von Träger &nbsp;$(ϕ_{\rm T})$, USB &nbsp;$(ϕ_{\rm T} ϕ_{\rm N})$&nbsp; und OSB &nbsp;$(ϕ_{\rm T} + ϕ_{\rm N})$.  
+
*The right sketch depicts the direction of the frequency axis and shows the phase angles of carrier &nbsp;$(ϕ_{\rm T})$,&nbsp; of&nbsp; $\rm LSB$&nbsp; $(ϕ_{\rm T} - ϕ_{\rm N})$&nbsp; and&nbsp; of&nbsp; $\rm USB$ &nbsp;$(ϕ_{\rm T} + ϕ_{\rm N})$.  
  
  
==Amplitudenmodulation durch quadratische Kennlinie==
+
==Amplitude modulation with a quadratic characteristic curve==
 
<br>
 
<br>
Nichtlinearitäten sind in der Nachrichtentechnik meist unerwünscht und störend.&nbsp; Wie im Kapitel &nbsp;[[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Nichtlineare_Verzerrungen|Nichtlineare Verzerrungen]]&nbsp; des Buches „Lineare zeitinvariante Systeme” dargelegt, führen sie dazu, dass
+
Nonlinearities are usually undesirable and troublesome in Communications Engineering.&nbsp; As explained in the chapter &nbsp;[[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Nonlinear_Distortions|"Nonlinear Distortions"]] &nbsp; of the book&nbsp; "Linear and Time Invariant Systems”,&nbsp; they lead to the facts that:
*das Superpositionsprinzip nicht mehr anwendbar ist,  
+
 
*das Übertragungsverhalten von der Größe des Eingangssignals abhängt,&nbsp; und
+
*the superposition principle is no longer applicable,
*die Verzerrungen von nichtlinearer Art und damit irreversibel sind.  
+
*the transmission behavior depends on the magnitude of the input signal,&nbsp; and
 +
*the distortions are of nonlinear nature and thus irreversible.
  
  
Eine Nichtlinearität der allgemeinen Form
+
A nonlinearity of the general form
 
:$$y(t) = c_0 + c_1 \cdot x(t) + c_2 \cdot x^2(t)+ c_3 \cdot x^3(t) + \text{...}$$
 
:$$y(t) = c_0 + c_1 \cdot x(t) + c_2 \cdot x^2(t)+ c_3 \cdot x^3(t) + \text{...}$$
kann aber auch zur Realisierung einer ZSB–AM genutzt werden.&nbsp; Unter der Voraussetzung, dass
+
can also be used to implement&nbsp; $\text{DSB}\hspace{0.05cm}&ndash;\hspace{-0.05cm}\text{AM}$.&nbsp; Provided that
*nur die Koeffizienten &nbsp;$c_1$&nbsp; und &nbsp;$c_2$&nbsp; vorhanden sind, und
 
*das Eingangssignal &nbsp;$x(t) = q(t) + z(t)$&nbsp; angelegt wird,
 
  
 
+
*only the coefficients &nbsp;$c_1$&nbsp; and &nbsp;$c_2$&nbsp; are present,&nbsp; and
erhält man für das Ausgangssignal der Nichtlinearität:  
+
*the input signal &nbsp;$x(t) = q(t) + z(t)$&nbsp; is applied,
 +
<br>
 +
we obtain the nonlinearity's output signal:
 
:$$y(t) = c_1 \cdot q(t) + c_1 \cdot z(t) + c_2 \cdot q^2(t)+ 2 \cdot c_2 \cdot q(t)\cdot z(t)+ c_2 \cdot z^2(t)\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$y(t) = c_1 \cdot q(t) + c_1 \cdot z(t) + c_2 \cdot q^2(t)+ 2 \cdot c_2 \cdot q(t)\cdot z(t)+ c_2 \cdot z^2(t)\hspace{0.05cm}.$$
Der erste, der dritte und der letzte Anteil liegen spektral gesehen bei &nbsp;$| f | ≤ 2 · B_{\rm NF}$&nbsp; bzw. &nbsp;$| f | = 2 · f_{\rm T}$.  
+
The first, third, and last components are in terms of spectra at &nbsp;$|\hspace{0.05cm} f \hspace{0.05cm}| ≤ 2 · B_{\rm NF}$&nbsp; and &nbsp;$|\hspace{0.05cm} f\hspace{0.05cm} | = 2 · f_{\rm T}$, respectively.  
  
Entfernt man diese Signalanteile durch einen Bandpass und berücksichtigt &nbsp;$z(t) = A_{\rm T} · \cos(ω_{\rm T} · t)$, so erhält man die für&nbsp; „ZSB–AM mit Träger”&nbsp; typische Gleichung&nbsp; <br>(nur noch der zweite und der vierte Term):  
+
Removing these signal components by a band-pass and considering &nbsp;$z(t) = A_{\rm T} · \cos(ω_{\rm T} · t)$,&nbsp; we obtain the equation typical for&nbsp; "DSB-AM with carrier" <br>(only the second and fourth terms remain):  
 
:$$s(t) = c_1 \cdot A_{\rm T} \cdot \cos(\omega_{\rm T} \cdot t ) + 2 \cdot c_2 \cdot A_{\rm T} \cdot q(t)\cdot \cos(\omega_{\rm T} \cdot t )\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$s(t) = c_1 \cdot A_{\rm T} \cdot \cos(\omega_{\rm T} \cdot t ) + 2 \cdot c_2 \cdot A_{\rm T} \cdot q(t)\cdot \cos(\omega_{\rm T} \cdot t )\hspace{0.05cm}.$$
Der Modulationsgrad ist bei dieser Realisierungsform durch die Koeffiziente &nbsp;$c_1$&nbsp; und &nbsp;$c_2$&nbsp; veränderbar:  
+
The modulation depth in this realization form is variable by the coefficients &nbsp;$c_1$&nbsp; and &nbsp;$c_2$&nbsp;:  
 
:$$m = \frac{2 \cdot c_2 \cdot q_{\rm max}}{c_1} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$m = \frac{2 \cdot c_2 \cdot q_{\rm max}}{c_1} \hspace{0.05cm}.$$
Eine Diode und der Feldeffekttransistor besitzen mit guter Näherung eine solche quadratische Kennlinie und können zur Realisierung einer ZSB–AM genutzt werden.&nbsp; Kubische Anteile &nbsp;$(c_3 ≠ 0)$&nbsp; und Nichtlinearitäten höherer Ordnung führen allerdings zu (großen) nichtlinearen Verzerrungen.  
+
*A diode and a field-effect transistor both approximate such a quadratic characteristic curve and can thus be used to realize DSB-AM.
 +
*However,&nbsp; cubic components &nbsp;$(c_3 ≠ 0)$&nbsp; and higher order nonlinearities lead to&nbsp; (large)&nbsp; nonlinear distortions.
  
  
==Aufgaben zum Kapitel==
+
==Exercises for the chapter==
 
<br>
 
<br>
[[Aufgaben:Aufgabe_2.1:_ZSB-AM_mit_Cosinus%3F_Oder_mit_Sinus%3F|Aufgabe 2.1: ZSB-AM mit Cosinus? Oder mit Sinus?]]
+
[[Aufgaben:Exercise_2.1:_DSB-AM_with_Cosine%3F_Or_with_Sine%3F|Exercise 2.1: DSB-AM with Cosine? Or with Sine?]]
  
[[Aufgaben:Aufgabe_2.1Z:_ZSB-AM_ohne/mit_Träger|Aufgabe 2.1Z: ZSB-AM ohne/mit Träger]]
+
[[Aufgaben:Exercise_2.1Z:_DSB-AM_without/with_Carrier|Exercise 2.1Z: DSB-AM without/with Carrier]]
  
[[Aufgaben:Aufgabe_2.2:_Modulationsgrad|Aufgabe 2.2: Modulationsgrad]]
+
[[Aufgaben:Exercise_2.2:_Modulation_Depth|Exercise 2.2: Modulation Depth]]
  
[[Aufgaben:Aufgabe_2.2Z:_Leistungsbetrachtung|Aufgabe 2.2Z: Leistungsbetrachtung]]
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[[Aufgaben:Exercise_2.2Z:_Power_Consideration|Exercise 2.2Z: Power Consideration]]
  
[[Aufgaben:Aufgabe_2.3:_ZSB–AM–Realisierung|Aufgabe 2.3: ZSB–AM–Realisierung]]
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[[Aufgaben:Exercise_2.3:_DSB-AM_Realization|Exercise 2.3: DSB–AM Realization]]
  
[[Aufgaben:Aufgabe_2.3Z:_ZSB_durch_Nichtlinearität|Aufgabe 2.3Z: ZSB durch Nichtlinearität]]
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Latest revision as of 13:42, 18 January 2023

# OVERVIEW OF THE SECOND MAIN CHAPTER #


After some general explanations of modulation and demodulation,  now a detailed description of  »amplitude modulation«  and the associated  »demodulators«

This chapter deals in detail with:

  • the description and realization of  »double-sideband amplitude modulation«  $\text{(DSB–AM)}$  in frequency and time domain,
  • the characteristics of a  »synchronous demodulator«  and the possible applications of an  »envelope demodulator«,
  • the similarities/differences of  »single-sideband modulation»  $\text{(SSB–AM)}$  compared to DSB-AM and  »modified AM methods».


Description in the frequency domain


We consider the following problem:  a source signal $q(t)$,  whose spectrum  $Q(f)$  is bandlimited to the range  $\pm B_{\rm NF}$  (subscript  "NF"  from German "Niederfrequenz"   ⇒   low frequency), 

  • is to be shifted to a higher frequency range where the channel frequency response  $H_{\rm K}(f)$  has favorable characteristics, 
  • using a harmonic oscillation of frequency  $f_{\rm T}$, which we will refer to as the carrier signal  $z(t)$.


The diagram illustrates the task, with the following simplifying assumptions:

Representation of amplitude modulation in the frequency domain
  • The spectrum  $Q(f)$  drawn here is schematic.  It states that only spectral components in the range  $|f| ≤ B_{\rm NF}$  are included in  $q(t)$.  $Q(f)$  could also be a line spectrum.
  • Let the channel be ideal in a bandwidth range  $B_{\rm K}$  around frequency  $f_{\rm M}$,  that is, let  $H_{\rm K}(f) = 1$  for  $|f - f_{\rm M}| ≤ B_{\rm K}/2.$  Impairments by noise are ignored for now.
  • Let the carrier signal be cosine   $($phase  $ϕ_{\rm T} = 0)$  and have amplitude  $A_{\rm T} = 1$  (without a unit).  Let the carrier frequency  $f_{\rm T}$  be equal to the center frequency of the transmission band.
  • Thus,  the spectrum of the carrier signal  $z(t) = \cos(ω_{\rm T} · t)$  is
    (plotted in green in the graph):
$$Z(f) = {1}/{2} \cdot \delta (f + f_{\rm T})+{1}/{2} \cdot \delta (f - f_{\rm T})\hspace{0.05cm}.$$

Those familiar with the  $\text{laws of spectral transformation}$  and in particular with the  $\text{Convolution Theorem}$  can immediately give a solution for the spectrum  $S(f)$  of the modulator output signal:

$$S(f)= Z(f) \star Q(f) = 1/2 \cdot \delta (f + f_{\rm T})\star Q(f)+1/2 \cdot \delta (f - f_{\rm T})\star Q(f) = 1/2 \cdot Q (f + f_{\rm T})+ 1/2 \cdot Q(f - f_{\rm T}) \hspace{0.05cm}.$$

$\text{Please note:}$  This equation takes into account

  • that the convolution of a shifted Dirac delta function  $δ(x - x_0)$  with an arbitrary function $f(x)$  yields the   »shifted function«  $f(x - x_0)$.


The diagram displays the result.  One can identify the following characteristics:

Spectrum of double-sideband amplitude modulation without carrier;
other name:  "double-sideband amplitude modulation with carrier suppression"
  • Due to the system-theoretic approach with positive and negative frequencies, $S(f)$  is composed of two parts around  $\pm f_{\rm T}$,  each of which have the same shape as  $Q(f)$.
  • The factor  $1/2$  results from the carrier amplitude  $A_{\rm T} = 1$.  Thus,  $s(t = 0) = q(t = 0)$  and the integrals over their spectral functions  $S(f)$  and  $Q(f)$  must also be equal.
  • The channel bandwidth  $B_{\rm K}$  must be at least twice the signal bandwidth  $B_{\rm NF}$,  which gives the name 
    »Double-Sideband Amplitude Modulation«  $\text{(DSB–AM)}$.
  • It should be noted that $B_{\rm NF}$ and $B_{\rm K}$  are absolute and  $\text{non-equivalent bandwidths}$.  The latter are defined over rectangles of equal area and are denoted in our tutorial by  $Δf_q$  and  $Δf_{\rm K}$,  resp.
  • The spectral function  $S(f)$  does not include any Dirac-lines at the carrier frequency  $(\pm f_{\rm T})$.  Therefore, this method is also referred to as  "DSB-AM without carrier".
  • The frequency components
  • above the carrier frequency  $f_{\rm T}$  are called the  "upper sideband"  $\rm (USB)$,
  • and those below  $f_{\rm T}$  are the  "lower sideband"  $\rm (LSB)$.

Description in the time domain


Adapting the notation and nomenclature to this problem,  the convolution theorem reads:

$$S(f) = Z(f) \star Q(f)\hspace{0.2cm}\bullet\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\circ\, \hspace{0.2cm} s(t) = q(t) \cdot z(t) = q(t) \cdot \cos(\omega_{\rm T}\cdot t + \phi_{\rm T})\hspace{0.05cm}.$$
Models of DSB–AM without carrier

This result is still true if the restrictions made in the last section are removed:

  1. real-valued spectrum  $Q(f)$, 
  2. carrier phase  $ϕ_{\rm T} = 0$. 

In general,  this results in a complex-valued spectrum  $S(f)$.

According to this equation, two models can be given for double-sideband amplitude modulation.  These are to be interpreted as follows:

  • The upper model directly describes the relationship given above,  where the carrier  $z(t) = \cos(ω_{\rm T}t + ϕ_{\rm T})$  is applied without a unit.
  • The lower model is more in line with the physical condition  "each signal also has a unit".  If  $q(t)$  and  $z(t)$  are voltages,  the model still needs to provide a scaling with the modulator constant  $K_{\rm AM}$  with unit   $\rm 1/V$,  so that the output signal  $s(t)$  also represents a voltage waveform.
  • If we set  $K_{\rm AM} = 1/A_{\rm T}$,  both models are the same.  In the following,  we will always assume the lower, simpler model.


Signal waveforms in DSB–AM without carrier

$\text{Example 1:}$  The graph shows in red the transmitted signals  $s(t)$  for DSB–AM with two different carrier frequencies. 

The source signal  $q(t)$  with bandwidth  $B_{\rm NF} = 4\text{ kHz}$,  which is the same in both cases,  is drawn in solid blue and the signal  $-q(t)$  is dashed.

The carrier signal  $z(t)$  has a cosine shape in both cases.  In the upper sketch,  the carrier frequency  (German:  "Trägersignal"   ⇒   subscript "T")  is  $f_{\rm T} = 20\text{ kHz}$  and in the lower sketch  $f_{\rm T} = 100\text{ kHz}$.

Ring modulator


One possibility to realize  "double-sideband amplitude modulation with carrier suppression"  is offered by a so-called  »ring modulator«,  also known as  "double push-pull diode modulator".  Below you can see the circuit on the left and a simple functional diagram on the right.

Without claiming to be complete, the principle can be stated as follows:

Ring modulator to realize DSB–AM without carrier
  • Let the amplitude of the harmonic carrier oscillation  $z(t)$  be much larger than the maximum value  $q_{\rm max}$  of the source signal  $q(t)$.  Thus,  all diodes are operated as switches.
  • When the half-wave of the carrier is positive  $(z(t) > 0)$  the two magenta diodes conduct while the light green ones block. Thus, without considering losses,  it holds  $s(t) = q(t)$.
  • For a negative half-wave,  the light green diodes conduct and the diodes in the longitudinal branches block.  As can be seen on the right,  $s(t) = \ – q(t)$  holds for this lower switch position.
  • Due to the operation of this switch,  the harmonic oscillation  $z(t)$  can also be replaced by a periodic  (rectangular)  square wave signal with identical period duration:
$$z_{\rm R}(t) = \left\{ \begin{array}{c} +1 \\ -1 \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{10}c} {\rm{for}} \\ {\rm{for}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} {z(t) >0,} \\ {z(t) <0.} \\ \end{array}$$
  • The modulated signal  $s(t)$  is then obtained as the product of the source signal  $q(t)$  and this rectangular signal  $z_{\rm R}(t)$,  whereas in ideal DSB-AM one multiplies $q(t)$  by a cosine signal.  The carrier  $z(t)$  is not itself included in the signal $s(t)$.  Since this is supplied via the center taps of the transformers, the induced voltages cancel out   ⇒   »DSB-AM without carrier«.


$\text{Example 2:}$  Now we will explain the operation mode of a ring modulator using exemplary signal characteristics.  Let the carrier frequency be  $f_{\rm T} = 10\text{ kHz}$.

Signals to illustrate a ring modulator





  • The top graph shows the signals  $q(t)$  and  $-q(t)$  as magenta and light green waveforms respectively.  The bipolar square wave  (rectangular)  signal $z_{\rm R}(t)$  is shown in blue dashes,  and takes the values  $±1$ .
  • The middle chart shows the modulated signal from the ring modulator:
$$s_{\rm RM}(t) = q(t) · z_{\rm R}(t).$$
  • For comparison, the conventional DSB-AM signal is shown in the bottom graph:
$$s(t) = q(t) · \cos(ω_{\rm T} · t).$$


One can see significant differences, but these can be compensated for in a simple way:

  • The Fourier series representation of the periodic rectangular signal $z_{\rm R}(t)$  is:
$$z_{\rm R}(t) = \frac{4}{\pi} \cdot \cos(\omega_{\rm T}\cdot t)-\frac{4}{3\pi} \cdot \cos(3\omega_{\rm T}\cdot t) +\frac{4}{5\pi} \cdot \cos(5\omega_{\rm T}\cdot t)- \text{ ...}$$
  • The associated spectral function consists of Dirac delta lines at  $±f_{\rm T}, ±3f_{\rm T}, ±5f_{\rm T}$, etc.  Convolution with  $Q(f)$  leads to the spectrum
    (the subscript stands for "ring modulator"):
$$S_{\rm RM}(f) = \frac{2}{\pi} \cdot Q (f \pm f_{\rm T})-\frac{2}{3\pi} \cdot Q (f \pm 3f_{\rm T})+\frac{2}{5\pi} \cdot Q (f \pm 5f_{\rm T}) -\text{ ...} \hspace{0.05cm}$$
  • From this, it can be seen that by appropriately band-limiting $($e.g. to  $±2f_{\rm T})$ and attenuating with  $π/4 ≈ 0.785$  the familiar DSB-AM spectrum can be obtained:
$$S(f) = {1}/{2} \cdot Q (f \pm f_{\rm T})\hspace{0.05cm}.$$

Here it must be taken into account that in the above reasoning,  $B_{\rm NF} \ll f_{\rm T}$  must hold.

AM signals and spectra with a harmonic input signal


Now we consider a special case which is important for testing purposes,  where not only the carrier  $z(t)$  is a harmonic oscillation,  but also the signal  $q(t)$  to be modulated:

$$\begin{align*}q(t) & = A_{\rm N} \cdot \cos(\omega_{\rm N} \cdot t + \phi_{\rm N})\hspace{0.05cm}, \\ \\ z(t) & = \hspace{0.15cm}1 \hspace{0.13cm} \cdot \hspace{0.1cm}\cos(\omega_{\rm T} \cdot t + \phi_{\rm T})\hspace{0.05cm}.\end{align*}$$

Please note:   Since we are describing modulation processes,  the phase term is used with a plus sign in the above equations.

  • Thus,  $ϕ_{\rm N} = - 90^\circ$  represents a sinusoidal input signal  $q(t)$  and  $ϕ_{\rm T} = - 90^\circ$  denotes a sinusoidal carrier signal  $z(t)$.
  • Therefore,  the equation for the modulated signal is:
$$s(t) = q(t) \cdot z(t) = A_{\rm N} \cdot \cos(\omega_{\rm N} t + \phi_{\rm N})\cdot \cos(\omega_{\rm T} t + \phi_{\rm T})\hspace{0.05cm}.$$

This equation can be transformed using the trigonometric addition theorem:

$$s(t) = A_{\rm N}/{2} \cdot \cos \big [(\omega_{\rm T} +\omega_{\rm N})\cdot t + \phi_{\rm T}+ \phi_{\rm N} \big ] + A_{\rm N}/{2} \cdot \cos \big [(\omega_{\rm T} -\omega_{\rm N})\cdot t + \phi_{\rm T}- \phi_{\rm N} \big ]\hspace{0.05cm}.$$
  • For cosinusoidal signals  $(ϕ_{\rm T} = ϕ_{\rm N} = 0)$,  this equation simplifies to
$$s(t) = {A_{\rm N}}/{2} \cdot \cos\big[(\omega_{\rm T}+\omega_{\rm N})\cdot t\big] + {A_{\rm N}}/{2} \cdot \cos\big[(\omega_{\rm T} -\omega_{\rm N})\cdot t \big]\hspace{0.05cm}.$$
  • Using a Fourier transform we arrive at the spectral function:
$$S(f) = {A_{\rm N}}/{4} \cdot \big[\delta ( f - f_{\rm T} - f_{\rm N})+\delta ( f + f_{\rm T} + f_{\rm N})\big)] + {A_{\rm N}}/{4} \cdot \big[ \delta ( f - f_{\rm T}+ f_{\rm N})+\delta ( f+ f_{\rm T} - f_{\rm N} ) \big]\hspace{0.05cm}.$$

This result,  which would also have been arrived at via convolution,  states:

  1. The spectrum consists of four Dirac delta lines at frequencies  $±(f_{\rm T} + f_{\rm N})$  and  $±(f_{\rm T} - f_{\rm N})$. 
  2. In both bracket expressions, the first Dirac delta function indicates the one for positive frequencies.
  3. The weights of all Dirac delta functions are equal and each is  $A_{\rm N}/4$. 
  4. The sum of these weights   - that is, the integral over  $S(f)$ -   is equal to the signal value  $s(t = 0) = A_{\rm N}$.
  5. The Dirac delta lines remain for  $ϕ_{\rm T} ≠ 0$  and/or  $ϕ_{\rm N} ≠ 0$  at the same frequencies.  However, complex rotation factors must then be added to the weights  $A_{\rm N}/4$ .


$\text{Example 3:}$  The following diagram shows the spectral functions  $S(f)$  for different values of  $ϕ_{\rm T}$  and  $ϕ_{\rm N}$,  respectively.  The other parameters are assumed to be  $f_{\rm T} = 50\text{ kHz}$,  $f_{\rm N} = 10\text{ kHz}$  and  $A_{\rm N} = 4\text{ V}$.  Thus,  the magnitudes of all Dirac delta lines are $A_{\rm N}/4 = 1\text{ V}$.

Typical spectra for DSB-AM


  • The upper left diagram shows the case just discussed:  Both the carrier and the source signal are cosine.  Thus,  the amplitude-modulated signal  $s(t)$  is composed of two cosine oscillations with  $ω_{60} = 2 π · 60\text{ kHz}$  and  $ω_{40} = 2 π · 40\text{ kHz}$.


  • For the other three constellations,  at least one of the signals  $q(t)$  or  $z(t)$  is sinusoidal,  so that  $s(0) = 0$  always holds.  Thus,  for these spectra,  the sum of the four pulse weights each add up to zero.


  • The bottom right diagram depicts  $s(t) = A_{\rm N} · \sin(ω_{\rm N} t) · \sin(ω_{\rm T}t)$.  Multiplying two odd functions yields the even function  $s(t)$  and thus a real spectrum  $S(f)$.  In contrast,  the other two constellations each result in imaginary spectral functions.

Double-Sideband Amplitude Modulation with carrier


The following diagram shows how to get from  "DSB-AM without carrier"  to the better known variant "DSB-AM with carrier".  This has the advantage that the demodulator can be realized much more easily and cheaply by a simple manipulation at the transmitter.

Models of DSB–AM with carrier

The diagram is to be interpreted as follows:

  • The top plot shows the physical model of the  "DSB-AM with carrier",  with changes from the  "DSB-AM without carrier"  highlighted in red.
  • The carrier signal  $z(t) = A_{\rm T} · \cos(ω_{\rm T} · t)$  is added to the signal  $s(t)$,  which causes two additional Dirac delta functions in the spectrum  $±f_{\rm T}$,  each with impulse weight  $A_{\rm T}/2$.
  • Adding the DC signal  $A_{\rm T}$  to the source signal and then multiplying by the dimensionless carrier  $z(t)$  as shown in the lower sketch results in the same signal  $s(t)$  and spectrum  $S(f)$  as above.
  • Thus, the second representation is equivalent to the upper model.  In both cases the carrier phase is only set to  $ϕ_{\rm T} = 0$  for the sake of simplified presentation.


$\text{Example 4:}$  The  "double-sideband amplitude modulation with carrier"  still finds its main application in radio transmissions for

  • long wave     $($frequency range  $\text{30 kHz}$ ... $\text{300 kHz})$,
  • medium wave  $($frequency range  $\text{300 kHz}$ ... $\text{3 MHz})$,
  • short wave    $($frequency range  $\text{3 MHz}$ ... $\text{30 MHz})$.


However,  these frequencies are increasingly being made available for digital applications, e.g.  "Digital Video Broadcast"  $\rm (DVB)$.

An application of   "double-sideband amplitude modulation without carrier"  exists for example in FM stereo broadcasting:

  • Here,  the differential signal between the two stereo channels is amplitude modulated (without carrier) at  $\text{39 kHz}$.
  • Then the sum signal of the two channels  $($each in the range  $\text{30 Hz}$ ... $\text{15 kHz})$  is combined with the differential signal and an auxiliary carrier at  $\text{19 kHz}$.  Then, this combined signal is frequency modulated.


$\text{Example 5:}$  The following signal waveforms are intended to further clarify the principle of the modulation method  "DSB-AM with carrier".

Signal waveforms for  "DSB–AM with carrier"  and  "DSB-AM with carrier suppression"
  • In the upper diagram you see a section of the source signal  $q(t)$  with frequencies in the range  $\vert f \vert \le 4\text{ kHz}$.
  • $s(t)$  is obtained by adding the DC component  $A_{\rm T}$  to  $q(t)$  and multiplying this summed signal by the carrier  $z(t)$  of frequency  $f_{\rm T} = 100\text{ kHz}$   ⇒   see middle diagram.
  • In the lower diagram you see for comparison the transmitted signal of the "DSB-AM without carrier"   ⇒   "DSB-AM with carrier suppression".


A comparison of these signal waveforms shows:

  • By adding the DC component  $A_{\rm T}$  the signal  $q(t)$  can now be seen in the envelope of  $s(t)$.
  • Thus,  $\text{envelope demodulation}$  can be applied,  which is easier and cheaper to implement than coherent  $\text{synchronous demodulation}$.
  • However,  a prerequisite for the application of the envelope demodulator is a modulation depth  $m <1$. 
  • This parameter is defined as follows:
$$m = \frac{q_{\rm max} }{A_{\rm T} } \hspace{0.3cm}{\rm with}\hspace{0.3cm} q_{\rm max} = \max_{t} \hspace{0.05cm} \vert q(t) \vert\hspace{0.05cm}.$$


$\text{Conclusions:}$ 

  • The advantage of a simpler demodulator is traded off with a much higher transmit power,  since the power of the carrier cannot be used for demodulation. 
  • Furthermore,  care must be taken to ensure that the source signal does not contain a DC component,  since this would be masked by the carrier. 
  • For speech and music signals,  however,  this is not a major restriction.

Describing DSB-AM with carrier using the analytical signal


Spectrum of the analytical signal in two different viewpoints

In the further course of this chapter,  for the sake of simplifying the graphs,  the spectrum  $S_+(f)$  of the  $\text{analytical signal}$  is usually given instead of the actual, physical spectrum  $S(f)$.

As an example,  let us consider  "DSB-AM with carrier"  and the following signals:

$$\begin{align*}s(t) & = \left(q(t) + A_{\rm T}\right) \cdot \cos(\omega_{\rm T}\cdot t + \phi_{\rm T})\hspace{0.05cm}, \\ \\ q(t) & = A_{\rm N} \cdot \cos(\omega_{\rm N}\cdot t + \phi_{\rm N})\hspace{0.05cm}.\end{align*}$$

Then the corresponding analytical signal is:

$$s_+(t) = A_{\rm T} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.01cm}(\omega_{\rm T}\cdot \hspace{0.02cm}t \hspace{0.05cm}+ \hspace{0.05cm}\phi_{\rm T})}+ \frac{A_{\rm N}}{2} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.01cm}((\omega_{\rm T} \hspace{0.05cm}+ \hspace{0.05cm} \omega_{\rm N} )\hspace{0.02cm}\cdot \hspace{0.02cm}t \hspace{0.05cm}+ \hspace{0.05cm} \phi_{\rm T}+ \phi_{\rm N})} + \frac{A_{\rm N}}{2} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.01cm}((\omega_{\rm T} \hspace{0.05cm}- \hspace{0.05cm} \omega_{\rm N} )\hspace{0.02cm}\cdot \hspace{0.02cm}t \hspace{0.05cm}+ \hspace{0.05cm} \phi_{\rm T}- \phi_{\rm N})} \hspace{0.05cm}.$$

The corresponding spectral function  $S_+(f)$  consists of three Dirac delta lines,  each with complex weights corresponding to the graph:

  • The left sketch shows  $|S_+(f)|$.  $A_{\rm T}$  indicates the weight of the carrier and  $A_{\rm N}/2$  indicates the weights of  $\rm USB$  (upper sideband) and  $\rm LSB$  (lower sideband).
  • The values normalized to  $A_{\rm T}$  are given in parentheses.  Since  $q_{\rm max} = A_{\rm N}$  holds here,  the modulation depth  $m = A_{\rm N}/A_{\rm T}$  gives  $m/2$ as the normalized weights of both the upper and lower sideband.
  • The right sketch depicts the direction of the frequency axis and shows the phase angles of carrier  $(ϕ_{\rm T})$,  of  $\rm LSB$  $(ϕ_{\rm T} - ϕ_{\rm N})$  and  of  $\rm USB$  $(ϕ_{\rm T} + ϕ_{\rm N})$.


Amplitude modulation with a quadratic characteristic curve


Nonlinearities are usually undesirable and troublesome in Communications Engineering.  As explained in the chapter  "Nonlinear Distortions"   of the book  "Linear and Time Invariant Systems”,  they lead to the facts that:

  • the superposition principle is no longer applicable,
  • the transmission behavior depends on the magnitude of the input signal,  and
  • the distortions are of nonlinear nature and thus irreversible.


A nonlinearity of the general form

$$y(t) = c_0 + c_1 \cdot x(t) + c_2 \cdot x^2(t)+ c_3 \cdot x^3(t) + \text{...}$$

can also be used to implement  $\text{DSB}\hspace{0.05cm}–\hspace{-0.05cm}\text{AM}$.  Provided that

  • only the coefficients  $c_1$  and  $c_2$  are present,  and
  • the input signal  $x(t) = q(t) + z(t)$  is applied,


we obtain the nonlinearity's output signal:

$$y(t) = c_1 \cdot q(t) + c_1 \cdot z(t) + c_2 \cdot q^2(t)+ 2 \cdot c_2 \cdot q(t)\cdot z(t)+ c_2 \cdot z^2(t)\hspace{0.05cm}.$$

The first, third, and last components are – in terms of spectra – at  $|\hspace{0.05cm} f \hspace{0.05cm}| ≤ 2 · B_{\rm NF}$  and  $|\hspace{0.05cm} f\hspace{0.05cm} | = 2 · f_{\rm T}$, respectively.

Removing these signal components by a band-pass and considering  $z(t) = A_{\rm T} · \cos(ω_{\rm T} · t)$,  we obtain the equation typical for  "DSB-AM with carrier"
(only the second and fourth terms remain):

$$s(t) = c_1 \cdot A_{\rm T} \cdot \cos(\omega_{\rm T} \cdot t ) + 2 \cdot c_2 \cdot A_{\rm T} \cdot q(t)\cdot \cos(\omega_{\rm T} \cdot t )\hspace{0.05cm}.$$

The modulation depth in this realization form is variable by the coefficients  $c_1$  and  $c_2$ :

$$m = \frac{2 \cdot c_2 \cdot q_{\rm max}}{c_1} \hspace{0.05cm}.$$
  • A diode and a field-effect transistor both approximate such a quadratic characteristic curve and can thus be used to realize DSB-AM.
  • However,  cubic components  $(c_3 ≠ 0)$  and higher order nonlinearities lead to  (large)  nonlinear distortions.


Exercises for the chapter


Exercise 2.1: DSB-AM with Cosine? Or with Sine?

Exercise 2.1Z: DSB-AM without/with Carrier

Exercise 2.2: Modulation Depth

Exercise 2.2Z: Power Consideration

Exercise 2.3: DSB–AM Realization

Exercise 2.3Z: DSB-AM due to Nonlinearity