Aufgaben:Exercise 2.1Z: DSB-AM without/with Carrier

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Die bei der AM beteiligten Signale

Die Grafik zeigt als rote Kurve einen Ausschnitt des Sendesignals  $s(t) = q(t) · z(t)$  einer Zweiseitenband–Amplitudenmodulation  (abgekürzt mit ZSB-AM)  ohne Träger.  Die Dauer des Zeitausschnitts beträgt  $\rm 200 \ µ s$.

Zusätzlich sind in der Grafik eingetragen:

• das Quellensignal (als blau–gestrichelte Kurve):

$$q(t) = 1\,{\rm V} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm N} t + \phi_{\rm N}),$$

• das Trägersignal (grau–gepunkteter Verlauf):

$$z(t) = 1 \cdot \cos(2 \pi f_{\rm T} t + \phi_{\rm T})$$

Ab der Teilaufgabe  (4)  wird die  „ZSB–AM mit Träger”  betrachtet.  Dann gilt mit  $A_{\rm T} = 2\text{ V}$:

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

Hinweise:

• Die Aufgabe gehört zum Kapitel  Zweiseitenband-Amplitudenmodulation.
• Bezug genommen wird insbesondere auf die Seiten  Beschreibung im Zeitbereich  und  ZSB-Amplitudenmodulation mit Träger.

Fragebogen

1

Ermitteln Sie aus der Grafik die Phasenwerte von Quellen– und Trägersignal.

$\phi_{\rm N} \ = \ $ $\ \text{Grad}$

$\phi_{\rm T} \ = \ $ $\ \text{Grad}$

2

Welche Frequenz $f_{\rm N}$  besitzt das Nachrichtensignal  $q(t)$  und welche Frequenz $f_{\rm T}$  das Trägersignal  $z(t)$?

$f_{\rm N} \ = \ $ $\ \text{kHz}$

$f_{\rm T} \ = \ $ $\ \text{kHz}$

3

Analysieren Sie die Nulldurchgänge von  $s(t)$. Welche Aussagen treffen zu?

	Alle Nulldurchgänge von  $z(t)$  bleiben in  $s(t)$  erhalten.
	Es gibt weitere Nullstellen, verursacht durch  $q(t)$.
	Es gilt  $s(t) = a(t) · \cos(ω_T · t)$  mit  $a(t) = |q(t)|$.

4

Bestimmen Sie die Spektralfunktion  $S(f)$  über die Faltung.  Welche (positiven) Frequenzen $f_1$  und $f_2 > f_1$  sind im Signal enthalten?

$f_1 \ = \ $ $\ \text{kHz}$

$f_2\ = \ $ $\ \text{kHz}$

5

Es gelte nun  $A_{\rm T} = 2\text{ V}$.  Wie groß ist der Modulationsgrad  $m$?

$m \ = \ $

6

Welche der Aussagen treffen bei der  „ZSB–AM mit Träger”  und  $A_{\rm T} = 2\text{ V}$  zu?

	$S(f)$  beinhaltet nun auch Diracfunktionen bei  $±f_{\rm T}$.
	Die Gewichte dieser Diraclinien sind jeweils  $2\text{ V}$.
	$q(t)$  ist in der Hüllkurve von  $s(t)$  zu erkennen.
	Durch den zusätzlichen Trägeranteil bleibt die Leistung unverändert.

Musterlösung

Solution

(1)  Beide Signale sind cosinusförmig   ⇒   $ϕ_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline { = 0}$ und $ϕ_{\rm T} \hspace{0.15cm}\underline { = 0}$.

(2)  Aus der Grafik können für $q(t)$ und $z(t)$ die Periodendauern $200$ μs bzw. $20$ μs abgelesen werden.

• Daraus ergeben sich die Frequenzen zu $f_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline { = 5}$ kHz und $f_{\rm T} \hspace{0.15cm}\underline { = 50}$ kHz.

(3)  Richtig sind die Lösungsvorschläge 1 und 2:

• Die Nullstellen von $z(t)$ bei $±5$ μs, $±15$ μs, $±25$ μs, ... sind auch im Signal $s(t)$ vorhanden   ⇒   Aussage 1 ist richtig.
• Weitere Nullstellen von $s(t)$ – verursacht durch $q(t)$ – liegen bei $±50$ μs, $±150$ μs, $±250$ μs, ....   ⇒   Aussage 2 ist richtig.
• Die dritte Aussage trifft dagegen nicht zu, sondern es gilt:   $ s(t) = a(t) \cdot \cos[\omega_{\rm T} t + \phi (t)] \hspace{0.05cm}.$
• Für $q(t) > 0$ ist die Phasenfunktion $ϕ(t) = 0$ und $s(t)$ ist gleichlaufend mit $z(t)$.
• Dagegen gilt für $q(t) < 0$:   $ϕ(t) = π = 180^\circ$.
• Bei den Nulldurchgängen von $q(t)$ weist das modulierte Signal $s(t)$ Phasensprünge auf.

ZSB–AM–Spektrum $S(f)$ aus $Z(f)$) und $Q(f)$

(4)  Das Spektrum $S(f)$ ergibt sich aus der Faltung der Spektralfunktionen $Z(f)$ und $Q(f)$, die jeweils aus nur zwei Diracfunktionen bestehen. Die Grafik zeigt das Ergebnis.

• Die rot eingezeichneten Diracfunktionen gelten nur für die „ZSB–AM mit Träger” und beziehen sich auf die Teilaufgabe (6).
• Die Faltung der beiden $Z(f)$–Diracfunktionen bei $f_{\rm T} = 50\text{ kHz}$ mit $Q(f)$ führt zu den Diraclinien bei $f_{\rm T} - f_{\rm N}$ und $f_{\rm T} + f_{\rm N}$, jeweils mit Gewicht $0.5 · 0.5\text{ V}= 0.25\text{ V}$.
• Die gesuchten Werte sind somit $f_1\hspace{0.15cm}\underline { = 45 \ \rm kHz}$ und $f_1\hspace{0.15cm}\underline { = 55 \ \rm kHz}$.
• Die mit zwei Markierungsstrichen versehene Diracfunktion $0.5 · δ(f + f_{\rm T})$ führt zu zwei weiteren Diraclinien bei $-f_1$ und $-f_2$.

(5)  Der Modulationsgrad berechnet sich zu:

$$ m = \frac{q_{\rm max}}{A_{\rm T}} = \frac{A_{\rm N}}{A_{\rm T}} \hspace{0.15cm}\underline {= 0.5} \hspace{0.05cm}.$$

(6)  Richtig sind die Lösungsvorschläge 1 und 3:

• Gemäß der Skizze ergeben sich Diraclinien bei $±f_{\rm T}$, beide mit dem Impulsgewicht $A_{\rm T}/2 = 1\text{ V}$.
• Bei $m ≤ 1$ ist $q(t)$ in der Hüllkurve erkennbar und Hüllkurvendemodulation anwendbar.
• Allerdings muss diese einfachere Empfängervariante durch eine sehr viel größere Sendeleistung erkauft werden. In diesem Beispiel ($m = 0.5$) wird die Sendeleistung durch den Trägerzusatz verneunfacht.