Exercise 3.7: Synchronous Demodulator

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Zur Rücksetzung eines amplitudenmodulierten Signals in den ursprünglichen Frequenzbereich verwendet man oft einen Synchrondemodulator. Dieser multipliziert das AM-Eingangssignal $r(t)$ mit einem empfangsseitigen Trägersignal $z_E(t)$, das sowohl hinsichtlich der Frequenz $f_T$ als auch der Phase $\phi_T$ mit dem sendeseitigen Trägersignal $z_S(t)$ übereinstimmen sollte. Anschließend folgt ein rechteckförmiger Tiefpass zur Eliminierung aller spektralen Anteile oberhalb der Trägerfrequenz $f_T$. Das Ausgangssignal des Synchrondemodulators nennen wir $υ(t)$. Das oben skizzierte Spektrum $R(f)$ des Empfangssignals $r(t)$ ist durch Zweiseitenband–Amplitudenmodulation eines sinusförmigen Quellensignals $q(t)$ mit der Frequenz 5 kHz und der Amplitude 8 V entstanden. Als sendeseitiges Trägersignal $z_S(t)$ wurde ein Cosinussignal mit der Frequenz 30 kHz verwendet. Das Spektrum des empfangsseitigen Trägersignals $z_E(t)$ besteht entsprechend der unteren Skizze aus zwei Diraclinien, jeweils mit dem Gewicht $A$/2. Da $z_E(t)$ keine Einheit beinhalten soll, sind auch die Gewichte der Diracfunktionen dimensionslos. Hinweis: Die Aufgabe bezieht sich auf die theoretischen Grundlagen entsprechend Kapitel 3.4, insbesondere auf die Seite Faltung einer Funktion mit einer Diracfunktion.

Fragebogen

1

Es gelte $f_T$ = 30 kHz und $A$ = 1. Berechnen Sie das Ausgangssignal $υ(t)$. Welcher Signalwert tritt zum Zeitpunkt $t$ = 50 µs auf?

$v(t=50 \mu \text{s}) =$ V

2

Wie groß muss die Amplitude des empfangsseitigen Trägersignals $z_E(t)$ gewählt werden, damit $υ(t) = q(t)$ gilt?

$A =$

3

Berechnen Sie das Ausgangssignal $υ(t)$ unter den Voraussetzungen $A$ = 2 und $f_T$ = 31 kHz. Welcher Signalwert tritt zum Zeitpunkt $t$ = 50 µs auf?

$v(t=50 \mu \text{s}) =$ V

Musterlösung

Solution

1. Benennen wir das Signal nach dem Multiplizierer mit $m(t) = r(t) \cdot z_E(t)$, so ergibt sich das zugehörige Spektrum $M(f)$ als das Faltungsprodukt aus $R(f)$ und $Z_E(f)$. Die Faltung des Spektrums $R(f)$ mit der rechten Diraclinie bei +30 kHz führt zu diskreten Spektrallinien bei –5 kHz, 5 kHz, 55 kHz und 65 kHz. Diese sind alle imaginär und gegenüber den Impulsgewichten von $R(f)$ um den Faktor $A$/2 = 0.5 kleiner. Die Faltung von $R(f)$ mit dem Dirac bei –30 kHz ergibt Linien bei –65 kHz, –55 kHz, –5 kHz, 5 kHz. Durch Überlagerung der beiden Zwischenresultate und Berücksichtigung des Tiefpassfilters, der die Linien bei ±55 kHz und ±65 kHz unterdrückt, folgt somit für das Spektrum des Sinkensignals:

$$V( f) = - {\rm{j}} \cdot 2\;{\rm{V}} \cdot \delta ( {f - f_{\rm N} }) + {\rm{j}} \cdot 2\;{\rm{V}} \cdot \delta ( {f + f_{\rm N} } )\hspace{0.3cm}{\rm mit}\hspace{0.3cm}f_{\rm N} = 5\;{\rm kHz}.$$

Das Sinkensignal $υ(t)$ ist also ein 5 kHz–Sinussignal mit der Amplitude 4 V. Der Zeitpunkt $t$ = 50 µs entspricht einem Viertel der Periodendauer. Somit ist hier das Sinkensignal maximal, also 4 V.

2. Mit $A$ = 1 ist $υ(t) = q(t)$/2. Dagegen sind mit $A$ = 2 beide Signale gleich.

3. Die beiden Diraclinien bei $\pm f_T$ haben nun jeweils das Gewicht 1. Alle nachfolgend genannten Spektrallinien sind imaginär und betragsmäßig gleich 2 V. Die Faltung von $R(f)$ mit der rechten Diraclinie von $z_E(t)$ liefert Anteile bei –4 kHz (p: positiv), 6 kHz (n: negativ), 56 kHz (p) und 66 kHz (n). Dagegen führt die Faltung mit der linken Diracfunktion zu Spektrallinien bei –66 kHz (p), –56 kHz (n), –6 kHz (p) und 4 kHz (n), alle ebenfalls mit den (betragsmäßigen) Impulsgewichten 2 V. Unter Berücksichtigung des Tiefpasses verbleiben nur die vier Spektrallinien bei ±4 kHz und ±6 kHz. Das dazugehörige Zeitsignal lautet mit $f_4$ = 4 kHz und $f_6$ = 6 kHz:

$$v( t ) = 4\;{\rm{V}} \cdot \sin ( {2{\rm{\pi }}f_4 t} ) + 4\;{\rm{V}} \cdot \sin ( {2{\rm{\pi }}f_6 t} ).$$ Zum Zeitpunkt t = 50 µs erhält man:

$$v( t) = 4\;{\rm{V}} \cdot \left( {\sin ( {0.4{\rm{\pi }}} ) + \sin ( {0.6{\rm{\pi }}} )} \right)\hspace{0.15 cm}\underline{ = 7.608\;{\rm{V}}}{\rm{.}}$$