Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.1Z: DSB-AM without/with Carrier"

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{{quiz-Header|Buchseite=Modulationsverfahren/Zweiseitenband-Amplitudenmodulation
+
{{quiz-Header|Buchseite=Modulation_Methods/Double-Sideband_Amplitude_Modulation
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID987__Mod_Z_2_1.png|right|frame|Die bei der AM beteiligten Signale]]
+
[[File:P_ID987__Mod_Z_2_1.png|right|frame|The signals involved in this AM]]
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  $\rm 200 \ µ s$.
+
The red curve on the graph shows a section of the transmitted signal  $s(t) = q(t) · z(t)$  of a double-sideband amplitude modulation  (abbreviated as DSB-AM)  without carrier.  The duration of the time interval is  $\rm 200 \ µ s$.
  
Zusätzlich sind in der Grafik eingetragen:
+
Additionally plotted in the graph are:
*das Quellensignal (als blau–gestrichelte Kurve):
+
*the source signal  (as a blue dashed curve):
 
:$$q(t) = 1\,{\rm V} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm N} t + \phi_{\rm N}),$$
 
:$$q(t) = 1\,{\rm V} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm N} t + \phi_{\rm N}),$$
*das Trägersignal (grau–gepunkteter Verlauf):
+
*the carrier signal  (as a grey dashed trace):
:$$z(t) = 1 \cdot \cos(2 \pi f_{\rm T} t + \phi_{\rm T})$$
+
:$$z(t) = 1 \cdot \cos(2 \pi f_{\rm T} t + \phi_{\rm T}).$$
  
Ab der Teilaufgabe '''(4)''' wird die „ZSB–AM mit Träger” betrachtet. Dann gilt mit  $A_{\rm T} = 2\text{ V}$:
+
From subtask  '''(4)'''  onwards,  the "DSB-AM with carrier"  is considered.   In that case, with  $A_{\rm T} = 2\text{ V}$:
 
:$$s(t) = \left(q(t) + A_{\rm T} \right) \cdot z(t) \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$s(t) = \left(q(t) + A_{\rm T} \right) \cdot z(t) \hspace{0.05cm}.$$
  
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''Hinweise:''
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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 Seiten   [[Modulationsverfahren/Zweiseitenband-Amplitudenmodulation#Beschreibung_im_Zeitbereich|Beschreibung im Zeitbereich]]  und  [[Modulationsverfahren/Zweiseitenband-Amplitudenmodulation#ZSB-Amplitudenmodulation_mit_Tr.C3.A4ger|ZSB-Amplitudenmodulation mit Träger]].
+
*Particlar reference is made to the pages  [[Modulation_Methods/Double-Sideband_Amplitude_Modulation#Description_in_the_time_domain|Description in the time domain]]  and  [[Modulation_Methods/Double-Sideband_Amplitude_Modulation#Double-Sideband_Amplitude_Modulation_with_carrier|Double-Sideband Amplitude Modulation with carrier]].
 
   
 
   
  
  
  
===Fragebogen===
+
===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Ermitteln Sie aus der Grafik die Phasenwerte von Quellen– und Trägersignal.
+
{From the graph,&nbsp; determine the phase values of the message and carrier signals.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$\phi_{\rm N} \ = \ $ { 0. } $\ \text{Grad}$
+
$\phi_{\rm N} \ = \ $ { 0. } $\ \text{degrees}$
$\phi_{\rm T} \ = \ $ { 0. } $\ \text{Grad}$
+
$\phi_{\rm T} \ = \ $ { 0. } $\ \text{degrees}$
  
{Welche Frequenz &nbsp;$f_{\rm N}$&nbsp; besitzt das Nachrichtensignal &nbsp;$q(t)$&nbsp; und welche Frequenz &nbsp;$f_{\rm T}$&nbsp; das Trägersignal &nbsp;$z(t)$?
+
{What is the frequency  $f_{\rm N}$&nbsp; of the message signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; and what is the frequency $f_{\rm T}$&nbsp; of the carrier signal &nbsp;$z(t)$?  
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$f_{\rm N} \ = \ $ { 5 3% } $\ \text{kHz}$
 
$f_{\rm N} \ = \ $ { 5 3% } $\ \text{kHz}$
 
$f_{\rm T} \ = \ $  { 50 3% }  $\ \text{kHz}$
 
$f_{\rm T} \ = \ $  { 50 3% }  $\ \text{kHz}$
  
{Analysieren Sie die Nulldurchgänge von &nbsp;$s(t)$. Welche Aussagen treffen zu?
+
{Analyze the zero crossings of &nbsp;$s(t)$.&nbsp; Which statements are true?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Alle Nulldurchgänge von &nbsp;$z(t)$&nbsp; bleiben in &nbsp;$s(t)$&nbsp; erhalten.
+
+ All zero crossings of  &nbsp;$z(t)$&nbsp; are preserved in &nbsp;$s(t)$.
+ Es gibt weitere Nullstellen, verursacht durch &nbsp;$q(t)$.
+
+ There are additional zero crossings caused by &nbsp;$q(t)$.
- Es gilt &nbsp;$s(t) = a(t) · \cos(ω_T · t)$&nbsp; mit &nbsp;$a(t) = |q(t)|$.
+
- &nbsp;$s(t) = a(t) · \cos(ω_T · t)$&nbsp; holds with &nbsp;$a(t) = |q(t)|$.
  
{Bestimmen Sie die Spektralfunktion &nbsp;$S(f)$&nbsp; über die Faltung. Welche (positiven) Frequenzen &nbsp;$f_1$&nbsp; und &nbsp;$f_2 > f_1$&nbsp; sind im Signal enthalten?
+
{Determine the spectral function &nbsp;$S(f)$&nbsp; by convolution.&nbsp;  Which&nbsp; (positive)&nbsp; frequencies&nbsp;  $f_1$&nbsp; and&nbsp; $f_2 > f_1$&nbsp; are included in the signal??
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$f_1 \ = \ $ { 45 3% } $\ \text{kHz}$
 
$f_1 \ = \ $ { 45 3% } $\ \text{kHz}$
 
$f_2\ = \ $ { 55 3% }  $\ \text{kHz}$
 
$f_2\ = \ $ { 55 3% }  $\ \text{kHz}$
  
{Es gelte nun &nbsp;$A_{\rm T} = 2\text{ V}$. Wie groß ist der Modulationsgrad &nbsp;$m$?
+
{Let &nbsp;$A_{\rm T} = 2\text{ V}$.&nbsp; What is the modulation depth &nbsp;$m$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$m \ = \ $ { 0.5 3% }  
 
$m \ = \ $ { 0.5 3% }  
  
{Welche der Aussagen treffen bei der „ZSB–AM mit Träger” und &nbsp;$A_{\rm T} = 2\text{ V}$ zu?
+
{Which of the statements are true for &nbsp; "DSB–AM with carrier"&nbsp; and &nbsp;$A_{\rm T} = 2\text{ V}$&nbsp;?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+  $S(f)$&nbsp; beinhaltet nun auch Diracfunktionen bei &nbsp;$±f_{\rm T}$.
+
+  $S(f)$&nbsp; now includes Dirac delta functions at &nbsp;$±f_{\rm T}$.
Die Gewichte dieser Diraclinien sind jeweils &nbsp;$2\text{ V}$.
+
The weights of these Dirac delta lines are each &nbsp;$2\text{ V}$.
+  $q(t)$&nbsp; ist in der Hüllkurve von &nbsp;$s(t)$&nbsp; zu erkennen.
+
+  $q(t)$&nbsp; can be seen in the envelope of &nbsp;$s(t)$.
Durch den zusätzlichen Trägeranteil bleibt die Leistung unverändert.
+
Due to the additional carrier component,&nbsp; the power remains unchanged.
  
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''(1)'''&nbsp; Beide Signale sind cosinusförmig &nbsp; &rArr; &nbsp;  $ϕ_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline { = 0}$ und $ϕ_{\rm T} \hspace{0.15cm}\underline { = 0}$.
+
'''(1)'''&nbsp; Both signals are cosine &nbsp; &rArr; &nbsp;  $ϕ_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline { = 0}$&nbsp; and&nbsp; $ϕ_{\rm T} \hspace{0.15cm}\underline { = 0}$.
  
  
'''(2)'''&nbsp; 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.
 
  
 +
'''(2)'''&nbsp; From the graph,&nbsp; the period durations of &nbsp; $200$ μs&nbsp; and &nbsp; $20$ μs&nbsp;&nbsp;  can be seen for&nbsp;  $q(t)$&nbsp; and $z(t)$,&nbsp; respectively.
 +
*This gives the frequencies as &nbsp; $f_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline { = 5}$&nbsp; kHz and&nbsp;  $f_{\rm T} \hspace{0.15cm}\underline { = 50}$  kHz.
  
'''(3)'''&nbsp; Richtig sind die < u>Lösungsvorschläge 1 und 2</u>:
 
*Die Nullstellen von $z(t)$ bei $±5$ μs, $±15$ μs, $±25$ μs, ... sind auch im Signal $s(t)$ vorhanden &nbsp; &rArr; &nbsp; Aussage 1 ist richtig.
 
*Weitere Nullstellen von $s(t)$ - verursacht durch $q(t)$ – liegen bei $±50$ μs, $±150$ μs, $±250$ μs, .... &nbsp; &rArr; &nbsp; Aussage 2 ist richtig.
 
*Die dritte Aussage trifft dagegen nicht zu, sondern es gilt: &nbsp; $ 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.
 
  
  
[[File:P_ID988__Mod_Z_2_1_d.png|right|frame|ZSB–AM–Spektrum ''S''(''f'') aus ''Z''(''f'')  und ''Q''(''f'') ]]
+
'''(3)'''&nbsp; <u>Answers 1 and 2</u>&nbsp; are correct:
'''(4)'''&nbsp; 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.
+
*The zero crossings of&nbsp; $z(t)$ &nbsp;at&nbsp; $±5$ μs,&nbsp; $±15$ μs,&nbsp; $±25$ μs, ... ... are also present in the signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; &nbsp; &rArr; &nbsp; Answer 1 is correct.
*Die rot eingezeichneten Diracfunktionen gelten nur für die „ZSB–AM mit Träger” und beziehen sich auf die Teilaufgabe (6).  
+
*Other zero intersects of&nbsp; $s(t)$ &ndash; cause by&nbsp; $q(t)$&nbsp; &ndash; are present at&nbsp; $±50$ μs,&nbsp; $±150$ μs,&nbsp; $±250$ μs, .... &nbsp; &rArr; &nbsp; Answer 2 is also correct.
*Die Faltung der beiden $Z(f)$–Diracfunktionen bei $f_{\rm T} = 50$ 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 $0.5 · 0.5$ V $= 0.25$ V.
+
*In contrast, the third statement is not true. Instead, &nbsp; $ s(t) = a(t) \cdot \cos[\omega_{\rm T} t + \phi (t)] \hspace{0.05cm}.$
*Die gesuchten Werte sind somit $f_1\hspace{0.15cm}\underline { = 45 \ \rm kHz}$ und $f_1\hspace{0.15cm}\underline { = 55 \ \rm kHz}$.  
+
[[File:EN_Mod_Z_2_1_d.png|right|frame|DSB–AM spectra&nbsp; $Z(f)$,&nbsp; $Q(f)$&nbsp; and&nbsp; $S(f)$]]
*Die mit zwei Markierungsstrichen versehene Diracfunktion $0.5 · δ(f + f_{\rm T})$ führt zu zwei weiteren Diraclinien bei $–f_1$ und $–f_2$.
 
  
 +
*For&nbsp; $q(t) > 0$&nbsp; the phase function is&nbsp; $ϕ(t) = 0$&nbsp; and&nbsp; $s(t)$&nbsp; coincides with &nbsp; $z(t)$.
 +
*In contrast, for&nbsp; $q(t) < 0$: &nbsp; $ϕ(t) = π = 180^\circ$.
 +
*At the zero crossings of&nbsp; $q(t)$,&nbsp; the modulated signal &nbsp; $s(t)$&nbsp; exhibits phase jumps.
  
'''(5)'''&nbsp; Der Modulationsgrad berechnet sich zu:
+
 
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'''(4)'''&nbsp; The spectrum&nbsp; $S(f)$&nbsp; results from the convolution of the spectral functions &nbsp; $Z(f)$&nbsp; and&nbsp; $Q(f)$,&nbsp; each consisting of only two Dirac delta functions.&nbsp; The graph displays the result.
 +
*The Dirac delta functions plotted in red apply only to the&nbsp; "DSB-AM with carrier"&nbsp; and refer to subtask ('''6)'''.
 +
*Convolution of the two&nbsp; $Z(f)$&nbsp; Dirac delta functions at&nbsp; $f_{\rm T} = 50\text{ kHz}$&nbsp; with&nbsp; $Q(f)$&nbsp; leads to the Dirac delta lines at&nbsp; $f_{\rm T} - f_{\rm N}$&nbsp; and&nbsp; $f_{\rm T} + f_{\rm N}$,&nbsp; each with weight &nbsp; $0.5 · 0.5\text{ V}= 0.25\text{ V}$.
 +
*Thus,&nbsp; the desired values are &nbsp; $f_1\hspace{0.15cm}\underline { = 45 \ \rm kHz}$&nbsp; and&nbsp; $f_1\hspace{0.15cm}\underline { = 55 \ \rm kHz}$.
 +
*The Dirac function&nbsp; $0.5 · δ(f + f_{\rm T})$&nbsp; with two markers leads to two more Dirac delta lines at &nbsp; $-f_1$&nbsp; and&nbsp; $-f_2$.
 +
 
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 +
 
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'''(5)'''&nbsp; The modulation depth is calculated as:
 
:$$ m = \frac{q_{\rm max}}{A_{\rm T}} = \frac{A_{\rm N}}{A_{\rm T}} \hspace{0.15cm}\underline {= 0.5} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$ m = \frac{q_{\rm max}}{A_{\rm T}} = \frac{A_{\rm N}}{A_{\rm T}} \hspace{0.15cm}\underline {= 0.5} \hspace{0.05cm}.$$
  
'''(6)'''&nbsp; Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 1 und 3</u>:
+
 
*Gemäß der Skizze ergeben sich Diraclinien bei $±f_{\rm T}$, beide mit dem Impulsgewicht $A_{\rm T}/2 = 1$ V.  
+
'''(6)'''&nbsp; <u>Answers 1 and 3</u>&nbsp; are correct:
*Bei $m ≤ 1$ ist $q(t)$ in der Hüllkurve erkennbar und Hüllkurvendemodulation anwendbar.  
+
*According to the sketch,&nbsp; Dirac delta lines result at &nbsp; $±f_{\rm T}$,&nbsp; both with impulse weight&nbsp; $A_{\rm T}/2 = 1\text{ V}$.  
*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.  
+
*At&nbsp; $m ≤ 1$,&nbsp; $q(t)$&nbsp; is detectable in the envelope &nbsp; &rArr; &nbsp;  envelope demodulation is applicable.  
 +
*However,&nbsp; this simpler receiver variant must be accounted for with a much larger transmission power. &nbsp;
 +
*In this example&nbsp; $(m = 0.5)$&nbsp; the addition of a carrier multiplies the transmission power by nine.
  
 
{{ML-Fuß}}
 
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[[Category:Aufgaben zu  Modulationsverfahren|^2.1 ZSB-Amplitudenmodulation^]]
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[[Category:Modulation Methods: Exercises|^2.1 Double Sideband Amplitude Modulation^]]

Latest revision as of 16:17, 18 January 2023

The signals involved in this AM

The red curve on the graph shows a section of the transmitted signal  $s(t) = q(t) · z(t)$  of a double-sideband amplitude modulation  (abbreviated as DSB-AM)  without carrier.  The duration of the time interval is  $\rm 200 \ µ s$.

Additionally plotted in the graph are:

  • the source signal  (as a blue dashed curve):
$$q(t) = 1\,{\rm V} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm N} t + \phi_{\rm N}),$$
  • the carrier signal  (as a grey dashed trace):
$$z(t) = 1 \cdot \cos(2 \pi f_{\rm T} t + \phi_{\rm T}).$$

From subtask  (4)  onwards,  the "DSB-AM with carrier"  is considered.  In that case, with  $A_{\rm T} = 2\text{ V}$:

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



Hints:



Questions

1

From the graph,  determine the phase values of the message and carrier signals.

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

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

$\ \text{degrees}$

2

What is the frequency $f_{\rm N}$  of the message signal  $q(t)$  and what is the frequency $f_{\rm T}$  of the carrier signal  $z(t)$?

$f_{\rm N} \ = \ $

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

$\ \text{kHz}$

3

Analyze the zero crossings of  $s(t)$.  Which statements are true?

All zero crossings of  $z(t)$  are preserved in  $s(t)$.
There are additional zero crossings caused by  $q(t)$.
 $s(t) = a(t) · \cos(ω_T · t)$  holds with  $a(t) = |q(t)|$.

4

Determine the spectral function  $S(f)$  by convolution.  Which  (positive)  frequencies  $f_1$  and  $f_2 > f_1$  are included in the signal??

$f_1 \ = \ $

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

$\ \text{kHz}$

5

Let  $A_{\rm T} = 2\text{ V}$.  What is the modulation depth  $m$?

$m \ = \ $

6

Which of the statements are true for   "DSB–AM with carrier"  and  $A_{\rm T} = 2\text{ V}$ ?

$S(f)$  now includes Dirac delta functions at  $±f_{\rm T}$.
The weights of these Dirac delta lines are each  $2\text{ V}$.
$q(t)$  can be seen in the envelope of  $s(t)$.
Due to the additional carrier component,  the power remains unchanged.


Solution

(1)  Both signals are cosine   ⇒   $ϕ_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline { = 0}$  and  $ϕ_{\rm T} \hspace{0.15cm}\underline { = 0}$.


(2)  From the graph,  the period durations of   $200$ μs  and   $20$ μs   can be seen for  $q(t)$  and $z(t)$,  respectively.

  • This gives the frequencies as   $f_{\rm N} \hspace{0.15cm}\underline { = 5}$  kHz and  $f_{\rm T} \hspace{0.15cm}\underline { = 50}$ kHz.


(3)  Answers 1 and 2  are correct:

  • The zero crossings of  $z(t)$  at  $±5$ μs,  $±15$ μs,  $±25$ μs, ... ... are also present in the signal  $s(t)$    ⇒   Answer 1 is correct.
  • Other zero intersects of  $s(t)$ – cause by  $q(t)$  – are present at  $±50$ μs,  $±150$ μs,  $±250$ μs, ....   ⇒   Answer 2 is also correct.
  • In contrast, the third statement is not true. Instead,   $ s(t) = a(t) \cdot \cos[\omega_{\rm T} t + \phi (t)] \hspace{0.05cm}.$
DSB–AM spectra  $Z(f)$,  $Q(f)$  and  $S(f)$
  • For  $q(t) > 0$  the phase function is  $ϕ(t) = 0$  and  $s(t)$  coincides with   $z(t)$.
  • In contrast, for  $q(t) < 0$:   $ϕ(t) = π = 180^\circ$.
  • At the zero crossings of  $q(t)$,  the modulated signal   $s(t)$  exhibits phase jumps.


(4)  The spectrum  $S(f)$  results from the convolution of the spectral functions   $Z(f)$  and  $Q(f)$,  each consisting of only two Dirac delta functions.  The graph displays the result.

  • The Dirac delta functions plotted in red apply only to the  "DSB-AM with carrier"  and refer to subtask (6).
  • Convolution of the two  $Z(f)$  Dirac delta functions at  $f_{\rm T} = 50\text{ kHz}$  with  $Q(f)$  leads to the Dirac delta lines at  $f_{\rm T} - f_{\rm N}$  and  $f_{\rm T} + f_{\rm N}$,  each with weight   $0.5 · 0.5\text{ V}= 0.25\text{ V}$.
  • Thus,  the desired values are   $f_1\hspace{0.15cm}\underline { = 45 \ \rm kHz}$  and  $f_1\hspace{0.15cm}\underline { = 55 \ \rm kHz}$.
  • The Dirac function  $0.5 · δ(f + f_{\rm T})$  with two markers leads to two more Dirac delta lines at   $-f_1$  and  $-f_2$.


(5)  The modulation depth is calculated as:

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


(6)  Answers 1 and 3  are correct:

  • According to the sketch,  Dirac delta lines result at   $±f_{\rm T}$,  both with impulse weight  $A_{\rm T}/2 = 1\text{ V}$.
  • At  $m ≤ 1$,  $q(t)$  is detectable in the envelope   ⇒   envelope demodulation is applicable.
  • However,  this simpler receiver variant must be accounted for with a much larger transmission power.  
  • In this example  $(m = 0.5)$  the addition of a carrier multiplies the transmission power by nine.