Difference between revisions of "Modulation Methods/Single-Sideband Modulation"

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{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Amplitudenmodulation und AM–Demodulation
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|Untermenü=Amplitude Modulation and Demodulation
|Vorherige Seite=Hüllkurvendemodulation
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|Vorherige Seite=Envelope Demodulation
|Nächste Seite=Weitere AM–Varianten
+
|Nächste Seite=Further AM Variants
 
}}
 
}}
==Beschreibung im Frequenzbereich==
+
==Description in the frequency domain==
<br>
+
<br>  
Die&nbsp; Zweiseitenband–Amplitudenmodulation&nbsp; $\rm (ZSB–AM)$&nbsp; – sowohl mit als auch ohne Träger besitzt folgende Eigenschaften:  
+
Double sideband amplitude modulation&nbsp; $\rm (DSB–AM)$&nbsp; – both with and without a carrier &nbsp; has the following characteristics:
*Das modulierte Signal &nbsp;$s(t)$&nbsp; benötigt die doppelte Bandbreite wie das Quellensignal &nbsp;$q(t)$.  
+
*The modulated signal &nbsp;$s(t)$&nbsp; requires twice the bandwidth of the source signal &nbsp;$q(t)$.
*Die vollständige Information über &nbsp;$q(t)$&nbsp; steckt sowohl im oberen Seitenband&nbsp; $\rm (OSB)$&nbsp; als auch im unteren Seitenband&nbsp; $\rm (USB)$.  
+
 +
*The complete information about &nbsp;$q(t)$&nbsp; is in both the upper sideband &nbsp; $\rm (USB)$&nbsp; as well as in the lower sideband&nbsp; $\rm (LSB)$.  
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 +
The so-called&nbsp; &raquo;'''single-sideband amplitude modulation'''&laquo;&nbsp; $\rm (SSB–AM)$&nbsp; takes advantage of this property by transmitting only one of these sidebands,&nbsp; either the upper sideband (USB) or the lower sideband (LSB).&nbsp; This reduces the required bandwidth by half compared to DSB-AM.
  
Die so genannte&nbsp; '''Einseitenband–Amplitudenmodulation'''&nbsp; $\rm (ESB–AM)$&nbsp; macht sich diese Eigenschaft dadurch zunutze, dass nur eines dieser Seitenbänder übertragen wird, entweder das obere Seitenband (OSB) oder das untere Seitenband (USB). Dadurch reduziert sich die erforderliche Bandbreite gegenüber derZSB–AM auf die Hälfte.
+
The graph illustrates single-sideband amplitude modulation in the frequency domain and simultaneously presents a realization of a SSB modulator.&nbsp;  
  
Die Grafik verdeutlicht die Einseitenband–Amplitudenmodulation im Frequenzbereich und gibt gleichzeitig eine Realisierungsform des ESB–Modulators an.&nbsp;  
+
In this representation,&nbsp; one can see:
  
[[File:EN_Mod_T_2_4_S1.png|right|frame| Spektren bei Zweiseitenband&ndash; und Einseitenbandmodulation]]
+
[[File:EN_Mod_T_2_4_S1.png|right|frame| Spectra for double sideband&nbsp; $\rm (DSB)$&nbsp; and single-sideband&nbsp; $\rm (USB, LSB)$&nbsp;  modulation]]
  
Man erkennt aus dieser Darstellung:
+
*The SSB spectrum results from the DSB spectrum by filtering with a band-pass which displays asymmetrical behaviour with respect to the carrier frequency &nbsp;$f_{\rm T}$.
*Das ESB–Spektrum ergibt sich aus dem ZSB–Spektrum durch Filterung mit einem Bandpass, der bezüglich der Trägerfrequenz &nbsp;$f_{\rm T}$&nbsp; ein unsymmetrisches Verhalten zeigt.
+
*Bei OSB–Modulation wird die untere Grenzfrequenz &nbsp;$f_{\rm U} = f_{\rm T} - f_ε$&nbsp; und die obere Grenzfrequenz zu &nbsp;$f_{\rm O} ≥ f_{\rm T} + B_{\rm NF}$&nbsp; gewählt.&nbsp; Hierbei bezeichnet &nbsp;$f_ε$&nbsp; eine beliebig kleine positive Frequenz.  
+
*For upper sideband modulation&nbsp; $\rm (USB)$,&nbsp; the lower cutoff frequency is chosen at &nbsp;$f_{\rm U} = f_{\rm T} - f_ε$&nbsp; and  &nbsp;$f_{\rm O} ≥ f_{\rm T} + B_{\rm NF}$&nbsp; $($subscripts from the German:&nbsp; "U"&nbsp; &rArr; &nbsp;"untere" &nbsp;&rArr; &nbsp;"lower",&nbsp; and&nbsp; "O"&nbsp; &rArr; &nbsp;"obere"&nbsp;&rArr; &nbsp;"upper"$)$. &nbsp;Here, &nbsp;$f_ε$&nbsp; denotes an arbitrarily small positive frequency.
*Das OSB–Spektrum beinhaltet somit nur das obere Seitenband und (nicht notwendigerweise) den Träger.  
+
*Zur Erzeugung einer USB–Modulation müssen dagegen die untere bzw. obere Grenzfrequenz des Bandpasses wie folgt festgelegt werden:
+
*Thus,&nbsp; the USB spectrum only contains the upper sideband and the carrier&nbsp; (though not necessarily the latter).&nbsp; To generate an USB modulation,&nbsp; the upper and lower cutoff frequencies of the band-pass must be set as follows:
 
:$$f_{\rm U} ≤ f_{\rm T} \ - \ B_{\rm NF}, \hspace{0.5cm}f_{\rm O} = f_{\rm T} + f_ε.$$  
 
:$$f_{\rm U} ≤ f_{\rm T} \ - \ B_{\rm NF}, \hspace{0.5cm}f_{\rm O} = f_{\rm T} + f_ε.$$  
 
+
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{{GraueBox|TEXT=
 
{{GraueBox|TEXT=
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp; Bei &nbsp;$f_{\rm T} = 100 \ \rm kHz$&nbsp; und &nbsp;$B_{\rm NF} = 3 \ \rm kHz$&nbsp; erhält man aus dem ZSB–Signal ein OSB–Signal mit Träger, wenn das Filter alle Frequenzen unterhalb von &nbsp;$99.999\text{...} \ \rm kHz$&nbsp; abschneidet.  
+
$\text{Example 1:}$&nbsp; For &nbsp;$f_{\rm T} = 100 \ \rm kHz$,&nbsp; $B_{\rm NF} = 3 \ \rm kHz$&nbsp;, DSB gives us an&nbsp; "USB-AM with carrier"&nbsp; if the filter cuts out all frequencies below  &nbsp;$99.999\text{...} \ \rm kHz$&nbsp;.  
*Ist die untere Grenzfrequenz &nbsp;$f_{\rm U}$&nbsp; um ein (beliebig kleines) „epsilon” größer als &nbsp;$f_{\rm T}$, so ergibt sich eine „OSB–AM ohne Träger”.  
+
*If the lower cut-off frequency &nbsp;$f_{\rm U}$&nbsp; is larger than &nbsp;$f_{\rm T}$&nbsp; by an&nbsp; (arbitrarily)&nbsp; small&nbsp; "epsilon",&nbsp;  we get an&nbsp; "USB-AM without carrier".
*Eine „USB mit/ohne Träger” kann entsprechend mit &nbsp;$f_{\rm O} =100 \ \rm kHz$&nbsp; bzw. &nbsp;$f_{\rm O} = 99.999\text{...} \ \rm kHz$ realisiert werden. }}
+
 +
*A&nbsp; "LSB with/without carrier"&nbsp; can be realised accordingly with &nbsp;$f_{\rm O} =100 \ \rm kHz$&nbsp; and &nbsp;$f_{\rm O} = 99.999\text{...} \ \rm kHz$,&nbsp; resp. }}
  
  
 
{{GraueBox|TEXT=
 
{{GraueBox|TEXT=
$\text{Beispiel 2:}$&nbsp; Um Bandbreite zu sparen, wurde die Einseitenband-Technik schon in den 1960er–Jahren bei der analogen Übertragung von Telefongesprächen eingesetzt.  
+
$\text{Example 2:}$&nbsp; To save bandwidth,&nbsp; single-sideband technology was already used in the 1960s for the analog transmission of telephone calls.
*Entsprechend eines hierarchischen Aufbaus wurden zunächst drei Fernsprechkanäle jeweils auf den Bereich &nbsp;$300\ \rm Hz$&nbsp; bis &nbsp;$3.4 \ \rm kHz$&nbsp; bandbegrenzt zu einer Vorgruppe mit der Bandbreite &nbsp;$12 \ \rm  kHz$&nbsp; zusammengefasst.
+
*In accordance with a hierarchical structure,&nbsp; three telephone channels&nbsp;  each band-limited to the range from &nbsp;$300\ \rm Hz$&nbsp; to &nbsp;$3.4 \ \rm kHz$&nbsp; –&nbsp; were initially combined to form a preliminary grouping with a bandwidth of &nbsp;$12 \ \rm  kHz$&nbsp;.
*Um drei Kanäle in &nbsp;$12 \ \rm  kHz$&nbsp; mit einem gewissen Sicherheitsabstand unterbringen zu können, wurde von jedem  Fernsprechkanal nur ein Seitenband&nbsp; (das untere oder das obere)&nbsp; berücksichtichtigt.
+
*In order to be able to accommodate three channels in &nbsp;$12 \ \rm  kHz$&nbsp; with a safety margin,&nbsp; only one sideband&nbsp; (LSB or USB)&nbsp; of each telephone channel was considered.
*Durch weiteres Zusammenfassen wurde so das Weitverkehrssystem&nbsp; '''V10800'''&nbsp; mit bis zu 10800 Sprachkanälen und einer Gesamtbandbreite von &nbsp;$60 \ \rm  MHz$&nbsp; realisiert. }}
+
 
 +
*Using further combinations,&nbsp; the long distance traffic system&nbsp; &raquo;'''V10800'''&laquo;&nbsp; with up to&nbsp; $10800$&nbsp; voice channels and a total bandwidth of &nbsp;$60 \ \rm  MHz$&nbsp; was thus realized.}}
  
  
 
{{BlaueBox|TEXT=
 
{{BlaueBox|TEXT=
$\text{Fazit:}$&nbsp;  
+
$\text{Conclusion:}$&nbsp;  
*Der große Vorteil einer ESB–AM liegt in der nur&nbsp; '''halben Bandbreite'''&nbsp; gegenüber der ZSB–AM.  
+
*The great advantage of a&nbsp; $\rm SSB-AM$&nbsp; is that it has &raquo;'''half the bandwidth'''&laquo; compared to&nbsp; $\rm DSB-AM$.  
*Mit welchen Nachteilen dieser Vorteil erkauft werden muss, wird auf den nächsten Seiten erläutert.}}
+
 
 +
*The trade-off with disadvantages required for this advantage is explained in the next sections.}}
  
  
==Synchrondemodulation eines ESB–Signals==
+
==Synchronous demodulation of a SSB-AM signal==
 
<br>
 
<br>
Wir betrachten nun ein ESB–moduliertes Signal und beim Empfänger den&nbsp; [[Modulation_Methods/Synchrondemodulation|Synchrondemodulator]].
+
Let us now consider a SSB-AM modulated signal and a&nbsp; [[Modulation_Methods/Synchronous_Demodulation|$\text{synchronous demodulator}$]]&nbsp; at the receiver.
*Vorausgesetzt wird zunächst eine perfekte Frequenz– und Phasensynchronisation.
+
*Perfect frequency and phase synchronization will be assumed.  
*Ohne Einfluss auf die Allgemeingültigkeit ist im weiteren Verlauf dieses Abschnitts stets &nbsp;${ ϕ}_{\rm T} = 0$&nbsp; gesetzt &nbsp; &rArr; &nbsp; Cosinus&ndash;Träger.  
 
  
 +
*Without affecting generality,&nbsp; in the rest of this section we will always let &nbsp;${ ϕ}_{\rm T} = 0$&nbsp; &rArr; &nbsp; cosine carrier.
  
[[File:EN_Mod_T_2_4_S2.png |right|frame| Synchrondemodulation eines ESB–Signals]]  
+
[[File:EN_Mod_T_2_4_S2_neu.png |right|frame| Synchronous demodulation of a SSB-AM signal]]  
 +
<br>
 +
A comparison with the&nbsp; [[Modulation_Methods/Synchronous_Demodulation|$\text{characteristics of the synchronous demodulator for DSB-AM}$]]&nbsp;  shows the follows similarities and differences:
  
Ein Vergleich mit den Eigenschaften des Synchrondemodulators bei ZSB–AM im vorletzten Kapitel zeigt folgende Gemeinsamkeiten und Unterschiede:
+
*The spectrum &nbsp;$V(f)$&nbsp; of the sink signal results in both cases from the convolution of the spectra &nbsp;$R(f)$&nbsp; and &nbsp;$Z_{\rm E}(f)$,&nbsp; the latter being composed of two Dirac delta functions at&nbsp;$±f_{\rm T}$.
  
*Das Spektrum &nbsp;$V(f)$&nbsp; des Sinkensignals ergibt sich in beiden Fällen aus der Faltung der Spektren &nbsp;$R(f)$&nbsp; und &nbsp;$Z_{\rm E}(f)$, wobei Letzteres sich aus zwei Diracfunktionen bei &nbsp;$±f_{\rm T}$&nbsp; zusammensetzt.
+
*For SSB–AM the convolution products overlap with the left and the right Dirac delta function at every frequency.&nbsp; These are denoted by&nbsp; "+"&nbsp; and&nbsp; "&ndash;"&nbsp; respectively in the [[Modulation_Methods/Synchronous_Demodulation#Description_in_the_frequency_domain|$\text{corresponding DSB graph}$]].
  
 +
*In contrast,&nbsp; for USB,&nbsp; only the convolution with the Dirac delta line at &nbsp;$ -f_{\rm T}$&nbsp; yields the &nbsp;$V(f)$&nbsp; component for positive frequencies,&nbsp; and for LSB modulation it is the convolution with the Dirac delta function &nbsp;$δ(f - f_{\rm T})$.
 
   
 
   
*Bei ZSB–AM überlagern sich für jede Frequenz die Faltungsprodukte mit der rechten und der linken Diracfunktion. In der [[Modulation_Methods/Synchrondemodulation#Beschreibung_im_Frequenzbereich|entsprechenden ZSB&ndash;Grafik]] sind diese Anteile mit „+” bzw. „–” markiert.
+
*In the case of DSB–AM,&nbsp; $v(t) = q(t)$&nbsp; is reached with the receiver-side carrier signal &nbsp;$z_{\rm E}(t) =  2 · \cos(ω_{\rm T} · t)$.&nbsp; In contrast,&nbsp; the carrier amplitude must be increased to &nbsp;$A_{\rm T} = 4$ &nbsp; for SSB-AM.
 
 
 
 
*Dagegen liefert bei OSB–Modulation nur die Faltung mit der Diraclinie bei &nbsp;$ -f_{\rm T}$&nbsp; den &nbsp;$V(f)$–Anteil bei positiven Frequenzen und bei USB–Modulation die Faltung mit der Diracfunktion &nbsp;$δ(f - f_{\rm T})$.
 
 
 
 
*Bei ZSB–AM wird&nbsp; $v(t) = q(t)$&nbsp; mit dem empfangsseitigen Trägersignal &nbsp;$z_{\rm E}(t) =  2 · \cos(ω_{\rm T} · t)$&nbsp; erreicht.&nbsp; Dagegen muss bei ESB–AM die Trägeramplitude auf  &nbsp;$A_{\rm T} = 4$ &nbsp; erhöht werden.  
 
 
<br clear=all>
 
<br clear=all>
 
{{BlaueBox|TEXT=
 
{{BlaueBox|TEXT=
$\text{Fazit:}$&nbsp; Besteht ein Frequenzversatz zwischen den Trägersignalen &nbsp;$z(t)$&nbsp; und &nbsp;$z_{\rm E}(t)$, so kommt es stets zu starken nichtlinearen Verzerrungen, also unabhängig davon, ob ZSB–AM oder ESB–AM vorliegt.&nbsp; Bei der&nbsp; '''Realisierung eines Synchrondemodulators'''&nbsp; ist deshalb eine&nbsp; '''perfekte Frequenzsynchronisation'''&nbsp; unerlässlich. }}
+
$\text{Conclusion:}$&nbsp; If there is a frequency offset between the carrier signals &nbsp;$z(t)$&nbsp; and &nbsp;$z_{\rm E}(t)$,&nbsp; strong nonlinear distortion always occurs, i.e.,&nbsp; regardless of whether DSB-AM or SSB-AM is present.&nbsp; For the &nbsp; &raquo;'''implementation of a synchronous demodulator'''&laquo;&nbsp; a &nbsp; &raquo;'''perfect frequency synchronization'''&laquo;&nbsp; is essential. }}
  
  
  
==Einfluss eines Phasenversatzes bei ESB-AM==
+
==Influence of a phase offset for SSB-AM==
 
<br>
 
<br>
Betrachten wir nun den Einfluss eines Phasenversatzes &nbsp;$Δ{\mathbf ϕ}_{\rm T}$&nbsp; zwischen sende– und empfangsseitigem Trägersignal, und zwar am Beispiel des Quellensignals
+
Let us now consider the influence of a phase offset &nbsp;$Δ{\mathbf ϕ}_{\rm T}$&nbsp; between the transmitter and receiver side carrier signals,&nbsp; using an example source signal
 
:$$q(t) = A_1 \cdot \cos(\omega_1  \cdot t ) + A_2 \cdot \cos(\omega_2 \cdot  t)\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$q(t) = A_1 \cdot \cos(\omega_1  \cdot t ) + A_2 \cdot \cos(\omega_2 \cdot  t)\hspace{0.05cm}.$$
*Bei ZSB–AM führt ein solcher Phasenversatz lediglich zu einer frequenzunabhängigen Dämpfung, aber nicht zu Verzerrungen:  
+
*For DSB–AM,&nbsp; such a phase offset only leads to frequency-independent attenuation,&nbsp; but not to distortions:  
 
:$$v(t) = \cos (\Delta \phi_{\rm T}) \cdot q(t) = \cos (\Delta \phi_{\rm T}) \cdot A_1 \cdot \cos(\omega_1  \cdot t ) + \cos (\Delta \phi_{\rm T}) \cdot A_2 \cdot \cos(\omega_2  \cdot t ) \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$v(t) = \cos (\Delta \phi_{\rm T}) \cdot q(t) = \cos (\Delta \phi_{\rm T}) \cdot A_1 \cdot \cos(\omega_1  \cdot t ) + \cos (\Delta \phi_{\rm T}) \cdot A_2 \cdot \cos(\omega_2  \cdot t ) \hspace{0.05cm}.$$
*Dagegen erhält man bei der OSB–AM:  
+
 
 +
*In contrast,&nbsp; for USB-AM we get:  
 
:$$v(t)  = A_1 \cdot \cos(\omega_1  \cdot t - \Delta \phi_{\rm T}) + A_2
 
:$$v(t)  = A_1 \cdot \cos(\omega_1  \cdot t - \Delta \phi_{\rm T}) + A_2
 
\cdot \cos(\omega_2 \cdot  t - \Delta \phi_{\rm T})= A_1 \cdot \cos(\omega_1 \cdot  (t - \tau_1)) + A_2 \cdot
 
\cdot \cos(\omega_2 \cdot  t - \Delta \phi_{\rm T})= A_1 \cdot \cos(\omega_1 \cdot  (t - \tau_1)) + A_2 \cdot
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{{BlaueBox|TEXT=
 
{{BlaueBox|TEXT=
$\text{Man erkennt aus dieser Gleichung:}$
+
$\text{From this equation we can see:}$
*Die beiden Laufzeiten &nbsp;$τ_1 = Δ{\mathbf ϕ}_{\rm T}/ω_1$&nbsp; und &nbsp;$τ_2 = Δ{\mathbf ϕ}_{\rm T}/ω_2$&nbsp; sind unterschiedlich.  
+
*The two delay times &nbsp;$τ_1 = Δ{\mathbf ϕ}_{\rm T}/ω_1$&nbsp; and &nbsp;$τ_2 = Δ{\mathbf ϕ}_{\rm T}/ω_2$&nbsp; are different.
*Das bedeutet, dass ein Phasenversatz bei ESB–AM (OSB–AM oder USB–AM) zu&nbsp; '''Phasenverzerrungen'''&nbsp; (also zu linearen Verzerrungen) führt.  
+
*Ein positiver Wert von &nbsp;$Δ{\mathbf ϕ}_{\rm T}$&nbsp; bewirkt
+
*This means that a phase offset in single sideband amplitude modulation&nbsp; (USB–AM or LSB–AM)&nbsp; leads to&nbsp; &raquo;'''phase distortions'''&laquo;&nbsp; (i.e., to linear distortions).
**bei OSB positive Werte von &nbsp;$τ_1$&nbsp; und &nbsp;$τ_2$&nbsp; (also gegenüber dem Cosinus nachlaufende Signale)&nbsp; und
+
**bei USB negative &nbsp;$τ_1$&nbsp; bzw. &nbsp;$τ_2$–Werte&nbsp; (vorlaufende Signale).}}  
+
*A positive value of&nbsp; $Δ{\mathbf ϕ}_{\rm T}$&nbsp; will cause
 +
**positive values of &nbsp;$τ_1$&nbsp; and &nbsp;$τ_2$&nbsp; (i.e., lagging signals with respect to the cosine)&nbsp; for USB,&nbsp; and
 +
**negative &nbsp;$τ_1$&nbsp; and &nbsp;$τ_2$ values&nbsp; (leading signals)&nbsp; for LSB.}}  
  
  
Die Auswirkungen von Phasenverzerrungen auf ein aus zwei Cosinusschwingungen zusammengesetztes Nachrichtensignal können Sie sich mit dem interaktiven Applet&nbsp; [[Applets:Lineare_Verzerrungen_periodischer_Signale|Lineare Verzerrungen periodischer Signale]]&nbsp; verdeutlichen.
+
The effects of phase distortions on a signal composed two cosine oscillations is illustrated with the HTML 5/JavaScript  applet&nbsp; [[Applets:Linear_Distortions_of_Periodic_Signals|"Linear Distortions of Periodic Signals"]].
  
 
   
 
   
  
==Seitenband–zu–Träger–Verhältnis==
+
==Sideband-to-carrier ratio==
 
<br>
 
<br>
[[File:EN_Mod_T_2_4_S4a.png|right|frame|Spektren bei ZSB- und ESB-AM]]
+
An important parameter for DSB–AM is the&nbsp; [[Modulation_Methods/Double-Sideband_Amplitude_Modulation#Double-Sideband_Amplitude_Modulation_with_carrier|$\text{modulation depth}$]] &nbsp;$m = q_{\rm max}/A_{\rm T}$.&nbsp; In the special case of a harmonic oscillation, &nbsp;$m = A_{\rm N}/A_{\rm T}$&nbsp; holds and one obtains the spectrum &nbsp;$S_+(f)$&nbsp; of the analytical signal corresponding to the upper graph.&nbsp; Please note the normalization with respect to  &nbsp;$A_{\rm T}$.  
Ein wichtiger Parameter der ZSB–AM ist der&nbsp; [[Modulation_Methods/Zweiseitenband-Amplitudenmodulation#ZSB-Amplitudenmodulation_mit_Tr.C3.A4ger|Modulationsgrad]] &nbsp;$m = q_{\rm max}/A_{\rm T}$.  
 
  
Im Sonderfall einer harmonischen Schwingung gilt &nbsp;$m = A_{\rm N}/A_{\rm T}$&nbsp; und man erhält das Spektrum &nbsp;$S_+(f)$&nbsp; des analytischen Signals entsprechend der oberen Grafik.&nbsp; Beachten Sie bitte die Normierung auf &nbsp;$A_{\rm T}$.
+
[[File:EN_Mod_T_2_4_S4a.png|right|frame|Spectra for DSB-AM,&nbsp; USB-AM]]
  
Bei der ESB–AM ist die Anwendung des Parameters &nbsp;$m$&nbsp; zwar prinzipiell möglich, aber nicht zweckmäßig.&nbsp; Beispielsweise gilt für die Zeitbereichsdarstellung der OSB–AM mit dem Spektrum &nbsp;$S_+(f)$&nbsp; entsprechend der unteren Grafik:  
+
For SSB–AM,&nbsp; the application of the parameter &nbsp;$m$&nbsp; is possible in principle,&nbsp; but it is not practical. &nbsp;
 +
 
 +
For example,&nbsp; the following holds for the time-domain representation of USB-AM with the spectrum &nbsp;$S_+(f)$&nbsp; corresponding to the lower graph:  
 
:$$s_+(t) = A_{\rm T} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.05cm} \omega_{\rm T} \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.05cm}t }  + {A_{\rm N}}/{2} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} (\omega_{\rm T} + \omega_{\rm N}) \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t }\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$s_+(t) = A_{\rm T} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.05cm} \omega_{\rm T} \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.05cm}t }  + {A_{\rm N}}/{2} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} (\omega_{\rm T} + \omega_{\rm N}) \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t }\hspace{0.05cm}.$$
Hierfür kann in gleicher Weise
+
In a similar way,&nbsp; this can be written as
 
:$$s_+(t) = A_{\rm T} \cdot \left({\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.05cm} \omega_{\rm T} \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.05cm}t }  + \mu \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} (\omega_{\rm T} + \omega_{\rm N}) \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.05cm}t }\right)$$
 
:$$s_+(t) = A_{\rm T} \cdot \left({\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.05cm} \omega_{\rm T} \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.05cm}t }  + \mu \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} (\omega_{\rm T} + \omega_{\rm N}) \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.05cm}t }\right)$$
geschrieben werden, wobei nun das&nbsp; '''Seitenband–zu–Träger–Verhältnis'''&nbsp; verwendet ist:  
+
now using the &nbsp; &raquo;'''sideband–to–carrier ratio'''&laquo;&nbsp;:  
 
:$$\mu = \frac{A_{\rm N}}{2 \cdot A_{\rm T}} \hspace{0.05cm}.$$
 
:$$\mu = \frac{A_{\rm N}}{2 \cdot A_{\rm T}} \hspace{0.05cm}.$$
Ist das Quellensignal keine harmonische Schwingung, so ist die Angabe dieser Größe schwierig.  
+
If the source signal is not a harmonic oscillation,&nbsp; it is difficult to specify this quantity.  
*Hier kann man folgende Näherung benutzen:  
+
*Here one can use the following approximation:  
:$$\mu \approx \frac{q_{\rm max}}{2 \cdot A_{\rm T}} \hspace{0.3cm}{\rm mit}\hspace{0.3cm} q_{\rm max} = \max_{t} \hspace{0.05cm} |q(t)|  \hspace{0.05cm}.$$
+
:$$\mu \approx \frac{q_{\rm max}}{2 \cdot A_{\rm T}} \hspace{0.3cm}{\rm with}\hspace{0.3cm} q_{\rm max} = \max_{t} \hspace{0.05cm} |q(t)|  \hspace{0.05cm}.$$
*Somit ist &nbsp;$\mu \approx m/2.$&nbsp; Ein Vergleich zwischen ZSB–AM und ESB-AM sollte jedoch stets für den gleichen Zahlenwert von &nbsp;$m$&nbsp; bzw. &nbsp;$\mu$&nbsp; erfolgen.  
+
 
 +
*Thus, &nbsp;$\mu \approx m/2.$&nbsp; However,&nbsp; a comparison of DSB-AM to SSB-AM should always be made for the same numerical value of &nbsp;$m$&nbsp;and &nbsp;$,\mu$&nbsp; resp.
  
  
[[File:EN_Mod_T_2_4_S4b.png |right|frame| Signalverläufe bei ZSB_AM und OSB-AM]]
 
 
{{GraueBox|TEXT=
 
{{GraueBox|TEXT=
$\text{Beispiel 3:}$&nbsp; Die obere Grafik zeigt das ZSB–AM–Signal für den Modulationsgrad &nbsp;$m = q_{\rm max}/A_{\rm T} = 1$ &nbsp; &rArr; &nbsp; Grenzfall für die Anwendung der Hüllkurvendemodulation bei ZSB-AM: &nbsp;  
+
[[File:EN_Mod_T_2_4_S4b.png |right|frame| Signal waveforms for DSB-AM and USB-AM]]
<br>&rArr; &nbsp; Das Nachrichtensignal &nbsp;$q(t)$&nbsp; ist dann  in der Hüllkurve &nbsp;$a(t)$&nbsp; gerade noch verzerrungsfrei enthalten.  
+
$\text{Example 3:}$&nbsp;  
 +
*The upper graph shows the DSB-AM signal for a modulation depth of  &nbsp;$m = q_{\rm max}/A_{\rm T} = 1$ &nbsp; &rArr; &nbsp; limit case for the application of envelope demodulation with DSB-AM &nbsp; &rArr; &nbsp; The signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; is then just contained in the envelope&nbsp;$a(t)$.  
  
 +
*For the USB-AM signal in the middle graph, &nbsp;$A_{\rm T} = q_{\rm max}$&nbsp; was also chosen&nbsp; which corresponds to the numerical values  &nbsp;$m = 1$&nbsp; and &nbsp;$\mu = 0.5$&nbsp; as defined above &nbsp; &rArr; &nbsp; Since the LSB magnitude is missing, the envelope &nbsp;$a(t)$&nbsp; is significantly different to &nbsp;$q(t) + A_{\rm T}.$
  
 +
*In contrast,&nbsp; $q_{\rm max} = 2 · A_{\rm T}$&nbsp; was chosen for the lower signal waveform&nbsp; &rArr; &nbsp; Here, the sideband-to-carrier ratio has the numerical value &nbsp;$\mu =1$.
  
Für das OSB–Signal in der mittleren Grafik zeigt wurde ebenfalls &nbsp;$A_{\rm T} = q_{\rm max}$&nbsp; gewählt, was nach obigen Definitionen den Zahlenwerten &nbsp;$m = 1$&nbsp; bzw. &nbsp;$\mu = 0.5$&nbsp; entspricht.
 
<br>&rArr; &nbsp; Da der USB-Beitrag fehlt, unterscheidet sich hier die Hüllkurve &nbsp;$a(t)$&nbsp; deutlich von &nbsp;$q(t) + A_{\rm T}.$
 
  
 +
This graph makes the following clear:
 +
#There are more similarities between the upper and lower signal than between the first two.
 +
#The comparison of a DSB-AM and a SSB-AM should be made for the same numerical value of &nbsp;$m$&nbsp; and &nbsp;$\mu$&nbsp; if possible.
 +
#For each value&nbsp;  $\mu$&nbsp; of the sideband-to-carrier ratio,&nbsp;  the  envelope demodulation with SSB-AM leads to severe distortions.
 +
#These are of a nonlinear nature and therefore irreversible.  }}
  
 +
==Summarized evaluation of SSB–AM==
 +
<br>
 +
The key advantage of&nbsp;  $\text{SSB&ndash;AM}$&nbsp; compared to&nbsp;  $\text{DSB&ndash;AM}$&nbsp; is the bandwidth requirement,&nbsp; smaller by a factor of &nbsp;$2$.&nbsp; However,&nbsp; for the half bandwidth in SSB-AM,&nbsp; some disadvantages have to be accepted,&nbsp; which will be investigated in the exercises for this section:
 +
*The information about the source signal &nbsp;$q(t)$&nbsp; is,&nbsp; in contrast to DSB-AM,&nbsp; no longer exclusively in the amplitude,&nbsp; but equally in the phase&nbsp; (see [[Aufgaben:Exercise_2.11:_Envelope_Demodulation_of_an_SSB_Signal|"Exercise 2.11"]]).
  
Dagegen wurde für den unteren Signalverlauf &nbsp;$q_{\rm max} = 2 · A_{\rm T}$&nbsp; gewählt.
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*Synchronous demodulation of a SSB–AM signal leads to phase distortions if there is a phase offset between the carrier signals at the transmitter and the receiver.
<br>&rArr; &nbsp; Das Seitenband–zu–Träger–Verhältnis hat hier den Zahlenwert &nbsp;$\mu =1$.
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<br clear=all>
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*The application of&nbsp; $\text{envelope demodulation}$&nbsp; with&nbsp; "USB&ndash;AM"&nbsp; or&nbsp;   "LSB&ndash;AM"&nbsp; thus always leads to strong nonlinear distortions&nbsp; (see [[Aufgaben:Exercise_2.11Z:_Once_again_SSB-AM_and_Envelope_Demodulator|"Exercise 2.11Z"]]).  
Diese Grafik macht Folgendes deutlich:
 
*Es sind mehr Ähnlichkeiten zwischen dem oberen und dem unteren Signal festzustellen als zwischen den ersten beiden &nbsp; &rArr; &nbsp; der Vergleich zwischen einer ZSB–AM und einer ESB–AM sollte möglichst bei gleichem Zahlenwert für &nbsp;$m$&nbsp; bzw. &nbsp;$\mu$&nbsp; erfolgen.  
 
*Die Hüllkurvendemodulation führt bei einer Einseitenband–Amplitudenmodulation grundsätzlich – das heißt für jeden Zahlenwert des Seitenband–zu–Träger–Verhältnisses&nbsp;  $\mu$ – zu gravierenden Verzerrungen.&nbsp; Diese sind von nichtlinearer Art und somit irreversibel. }}
 
  
==Zusammenfassende Bewertung der ESB–AM==
 
<br>
 
Der entscheidende Vorteil der ESB–AM gegenüber der ZSB–AM ist der um den Faktor &nbsp;$2$&nbsp; geringere Bandbreitenbedarf.&nbsp; Für die halbe Bandbreite der ESB–AM müssen aber auch Nachteile in Kauf genommen werden, die in den Aufgaben zu diesem Abschnitt untersucht werden sollen:
 
*Die Information über das Quellensignal &nbsp;$q(t)$&nbsp; steckt nun im Gegensatz zur ZSB–AM nicht mehr ausschließlich in der Amplitude, sondern gleichermaßen auch in der Phase <br>(siehe[[Aufgaben:Aufgabe_2.11:_Hüllkurvendemodulation_eines_ESB-Signals| Aufgabe 2.11]]).
 
*Die Anwendung der Hüllkurvendemodulation bei OSB– oder USB–AM führt deshalb stets zu starken nichtlinearen Verzerrungen&nbsp; (siehe [[Aufgaben:Aufgabe_2.11Z:_Nochmals_ESB-AM_und_Hüllkurvendemodulator|Aufgabe 2.11Z]]).
 
*Synchrondemodulation eines ESB–AM–Signals führt zu Phasenverzerrungen, wenn zwischen den Trägersignalen bei Sender und Empfänger ein Phasenversatz besteht.
 
  
  
Ebenso wie bei einer ZSB–AM mit Synchrondemodulation gelten auch hier folgende Aussagen:  
+
As with DSB–AM and synchronous demodulation,&nbsp; the following statements also apply here:  
*Dämpfungsverzerrungen des Kanals führen ebenfalls nur zu&nbsp; (linearen)&nbsp; Dämpfungsverzerrungen bezüglich des Sinkensignals.&nbsp; Es entstehen keine nichtlinearen Verzerrungen&nbsp; (siehe&nbsp; [[Aufgaben:Aufgabe_2.10:_ESB-AM_mit_Kanalverzerrungen|Aufgabe A2.10]]).  
+
*Attenuation distortions of the channel also lead only to (linear)&nbsp; attenuation distortions with respect to the sink signal.&nbsp; No nonlinear distortions arise&nbsp; (see&nbsp; [[Aufgaben:Exercise_2.10:_SSB-AM_with_Channel_Distortions|"Exercise 2.10"]]).
*Die ESB–AM ohne Träger zeigt genau gleiches Rauschverhalten wie die ZSB–AM ohne Träger.&nbsp; Der Vorteil der kleineren HF–Bandbreite wird durch die notwendige Pegelanpassung aufgehoben.  
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*Eine ESB–AM mit Seitenband–zu–Träger–Verhältnis &nbsp;$\mu$&nbsp; zeigt ähnliches Rauschverhalten wie eine ZSB–AM mit Modulationsgrad &nbsp;$m = \sqrt{2} · \mu$&nbsp; (siehe&nbsp; [[Aufgaben:Aufgabe_2.10Z:_Rauschen_bei_ZSB-AM_und_ESB-AM|Aufgabe 2.10Z]]).  
+
*SSB–AM without a carrier shows the exact same noise behaviour as DSB-AM without a carrier.&nbsp; The advantage of the smaller RF bandwidth is cancelled out by the necessary level matching.
*Allerdings ist zu beachten, dass die ESB–AM mit Träger aufgrund der nichtlinearen Verzerrungen bei Hüllkurvendemodulation  wenig sinnvoll ist.  
+
 +
*A SSB–AM with a sideband-to-carrier ratio &nbsp;$\mu$&nbsp; shows similar noise behaviour as in DSB-AM with modulation depth &nbsp;$m = \sqrt{2} · \mu$&nbsp; (see&nbsp; [[Aufgaben:Exercise_2.10Z:_Noise_with_DSB-AM_and_SSB-AM|"Exercise 2.10Z"]]).
 +
 +
*In any case,&nbsp; it should be noted that SSB-AM with carrier is not very useful due to the nonlinear distortions brought about with envelope demodulation.
  
  
==Aufgaben zum Kapitel==
+
==Exercises for the chapter==
 
<br>
 
<br>
[[Aufgaben:Aufgabe_2.10:_ESB-AM_mit_Kanalverzerrungen|Aufgabe 2.10: ESB-AM mit Kanalverzerrungen]]
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[[Aufgaben:Exercise_2.10:_SSB-AM_with_Channel_Distortions|Exercise 2.10: SSB-AM with Channel Distortions]]
  
[[Aufgaben:Aufgabe_2.10Z:_Rauschen_bei_ZSB-AM_und_ESB-AM|Aufgabe 2.10Z: Rauschen bei ZSB-AM und ESB-AM]]
+
[[Aufgaben:Exercise_2.10Z:_Noise_with_DSB-AM_and_SSB-AM|Exercise 2.10Z: Noise with DSB-AM and SSB-AM]]
  
[[Aufgaben:Aufgabe_2.11:_Hüllkurvendemodulation_eines_ESB-Signals|Aufgabe 2.11: Hüllkurvendemodulation eines ESB-Signals]]
+
[[Aufgaben:Exercise_2.11:_Envelope_Demodulation_of_an_SSB_Signal|Exercise 2.11: Envelope Demodulation of an SSB signal]]
  
[[Aufgaben:Aufgabe_2.11Z:_Nochmals_ESB-AM_und_Hüllkurvendemodulator|Aufgabe 2.11Z: Nochmals ESB-AM und Hüllkurvendemodulator]]
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[[Aufgaben:Exercise_2.11Z:_Once_again_SSB-AM_and_Envelope_Demodulator|Exercise 2.11Z: Once again SSB-AM and Envelope Demodulator]]
  
  
 
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Latest revision as of 14:43, 18 January 2023

Description in the frequency domain


Double sideband amplitude modulation  $\rm (DSB–AM)$  – both with and without a carrier –  has the following characteristics:

  • The modulated signal  $s(t)$  requires twice the bandwidth of the source signal  $q(t)$.
  • The complete information about  $q(t)$  is in both the upper sideband   $\rm (USB)$  as well as in the lower sideband  $\rm (LSB)$.


The so-called  »single-sideband amplitude modulation«  $\rm (SSB–AM)$  takes advantage of this property by transmitting only one of these sidebands,  either the upper sideband (USB) or the lower sideband (LSB).  This reduces the required bandwidth by half compared to DSB-AM.

The graph illustrates single-sideband amplitude modulation in the frequency domain and simultaneously presents a realization of a SSB modulator. 

In this representation,  one can see:

Spectra for double sideband  $\rm (DSB)$  and single-sideband  $\rm (USB, LSB)$  modulation
  • The SSB spectrum results from the DSB spectrum by filtering with a band-pass which displays asymmetrical behaviour with respect to the carrier frequency  $f_{\rm T}$.
  • For upper sideband modulation  $\rm (USB)$,  the lower cutoff frequency is chosen at  $f_{\rm U} = f_{\rm T} - f_ε$  and  $f_{\rm O} ≥ f_{\rm T} + B_{\rm NF}$  $($subscripts from the German:  "U"  ⇒  "untere"  ⇒  "lower",  and  "O"  ⇒  "obere" ⇒  "upper"$)$.  Here,  $f_ε$  denotes an arbitrarily small positive frequency.
  • Thus,  the USB spectrum only contains the upper sideband and the carrier  (though not necessarily the latter).  To generate an USB modulation,  the upper and lower cutoff frequencies of the band-pass must be set as follows:
$$f_{\rm U} ≤ f_{\rm T} \ - \ B_{\rm NF}, \hspace{0.5cm}f_{\rm O} = f_{\rm T} + f_ε.$$


$\text{Example 1:}$  For  $f_{\rm T} = 100 \ \rm kHz$,  $B_{\rm NF} = 3 \ \rm kHz$ , DSB gives us an  "USB-AM with carrier"  if the filter cuts out all frequencies below  $99.999\text{...} \ \rm kHz$ .

  • If the lower cut-off frequency  $f_{\rm U}$  is larger than  $f_{\rm T}$  by an  (arbitrarily)  small  "epsilon",  we get an  "USB-AM without carrier".
  • A  "LSB with/without carrier"  can be realised accordingly with  $f_{\rm O} =100 \ \rm kHz$  and  $f_{\rm O} = 99.999\text{...} \ \rm kHz$,  resp.


$\text{Example 2:}$  To save bandwidth,  single-sideband technology was already used in the 1960s for the analog transmission of telephone calls.

  • In accordance with a hierarchical structure,  three telephone channels  – each band-limited to the range from  $300\ \rm Hz$  to  $3.4 \ \rm kHz$  –  were initially combined to form a preliminary grouping with a bandwidth of  $12 \ \rm kHz$ .
  • In order to be able to accommodate three channels in  $12 \ \rm kHz$  with a safety margin,  only one sideband  (LSB or USB)  of each telephone channel was considered.
  • Using further combinations,  the long distance traffic system  »V10800«  with up to  $10800$  voice channels and a total bandwidth of  $60 \ \rm MHz$  was thus realized.


$\text{Conclusion:}$ 

  • The great advantage of a  $\rm SSB-AM$  is that it has »half the bandwidth« compared to  $\rm DSB-AM$.
  • The trade-off with disadvantages required for this advantage is explained in the next sections.


Synchronous demodulation of a SSB-AM signal


Let us now consider a SSB-AM modulated signal and a  $\text{synchronous demodulator}$  at the receiver.

  • Perfect frequency and phase synchronization will be assumed.
  • Without affecting generality,  in the rest of this section we will always let  ${ ϕ}_{\rm T} = 0$  ⇒   cosine carrier.
Synchronous demodulation of a SSB-AM signal


A comparison with the  $\text{characteristics of the synchronous demodulator for DSB-AM}$  shows the follows similarities and differences:

  • The spectrum  $V(f)$  of the sink signal results in both cases from the convolution of the spectra  $R(f)$  and  $Z_{\rm E}(f)$,  the latter being composed of two Dirac delta functions at $±f_{\rm T}$.
  • For SSB–AM the convolution products overlap with the left and the right Dirac delta function at every frequency.  These are denoted by  "+"  and  "–"  respectively in the $\text{corresponding DSB graph}$.
  • In contrast,  for USB,  only the convolution with the Dirac delta line at  $ -f_{\rm T}$  yields the  $V(f)$  component for positive frequencies,  and for LSB modulation it is the convolution with the Dirac delta function  $δ(f - f_{\rm T})$.
  • In the case of DSB–AM,  $v(t) = q(t)$  is reached with the receiver-side carrier signal  $z_{\rm E}(t) = 2 · \cos(ω_{\rm T} · t)$.  In contrast,  the carrier amplitude must be increased to  $A_{\rm T} = 4$   for SSB-AM.


$\text{Conclusion:}$  If there is a frequency offset between the carrier signals  $z(t)$  and  $z_{\rm E}(t)$,  strong nonlinear distortion always occurs, i.e.,  regardless of whether DSB-AM or SSB-AM is present.  For the   »implementation of a synchronous demodulator«  a   »perfect frequency synchronization«  is essential.


Influence of a phase offset for SSB-AM


Let us now consider the influence of a phase offset  $Δ{\mathbf ϕ}_{\rm T}$  between the transmitter and receiver side carrier signals,  using an example source signal

$$q(t) = A_1 \cdot \cos(\omega_1 \cdot t ) + A_2 \cdot \cos(\omega_2 \cdot t)\hspace{0.05cm}.$$
  • For DSB–AM,  such a phase offset only leads to frequency-independent attenuation,  but not to distortions:
$$v(t) = \cos (\Delta \phi_{\rm T}) \cdot q(t) = \cos (\Delta \phi_{\rm T}) \cdot A_1 \cdot \cos(\omega_1 \cdot t ) + \cos (\Delta \phi_{\rm T}) \cdot A_2 \cdot \cos(\omega_2 \cdot t ) \hspace{0.05cm}.$$
  • In contrast,  for USB-AM we get:
$$v(t) = A_1 \cdot \cos(\omega_1 \cdot t - \Delta \phi_{\rm T}) + A_2 \cdot \cos(\omega_2 \cdot t - \Delta \phi_{\rm T})= A_1 \cdot \cos(\omega_1 \cdot (t - \tau_1)) + A_2 \cdot \cos(\omega_2 \cdot (t - \tau_2))\hspace{0.05cm}.$$

$\text{From this equation we can see:}$

  • The two delay times  $τ_1 = Δ{\mathbf ϕ}_{\rm T}/ω_1$  and  $τ_2 = Δ{\mathbf ϕ}_{\rm T}/ω_2$  are different.
  • This means that a phase offset in single sideband amplitude modulation  (USB–AM or LSB–AM)  leads to  »phase distortions«  (i.e., to linear distortions).
  • A positive value of  $Δ{\mathbf ϕ}_{\rm T}$  will cause
    • positive values of  $τ_1$  and  $τ_2$  (i.e., lagging signals with respect to the cosine)  for USB,  and
    • negative  $τ_1$  and  $τ_2$ values  (leading signals)  for LSB.


The effects of phase distortions on a signal composed two cosine oscillations is illustrated with the HTML 5/JavaScript applet  "Linear Distortions of Periodic Signals".


Sideband-to-carrier ratio


An important parameter for DSB–AM is the  $\text{modulation depth}$  $m = q_{\rm max}/A_{\rm T}$.  In the special case of a harmonic oscillation,  $m = A_{\rm N}/A_{\rm T}$  holds and one obtains the spectrum  $S_+(f)$  of the analytical signal corresponding to the upper graph.  Please note the normalization with respect to  $A_{\rm T}$.

Spectra for DSB-AM,  USB-AM

For SSB–AM,  the application of the parameter  $m$  is possible in principle,  but it is not practical.  

For example,  the following holds for the time-domain representation of USB-AM with the spectrum  $S_+(f)$  corresponding to the lower graph:

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

In a similar way,  this can be written as

$$s_+(t) = A_{\rm T} \cdot \left({\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.05cm} \omega_{\rm T} \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.05cm}t } + \mu \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} (\omega_{\rm T} + \omega_{\rm N}) \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.05cm}t }\right)$$

now using the   »sideband–to–carrier ratio« :

$$\mu = \frac{A_{\rm N}}{2 \cdot A_{\rm T}} \hspace{0.05cm}.$$

If the source signal is not a harmonic oscillation,  it is difficult to specify this quantity.

  • Here one can use the following approximation:
$$\mu \approx \frac{q_{\rm max}}{2 \cdot A_{\rm T}} \hspace{0.3cm}{\rm with}\hspace{0.3cm} q_{\rm max} = \max_{t} \hspace{0.05cm} |q(t)| \hspace{0.05cm}.$$
  • Thus,  $\mu \approx m/2.$  However,  a comparison of DSB-AM to SSB-AM should always be made for the same numerical value of  $m$ and  $,\mu$  resp.


Signal waveforms for DSB-AM and USB-AM

$\text{Example 3:}$ 

  • The upper graph shows the DSB-AM signal for a modulation depth of  $m = q_{\rm max}/A_{\rm T} = 1$   ⇒   limit case for the application of envelope demodulation with DSB-AM   ⇒   The signal  $q(t)$  is then just contained in the envelope $a(t)$.
  • For the USB-AM signal in the middle graph,  $A_{\rm T} = q_{\rm max}$  was also chosen  which corresponds to the numerical values  $m = 1$  and  $\mu = 0.5$  as defined above   ⇒   Since the LSB magnitude is missing, the envelope  $a(t)$  is significantly different to  $q(t) + A_{\rm T}.$
  • In contrast,  $q_{\rm max} = 2 · A_{\rm T}$  was chosen for the lower signal waveform  ⇒   Here, the sideband-to-carrier ratio has the numerical value  $\mu =1$.


This graph makes the following clear:

  1. There are more similarities between the upper and lower signal than between the first two.
  2. The comparison of a DSB-AM and a SSB-AM should be made for the same numerical value of  $m$  and  $\mu$  if possible.
  3. For each value  $\mu$  of the sideband-to-carrier ratio,  the envelope demodulation with SSB-AM leads to severe distortions.
  4. These are of a nonlinear nature and therefore irreversible.

Summarized evaluation of SSB–AM


The key advantage of  $\text{SSB–AM}$  compared to  $\text{DSB–AM}$  is the bandwidth requirement,  smaller by a factor of  $2$.  However,  for the half bandwidth in SSB-AM,  some disadvantages have to be accepted,  which will be investigated in the exercises for this section:

  • The information about the source signal  $q(t)$  is,  in contrast to DSB-AM,  no longer exclusively in the amplitude,  but equally in the phase  (see "Exercise 2.11").
  • Synchronous demodulation of a SSB–AM signal leads to phase distortions if there is a phase offset between the carrier signals at the transmitter and the receiver.
  • The application of  $\text{envelope demodulation}$  with  "USB–AM"  or  "LSB–AM"  thus always leads to strong nonlinear distortions  (see "Exercise 2.11Z").


As with DSB–AM and synchronous demodulation,  the following statements also apply here:

  • Attenuation distortions of the channel also lead only to (linear)  attenuation distortions with respect to the sink signal.  No nonlinear distortions arise  (see  "Exercise 2.10").
  • SSB–AM without a carrier shows the exact same noise behaviour as DSB-AM without a carrier.  The advantage of the smaller RF bandwidth is cancelled out by the necessary level matching.
  • A SSB–AM with a sideband-to-carrier ratio  $\mu$  shows similar noise behaviour as in DSB-AM with modulation depth  $m = \sqrt{2} · \mu$  (see  "Exercise 2.10Z").
  • In any case,  it should be noted that SSB-AM with carrier is not very useful due to the nonlinear distortions brought about with envelope demodulation.


Exercises for the chapter


Exercise 2.10: SSB-AM with Channel Distortions

Exercise 2.10Z: Noise with DSB-AM and SSB-AM

Exercise 2.11: Envelope Demodulation of an SSB signal

Exercise 2.11Z: Once again SSB-AM and Envelope Demodulator