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

From LNTwww
 
(60 intermediate revisions by 7 users not shown)
Line 1: Line 1:
 
   
 
   
 
{{Header
 
{{Header
|Untermenü=Amplitudenmodulation und AM–Demodulation
+
|Untermenü=Amplitude Modulation and Demodulation
|Vorherige Seite=Hüllkurvendemodulation
+
|Vorherige Seite=Envelope Demodulation
|Nächste Seite=Weitere AM–Varianten
+
|Nächste Seite=Further AM Variants
 
}}
 
}}
==Beschreibung im Frequenzbereich==
+
==Description in the frequency domain==
Die ZSB–AM sowohl mit als auch ohne Träger hat folgende Eigenschaften:  
+
<br>
*Das modulierte Signal $s(t)$ benötigt die doppelte Bandbreite wie das Quellensignal $q(t)$.  
+
Double sideband amplitude modulation&nbsp; $\rm (DSB–AM)$&nbsp; both with and without a carrier &nbsp; has the following characteristics:
*Die vollständige Information über $q(t)$ steckt sowohl im oberen als auch im unteren Seitenband.  
+
*The modulated signal &nbsp;$s(t)$&nbsp; requires twice the bandwidth of the source signal &nbsp;$q(t)$.
 +
 +
*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; $\rm (LSB)$.  
  
  
Die so genannte Einseitenband–Amplitudenmodulation (ESB–AM) macht sich diese Eigenschaft dadurch zunutze, dass nur eines dieser Seitenbänder übertragen wird, entweder das obere Seitenband (OSB) oder das untere Seitenband (USB).  
+
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.
  
 +
The graph illustrates single-sideband amplitude modulation in the frequency domain and simultaneously presents a realization of a SSB modulator.&nbsp;
  
[[File:P_ID1041__Mod_T_2_4_S1_neu.png | Spektren bei Einseitenbandmodulation]]
+
In this representation,&nbsp; one can see:
  
 +
[[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]]
  
Die Grafik verdeutlicht die ESB–AM im Frequenzbereich und gibt gleichzeitig eine Realisierungsform des ESB–Modulators an. 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 $f_{\rm T}$ ein unsymmetrisches Verhalten zeigt.  
+
*Bei OSB–Modulation wird die untere Grenzfrequenz $f_{\rm U} = f_{\rm T} f_ε$ und die obere Grenzfrequenz zu $f_{\rm O} ≥ f_{\rm T} + B_{\rm NF}$ gewählt $(f_ε$ ist eine beliebig kleine positive Frequenz). Das OSB–Spektrum beinhaltet somit nur das obere Seitenband und (nicht notwendigerweise) den Träger.  
+
*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.
*Zur Erzeugung einer USB–Modulation müssen dagegen die untere bzw. obere Grenzfrequenz des Bandpasses wie folgt festgelegt werden: $f_{\rm U} ≤ f_{\rm T} B_{\rm NF}, f_{\rm O} = f_{\rm T} + f_ε.$  
+
 +
*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:
 +
:$$f_{\rm U} ≤ f_{\rm T} \ - \ B_{\rm NF}, \hspace{0.5cm}f_{\rm O} = f_{\rm T} + f_ε.$$
 +
<br clear=all>
 +
{{GraueBox|TEXT=
 +
$\text{Example 1:}$&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;.
 +
*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".
 +
 +
*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=
 +
$\text{Example 2:}$&nbsp; To save bandwidth,&nbsp; single-sideband technology was already used in the 1960s for the analog transmission of telephone calls.
 +
*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;.
 +
*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.
  
{{Beispiel}}
+
*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.}}
Bei $f_{\rm T} =$ 100 kHz und $B_{\rm NF} =$ 3 kHz erhält man aus dem ZSB–Signal ein OSB–Signal mit Träger, wenn das Filter alle Frequenzen unterhalb von 99.999... kHz abschneidet.
 
*Ist die untere Grenzfrequenz um ein (beliebig kleines) „epsilon” größer als $f_{\rm T}$, so ergibt sich eine „OSB–AM ohne Träger”.  
 
*Eine „USB mit/ohne Träger” kann entsprechend mit $f_{\rm O} =$ 100 kHz bzw. $f_{\rm O} =$ 99.999... kHz realisiert werden.
 
  
  
Der große Vorteil einer ESB–AM liegt in der nur halben Bandbreite gegenüber der ZSB–AM. Mit welchen Nachteilen dieser Vorteil erkauft werden muss, wird in den nachfolgenden Abschnitten erläutert.
+
{{BlaueBox|TEXT=
{{end}}
+
$\text{Conclusion:}$&nbsp;
 +
*The great advantage of a&nbsp; $\rm SSB-AM$&nbsp; is that it has &raquo;'''half the bandwidth'''&laquo; compared to&nbsp; $\rm DSB-AM$.
  
==Synchrondemodulation eines ESB–Signals==
+
*The trade-off with disadvantages required for this advantage is explained in the next sections.}}
Wir betrachten nun ein ESB–moduliertes Signal und beim Empfänger den in Kapitel 2.2 beschriebenen Synchrondemodulator, wobei perfekte Frequenz– und Phasensynchronisation vorausgesetzt wird. Ohne Einfluss auf die Allgemeingültigkeit ist im weiteren Verlauf dieses Abschnitts stets ${\mathbf ϕ}_{\rm T} =$ 0 gesetzt.
 
  
  
[[File:P_ID1042__Mod_T_2_4_S2_neu.png | Synchrondemodulation eines ESB–Signals]]
+
==Synchronous demodulation of a SSB-AM signal==
 +
<br>
 +
Let us now consider a SSB-AM modulated signal and a&nbsp; [[Modulation_Methods/Synchronous_Demodulation|$\text{synchronous demodulator}$]]&nbsp; at the receiver.
 +
*Perfect frequency and phase synchronization will be assumed.
  
 +
*Without affecting generality,&nbsp; in the rest of this section we will always let &nbsp;${ ϕ}_{\rm T} = 0$&nbsp; &rArr; &nbsp; cosine carrier.
  
Ein Vergleich mit den Eigenschaften des Synchrondemodulators bei ZSB–AM in Kapitel 2.2 zeigt folgende Gemeinsamkeiten und Unterschiede:  
+
[[File:EN_Mod_T_2_4_S2_neu.png |right|frame| Synchronous demodulation of a SSB-AM signal]]
*Das Spektrum $V(f)$ des Sinkensignals ergibt sich in beiden Fällen aus der Faltung der Spektren $R(f)$ und $Z_{\rm E}(f)$, wobei Letzteres sich aus zwei Diracfunktionen bei $±f_{\rm T}$ zusammensetzt.  
+
<br>
*Bei ZSB–AM überlagern sich für jede Frequenz die Faltungsprodukte mit der rechten und der linken Diracfunktion. In der Grafik zu Kapitel 2.2 sind diese Anteile mit „+” bzw. „–” markiert.
+
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:
*Dagegen liefert bei OSB–Modulation nur die Faltung mit der Diraclinie bei $\ –f_{\rm T}$ den $V(f)$–Anteil bei positiven Frequenzen und bei USB–Modulation die Faltung mit der Diracfunktion $δ(f – f_{\rm T})$.
 
*Bei ZSB–AM wird mit dem empfangsseitigen Trägersignal $z_{\rm E}(t) =  2 · \cos(ω_{\rm T} · t)$ erreicht, dass $υ(t) = q(t)$ gilt. Dagegen muss bei ESB–AM die Trägeramplitude auf 4  erhöht werden.
 
  
==Einfluss eines Frequenz– und Phasenversatzes==
+
*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;$±f_{\rm T}$.
Besteht ein Frequenzversatz zwischen den Trägersignalen $z(t)$ und $z_{\rm E}(t)$, so kommt es stets zu starken nichtlinearen Verzerrungen, also unabhängig davon, ob ZSB–AM oder ESB–AM vorliegt. Bei der Realisierung eines Synchrondemodulators ist deshalb eine perfekte Frequenzsynchronisation unerlässlich.  
 
  
Betrachten wir nun den Einfluss eines Phasenversatzes $Δ{\mathbf ϕ}_{\rm T}$ zwischen sende– und empfangsseitigem Trägersignal, und zwar am Beispiel des Quellensignals
+
*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|$\text{corresponding DSB graph}$]].
$$q(t) = A_1 \cdot \cos(\omega_1  \cdot t ) + A_2 \cdot \cos(\omega_2 \cdot  t)\hspace{0.05cm}.$$
 
Bei ZSB–AM führt ein solcher Phasenversatz lediglich zu einer frequenzunabhängigen Dämpfung, aber nicht zu Verzerrungen:
 
$$v(t) = \cos (\Delta \phi_{\rm T}) \cdot q(t) = \cos (\Delta \phi_{\rm T}) \cdot A_1 \cdot \cos(\omega_1  \cdot t ) + \cos (\Delta \phi_{\rm T}) \cdot A_2 \cdot \cos(\omega_2  \cdot t ) \hspace{0.05cm}.$$
 
Dagegen erhält man bei der OSB–AM:
 
$$\begin{align*}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}.\end{align*}$$
 
  
Man erkennt aus dieser Gleichung:
+
*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})$.
*Die beiden Laufzeiten $τ_1 = Δ{\mathbf ϕ}_{\rm T}/ω_1$ und $τ_2 = Δ{\mathbf ϕ}_{\rm T}/ω_2$ sind unterschiedlich. Das bedeutet, dass ein Phasenversatz bei ESB–AM (OSB–AM oder USB–AM) zu Phasenverzerrungen führt.
+
*Ein positiver Wert von $Δ{\mathbf ϕ}_{\rm T}$ bewirkt bei OSB positive Werte von $τ_1$ und $τ_2$ (also gegenüber dem Cosinus nachlaufende Signale) und bei USB negative $τ_1$– bzw. $τ_2$–Werte (vorlaufende Signale).  
+
*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.
 +
<br clear=all>
 +
{{BlaueBox|TEXT=
 +
$\text{Conclusion:}$&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. }}
  
  
Die Auswirkungen von Phasenverzerrungen auf ein aus zwei Cosinusschwingungen zusammengesetztes Nachrichtensignal können Sie sich mit folgendem Interaktionsmodul verdeutlichen:
 
  
Lineare Verzerrungen periodischer Signale
+
==Influence of a phase offset for SSB-AM==
 +
<br>
 +
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
 +
:$$q(t) = A_1 \cdot \cos(\omega_1  \cdot t ) + A_2 \cdot \cos(\omega_2 \cdot  t)\hspace{0.05cm}.$$
 +
*For DSB–AM,&nbsp; such a phase offset only leads to frequency-independent attenuation,&nbsp; but not to distortions:
 +
:$$v(t) = \cos (\Delta \phi_{\rm T}) \cdot q(t) = \cos (\Delta \phi_{\rm T}) \cdot A_1 \cdot \cos(\omega_1  \cdot t ) + \cos (\Delta \phi_{\rm T}) \cdot A_2 \cdot \cos(\omega_2  \cdot t ) \hspace{0.05cm}.$$
  
==Seitenband–zu–Träger–Verhältnis (1)==
+
*In contrast,&nbsp; for USB-AM we get:
[[File:P_ID1043__Mod_T_2_4_S4a_neu.png | Spektren bei ZSB- und ESB-AM | rechts]]
+
:$$v(t)  = A_1 \cdot \cos(\omega_1  \cdot t - \Delta \phi_{\rm T}) + A_2
Ein wichtiger Parameter der ZSB–AM ist der Modulationsgrad $m = q_{\rm max}/A_{\rm T}$. Im Sonderfall einer harmonischen Schwingung gilt $m = A_{\rm N}/A_{\rm T}$ und man erhält das Spektrum $S_+(f)$ des analytischen Signals entsprechend der oberen Grafik. Beachten Sie bitte die Normierung auf $A_{\rm T}$.
+
\cdot \cos(\omega_2 \cdot  t - \Delta \phi_{\rm T})= A_1 \cdot \cos(\omega_1 \cdot  (t - \tau_1)) + A_2 \cdot
 +
\cos(\omega_2  \cdot (t - \tau_2))\hspace{0.05cm}.$$
  
Bei der ESB–AM ist die Anwendung des Parameters $m$ zwar prinzipiell möglich, aber nicht zweckmäßig. Beispielsweise gilt für die Zeitbereichsdarstellung der OSB–AM mit dem Spektrum $S_+(f)$ entsprechend der unteren Grafik:
+
{{BlaueBox|TEXT=
$$s_+(t) = A_{\rm T} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.05cm} \omega_{\rm T} \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.05cm}t }  + \frac{A_{\rm N}}{2} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} (\omega_{\rm T} + \omega_{\rm N}) \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t }\hspace{0.05cm}.$$
+
$\text{From this equation we can see:}$
Hierfür kann in gleicher Weise
+
*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.
$$s_+(t) = A_{\rm T} \cdot \left({\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.05cm} \omega_{\rm T} \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.05cm}t }  + \mu \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} (\omega_{\rm T} + \omega_{\rm N}) \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.05cm}t }\right)$$
+
geschrieben werden, wobei nun das Seitenband–zu–Träger–Verhältnis verwendet ist:
+
*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).
$$\mu = \frac{A_{\rm N}}{2 \cdot A_{\rm T}} \hspace{0.05cm}.$$
+
Ist das Quellensignal keine harmonische Schwingung, so ist die Angabe dieser Größe schwierig. Hier kann man folgende Näherung benutzen:
+
*A positive value of&nbsp; $Δ{\mathbf ϕ}_{\rm T}$&nbsp; will cause
$$\mu = \frac{q_{\rm max}}{2 \cdot A_{\rm T}} \hspace{0.3cm}{\rm mit}\hspace{0.3cm} q_{\rm max} = \max_{t} \hspace{0.05cm} |q(t)|  \hspace{0.05cm}.$$
+
**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
Mit dieser Näherung ist $\mu = m/2.$ Ein Vergleich zwischen einer ZSB– und einer ESB–AM sollte jedoch stets für den gleichen Zahlenwert von $m$ bzw. $\mu$ erfolgen.  
+
**negative &nbsp;$τ_1$&nbsp; and &nbsp;$τ_2$ values&nbsp; (leading signals)&nbsp; for LSB.}}
  
==Seitenband–zu–Träger–Verhältnis (2)==
 
{{Beispiel}}
 
Die obere Grafik zeigt das ZSB–AM–Signal für den Modulationsgrad $m = q_{\rm max}/A_{\rm T} =$ 1. Dies ist der Grenzfall für die Anwendung der Hüllkurvendemodulation, da so das Nachrichtensignal $q(t)$ in der Hüllkurve $a(t)$ gerade noch verzerrungsfrei enthalten ist.
 
  
 +
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"]].
  
[[File:P_ID1044__Mod_T_2_4_S4b_neu.png | Signalverläufe bei Einseitenbandmodulation]]
+
  
 +
==Sideband-to-carrier ratio==
 +
<br>
 +
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;$A_{\rm T}$.
  
Die mittlere Grafik zeigt das OSB–Signal, wobei ebenfalls $A_{\rm T} = q_{\rm max}$ gewählt ist. Nach den beiden obigen Definitionen entspricht dies den Zahlenwerten $m =$ 1 bzw. $\mu =$ 0.5. Aufgrund des fehlenden USB-Beitrags unterscheidet sich hier die Hüllkurve $a(t)$ deutlich von $q(t) + A_{\rm T}.$
+
[[File:EN_Mod_T_2_4_S4a.png|right|frame|Spectra for DSB-AM,&nbsp; USB-AM]]
  
Dagegen wurde für den unten dargestellten Signalverlauf $q_{\rm max} = 2 · A_{\rm T}$ gewählt, so dass sich für das Seitenband–zu–Träger–Verhältnis der Zahlenwert $\mu =$ 1 ergibt.  
+
For SSB–AM,&nbsp; the application of the parameter &nbsp;$m$&nbsp; is possible in principle,&nbsp; but it is not practical. &nbsp;
  
Diese Grafik macht Folgendes deutlich:  
+
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:  
*Es sind mehr Ähnlichkeiten zwischen dem oberen und dem unteren Signal festzustellen als zwischen den ersten beiden. Der Vergleich zwischen einer ZSB–AM und einer ESB–AM sollte möglichst bei gleichem Zahlenwert für $m$ bzw. $\mu$ erfolgen.  
+
:$$s_+(t) = A_{\rm T} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.05cm} \omega_{\rm T} \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.05cm}t }  + {A_{\rm N}}/{2} \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} (\omega_{\rm T} + \omega_{\rm N}) \hspace{0.05cm}\cdot \hspace{0.05cm}t }\hspace{0.05cm}.$$
*Die Hüllkurvendemodulation führt bei einer Einseitenband–Amplitudenmodulation grundsätzlich – das heißt für jeden Zahlenwert des Seitenband–zu–Träger–Verhältnisses $\mu$ – zu gravierenden Verzerrungen. Diese sind von nichtlinearer Art und somit irreversibel.  
+
In a similar way,&nbsp; this can be written as
 +
:$$s_+(t) = A_{\rm T} \cdot \left({\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.05cm} \omega_{\rm T} \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.05cm}t }  + \mu \cdot {\rm e}^{{\rm j}\hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} (\omega_{\rm T} + \omega_{\rm N}) \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.05cm}t }\right)$$
 +
now using the &nbsp; &raquo;'''sideband–to–carrier ratio'''&laquo;&nbsp;:
 +
:$$\mu = \frac{A_{\rm N}}{2 \cdot A_{\rm T}} \hspace{0.05cm}.$$
 +
If the source signal is not a harmonic oscillation,&nbsp; 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, &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.
  
{{end}}
 
  
==Zusammenfassende Bewertung der ESB–AM==
+
{{GraueBox|TEXT=
Der entscheidende Vorteil der ESB–AM gegenüber der ZSB–AM ist der um den Faktor 2 geringere Bandbreitenbedarf. Eingesetzt wurde diese Technik schon in den 1960er–Jahren bei der analogen Übertragung von Telefongesprächen. Entsprechend eines hierarchischen Aufbaus werden zunächst drei Fernsprechkanäle – jeweils auf den Bereich 0.3 bis 3.4 kHz bandbegrenzt – zu einer Vorgruppe mit der Bandbreite 12 kHz zusammengefasst. Durch weiteres Zusammenfassen wurde so das Weitverkehrs- system „V 10800” mit bis zu 10800 Sprachkanälen und einer Gesamtbandbreite von 60 MHz realisiert.  
+
[[File:EN_Mod_T_2_4_S4b.png |right|frame| Signal waveforms for DSB-AM and USB-AM]]
 +
$\text{Example 3:}$&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;$a(t)$.  
  
Für die halbe Bandbreite der ESB–AM müssen aber auch Nachteile in Kauf genommen werden, die in den Aufgaben zu diesem Abschnitt 2.4 untersucht werden sollen:
+
*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;$q(t) + A_{\rm T}.$
*Die Information über das Quellensignal $q(t)$ steckt nun im Gegensatz zur ZSB–AM nicht mehr ausschließlich in der Amplitude, sondern gleichermaßen auch in der Phase (siehe Aufgabe A2.10).  
 
*Die Anwendung der Hüllkurvendemodulation bei OSB– oder USB–AM führt deshalb stets zu starken nichtlinearen Verzerrungen (siehe Aufgabe Z2.10).
 
*Die Synchrondemodulation eines ESB–AM–Signals führt zu Phasenverzerrungen, wenn zwischen den Trägersignalen bei Sender und Empfänger ein Phasenversatz besteht.
 
  
 +
*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;$\mu =1$.
  
Ebenso wie bei einer ZSB–AM mit Synchrondemodulation gelten auch hier folgende Aussagen:  
+
 
*Dämpfungsverzerrungen des Kanals führen nur zu (linearen) Dämpfungsverzerrungen bezüglich des Sinkensignals. Es entstehen keine nichtlinearen Verzerrungen (siehe Aufgabe A2.9).  
+
This graph makes the following clear:
*Die ESB–AM ohne Träger zeigt genau gleiches Rauschverhalten wie die ZSB–AM ohne Träger. Der Vorteil der kleineren HF–Bandbreite wird durch die notwendige Pegelanpassung aufgehoben.  
+
#There are more similarities between the upper and lower signal than between the first two.
*Eine ESB–AM mit dem Seitenband–zu–Träger–Verhältnis $\mu$ zeigt ähnliches Rauschverhalten wie eine ZSB–AM mit dem Modulationsgrad $m = 2^{0.5} · \mu$ (siehe Aufgabe Z2.9).  
+
#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.
*Allerdings ist zu beachten, dass die ESB–AM mit Träger aufgrund der nichtlinearen Verzerrungen bei Hüllkurvendemodulation – nur wegen dieser wird ja der Träger zugeführt – wenig sinnvoll ist.  
+
#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"]]).
 +
 
 +
*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&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"]]).  
 +
 
 +
 
 +
 
 +
As with DSB–AM and synchronous demodulation,&nbsp; the following statements also apply here:
 +
*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"]]).
 +
 +
*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.
 +
 +
*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.
 +
 
 +
 
 +
==Exercises for the chapter==
 +
<br>
 +
[[Aufgaben:Exercise_2.10:_SSB-AM_with_Channel_Distortions|Exercise 2.10: SSB-AM with Channel Distortions]]
 +
 
 +
[[Aufgaben:Exercise_2.10Z:_Noise_with_DSB-AM_and_SSB-AM|Exercise 2.10Z: Noise with DSB-AM and SSB-AM]]
 +
 
 +
[[Aufgaben:Exercise_2.11:_Envelope_Demodulation_of_an_SSB_Signal|Exercise 2.11: Envelope Demodulation of an SSB signal]]
 +
 
 +
[[Aufgaben:Exercise_2.11Z:_Once_again_SSB-AM_and_Envelope_Demodulator|Exercise 2.11Z: Once again SSB-AM and Envelope Demodulator]]
  
  
 
{{Display}}
 
{{Display}}

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