1 Analoge Modulationsverfahren © Roland Küng, 2013.

2

Amplitudenmodulation AM

bull Einfache Implementationbull Geringe Bandbreite

Modulationsindex m

3

AM Enveloppendetektor

SchaltungSpitzenwertndashGleichrichter mit Entladung

Dimensionierungsgleichungen

4

AM Synchron- amp IQ-Demodulator

auswerten

Synchrondemodulator

IQ-Demodulator

2∙cos(2πf0t)

i(t) = (1+mmiddots(t))∙cos(φ0)

-2∙sin(2πf0t)

TP

TPq(t) = (1+mmiddots(t)) ∙sin(φ0)

y(t) = (1+mmiddots(t))∙cos(2πf0t+φ0)

22 QI

5

AM power efficiency

bull Bei maximaler Modulation macht die Leistung in den Seitenbaumlndern zusammen nur etwa 33 der abgestrahlten Leistung aus

2

12T cm

P P

2

4 cmP

2

4 cmP

cP

Percentage modulation ( m)

Per

cent

age

of t

otal

pow

er (

PT)

Power in sidebands (PSB)

Power in carrier (Pc)

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 00

20

40

60

80

100

Bandbreite B = 2∙fm

fm Modulationsfrequenz

Effizienz lt 33

6

Why it is still widely used

AM wird immer noch benutzt weilbull es einfachste Technologie ist und kleinen Bedarf an Bandbreite hat bull es Traumlger fuumlr empfangsseitige Energiegewinnung liefert (RFID)

ndash Military and Amateur Short Wave Radiondash CB Radio 27 MHzndash Air Traffic Control Radios (civil) Air and Sea Navigationndash Garage door opens keyless remotesndash RFID LF HF UHF

7

DSB SSB time amp frequency domain

Suppressed carrier AM signal (DSB)

0 1000 2000 3000 4000 5000 60000

01

02

03

04

05

Frequency (Hz)

Vol

tage

(V

)

-2

-15

-1

-05

0

05

1

15

2

Time (sec)

Vol

tage

(V

)

Frequency domain

0 1000 2000 3000 4000 5000 60000

01

02

03

04

05

Frequency (Hz)

Vol

tage

(V

)

0 1000 2000 3000 4000 5000 60000

01

02

03

04

05

Frequency (Hz)

Vol

tage

(V

)

Frequency domain

Single Side Band (SSB)

Effizienz 50 Effizienz 100

Bandbreite B = 2∙fm Bandbreite B = fm

8

DSB SSB

s(t)cos(2πf0t)

y(t)sin(2πf0t)

00

900

Trick Ein schwacher Pilotton wird im Sender bei der Traumlgerfrequenz wieder zugefuumlgt zwecks Ruumlckgewinnung im Empfaumlnger

Modulation

Demodulation

DSB Modulator = MixerMultiplizierer

IF

LO

RF

SSB Modulator = Hilbert und IQ-Mixer

breitbandig

Genauer Lokaloszillator im Empfaumlnger oder Pilotton

DSB SSB Signal

9

DSB mit IQ-Demodulator

i(t)

q(t)

s(t)

I-Komponente

Q-Komponente

0

m

m

auswerten

IQ-Demodulator fuumlr DSB

2∙cos(2πf0t)

i(t) = s(t)∙cos(φ0)

-2∙sin(2πf0t)

TP

TP q(t) = s(t)∙sin(φ0)

y(t) = s(t)∙cos(2πf0t+φ0)

)QI(signundQI 22

Note IQ ne Real Imag sind Fouriertransformationspaar

Real

Imag

ej0

t

Bsp s(t) = cos(mt)

sin(0)cos(mt)

cos(0)cos(mt)

Bsp vgl Praktikum KO

12

Phasen-Frequenzmodulation PMFM

Phase des Carrier aumlndert in Uumlbereinstimmung mit dem Modulationssignal

phasen-moduliertes Signal

Momentane Frequenz des Carrier aumlndert in Uumlbereinstimmung mit dem Modulationssignal

frequenz-moduliertes Signal

0 05 1 15 2 25 3 35 4

x 10-3

-1

-05

0

05

1

Time (msec)

Vo

ltag

e (V

)

0 05 1 15 2 25 3 35 4

x 10-3

-1

-05

0

05

1

Time (msec)

Vo

ltag

e (V

)

Erzeugung DDS oder

Erzeugung PLL DDS s(t)

))t(tf2sin(Av c0

)tf2sin(Av c0

FM

13

PM Mathe

Digital phase modulated signal Binary Phase Shift Keying BPSK

PM-Signal s(t) = Nachrichtensignal mit Spitzenwert Speak

φ(t) = kPMs(t)

yPM(t) = A0cos[ω0t + φ(t)] = A0cos[ω0t + kPMs(t)]

Δφ = kPMSpeak Phasenhub

Analog phase modulated signal

lt

14

FM Mathe

Analog frequency modulated signal

0 05 1 15 2 25 3 35 4

x 10-3

-1

-05

0

05

1

Time (msec)

Vo

ltag

e (

V)

0 05 1 15 2 25 3 35 4

x 10-3

-1

-05

0

05

1

Time (msec)

Vo

ltag

e (

V)

FM-Signal s(t) = Nachrichtensignal mit Spitzenwert Speak

ωFM(t) = dφ(t) dt = ω0 + kFMs(t)

Frequenzhub Max Deviation

Momentanfrequenz

Bedeutung Hub bdquoSagt wie weit der Spitzenwert die Frequenz auslenktldquo

t

0

FM000FM d)(sktcosA)t(cosA)t(y

Note Deutsche Lit Frequenzhub oft mit bez engl und an Generatoren jedoch mit f

Digital frequency modulated signalFrequency Shift Keying FSK

2

Sk

2f

Sk

peakFM

peakFM

15

FM Spektrum

Man definiert den Modulationsindex FM wie folgt

βFM entspricht Verhaumlltnis Frequenzhub Δf zu Modulationsfrequenz fm

Das cosinusfoumlrmig modulierte FM-Signal lautet

yFM(t) = A0cos[ω0t + (kFMωm)Speaksin(ωmt)]

FM 0 n FM 0 mn=-

y (t) = A J (β ) cos[(ω +nω )t]

Spektrum

Techn Bandbreite Carson Formel)ff(2f)1(2B mmFM

bdquoWie weit ausgelenktldquo bdquoWie oft ausgelenktldquo

Jn Besselfkt

Spektrallinien beidseitig vom Traumlger im Abstand nm

mpeak

m

FMFM S

k

Note Allg Signale fuumlr fm die max Frequenz des gefilterten Spektrums einsetzen

mFM f

f

16

f und fm am Beispiel FSK

0 05 1 15 2 25 3 35 4

x 10-3

-2

-1

0

1

2

Time (msec)

Vo

ltag

e (

V)

0 05 1 15 2 25 3 35 4

x 10-3

-1

-05

0

05

1

Time (msec)

Vo

ltag

e (

V)

0 05 1 15 2 25 3 35 4

x 10-3

-2

-1

0

1

2

Time (msec)

Vo

ltag

e (

V)

0 05 1 15 2 25 3 35 4

x 10-3

-1

-05

0

05

1

Time (msec)

Vo

ltag

e (

V)

input signal (1-V 1-kHz square wave)

input signal (2-V 1-kHz square wave)

input signal (1-V 2-kHz square wave)

0 05 1 15 2 25 3 35 4

x 10-3

-2

-1

0

1

2

Time (msec)

Vo

ltag

e (

V)

0 05 1 15 2 25 3 35 4

x 10-3

-1

-05

0

05

1

Time (msec)

Vo

ltag

e (

V)

2-fachefm

2-facherHub

17

Bessel Tabelle

Terme bis le 2

18

Beispiel

950 960 970 980 990 1000 1010 1020 1030 1040 10500

02

04

06

08

1

Frequency (kHz)

Am

plitu

de (

V)

FM spectrum with mf=600

002 006013

025

036 036

011

024 028

015

028 024

011

036 036

025

013006 002

BW = 90 kHz (Bessel functions)

BW = 70 kHz (Carsonrsquos rule)

Welche Bandbreite besitzt ein FM-Signal mit einem Hub (deviation) von 30 kHz und maximale modulierende Signalfrequenz von 5 kHz

19

UKW FM-Radio

BW = 180 kHz (Carsonrsquos rule)Deviation= 75 kHzMax Mod Freq 15 kHz

Weltweit wird UKW-Rundfunk im VHF-Band II zwischen 875 MHz und 1080 MHz betrieben mit FM analogSenderabstand urspruumlnglich 300 kHz heute 100 kHz mit geogr Planung

Zukunft DAB+ oder DRM+ im UKW Bereichbull Kompromisslose Qualitaumltbull Lokalradio Kosten Sendeanlagenbull Nutzbandbreite von 100 kHz zur Beibehaltung des jetzigen UKW-Rastersbull MPEG4 Codierung und COFDM Modulation

httpwwwdrmorgindexphpp=what_can_i_hear httpwwwdrmorgdrm_plus

21

VHF III Digital Radio

bull VHF III Band 174 ndash 230 MHzbull 15 MHz Raster mit 6hellip16 Rundfunksender multiplexedbull DAB MPEG1(160 kBits) DAB+ MPEG 4 Coder (80 kbits)

httpwwwworlddaborg

Note DAB+ inkompatibel zu DAB

22

FM Modulator Schmalband

Schmalband heisstFM 1 (aumlhnlich AM)

PLL = Phase Locked Loop (vgl ASV Kap Frequenzsynthese)

PLL

23

FM Modulator UKW

Unterdruumlckt Modulation

PLL

UKW Radio

FM = 7515 = 5

B = 2615kHz = 180 kHz (Carson)

ACDC