Chapter 4 - Amplitude Modulationschiustev/courses/EE4418/Chapter04.pdf · AM Modulators/Demodulators AM Modulators • Multiplication modulator • Non‐linear modulator • Switching

Modulations 

Analog Modulations • Amplitude modulation (AM) 

– Linear modulation • Frequency modulation (FM) • Phase modulation (PM) 

 cos  

 • Angle modulation 

– FM – PM  

Digital Modulations • ASK • FSK • PSK • MSK • MFSK • QAM • PAM • Etc. 

AM Modulators/Demodulators 

AM Modulators • Multiplication modulator • Non‐linear modulator • Switching modulator 

– Ring modulator 

AM Demodulators • Coherent demodulator • Rectifier • Envelope Detector 

Multiplication Modulator 

• In early day, multiplication of two signals over a sizable dynamic range was a challenge to circuit designer. 

• A multiplier is obtained from a variable‐gain amplifier. 

• The gain is controlled by the input message  . 

Variable‐gain Amplifier cos   cos  

Nonlinear DSB‐SC Modulator 

• Add input message and carrier, then perform non‐linear operation• cos • cos • •  • 2 ∙ 4 ∙ cos  

 Spring 2012 

Switching Modulation 

Switching Modulation 

• Any periodic signal can be expressed by a trigonometric Fourier Series. 

cos  

 12

2 12 1 cos 2 1  

 12

2cos

13 cos 3

15 cos 5 ⋯  

Outputofbandpassfilter2

cos  

Switching Modulator 

(a) Diode‐bridge electronic switch. (b) Series‐bridge diode modulator. (c) Shunt‐bridge diode modulator. 

During positive half of cycle, • All the diodes conduct • a and b are shorted  During negative half of cycle, • All the diodes open. • a and b are opened. 

Ring Modulator 

  Spring 2012 

During negative half of cycle, • D2 and D4 conduct. • a is connected to d. • b is connected to c. •  

During positive half of cycle, • D1 and D3 conduct. • a is connected to c. • b is connected to d. •  

Ring Modulation 

• Any periodic signal can be expressed by a trigonometric Fourier Series. 

cos  

 4 1

2 1 cos 2 1  

 4

cos13 cos 3

15 cos 5 ⋯  

Outputofbandpassfilter4

cos  

Demodulation of DSB‐SC Signals • The receiver must generate a carrier that synchronous in 

phase and in frequency with the incoming carrier. (coherent demodulator) 

cos  

 • Not easy in practice 

– Delay   – Doppler effect ∆  

cos ∆  cos ∆  

Amplitude Modulation Signal • The alternative to coherent demodulator is for the transmitter to 

send a carrier  cos  along with the modulated signal cos . 

 cos cos  

 +   

 • Transmitter needs to transmit at a higher power level. • Receiver circuit can be simpler and less expensive. • Benefit for a broadcast system with a number of receivers for each 

transmitter.  

AM Signal and Its Envelope 

Envelope Detection • Envelope detection condition 

1.   ≫ bandwidthof  2.   0 

• Modulation index   For envelope to be distortionless,  0 1 

• with zero offset – Let  be the maximum and minimum of  . 

min   

• with non‐zero offset (rare case), min max  

max min2 max min

Modulation Index 

• Tone modulation,  cos  

• For modulation indices ( ) of 0.5 and 1. cos  

cos  1 cos cos  

(a) 50% modulation.     (b) 100% modulation. 

Sideband and Carrier Power cos cos  

• Carrier power     

• Sideband power   • Power efficiency 

usefulpowertotalpower 100% 

 • For tone modulation,

2  

2 100% 

 • In case of 50% modulation,  11.11% 

Rectifier Detector for AM 

Envelope Detector for AM 

  Spring 2012 

For proper operation, the discharge time constant RC must be chosen properly.  

1≪

12  

Discharge rate  

Single Sideband (SSB) Spectra 

  Spring 2012 

SSB Spectra for Tone Modulation 

SSB Modulation 

• Conceptually, the generation of a SSB signal is straightforward. – Generate a DSB signal. – Apply an ideal band‐pass filter. 

• Practically, the construction of ideal filter is very difficult.  

• Similar to a DSB signal, coherent demodulation is required to detect an SSB signal. 

Quadrature Amplitude Modulation (QAM) 

• Because SSB‐SC signals are difficult to generate accurately, QAM offer an alternative to SSB‐SC. – QAM can be generated without requiring sharp cutoff band‐pass filters.  

• Two baseband signals,   and  , each of bandwidth   Hz, can be transmitted simultaneously over a bandwidth   by using DSB transmission and quadrature multiplexing. – Upper channel = in‐phase (I) channel – Lower channel = quadrature (Q) channel

Quadrature Amplitude Modulation (QAM)

cos sin  

cos 2 sin 2  cos 2 sin 2  

Quadrature Amplitude Modulation (QAM) 

• QAM demodulation must be synchronous. An error in phase or frequency of the carrier at the demodulator will result in loss and interference between the two channels.  

• If the carrier at the demodulator is  , the output of the upper receiver branch will become 

• This is called co‐channel interference.