Angenommen, die Trägerspannung hätte einen Effektivwert von 50 Volt und würde mit einem Modulationsindex von 100 % moduliert (=> Effektivwert der Gleichspannug ist auch 50 Volt), dann würde sich folgende Spannungsverteilung ergeben:
Aus der gegebenen Spannung kann man die Leistung berechnen, die in einem Widerstand umgewandelt wird (z.B. der Fußpunkt-Widerstand einer Antenne).
Die Leistung P an einem Widerstand berechnet sich durch die Formel:
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Damit ergibt sich aus den Zahlen aus obigem Beispiel:
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PT ist die Leistung des Trägers.
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PNF ist die Leistung eines der beiden NF-Nutzsignale. (S. Grafik oben)
Daraus ergibt sich eine Gesamtleistung von 75 Watt, nämlich:
Trägerleistung 50 Watt + 2 x NF-Leistung (2 x 12,5 = 25 Watt) = 75 Watt.
Bei AM steckt die Sprachinformation komplett in jedem der beiden Seitenbänder. Das bedeutet, man bräuchte eigentlich nur ein Seitenband, um die vollständige Information zu übermitteln. Somit wäre also sowohl der eigentliche Träger und eines der beiden Seitenbänder nicht zwingend nötig.
Er definiert das Verhältnis zwischen Nutzleistung und Gesamtleistung und sagt damit etwas über die Effektivität (Ökonomie) eines Gerätes aus. Er wird durch folgende Formel definiert:
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Ein Leistungsgrad von 100% wäre eine Perpetuum Mobile und somit unmöglich.
Also errechnet sich der Wirkungsgrad einer AM-Modulation wie folgt:
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Das bedeutet, daß ein AM-moduliertes Signal nur ein Sechstel der Gesamtleistung an Nutzinformation enthält. Der restliche Anteil ist nicht nötig.
Diese schlechte Leistungsbilanz und hohe Bandbreite sind also der Grund dafür, daß die Modulationsart AM heutzutage als "aussterbende Spezies" betrachtet werden muss.
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Kurzer Exkurs:
Laut Fourier hat ein Rechteck-Signal (beispielsweise bei CW), das steilflankig ist, eine unendlich große Bandbreite. Damit man aber trotzdem mit einer an sich sehr schmalbandigen Betriebsart wie CW gut arbeiten kann, wird das Signal vorher durch einen Kondensator geglättet. Dadurch wird das Signal schmalbandig.
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Der Detektor-Empfänger ist ein speziell auf AM abgestimmter Empfänger, der ein AM-Signal aufnimmt und hörbar macht. Um diesen Vorgang zu erläutern, noch eine Grafik dazu. (Die Punkte A bis D stellen bestimmte Zustände des Signals dar.)
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Diese Grafik zeigt die einzelnen Schritte, wie der Detektor-Empfänger das AM-Signal bearbeitet.
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Dieser Vorgang beschreibt die Demodulation, also die reine Empfängerseite. Zum Senden (Modulieren) kommen wir später.
Die Detektor-Schaltung arbeitet mit einem breitbandigen Schwingkreis. Das wirkt sich auf die Störanfälligkeit des empfangenen Signals aus. Warum das so ist, verdeutlichen die folgenden Grafiken:
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Die linke Grafik zeigt (rot) 4 Sender (1 - 4). Dir Kurve (blau) zeigt, welche dieser Sender aufgrund der Bandbreite des Schwingkreises stark (2+3) bzw. schwach oder gar nicht (1+4) empfangen werden. Hier hört man also fast ausschließlich Sender 2, der stark sendet, der schwache Sender 3 wird fast vollkommen unterdrückt.
Bei der rechten Grafik wurde die Resonanzfrequenz des Schwingkreises zum Sender 3 hin verlagert. Nun passiert folgendes: Der schwache Sender 3 wird durch den starken Sender 2 und 4 stark gestört.
Aufgrund dieser Störanfälligkeit mußte eine andere Empfängerschaltung entwickelt werden, die nicht so breitbandig ist. Diese Schaltung wird Audion-Demodulator genannt (S. Buch Seite 21/22).
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Die Funktion der Diode wird im Kapitel Bauelemente beschrieben.
Schauen wir nun noch einmal auf unsere Grafik des Detektor-Empfängers (s.o.), dann wird auch die Bedeutung der Diode klar. Sie funktioniert wie ein Ventil, indem sie die positiven Spannungsanteile eines Signals durchläßt und die negativen Anteile sperrt.
Die Diode wird hier also als Gleichrichter genutzt.
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Man kann eine Diode genausogut als Schalter einsetzen. Folgende Grafik verdeutlicht das:
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Wir haben einen Schalter, mit dem wir entweder 5 Volt Spannung oder Masse schalten. Man stelle sich eine Mikrofonschaltung vor: Nicht gedrückte PTT=Masse, gedrückte PTT=5 Volt.
Zustand PTT nicht gedrückt:
Aus der Antenne kommt ein Eingangssignal in die Schaltung. Nach links kann das Signal nicht weiter, weil es durch Diode D1 aufgehalten wird. Nach rechts kann es weiter und wird von Diode D2 aufgehalten, kann aber durch den Kondensator in den Empfänger. Zur Erinnerung: der Kondensator setzt einer Wechselspannung (auch HF) keinen Widerstand entgegen)
Zustand PTT gedrückt:
Strom fließt durch Diode D1 durch und auch durch Diode D2. Hier ist zu bemerken, dass eine angeschlossene Masse wie ein Gulliabfluss alles in sich aufsaugt. Wenn Diode D2 durchschaltet, fließen sowohl Strom als auch aus Antenne kommender HF-Anteil gegen Masse, also ins Nichts, somit wird der Empfänger ausgeschaltet.
Weil Diode D1 durchgeschaltet ist, kann nun alles, was aus dem TX (Sender) kommt, durch die Antenne "nach draußen".
Da bei der Modulationsart SSB kein Träger übermittelt wird, dieser aber für die Erzeugung eines Signals auch bei SSB nötig ist (dazu später mehr), muß der Träger vor Aussendung des Signals entfernt werden. Dies erreicht man z.B. durch den Einsatz eines Gegentakt-Mischers.
1) Keine NF: Wenn nur HF anliegt, die in die Mitte der Spule eingespeist wird, teilt sich diese auf. Das heißt, an der oberen und unteren Diode liegen immer jeweils gegenphasige Signale an. Da sie gegenphasig sind, heben sie sich in der zweiten Spule gegenseitig auf.
2) NF liegt an: Durch das NF-Signal wird das HF-Signal in Ungleichgewicht gebracht. Das modulierte Signal gelangt in die zweite Spule, wobei wiederum der reine Träger hinausgefiltert wird.
Bessere Möglichkeiten bietet der sog. Ringmodulator. (Buch S. 25 f)
Mit folgender Schaltung, dem Balance-Modulator, erzeugen wir ein SSB-Signal.
Diese Schaltung erklärt sich wie folgt:
Links sehen wir den HF-Generator. Er speist sein Signal durch die drei Widerstände, die hier als Spannungsteiler fungieren, gleichmäßig in oberen und unteren Zweig ein.
Situation A - es liegt keine NF an:
Die HF wird durch die 4 Dioden gleichmäßig beeinflußt und hebt sich anschließend in der Spule auf.
Situation B - es liegt NF an:
Die HF wird mit Hilfe der Dioden moduliert. Da die Modulation nicht gleichmäßig im oberen und unteren Zweig erfolgt, wird das modulierte Signal von der linken Spule auf die rechte übertragen und der Träger hebt sich weiterhin auf.
Soweit die senderseitige Betrachtung. Auf der Empfängerseite haben wir nun das Problem, dass ein eingehendes Signal nicht ohne weitere Aufbereitung lesbar bzw. verstehbar demoduliert werden kann. Dazu ist es nötig, die obige Schaltung dahingehend "umzudrehen", daß man dem Eingangssignal eine HF beimischt, bevor man ein lesbares NF-Signal erhält. (S. Buch Seite 31 Abb. 3-16)
Merke : Dazu bedient man sich eines BFO´s (Beat Frequency Oscillator), der den Träger generiert.
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Was sagt dieser Begriff aus. Die Phase ist quasi der Punkt (z.B. bei einer Sinuskurve), an dem sich eine Schwingung befindet. Man kann zwei Schwingungen miteinander vergleichen und feststellen, ob sie "in Phase" sind, oder gegenphasig sind.
In dieser Grafik sehen wir die Signale f1 und f2. Da beide Signale gleich sind, sind sie in Phase.
Hier sieht man, daß f2 genau entgegen f1 verläuft, man sagt: die Signale sind gegenphasig.
Der Vollständigkeit halber sei hier noch erwähnt, daß bei SSB bei jedem Nulldurchgang des NF-Signals das HF-Signal einen Phasensprung aufweist. Phasensprung bedeutet, dass sich im Nullpunkt die Richtung des HF-Signals gegenüber der eigentlich zu erwartenden Richtung umkehrt.
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Wir erzeugen ein Signal mit einer HF (Trägerfrequenz) von 9 MHz. Unsere Sprache befindet sich (grob) im Bereich von 0 - 3 kHz. Wie wir schon wissen entstehen daraus das obere Seitenband (Upper Side Band USB) und das untere Seitenband (Lower Side Band LSB) - in diesem Beispiel also:
Unteres Seitenband (LSB = 9000 bis 8997 kHz)
Oberes Seitenband (USB 9000 bis 9003 kHz)
Um die beiden Bänder trennen zu können (USB/LSB) werden Quarzfilter eingesetzt, die so schmalbandig sind, dass sie das unerwünschte Seitenband abschneiden, also herausfiltern und nur das gewünschte durchlassen.
Um nun überhaupt zwischen USB und LSB umschalten zu können, wird heute die HF umgeschaltet. Damit verhindert man den kostenintensiven Einsatz doppelter Mengen Quartzfilter. Die HF wird also um die Hälfte der zu übertragenden Filterbandbreite (3 kHz : 2 = 1,5 kHz) in die ein oder andere Richtung versetzt. Dadurch verschiebt sich die Mittenfrequenz so, daß entweder das obere oder Untere Seitenband in den Filterbereich geschoben werden, alle anderen Signale werden herausgefiltert.
Beide Frequenzen (HF und NF) werden nun miteinander gemischt. Bei einer Mittenfrequenz von 9000 kHz und Bandbreite 3 kHz bekommen wir z.B. den Bereich von 8998,5 bis 9001,5 kHz mit der Mittenfrequenz 9000 kHz als Seitenband heraus.
Diese Modulationsart unterscheidet sich von SSB dahingehend, daß ein Träger übermittelt wird. Die Frequenz des Trägers wird moduliert. Diese Frequenz wird in einem Oszillator erzeugt.
Wir wissen, daß es keine verlustfreien Komponenten gibt. Daher muß der Verlust, den ein Schwingkreis hat, ausgeglichen werden. Dazu koppelt man ihn mit einem Verstärker. Fertig ist der Oszillator.
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Dieser Verstärker beinhaltet einen Transistor (so schaut er aus). |
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Merke : Ein Transistor dreht die Phase um 180°, erzeugt also ein gegenphasiges Signal.
Die Erzeugung des FM-Trägers läuft also folgendermaßen ab:
Schwingkreis erzeugt Signal
Verstärker verschiebt die Phase um 180° und verstärkt dieses Signal
Das verstärkte Signal wird erneut um 180° gedreht und dem Schwingkreis wieder zugeführt.
Durch dieses Rückkopplungsprinzip bleibt der Oszillator in Schwingung. Damit ist der nötige FM-Träger erzeugt.
Moderne Demodulation erfolgt durch eine PLL (phase locked Loop). Siehe dazu auch Buch Seite 34/35.
Erste Inforamationen hierzu stehen auch im Kapitel Modulation im Grundlagen Technik Teil 1
Der Modulationsindex ist ein Maß für die Bandbreite einer Modulation. Der Index berechnet sich aus folgender Formel, wobei NFmax die höchste Modulationsfrequenz bedeutet:
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Der Modulationsindex beeinflußt auch die Bandbreite b . Das ersehen wir bei folgender Formel:
Wenn wir 3 kHz einsetzen, erhalten wir: ( 2x3 ) + ( 2x3 ) = 12 kHz Bandbreite für FM
Wir sehen, FM ist relativ breitbandig. Somit kann man FM nur dort einsetzen, wo Platz für diese Bandbreite ist (z.B. 2m- oder 70cm-Band). FM ist aber auch relativ stör-unanafällig und wird daher gerne im Mobilbereich eingesetzt.
Merke : Die Übermittlung der Information bei FM erfolgt ausschließlich durch Frequenzänderung.
Lesen Sie dazu Buch Seite 34/35
Zunächst macht man aus dem reinen FM-Signal eine Impulskette. Dies erreicht man durch Beschneiden des FM-Signals oben wie unten.
Hier sehen wir zunächst das modulierte FM-Signal:
Nun beschneiden wir das Signal und erhalten (abgeschnittene Teile hellgrau) ein Signal, das wie ein Rechteck-Impuls aussieht.
Jeden dieser Impulse benutzen wir, um einen Peak daraus zu machen. Dieser enthält alle Informationen, die wir zur Demodulation brauchen. Danach schneiden wir die überflüssigen Informationen einfach ab:
Wenn man dieses Signal durch Leitung in einen Tiefpaßfilter integriert, erhält man das demodulierte FM-Signal.
Prüfungsrelevant : FM-Erzeugung, Oszillator und parrallel geschaltete Kapazitätsdiode, Modulationsindex.