Amplitudenmodulation

Überblick

Dieses Tutorium gehört zur Reihe Grundlagen der Messtechnik“ (National Instruments Measurement Fundamentals). Mit jedem Tutorium aus dieser Reihe erhalten Sie theoretisches Hintergrundwissen und praktische Beispiele zu einem spezifischen Thema bezüglich gängiger Messanwendungen. Dieses Tutorium umfasst eine Einführung in RF-, Wireless- und Hochfrequenzsignale und -systeme.

Die vollständige Liste der Tutorien steht auf der Hauptseite zu den „Grundlagen der Messtechnik zur Verfügung. Weitere RF-Tutorien sind auf der NI-Hauptseite zu den RF-Grundlagen zu finden. Alle Informationen über RF-Produkte von National Instruments sind unter www.ni.com/rf/d erhältlich.

Inhaltsverzeichnis

  1. Amplitudenmodulation
  2. Mathematischer Hintergrund
  3. Arten der Amplitudenmodulation
  4. Realitätsprüfung
  5. Ergänzende Produkte
  6. Fazit

Amplitudenmodulation

Bei einer Modulation wird ein Trägersignal mit höherer Frequenz variiert, um Informationen zu übertragen. Zwar ist es theoretisch möglich, Basisbandsignale (oder -informationen) zu übertragen, ohne sie zu modulieren, doch ist es viel effektiver, Daten zu senden, nachdem sie auf ein sogenanntes „Trägersignal“ mit höherer Frequenz moduliert werden. Höhere Frequenzsignale brauchen nicht so große Antennen, nutzen die Bandbreite effizienter aus und sind flexibel genug, um verschiedene Datentypen zu übertragen. AM-Radiosender übertragen Audiosignale von 20 Hz bis 20 kHz mithilfe von Trägersignalen von 500 kHz bis 1,7 MHz. Müssten Audiosignale direkt übertragen werden, bräuchte man eine Antenne von ca. 10.000 km Höhe! Modulationstechniken können grob in analoge und digitale Modulation unterteilt werden. Die Amplitudenmodulation (AM) ist eine Form der analogen Modulation.

 


Abb. 1: Grundlegende Phasen der AM-Modulation

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Mathematischer Hintergrund

Das Trägersignal ist normalerweise eine Sinuskurve mit hoher Frequenz. Drei Parameter können bei einer Sinuskurve variiert werden: Amplitude, Frequenz und Phase. Alle drei können für die Informationsübertragung moduliert oder variiert werden. Eine Sinuskurve kann mathematisch durch eine Sinus- oder Kosinusfunktion mit der Amplitude Ac, der Frequenz fc und der Phase φ beschrieben werden.

Abb. 2: Trägerwelle

Das Trägersignal wird moduliert, indem seine Amplitude proportional zur Nachricht oder zum Basisbandsignal variiert wird. Das Nachrichtensignal kann durch

m(t) = Mb cos(2πfb+ φ)

und das Trägersignal durch

c(t) = Ac cos(2πfc)

dargestellt werden.

Um die Gleichungen zu vereinfachen, wird angenommen, dass es zwischen Träger- und Nachrichtensignal keinen Phasenunterschied gibt, so dass φ = 0 gilt.

Das modulierte Signal kann durch die Addition des Nachrichtensignals zur Amplitude des Trägersignals dargestellt werden:

(Ac + m(t)) cos(2πfc)

Nach etwas grundlegender trigonometrischer Manipulation kann obiger Signalverlauf folgendermaßen geschrieben werden:

Ac cos(2πfc) + Mb/2 cos(2π(fc - fb)) + Mb/2 cos(2π(fc + fb))

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Arten der Amplitudenmodulation

Wie in den Gleichung oben beschrieben, hat das modulierte Signal Wellen mit den drei Frequenzen fc, fc – fb und fc + fb. Die Übertragung aller drei Frequenzen würde Energie und Bandbreite vergeuden. Um dieses Problem zu umgehen, kann eines der Seitenbänder (meist das niedrigere Seitenband) herausgefiltert werden. Dazu dient ein Hochpassfilter. Diese Abbildung stellt eine Single Sideband Modulation (SSB) dar.


Abb. 3: Frequenzbereichsansicht eines doppelten Seitenbands
– volles Trägersignal

Wird eines der Seitenbänder herausgefiltert, geht allerdings auch etwas von der ursprünglichen Leistung des modulierten Signals verloren. Zur Maximierung der übertragenen Leistung können sowohl das untere als auch das obere Band übertragen werden. In diesem Fall handelt es sich um eine Double Sideband Modulation (DSB).

Ein Bestandteil des modulierten Signals ist das reine Trägersignal. Da das reine Trägersignal keine Informationen enthält, muss es nicht übertragen werden. Deshalb kann diese Komponente des Signals entfernt werden, bevor es übertragen wird. Diese Methode wird Single Sideband/Double Sideband – Suppressed Carrier Modulation (SSB-SC, DSB-SC) genannt. Allerdings muss der Träger das Signal demodulieren. Es gibt spezielle Schaltkreise, die Informationen über den Träger aus einem der Seitenbänder extrahieren und bei der Demodulation verwendet werden.

Die Amplitudenmodulation kann auch zum Senden digitaler Daten dienen. Die Quadratur-Amplitudenmodulation (QAM) nutzt vier vorbestimmte Amplitudenpegel für die Bestimmung digitaler Bits.

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Realitätsprüfung

Obwohl das Verständnis von AM zum Verständnis der Modulation beiträgt, ist es nicht die effizienteste Methode, um ein Signal zu modulieren. Die einfache AM ist langsam und verbraucht zu viel Energie. Da der größte Teil der Kommunikation heute digital abläuft, werden weit komplexere Methoden verwendet, die in vielen Fällen die Phasenmodulation, das Phase Shift Keying (PSK), nutzt. PSK ist eine Art der Phasenmodulation zur Übertragung digitaler Daten.

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Ergänzende Produkte

RF-Vektorsignalanalysator NI PXIe-5663 (6,6 GHz)
Der Signalanalysator NI PXIe-5663 ist ein modularer RF-Vektorsignalanalysator bis 6,6 GHz und einer Bandbreite von 50 MHz, der für automatisierte Prüfanwendungen optimiert wurde.

RF-Vektorsignalgenerator NI PXIe-5673 (6,6 GHz)
Der Signalgenerator NI PXIe-5673 ist ein RF-Vektorsignalgenerator für vier Steckplätze, der Signale zwischen 85 MHz und 6,6 GHz erzeugt, über eine Bandbreite von 100 MHz und einen Speicher von bis zu 512 MB verfügt.

RF-Vektorsignalanalysator NI PXI-5660 mit 2,7 GHz
NI PXI-5660 ist ein modularer RF-Vektorsignalanalysator bis 2,7 GHz und einer Echtzeitbandbreite von 20 MHz, optimiert für automatisierte Prüfanwendungen.

Vektorsignalgenerator NI PXI-5671 mit 2,7 GHz
Das Modul NI PXI-5671 ist ein RF-Vektorsignalgenerator für drei Steckplätze, der Signale zwischen 250 kHz und 2,7 GHz erzeugt, über eine Echtzeitbandbreite von 20 MHz und einen Speicher von 512 MB verfügt.

RF- und Mikrowellensignalgenerator NI PXI-5652 mit 6,6 GHz
Der RF- und Mikrowellensignalgenerator NI PXI-5652 kann kontinuierlich Signale erzeugen. Das Modul eignet sich hervorragend für die Entwicklung von Stimulus-Antwort-Anwendungen mit RF-Signalanalysatoren.

RF-Schaltmodule von NI
Die RF-Schaltmodule von National Instruments eignen sich insbesondere zur Erweiterung der Kanalanzahl oder zur Steigerung der Flexibilität von Systemen mit Bandbreiten von mehr als 10 MHz bis maximal 26,5 GHz.

NI LabVIEW
NI LabVIEW ist ein zum Industriestandard avanciertes Softwarewerkzeug zur Entwicklung von Mess-, Prüf- und Automatisierungssystemen.

NI Modulation Toolkit
Das Modulation Toolkit von National Instruments erweitert die integrierte Analysefunktionalität von LabVIEW um Funktionen und Werkzeuge zur Signalerzeugung sowie zur Analyse, Darstellung und Verarbeitung standardisierter und benutzerdefinierter Digital- und Analogmodulationsformate.

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Fazit

Die vollständige Liste der Tutorien steht auf der Hauptseite zu den Grundlagen der Messtechnik zur Verfügung. Weitere RF-Tutorien sind auf der NI-Hauptseite zu den RF-Grundlagen zu finden. Alle Informationen über RF-Produkte von National Instruments sind unter www.ni.com/rf/d erhältlich.

 

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