Aufgaben:Aufgabe 2.10: ESB-AM mit Kanalverzerrungen: Unterschied zwischen den Versionen
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Wir betrachten die Übertragung des Quellensignals | Wir betrachten die Übertragung des Quellensignals | ||
| − | $$q(t) = 2\,{\rm V} \cdot \cos(2 \pi f_2 t) + 2\,{\rm V} \cdot \cos(2 \pi f_4 t)$$ | + | :$$q(t) = 2\,{\rm V} \cdot \cos(2 \pi f_2 t) + 2\,{\rm V} \cdot \cos(2 \pi f_4 t)$$ |
| − | über einen Gauß–Bandpasskanal mit der Mittenfrequenz $ | + | über einen Gauß–Bandpasskanal mit der Mittenfrequenz $f_{\rm M} = 48 \ \rm kHz$. |
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| + | *Diese unterscheidet sich von der bei der Modulation verwendeten Trägerfrequenz $f_{\rm T} = 50 \ \rm kHz$. | ||
| + | *Die Frequenzen $f_2$ und $f_4$ stehen als Abkürzungen für $f = 2 \ \rm kHz$ bzw. $f = 4 \ \rm kHz$. | ||
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| + | Untersucht werden sollen folgende Modulationsverfahren mit dem jeweiligen Spektrum $S_+(f)$ des analytischen Signals entsprechend der oberen Grafik: | ||
| + | * ZSB–AM $($alle vier Spektrallinien bei $46 \ \rm kHz$, $48 \ \rm kHz$, $52 \ \rm kHz$ und $54 \ \rm kHz)$, | ||
| + | *OSB–AM $($nur blaue Spektrallinien bei $52 \ \rm kHz$ und $54 \ \rm kHz)$ ⇒ übertragen wird nur das obere Seitenband, | ||
| + | * USB–AM $($nur grüne Spektrallinien bei $46 \ \rm kHz$ und $48 \ \rm kHz)$ ⇒ übertragen wird nur das untere Seitenband. | ||
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Verwendet wird jeweils ein Synchrondemodulator, der zunächst das empfängerseitige Trägersignal | Verwendet wird jeweils ein Synchrondemodulator, der zunächst das empfängerseitige Trägersignal | ||
| − | $$ z_{\rm E} (t) = \left\{ \begin{array}{c} 2 \cdot z(t) \\ 4 \cdot z(t) \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{10}c} {\rm{bei}} \\ {\rm{bei}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} {\rm ZSB} \hspace{0.05cm}, \\ {\rm OSB, USB} \hspace{0.05cm} \\ \end{array}$$ | + | :$$ z_{\rm E} (t) = \left\{ \begin{array}{c} 2 \cdot z(t) \\ 4 \cdot z(t) \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{10}c} {\rm{bei}} \\ {\rm{bei}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} {\rm ZSB} \hspace{0.05cm}, \\ {\rm OSB, USB} \hspace{0.05cm} \\ \end{array}$$ |
| − | multiplikativ zusetzt und anschließend die Anteile um die doppelte Trägerfrequenz vollständig unterdrückt. Bei idealem Kanal $ | + | multiplikativ zusetzt und anschließend die Anteile um die doppelte Trägerfrequenz vollständig unterdrückt. Bei idealem Kanal $H_{\rm K}(f) = 1$ würde somit in allen Fällen $v(t) = q(t)$ gelten. |
Der hier betrachtete Gaußkanal ist durch folgende Stützwerte gegeben: | Der hier betrachtete Gaußkanal ist durch folgende Stützwerte gegeben: | ||
| − | $$ H_{\rm K}(f = 46\ | + | :$$ H_{\rm K}(f = 46\ {\rm kHz}) = 0.968,\hspace{0.3cm}H_{\rm K}(f = 48\ {\rm kHz}) = 1.000,\hspace{0.3cm} |
| − | + | H_{\rm K}(f = 52\ {\rm kHz}) = 0.882,\hspace{0.3cm}H_{\rm K}(f = 54\ {\rm kHz}) = 0.754\hspace{0.05cm}.$$ | |
Schreiben Sie das Sinkensignal jeweils in der Form | Schreiben Sie das Sinkensignal jeweils in der Form | ||
| − | $$v(t) = A_2 \cdot \cos(2 \pi f_2 \cdot (t - \tau_2)) + A_4 \cdot \cos(2 \pi f_4 \cdot (t - \tau_4))\hspace{0.05cm}.$$ | + | :$$v(t) = A_2 \cdot \cos(2 \pi f_2 \cdot (t - \tau_2)) + A_4 \cdot \cos(2 \pi f_4 \cdot (t - \tau_4))\hspace{0.05cm}.$$ |
| − | Alle Berechnungen sind sowohl für eine perfekte Phasensynchronisation ( | + | Alle Berechnungen sind sowohl für eine perfekte Phasensynchronisation $(Δϕ_{\rm T} = 0)$ als auch für einen Phasenversatz von $Δϕ_{\rm T} = 30^\circ$ durchzuführen. |
| − | $$ z_{\rm E} (t) = A_{\rm E} \cdot \cos(\omega_{\rm T} \cdot t - 30^\circ) . $$ | + | |
| − | + | Dieser liegt zum Beispiel dann vor, wenn das sendeseitige Trägersignal cosinusförmig verläuft und für das empfangsseitige Trägersignal gilt: | |
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| + | *Die Aufgabe gehört zum Kapitel [[Modulationsverfahren/Einseitenbandmodulation|Einseitenbandmodulation]]. | ||
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| − | {Berechnen Sie die Amplituden bei ZSB–AM und perfekter Synchronisation. | + | {Berechnen Sie die Amplituden bei <u>"ZSB–AM"</u> und <u>"perfekter Synchronisation"</u> $(Δϕ_{\rm T} = 0)$. |
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| − | $ | + | $A_2 \ = \ $ { 1.882 3% } $\ \rm V$ |
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| − | {Wie lauten die Größen | + | {Wie lauten die Größen $A_2$ und $τ_2$ bei <u>"ZSB–AM"</u> und <u>"Phasenversatz"</u> $(Δϕ_{\rm T} = 30^\circ)$? |
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| − | $ | + | $τ_2 \hspace{0.25cm} = \ $ { 0. } $\ \rm µ s$ |
| − | {Berechnen Sie die Amplituden $A_2$ und $A_4$ bei OSB–AM und $ | + | {Berechnen Sie die Amplituden $A_2$ und $A_4$ bei <u>"OSB–AM"</u> und <u>"perfekter Synchronisation"</u> $(Δϕ_{\rm T} = 0)$. |
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| − | $ | + | $A_2 \ = \ $ { 1.764 3% } $\ \rm V$ |
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| − | {Geben Sie die Signalsamplituden für USB–AM und $ | + | {Geben Sie die Signalsamplituden für <u>"USB–AM"</u> und <u>"perfekte Synchronisation"</u> an $(Δϕ_{\rm T} = 0)$. |
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| − | $ | + | $A_4 \ = \ $ { 1.936 3% } $\ \rm V$ |
| − | $ | + | $τ_4 \hspace{0.25cm} = \ $ { 20.8 3% } $\ \rm µ s$ |
| − | {Welche dieser Aussagen sind nach Ihren Ergebnissen zutreffend? Hierbei sollen unter | + | {Welche dieser Aussagen sind nach Ihren Ergebnissen zutreffend? Hierbei sollen unter "Kanalverzerrungen" stets Dämpfungsverzerrungen verstanden werden. |
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| − | + Kanalverzerrung führt bei ZSB-AM zu Dämpfungsverzerrungen. | + | + Jede Kanalverzerrung führt bei ZSB-AM zu Dämpfungsverzerrungen. |
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- Ein Phasenversatz führt bei ZSB–AM zu Dämpfungsverzerrungen. | - Ein Phasenversatz führt bei ZSB–AM zu Dämpfungsverzerrungen. | ||
+ Ein Phasenversatz führt bei ESB–AM zu Phasenverzerrungen. | + Ein Phasenversatz führt bei ESB–AM zu Phasenverzerrungen. | ||
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| + | '''(1)''' Bei der ZSB–AM sind folgende Dämpfungsfaktoren zu berücksichtigen: | ||
| + | :$$\alpha_2 = {1}/{2} \cdot \left[ H_{\rm K}(f = 48\,{\rm kHz}) + H_{\rm K}(f = 52\,{\rm kHz})\right] = 0.981,$$ | ||
| + | :$$\alpha_4 = {1}{2} \cdot \left[ H_{\rm K}(f = 46\,{\rm kHz}) + H_{\rm K}(f = 54\,{\rm kHz})\right] = 0.861\hspace{0.05cm}.$$ | ||
| + | *Damit ergeben sich die Amplituden $A_2\hspace{0.15cm}\underline{ = 1.882 \ \rm V}$ und $A_4\hspace{0.15cm}\underline{ = 1.722 \ \rm V}$. | ||
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| + | '''(2)''' Bei ZSB führt ein Phasenversatz zwischen den Trägerfrequenzen von Sender und Empfänger nur zu einer für alle Frequenzen gleichen Dämpfung: | ||
| + | :$$A_2 = \cos (30^\circ) \cdot 1.882\,{\rm V} \hspace{0.15cm}\underline {= 1.630\,{\rm V}},$$ | ||
| + | :$$A_4 = \cos (30^\circ) \cdot 1.722\,{\rm V} = 1.491\,{\rm V}\hspace{0.05cm}.$$ | ||
| + | *Die Verzögerungszeiten sind $τ_2\hspace{0.15cm}\underline {= 0}$ und $τ_4 = 0$. | ||
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| + | '''(3)''' Bei OSB–AM wird der Dämpfungsfaktor $α_2$ allein von $H_{\rm K}(f = 52\ \rm kHz)$ bestimmt. | ||
| + | *Da der prinzipielle Amplitudenverlust der OSB um den Faktor $2$ durch eine größere Trägeramplitude ausgeglichen wird, gilt: | ||
| + | :$$A_2 = 0.882 \cdot 2\,{\rm V}\hspace{0.15cm}\underline {= 1.764\,{\rm V}},$$ | ||
| + | :$$A_4 = 0.754 \cdot 2\,{\rm V}\hspace{0.15cm}\underline {= 1.508\,{\rm V}} \hspace{0.05cm}.$$ | ||
| + | '''(4)''' Analog zur Lösung der Teilaufgabe '''(3)''' erhält man hier: | ||
| + | :$$ A_2 = H_{\rm K}(f = 48\,{\rm kHz}) \cdot 2\,{\rm V}\hspace{0.15cm}\underline {= 2\,{\rm V}},$$ | ||
| + | :$$A_4 = H_{\rm K}(f = 46\,{\rm kHz}) \cdot 2\,{\rm V}\hspace{0.15cm}\underline {= 1.936\,{\rm V}} \hspace{0.05cm}.$$ | ||
| − | + | '''(5)''' Bei der USB–AM lautet das Empfangssignal: | |
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| + | *Durch Multiplikation mit dem empfangsseitigen Trägersignal $z_{\rm E}(t) = 4 \cdot \cos( \omega_{\rm 50} \cdot t - \Delta \phi_{\rm T})$ erhält man nach Anwendung des trigonometrischen Additionstheorems: | ||
| + | :$$v(t) = r(t) \cdot z_{\rm E}(t) = \hspace{0.15cm}\underline { 2.000\,{\rm V}} \cdot \cos( \omega_{\rm 2} \cdot t - \Delta \phi_{\rm T})+\hspace{0.15cm}\underline { 1.936\,{\rm V}} \cdot \cos( \omega_{\rm 4} \cdot t - \Delta \phi_{\rm T}) | ||
| + | + {\rm Anteile \hspace{0.15cm}um \hspace{0.15cm}} 2f_{\rm T}\hspace{0.05cm}$$ | ||
| + | :$$ \Rightarrow \hspace{0.3cm} A_2 \hspace{0.15cm}\underline {= 2\,{\rm V}},\hspace{0.5cm} A_4 \hspace{0.15cm}\underline {= 1.936\,{\rm V}}.$$ | ||
| + | *Unter Berücksichtigung des nachfolgenden Tiefpassfilters kann hierfür auch geschrieben werden: | ||
| + | :$$ v(t) = A_2 \cdot \cos( \omega_{\rm 2} \cdot (t - \tau_2))+ A_4 \cdot \cos( \omega_{\rm 4} \cdot (t - \tau_4))\hspace{0.05cm}.$$ | ||
| + | *Die Amplituden sind gegenüber Teilaufgabe '''(4)''' unverändert. Für die Verzögerungszeiten erhält man mit $Δϕ_{\rm T} = π/6$: | ||
| + | :$$ \tau_2 = \frac {\Delta \phi_{\rm T}}{2 \pi \cdot f_2} = \frac {\pi /6}{2 \pi \cdot 2\,{\rm kHz}} \hspace{0.15cm}\underline {\approx 41.6\,{\rm µ s}},\hspace{0.5cm} \tau_4 = \frac {\Delta \phi_{\rm T}}{2 \pi \cdot f_4}= \frac {\tau_2}{2}\hspace{0.15cm}\underline {\approx 20.8\,{\rm µ s}} \hspace{0.05cm}.$$ | ||
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| + | '''(6)''' Richtig sind <u>der erste und der letzte Lösungsvorschlag</u>: | ||
| + | *Auch bei ESB führen Dämpfungsverzerrungen auf dem Kanal ausschließlich zu Dämpfungsverzerrungen bezüglich $v(t)$. | ||
| + | *Auch bei ESB gibt es Phasenverzerrungen nur bei einem Demodulator mit Phasenversatz. | ||
| + | *Bei der ZSB–AM hätte ein solcher Phasenversatz keine Verzerrungen zur Folge, sondern nur eine frequenzunabhängige Dämpfung. | ||
| + | *Zu Phasenverzerrungen bezüglich $v(t)$ kommt es bei ZSB–AM und ESB–AM auch, wenn solche bereits auf dem Kanal auftreten. | ||
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Aktuelle Version vom 16. Februar 2022, 17:44 Uhr
Sendespektrum des analytischen Signals und Kanalfrequenzgang
Wir betrachten die Übertragung des Quellensignals
- $$q(t) = 2\,{\rm V} \cdot \cos(2 \pi f_2 t) + 2\,{\rm V} \cdot \cos(2 \pi f_4 t)$$
über einen Gauß–Bandpasskanal mit der Mittenfrequenz $f_{\rm M} = 48 \ \rm kHz$.
- Diese unterscheidet sich von der bei der Modulation verwendeten Trägerfrequenz $f_{\rm T} = 50 \ \rm kHz$.
- Die Frequenzen $f_2$ und $f_4$ stehen als Abkürzungen für $f = 2 \ \rm kHz$ bzw. $f = 4 \ \rm kHz$.
Untersucht werden sollen folgende Modulationsverfahren mit dem jeweiligen Spektrum $S_+(f)$ des analytischen Signals entsprechend der oberen Grafik:
- ZSB–AM $($alle vier Spektrallinien bei $46 \ \rm kHz$, $48 \ \rm kHz$, $52 \ \rm kHz$ und $54 \ \rm kHz)$,
- OSB–AM $($nur blaue Spektrallinien bei $52 \ \rm kHz$ und $54 \ \rm kHz)$ ⇒ übertragen wird nur das obere Seitenband,
- USB–AM $($nur grüne Spektrallinien bei $46 \ \rm kHz$ und $48 \ \rm kHz)$ ⇒ übertragen wird nur das untere Seitenband.
Verwendet wird jeweils ein Synchrondemodulator, der zunächst das empfängerseitige Trägersignal
- $$ z_{\rm E} (t) = \left\{ \begin{array}{c} 2 \cdot z(t) \\ 4 \cdot z(t) \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{10}c} {\rm{bei}} \\ {\rm{bei}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} {\rm ZSB} \hspace{0.05cm}, \\ {\rm OSB, USB} \hspace{0.05cm} \\ \end{array}$$
multiplikativ zusetzt und anschließend die Anteile um die doppelte Trägerfrequenz vollständig unterdrückt. Bei idealem Kanal $H_{\rm K}(f) = 1$ würde somit in allen Fällen $v(t) = q(t)$ gelten.
Der hier betrachtete Gaußkanal ist durch folgende Stützwerte gegeben:
- $$ H_{\rm K}(f = 46\ {\rm kHz}) = 0.968,\hspace{0.3cm}H_{\rm K}(f = 48\ {\rm kHz}) = 1.000,\hspace{0.3cm} H_{\rm K}(f = 52\ {\rm kHz}) = 0.882,\hspace{0.3cm}H_{\rm K}(f = 54\ {\rm kHz}) = 0.754\hspace{0.05cm}.$$
Schreiben Sie das Sinkensignal jeweils in der Form
- $$v(t) = A_2 \cdot \cos(2 \pi f_2 \cdot (t - \tau_2)) + A_4 \cdot \cos(2 \pi f_4 \cdot (t - \tau_4))\hspace{0.05cm}.$$
Alle Berechnungen sind sowohl für eine perfekte Phasensynchronisation $(Δϕ_{\rm T} = 0)$ als auch für einen Phasenversatz von $Δϕ_{\rm T} = 30^\circ$ durchzuführen.
Dieser liegt zum Beispiel dann vor, wenn das sendeseitige Trägersignal cosinusförmig verläuft und für das empfangsseitige Trägersignal gilt:
- $$ z_{\rm E} (t) = A_{\rm E} \cdot \cos(\omega_{\rm T} \cdot t - 30^\circ) . $$
Hinweise:
- Die Aufgabe gehört zum Kapitel Einseitenbandmodulation.
- Bezug genommen wird aber auch auf das Kapitel Synchrondemodulation.
Fragebogen
Musterlösung
(1) Bei der ZSB–AM sind folgende Dämpfungsfaktoren zu berücksichtigen:
- $$\alpha_2 = {1}/{2} \cdot \left[ H_{\rm K}(f = 48\,{\rm kHz}) + H_{\rm K}(f = 52\,{\rm kHz})\right] = 0.981,$$
- $$\alpha_4 = {1}{2} \cdot \left[ H_{\rm K}(f = 46\,{\rm kHz}) + H_{\rm K}(f = 54\,{\rm kHz})\right] = 0.861\hspace{0.05cm}.$$
- Damit ergeben sich die Amplituden $A_2\hspace{0.15cm}\underline{ = 1.882 \ \rm V}$ und $A_4\hspace{0.15cm}\underline{ = 1.722 \ \rm V}$.
(2) Bei ZSB führt ein Phasenversatz zwischen den Trägerfrequenzen von Sender und Empfänger nur zu einer für alle Frequenzen gleichen Dämpfung:
- $$A_2 = \cos (30^\circ) \cdot 1.882\,{\rm V} \hspace{0.15cm}\underline {= 1.630\,{\rm V}},$$
- $$A_4 = \cos (30^\circ) \cdot 1.722\,{\rm V} = 1.491\,{\rm V}\hspace{0.05cm}.$$
- Die Verzögerungszeiten sind $τ_2\hspace{0.15cm}\underline {= 0}$ und $τ_4 = 0$.
(3) Bei OSB–AM wird der Dämpfungsfaktor $α_2$ allein von $H_{\rm K}(f = 52\ \rm kHz)$ bestimmt.
- Da der prinzipielle Amplitudenverlust der OSB um den Faktor $2$ durch eine größere Trägeramplitude ausgeglichen wird, gilt:
- $$A_2 = 0.882 \cdot 2\,{\rm V}\hspace{0.15cm}\underline {= 1.764\,{\rm V}},$$
- $$A_4 = 0.754 \cdot 2\,{\rm V}\hspace{0.15cm}\underline {= 1.508\,{\rm V}} \hspace{0.05cm}.$$
(4) Analog zur Lösung der Teilaufgabe (3) erhält man hier:
- $$ A_2 = H_{\rm K}(f = 48\,{\rm kHz}) \cdot 2\,{\rm V}\hspace{0.15cm}\underline {= 2\,{\rm V}},$$
- $$A_4 = H_{\rm K}(f = 46\,{\rm kHz}) \cdot 2\,{\rm V}\hspace{0.15cm}\underline {= 1.936\,{\rm V}} \hspace{0.05cm}.$$
(5) Bei der USB–AM lautet das Empfangssignal:
- $$r(t) = 1\,{\rm V} \cdot \cos( \omega_{\rm 48} \cdot t) + 0.968\,{\rm V} \cdot \cos( \omega_{\rm 46} \cdot t)\hspace{0.05cm}.$$
- Durch Multiplikation mit dem empfangsseitigen Trägersignal $z_{\rm E}(t) = 4 \cdot \cos( \omega_{\rm 50} \cdot t - \Delta \phi_{\rm T})$ erhält man nach Anwendung des trigonometrischen Additionstheorems:
- $$v(t) = r(t) \cdot z_{\rm E}(t) = \hspace{0.15cm}\underline { 2.000\,{\rm V}} \cdot \cos( \omega_{\rm 2} \cdot t - \Delta \phi_{\rm T})+\hspace{0.15cm}\underline { 1.936\,{\rm V}} \cdot \cos( \omega_{\rm 4} \cdot t - \Delta \phi_{\rm T}) + {\rm Anteile \hspace{0.15cm}um \hspace{0.15cm}} 2f_{\rm T}\hspace{0.05cm}$$
- $$ \Rightarrow \hspace{0.3cm} A_2 \hspace{0.15cm}\underline {= 2\,{\rm V}},\hspace{0.5cm} A_4 \hspace{0.15cm}\underline {= 1.936\,{\rm V}}.$$
- Unter Berücksichtigung des nachfolgenden Tiefpassfilters kann hierfür auch geschrieben werden:
- $$ v(t) = A_2 \cdot \cos( \omega_{\rm 2} \cdot (t - \tau_2))+ A_4 \cdot \cos( \omega_{\rm 4} \cdot (t - \tau_4))\hspace{0.05cm}.$$
- Die Amplituden sind gegenüber Teilaufgabe (4) unverändert. Für die Verzögerungszeiten erhält man mit $Δϕ_{\rm T} = π/6$:
- $$ \tau_2 = \frac {\Delta \phi_{\rm T}}{2 \pi \cdot f_2} = \frac {\pi /6}{2 \pi \cdot 2\,{\rm kHz}} \hspace{0.15cm}\underline {\approx 41.6\,{\rm µ s}},\hspace{0.5cm} \tau_4 = \frac {\Delta \phi_{\rm T}}{2 \pi \cdot f_4}= \frac {\tau_2}{2}\hspace{0.15cm}\underline {\approx 20.8\,{\rm µ s}} \hspace{0.05cm}.$$
(6) Richtig sind der erste und der letzte Lösungsvorschlag:
- Auch bei ESB führen Dämpfungsverzerrungen auf dem Kanal ausschließlich zu Dämpfungsverzerrungen bezüglich $v(t)$.
- Auch bei ESB gibt es Phasenverzerrungen nur bei einem Demodulator mit Phasenversatz.
- Bei der ZSB–AM hätte ein solcher Phasenversatz keine Verzerrungen zur Folge, sondern nur eine frequenzunabhängige Dämpfung.
- Zu Phasenverzerrungen bezüglich $v(t)$ kommt es bei ZSB–AM und ESB–AM auch, wenn solche bereits auf dem Kanal auftreten.
