Modulationsverfahren/Allgemeines Modell der Modulation

1. Modulationsverfahren
2. Allgemeine Beschreibung
3. Allgemeines Modell der Modulation

• Vorherige Seite
• Nächste Seite

• Vorherige Seite
• Nächste Seite

Gemeinsame Beschreibung von Amplituden– und Winkelmodulation

Gemeinsame Beschreibung von Amplituden– und Winkelmodulation

Bei den Beschreibungen von  Amplitudenmodulation  $\rm (AM)$  und  Winkelmodulation  $\rm (WM$,  sowohl  $\rm PM$  als auch   $\rm FM)$  in den nächsten Kapiteln wird stets die nebenstehende Konstellation betrachtet.  Der zentrale Block ist hierbei der  Modulator.

Die beiden Eingangssignale und das Ausgangssignal weisen folgende Eigenschaften auf:

• Das  Quellensignal  $q(t)$  ist das niederfrequente Nachrichtensignal und besitzt das Spektrum  $Q(f)$.  Dieses Signal ist wert– und zeitkontinuierlich und auf den Frequenzbereich  $|f| ≤ B_{\rm NF}$  begrenzt.
• Das  Trägersignal  $z(t)$  ist eine harmonische Schwingung der Form

$$z(t) = A_{\rm T} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm T} t - \varphi_{\rm T})= A_{\rm T} \cdot \cos(2 \pi f_{\rm T} t + \phi_{\rm T})\hspace{0.05cm}.$$

• Das  Sendesignal  $s(t)$  ist ein höherfrequentes Signal, dessen Spektralfunktion  $S(f)$  im Bereich um die Trägerfrequenz  $f_{\rm T}$  liegt.

Das Modulatorausgangssignal  $s(t)$  hängt von beiden Eingangssignalen  $q(t)$  und  $z(t)$  ab.  Die nachfolgend betrachteten Modulationsverfahren differieren ausschließlich durch unterschiedliche Verknüpfungen von  $q(t)$  und  $z(t)$.

$\text{Festlegung:}$  Jede  Harmonische Schwingung  $z(t)$  ist beschreibbar durch

• die Amplitude  $A_{\rm T}$,
• die Frequenz  $f_{\rm T}$  und
• die Nullphasenlage  ${\it ϕ}_{\rm T}$ .

Während bei Anwendung von Fourierreihe und Fourierintegral meist die linke Gleichung mit Minuszeichen und  $φ_{\rm T}$  benutzt wird,  ist zur Beschreibung der Modulationsverfahren die rechte Gleichung mit  ${\it ϕ}_{\rm T} = \ – φ_{\rm T}$  und Pluszeichen üblich.

Eine sehr einfache, leider nicht immer ganz richtige Modulatorgleichung

$\text{Definition:}$  Ausgehend von der harmonischen Schwingung  (hier mit der Kreisfrequenz  $ω_{\rm T} = 2πf_{\rm T}$  geschrieben)

$$z(t) = A_{\rm T} \cdot \cos(\omega_{\rm T}\cdot t + \phi_{\rm T})$$

kommt man zur  allgemeinen Modulatorgleichung,  indem die bisher festen Schwingungsparameter als zeitabhängig angesetzt werden:

$$s(t) = a(t) \cdot \cos \big[\omega(t) \cdot t + \phi(t)\big ]\hspace{0.05cm}.$$

$\text{!! Vorsicht !!}$  Diese allgemeine Modulatorgleichung ist sehr einfach und plakativ und trägt zum Verständnis der Modulationsverfahren bei.  Leider stimmt diese Gleichung bei der Frequenzmodulation nur in Ausnahmefällen.  Hierauf wird im Kapitel  Signalverläufe bei Frequenzmodulation  noch ausführlich eingegangen.

Als Sonderfälle sind in dieser Gleichung enthalten:

• Bei der  Amplitudenmodulation  $\rm (AM)$  ändert sich die zeitabhängige Amplitude  $a(t)$  entsprechend dem Quellensignal  $q(t)$, während die beiden anderen Signalparameter konstant sind:

$$\omega(t) = \omega_{\rm T} = {\rm const.}\hspace{0.08cm}, \hspace{0.2cm}\phi(t) = \phi_{\rm T} = {\rm const.}\hspace{0.08cm}, \hspace{0.2cm} a(t) = {\rm Funktion \hspace{0.15cm}von}\hspace{0.15cm}q(t) .$$

• Bei der Frequenzmodulation  $\rm (FM)$  wird ausschließlich die momentane (Kreis–)Frequenz  $\omega(t)$  durch das Quellensignal  $q(t)$  bestimmt:

$$a(t) = A_{\rm T} = {\rm const.}\hspace{0.08cm}, \hspace{0.2cm}\phi(t) = \phi_{\rm T} = {\rm const.}\hspace{0.08cm}, \hspace{0.2cm} \omega(t)= {\rm Funktion \hspace{0.15cm}von}\hspace{0.15cm}q(t) .$$

• Bei der Phasenmodulation  $\rm (PM)$  variiert die Phase  $\phi(t)$  entsprechend dem Quellensignal  $q(t)$:

$$a(t) = A_{\rm T} = {\rm const.}\hspace{0.08cm}, \hspace{0.2cm}\omega(t) = \omega_{\rm T} = {\rm const.}\hspace{0.08cm}, \hspace{0.2cm} \phi(t) = {\rm Funktion \hspace{0.15cm}von}\hspace{0.15cm}q(t) .$$

Bei diesen grundlegenden Verfahren werden also stets zwei der drei Schwingungsparameter konstant gehalten.

• Daneben gibt es auch Varianten mit mehr als einer Zeitabhängigkeit von Amplitude,  Frequenz  bzw.  Phase.
• Ein Beispiel hierfür ist die  Einseitenbandmodulation,  bei der sowohl  $a(t)$  als auch  ${\it ϕ}(t)$  vom Quellensignal  $q(t)$  beeinflusst werden.

Modulierte Signale bei digitalem Quellensignal

Bei der Beschreibung von  $\rm AM$,  $\rm FM$  und  $\rm PM$  wird meist das Quellensignal  $q(t)$  als zeit- und wertkontinuierlich angenommen.

• Die obigen Gleichungen lassen sich aber auch auf ein rechteckförmiges Quellensignal anwenden.
• $q(t)$  ist in diesem Fall zeitkontinuierlich,  aber wertdiskret.  Damit sind auch  Lineare digitale Modulationsverfahren  beschreibbar.

$\text{Beispiel 1:}$  Die Grafik zeigt oben ein rechteckförmiges Quellensignal  $q(t)$    ⇒   "Basisbandsignal",  und darunter gezeichnet die modulierten Signale  $s(t)$,  die sich bei wichtigen digitalen Modulationsverfahren ergeben.

Basisbandsignal sowie  $\rm ASK$,  $\rm FSK$  und  $\rm PSK$

• Bei der Amplitudenmodulation,  deren digitale Variante unter der Bezeichnung  "Amplitude Shift Keying"  $\rm (ASK)$  bekannt ist,  erkennt man das Nachrichtensignal in der Hüllkurve von  $s(t)$.

• Im Signalverlauf der  "Frequency Shift Keying"  $\rm (FSK)$  werden die beiden möglichen Signalwerte von  $q(t) = +1$   bzw.   $q(t) =-1$  durch zwei unterschiedliche Frequenzen dargestellt.

• "Phase Shift Keying"  $\rm (PSK)$  führt bei Amplitudensprüngen des Quellensignals  $q(t)$  zu Phasensprüngen im Signal  $s(t)$,  im binären Fall jeweils um  $\pm π$  (bzw. $\pm 180^\circ$).

Beschreibung des physikalischen Signals mit Hilfe des analytischen Signals

Das modulierte Signal  $s(t)$  ist bandpassartig.  Wie bereits im Buch „Signaldarstellung” beschrieben wurde, wird ein solches BP–Signal  $s(t)$  häufig durch das dazugehörige  analytische Signal  $s_+(t)$  charakterisiert. Zu beachten ist:

• Das analytische Signal  $s_+(t)$  erhält man aus dem reellen, physikalischen Signal  $s(t)$, indem zu diesem als Imaginärteil dessen  Hilberttransformierte  hinzugefügt wird:

$$s_+(t) = s(t) + {\rm j} \cdot {\rm H}\{ s(t)\}\hspace{0.05cm}.$$

• Das analytische Signal  $s_+(t)$  ist somit stets komplex.  Zwischen den beiden Zeitsignalen gilt der folgende einfache Zusammenhang:

$$s(t) = {\rm Re} \big[s_+(t)\big] \hspace{0.05cm}.$$

• Das Spektrum  $S_+(f)$  des analytischen Signals ergibt sich aus dem zweiseitigen Spektrum  $S(f)$,  wenn man dieses bei positiven Frequenzen verdoppelt und für negative Frequenzen zu Null setzt:

$$S_+(f) =\big[ 1 + {\rm sign}(f)\big] \cdot S(f) = \left\{ \begin{array}{c} 2 \cdot S(f) \\ 0 \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{10}c} {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} f>0 \hspace{0.05cm}, \\ f<0 \hspace{0.05cm}, \\ \end{array} \hspace{1.3cm} \text{mit}\hspace{1.3cm} {\rm sign}(f) = \left\{ \begin{array}{c} +1 \\ -1 \\ \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{10}c} {\rm{f\ddot{u}r}} \\ {\rm{f\ddot{u}r}} \\ \end{array}\begin{array}{*{20}c} f>0 \hspace{0.05cm}, \\ f<0 \hspace{0.05cm}. \\ \end{array}$$

Verdeutlichung des analytischen Signals im Frequenzbereich

$\text{Beispiel 2:}$  Die obere Grafik zeigt das Spektrum  $S(f)$  eines reellen Zeitsignals  $s(t)$.  Man erkennt:

• Die Achsensymmetrie der Spektralfunktion  $S(f)$  bezüglich der Frequenz  $f=0$:  

$${\rm Re}\big[S( - f)\big] = {\rm Re}\big[S(f)\big].$$

• Hätte das Spektrum des reellen Zeitsignals  $s(t)$  einen Imaginärteil, so wäre dieser punktsymmetrisch um  $f=0$:

$${\rm Im}\big[S( - f)\big] = - {\rm Im}\big[S(f)\big].$$

Unten ist das Spektrum  $S_+(f)$  des zugehörigen analytischen Signals  $s_+(t)$  dargestellt.  Dieses ergibt sich aus  $S(f)$  durch

• Abschneiden der negativen Frequenzanteile:   $S_+(f) \equiv 0$  für  $f<0$,
• Verdoppeln der positiven Frequenzanteile:   $S_+(f ) = 2 \cdot S(f )$  für  $f \ge 0$.

Bis auf einen nicht praxisrelevanten Sonderfall ist das analytische Signal  $s_+(t)$  stets komplex.

Wir wenden nun diese Definitionen auf das modulierte Signal  $s(t)$  an. Im Sonderfall  $q(t) \equiv 0$  ist  $s(t)$  wie das Trägersignal  $z(t)$  eine harmonische Schwingung.  Es gilt:

Verdeutlichung des analytischen Signals im Zeitbereich für  $ϕ_{\rm T} = -45^\circ$ Note:
(1)  To be display the relation  $s(t) = {\rm Re}[s_+(t)]$  horizontally,  the complex plane is rotated by  $90^\circ$  to the left,  contrary to the usual representation.  Thus:
(2)   The real part is plotted vertically and the imaginary part horizontally.

$$s(t) = A_{\rm T} \cdot \cos(\omega_{\rm T}\cdot t + \phi_{\rm T}) \hspace{0.3cm} \Leftrightarrow \hspace{0.3cm} s_+(t) = A_{\rm T} \cdot {\rm e}^{\hspace{0.03cm}{\rm j} \hspace{0.03cm}(\omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} + \phi_{\rm T})}\hspace{0.05cm}.$$

Die zweite Gleichung beschreibt einen Drehzeiger mit folgenden Eigenschaften:

• Die Zeigerlänge kennzeichnet die Signalamplitude  $A_{\rm T}$.  Zur Zeit  $t = 0$  liegt der Zeiger mit dem Winkel  $ϕ_{\rm T}$  in der komplexen Ebene.
• Für  $t > 0$  dreht der Zeiger mit konstanter Winkelgeschwindigkeit  $ω_{\rm T}$  in mathematisch positive Richtung (entgegen dem Uhrzeigersinn).
• Die Zeigerspitze liegt stets auf einem Kreis mit dem Radius  $A_{\rm T}$  und benötigt für eine Umdrehung genau die Periodendauer  $T_0$.

$$s(t) = A_{\rm T} \cdot \cos(\omega_{\rm T}\cdot t + \phi_{\rm T}) \hspace{0.3cm} \Leftrightarrow \hspace{0.3cm} s_+(t) = A_{\rm T} \cdot {\rm e}^{\hspace{0.03cm}{\rm j} \hspace{0.03cm}(\omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} + \phi_{\rm T})}\hspace{0.05cm}.$$

$\text{Die einzelnen Modulationsverfahren lassen sich nun wie folgt darstellen:}$

• Bei der  Amplitudenmodulation  ändert sich die Zeigerlänge  $a(t) = \vert s_+(t)\vert $  und damit die Hüllkurve von  $s(t)$  entsprechend dem Quellensignal  $q(t)$.
  Die Winkelgeschwindigkeit  $ω(t)$  ist dabei konstant.
• Bei der  Frequenzmodulation  ändert sich die Winkelgeschwindigkeit  $ω(t)$  des rotierenden Zeigers entsprechend  $q(t)$,
  während die Zeigerlänge  $a(t) = A_{\rm T}$  nicht verändert wird.
• Bei der  Phasenmodulation  ist die Phase  $ϕ(t)$  zeitabhängig entsprechend dem Quellensignal  $q(t)$.
  Es bestehen viele Gemeinsamkeiten mit der Frequenzmodulation, die ebenfalls zur Klasse der Winkelmodulation zählt.

Beschreibung des physikalischen Signals mit Hilfe des äquivalenten Tiefpass-Signals

Manche Sachverhalte bezüglich der sendeseitigen Modulation und der Demodulation am Empfänger lassen sich anhand des  äquivalenten Tiefpass–Signals  entsprechend der Definition im Buch „Signaldarstellung” anschaulich am besten erklären.

Zum äquivalenten Tiefpass–Signal im Frequenzbereich

Für dieses Signal  $s_{\rm TP}(t)$  und dessen Spektrum  $S_{\rm TP}(f)$  gelten die folgenden Aussagen:

• Das Spektrum  $S_{\rm TP}(f)$  des äquivalenten Tiefpass–Signals erhält man aus  $S_+(f)$  durch Verschiebung um  $f_{\rm T}$  nach links und liegt somit im Bereich um die Frequenz  $f =0$:

$$S_{\rm TP}(f) = S_+(f + f_{\rm T}) \hspace{0.05cm}.$$

• Für die zugehörige Zeitfunktion gilt nach dem  Verschiebungssatz:

$$s_{\rm TP}(t) = s_+(t) \cdot {\rm e}^{{-\rm j}\hspace{0.08cm} \omega_{\rm T} \hspace{0.03cm}t }\hspace{0.05cm}.$$

• Das äquivalente Tiefpass–Signal einer unmodulierten harmonischen Schwingung ist für alle Zeiten konstant   –   die Ortskurve besteht in diesem Sonderfall aus einem einzigen Punkt:

$$s(t) = A_{\rm T} \cdot \cos(\omega_{\rm T}\cdot t + \phi_{\rm T}) \hspace{0.3cm} \Leftrightarrow \hspace{0.3cm} s_+(t) = {\rm e}^{\hspace{0.03cm}{\rm j} \hspace{0.03cm}(\omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} + \phi_{\rm T})}\hspace{0.05cm},$$

$$ s_+(t) = {\rm e}^{\hspace{0.03cm}{\rm j} \hspace{0.03cm}(\omega_{\rm T}\hspace{0.05cm} t \hspace{0.05cm} + \phi_{\rm T})}\hspace{0.3cm} \Leftrightarrow \hspace{0.3cm} s_{\rm TP}(t) = A_{\rm T} \cdot {\rm e}^{\hspace{0.03cm}{\rm j} \hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.05cm} \phi_{\rm T}}\hspace{0.05cm}.$$

$\text{Wichtiges Ergebnis:}$  Für ein amplituden– oder winkelmoduliertes Signal mit der Trägerfrequenz  $f_{\rm T}$  gilt dagegen:

$$s(t) = a(t) \cdot \cos(\omega_{\rm T}\cdot t + \phi(t)) \hspace{0.3cm} \Leftrightarrow \hspace{0.3cm} s_{\rm TP}(t) = a(t) \cdot {\rm e}^{\hspace{0.03cm}{\rm j} \hspace{0.03cm} \cdot \hspace{0.05cm} \phi (t)}\hspace{0.05cm}.$$

Die Hüllkurve  $a(t)$  und der Phasenverlauf  $ϕ(t)$  des (physikalischen) Bandpass-Signals  $s(t)$  bleiben auch im äquivalenten TP–Signal  $s_{\rm TP}(t)$  erhalten.

$\text{Beispiel 3:}$  Die Grafik zeigt jeweils rechts das modulierte Signal  $s(t)$   ⇒   roter Signalverlauf   im Vergleich zum Trägersignal  $z(t)$   ⇒   blauer Signalverlauf.
Links dargestellt sind die jeweiligen äquivalenten Tiefpass–Signale  $s_{\rm TP}(t)$   ⇒   grüne Ortskurven.

Sendesignale bei Amplituden– und Winkelmodulation

Oben ist die  Amplitudenmodulation  beschrieben,  bei der das Quellensignal  $q(t)$  in der Hüllkurve  $a(t)$  zu erkennen ist:

• Da die Nulldurchgänge des Trägers  $z(t)$  erhalten bleiben,  ist  $ϕ(t) = 0$  und das äquivalente TP–Signal  $s_{\rm TP}(t) = a(t)$  ist reell.

• Die Herleitung dieses Sachverhalts erfolgt im Kapitel  Beschreibung mit Hilfe des äquivalenten TP-Signals.

Unten ist die  Winkelmodulation  verdeutlicht.

• Hier ist die Hüllkurve  $a(t)$  konstant   ⇒   das äquivalente TP-Signal  $s_{\rm TP}(t) = A_{\rm T} · e^{\rm j·ϕ(t)}$  beschreibt einen Kreisbogen.
• Die Information über das Nachrichtensignal  $q(t)$  steckt hier in der Lage der Nulldurchgänge von  $s(t)$.
• Genaueres hierüber finden Sie im Kapitel Gemeinsamkeiten zwischen PM und FM

$\text{Weitere Hinweise:}$

• Wir bezeichnen im Folgenden den zeitabhängigen Verlauf von  $s_{\rm TP}(t)$  in der komplexen Ebene auch als „Ortskurve”.
• Das „Zeigerdiagramm” beschreibt dagegen den Verlauf des analytischen Signals  $s_+(t)$.
• Der hier dargelegte Sachverhalt wird mit zwei interaktiven Applets im Zeitbereich verdeutlicht:

(1)  Physikalisches Signal & Analytisches Signal ,

(2)  Physikalisches Signal & Äquivalentes TP-Signal.

Aufgaben zum Kapitel

Aufgabe 1.4: Zeigerdiagramm und Ortskurve

Aufgabe 1.4Z: Darstellungsformen von Schwingungen