NAE Nachrichtentechnik und angewandte Elektronik

Transkript

1 Forelsalung Inhaltsverzeichnis: hea Unterpunkt Seite Modulation allgeein Deinition 7- Frequenzultiplex 7- Zeitultiplex 7- Übersicht Modulationsverahren Aplitudenodulation (AM) 7-3 Winkelodulation (WM) 7-3 Pluscodeodulation 7-3 Aplitudenodulation (AM) Kennlinien 7-4 Schaltzeichen 7-4 Moentanwert der Spannung 7-4 Modulationsgrad 7-4 Aplitudenspektru 7-5 Aplitudenspektru bei nicht sinusörigen Signalrequenzen 7-5 Erzeugung von AM-Signalen Prinzipschaltung 7-6 Erklärung 7-6 Modulation an einer Diode 7-7 andbreiten- und Leistungsbedar von AM andbreitenbedar 7-7 Leistungsbedar 7-7 Deodulation von AM-Signalen Deinition 7-8 Hüllkurven-Deodulator 7-8 Aubau von AM-Epängern Geradeausepänger 7-9 Überlagerungsepänger 7-9 ZF-Frequenz 7-9 Störungen bei AM-Signalen Störrequenzen 7-10 rägerschwund 7-10 Rauschen 7-10 Doppelseitenband-Modulation (DS, ZS) Deinition 7-10 Erzeugung von DS-Signalen Mit andsperre 7-10 Mit gegenphasiger rägeraddition 7-11 Mit Ringodulator 7-11 Mit Produktodulator 7-11 Deodulation von DS-Signalen Erklärung 7-1 Single-Seitenband-Modulation (ES, SS) Deinition 7-1 Erzeugung 7-1 Winkelodulation (WM) Deinition 7-13 Unterscheidung PM und 7-13 erechnung 7-13 Frequenzodulation () Deinitionen 7-14 esselunktion ür 7-14 sp.. Frequenzspektru 7-14 Phasenodulation (PM) Deinitionen 7-15 esselunktion ür PM 7-15 sp.. Frequenzspektru 7-15 andbreitenbedar ür WM-Signale erechnungen ür 7-16 erechnungen ür PM 7-16 Stand: Rev. 4 Seite 7-1

2 Forelsalung Modulation allgeein: ei der Nachrichtentechnik ist es vielach erorderlich, die elektrischen Signale in ihren Paraetern den Eigenschaten des Übertragungskanals anzupassen. Dazu wir eine Signalanpassung vorgenoen, die an als Modulation bezeichnet. Die Modulation wird auch benutzt einen Übertragungskanal ehrach nutzen zu können. Diese Mehrachnutzung kann über ein Frequenzultiplex-Verahren oder über ein Zeitultiplex-Verahren realisiert werden. Frequenzultiplex: Es werden ehrere Kanäle au einen rägerkanal oduliert. Dabei liegen die Kanäle i Frequenzbereich nebeneinander. Zeitultiplex: Die einzelnen zu übertragenen Kanäle werden in Zeitschlitze augespalten und die Zeitschlitze nacheinander übertragen. Stand: Rev. 4 Seite 7-

3 Forelsalung Übersicht Modulationsverahren: Das Frequenzultiplex-Verahren wird it eine sinusörigen räger durchgeührt. Unterscheidung: Aplitudenodulation (AM): AM Es wird der räger und die beiden Seitenbänder übertragen DS (ZS Doppel-Seitenb.) Es werden nur die beiden Seitenbänder übertragen SS (ES Single-Seitenb.) Es wird nur ein Seitenband übertragen RM (Rest-Seitenband) Es wird nur ein Restseitenband übertragen Winkelodulation (WM): (Frequenzodulation) Es wird die Frequenz des rägers oduliert PM (Phasenodulation) Es wird die Phasenlage zwischen Signal und räger oduliert Das Zeitultiplex-Verahren wird it eine pulsörigen räger durchgeührt. Unterscheidung: uncodiert: PAM (Pulsaplitudenodulation) Es wird die Aplitudenhöhe des Pulses oduliert PDM (Pulsdauerodulation) PPM (Pulsphasenodulation) Es wird die Pulsdauer oduliert Es wird die Phasenlage des Pulses oduliert codiert und quantisiert : PCM (Puls-Code-Modulation) Es wird die Aplitudenhöhe des Pulses oduliert Stand: Rev. 4 Seite 7-3

4 Forelsalung Aplitudenodulation (AM) : U cos( ω t) U cos( ω t) U AM 1 1 [ cos( ω t) ] + cos( ω t ω t) + cos( ω t + ω t) RAD!!! räger Unteres Seitenband Oberes Seitenband d ( ˆ ˆ ) u u ( ˆ ˆ ) D u + u u ˆ ei 1 gilt: ˆ u S D d D + d U AM [ cos( ω t) ] + cos( ω t ω t) + cos( ω t + ω t) RAD!!! U, U, U AM Moentanwerte der Spannungen in V zu Zeitpunkt t û, û Aplituden der Spannungen in V ω, ω Kreisrequenzen in s 1 Modulationsgrad (Für reproduzierbare Signale ier 1) (In der Praxis: 0,770%) D û AM ss ax (ax. Spitze-Spitze-Spannung von û AM ) d û AM ss in (in. Spitze-Spitze-Spannung von û AM ) Stand: Rev. 4 Seite 7-4

5 Forelsalung Aplitudenspektru eines AM-Signals: Vor der AM-Modulation ist i Frequenzspektru nur die rägerrequenz und die Signalrequenz bzw. die Signalrequenzen (wenn ein Mischsignale ist) vorhanden. Nach der AM-Modulation ist die rägerrequenz und die Frequenzen der beiden Seitenbänder t - bzw. - vorhanden bzw. bei Mischsignalen der Frequenzbereich des Unteren Seitenbandes von - ax bis - in und der Frequenzbereich des oberen Seitenbandes von + in bis + ax Ist die Signalrequenz kein Sinussignal, kot die Fourier-Analyse zu ragen. Dreieck-Signal: k 1, 3, 5, 7 it a k 8 h, h û π k k 8 k k π k Rechteck-Signal: k 1, 3, 5, 7 it b k 4 h, h û π k 4 k k k π k Sägezahn-Signal: k 1,, 3, 4, 5, 6, 7 it b k h, h û π k k k k π k k ganzzahliger Faktor û Aplitude der Signalrequenz in V û k Aplitude der k-ten Oberwelle in V Signalrequenz in Hz k Frequenz der k-ten Oberwelle in Hz I Frequenzspektru werden die Oberwellen it - entsprechenden Abstand ± k - und halber Aplitude k eingezeichnet. Stand: Rev. 4 Seite 7-5

6 Forelsalung Erzeugung von AM: U eine aplitudenodulierte Spannung zu erzeugen, üssen die beteiligten Frequenzen an eine auteil it nichtlinearer (a besten quadratischer) Kennlinie oduliert werden. ei der Modulation an einer nichtlinearen Kennlinie entstehen aber auch unerwünschte Frequenzen die it eine andpass ausgeiltert werden üssen. Wenn an eine auteil it quadratischer Kennlinie oduliert wird entsteht ein breiteres Frequenzspektru. Es besteht die Geahr daß das gewünschte Frequenzspektru von höheren Modulationsprodukten überlagert wird und es dait zu Verzerrungen kot. Man spricht hier von Kreuzodulation. ω M ω Kreisrequenz des Signals u M u Spannung des Signals U 0 Gleichspannungsanteil ω Kreisrequenz des rägers u Spannung des rägers Stand: Rev. 4 Seite 7-6

7 Forelsalung Erzeugung von AM durch Modulation an einer Diode: Durch die Modulation an einer Diode entsteht ein sehr breites Frequenzspektru, das noch ehr als die gewünschten Frequenzen enthält. Die unerwünschten Frequenzen üssen noch it eine andpass ausgeiltert werden. Die wird eist it eine Schwingkreis realisiert. andbreiten- und Leistungsbedar eines AM-Signals: andbreitenbedar: ax andbreite in Hz ax ax. Signalrequenz in Hz Leistungsbedar: P AM P + P S P AM P AM P AM 1 + P P 4 S P P P 1 + AM P AM + P S 1 P AM + P AM Gesatleistung des AM-Signals in W P AM Mittelwert ( Wirkleistung) des AM-Signals bei in. Signalrequenz und 1 Periode P Leistung des rägers in W P S Leistung eines (!!!) Seitenbandes in W Modulationsgrad des AM-Signals (ohne Einheit!!!) Stand: Rev. 4 Seite 7-7

8 Forelsalung Deodulation eines AM-Signals: Die Deodulation dient zur Rückgewinnung der Signalrequenz aus de odulierten AM- Signal. Dazu ist wiederu eine Frequenzusetzung notwendig, die it einer Aplitudenodulation realisiert wird, jedoch it vertauschten Frequenzkoponenten. Die einachste Schaltung zur Deodulation ist der Hüllkurven-Deodulator: Dabei uß der RC-iepass so beessen sein, dass die Spannungen der rägerhalbwellen geglättet werden, dabei aber die Aplitude der Signalrequenz nicht verloren geht. τ ax τ R C Für sinnvolle Verwendung des Hüllkurven-Deodulators sollte olgendes erüllt sein: > R C > ax τ Ladekonstante ür das RC-Glied ax ax. Periodendauer des Signals in s Periodendauer des rägers in s R Widerstand in Ω C Kapazität in F u * deodulierte NF-Signalspannung in V I deodulierten Signal ist nicht nur das ursprüngliche NF-Signal vorhanden, sondern auch Störungen, die während der Übertragung augeangen wurden. Stand: Rev. 4 Seite 7-8

9 Forelsalung Aubau von AM-Epängern: Gegenüber de Geradeausepänger hat der Überlagerungseänger den Vorteil, dass das hochrequente AM-Signal au eine este Frequenz, der ZF-Frequenz (Zwischenrequenz) ugesetzt wird. Dies vereinacht die Verstärkung des Signals. Zur Usetzung der epangenen Frequenz e wird diese it der Frequenz eines einstellbaren Oszillators OSZ geischt. Dadurch passiert die Frequenzusetzung. Es entstehen dabei zwei Mischrequenzen: e + OSZ und e OSZ Diese werden ZF-Frequenz und Spiegelrequenz genannt. Die Zwischenrequenz ist eist au 10,7 MHz genort (auch Frequenznoral genannt). Daraus olgt: ZF OSZ e ZF SP OSZ Wenn OSZ > e (Regelall) dann gilt: SP e + ZF sonst: SP e ZF Für den AM-Epang stellen also e oder SP die rägerrequenz des zu epangenden Signals dar. e Epangsrequenz in Hz o OSZ Oszillatorrequenz in Hz ZF Zwischenrequenz in Hz (auch Frequenznoral) (eist 10,7 MHz) SP Spiegelrequenz in Hz Stand: Rev. 4 Seite 7-9

10 Forelsalung Störungen bei AM: Diskrete Störrequenzen i Epangsband: 0 SNR S SNR S 0 SNR signal noise reduction Modulationsgrad û 0 Aplitude der rägerrequenz û S Aplitude der Störrequenz S 0 SNR ei steigender Aplitude der Störrequenz steigt auch. rägerschwund: Inde die Aplitude der rägerrequenz kleiner wird, ällt auch der Modulationsgrad. Rauschen: P R 4 k F 3 Ws k olzannkonstante ( 1,38 10 K ) eperatur in Kelvin 1 andbreite in s F Epängerrauschzahl Ohne Einheit!! Seitenbandunterdrückung: Durch ein unschares Filter wird ein Seitenband in der Aplitude gekappt. DS-Modulation (Doppenseitenband-Modulation, ZS-Modulation): Da zur Übertragung der rägerrequenz ein Großteil der Sendeleistung benötigt wird, in der rägerrequenz aber keine Inoration übertragen wird, liegt es nahe au die Übertragung des rägers zu verzichten. Mit P PAM und z.. 1 olgt daraus + P + 1 PAM P AM 3 P beträgt 66 % der Sendeleistung P AM Erzeugung eines DS-Signals: Mit einer andsperre: Proble: Die andsperre uss sehr schalbandig sein, da die iniale Signalrequenz sehr nahe an der rägerrequenz liegt. Dadurch entstehen leichte Verzerrungen. Stand: Rev. 4 Seite 7-10

11 Forelsalung Fortsetzung Erzeugung eines DS-Signals: Mit gegenphasiger rägeraddition: Proble: ei sogenannter Endstuenodulation nicht durchührbar. Mit Ringodulator: ei Ringodulator dient der räger u nur zu hochrequenten durchschalten der Dioden und dait des NF-Signals u. Charakteristisch ür den Ringodulator ist der Phasensprung des odulierten Ausgangssignals u AM (hier u ) bei Nulldurchgang des NF-Signals u Mit de Produktodulator (z.. Gilbert-Cell-Modulator): Der Produktodulator kann au zwei Arten betrieben werden. - it kleiner rägeraplitude ( V): I sogenannten Analogbetrieb wird durch die rägeraplitude die Verstärkung der ransistoren 1 bis 4 verändert. - it großer rägeraplitude (0,4 0,7 V) I sogenannten Digitalbetrieb arbeiten die ransistoren als Schalter Der räger dient auch hier nur zu hochrequenten Durchschalten des NF-Signals u S. Das Poti P dient zur Einstellung der Syetrie der ransistoren 5 und 6. Stellt an die ransistoren unsyetrisch ein, so kann ein eil des rägersignales it übertragen werden. Man spricht dann von einer DS-Modulation it Restträger. Stand: Rev. 4 Seite 7-11

12 Forelsalung Deodulation von DS-Signalen: Da der räger nicht ehr i DS-Signal vorhanden ist, kann kein Hüllkurvenodulator eingesetzt werden. Die Deodulation kann also nur it der gleichen Schaltung wie die Modulation erreicht werden. Dait die Deodulation jedoch das ursprüngliche NF-Signal zurücklieert, uß a Deodulator der räger it ausreichender Aplitude, gleicher Frequenz und gleicher Phase wie bei der Modulation zugesetzt werden. Dies erreicht an, inde an einen Restträger überträgt (Proble bei rägerschwund) oder den räger aus de DS-Signal rückgewinnt. Anwendung von DS: - Vorstue zur ES-Modulation - UKW-Stereo-etrieb - Übertragung des Farbträgers bei NSC- und PAL-Farbernseh-Systeen ES-Modulation (Single-Seitenband-Modulation, SS-Modulation): Als einachster Weg zur Erzeugung eines ES-Signals gilt die Filterethode. Mit Hile des iepasses wir aus de DS-Signal (ZS-Signal) das untere Seitenband ausgeiltert. Für die korrekte Deodulation des ES-Signales ist die Übertragung eines Restträgers i DS-Signal notwendig. Je nach Abstand der zu trennenden Frequenzen und der georderten Unterdrückung des Seitenbandes uss ein entsprechend trennscharer (auwendiger) iepass verwendet werden. Vorteil der ES-Modulation: Es wird nur ca. die halbe andbreite als bei DS-Signal benötigt. Auch wenn ein eil der Sendeleistung durch die Aussiebung des Seitenbandes verloren geht, ist die ES- Modulation dennoch wirtschatlicher. Stand: Rev. 4 Seite 7-1

13 Forelsalung Winkelodulation allgeein: Das NF-Signal beeinlusst den Moentanwinkel der rägerschwingung. Dadurch ändert sich auch die Moentanrequenz der rägerschwingung. Man unterscheidet die Winkelodulation in Phasenodulation (PM) und Frequenzodulation (). Eine Unterscheidung zwischen PM und ist erst öglich, wenn an die Frequenzspektren beider odulierten Signale bei verschiedenen Signalrequenzen vergleicht. Die Aplitude des rägers ist ier konstant!! Es gilt: ϕ ϕ u WM () t cos[ ( ω t) + ϕ cos( ω t) ] ϕ ϕ M WM WM () t [ sin ( ω t) ] ϕ () t ( ω t) + ϕ cos ( ω t) aschenrechner au RAD ustellen!!! û Aplitude des NF-Signales in V û Aplitude des rägersignales in V Frequenzhub φ Phasenhub M Modulationsindex NF-Signal (zu odulierendes Signal) in Hz rägerschwingung in Hz u WM (t) Moentanwert des WM-Signals in V WM (t) Moentanrequenz WM-Signals in Hz φ WM (t) Moentanwinkel WM-Signals in RAD φ ist u 90 phasenverschoben zu Stand: Rev. 4 Seite 7-13

14 Forelsalung Frequenzodulation (): ei -Modulation ist: - der Frequenzhub unabhängig von der NF-Signalrequenz ( s ) u - der Modulationsindex M abhängig von () t J ( M ) cos[ ( ω t) + ( M n ω t) ] + n n u (t) Moentanwert des -Signals in V û Aplitude der rägerschwingung J n (M) esselunktionswert des Index n in Abhängigkeit von M M Modulationsindex n Index des Seitenbandes (n0 norierte rägeraplitude, n>0 norierte Seitenband-Aplituden) Kennlinie der esselunktion ür : Die aus de Diagra erittelten Werte beziehen sich au die rägeraplitude û. ( noriert au û ) Daher ist es wichtig, i Frequenzspektru an der y-achse die Norierung zu kennzeichnen, inde an den etrag von û zu û û ˆ u an der Achse anträgt. Frequenzspektru eines -Signals bei M5: Norierung!! Stand: Rev. 4 Seite 7-14

15 Forelsalung Phasenodulation (PM): ei PM-Modulation ist: - der Frequenzhub abhängig von der NF-Signalrequenz ( s ) u PM - der Phasenhub φ unabhängig von () t J ( ϕ ) cos[ ( ω t) + ( ϕ n ω t) ] + n n u PM (t) Moentanwert des PM-Signals in V û Aplitude der rägerschwingung J n ( φ ) esselunktionswert des Index n in Abhängigkeit von φ φ Phasenhub n Index des Seitenbandes (n0 norierte rägeraplitude, n>0 norierte Seitenband-Aplituden) Kennlinie der esselunktion ür PM: Die aus de Diagra erittelten Werte beziehen sich au die rägeraplitude û. ( noriert au û ) Daher ist es wichtig, i Frequenzspektru an der y-achse die Norierung zu kennzeichnen, inde an den etrag von û zu û û ˆ u an der Achse anträgt. Frequenzspektru eines PM-Signals bei φ 1: Norierung!! Stand: Rev. 4 Seite 7-15

16 Forelsalung andbreitenbedar von WM-Signalen: Für Klirraktor < 10% ax M +1 ( ) PM Für Klirraktor < 10% ax ϕ +1 ( ) PM ax ( M + 1) ax PM ( ϕ + 1) M ax 1 ϕ PM ax 1 it M ax ax it PM ϕ ax ax Für Klirraktor < 1% ax M + ( ) Für Klirraktor < 1% ax ϕ + ( ) PM ax ( M + ) ax PM ( ϕ + ) M ax ϕ PM ax ax PM ax Anzahl der Seitenbänder: n ax Anzahl der Seitenbänder: PM n ax andbreite eines -Signals in Hz M Modulationsindex PM andbreite eines PM-Signals in Hz φ Phasenhub Frequenzhub ax axiale Signalrequenz in Hz n ganzzahlige Anzahl der Seitenbänder (bei n,4 n ) Stand: Rev. 4 Seite 7-16