Amplitudenmodulation

Grundprinzip und Einsatz

Bei der Amplitudenmodulation (AM) schwankt die Amplitude einer Trägerschwingung oder von Pulsen entsprechend einem modulierenden Signal, etwa Ton, Sprache oder Musik. Ein Träger kann auch ein komplexes Gemisch aus mehreren Signalen und Modulationsarten übertragen, wie beim analogen Farbfernsehen. Natürlich tritt AM in der Musik als Tremolo auf.

AM ist wichtig, weil sie sich vergleichsweise einfach empfangen lässt: Ein passiver Detektorempfänger benötigt mindestens einen Schwingkreis und einen Detektor, beispielsweise Kristalldetektor oder Spitzendiode, um das Audiosignal zu gewinnen. AM wird unter anderem für Lang-, Mittel- und Kurzwellenrundfunk, CB- und Amateurfunk, Flugfunk, Flugnavigationsanlagen wie NDB, ILS, (D)VOR und TACAN sowie teilweise analoges Fernsehen verwendet.

Historisch wurde zunächst ein HF-Träger für Morsezeichen ein- und ausgeschaltet. Danach diente die Träger-Doppelseitenbandmodulation CDSB (Carrier Double Side Band) für Telefonie. Je nach Verfahren unterscheiden sich Energiebedarf, belegte Bandbreite und erforderliches Signal-Rausch-Verhältnis (S/N Ratio, SNR).

Analoge und digitale AM-Arten

Bei analoger AM können Träger und Seitenbänder gegenüber CDSB mit Modulationsindex m = 1 (100 %) abgeschwächt (R für Reduced) oder unterdrückt (S für Suppressed) sein. Man unterscheidet unteres Seitenband LSB (Lower Side Band) und oberes Seitenband USB (Upper Side Band).

Wichtige Arten sind:

• OOK (On Off Keying): Ein- und Austastung eines unmodulierten Trägers, etwa für Morsecode.
• CDSB: Träger sowie LSB und USB werden übertragen; dies ist die übliche Rundfunk-AM.
• CISB/ISB: Beide Seitenbänder enthalten voneinander unabhängige Informationen.
• CSSB und SSB: Nur ein Seitenband, LSB oder USB, wird übertragen; bei SSB(SC) ist der Träger unterdrückt, bei SSB(RC) reduziert.
• DSBRC und DSBSC: Beide Seitenbänder werden übertragen, der Träger ist reduziert beziehungsweise unterdrückt.
• VSB (Restseitenbandmodulation): Ein Seitenband besitzt höchstens 100 %, das andere höchstens 33 % der bei m = 1 möglichen Leistung; Anwendung ist beispielsweise analoges Fernsehen.
• CW (Continuous Wave): Dauerhafter Träger ohne Modulation, daher DOE NONE.

Auch digitale Verfahren nutzen Amplitudenmodulation: ASK ist Amplitudenumtastung, PAM die Amplitudenmodulation von Pulsen und QAM die Kombination aus Amplituden- und Phasenmodulation. Bei TACAN wird die in PAM enthaltene Information erst im Fernfeld des Antennenarrays empfangbar.

Spektrum, Bandbreite und Leistung

Für ein sinusförmiges Nutzsignal u_NF = Û_NF cos ωt wird ein Gleichanteil Û_T addiert und mit dem hochfrequenten Träger cos Ωt multipliziert, wobei Ω ≫ ω gilt:

u_AM = (Û_T + Û_NF cos ωt) cos Ωt = Û_T cos Ωt + (Û_NF/2)[cos(Ω − ω)t + cos(Ω + ω)t].

CDSB-AM enthält damit den Träger bei Ω und zwei Seitenbänder bei Ω − ω und Ω + ω. Jedes Seitenband hat die Amplitude ½ Û_NF. Die Information liegt in den Seitenbändern: Eine Änderung der Nutzsignal-Amplitude ändert deren Amplituden, eine Änderung der Nutzfrequenz ihre Lage. Bei Sprache und Musik entsprechen die sich ständig verändernden Seitenbänder dem Frequenzspektrum des Nutzsignals.

Der Modulationsgrad ist m = Û_NF/Û_T und lässt sich auch aus den Hüllkurvenwerten bestimmen: m = (U_AMmax − U_AMmin)/(U_AMmax + U_AMmin). Für eine inkohärente Demodulation muss 0 < m ≤ 1 gelten. Bei m = 0 wird nur der unmodulierte Träger übertragen; bei m > 1 liegt Übermodulation vor, die nur kohärent verzerrungsfrei demodulierbar ist. Im Modulationstrapez gilt m = (B − A)/(B + A); es ist bei 0 < m < 1 trapezförmig, bei m = 1 dreieckig und bei m > 1 fischförmig.

Bei CDSB ist die Bandbreite B = 2 · f_i_max. Ein Basisband von 0 bis 4,5 kHz benötigt im AM-Rundfunk daher B = 9 kHz. Im Flugsprechfunk ist die höchste Sprach-Modulationsfrequenz auf 2,5 kHz begrenzt, bei ILS und VOR auf 3 kHz. Einseitenbandverfahren benötigen nur den Bereich zwischen minimaler und maximaler Modulationsfrequenz.

CDSB ist energieineffizient: Selbst bei m = 1 entfallen 50 % der HF-Energie auf den informationstraglosen Träger und höchstens je 25 % auf die zwei identische Information enthaltenden Seitenbänder. Der Wirkungsgrad lautet η = P_SB/P_ges = m²/(4 + 2m²) und liegt zwischen 0 % bei m = 0 und 17 % bei m = 1. SSB ist besonders effizient, weil Energie nur für Information eingesetzt wird.

Sender, Empfang und typische Störungen

Im Sender stammt das Nutzsignal meist aus einer NF-Quelle wie einem Mikrofon, während ein Oszillator den Träger erzeugt. In einer Mischstufe, beispielsweise einer Gilbertzelle, werden Nutz- und Trägersignal multipliziert. Nach Bandpassfilterung und HF-Verstärkung gelangt das AM-Signal zur Antenne. Bei Kurzwellensendern über 100 kW kann eine wassergekühlte Triode in der Endstufe eingesetzt werden; ihre mit dem Nutzsignal überlagerte Anodenspannung liefert ein Pulse-Step-Modulator (PSM).

Bei kohärenter Demodulation erzeugt der Empfänger einen lokalen Träger, der zum empfangenen Träger phasengleich ist. Nach Multiplikation, Tiefpass- und Hochpassfilterung bleibt das Nutzsignal mit halber Amplitude übrig: u_TP = (Û_NF/2) cos ωt. Das Verfahren benötigt unter anderem eine Phasenregelschleife (PLL), ist aufwendig, eignet sich aber für extrem schwache oder stark gestörte Signale.

Die inkohärente Demodulation benötigt keinen lokalen Träger. Ein Bandpass wählt das Signal aus, eine Diode richtet es gleich und ein Tiefpass glättet es; gegebenenfalls entfernt ein Hochpass den Gleichanteil. Praktische Formen sind Hüllkurvendetektor und Detektorempfänger. Sie funktionieren nur bei ausreichend starken Signalen und sind störanfällig.

Bei mehrstufiger multiplikativer Demodulation wird das Signal zunächst schmalbandig verstärkt und dann in einer oder mehreren Stufen mit einem Empfängerträger multipliziert und tiefpassgefiltert. Weicht der Empfängerträger vom Senderträger ab, entsteht eine Schwebung. Im Beispiel entsprechen 50 Hz Schwebung einer Abweichung von 0,02 % bei 230 kHz. Zunehmend übernimmt digitale Signalverarbeitung nach Analog-Digital-Umsetzung diese Aufgaben.

Flugnavigationsanlagen und Capture-Effekt

Bei ILS, (D)VOR und TACAN entsteht ein Teil der für die Navigation nötigen AM erst im Fernfeld einer Phased-Array-Antenne durch das Zusammenwirken mehrerer Antennenelemente. Die Richtungsinformation ist der Azimutwinkel, also die Richtung des Luftfahrzeugs zur Bodenanlage.

Beim ILS entsteht die Difference in Depth of Modulation (DDM) zwischen einem 90-Hz- und einem 150-Hz-Ton erst im Fernfeld. Die einzelnen Antennen werden mit unterschiedlichen Amplituden und Phasenverschiebungen durch CSB (Carrier Side Band, CDSB) und/oder SBO (Side Band Only, DSBSC) gespeist. Die DDM hängt von der Position des Empfängers ab.

Bei VOR überlagern sich im Fernfeld CSB und SBO aus verschiedenen Antennen. CSB enthält einen azimutabhängig phasenverschobenen 30-Hz-Ton, einen 1020-Hz-OOK-Ton zur Kennung und optional einen Sprachkanal von 300 Hz bis 3000 Hz. SBO überträgt einen 30-Hz-Referenzton auf einem mit FM modulierten 9960-Hz-Unterträger. Der Empfänger ermittelt daraus die Richtung bezogen auf magnetisch Nord. Beim DVOR senden etwa 50, stets eine gerade Zahl, kreisförmig angeordnete Antennen mit typischerweise 13,5 m Durchmesser den 9960-Hz-Unterträger. Der Doppler-Effekt erzeugt im Empfänger eine 30-Hz-FM mit Frequenzhub ±480 Hz.

Beim Capture-Effect unterdrückt bei mehreren AM-Signalen ab etwa 8 dB Signalverhältnis das stärkere das schwächere, wenn der Trägerabstand mindestens B_n = 2f_max beträgt. Dies ermöglicht im VHF-Flugsprechfunk mehrere Sender für große Sektoren; beim ILS hilft es zusammen mit Antennendiagrammen und Sendeleistung, Reflexionsstörungen zu vermindern. Nachteile von AM sind unter anderem Interferenzpfeifen durch leicht versetzte Störsender, Trägerschwund und eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Gewitter- und Zündfunkenstörungen.

AM in der EMV-Prüfung

Bei Prüfungen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) werden neben Nutzsignalen amplitudenmodulierte Störsignale eingesetzt. Als Nutzsignal dient meist ein Sinuston von 1 kHz, selten 400 Hz oder 1 Hz.

Bei Abwärtsmodulation ist der Bezugspegel der Spitzenwert des modulierten Signals. Bei Aufwärtsmodulation bezieht er sich auf den Nulldurchgang des aufmodulierten niederfrequenten Signals. Üblich ist ein Modulationsgrad von 80 %; der Spitzenwert eines aufwärtsmodulierten Störsignals beträgt dann das 1,8-Fache des Bezugspegels.

Die Basisnormen EN 61000-4-3 und EN 61000-4-6 verwenden aufwärtsmodulierte Störsignale für die Prüfung gegen gestrahlte beziehungsweise leitungsgeführte elektromagnetische Felder. ISO 11451 und ISO 11452 für Straßenfahrzeuge beziehungsweise Komponenten verwenden abwärtsmodulierte Signale. Oberhalb von 800 MHz kommen in diesem ISO-Bereich meist pulsmodulierte Störsignale zum Einsatz; bei AM-Abwärtsmodulation erreichen beide Modulationsarten denselben Spitzenwert.