Modulation ist der Prozess der Erhöhung und Verbesserung der Frequenz und Stärke des Nachrichtensignals. Dabei handelt es sich um den Prozess der Überlagerung des Originalsignals und des kontinuierlichen Hochfrequenzsignals. In Amplitudenmodulation (AM) variiert die Amplitude der Trägerwelle mit dem Nachrichtensignal. Der AM-Prozess ist im folgenden Bild dargestellt:
Zum Beispiel,
Audiosignal
Bei den Audiosignalen handelt es sich um Signale mit hohem Rauschen. Es ist nicht einfach, solche Signale über große Entfernungen zu übertragen. Daher ist die Modulation von Audiosignalen für eine erfolgreiche Übertragung erforderlich. Bei der AM-Modulation handelt es sich um ein Verfahren, bei dem der Radiowelle als Trägersignal ein Nachrichtensignal überlagert wird. Es wird mit der Funkträgerwelle hoher Amplitude kombiniert, wodurch die Stärke des Audiosignals erhöht wird.
Ähnlich, Frequenzmodulation (FM) befasst sich mit der Frequenzvariation des Trägersignals und Phasenmodulation (PM) befasst sich mit der Phasenvariation des Trägersignals.
Lassen Sie uns zunächst analog und die damit verbundenen Begriffe besprechen.
Lassen Sie uns zunächst analog und die damit verbundenen Begriffe besprechen.
Analog bezieht sich auf die kontinuierliche Variation mit der Zeit. Wir können analoge Kommunikation und analoges Signal wie folgt definieren: An analoge Kommunikation ist eine Kommunikation, die sich mit der Zeit ständig verändert. Es wurde vor der digitalen Kommunikation entdeckt. Es erfordert weniger Bandbreite für die Übertragung mit kostengünstigen Komponenten. Ein Analogsignal ist ein Signal, das sich kontinuierlich mit der Zeit ändert. Beispiele für analoge Signale sind Sinuswellen und Rechteckwellen.
Ein einfaches analoges Signal ist unten dargestellt:
Hier besprechen wir Folgendes:
Arten der Amplitudenmodulation
Geschichte der Amplitudenmodulation
Vor- und Nachteile der Amplitudenmodulation
Anwendungen der Amplitudenmodulation
Was ist Modulation?
Wenn das Nachrichtensignal dem Trägersignal überlagert wird, spricht man von Modulation . Das Nachrichtensignal wird der Trägerwelle oben überlagert. Überlagern bedeutet hier, dass ein Signal dem anderen Signal überlagert wird. Das resultierende Signal weist eine verbesserte Frequenz und Stärke auf.
Die Übersetzung des Signals ist sowohl für die analogen als auch für die digitalen Signale senderseitig erforderlich. Die Übersetzung wird durchgeführt, bevor das Signal zur Übertragung an den Empfänger auf den Kanal gebracht wird.
Nachrichtensignal
Das ursprüngliche Signal, das eine an den Empfänger zu übertragende Nachricht enthält, wird als Nachrichtensignal bezeichnet.
Trägersignal
Ein Trägersignal ist ein Signal mit konstanter Frequenz, die im Allgemeinen hoch ist. Die Trägersignalwellen benötigen zur Ausbreitung kein Medium.
Basisbandsignal
Ein Nachrichtensignal, das das Frequenzband darstellt, wird als Basisbandsignal bezeichnet. Der Bereich der Basisbandsignale reicht von 0 Hz bis zur Grenzfrequenz. Es wird auch als unmoduliertes Signal oder Niederfrequenzsignal bezeichnet.
Ein analoges Signal ist die Ausgabe einer Licht-/Schallwelle, die in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.
Durchlasssignal
Die Mitte liegt bei der Frequenz, die höher ist als die maximale Komponente des Nachrichtensignals.
Beispiel
Betrachten wir ein Beispiel von Sprachsignal . Es handelt sich um eine Art Audiosignal.
Das Sprachsignal hat niedrigere Basisbandfrequenzen im Bereich von 0,3 bis 3,4 kHz. Wenn zwei Personen auf demselben Kanal kommunizieren möchten, kommt es zu Störungen der Basisbandfrequenzen. Dies liegt daran, dass die niedrigeren Frequenzen nicht zwei Basisbandfrequenzen auf demselben Kanal zulassen können. Daher wird für das Sprachsignal ein Träger mit einer hohen Frequenz von bis zu 8 kHz verwendet. Es vergrößert den Frequenzbereich des Sprachsignals. Dadurch können zwei Personen störungsfrei auf demselben Kanal kommunizieren.
Bedarf an Modulation
Ein Kommunikationssystem sendet die Daten vom Sender zum Empfänger. Die Daten werden verarbeitet und legen mehr als Hunderte von Kilometern zurück, bevor sie den Empfänger erreichen. Das Rauschen während der Übertragung kann die Form des Kommunikationssignals beeinflussen. Es führt die empfangenen Informationen weiter in die Irre, indem es die Frequenz und Stärke des Signals verringert. Es ist ein Prozess erforderlich, der die Frequenz und die Stärke des Signals erhöht. Der Prozess in der Kommunikation wird als bezeichnet Modulation .
Bei der Kommunikation ist es wichtig, ein Signal von einem Ort zum anderen zu übertragen. Hierbei wird ein ursprüngliches Signal durch das neue ersetzt und seine Frequenz von f1 – f2 auf f1‘ – f2‘ erhöht. Beim Empfänger liegt es in verwertbarer Form vor. Die Anforderung der Modulation basiert auf folgenden Faktoren:
- Frequenzmultiplexing
- Antennen
- Schmale Streifenbildung
- Gemeinsame Verarbeitung
Frequenzmultiplexing
Multiplexing bezieht sich auf die Übersetzung mehrerer Signale auf demselben Kanal. Angenommen, wir müssen drei Signale über einen einzigen Kommunikationskanal übertragen, ohne die Qualität und Daten des Signals zu beeinträchtigen. Das bedeutet, dass die Signale auf der Empfängerseite unterscheidbar und wiederherstellbar sein sollten. Dies kann durch die Übersetzung der drei Signale bei unterschiedlichen Frequenzen erfolgen. Es verhindert, dass sich mehrere Signale überschneiden.
Der Frequenzbereich der drei Signale sei -f1 bis f1, -f2 bis f2 und -f3 bis f3. Die Signale sind durch einen Schutz dazwischen getrennt, wie unten gezeigt:
Wenn sich die ausgewählten Frequenzen dieser Signale nicht überlappen, kann dies auf der Empfangsseite durch den Einsatz geeigneter Bandpassfilter leicht wiederhergestellt werden.
Antennen
Die Antennen senden und empfangen Signale im freien Raum. Die Länge der Antenne wird entsprechend der Wellenlänge des übertragenen Signals gewählt.
Schmalband
Das Signal wird mit Hilfe einer Antenne im freien Raum übertragen. Angenommen, der Frequenzbereich liegt zwischen 50 und 104Hz. Das Verhältnis der höchsten zur niedrigsten Frequenz beträgt 104/50 oder 200. Die Länge der Antenne wird bei diesem Verhältnis an einem Ende zu lang und am anderen Ende zu kurz. Es ist nicht für die Übertragung geeignet. Daher wird das Audiosignal in den Bereich (10) übersetzt6+ 50) bis (106+ 104). Das Verhältnis wird jetzt etwa 1,01 betragen. Es ist bekannt als schmalbandig .
Somit kann der Übersetzungsprozess je nach Anforderung in Schmalband oder Breitband geändert werden.
Gemeinsame Verarbeitung
Manchmal müssen wir den spektralen Frequenzbereich verschiedener Signale verarbeiten. Bei einer großen Anzahl von Signalen ist es besser, in einem festen Frequenzbereich zu arbeiten, als den Frequenzbereich jedes einzelnen Signals zu verarbeiten.
Zum Beispiel,
Superhetero-Empfänger
Dabei wird ein gemeinsamer Verarbeitungsblock mithilfe eines lokalen Oszillators auf eine andere Frequenz abgestimmt.
Arten der Amplitudenmodulation
Die Modulationsarten werden mit bezeichnet DAS (Internationale Fernmeldeunion). Es gibt drei Arten der Amplitudenmodulation:
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- Einseitenbandmodulation
- Doppelte Seitenbandmodulation
- Überreste der Seitenbandmodulation
Der ursprüngliche Name der AM war DSBAM (Double Side Band Amplitude Modulation), da die Seitenbänder auf beiden Seiten der Trägerfrequenz auftreten können.
Einseitenbandmodulation (SSB)
SSB AM ist die Standardmethode zur Erzeugung von Seitenbändern nur auf einer Seite der Trägerfrequenz. Die Amplitudenmodulation kann Seitenbänder auf beiden Seiten der Trägerfrequenz erzeugen. Bei SSB werden Bandpassfilter verwendet, um ein Seitenband zu verwerfen. Das SSB-Modulationsverfahren verbessert die Bandbreitenausnutzung und Gesamtsendeleistung des Übertragungsmediums.
Doppelseitenband-unterdrückte Trägermodulation (DSB-SCB)
Double bedeutet zwei Seitenbänder. Die vom AM im DSB erzeugten Frequenzen sind symmetrisch zur Trägerfrequenz. Der DSB wird weiter kategorisiert als DSB-SC Und DSB-C . Die DSB-SC-Modulation (Double Sideband Suppress Carrier) enthält kein Trägerband und ist daher auch im Vergleich zu anderen Modulationsarten maximal effizient. Der Trägerteil im DSB-SC wird von der Ausgangskomponente entfernt. Das DSB-C (Double Sideband with Carrier) besteht aus der Trägerwelle. Die vom DSB-C erzeugte Ausgabe verfügt über einen Träger in Kombination mit der Nachricht und der Trägerkomponente.
Restseitenbandmodulation (VSB)
Einige der Informationen sind SSB und DSB können verloren gehen. Daher wird VSB verwendet, um die Nachteile dieser beiden AM-Typen zu überwinden. Unter Vestige versteht man einen Abschnitt des Signals. Bei VSB wird ein Abschnitt des Signals moduliert.
Wir werden die drei Arten von AM später im Tutorial ausführlich besprechen.
Geschichte der Amplitudenmodulation
- Im Jahr 1831 entdeckte der englische Wissenschaftler Michael Faraday die elektromagnetische Strahlung
- Im Jahr 1873 beschrieb der Mathematiker und Wissenschaftler James C. Maxwell die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen.
- Im Jahr 1875 entdeckte Graham Bell das Telefon.
- Im Jahr 1887 entdeckte der deutsche Physiker H. Hertz die Existenz von Radiowellen.
- Im Jahr 1901 wurde ein kanadischer Ingenieur namens R Fessenden übersetzt das erste amplitudenmodulierte Signal.
- R. Fessenden entdeckte es mithilfe des Funkenstreckensenders, der das Signal mithilfe eines elektrischen Funkens sendet.
- Die praktische Umsetzung der AM begann zwischen 1900 und 1920 durch Funktelefonübertragung. Es handelte sich um Kommunikation über das Audio- oder Sprachsignal.
- Der erste kontinuierliche AM-Sender wurde zwischen 1906 und 1910 entwickelt.
- Im Jahr 1915 ein amerikanischer Theoretiker JR Carson leitete die mathematische Analyse der Amplitudenmodulation ein. Er zeigte, dass das einzelne Band für die Übertragung des Audiosignals ausreicht.
- Am 1. Dezember 1915 patentierte J. R. Carson das SSB (Einzelseitenband-)Modulation.
- Nach der Erfindung der Vakuumröhre um 1920 erlangte der Rundfunk AM-Rundfunk große Popularität.
Frequenzumsetzung der Amplitudenmodulation
Die Übertragung eines Signals erfolgt durch Multiplikation mit einem sinusförmigen Hilfssignal. Es ist gegeben durch:
Vm(t) = AMcosωMT
Vm(t) = AMcos2πfMT
Wo,
Am ist die Amplitudenkonstante
Fm ist die Modulationsfrequenz
Fm = ωM/2p
Das Spektralmuster ist ein doppelseitiges Amplitudenmuster. Es besteht aus zwei Linien mit jeweils der Amplitude Am/2, wie unten dargestellt:
Sie liegt im Frequenzbereich von f = fm bis f = -fm.
Das sinusförmige Hilfssignal sei Vc(t).
Vc(t) = ACcosωCT
Durch Multiplikation des doppelten Spektralmusters mit dem Hilfssignal erhalten wir:
Vm(t). Vc(t) = AMcosωMt x ACcosωCT
Vm(t). Vc(t) = AMACcosωMt cosωCT
Es gibt nun vier Spektralkomponenten, wie oben gezeigt.
Das bedeutet, dass das Spektralmuster nun zwei Sinuswellenformen mit der Frequenz Fc + Fm und Fc – Fm aufweist. Die Amplitude vor der Multiplikation betrug Am/2. Aber die Komponenten nach der Multiplikation erhöhen sich von zwei auf vier.
Die Amplitude beträgt nun:
AmAc/4
1 Sinuskomponente = 2 Spektralkomponenten
Somit beträgt die Amplitude jeder Sinuskomponente:
AmAc/2
Das Spektralmuster wird nach der Multiplikation sowohl in positive als auch negative Frequenzrichtungen übersetzt. Wenn diese vier Spektralmuster mit der Verstärkung multipliziert werden, ergeben sich sechs Spektralkomponenten in Form von acht Sinuswellenformen.
Modulationsgrad
Der Modulationsindex ist definiert als das Verhältnis des Maximalwerts des Nachrichtensignals und des Trägersignals.
Es ist gegeben durch:
Modulationsindex = M/A
Wo,
M ist die Amplitude des Nachrichtensignals
A ist die Amplitude des Trägersignals
Oder
Modulationsindex = Am/Ac
Effizienz von AM
Der Wirkungsgrad der Amplitudenmodulation ist definiert als das Verhältnis der Seitenbandleistung zur Gesamtleistung.
Effizienz = Ps/Pt
Die Gesamtleistung ist die Summe aus Seitenbandleistung und Trägerleistung.
Pt = Ps + Pc
Somit können wir die Effizienz auch definieren als:
Effizienz = Ps/ Ps + PC
Das Am-Signal im Frequenzbereich kann wie folgt dargestellt werden:
S(t) = AC[1 + km(t)] cosωCT
Wo,
m(t) ist das Basisbandsignal
k ist die Amplitudenempfindlichkeit
s(t) bewahrt das Basisbandsignal in seiner Hüllkurve
s(t) = ACcosωCt + ACkm(t)cosωCT
Der erste Term ist der Trägerterm und der zweite Term ist der Seitenbandterm.
Die Leistung kann wie folgt dargestellt werden:
Für den Trägerterm ist Leistung =AC2/2
Für den Seitenbandterm gilt: Leistung =AC2k2/14 x Uhr
Pm ist die durchschnittliche Leistung des im Seitenbandterm vorhandenen Nachrichtensignals.
Effizienz = AC2k2Uhr/14/( AC2k214.00 Uhr + AC2/2)
Effizienz= k213.00 Uhr + 13.00 Uhr2Uhr
Dies ist der gebräuchliche Ausdruck zur Ermittlung der Leistungseffizienz der Amplitudenmodulation.
Da bei der Double Sideband Suppress Carrier Modulation kein Träger vorhanden ist, beträgt der Wirkungsgrad 50 %. Der Wirkungsgrad eines eintonmodulierten Signals liegt bei der Sinuswellenform bei etwa 33 %. Der maximale Wirkungsgrad von 100 % kann mit dem SSBSC (Single Side Modulation Suppress Carrier) erreicht werden.
Vorteile
Die Vorteile der Amplitudenmodulation sind folgende:
- Die Amplitudenmodulation trägt dazu bei, dass das Signal große Entfernungen zurücklegen kann, indem die Amplitude des Nachrichtensignals variiert wird.
- Die in den AM-Empfängern und -Sendern verwendeten Komponenten sind kostengünstig.
- AM-Signale lassen sich leicht modulieren und demodulieren.
- Das modulierte Signal hat eine niedrigere Frequenz als das Trägersignal.
- Der Prozess der Implementierung der Amplitudenmodulation ist einfach.
- Der zur Übertragung verwendete Kommunikationskanal kann ein drahtgebundener Kanal oder ein drahtloser Kanal sein. Es verbindet den Sender mit dem Empfänger. Es überträgt auch Informationen vom Sender zum Empfänger.
Nachteile
AM ist trotz verschiedener Nachteile eine weit verbreitete Modulation. Die Nachteile der Amplitudenmodulation sind folgende:
- Aufgrund der Anwesenheit von AM-Detektoren ist es anfälliger für Rauschen. Es beeinflusst die Qualität des Signals, das den Empfänger erreicht.
- Es hat Seitenbänder auf beiden Seiten der Trägerfrequenz. Die Leistung in den Doppelseitenbändern wird nicht zu 100 % ausgenutzt. Die von den AM-Wellen übertragene Leistung beträgt etwa 33 %. Das bedeutet, dass mehr als die Hälfte der Leistung auf der Doppelseite verschwendet wird.
- AM erfordert eine hohe Bandbreite, d. h. doppelt so viel wie die Audiofrequenz.
Anwendungen der Amplitudenmodulation
Die Anwendungen der Amplitudenmodulation sind wie folgt:
Die Amplitudenmodulation erhöht die Frequenz des Nachrichtensignals aufgrund des Vorhandenseins eines hochfrequenten Trägersignals. Aufgrund dieses Vorteils wird es daher häufig im Rundfunk eingesetzt.
Amplitudenmodulation wird in tragbaren Funkgeräten und Bandfunkgeräten für eine effektive Kommunikation verwendet.
Numerische Beispiele
Lassen Sie uns ein Beispiel diskutieren, das auf der Amplitudenmodulation basiert.
Beispiel: Ermitteln Sie die Gesamtleistung des amplitudenmodulierten Signals mit einer Trägerleistung von 400 W und einem Modulationsindex von 0,8.
Lösung : Die Formel zur Berechnung der Gesamtleistung des amplitudenmodulierten Signals lautet:
Pt = Pc (1 + m2/2)
Wo,
Pt ist die Gesamtleistung
Der PC ist die Trägerleistung
M ist das modulierte Signal
Jahr, in dem der Computer erfunden wurde
Pt = 400 (1 + (0,8)2/2)
Pt = 400 (1 + 0,64/2)
Pt = 400 (1 + 0,32)
Pt = 400 (1,32)
Pt = 528 Watt
Somit beträgt die Gesamtleistung des amplitudenmodulierten Signals 528 Watt.
Beispiel 2: Was ist die maximale Effizienz des Einzeltonmodulationssignals?
Lösung : Der maximale Wirkungsgrad des Einzeltonmodulationssignals beträgt 33 %.
Der Wirkungsgrad ergibt sich aus der Formel:
Effizienz = u2/(2 + u2)
Bei maximalem Wirkungsgrad ist u = 1
Effizienz = 12/(2 + 12)
Effizienz = 1/3
Effizienz % = 1/3 x 100
Effizienz % = 100/3
Effizienz % = 33,33