Modulation und Demodulation

Als Modulation bezeichnet man das Verfahren mit dem ein Nutzsignal mit einem Trägersignal kombiniert wird. Demodulation ist die Rückgewinnung des Nutzsignales aus dem Trägersignal. Häufig verwendete Modulationsarten im Amateurfunk sind CW, SSB, und FM durch den Menschen. Auch digitale Modulationsarten finden Anwendung.
Hierbei redet man häufig von HF (Hochfrequenz) und NF (Niederfrequenz). Die NF beinhaltet die zu übertragenden Daten, und die HF die Frequenz auf der die Daten übertragen werden.

Continuous Wave

Dies ist das einfachste Übertragungsverfahren, da hier eigentlich gar nicht Moduliert wird. Das Signal besteht lediglich aus einem Träger der ein- und ausgeschaltet wird. Da es sich nur um einen Träger handelt, ist dieses Verfahren extrem schmalbandig. Es findet bei der Morsetelegrafie Anwendung.

Berechnung CW Bandbreite: `b_"CW"=5*("wpm"/1.2)`

Beispiel mit 6 Wörtern pro Minute: `b_"CW"=5*(6/1.2)=25"Hz"`

Hinweis: Bei CW geht man von 5 Zeichen pro Wort aus, also `5"bpm"=1"wpm"`

AM: Amplitudenmodulation

Dieses Verfahren wird insbesondere von kommerziellen Radiostationen im HF, MF, LF Bereich eingesetzt. Ein Niederfrequenzsignal "NF" (z.B. Sprache) wird in einem Frequenzmischer mit einem statischen Träger der gewünschten Zielfrequenz (HF) gemischt. Das resultierende Signal hat eine Amplitude die der Amplitude des NF Signales mischt. Würde man mit einem Stift eine Linie über die Spitzen der Amplituden zeichnen würde mann das originale Signal wiedererkennen. Diese virtuelle Linie nennt man die Hüllkurve. Eine gespiegelte Version findet man beim verbinden der negativen Amplitudenspitzen.
AM ist zwar extrem einfach zu implementieren, verschwendet aber viel Bandbreite und Leistung. Das gemischte Signal besteht aus dem originalen Trägersignal, sowie dem Amplitudenmodulierten Sprachsignal welches beidseitig des Trägers liegt als ob sich dieses am Träger spiegeln würde. Diese beiden Signale nennt man die Seitenbänder. Die niedrigste Frequenz der NF liegt am nächsten am Träger, und die Höchste Frequenz des NF am weitesten weg. Dies bedeutet, dass im oberen Seitenband eine ansteigende NF auch eine ansteigende HF zur Folge hat. Im unteren Seitenband findet das Gegenteil statt (NF Veränderung umgekehrt zur HF Veränderung).
Beim demodulieren wird daher mit einer Diode ein Seitenband abgeschnitten. Da es eine exakte Spiegelung ist, geht dabei keine Information verloren.

Auf den Träger fallen ca. 50% der Sendeleistung. Die beiden Seitenbänder teilen sich die übrigen 50%. Pro Seitenband fallen also nur ca 25% der Sendeleistung.
Hier ist anzumerken, dass dies historisch bedingt ist. Weder der Träger, noch beide Seitenbänder gemeinsam werden benötigt. Ein einzelnes Seitenband würde ausreichen.
Hinweis: Der Träger eines AM Signales wird von Radios verwendet um sich genau auf die Frequenz einzustellen. Dies macht es einfacher auf der korrekten Frequenz zu bleiben, und das Tuning ist nicht von der NF Signalstärke abhängig, da der Träger immer vorhanden ist, auch wenn gerade Stille auf der NF ist.

Berechnung AM Bandbreite: `b_"AM"="NF"_"MAX"*2`

Beispiel mit einem 15 kHz NF Signal: `b_"AM"=(15*10^3)*2=30"kHz"`

Hinweis: Es spielt keine Rolle was die untere Grenzfrequenz des NF Signales ist, nur die obere spielt eine Rolle. Von daher macht es bei AM auch wenig Sinn diese nach unten zu filtern

PEP: Peak Envelope Power

Dies hat Bezug auf die Leistungsmessung am Antennenausgang. Die Formel beschreibt wie viel Energie wirklich benötigt wird um Informationen zu senden wenn die Energie des Trägers bekannt ist.
Die Formel lässt sich umstellen um zu ermitteln, wie viel Leistung effektiv im AM Betrieb abgegeben wird, die "Viertelregel" funktioniert aber auch hier. Teilt man also die angegebene Sendeleistung eines Funkgerätes durch 4, erhält man die effektive maximale Leistung im AM Betrieb. Ein 100W Gerät erzielt also einen effektiven Nutzen von 25W im AM Betrieb. Diese Betriebsart ist von daher für Amateure eher nicht gebräuchlich, da SSB massiv effizienter ist (siehe nächstes Kapitel).

Formel: `"PEP"=P_c*(1+m)^2`

`P_c` Ist die Spitzenleistung des Trägers, `m` ist der Modulationsgrad im Bereich 0-1, wobei dies 0-100% entspricht.

Beispiel: Auf einen 100W Träger soll ein Audiosignal mit 100% Modulation gesendet werden: `"PEP"=100*(1+1)^2=100*(2)^2=100*4=400W`
Bei einem zu 100% moduliertem 100W Träger wird also eine Leistung von 400W erzeugt. Dies Entspricht der Herleitung oberhalb, dass nur 25% des Signales benötigt werden. 300W werden also ineffizient gesendet.

SSB: Einseitenbandmodulation (Single Side Band)

SSB ist eine optimierte Modulationsart von AM. Sie wird im Amateurfunkbereich gerne eingesetzt, da man mehr Ergebnis für die selbe Leistung wie AM bekommt, ausserdem wird mehr Platz auf dem Band für andere Stationen gelassen.
Wie bereits oberhalb beschrieben, könnte man sich bei AM etwa 75% der Sendeleistung sparen wenn man nicht dringend benötigte Informationen entfernt bevor sie an den Verstärker gelangen. Im Amateurfunk wird zudem die NF gefiltert. Nur der Bereich 300Hz bis 3kHz wird gesendet. Dieser Bereich entspricht etwa der Qualität einer Telefonleitung, was für Sprachverbundungen ausreichend ist.
Da der Träger nicht übermittelt wird, ist die Signalstärke ausschliesslich von der Amplitude des NF Signales abhängig. Damit ein Transmitter also die volle Leistung bringen kann, ist es wichtig, dass das NF Signal möglichst laut ist, jedoch nicht so laut um ein Übersteuern zu verursachen. Moderne Funkgeräte und Mikrofone automatisieren dies häufig.

Die Modulation und Demodulation ist etwas komplexer. Die Einfachste Umsetzung ist ein voller AM Modulator, wo am Ende mit einem Bandpassfilter nur das gewünschte Seitenband durchgelassen wird. Modernere Modulatoren vernichten die unerwünschten Signalelemente durch erzeugen destruktiver Interferenzen direkt in der Modulationsschaltung selbst.
Da weder ein Träger noch eine gespiegelte Kopie des Signales gesendet wird, ist SSB effizienter als AM da 100% der Sendeleistung in die Übertragung der essenziellen Informationen gelangen.
Für die Demodulation wird im Empfänger der Träger einfach wieder hinzugefügt. Dies geschieht über ein BFO (Beat frequency oscillator). Dieses Bauteil ist auch dafür verantwortlich, dass man eine CW Übertragung als die charakteristischen Pfeiftöne hört die man aus den Medien kennt.

Normalerweise wird der Träger komplett entfernt (Unterdrückter Träger). Da der Träger fehlt gibt es kein Signal auf das sich ein Empfänger darauf synchronisieren könnte. Stimmt die Frequenzeinstellung im Empfänger nicht exakt, klingt das empfangene Signal unnatürlich, und kann bei grösserer Abeichung gar nicht mehr richtig dekodiert werden. SSB gibt es daher auch in einer Betriebsart bei der ein kleier Anteil des Trägers noch gesendet wird (Reduzierter Träger). Dies erlaubt es dem Empfangsgerät sich automatisch auf die perfekte Frequenz einzustellen wenn der Nutzer einfach nur nahe genug daran geht. Theoretisch würde dies auch ermöglichen zu erkennen ob das obere oder untere Seitenband verwendet wird. Sollte der Sender mit der Zeit von der Frequenz abweichen, kann der Empfänger sich komplett automatisch nachjustieren. Dies geht natürlich zur Last der Effizienz, da ein Träger gesendet werden muss, wenn auch reduziert. Ist der Träger stark genug, kann sogar ein reguläres AM Radio als Empfänger genutzt werden.

Hinweis: Ein reiner AM Empfänger ist auf den Träger angewiesen und kann daher SSB nicht empfangen, es sei denn ein BFO wird nachgerüstet.

Berechnung SSB Bandbreite: `b_"SSB"="NF"_"MAX"-"NF"_"MIN"`

Beispiel im Amateurfunk (300-3000 Hz): `b_"SSB"=3000-300=2.7"kHz"`

USB vs LSB

USB (Upper sideband, oberes Seitenband) und LSB (Lower sideband, unteres Seitenband) sind die zwei möglichen Betriebsarten bei SSB. Eine Verpflichtung ein bestimmtes zu verwenden gibt es nicht. Die allgemeine Regel besagt, dass unterhalb von 10.0 MHz LSB verwendet wird, und darüber USB. Die Meisten Funkgeräte machen diese Umstellung automatisch, bieten aber einen "Reverse" Modus um bewusst die falsche Art zu verwenden, sollte ein Operator eines manuellen Gerätes mal vergessen den Schalter zu betätigen.
Verwendung der falschen Einstellung führt zu einer falschen Demodulierung, da hohe und tiefe Frequenzen verkehrt herum vom Signaleingang gelesen werden. Der Fehler hört sich aber "offensichtlich" an, und geübte Operatoren können sogar daraus die Informationen heraus hören ohne das Gerät umzustellen.

FM: Frequenzmodulation

FM ist das Gegenstück zu AM. Bei AM wird die Amplitude moduliert, so dass diese das NF Signal nachzeichnet. Bei FM bleibt die Amplitude konstant bei 100% Auslenkung, und die Frequenz wird moduliert. Da sich Störungen stärker auf die Amplitude als auf die Frequenz auswirken ist FM resistenter. Des Weiteren ist die Sendeleistung unabhängig von der NF Signalstärke, was bedeutet, dass auch bei kompletter Stille im NF ein starkes, klares Signal übertragen wird.

Berechnung FM Bandbreite: `b_"FM"~~2*(Delta"f"+"f"_"NFMAX")`

Beispiel mit 20 kHz NF und maximaler Abweichung von 75kHz: `b_"FM"~~2*(75*10^3+20*10^3)=190kHz`

Hinweis: Diese Formel ist nicht exakt, aber "gut genug" für allgemeine Berechnungen.

FSK: Frequency shift keying

FSK ist quasi das Gegenstück zu CW auf die selbe Art die FM zum Gegenstück zu AM macht. Bei FSK wird Information übertragen in dem der Träger nicht wie bei CW ein- und ausgeschaltet wird, sondern indem die Frequenz verändert wird. Im Normalfall involviert dies zwei Frequenzen, aber es können mehrere Frequenzschritte unternommen werden um mit einem Umschalten mehr Informationen als nur ein einzelner Bit zu übertragen.

Berechnung FSK Bandbreite: `b_"FSK"=2*((Deltaf)/2+1.6*f_u)`

Beispiel mit Frequenzen die 150Hz auseinander liegen und 50 mal pro Sekunde umgeschaltet werden: `b_"FSK"=2*(150/2+1.6*50)=2*(75+80)=2*155=310"Hz"`

RTTY (Radio Teletype) verwendet dieses Verfahren, von daher ist die Formel identisch, wobei die Umschaltfrequenz `f_u` normalerweise in Baud gegeben ist. Die Baudrate ist die Menge and Informationen die pro Sekunde übermittelt werden. Im einfachsten Falle ist 1 Baud = 1 Information pro Sekunde.
Bei komplexeren Systemen kann mit einem Baud durchaus mehr Information übertragen werden.