Modulatie
AM, FM en fasemodulatie
Root server » TechTalk » Historisch perspectief » Audio » Radio » AM » Modulatietechnieken
We bespreken hier de verschillende soorten modulatie: amplitudemodulatie, frekwentiemodulatie en fasemodulatie.
-

-

Index modulatie
Amplitude- frekwentie- en fasemodulatie
Modulatoren en zenders

Amplitudemodulatie

De amplitudemodulatie is de oudste modulatie en relatief gemakkelijk te realiseren. Bij het zenden volstaat het het vermogen van de zender te veranderen en bij de ontvangst volstaat een diode om het signaal te detecteren.

Morse is een eerste vorm van amplitudemodulatie waarbij de zender gewoon aan- en uitgezet wordt. Om het decoderen te vergemakkelijken wordt de zender meestal gemoduleerd met een piloottoon. Men kan het morsesignaal dan ontvangen door een gewone ontvanger die de modulatie weergeeft. De modulatie is niet strikt noodzakelijk maar vergemakkelijkt het decoderen van het bericht.

De radioomroep was sterk aanwezig na de tweede wereldoorlog (er werd toen vooral in AM = amplitudemodulatie) uitgezonden). Deze zenders worden nu één voor één uitgeschakeld, er zijn nog slechts enkele zenders op de AM band.

  • De AM modulatie kan de storingen niet onderdrukken (er bestaat wel een betere detectiemethode dan de diodedetectie, maar niet alle storingen kunnen onderdrukt worden).

  • Men heeft toen frekwentiebanden gekozen die weinig gestoord waren en waarbij de zenders een groot bereik konden hebben. Met één enkele zender kon een volledig land bereikt worden. Dat was misschien interessant in die tijd, maar is nu minder nuttig. Het vermogen van een zender moet hoog genoeg zijn om de ruis te overstijgen.

  • De AM banden zijn tegenwoordig sterk gestoord, bijvoorbeeld door schakelende voedingen die allemaal op frekwenties rond de 75kHz werken en waarvan de harmonischen in de radioband vallen. De lineaire voedingen moeten op termijn vervangen worden door schakelende voedingen die een betere crestfactor en arbeidsfactor hebben.

Signaaldetectie

De detectie gebeurt door een diode die de versterkte draaggolf enkelvoudig gelijkricht. Storingen worden echter ook gedetecteerd.

Principeschakeling van een
synchrone demodulator

De synchrone demodulator kan de storingen verminderen. De demodulator wordt gestuurd door een lokale oscillator die gesynchroniseerd is met de draaggolf.

Het versterkte antennesignaal en het signaal van de oscillator worden met elkaar vermenigvuldigd (daarvoor bestaan speciale geïntegreerde schakelingen zoals de AD633). De schakeling voert een soort dubbelzijdige gelijkrichting. Een filter verwijdert het radiofrekwent component.

De synchrone demodulator kan de stoorpulsen wat onderdrukken, maar vooral: de demodulator kan signalen detecteren waarvan de modulatie-index hoger is dan 100%. De fase van het signaal kan ook afgeleid worden (door twee demodulatoren te gebruiken die in kwadratuur aangestuurd worden).

De synchrone demodulator is vergelijkbaar met de synchrone modulator die bij het zenden gebruikt wordt.


De bandbreedte van een AM zender is tweemaal de bandbreedte van het audiosignaal

Bandbreedte

Als de draaggolf gemoduleerd wordt, dan onstaan er zijbanden. Als een draaggolf op 1000kHz gemoduleerd wordt door een audiosignaal van 3000Hz, dan ontstaat er een frekwentie van 1003 en 997kHz. het zijn deze frekwenties die de informatie bevatten en die moeten zeker ook uitgezonden worden. Een radiouitzending bestaat niet uit een enkel frekwentie van 3kHz, maar uit frekwenties die lopen van 20 tot 18.000Hz. Toen men met radio-uitzendingen begon waren de koolmicrofoons eerder beperkt in frekwentie en de luidsprekers waren niet echt goed, zodat men beslist heeft dan een audio bandbreedte van 30 tot 4500Hz voldoende was. De bandbreedte van de zender was dus 9kHz. Het audiospectrum loopt af bij hogere frekwenties.

De kanaalbreedte (stapgrootte tussen twee zenders) bedraagt 9kHz, dit merk je als je een digitale tuner gebruikt. De stapgrootte bedraagt 10kHz in de Verenigde Staten. De bandbreedte was oorspronkelijk 15kHz (dus driemaal meer dan in Europa) en werd in 1989 teruggebracht tot 10.2kHz. Grote amerikaanse zenders storen dus op de twee naburige kanalen. Dit is niet meer van belang, want de zenders verlaten langzamerhand de AM band (er blijven enkel nog enkele grote zenders over).

Enkelzijband modulatie

Er bestaan methodes om de bandbreedte te beperken, bijvoorbeeld door één van de zijbanden weg te halen. Het heeft eigenlijk geen zin om beide zijbanden uit te zenden, want ze bevatten dezelfde informatie. Als de geluidskwaliteit niet zo belangrijk is, wordt ook de draaggolf onderdrukt.

Het grootste voordeel van de zijband modulatie (SSB of Single Side Band) is dat het beschikbaar vermogen beter benut wordt. Een AM uitzending bestaat immers uit een draaggolf (die 50% van het vermogen gebruikt maar geen informatie bevat) en twee identieke zijbanden.

De zenders die in SSB werken zenden enkel spraak uit (marifoon, walkie talkies enz). Om een dergelijke uitzending te kunnen ontvangen moet de ontvanger de draaggolf kunnen reconstrueren. Maar de geluidskwaliteit blijft slecht. Daarbij komt nog dat de zendtrappen lineair moeten werken: men verliest dan grotendeels het voordeel van de klasse-C modulatie die gebruikt kan worden bij AM.

Het rendement van een AM zender kon verbeterd worden door een zogenaamde gestuurde draaggolf te gebruiken (carrier controlled modulator). Dit systeem werd gebruikt door radio-amateurs en werd later overgenomen door enkele AM zenders. Tegenwoordig mogen alle AM zenders een vorm van carrier controlled modulator gebruiken. In tegenstelling met SSB kan het signaal normaal ontvangen worden door omroepontvangers en is de geluidskwaliteit aanvaardbaar (niet beduidend slechter dan bij een gewone AM uitzending).

Toen de televisienormen opgesteld werden heeft men gekozen voor een bandbreedte van 5.5MHz, die toen voldoende was. Het beeld bestond uit 625 lijnen (waarvan 525 lijnen zichtbaar op het scherm waren) en 640 beeldpunten per lijn. Omdat de uitzendingen analoog waren had men het toen niet over beeldpunten maar over de horizontale resolutie.

Televisie werkte toen ook met een zijbandmodulatie, maar met verzwakte draaggolf. De draaggolf is nodig omdat men het gelijkspanningscomponent moet terugwinnen. De doorlaatcurve is niet scherp en de draaggolf wordt op 50% vermogen uitgezonden, zodat het volledig beeldsignaal kan gedetecteerd worden, zelfs met een gewone diode. Van detectie door ene synchrone demodulator was toen geen sprake, we waren in de jaren 1950 en een televisietoestel moest zo eenvoudig mogelijk zijn zodat die betaalbaar zou zijn.

Er werd een negatieve modulatie gebruikt: heldere beeldelementen kwamen overeen met een zwak signaal en tijdens de syncpulsen werkte de zender op maximaal vermogen. Zo waren de storingen minder zichtbaar (ze verschenen als zwarte stipjes in plaats van witte stipjes) en men kon de syncnhronisatiepulsen gebruiken om de vertsrekertrappen te sturen zodat de ebeldhelderheid constant bleef. De fransen die het altijd beter wisten hebben voor positieve modulatie gekozen, wat als gevolg had dat de beeldkwaliteit veel slechter was.

De amplitudemodulatie lijkt bijna volledig verdwenen te zijn, maar verschijnt opnieuw op plaatsen waar men die niet zou verwachten, namelijk in modems om digitale signalen door te sturen. Er zijn beduidend minder storingen op de telefoonlijnen en de distributiekabels die gebruikt worden om digitale programma's door te sturen, zodat de voordelen van de amplitudemodulatie naar voren komen.

Samen met de fasemodulatie vormt amplitudemodulatie een zeer efficiente modulatietechniek. Men gebruikt daarbij QAM (quadrature Amplitude Modulation) waarbij men een draaggolf zowel in fase als in amplitude moduleert.

Men gebruikt hierbij een vaste draaggolf in kwadratuur (90° in fase verschoven). Door de amplitude van beide draaggolven te veranderen kan men een signaal opwekken die fase- en amplitudegemoduleerd is.


Demodulatie

Frekwentiemodulatie

Frekwentiemodulatie wordt hoofdzakelijk voor radio-uitzendingen op de FM band gebruikt omdat die een aantal voordelen heeft. Indien het signaal sterk genoeg is, worden de storingen onderdrukt. Als er meerdere zenders op dezelfde frekwentie werken, dan komt enkel de sterkste zender door. Maar als het signaal zwak is, dan is het audiosignaal meer gestoord dan bij AM.

De detectie van het audiosignaal gebeurt door een descriminator die ongevoelig is voor amplitudevariaties (indien die correct ingesteld is): de meeste storingen worden zo onderdrukt.

Bij FM heeft een zender een grote bandbreedte nodig, zodat het anatal zenders op de FM band beperkt is. De frekwentiezwaai bedraagt 75kHz, maar de kanalen hebben een bandbreedte van 300kHz. Er bestaat ook smalband FM (walkie talkies).

De frekwentiemodulatie werd vroeger ook gebruikt in modems, maar dit was aan het begin van het informaticatijdperk, met modems die aan 300 baud werkten. De modulatie was toen FSK (frequency shift keying) waarbij de draaggolf geschakeld werd tussen twee vaste frekwenties. Met dit systeem konden de storingen op de telefoonlijn goed onderdrukt worden (de eerste modems waren accoustische modems omdat de telefoonregie niet toeliet dat er extra apparatuur op de lijn geplaatst werd). Maar frekwentiemodulatie maakt zeer slecht gebruik van de beschikbare bandbreedte en het is niet mogelijk FM te combineren met een andere modulatie om het debiet te verhogen.

Men heeft ook de frekwentiemodulatie gebruikt in specifieke applikaties, zoals videorecorders, waarbij de beeldhelderheid opgenomen wordt als een FM signaal. Zo kan men het effekt van de drop-outs onderdrukken (de sporen waren zeer smal om minder band te gebruiken per seconde opname). De gebruikte chroomoxide banden hadden een hoog ruisniveau, maar het ruis werd onderdrukt door de frekwentiemodulatie.

Fasemodulatie

Fasemodulatie wordt niet gebruikt voor analoge toepassingen (behalve voor de kleurhulpdraaggolf van het PAL/NTSC kleursysteem). Fasemodulatie wordt meestal gecombineerd met amplitudemodulatie zodat er meer dan één bit doorgezonden kan worden per baud (toestandswijziging). Er is geen referentiefase: het koderen gebeurt door een fasesprong ten opzichte van de vorige fase. Zelfs zonder amplitdemodulatie is het gemakkelijk om meer dan één bit door te sturen per fasesprong: +90° om een 01 te coderen, +180° om een 11 te coderen, +270° om een 10 te koderen en geen fasesprong voor een 00.

De gecombineerde modulatie fase + amplitude wordt gebruikt bij digitale televisie over de kabel of de telefoonlijn. Een hoog debiet is mogelijk, maar de modulatie werkt enkel goed als de lijn niet gestoord is.

OFDM (orthogonal frequency division multiplexing)

Dit is niet echt een modulatietechniek, maar eerder het samenvoegen van een aantal onafhankelijk gemoduleerde frekwenties. De frekwenties worden zodanig gekozen dat ze elkaar zo weinig mogelijk storen. De data wordt in stukken gesneden en over de verschillende frekwenties gestuurd. Iedere frekwentie is QAM gemoduleerd.

Om storingen te onderdrukken (multipath ontvangst) wordt er een kode toegevoegd zodat de data opnieuw gereconstrueerd kan worden, zelfs als er meerdere frekwenties gestoord zijn. Dit systeem wordt bijvoorbeeld ook gebruikt voor DAM, waarbij alle zenders eenzelfde frekwentiegroep gebruiken. Het aantal benodigde frekwenties is daardoor beperkt.

Het mengen van de verschillende frekwenties geeft een nagenoeg vlak spectrum (zie figuur), wat betekent dat de beschikbare bandbreedte optimaal gebruikt wordt en dat de storing van naburige kanalen minimaal is.

Het rendement is beter met dit systeem waarbij een aantal opeenvolgende frekwenties gebruikt word, waarbij de modulatie beperkt is (beperkt debied), dan met het gebruik van één enkele frekwentie die een hoog debiet heeft.

Het detecteren van een dergelijk signaal vergt een aangepaste processor die alle frekwentiebanden simultaan kan samplen.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's