Enkel sidbandsmodulering

Enkel sidbandsmodulering (ESB, nu vanligare som SSB från engelska enkelbandsbandsmodulering ) är en spektrum- och energieffektiv typ av modulering för röstöverföring. Det är vanligtvis används på analoga radiolänkar som kortvåg område för marin radio , långväga flyg radio , i militära tillämpningar och amatörradio . SSB utvecklades på 1930 -talet av telekommunikationsmyndigheterna och användes ursprungligen för trådbunden överföring av telefonsamtal över långa avstånd, och senare även för transkontinentala radiolänkar. Inom området analog röstradio, som det fortfarande är vanligt inom amatörradio, ersattes amplitudmodulation (AM), som upptar två sidband och därmed en större bandbredd , nästan helt av enstaka sidbandsmodulering under 1960 -talet.

Formen för ensidig modulering i samband med digital signalbehandling kallas också VSB-modulering ( engelska Vestigial Sideband Modulation ).

egenskaper

Representation av en exemplifierande SSB -signal i tidsdomänen med den associerade basbandssignalen och SSB -signalens kuvert. Till skillnad från en amplitudmodulering motsvarar formen på kuvertkurvan inte basbandsignalens form

Jämfört med amplitudmodulering avger SSB inte redundanta signalkomponenter som ett andra sidband . SSB överförs vanligtvis med en undertryckt bärare , men det finns också varianter med bärare eller bärare med reducerad amplitud. Om bäraren undertrycks används hela överföringsenergin för signalens informationsinnehåll, vilket innebär att större intervall och bättre signal-brusförhållanden uppnås för en given överföringseffekt. Interferenseffekterna av flervägsutbredning är också lägre med SSB än med amplitudmodulation.

Jämfört med amplitudmodulering med undertryckt bärare har SSB fördelar såsom halverade bandbreddskrav. Den största nackdelen med SSB är den högre komplexiteten hos kretsen för analoga mottagare och de därtill hörande högre kostnaderna för SSB-kompatibla radioenheter. En enkel AM -demodulering med kuvertdemodulatorn är i grunden inte genomförbar med SSB.

I motsats till amplitudmoduleringen och amplitudmoduleringen med undertryckt bärare, som båda inte påverkar faspositionen för bärfrekvensen, har den enkla sidbandsmoduleringen en fasmodulering av bäraren som en komponent. Fasmoduleringen är starkare, desto större är amplituden för sidbandssignalen till bäraramplituden. Historiskt sett tillhör SSB utbudet av amplitudmoduleringsmetoder trots modulering av fasen.

Med högfrekventa basbandssignaler resulterar typen av modulering i en hög grad av modulering i den modulerade signalen, vilket är förknippat med en hög toppfaktor . Av denna anledning är SSB inte särskilt lämplig för pulssändningar och som en digital moduleringsmetod. ^[1]

Spektral representation

Med SSB skickas endast ett sidband, bärarfrekvensen undertrycks. Basbandssignalen är bara en sinusvåg

Betecknad av den verkliga modulerade basbandssignalen som en modulationssignal som produceras under amplitudmodulering symmetriskt till bärfrekvensen ( engelska bäraren) ytterligare två frekvensområden. Om moduleringsfrekvensen fluktuerar, till exempel i frekvensområdet mellan 300 Hz och 4000 Hz, genereras och krävs ett frekvensband med en total bredd på 8000 Hz. Det övre upptagna frekvensområdet kallas USB ( engelska övre sidband); det lägre frekvensområdet är upptaget LSB ( engelska lägre sidband), båda frekvensområdena ingår i en amplitudmodulation exakt samma information.

I fallet med en SSB med en undertryckt bärare, som visas i figuren motsatt med en sinus som basbandssignalen som ändras i frekvens, ändras endast spektralkomponenten i det övre sidbandet analogt med basbandssignalen. Kuvertet är konstant och med en reducerad amplitud för moduleringssignalen faller därför sändningseffekten också i samma förhållande.

Den överföringseffekt som krävs för detta är betydligt lägre på grund av avsaknaden av en permanent bärvåg i mitten av bandet, den varierar mellan 0% och 12,5% och är därför bara beroende av vad som återstår av moduleringssignalnivån vid blandad frekvens relativt mitten av själva bandet (så kallad "differentialmodulation"). Nackdelen med en undertryckt bärare är att ingen information skickas om var den spektrala bärarfrekvensen som krävs för demodulering ligger. Faspositionen är inte nödvändig för icke-koherent demodulering. Det måste avtalas om sändningen är USB eller LSB.

Vid analog sändning, till exempel i amatörradio, när tal skickas, kan informationen om frekvensen mycket enkelt bestämmas genom att manuellt avstämma runt den mottagna signalen, eftersom tal genereras om det finns en avvikelse i bärfrekvensen i mottagaren och i förhållande till sändaren använde en bärfrekvens på mer än cirka 100 Hz, obegripligt. Med Slow Scan Television (SSTV) gör en regelbundet överförd synkroniseringspuls, en så kallad burst-signal , det möjligt att justera bärfrekvensen automatiskt. Musik låter inharmonisk även med bärfrekvensavvikelser på bara några få Hertz.

generation

SSB -generation med hjälp av filtermetoden

Fasmetod (även enkel sidbandsblandare), visar en USB -modulator och ett USB -spektrum, LSB -modulator genom att ändra tecknet i I- eller Q -grenen

En SSB -signal kan genereras på flera sätt, resultatet är identiskt i alla fall:

• Filtermetoden börjar med en mixer som undertrycker bärfrekvensen. Som regel används en Gilbert -cell för detta, vilket genererar en amplitudmodulering med en undertryckt bärare . Ett smalbandigt bandpassfilter med en hög kvalitetsfaktor , till exempel ett kvartsfilter , säkerställer då att endast ett av de två sidbandet kan förstärkas ytterligare. Eftersom ett kvartsfilters frekvens inte helt enkelt kan ändras i samband med analog kretsteknik, måste denna mellanfrekvens bringas till önskad överföringsfrekvens med ytterligare ett blandarsteg.
• Med fasmetoden , som motsvarar IQ -metoden , krävs inte det dyra filtret. Två symmetriska blandare används för detta, vars insignaler fasförskjuts med 90 ° på både låg- och högfrekventa sidor. Det är mycket problematiskt att generera detta värde i hela talfrekvensområdet från 300 Hz till 3500 Hz med komponenterna i analog teknik (kondensatorer och motstånd). Varje avvikelse leder till dåligt undertryckande av det oönskade sidbandet. Detta gör att SSB kan genereras på överföringsfrekvensen.
• I samband med dagens radioutrustning implementeras SSB vanligtvis i samband med digital signalbehandling och i en programvarudefinierad radio (SDR). För detta ändamål omvandlas den verkligt värderade moduleringssignalen till en komplex basbandsignal, en så kallad analytisk signal , med hjälp av Hilbert- transformationen. Själva Hilbert -transformationen kan implementeras i specialdesignade FIR -filter . Den sålunda bildade komplexa moduleringssignalen blandas sedan med två fasskiftade bärare. Sedan läggs dessa två komponenter till, som visas i den intilliggande figuren. På grund av fasskiftet mellan de två bärvågorna avbryts bärarsignalen under tillägget. Det sista tillägget undertrycker också ett av de två sidbanden och resultatet är en enda sidbandsignal med en undertryckt bärare. Efter en digital-till-analog-omvandling kan denna summasignal matas ut som en analog, nu rent verklig signal och om nödvändigt flyttas till en högre utfrekvens genom upprepad analog blandning. Inledande arbete med denna process kan spåras tillbaka till Donald K. Weaver på 1950 -talet. ^[2]

Demodulation

Även om amplituden hos SSB-signal är något liknande till den modulerande låg frekvens, kan SSB icke att demoduleras, med en enkel kuvert demodulator, som är möjligt med icke-koherent demodulering av AM.

SSB-signalen tas emot i en analog SSB-mottagare, som är vanligt i amatörradio, genom att först blanda den mottagna och förvalda signalen i en mixer till en fast mellanfrekvens (IF) och använda ett brant-kantat filter som ett kvartsfilter är befriad från störande signaler på närliggande radiofrekvenser - detta är den så kallade superheterodynprincipen i mottagningsteknik. Ett annat mixersteg, som av historiska skäl är känt som produktdetektorn , tar sig an demodulationen genom att blanda in en bärare som genereras lokalt i mottagaren. Oscillatorn för lokal bärargenerering är som engelsk beatfrekvensoscillator, BFO -kort eller som engelsk , betecknad bärarinsättningscillator, kort CIO.

Efter filtrering är den blandade produkten moduleringssignalen i basbandsläget; i amatörradio är det vanligtvis tal i frekvensområdet från 300 Hz till 3 kHz. Frekvensavvikelser för BFO leder till en frekvensförskjutning och kan sedan finjusteras manuellt av radiomottagarens användare med hjälp av talförståelsen ( engelsk tonhöjd ). En frekvensförskjutning på typiskt ± 20 Hz anses vara acceptabel. ^[3] Vissa amatörradiomottagare har en LSB / USB -omkopplare som ställer in frekvensen för BFO till den nedre eller övre änden av överföringskurvan för mellanfrekvensfiltret. ^[4]

En nackdel med bärarlös SSB är den svåra implementeringen av automatisk förstärkningskontroll (AGC) och automatisk frekvenskontroll (AFC) i mottagaren. En väg ut är SSB med bäraren sänkt och dess regenerering i mottagaren. Ytterligare procedurer är överföring av en överenskommen pilotton från vilken bäraren och kontrollvariablerna för AGC och AFC kan härledas. I avsaknad av sådan information, sänkt kvalitet z. B. spektrumet för SSB-detektorn med det för en IF-kuvertdetektor (diod) kan fås att sammanfalla genom att använda högtalartypiska frekvenstoppar som uppstår oavsett röstens grundfrekvens. ^[5]

Även inom mottagarteknik har analog signalbehandling, som kräver många elektroniska komponenter, varav några har justerats för hand, gradvis ersatts av billigare digital signalbehandling sedan mitten av 1990-talet. I kortvågsfrekvensområdet är helt digitala mottagarkoncept vanliga, där, förutom ett förval framför AD -omvandlaren, inga analoga komponenter används för signalbehandling.

Diverse, användning, speciella blanketter

Inom sändningssektorn diskuterades införandet av SSB som ersättning för AM i årtionden, men slutade efter utvecklingen av digitala överföringsmetoder ( DRM och DAB ). I princip är överföring av stereofonisignaler i samband med AM -stereo med enkel sidbandsmodulering på en radiofrekvens möjlig, men används inte. Huvudorsaken är att den uppnåbara musikkvaliteten är otillfredsställande på grund av den smala bandbredden på AM -kanalerna på endast 9 kHz och mottagaren måste ställas in på några få Hertz.

Program som sänds i enkel sidbandsmodulering kan inte reproduceras i radiomottagare med normal AM -demodulering. Men det finns också en speciell form av enkel sidbandsmodulering som också kan återges av vanliga radioapparater med AM-demodulatorer (AM-kompatibel enkel sidbandsmodulering; bäraren sänds också hit). Denna typ av modulering användes mellan 1953 och 1962 på en långvågssändare som drivs av Deutschlandfunk .

En utbredd speciell form av enkel sidbandsmodulering är den så kallade kvarvarande sidbandsmoduleringen som används vid analog överföring av tv-signaler, vilket också uppnår en avsevärd ökning av energi och spektrumeffektivitet jämfört med dubbel sidbands AM. I motsats till ren enkel sidbandsmodulering sänds dock en reducerad bärare och en del av det andra sidbandet hit. Som ett resultat förenklas demodulering av signalen i mottagaränden (till exempel en TV -apparat) och görs billigare.

webb-länkar

• Historik för enkel sidbandsmodulering SSB: "Historien om enkel sidbandsmodulering (SSB)" (tyska)
• Historik för enkel sidbandsmodulering: "När visade sig Single SideBand i radio?"
• Enkel sidbands- och kvarvarande sidbandsmodulering ( PDF ; 583 kB)

Individuella bevis

1. ↑ Dietmar Rudolph: Enkel sidbands- och kvarvarande sidbandsmodulering. TFH Berlin - Telekom TT - IBH, åtkomst den 30 april 2020 .  
2. ↑ Donald K. Weaver, Jr.: En tredje metod för generering och detektion av enkelsidiga bandbandssignaler. I: Proceedings of the IRE. Vol. 44, nr 12, 1956, ISSN 0096-8390 , s. 1703-1705, doi : 10.1109 / JRPROC.1956.275061 .
3. ↑ https://patents.google.com/patent/US4596046 Julian H. Richardson, Bruce C. Eastmond: AFC -system med delad slinga för en SSB -mottagare , patent US4596046A, oktober 1984
4. ↑ https://www.electronics-notes.com/articles/radio/modulation/single-sideband-ssb-demodulation-reception.php Ian Poole: Elektronikanteckningar om SSB-demodulering, öppnad 15 augusti 2018
5. ↑ https://ieeexplore.ieee.org/document/1090695/ O. Villard: Sidebandstyrd automatisk frekvenskontroll för mottagning av undertryckta bärare SSB-röstsignaler i IEEE-transaktioner om kommunikationsteknik, volym 19, nummer 5, oktober 1971