Einseitenbandmodulation

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Die Einseitenbandmodulation (ESB, heute geläufiger als SSB, engl.: Single-Sideband Modulation) ist ein spektrum- und energieeffizientes Modulationsverfahren zur Sprach- und Datenübermittlung auf Funkverbindungen, das unter anderem im Kurzwellenbereich für mobile Funkanlagen (Seefunk, Flugfunk auf Langstrecken, Militär, Amateurfunk) verwendet wird. Es wurde in den 1930er Jahren von den Fernmeldeverwaltungen entwickelt und zunächst für die drahtgebundene Übertragung von Telefongesprächen über große Entfernungen, später auch für transkontinentale Funkstrecken eingesetzt. Im Bereich der Funkkommunikation wurde die vorher gebräuchliche Zweiseitenband-Amplitudenmodulation (ZSB-AM) von der Einseitenbandmodulation im Laufe der 1960er Jahre fast vollständig verdrängt.

Die wertdiskrete Form der Einseitenmodulation im Rahmen der digitalen Signalverarbeitung wird auch als VSB-Modulation (englisch Vestigial Sideband Modulation) bezeichnet.

Eigenschaften[Bearbeiten]

Im Vergleich zur traditionellen Amplitudenmodulation, die vor der Einführung von SSB allgemein gebräuchlich war, werden bei SSB keine redundanten Signalkomponenten (zweites Seitenband, Träger) ausgesendet. Die gesamte Sendeenergie wird ausschließlich für den Informationsgehalt des Signales verwendet, wodurch bei gegebener Sendeleistung größere Reichweiten und bessere Störabstände erzielt werden. SSB besitzt gegenüber der Amplitudenmodulation mit unterdrücktem Träger entscheidende Vorteile:

  • SSB halbiert den Bandbreitenbedarf
  • Die zugesetzte Trägerfrequenz im Synchrondemodulator muss bei Zweiseitenbandmodulation exakt, also phasengenau stimmen. Bei SSB genügt (bei Sprache) eine Frequenzgenauigkeit von einigen Hertz.

Bei SSB wird die Störanfälligkeit durch andere Funksignale reduziert. Das SSB-Signal hat sich besonders im Kurzwellenbereich als besonders robust gegen die dort typischen Störungen durch selektives Fading und atmosphärische Störungen erwiesen.

Sender, die mit trägerloser Einseitenbandmodulation arbeiten, können schlecht gepeilt werden. Dies kann bei einem Notruf von einem unbekannten Ort (zum Beispiel von einem Schiff in Seenot) von Nachteil sein. In diesem Fall sollte keine trägerlose Einseitenbandmodulation benutzt werden. Die schlechte Peilbarkeit wird jedoch von manchen Anwendern (Militär) auch als Vorteil gewertet.

Spektrale Darstellung[Bearbeiten]

Links: Modulationsspannung als Funktion der Zeit. Rechts: Spektrum des amplitudenmodulierten Signals.
Bei SSB wird nur ein Seitenband gesendet, die Trägerfrequenz ist unterdrückt.

Das obere Bild zeigt die Auswirkungen des (niederfrequenten) Modulationssignales, dessen Oszillogramm links gezeigt wird, auf das gesendete Frequenzspektrum eines amplitudenmodulierten Senders.

Durch das Modulationssignal entstehen symmetrisch zur Trägerfrequenz (engl.: Carrier) zwei zusätzliche Frequenzen, deren Abstand die aktuelle Modulationsfrequenz angibt. Jede Änderung zeigt sich sofort in der Position dieser Begleitfrequenzen bezüglich der Trägerfrequenz. Wenn die Modulationsfrequenz beispielsweise zwischen 300 Hz und 4000 Hz schwankt, wird ein Frequenzband der Gesamtbreite 8000 Hz erzeugt und benötigt. Engt man diesen Bereich ein, entstehen Verzerrungen, wobei insbesondere die hohen Modulationsfrequenzen fehlen. Den oberen belegten Frequenzbereich bezeichnet man als USB (engl.: Upper Side Band); der untere belegten Frequenzbereich heißt LSB (engl.: Lower Side Band), beide enthalten exakt die gleiche Information.

Ändert sich die Amplitude ("Lautstärke") des Modulationssignales, wird nicht die Amplitude des Trägers beeinflusst, sondern nur die Amplitude der Satellitenfrequenzen, wodurch Energie vergeudet wird.

Im unteren Bild ist die Trägerfrequenz und das untere Seitenband unterdrückt, weshalb (bei diesem einfachen Modulationssignal) das gesendete Signal nicht von einem FM-Signal unterschieden werden kann (Anwendung bei Slow Scan Television, Packet Radio und Funkfernschreiben). Mit verringerter Amplitude des Modulationssignales sinkt auch die Sendeleistung.

Vorteile gegenüber AM: Die benötigte Bandbreite bei SSB ist nur halb so groß wie die einer symmetrischen Zweiseitenbandwelle mit Träger, die dazu nötige Sendeleistung ist aufgrund der fehlenden permanenten Trägerwelle in der Bandmitte erheblich geringer, sie schwankt zwischen 0 % und 12,5 % und ist daher nur noch abhängig von dem was an Modulationssignalpegel auf der Mischfrequenz relativ zur Bandmitte selbst übrigbleibt (sogen. "Differentialmodulation"). Nachteilig ist, dass keine Information gesendet wird, wo die (für die Demodulation notwendige) Trägerfrequenz liegt und ob es sich um USB oder LSB handelt. Wird Sprache gesendet, lässt sich das sehr einfach durch Versuch+Irrtum feststellen, weil diese bei einer Abweichung von mehr als 100 Hz unverständlich ist. Bei SSTV erleichtert der regelmäßig gesendete Synchronimpuls das Finden der notwendigen Trägerfrequenz. Musik klingt aber bereits bei Frequenzabweichungen von wenigen Hertz unharmonisch und wird deshalb nicht per SSB übertragen.

Erzeugung[Bearbeiten]

SSB-Erzeugung nach der Filtermethode
Phasenmethode (auch Single-Sideband Mixer), zeigt einen USB-Modulator und ein OSB-Spektrum, OSB-Modulator durch Vorzeichenwechsel im I- oder Q-Zweig

Ein SSB-Signal kann auf mehrere Arten erzeugt werden:

  • Die Filtermethode beginnt mit einem Mischer, der die Trägerfrequenz unterdrückt. Im Regelfall wird dafür eine Gilbertzelle verwendet, die eine Amplitudenmodulation mit unterdrücktem Träger erzeugt. Anschließend sorgt ein sehr schmalbandiges und deshalb teures Quarzfilter dafür, dass nur eines der beiden Seitenbänder weiter verstärkt werden kann. Weil die Frequenz dieses Bandpasses nicht geändert werden kann, muss ein weiterer Mischer die Frequenz des SSB-Signals auf die gewünschte Sendefrequenz bringen.
  • Bei der Phasenmethode, die dem IQ-Verfahren entspricht, entfällt das teure Filter, dafür werden zwei symmetrische Mischer verwendet, deren Eingangssignale sowohl auf der Nieder- als auch auf der Hochfrequenzseite um 90° phasenverschoben sind. Dabei ist es sehr problematisch, diesen Wert im gesamten Sprachfrequenzbereich von 300 Hz bis 3500 Hz mit den Bauteilen der Analogtechnik (Kondensatoren und Widerstände) zu erzeugen. Jede Abweichung führt zu schlechter Unterdrückung des unerwünschten Seitenbandes. Damit kann SSB auf der Sendefrequenz erzeugt werden.
  • Heute wird fast immer die Weaver-Methode[1] ("dritte Methode") verwendet, die mit digitalen Bausteinen eine sehr preiswerte Aufbereitung des SSB-Signals erlaubt. Dabei wird das Sprachsignal digitalisiert und mit Hilbert-Transformation und IQ-Modulator erzeugt. Nach D/A-Wandlung steht das SSB-Signal auf der gewünschten Frequenz zur Verfügung.

Demodulation[Bearbeiten]

Obwohl die Amplitude des SSB-Signals gewisse Ähnlichkeit mit der modulierenden Niederfrequenz aufweist, kann SSB nicht mit einem Hüllkurvendemodulator demoduliert werden. Der Grund ist das Fehlen des Referenzsignals ("Trägerfrequenz").

Die Demodulation des SSB-Signals erfolgt durch Frequenzversatz in die Ursprungslage. In einem typischen SSB-Empfänger wird das empfangene Signal in einer Mischstufe auf eine feste Zwischenfrequenz gemischt und mit einem steilflankigen Filter von allen Störsignalen auf benachbarten Funkfrequenzen befreit. Eine weitere Mischstufe, aus historischen Gründen "Produktdetektor" genannt, übernimmt dann die endgültige Frequenzumsetzung in die Ausgangslage.

Auch in der Empfängertechnik ist die analoge Signalverarbeitung, die teure elektronische Bauelemente benötigt, seit Mitte der 90er Jahre schrittweise durch kostengünstigere digitale Signalverarbeitung ersetzt worden. Bis auf den Empfangsbereich und die Mischstufe sind heute voll digitale Empfängerkonzepte üblich, welche als Software Defined Radio bezeichnet werden. Je nach Gestaltung der digitalen Signalverarbeitung bzw. deren Konfiguration können damit verschiedene Demodulationsarten realisiert werden und Softwareänderungen an verschiedene Anforderungen angepasst und umgestellt werden.

Sonstiges, Sonderformen[Bearbeiten]

Im Rundfunkbereich wurde die Einführung von SSB als Ersatz für AM jahrzehntelang diskutiert, nach der Entwicklung der digitalen Übertragungsverfahren (DRM und DAB) beendet. Im Prinzip ist die Übertragungen von Stereofoniesignalen im Rahmen von AM-Stereo mit der Einseitenbandmodulation auf einer Radiofrequenz möglich, wird jedoch nirgends durchgeführt. Hauptgrund ist, dass die erzielbare Musikqualität wegen der geringen Bandbreite der AM-Kanäle von nur 9 kHz indiskutabel bescheiden ist.

Sendungen, die in Einseitenbandmodulation ausgestrahlt werden, können in Rundfunkempfängern mit normaler AM-Demodulation nicht wiedergegeben werden. Es gibt aber auch eine besondere Form der Einseitenbandmodulation, die auch von normalen Rundfunkgeräten mit AM-Demodulatoren wiedergegeben werden kann (AM-kompatible Einseitenbandmodulation; hierbei wird auch der Träger mitgesendet). Diese Modulationsart wurde zwischen 1953 und 1962 bei einem Langwellensender des Deutschlandfunks verwendet.

Eine weit verbreitete Sonderform der Einseitenbandmodulation ist die bei der analogen Übertragung von Fernsehsignalen benutzte so genannte Restseitenbandmodulation, die gegenüber der Zweiseitenband-AM ebenfalls eine beträchtliche Steigerung der Energie- und Spektrumeffizienz erreicht. Im Unterschied zur reinen Einseitenbandmodulation wird hier jedoch ein reduzierter Träger und ein Teil des zweiten Seitenbandes übertragen. Dadurch wird auf der Empfangsseite (beispielsweise einem TV-Gerät) die Demodulation des Signals wesentlich vereinfacht und verbilligt.

Weblinks[Bearbeiten]

  1. "A Third Method of Generation and Detection of Single-Sideband Signals" D K Weaver Jr. Proc. IRE, Dec. 1956