Die Amplitudenmodulation (AM) dient zur Übertragung von Informationssignalen und ist schaltungstechnisch sehr leicht zu realisieren. Anfangs war es die erste Modulationsart, mit der man Sprache oder Musik übertragen konnte. Heutzutage wird AM kaum noch verwendet, da diese sehr störanfällig ist und es muss viel Bandbreite sowie Energie für die Übertragung aufgewendet werden. Aktuell wird AM noch im Flugfunk sowie beim analogen Rundfunk auf Lang-, Mittel- und Kurzwelle verwendet. In diesem Artikel geht es allgemein um die Erzeugung einer Amplitudenmodulation sowie um ein Schaltungsbeispiel für das Projekt Mittelwellensender. Als Oszillator für dieses Projekt wird die Colpitts-Schaltung vom letzten Artikel verwendet.

Aufgabe eines Modulators

Als Beispiel soll Musik oder Sprache analog übertragen werden. Hier spricht man von einem niederfrequenten Signal (NF-Signal), welches eine maximale Frequenz von einigen wenigen Kilohertz hat. Da man dieses Signal mit so einer niedrigen Frequenz nicht übertragen kann, muss dieses auf einen höheren Frequenzbereich (HF-Signal) verschoben werden. Das NF-Signal wird zum Beispiel mit einem Mikrofon erzeugt und danach etwas verstärkt. Das HF-Signal kommt direkt von einem Oszillator und wird als das Trägersignal bezeichnet. Das HF-Signal hat immer die gleiche Frequenz und Amplitudenhöhe. Kommt jetzt das NF-Signal dazu, so wird die HF-Spannung beidseitig im Takt vom NF-Signal gesteuert. Der Modulator ändert also die Trägeramplitude im Rhythmus der NF-Amplitude. Folgende Grafik zeigt, wie durch die Multiplikation von NF-Signal und HF-Signal eine beidseitige Amplitudenmodulation entsteht:

Modulationsgrad

Der Modulationsgrad gibt an, wie stark die Amplitude der Trägerfrequenz durch das Nutzsignal beeinflusst wird. Gibt es keine Modulation, so ist der Modulationsgrad gleich null. Der Modulationsgrad muss daher immer größer als 0 (oder 0 %) und kleiner als 1 (oder 100 %) sein. Der Modulationsgrad kann auch größer 1 sein, jedoch kommt es dann zu starken Verzerrungen und die Informationen im Nutzsignal gehen zum Teil verloren. Dies wird auch als Übermodulation bezeichnet. In der Praxis liegt der Modulationsgrad zwischen 0,6 und 0,8. Folgende Grafik zeigt einige Beispiele zum Modulationsgrad:

Additive Modulation

Die additive Modulation entsteht an Bauteilen mit linearer Kennlinie und erzeugt eine Überlagerung. Dadurch entstehen keine neuen Frequenzen, sondern es sind lediglich beide Frequenzen enthalten. Die Summenschwingung ist abhängig von den Frequenzen und Amplituden beider zugeführten Schwingungen (Gelbe Schwingung in der nachfolgenden Grafik). Es ergeben sich höchstens sinusähnliche Schwingungen, aber keine sinusförmigen Schwingungen. Im nachfolgenden Schaltplan werden beide Signale vor dem Transistor zusammengeführt. Durch die richtige Amplitudenhöhe beider Signale und einen entsprechenden Widerstand nach Masse kann nur die positive Halbwelle den Transistor passieren. Der Transistor dreht die Phase um 180 Grad, sodass am Ende die Halbwelle immer von der Maximalspannung nach Masse geht (Grüne Halbwelle):

LC-Schwingkreis am Ausgang

Der LC-Schwingkreis ist an die Oszillator-Frequenz angepasst und erzeugt die Amplitudenmodulation. Ähnlich wie beim Meißner/Colpitts-Oszillator wird der Schwingkreis auch hier durch einen Transistor immer wieder aktiviert und das im Takt von der NF-Modulation. Das Ausgangssignal (Grün) sieht nach dem LC-Schwingkreis wie folgt aus:

Bandbreite vom LC-Schwingkries

Je nach Güte hat ein Schwingkreis eine bestimmte Bandbreite. Der Schwingkreis muss in der Regel an die Sendefrequenz angepasst werden. Dennoch ist eine Änderung der Frequenz von einigen Hundert Kilohertz mit geringen Verlusten möglich. Betreibt man den Modulator außerhalb der Resonanzfrequenz, so dämpft dieser die Amplitude. Dies führt zu Leistungsverlusten und steigt mit der Entfernung zur Resonanzfrequenz an. Folgender Screenshot zeigt die Resonanzkurve vom LC-Schwingkreis zwischen 500 und 2000 Kilohertz:

Multiplikation von zwei Signalen

Bessere Modulator-Schaltungen addieren die Signale nicht, sondern multiplizieren diese. In der Praxis wird dies mit Operationsverstärkern realisiert. Eine sehr bekannte Schaltung ist dabei die Gilbertzelle. Analoge Multiplizierer sind auch als fertige IC-Bausteine erhältlich. Durch die Multiplikation beider Signale entfällt der LC-Schwingkreis, wodurch der Modulator über ein größeres Frequenzspektrum eingesetzt werden kann.

Modulationsbandbreite AM

Bei AM darf die maximale Bandbreite vom NF-Signal 9 Kilohertz nicht überschreiten! Da es sich bei AM um eine Zweiseitenband-Modulation handelt, liegt die Bandbreite bei 4,5 Kilohertz pro Seitenband. Das zugeführte Signal darf daher 4,5 Kilohertz nicht überschreiten. Eine einfache Lösung wäre ein Tiefpassfilter am NF-Eingang. Weitere Informationen dazu wird es in der finalen Version vom Projekt “Mittelwellensender” geben.

Praxistaugliche Schaltung

Die folgende Schaltung wurde auf eine Mittelwellenfrequenz von etwa 1200 kHz dimensioniert. Das HF-Signal wird vom Colpitts Oszillator über den Anschluss HF_IN zugeführt. Je nach Höhe der NF-Amplitude wird die HF-Amplitude entsprechend moduliert. Die Betriebsspannung beträgt wie auch beim Oszillator wieder 9 Volt DC.

Das NF-Signal gelangt über P1 und den Koppelkondensator C1 weiter zum ersten Transistor. Mit P1 wird die Eingangsamplitude eingestellt. C1 verfügt entsprechend der NF-Frequenz über eine deutlich größere Kapazität als C3 und C4. Q1 ist ein einfacher NF-Verstärker mit Gegenkopplung. Je nach Eingangsamplitude und Einstellung von P1 wird das Signal dadurch verstärkt. Liefert die Audio-Quelle eine ausreichend hohe Amplitude, so kann die NF-Verstärkung auch entfallen und das NF-Signal direkt über C2 eingekoppelt werden. Das HF-Signal wird über C3 eingekoppelt und vor Q2 mit dem NF-Signal addiert. Der Widerstand R4 zieht beide Signale Richtung Masse, wodurch die negative Halbwelle abgeschnitten wird. Diese liegt nämlich unter dem Arbeitspunkt von Q2. Nach Q2 wird das HF+NF-Signal über C4 ausgekoppelt. Die entsprechende Filterung übernimmt der LC-Schwingkreis, sodass die Amplitude, wenn sie in der positiven Halbwelle größer wird, auch in der negativen Halbwelle größer wird. Daraus entsteht die Amplitudenmodulation.

Messpunkt 1 (MP1)

Der erste Messpunkt ist das NF-Eingangssignal, welches mit einem Funktionsgenerator erzeugt wurde. Die Frequenz liegt bei exakt einem Kilohertz mit einer Spannung von 200mVpp:

Messpunkt 2 (MP2)

An diesem Punkt wurde das HF-Eingangssignal, welches direkt vom Oszillator kommt, gemessen. Folgender Screenshot vom Oszilloskop zeig ein Sinussignal mit einer Spannung von etwa zwei Volt Spitze-Spitze (PP) bei einer Frequenz von 1,2 MHz:

Messpunkt 3 (MP3)

Der dritte Messpunkt zeigt bereits das HF-Signal im Takt mit dem NF-Signal. Es handelt sich hier um eine Wechselspannung mit DC-Offset. Die negative Halbwelle wird jedoch vom 10K-Widerstand bereits unter dem Arbeitspunkt vom Transistor gezogen und dadurch abgeschnitten.

Messpunkt 4 (MP4)

Der letzte Messpunkt befindet am HF-Ausgang nach dem LC-Schwingkreis. Entsprechend dem Audio-Eingang und der Einstellung von P1 kann die Modulation fast stufenlos von 0 bis über 100 Prozent eingestellt werden. Der folgende Screenshot zeigt die erzeugte Amplitudenmodulation mit einem Modulationsgrad von rund 80 %. Die Ausgangsspannung liegt bei rund 540mVpp.

Auch bei diesem Artikel handelt es sich wieder um eine weitere Baugruppe für das Projekt Mittelwellensender. In den nächsten Teilprojekten geht es dann um weitere Baugruppen wie Tiefpassfilter, Oberwellenfilter, Endstufen, Impedanzanpassungen und Antennen.