Prinzip der Amplitudenmodulation - Demodulation - Seitenbänder

Hier wird das Prinzip der Amplitudenmodulation und Einseitenbandtechnik an akustischen Beispielen gezeigt.
Das waren allesamt mit zwei Tonbandgeräten, Sinusgenerator, Ringmodulator und Filter vor einiger Zeit schon zusammengebastelte Grundlagen-Beiträge.

Zielsetzung war, mit einem Zusatzgerät auf nur eine Tonbandspur zwei unabhängige Darbietungen gleichzeitig aufzeichnen und hinterher auch separat auf verschiedenen NF-Kanälen abhören zu können.
Na ja, das Ergebnis war nicht so berauschend, wie man selbst hören kann.
Man kann mit diesem Gerät auch gut die flatternde und schwankende Wiedergabe der hohen Töne bei Tonbandgeräten und gewisse MP3-Artefakte demonstrieren.

Audiobeispiele:
Trägerfrequenztechnik_das Prinzip_Teil_1
Trägerfrequenztechnik_das Prinzip_Teil_2

Das analoge Modulationsprinzip kann also zur Tonhöhenverschiebung verwendet werden, stößt aber schnell an seine Grenzen, denn bei Verschiebungen um mehr als einen Halbton nach unten oder oben treten nicht mehr tolerable Spektums-Verfälschungen auf, wie bereits beim Thema SSB erwähnt wurde. Heute geht das einfacher mit digitalen Verfahren, die mit dem Abtasttheorem spielerisch umgehen. In der Beschallungstechnik findet man heute derartige Modulatoren, "Frequency-Shifter" genannt, nur da noch, wo gefürchtete Rückkopplungen durch Frequenzversatz der Raumresonanzen um wenige Hertz umgangen werden sollen, ohne eine Lücke im Frequenzgang entstehen zu lassen.

Bei sogenannten "Invertern" kann nun das gesamte Niederfrequenzspektrum in sich um eine Spiegelungsachse verdreht werden. Dabei werden - grob gesprochen - hohe Töne zu tiefen und umgekehrt. Dies gilt dann für sämtliche Bestandteile, aus denen sich das beaufschlagte Niederfrequenzsignal zusammensetzt, also für Grund- und Obertöne gleichermaßen. Dasselbe gilt dann auch für Ton- und Melodiefolgen. Dies ist besonders gut an Musikstücken zu demonstrieren, die ein Glissando, also eine kontinuierlich auf- oder absteigende Figur aufweisen, wie in folgendem Beispiel. Zunächst hört man das verdrehte Signal mit aufsteigendem Streicher-Glissando am Schluß, dann das reproduzierte Signal in Original-Tonfolge mit absteigendem Glissando. Einzig die Hüllkurve, also die Lautstärkeinformation bleibt in ihrer Dynamik weitestgehend erhalten.
Audiobeispiel: Tonhöhenverdrehung

Da hierbei im Teiltonaufbau Grundschwingungen und Oberwellen, die den Gesamtklang ausmachen, nun nicht immer im harmonischen Verhältnis zueinander stehen, können auch unerwünschte Intermodulationsmischprodukte zwischen den einzelnen Spektralkomponenten entstehen. Daher werden an den Übertragungskanal hohe Anforderungen an Linearität und Klirrfreiheit gelegt. Insgesamt finden ja vier Modulationsvorgänge statt von der Verdrehung bis zur Wiedergewinnung, dem "Clarifying".

Dies Modulations-Seitenband-Filterungs-Prinzip wird bei sogenannten Sprachverschleierungs-Geräten, wie sie in Funkgeräten zum Teil schon fest eingebaut sind, angewendet. Es wird hierbei im Analogtechnikverfahren das vorgefilterte NF-Signal zunächst in Amplitudenmodulation mit Unterdrückung des Trägers auf eine Zwischenfrequenz im HF-Bereich moduliert, anschließend wird nochmals mit einer weiteren Hilfsträgerfrequenz moduliert, wodurch eines der dabei entstehenden Seitenbänder in Kehrlage wiedergewonnen wird, das wiederum im Basisband-Sprachfrequenzbereich zu liegen kommt. Dazu ist ein gewisser Filterungsaufwand notwendig, um die Hilfsträger und das "unerwünschte" Seitenband zu unterdrücken. Pfeifstörungen, wie in den vorausgegangenen Beispielen zu hören, verschwinden dabei vollständig.

Hernach kann dann mit derselben Methode das verdrehte Seitenband nochmals umgekehrt werden, so daß die Sprache wieder verständlich gemacht wird.

Die Sprachverständlichkeit leidet allerdings ein wenig darunter, daß insbesondere die Vokale wie o und u schlecht reproduzierbar sind. Auch eignet sich eine weibliche Stimme mit ihrem typisch kompakteren Spektrum und wegen ihrer höheren Frequenzlage besser für Kurzwelle und Sprechfunk.
Audiobeispiel: Sprachverschleierung bei Sprache und Reproduzierung

Bei folgendem Audiobeispiel mit Musik soll gezeigt werden, wie sich zunächst das verdrehte Seitenband heruntermoduliert anhört, wie sich ab Sekunde 30 das Originalsignal nach wiederholter Verkehrung wiedergewinnen läßt, ferner wie sich dann dabei ab Sekunde 60 eine Verstimmung um 100 Hertz nach unten, dann eine weitere Verstimmung um 400 Hertz ab Sekunde 120 akustisch auswirken.
Audiobeispiel: Sprachverschleierung bei Musikwiedergabe

Wie sich nun genau die Frequenzverschiebung beim vorausgegangenen Beispiel darstellt, kann man im folgenden Audiofile hören. Dabei wurde ein amplitudenlinearer Sinussweep auf den Eingang des Gerätes und direkt auf den rechten Stereokanal des Soundkarten-Line-In gelegt, die Frequenzantwort des Gerätes an dessen Ausgang hört man auf dem linken Kanal.
Es fällt auf, daß die "Spiegelachse" bei etwa 4500 Hertz liegt, bis wohin die Frequenzen gegenläufig zum angelegten Sinussweep erscheinen, ab da würden die Ausgangsfrequenzen nämlich wieder ansteigen, folgten mit Versatz der Frequenzzunahme des Sinussweeps. Das sollte aber auch durch die Charakteristik des vorgeschalteten NF-Filters möglichst unterdrückt werden. Die Frequenzen 350, 1000, 2000, 3000, 3500 und 4000 Hertz wurden durch 100-Millisekunden-Unterbrechungen markiert.

Wird nun der Eingangspegel zu hoch gewählt, kommen multiple Frequenzantworten zustande, was hierbei nach Möglichkeit vermieden werden sollte, allerdings auch nicht immer vollständig gelingt. Auf den Einsatz eines Limiters oder einer Dynamikkompression, wie sie in Funkgeräten vorgeschrieben sind, wurde hier bewußt verzichtet.

Insgesamt gewinnt man den Eindruck, daß das akustische Terrain eher anmutet wie der Rundfunkempfang auf Mittel- oder Kurzwelle mit starken Nachbarkanalstörungen und dem typischen Sideband-Splash. Das rührt nicht zuletzt daher, daß bei diesem Selbstbaugerät unter anderem relativ breitbandige, handelsübliche 455-kHz-ZF-Filter eines ausgeschlachteten Transistorradios Verwendung fanden. Die Niederfrequenz wurde schmalbandig mit ausgesprochenem Resonanzmaximum bei 1500 Hertz vorgefiltert, was hier zugegebenermaßen sicherlich noch verbesserungswürdig ist.

Audiobeispiel hierzu :
Frequenzgang des obigen Sprachinverters

Audiobeispiel Musik :
Blasmusik - elektronisch

Bei digitalen Frequenzinvertern werden A/D-Filterbänke benutzt und den Erfordernissen entsprechend vertauscht. Grundsätzlich kommt es bei allen Digitalverfahren je nach Rechenaufwand zu Zeitversatz bis zu mehreren Sekunden zwischen Eingangs- und Ausgangssignal, was das "analoge" Verfahren gewissermaßen unschlagbar macht, weil es mit Ausnahme eines geringen Phasenversatzes quasi simultan arbeitet.

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