Amplitudenmodulation (AM)
Die Amplitudenmodulation (Amplitude Modulation, AM) ist ein Modulationsverfahren, bei dem die Amplitude einer Trägerwelle entsprechend einem Nachrichtensignal variiert wird, während ihre Frequenz konstant bleibt. Sie zählt zu den ältesten Verfahren der analogen Signalübertragung und wird weiterhin in der Funkkommunikation, Modulationsanalyse und Hochfrequenzprüfung eingesetzt.
Mathematische Definition
Die mathematische Darstellung eines amplitudenmodulierten Signals lautet:
s(t) = Ac [1 + m(t)] cos(ωc t)
wobei:
s(t) = moduliertes Signal
A_c = Amplitude der Trägerwelle
m(t) = Modulationssignal (Nachrichtensignal)
ω_c = Kreisfrequenz der Trägerwelle (ωc = 2πfc)
t = Zeit
Der Modulationsgrad (modulation index, m) gibt das Verhältnis der Modulationsamplitude zur Trägeramplitude an. Bei Angabe in Prozent wird er als Modulationstiefe bezeichnet.
Modulationsgrad und Modulationstiefe
Der Modulationsgrad ergibt sich aus:
m = Am / Ac
wobei:
m = Modulationsgrad
A_m = Amplitude des Modulationssignals
A_c = Amplitude der Trägerwelle
Ein Wert von m = 1 entspricht 100 % Modulation. Bei m > 1 spricht man von Übermodulation.
Übermodulation und Verzerrung
Übermodulation tritt auf, wenn der Modulationsgrad größer als 1 ist. Dabei überlappen sich Teile der Signalhüllkurve, was zu Verzerrungen und einer erheblichen Verschlechterung der Signalqualität und Spektralintegrität führt.
Frequenzspektrum bei AM
Die Amplitudenmodulation erzeugt drei Hauptkomponenten im Frequenzspektrum:
Trägerfrequenz: f_c
Obere Seitenfrequenz: fc + fm
Untere Seitenfrequenz: fc − fm
Die Gesamtbandbreite des AM-Signals entspricht dem Doppelten der höchsten Frequenz des Modulationssignals (2·f_m).
Leistungsverteilung in AM-Signalen
Die Leistung eines AM-Signals ist ungleichmäßig verteilt:
Träger: ca. 67 % der Gesamtleistung (trägt keine Information)
Seitenbänder: ca. 33 % der Leistung (tragen die Nutzinformation)
Das führt zu einer geringen Energieeffizienz, da der Träger dauerhaft mitgesendet wird.
Arten der Amplitudenmodulation
Double Sideband (DSB): Träger und beide Seitenbänder; einfach umzusetzen, aber ineffizient
Single Sideband (SSB): Ein Seitenband unterdrückt; effizienter in Bandbreite und Leistung
Vestigial Sideband (VSB): Teilweise Seitenbandunterdrückung; bei Fernsehsignalen verbreitet
Beispielrechnung
Gegeben:
Trägeramplitude: 5 V
Modulationssignal-Amplitude: 2 V
Berechnung:
m = 2 V / 5 V = 0.4
→ Modulationstiefe = 40 %
Praktische Aspekte
AM ist sehr anfällig für Störungen (z. B. atmosphärisches Rauschen)
Geringe Energieeffizienz durch ständigen Träger
Technisch einfach und kostengünstig realisierbar
Begrenzte Bandbreiteneffizienz
Anwendungen
Amplitudenmodulation wird eingesetzt in:
AM-Rundfunk
Luft- und Seefunkverkehr
Amplitudenumtastung (ASK) in der digitalen Kommunikation
QAM-Modemsystemen
Niederfrequenten RF-Anwendungen
Vorteile und Einschränkungen
Vorteile:
Einfache Modulations- und Demodulationsschaltungen
Geringe Implementierungskosten
Geeignet für niederfrequente Signale
Einschränkungen:
Geringe Störfestigkeit
Ineffizient in Leistung und Bandbreite
Begrenzte Datenübertragungsrate
Historischer Kontext
Die Amplitudenmodulation wurde erstmals 1906 von Reginald Fessenden demonstriert und entwickelte sich in den 1920er-Jahren zur Grundlage des kommerziellen Rundfunks. Trotz zunehmender Ablösung durch digitale Verfahren bleibt AM in der Luftfahrtkommunikation und in einfachen Funksystemen weiterhin verbreitet – dank ihrer Robustheit und technischen Einfachheit.