Amplitudenmodulation (AM)

AM ist eine der ältesten und einfachsten Methoden, um Sprach- oder Musiksignale (allgemein: Nutzsignale) auf eine hochfrequente Trägerwelle aufzubringen, sodass sie über größere Entfernungen gesendet werden können. Sie bildet die Grundlage für viele andere Modulationsverfahren, die heutzutage verwendet werden. Ich versuche mal, Dir das ganze Thema Schritt für Schritt nahe zu bringen.

Historischer Hintergrund

Bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde mit Amplitudenmodulation experimentiert, als die ersten Rundfunksender Sprache und Musik übertragen wollten. Damals hat man Röhrensender verwendet, bei denen man durch Variationen im Stromfluss in einer Triode oder einer anderen Elektronenröhre die Amplitude eines Hochfrequenzsignals veränderte. AM-Rundfunksender waren für viele Jahrzehnte der Standard für Lang-, Mittel- und Kurzwellenrundfunk.

Heute dominiert im Rundfunkbereich für UKW zwar die Frequenzmodulation (FM), aber AM ist nach wie vor auf Mittelwelle, Kurzwelle und im Amateurfunk sehr präsent. Gerade in der Luftfahrt-Kommunikation (z. B. VHF-Bereich um 118 bis 137 MHz) wird auch noch ein spezielles AM-Verfahren eingesetzt.

Grundprinzip der Amplitudenmodulation

Im Kern bedeutet Amplitudenmodulation, dass die Amplitude einer hochfrequenten Trägerwelle je nach Momentanwert des niederfrequenten Nutzsignals (z. B. Sprache oder Musik) verändert wird.

• Träger: c(t) oder cos(ω_ct), mit ω=2πf_c (Kreisfrequenz)
• Nutzsignal: m(t), z. B. Sprache oder Musik (Niederfrequenzbereich)

Eine einfache (lineare) AM-Gleichung lässt sich so schreiben:

wobei:

• A(c) die Konstante bzw. Grundamplitude des Trägers ist.
• m(t) die modulierende Funktion ist, die typischerweise viel niedriger in der Frequenz liegt und deren Amplitude kleiner oder gleich A_c sein sollte, um Übermodulation zu vermeiden.

Träger und Seitenbänder

Wenn man ein reines Sinussignal sin(ω_mt) oder cos(ω_mt) als Modulationssignal verwendet, entsteht durch die Modulation ein Frequenzspektrum, das aus:

• dem Träger f_c bei ,
• dem oberen Seitenband f_c + f_m und
• dem unteren Seitenband f_c – f_m

besteht. Bei der Übertragung von Sprache oder Musik, die aus vielen Frequenzanteilen besteht, entsteht ein ganzes Frequenzband um den Träger herum.

Modulationsgrad und Übermodulation

Ein wichtiger Begriff bei der AM ist der Modulationsgrad (engl. modulation index). Er gibt an, wie stark die Amplitude des Trägers durch das Nutzsignal verändert wird.

Modulationsgrad (m):

Wenn m ≤ 1, spricht man von einer normalen bzw. „100%-Modulation“. Steigt über 1, kommt es zur Übermodulation und das Signal wird verzerrt. Die Demodulation wird dann unsauber und führt zu Störgeräuschen oder Clipping-Effekten.

Übertragungseffizienz und Varianten

Eine klassische AM sendet immer auch einen starken Träger mit – unabhängig davon, ob gerade etwas gesprochen wird oder Stille herrscht. Dadurch wird zwar die Empfänger-Demodulation sehr einfach (ein einfacher Hüllkurvendemodulator reicht), aber es geht auch viel Sendeenergie „unproduktiv“ in den unmodulierten Träger.

Weil der Träger und beide Seitenbänder (Upper Sideband, USB und Lower Sideband, LSB) übertragen werden, spricht man von Double Sideband Full Carrier (DSB-FC), also einer Vollträger-DSB-Modulation.

Um die Sendeleistung und Bandbreite effizienter zu nutzen, gibt es andere Verfahrensvarianten:

DSB-SC (Double Sideband Suppressed Carrier)

Hier wird der Träger unterdrückt und nur die beiden Seitenbänder werden übertragen. Das spart erheblich Sendeleistung, erfordert aber einen aufwendigeren Empfänger, weil der Träger im Empfänger lokal wiedererzeugt werden muss.

SSB (Single Sideband)

Man überträgt nur eines der beiden Seitenbänder (USB oder LSB) und unterdrückt den Träger komplett. Das ist noch effizienter in Bezug auf Bandbreite und Sendeleistung. Beim Amateurfunk und in der Kurzwellenkommunikation ist SSB weit verbreitet. Auch hier muss der Empfänger allerdings den Träger rekonstruieren.

VSB (Vestigial Sideband)

Hier wird eines der Seitenbänder nur zum Teil übertragen. Das spielt vor allem bei Fernsehübertragungen (z. B. analoges TV) eine Rolle, um Bandbreite einzusparen, aber noch genug Informationen zur Bildrückgewinnung zu haben.

Demodulation

Die Demodulation einer herkömmlichen AM (DSB-FC) ist ziemlich simpel:

• Du kannst einfach eine Diode verwenden, die das empfangene Signal gleichrichtet (Hüllkurvendemodulation). Mit einem nachgeschalteten Tiefpass-Filter gewinnst Du die langsame Hüllkurve, also das Nutzsignal, zurück.
  
• Bei unterdrücktem Träger (DSB-SC, SSB) musst Du im Empfänger einen Träger mithilfe eines schwingfähigen Oszillators nachbilden (Beat-Frequenz-Oszillator, BFO). Das macht die Sache etwas komplexer.

Anwendungen und Vor- und Nachteile

Anwendungen

• Rundfunk: Auf Mittelwelle, Langwelle, teilweise noch Kurzwelle für internationale Sender.
• Flugfunk: Im VHF-Bereich (um 120 MHz) wird AM verwendet – hier ist weniger die Effizienz, sondern die Einfachheit der Empfänger und die Nutzbarkeit bei gleichzeitigen Signalen relevant (AM-Signale überlagern sich nicht so einfach wie FM).
• Amateurfunk: Insbesondere AM-Betrieb auf älteren Geräten oder auf gewissen Bändern als Nostalgie, und SSB als Sparvariante.

Vorteile

• Einfache Demodulation: Ein simpler Hüllkurvendemodulator mit einer Diode, Widerstand und Kondensator genügt.
• Historische Relevanz: Sehr ausgereiftes Verfahren, gut dokumentiert und verstanden.
• Kompatibilität: Viele (auch sehr alte) Geräte können AM empfangen.

Nachteile

• Ineffizienz: Großteil der Sendeleistung steckt im Träger, der nichts zum Informationsgehalt beiträgt.
• Empfindlich gegenüber Störungen: AM ist relativ anfällig für Rauschen und Störungen (z. B. elektrisches Rauschen, Statische Entladungen). Jede Veränderung der Amplitude verfälscht das Nutzsignal.
• Bandbreite: Beide Seitenbänder nehmen doppelten Platz im Frequenzspektrum ein, gegenüber Single-Sideband-Verfahren.

Fazit

AM ist zwar nicht das modernste Verfahren, aber es war und ist bis heute sehr bedeutsam und wird in Spezialanwendungen nach wie vor genutzt. Besonders wenn Du im Bereich Amateurfunk unterwegs bist, merkst Du schnell, wie wichtig das Wissen über AM-Grundlagen ist. Single Sideband als Weiterentwicklung der klassischen Amplitudenmodulation ist im Kurzwellenbereich im Amateurfunk wie auch bei militärischen und kommerziellen Anwendungen immer noch ein Standard, weil es Energie und Bandbreite spart.

Obwohl moderne digitale Modulationsverfahren (z. B. QAM, PSK, OFDM) und auch Frequenzmodulation (FM) bei UKW-Sendungen weit verbreitet sind, ist AM weiterhin wichtig für bestimmte Dienste (z. B. Flugfunk) und für Nostalgie-Sender, die immer noch auf Mittelwelle traditionelle Musikprogramme senden.