Amplitude modulatie
Fig. 1
Amplitudemodulatie (AM) is de oudste vorm van modulatie, de detectie is namelijk zeer eenvoudig uit te voeren.
In de simpelste vorm bestaat AM uit het herhaaldelijk in- en uitschakelen van de zender. Door de schakeltijden te variëren kunnen codes als morse worden verstuurd. Deze mode duidt men over het algemeen aan met CW wat staat voor continuous wave. Overdracht van geluid door middel van AM gebeurt door de amplitude van de draaggolf geleidelijk te veranderen, in het ritme van het lf-signaal. Oorspronkelijk werden buizen als niet-lineair element gebruikt om AM teweeg te brengen. Door de niet-ideale vorm van de buiskarakteristiek ontstonden ook ongewenste bijproducten.
Techniek
Bij AM wordt het opgewekte hoogfrequent signaal (met een vaste werkfrequentie), een draaggolf, door het bronsignaal voortdurend in amplitude (of sterkte) gemoduleerd. Als het audiosignaal positief is, wordt de amplitude iets vergroot; bij een negatief signaal wordt de amplitude van de draaggolf iets verlaagd. De mate waarin de draaggolf het bronsignaal volgt, heet de modulatiediepte. De modulatiediepte wordt uitgedrukt in procenten van de ongemoduleerde draaggolf.
AM is erg gevoelig voor stoorsignalen met een pulsvorm, zoals bliksem. Daardoor hoort men bijvoorbeeld geknetter in het ontvangen signaal. AM wordt onder andere toegepast bij analoge televisie (voor het beeldsignaal; het geluid is meestal in FM) en in het radioverkeer in de luchtvaart (vanwege de veiligheid: AM-signalen verdringen elkaar niet).
AM heeft het voordeel van een relatief kleine bandbreedte (zie hieronder bij zijbanden), een vereiste voor communicatie op frequentiebanden onder ongeveer 26 MHz, zoals de lange golf, de middengolf en de kortegolf. Daarnaast is voor de luchtvaart van belang dat twee stations die door elkaar uitzenden samen te horen zijn. Bij FM is dit niet zo: men hoort of het sterkste station of, als beide signalen bijna even sterk zijn, alleen een fluittoon.
AM-zijbanden
Er ontstaan bij het moduleren signaalcomponenten met nieuwe frequenties.
Uit de goniometrische 'standaard' betrekkingen
- cos(α + β) = cos(α)cos(β) − sin(α)sin(β)
- cos(α − β) = cos(α)cos(β) + sin(α)sin(β)
kan door optellen worden afgeleid dat:
Fig. 2
In de afbeelding is te zien dat de onderste zijband is gespiegeld, het geluidsspectrum is in deze zijband omgedraaid. Wanneer met een USB-ontvanger naar een LSB-signaal wordt geluisterd lijken mensen dan ook een vreemde taal te spreken.
Modulatiediepte
Een 'normale' AM-zender zendt naast de genoemde zijbanden ook de draaggolf zelf uit. Dit type signaal (een 'echt' AM-signaal) wordt voorgesteld door:
Hierin is m de modulatiediepte:
ze stelt de verhouding tussen de amplituden van de draaggolf en het laagfrequent signaal voor. De waarde van m loopt van nul (de draaggolf is ongemoduleerd) tot maximaal 1 (de draaggolf is volledig gemoduleerd).
AM-vermogen
Het vermogen in de AM-draaggolf wordt beschreven door:
De effectieve waarde van het zijbandsignaal is -bij een sinusvormig modulerend signaal- dus
En het in een weerstand R ontwikkelde vermogen is
of 
Zodat voor het totale vermogen van een am-signaal (met sinusvormig modulatiesignaal) geldt:
PEP
Omdat het relatief gemakkelijk is om de topwaarde van een hf-signaal te bepalen -in tegenstelling tot bijvoorbeeld de effectieve waarde- is het gebruikelijk om met name het vermogen uit te drukken in die topspanning. Dit in tegenstelling met de 'gewone' elektronica waar men het liefst in termen van Ueff rekent.
In de praktijk wordt vaak een andere maat voor het AM-vermogen gebruikt: het PEP-vermogen (Eng. Peak Envelope Power). Hierbij wordt de topwaarde van het gemoduleerde signaal -ook wel de omhullende (envelope)- als spanning genomen in de 'gewone' vermogensberekening, die eigenlijk berust op de effectieve waarde. Het feitelijke vermogen is dus lager dan het PEP vermogen. In afbeelding 1 is een AM signaal te zien, het modulerend signaal is groen en de rode lijnen vormen de omhullende (Eng. Envelope). Het PEP-vermogen van de zender is dus gebaseerd op de extreme waarden van de rode lijnen.
Vermogensverdeling
Bekijkt men een signaal dat met een enkele toon van 1000 Hz 100 % amplitude gemoduleerd is met een spectrumanalyzer, dan ziet men dat het signaal uit drie componenten bestaat:
- de draaggolf, ter grootte van 2/3 van het totale vermogen
- een onderzijband, ter grootte van 1/6 van het vermogen, 1000 Hz onder de draaggolffrequentie
- een bovenzijband, ook ter grootte van 1/6 van het vermogen, 1000 Hz boven de draaggolffrequentie
Bij een kleinere modulatiediepte dan 100% wordt het vermogen in de zijbanden zelfs nog kleiner. De onder- en bovenzijband bevatten beide de informatie van het modulerend signaal, dus men zou kunnen volstaan met uitzenden van een van de twee zijbanden.
De draaggolf zelf bevat geen directe informatie van het modulerend signaal en zou, als we de frequentie kennen, niet meegestuurd hoeven worden.
Dubbelzijbandmodulatie
Door vermenigvuldiging van de draaggolf en het signaal ontstaan som- en verschilfrequenties. De uitkomst representeert een zogenaamd dubbelzijband (DZB) signaal, het bestaat uit alleen de zijbanden (rood in figuur 2). Merk op dat de draaggolf en het laagfrequent signaal niet als zodanig in deze uitkomst voorkomen, en dat het vermogen van de draaggolf en het lf-signaal volledig in de zijbanden is opgegaan. Alle informatie uit het lf signaal is aanwezig in elke zijband. Om vermogen te besparen wordt daarom soms slechts één zijband uitgezonden, men spreekt dan van een enkelzijband (EZB) of single sideband (SSB) signaal er wordt dan nader gespecificeert of het gaat om de lage (LSB) of de hoge (USB) zijband.
FM stereo
Dubbelzijbandmodulatie wordt toegepast bij stereo uitzendingen in FM. In de freqeuntieband van 0 to 15 kHz wordt het monosignaal geplaatst (L+R) en het verschilsignaal (L-R) wordt op een draaggolf van 38 KHz gemoduleerd waarbij de draaggolf onderdrukt wordt. Om de draaggolf weer makkelijk te kunnen regeneren wordt een hulpdraaggolf van 19 kHz, ook wel piloottoon genoemd, met een kleine amplitude meegezonden.
Enkelzijbandmodulatie
Enkelzijbandmodulatie (EZB) of Single Side Band-modulatie (SSB) is een vorm van modulatie waarbij van het oorspronkelijk AM-gemoduleerde signaal alleen één zijband wordt uitgezonden, meestal zonder de eigenlijke draaggolf.
Enkelzijbandmodulatie is ontwikkeld omwille van de beperkte ruimte op de kortegolf banden (3..30 MHz) en vanuit de wens om met het beschikbare vermogen een maximale overdracht te verkrijgen.
Een enkelzijband signaal wordt verkregen uit het dubbelzijbandsignaal waarbij een van de ongewenst wordt weggefilterd.
Het wegfilteren van een zijband door een filter is niet gemakkelijk als het signaal rijk is in lage frequenties, bijvoorbeeld in televisietoepassingen. In dat geval kan men opteren voor een tussenoplossing, restzijbandmodulatie. Voor telefonie en spraak daarentegen, waar componenten onder 300 Hz niet noodzakelijk zijn voor de verstaanbaarheid, is enkelzijbandmodulatie heel geschikt en efficiënt.
Door nu alle energie die beschikbaar is in één enkele zijband te stoppen, wordt die zijband een factor zes sterker gemaakt, met meer kans om storingen te overwinnen. Deze modulatiewijze noemt men SSB-SC (Single Side Band with Suppressed Carrier: enkelzijband met onderdrukte draaggolf).
Wanneer een kortegolfzender met één enkele zijband en onderdrukte draaggolf wordt gebruikt voor spraak, dan wordt er nauwelijks iets uitgezonden wanneer er niets wordt gezegd. Dit komt door het ontbreken van de draaggolf. Pas wanneer iemand in de microfoon praat, gaat de zender een signaal uitzenden. Dit spaart energie uit.
Bijkomend voordeel van enkelzijband is dat de bandbreedte afneemt, zodat er meer zenders in dezelfde frequentieband passen zonder elkaar te storen.
Bijkomend voordeel aan de ontvangstzijde is, dat een smallere (selectievere) ontvangst mogelijk is, waardoor storingen minder worden en de ontvanger gevoeliger.
Een nadeel van enkelzijband is, dat de ontvanger zeer nauwkeurig afgestemd moet worden op de frequentie van de ontbrekende draaggolf. Bij een fout in de afstemming zullen alle frequenties in het bronsignaal net zoveel opgeschoven worden als de grootte van de afstemfout. Een verschuiving van 50 Hz kan de verstaanbaarheid van spraak al ernstig beïnvloeden. Daarnaast gaan bij misafstemming relaties tussen tonen verloren (zoals een akkoord, octaaf) en wordt muziek hierdoor sterk vervormd. Een ervaren radiogebruiker gebruikt dit effect om op het gehoor op een SSB-station (meestal met spraak) af te stemmen. In de professionele radiowereld werken enkelzijbandzenders op vast ingestelde frequenties en wordt de ontvanger ook nauwkeurig op die frequentie ingesteld. Hiervoor wordt een nauwkeurige frequentiestandaard gebruikt (gekoppeld aan atoomklokken).
In de (zend)amateurwereld wordt deze afstemnauwkeurigheid niet gehaald en is op het gehoor afstemmen gebruikelijk.
Zijband keuze
In de professionele wereld wordt doorgaans de bovenzijband (USB) gebruikt.
Welke van de beide zijbanden wordt uitgezonden is een historisch gegroeide keuze. Op frequenties onder de 8 MHz wordt in de regel gebruikgemaakt van onderzijband of LSB (Lower Side Band) en bij frequenties erboven van bovenzijband of USB (Upper Side Band).
In de 27MHz band kan USB of LSB gebruikt worden omdat de draaggolf-frequentie door een kristalosclillator wordt opgewekt en deze voor LSB en USB het zelfde is. Het is de draaggolffrequentie voor AM en FM. Het is dus mogelijk om 80 kanalen te hebben op een 40 kanaals raster.
Onafhankelijke zijbandmodulatie
Dit is een techniek waarbij twee SSB kanalen samen gevoegd worden tot een signaal waarbij voor het LSB- en USB-kanaal dezelfde draaggolf gebruikt is. We kunnen hiermee twee signalen op een draaggolf zetten. De draaggolf kan onderdrukt zijn in het kanaal. Deze techniek werd door telefonie bedrijven in het analoge tijdperk gebruikt om meerdere telefoongesprekken op een kanaal te kunnen werzenden.
Morsetelegrafie
Een digitale vorm van AM wordt gebruikt met morsetelegrafie. Hierbij wordt de zender aan of uit geschakeld met behulp dan een seinsleutel. We hebben hier een 100% amplitudemodulatie. Deze methode staat bekent als CW.