Wozu dient ein Trägersignal in der Kommunikationstechnik?

Wenn Sie nur das Audiosignal übertragen würden, hätten Sie effektiv einen einzigen Kanal, den sich alle teilen müssen. Sie würden denselben winzigen Teil des elektromagnetischen Spektrums verwenden. Sie können nicht trennen, was ein Sender sendet, und was ein anderer Sender sendet. Es wäre, als würde man versuchen, sich in einem Raum mit Hunderten von anderen Menschen zu unterhalten, die versuchen, ihre eigenen Gespräche zu führen.

Indem Sie das Sprachsignal auf einen Träger aufmodulieren, ermöglichen Sie die Trennung der einzelnen Übertragungen.

Wenn ich einen Träger von 1 MHz verwende und Sie einen Träger von 2 MHz verwenden, kann der Empfänger so eingestellt werden, dass er Ihnen zuhört und mich ignoriert.

Der Spediteur ist da, um diese Unterscheidung zu ermöglichen.

Es hat auch andere Vorteile.

Es ist schwierig, einen Hochleistungsverstärker herzustellen, der einen großen Frequenzbereich abdeckt.

Der Audiobereich wird oft als 20 Hz bis 20 kHz angesehen. Das sind mehrere Oktaven, die Ihr Verstärker abdecken muss. Es muss über all diese Oktaven hinweg einwandfrei funktionieren.

Wenn Sie eine viel höhere Trägerfrequenz verwenden, muss Ihr Verstärker nur über einen Bruchteil einer Oktave richtig arbeiten. 20 kHz ist beispielsweise ein winziger Bruchteil von 1 MHz. Ein Sender für einen 1-MHz-Träger muss nur 0,998 MHz bis 1,02 MHz abdecken. Eine Oktave wäre von 1MHz bis 2MHz.

Eine weitere zu berücksichtigende Sache ist die Antennengröße.

Ein Signal bei 20 kHz hat eine Wellenlänge von 150 Kilometern. Eine Viertelwellen-Dipolantenne würde fast 40 Kilometer lange Stäbe benötigen.

Bei 1 MHz wird die Antenne handlicher - eine Viertelwellen-Dipolantenne würde nur 75 Meter lange Stäbe benötigen.

Die Bandbreitenprobleme, die ich beim Sendeverstärker erwähnt habe, gelten auch für die Antenne. Eine Antenne kann nur über einen relativ kleinen Frequenzbereich effektiv abstrahlen. Wie beim Verstärker beträgt dieser Bereich normalerweise einen kleinen Bruchteil einer Oktave.

Eine Antenne für Audiofrequenzen müsste Wellenlängen von 15000 Kilometer bis 15 Kilometer abdecken. Eine Antenne, die als Kompromiss zwischen diesen Extremen hergestellt wurde, würde nicht sehr effektiv strahlen - und sie müsste immer noch sehr groß sein.

Als Nutzer interessiert Sie nur das auf den Träger aufmodulierte Signal – Sie wollen nur die Musik Ihres lokalen Radiosenders hören.

Als Ingenieur müssen Sie sich überlegen, wie Sie das Signal am besten dorthin bringen, wo Sie es haben möchten. Für Radio macht das das Trägersignal sehr wichtig.

Wozu dient das Trägersignal, wenn wir uns eigentlich nicht um dieses, sondern um das andere Signal (das Nutzsignal) kümmern?

Einführung

_{• Das „Mischen“ einer Trägerwelle mit einem Basisband-Audiosignal positioniert das Audio um den Träger herum im oberen HF-Spektrum neu.
• Einmal „gemischt“, erscheint das Audio nicht mehr im Basisband des Spektrums.
• „Mischen“ ist ein Begriff, der für Modulation (oder Multiplikation) verwendet wird.
• Dadurch kann das Audio mit anderen (unterschiedlichen) Audiokanälen koexistieren Verwenden Sie eine etwas andere Trägerfrequenz.
• Sie können dann jeden gewünschten Audiokanal einstellen, indem Sie den Abstimmknopf auf eine andere Trägerfrequenz stellen.}

Einfache Simulationsschaltung

Schema eines einfachen AM-Modulators mit einem Dreieckwellen-Audioeingang und einem 1-MHz-Träger: -

Modulierter Ausgang

Und so sieht Vout (blau) neben der ursprünglichen modulierenden Dreieckswelle in rot aus: -

Spektrum des modulierten Ausgangs

Wenn ich jetzt meine FFT-Tools auf dem modulierten Träger (Vout) verwende, sehe ich Folgendes: -

Verwendung einer Sinuswelle als Modulationseingang

Wenn ich mein modulierendes Signal auf eine 10-kHz-Sinuswelle (bessere Signalreinheit) ändern und mich auf das resultierende Spektrum viel näher an 1 MHz konzentrieren würde, würde ich Folgendes sehen: -

Warum wird nicht nur das Nutzsignal verwendet, sondern mit dem Träger gemischt?

Durch die Mischung mit einer Trägerwelle wird das Basisbandsignal (Audio) im Spektrum um 1 MHz verschoben. Dies bedeutet, dass Sie, wenn Sie ein anderes Basisbandsignal haben, dieses auf (sagen wir) 1,1 MHz neu positionieren und dann Ihren AM-Empfänger auf eine der beiden Frequenzen einstellen und das Basisbandsignal von beiden hören können (ohne Querstörungen).

So funktionieren AM-Radios.

Antennen können kein Basisband-Audio verwenden

Es kommt aber auch darauf an, wie Antennen funktionieren. Wenn Sie nur ein Basisband-Audiosignal (z. B. von 100 Hz bis 10 kHz) hätten, müsste eine effektive Sendeantenne, die mit 100 Hz arbeiten könnte, eine Wellenlänge haben, die etwa ein Viertel der Wellenlänge von 100 Hz beträgt. Also, 100 Hz hat eine Wellenlänge von 3.000 km, sehen Sie also, dass das nicht nur unpraktisch, sondern einfach dumm ist.

Aber es ist noch schlimmer, denn Ihre Antenne muss auch mit 10 kHz arbeiten können, und 10 kHz hat eine Wellenlänge von 30 km. Dies bedeutet, dass Ihre Antenne im Basisband nicht mit einer so breiten Streuung von Basisbandfrequenzen umgehen kann.

Wenn andererseits das Basisband mit 1 MHz moduliert wird, liegen die nutzbaren Seitenbänder (siehe Bild oben) bei 990 kHz und 1010 kHz (wenn das Modulationssignal 10 kHz beträgt).

Bei niedrigeren Modulationsfrequenzen (z. B. 100 Hz) liegen die nutzbaren Seitenbänder bei 999,90 kHz und 1000,10 kHz. Das bedeutet, dass eine feste Antennenlänge beide Seitenbänder handhaben kann, da die jeweiligen Wellenlängen (bei 10 kHz) 300,033 Meter bzw. 299,97 Meter betragen.

Damit funktioniert eine Antenne.

Für Antennenberechnungen folgen Sie diesem Link .

Warum wird nicht nur das Nutzsignal verwendet, anstatt es mit dem Träger zu mischen?

Die Idee ist, dass niedrige Frequenzen große Antennen zum Senden/Empfangen erfordern und höhere Frequenzen kleinere Antennen erfordern.

Bildlich gesehen läuft der Prozess wie folgt ab: Sie haben ein modulierendes Signal, das eine Information trägt. Es hat eine viel niedrigere Frequenz als der Träger.

Sie können den Spediteur übermitteln, aber er hat keine Informationen. Wenn Sie am Empfängerende einen Zyklus des Trägers erhalten, ist das alles, was Sie brauchen, um alle Zyklen neu zu erstellen.

Wenn Sie den Träger mit dem modulierenden Signal mischen (multiplizieren), erhalten Sie ein moduliertes Signal, das Informationen enthält (vorerst in die sich ändernde Amplitude eingebettet) und das mit einer überschaubaren Antennengröße übertragen werden kann.

Auf der Empfangsseite mischen (multiplizieren) Sie das modulierte Signal erneut mit einem lokal erzeugten Träger, der genau dieselbe Frequenz haben sollte, um das informationstragende Modulationssignal wiederherzustellen.

Das modulierende Signal kann nun wiedergewonnen werden, indem der Träger, der eine viel höhere Frequenz als das Informationssignal hatte, tiefpassgefiltert wird. In Lehrbüchern wird es Umschlagerkennung genannt.

Dies war Amplitudenmodulation (AM) und wird stark durch Rauschen im Kanal beeinflusst. Sie können dieselben Informationen in die Phase oder Frequenz des Trägers einbetten, was zu PM/FM-Schemata führt, die robuster gegenüber Kanalinterferenzen sind.

Für FM und andere Szenarien, in denen eine Quelle und mehrere Empfänger vorhanden sind, ist diese Erklärung ausreichend.

Bei Mobiltelefonen senden und empfangen viele Benutzer; daher kann nicht derselbe Träger verwendet werden. Mehrere Träger innerhalb eines Bandes werden dem Dienstanbieter zugewiesen und ein ausgeklügeltes Schema wird verwendet, um Ihre Daten und Gespräche zu frequenzspringen und zu übertragen. Wenn Sie einen Kurs über drahtlose Kommunikation besuchen. Ihre Konzepte werden geklärt.

Ich hoffe, das beantwortet einige Ihrer Fragen.

Stellen Sie sich vor, Sie haben einen riesigen Kleiderschrank gekauft und müssen diesen zu sich nach Hause bringen. Aber das einzige Transportmittel, das Sie haben, ist ein kleines Auto. Es ist aufgrund der Größenbeschränkung (Bandbreite) nicht möglich, den Kleiderschrank ins Auto zu stellen und das Anschnallen des Kleiderschranks an Ihrem Auto ist gefährlich für die Belastung (Verlust). Also, wäre es nicht besser, wenn Sie den Kleiderschrank abbauen und die Teile in Ihr Auto packen und den Kleiderschrank dann nach der Ankunft wieder bei Ihnen zu Hause aufbauen?

Das ist nun die AM-Modulation und -Demodulation. Das Medium ist Ihr Auto und der Kleiderschrank das Nutzsignal. Aber es erfordert mehr Aufwand (Komplexität), um die Last sicher und sicher von A nach B zu tragen.

Ein weiteres Beispiel ist die Glasfaser. Stellen Sie sich vor, Sie haben 4 verschiedene Signale und alle sollten gleichzeitig übertragen werden. Aber Sie haben einen einzigen Faserkern. Alles, was Sie tun können, ist, jedes Signal mit einer anderen Wellenlänge zu übertragen und die Empfänger so einzurichten, dass sie für verschiedene Wellenlängen empfindlich sind. Netter Trick, nicht wahr?

Einfach die Bandbreite, Reichweite, Anzahl der Knoten und viele andere Parameter bringen Einschränkungen mit sich. Die Modulation des Signals ist also fast immer ein Muss, wenn es darum geht, das Signal durch ein beliebiges Medium zu übertragen.