Polarmodulation

Ein bereits seit Jahrzehnten bekanntes Verfahren findet seit einiger Zeit verstärkt Anwendung im Amateurfunk: die Polarmodulation.

Zu diesem Thema gibt es keine Prüfungsfrage. Aber die Polarmodulation ist ein spannendes Verfahren, das in Zukunft immer stärker in Amateurfunkgeräten eingesetzt werden wird. Daher sei sie hier kurz vorgestellt, als Blick über den Tellerrand. Wer zielgerichtet nur den Prüfungsstoff lernen will, kann das Thema getrost überschlagen.

Die Polarmodulation basiert auf der Beobachtung, was passiert, wenn ich in ein beliebiges Signal einigermaßen schmaler Bandbreite zeitlich hinein zoome: Der einzelne Wellenzug sieht so aus wie eine Sinuswelle.

Diese Sinuswelle ist definiert durch wenige Zahlen, nämlich Frequenz, Phase und Amplitude. Wobei Frequenz und Phase miteinander verkoppelt sind: Wer mit einer bestimmten Grundfrequenz anfängt, aber dann bei jedem Wellenzug die Phase immer wieder in dieselbe Richtung verschiebt, landet bei einer anderen, versetzten Frequenz.

Aus diesen Überlegungen ergibt sich das Verfahren der Polarmodulation. Damit können beliebige Signale einigermaßen schmaler Bandbreite erzeugt werden, zum Beispiel SSB-Signale. Dazu müssen nur, ausgehend von einer Grundfrequenz, Phase und Amplitude des Signals gleichzeitig kontrollierbar sein.

Abbildung NEA-16.30.1 zeigt das Blockschaltbild, mit dem diese Idee heutzutage normalerweise umgesetzt wird. Dabei werden die beiden Signalkomponenten $I(t)$ und $Q(t)$ (wie sie im vorherigen Kapitel beschrieben wurden) in die momentane Amplitude $A(t)$ und die momentane Phase $\varphi(t)$ umgerechnet:

$$A(t)=\sqrt{I^2(t)+Q^2(t)}$$ $$\varphi(t)=\operatorname{atan2}\left(Q(t),I(t)\right)$$

Die Phaseninformation $\varphi(t)$ moduliert anschließend einen HF-Träger mit zunächst konstanter Amplitude. Das entstehende Signal immer noch konstanter Amplitude enthält damit bereits die vollständige Phaseninformation. Es kann von einer besonders effizienten Schaltendstufe verstärkt werden, beispielsweise einem Klasse-E-Verstärker. Solche Endstufen erreichen in der Praxis häufig Wirkungsgrade von mehr als $\qtyrange{80}{90}{\percent}$.

Aber wie kommt die Amplitudenmodulation ins Bild? Dazu wird einfach die Versorgungsspannung der Endstufe entsprechend manipuliert. Ihr wird die Amplitudeninformation $A(t)$ über einen Hüllkurvenverstärker aufgeprägt. Dadurch verändert sich die Ausgangsamplitude entsprechend der gerade nötigen Amplitude, es ergibt sich die gewünschten Hüllkurve. Am Ausgang entsteht wieder das vollständige amplituden- und phasenmodulierte Signal:

$$s(t)=A(t)\cos\left(\omega_\mathrm{T}t+\varphi(t)\right)$$

Damit das Signal möglichst unverzerrt bleibt, müssen der Amplituden- und der Phasenpfad zeitlich genau aufeinander abgestimmt sein.

Für den Hüllkurvenverstärker genügt ein relativ langsamer NF-Verstärker. Welchen Frequenzbereich er abdecken muss, hängt von der Bandbreite des zu erzeugenden Signals ab. Um den Wirkungsgrad hoch zu halten, wird hier gewöhnlich Schaltnetzteil-Technologie eingesetzt („Klasse D“-NF-Verstärker).

Durch den hohen Wirkungsgrad wird wenig elektrische Leistung in Wärme umgesetzt. Das spart Energie, verringert den Kühlbedarf und ermöglicht kleinere und leichtere Funkgeräte ohne große Metallkühlkörper und mit billigeren Endstufentransistoren. Polarmodulation eignet sich besonders für batteriebetriebene QRP-Funkgeräte, wird aber auch in leistungsfähigeren kommerziellen Transceivern eingesetzt.