AM/FM Modulationslabor

Simuliere analoge und digitale Datensignale mit realistischen Rundfunkfrequenzen: AM auf Mittelwelle und FM im europäischen UKW-Band. Die Bildschirmdarstellung verwendet einen angepassten Maßstab, damit Datensignal und Hochfrequenzträger gleichzeitig erkennbar bleiben.

Grundlagen in drei Schritten

Bei einer Modulation verändert ein Datensignal eine Eigenschaft einer schnell schwingenden Trägersignal. Technisch übertragen wird das dadurch entstandene Signal. Der Empfänger gewinnt daraus die dargestellten Daten zurück und kann ihnen eine Bedeutung – also Information – zuordnen.

Direkt darunter findest du die Bedienung zum Aufklappen. So kannst du sofort starten und die fachlichen Erklärungen anschließend vertiefen.

1 Datensignal Stellt Daten durch einen zeitlichen Signalverlauf dar, zum Beispiel als Audiosignal, Messsignal oder digitale Pegelfolge.
2 Trägersignal Ist zunächst ein schneller, regelmäßig wiederkehrender Signalverlauf. Durch die Modulation werden Daten in Änderungen seiner Amplitude oder Frequenz abgebildet.
3 Moduliertes Signal Entsteht, wenn Daten durch Änderungen der Amplitude oder Frequenz auf dem Träger dargestellt werden.
AM: Die Amplitude ändert sich

Das Datensignal verändert die Amplitude des Trägersignals. Im Zeitdiagramm erkennt man das als veränderliche Höhe.

Typische Größe: Modulationsgrad.

Die Frequenz des Trägersignals bleibt bei idealer AM gleich.

FM: Die momentane Frequenz ändert sich

Das Datensignal verändert die momentane Frequenz des Trägersignals. Im Zeitdiagramm werden dadurch die Perioden kürzer oder länger.

Typische Größe: Frequenzhub.

Die Amplitude des Trägersignals bleibt bei idealer FM gleich.

Aktuell AM: Beobachte im unteren Diagramm, wie sich die Amplitude des Trägersignals verändert. Im Diagramm wird das als veränderliche Höhe sichtbar, während die Periodendauer gleich bleibt.
Bedienung öffnen: So startest du die Simulation

Schnellstart

  1. Unter Datensignal eine analoge Quelle, eine Bitfolge oder eine Musikdatei wählen.
  2. Bei einer Musik- oder Podcastdatei direkt unter dem Dateifeld auf AM oder FM klicken. Alternativ kann das Verfahren weiterhin unter „3. Modulation“ gewählt werden.
  3. Die passenden realistischen Frequenzbereiche werden beim Wechsel zwischen AM und FM automatisch geladen.
  4. Den für das Verfahren wichtigen Regler verändern: bei AM den Modulationsgrad, bei FM den Frequenzhub.
  5. Mit Pausieren das Bild einfrieren und mit Einzelschritt weiterbewegen.
  6. Mit PNG speichern alle Diagramme und Parameter als Bild sichern.

Datensignal

Ein Datensignal ist ein physikalischer Signalverlauf, der Daten darstellt. Ein Sinus kann beispielsweise einen einzelnen Ton repräsentieren, ein Mehrtonsignal mehrere Frequenzanteile. Eine digitale Bitfolge wird durch wechselnde Pegel dargestellt. Eine lokale Musikdatei wird nur im Browser verarbeitet und nicht hochgeladen.

Datensignalfrequenz: Sie sagt, wie schnell sich das Datensignal wiederholt.

Bitrate: Sie gibt an, wie viele Bits pro Sekunde übertragen werden. Bits sind digitale Dateneinheiten; ihre Bedeutung ergibt sich erst aus einer vereinbarten Codierung.

Datensignalamplitude: Sie bestimmt die Auslenkung des Datensignals und damit, wie stark es den Träger beeinflusst.

Musik- oder Podcastdatei: Technisch sind beide zunächst Audiosignale. Bei AM steuert der zeitliche Verlauf des Audiosignals die Amplitude des Trägersignals. Bei FM steuert derselbe Signalverlauf die momentane Frequenz des Trägersignals. Die FM-Amplitude bleibt daher konstant; sichtbar ändern sich die zeitliche Länge der Perioden.

Wie realistisch ist das? Das Labor bildet das Grundprinzip qualitativ korrekt ab: Audiosignal → Modulator → veränderter Träger. Die realen Hochfrequenzen werden für die Darstellung komprimiert und für die Audio-Demo durch einen hörbaren Träger ersetzt. Nicht modelliert werden unter anderem Mikrofonvorverstärkung, Dynamikkompression, Filter, UKW-Preemphasis, Stereo-Pilot, RDS, Kanalstörungen und ein vollständiger Empfänger.
Podcast-Hinweis: Als Modell für die Modulation von Sprache funktioniert eine Podcastdatei genauso wie Musik. Die übliche Verbreitung eines Podcasts erfolgt jedoch als komprimierte digitale Datei über Internetprotokolle und nicht durch AM- oder FM-Rundfunk.

Trägersignal

Das Trägersignal ist ein schneller, zunächst gleichmäßiger zeitlicher Signalverlauf. Ein unmodulierter Träger stellt noch keine Datensignaländerungen dar. Erst die Modulation prägt die Daten in die Amplitude oder die momentane Frequenz des Trägers ein. AM verwendet hier realistische Mittelwellenfrequenzen, FM das europäische UKW-Band.

Die realen Frequenzen sind viel zu hoch, um alle Perioden maßstabsgerecht auf dem Bildschirm zu zeigen. Deshalb verwendet die Simulation für das Trägersignal einen angepassten Darstellungsmaßstab und zeigt deutlich weniger Trägerperioden als in der Realität.

Animation und Aufnahme

Geschwindigkeit: Ändert nur die Bewegung der Grafik, nicht die physikalischen Frequenzwerte.

Laufrichtung: Ändert nur die Bewegungsrichtung der Darstellung.

Audio-Demo: Verwendet einen getrennten hörbaren Träger, weil reale Funkträger nicht direkt hörbar sind.

Datensignal d(t) Analog
Unmoduliertes Trägersignal c(t) HF komprimiert
AM-Signal s(t) AM · skaliert
1. Verständnis: Das Wichtigste zuerst

Was sehe ich in den drei Diagrammen?

  1. Oben: das Datensignal als physikalische Darstellung der zu übertragenden Daten.
  2. In der Mitte: die noch unveränderte Trägersignal.
  3. Unten: das modulierte Signal nach AM oder FM.

Schwingung und Welle unterscheiden

Eine Schwingung ist eine zeitlich wiederkehrende Änderung einer physikalischen Größe um einen Bezugs- oder Gleichgewichtswert. Das kann zum Beispiel eine mechanische Auslenkung, eine elektrische Spannung, ein Strom, der Schalldruck oder eine Feldstärke sein.

Eine Welle liegt vor, wenn sich eine Schwingung oder Störung zusätzlich im Raum ausbreitet. Die Diagramme in diesem Labor zeigen vor allem den zeitlichen Signalverlauf an einem betrachteten Ort. Die reale Funkübertragung erfolgt dagegen als elektromagnetische Welle im Raum.

Sprachregel im Labor: In Diagrammen sprechen wir von Datensignal, Trägersignal und moduliertem Signal. Von einer Welle sprechen wir, wenn die räumliche Ausbreitung gemeint ist. „Mittelwelle“ bleibt als feststehender Name des Rundfunkbereichs erhalten.

Information, Daten und Signal unterscheiden

Begriff Einfach erklärt Beispiel
Information Die Bedeutung, die ein Mensch oder ein technisches System aus Daten erschließt. „Die Temperatur beträgt 21 °C.“
Daten Zeichen, Zahlen oder Bitfolgen, die etwas darstellen oder codieren. Die Zahl 21 oder eine entsprechende Bitfolge.
Signal Eine messbare physikalische Größe, die Daten zeitlich darstellt oder überträgt. Eine veränderliche Spannung, ein Strom oder – bei räumlicher Ausbreitung – eine elektromagnetische Welle.
Genau formuliert: Über den Übertragungskanal läuft ein Signal. Dieses Signal stellt Daten dar. Erst durch Interpretation kann aus den Daten Information, also eine Bedeutung, gewonnen werden. Umgangssprachlich sagt man trotzdem oft, dass „Information übertragen“ wird.

Der zentrale Unterschied

Frage AM FM
Was wird verändert? Die Amplitude des Trägersignals; im Zeitdiagramm sichtbar als Höhe. Die momentane Frequenz des Trägersignals; im Zeitdiagramm werden die Perioden kürzer oder länger.
Welche Größe beschreibt die Stärke? Der Modulationsgrad. Der Frequenzhub.
Gibt es einen Frequenzhub? Nein. Bei idealer AM bleibt die Frequenz gleich. Ja. Er ist das Kennzeichen der FM.
Gibt es einen AM-Modulationsgrad? Ja. Nein. Bei FM verwendet man stattdessen den Frequenzhub.

Wann entstehen Modulationsgrad und Frequenzhub?

AM-Modulationsgrad: Er wird relevant, sobald ein Datensignal die Amplitude des Trägers verändert. Ohne Datensignal bleibt die Trägeramplitude konstant.
FM-Frequenzhub: Er wird relevant, sobald ein Datensignal die Frequenz des Trägers verändert. Ohne Datensignal ist die momentane Frequenzabweichung null.

Vereinfachtes Bild im Zeitdiagramm

Bei AM wird der Signalverlauf höher oder niedriger, weil sich seine Amplitude ändert. Bei FM bleibt die Amplitude idealerweise gleich, während die Perioden kürzer oder länger werden. Das Diagramm zeigt dabei den zeitlichen Verlauf an einem betrachteten Ort, nicht die räumliche Ausbreitung einer Welle.

Erster Versuch

  1. Wähle als Datensignal einen Sinus und pausiere die Animation.
  2. Stelle AM ein und ändere nur den Modulationsgrad. Beobachte die Amplitude, also die Höhe im Zeitdiagramm.
  3. Stelle FM ein und ändere nur den Frequenzhub. Beobachte, wie die Perioden kürzer oder länger werden.
  4. Prüfe: Welche Eigenschaft bleibt jeweils unverändert?
Grundregel: Modulationsgrad gehört zu AM. Frequenzhub gehört zu FM.
2. Vertiefung: Wirkung, Grenzen und praktische Bedeutung

AM: Modulationsgrad genauer betrachtet

Der Modulationsgrad m beschreibt, wie stark das Datensignal die Trägeramplitude verändert. Er gehört nur zur Amplitudenmodulation.

  • m = 0 beziehungsweise 0 %: keine Amplitudenänderung; über AM werden keine Daten in der Trägeramplitude abgebildet. Es bleibt nur der unmodulierte Träger.
  • m = 0,5 beziehungsweise 50 %: deutliche, aber sichere Amplitudenänderung.
  • m = 1 beziehungsweise 100 %: größte unverzerrte Modulation bei einem symmetrischen Datensignal.
  • m > 1: Übermodulation; die Hüllkurve klappt um und die Wiedergabe wird verzerrt.

Praktisch nutzt ein sehr kleiner Modulationsgrad den Sender schlecht aus. Ein zu großer Modulationsgrad führt dagegen zu Verzerrungen und unerwünschten Frequenzanteilen.

FM: Frequenzhub genauer betrachtet

Der Frequenzhub Δf beschreibt die größte positive oder negative Abweichung von der Trägerfrequenz. Er gehört nur zur Frequenzmodulation.

Bei 100,000 MHz Trägerfrequenz und ±75 kHz Hub kann die momentane Frequenz zwischen 99,925 MHz und 100,075 MHz liegen.

  • Beim Nulldurchgang des Datensignals ist die momentane Abweichung ungefähr null.
  • Bei maximal positiver Auslenkung wird der obere Frequenzwert erreicht.
  • Bei maximal negativer Auslenkung wird der untere Frequenzwert erreicht.
  • Ohne Datensignal ist zwar ein maximal zulässiger Hub eingestellt, aber der momentane Hub ist null.

Ein größerer Hub kann die Störfestigkeit verbessern, benötigt aber mehr Bandbreite. Ein zu großer Hub kann benachbarte Funkkanäle beeinträchtigen.

Datensignalfrequenz und Frequenzhub nicht verwechseln

Die Datensignalfrequenz bestimmt, wie schnell die Frequenzänderung abläuft. Der Frequenzhub bestimmt, wie weit die Trägerfrequenz dabei abweicht.

Bandbreite bei FM

Eine häufig verwendete Abschätzung ist die Carson-Regel: B ≈ 2 · (Δf + fmax). Bei Δf = 75 kHz und fmax = 15 kHz ergibt sich ungefähr 180 kHz.

Für das qualitative Verständnis genügt: AM verändert die Amplitude des Trägersignals – im Diagramm seine Höhe. FM verändert die momentane Frequenz – im Diagramm werden die Perioden kürzer oder länger.
Formeln optional einblenden

Dieser Abschnitt ist nur für die mathematische Vertiefung gedacht. Für die Bedienung und das qualitative Verständnis der Simulation wird er nicht benötigt.

AM: s(t) = Ac · [1 + m · d(t)] · cos(2πfct)