SSB
Einseitenbandmodulation — die spektrum- und energieeffiziente Modulationsart, seit den 1960ern Standard für analoge Sprache auf Kurzwelle.
Die Einseitenbandmodulation (ESB; heute geläufiger als SSB — engl. single-sideband modulation) ist eine spektrum- und energieeffiziente Modulationsart zur Sprachübertragung. Sie wird auf analogen Funkverbindungen wie der Kurzwelle für Seefunk, Flugfunk auf Langstrecken, in militärischen Anwendungen sowie im Amateurfunk und CB-Funk verwendet. SSB wurde in den 1930er-Jahren von den Fernmeldeverwaltungen entwickelt — zunächst für die drahtgebundene Übertragung von Telefongesprächen über grosse Entfernungen, später auch für transkontinentale Funkstrecken. Im analogen Sprechfunk des Amateurfunks hat SSB die klassische Amplitudenmodulation (AM) im Lauf der 1960er-Jahre fast vollständig verdrängt — heute ist SSB Standard für analoge Sprach-QSOs auf Kurzwelle.
Die Form der Einseitenmodulation im Rahmen der digitalen Signalverarbeitung wird auch als VSB-Modulation (engl. Vestigial Sideband Modulation) bezeichnet.
Eigenschaften
Anders als bei AM werden bei SSB keine redundanten Signalkomponenten — etwa ein zweites Seitenband — ausgestrahlt. Üblicherweise wird SSB mit unterdrücktem Träger gesendet (es gibt auch Varianten mit Träger oder mit reduzierter Trägeramplitude). Bei unterdrücktem Träger wird die gesamte Sendeenergie für den Informationsgehalt verwendet — das ergibt bei gegebener Sendeleistung grössere Reichweiten und bessere Störabstände. Auch die Auswirkung von Mehrwegausbreitung ist bei SSB geringer als bei AM.
Gegenüber der Amplitudenmodulation mit unterdrücktem Träger hat SSB den Vorteil halbierter Bandbreite. Nachteilig sind der höhere schaltungstechnische Aufwand und damit höhere Kosten für SSB-taugliche Funkgeräte; eine einfache Demodulation mit einem Hüllkurvendemodulator ist bei SSB grundsätzlich nicht möglich.
Im Gegensatz zur AM (mit oder ohne unterdrücktem Träger), die die Phasenlage der Trägerfrequenz nicht beeinflusst, weist SSB als Komponente eine Phasenmodulation des Trägers auf — umso stärker, je grösser die Amplitude des Seitenbandsignals zur Trägeramplitude ist. Historisch zählt SSB trotz dieser Phasenmodulation zu den Amplitudenmodulationsverfahren. Wegen des hohen Crestfaktors bei hochfrequenten Basisbandsignalen ist SSB für Impulsübertragungen und als digitales Modulationsverfahren weniger geeignet.
Spektrale Darstellung
Bei AM entstehen durch das Modulationssignal symmetrisch zur Trägerfrequenz zwei zusätzliche Frequenzbereiche. Schwankt die Modulationsfrequenz beispielsweise zwischen 300 Hz und 4’000 Hz, wird ein Frequenzband von 8’000 Hz Gesamtbreite belegt. Den oberen Bereich bezeichnet man als USB (upper side band), den unteren als LSB (lower side band) — beide enthalten bei AM exakt die gleiche Information.
Bei SSB mit unterdrücktem Träger wird nur eines der beiden Seitenbänder gesendet. Der Spektralanteil verändert sich analog zum Basisbandsignal, die Einhüllende ist dabei konstant — bei verringerter Modulationsamplitude sinkt also die Sendeleistung im gleichen Verhältnis. Die benötigte Sendeleistung ist wegen der fehlenden permanenten Trägerwelle erheblich geringer und schwankt zwischen 0 % und etwa 12,5 %.
Nachteilig: ohne gesendeten Träger fehlt die Information, wo die für die Demodulation nötige Trägerfrequenz spektral liegt. Ob es sich um USB oder LSB handelt, muss vereinbart werden — im Amateurfunk gilt: oberhalb 10 MHz USB, unterhalb LSB.
Bei analoger SSB-Übertragung mit Sprache lässt sich die richtige Frequenz einfach durch manuelles Verstimmen rund um das empfangene Signal finden — Sprache wird unverständlich, wenn die Trägerabweichung mehr als ca. ±100 Hz beträgt. Bei SSTV ermöglicht ein regelmässiger Synchronimpuls (Burst-Signal) das automatische Justieren der Trägerfrequenz. Musik klingt schon bei wenigen Hertz Abweichung unharmonisch.
Erzeugung
Ein SSB-Signal kann auf mehrere Arten erzeugt werden — das Ergebnis ist in allen Fällen identisch:
Filtermethode — beginnt mit einem Mischer (typisch eine Gilbertzelle), der eine AM mit unterdrücktem Träger erzeugt. Ein schmalbandiges Bandpassfilter mit hohem Gütefaktor (z.B. Quarzfilter) lässt nur eines der beiden Seitenbänder passieren. Die feste Filterfrequenz wird anschliessend per zweiter Mischstufe auf die gewünschte Sendefrequenz verschoben.
Phasenmethode (auch Single-Sideband Mixer oder IQ-Verfahren) — kommt ohne teures Filter aus. Zwei symmetrische Mischer arbeiten mit Eingangssignalen, die sowohl auf der NF- als auch auf der HF-Seite um 90° phasenverschoben sind. Die exakte 90°-Phasenverschiebung über den gesamten Sprachbereich (300 Hz bis 3’500 Hz) ist mit analogen Bauteilen anspruchsvoll.
DSP-Verfahren — heute Standard in Software Defined Radios. Das reellwertige Modulationssignal wird per Hilbert-Transformation in ein komplexes Basisbandsignal („analytisches Signal») überführt, mit zwei phasenverschobenen Trägern gemischt und addiert. Durch die Phasenverschiebung löscht sich der Träger aus, ein Seitenband wird unterdrückt — Resultat: Einseitenbandsignal mit unterdrücktem Träger. Erste Arbeiten dazu gehen auf Donald K. Weaver (1950er Jahre) zurück.
Demodulation
Obwohl die Amplitude des SSB-Signals eine gewisse Ähnlichkeit mit der modulierenden Niederfrequenz aufweist, kann SSB nicht mit einem einfachen Hüllkurvendemodulator demoduliert werden — anders als die nicht-kohärente AM-Demodulation.
Im analogen SSB-Empfänger (wie er im Amateurfunk üblich ist) wird das empfangene Signal nach dem Superheterodyn-Prinzip in einer Mischstufe auf eine feste Zwischenfrequenz (ZF) gemischt und mit einem steilflankigen Quarzfilter von Nachbarkanalstörungen befreit. Eine zweite Mischstufe — der Produktdetektor — übernimmt die Demodulation, indem ein lokal erzeugter Träger zugemischt wird. Der lokale Trägeroszillator heisst BFO (Beat Frequency Oscillator) oder CIO (Carrier Insertion Oscillator).
Frequenzabweichungen des BFO führen zu einem Frequenzversatz, der über die Sprachverständlichkeit feinjustiert werden kann (engl. pitch) — ein Versatz von etwa ±20 Hz gilt als tolerabel. Manche Amateurfunkempfänger verfügen über einen LSB/USB-Umschalter, der den BFO an das untere bzw. obere Ende der ZF-Durchlasskurve setzt.
Ein Nachteil von trägerlosem SSB ist die schwierige Implementierung einer automatischen Verstärkungsregelung (AGC) und einer automatischen Frequenzregelung (AFC). Abhilfe bietet SSB mit abgesenktem Träger und dessen Regeneration im Empfänger oder die Übertragung eines vereinbarten Pilottones. Seit Mitte der 1990er-Jahre ist die analoge Signalverarbeitung im Empfänger schrittweise durch kostengünstigere DSP ersetzt worden — auf Kurzwelle sind heute volldigitale Empfängerkonzepte üblich, bei denen ausser der Vorselektion vor dem AD-Wandler keine analogen Bauteile zur Signalverarbeitung mehr zum Einsatz kommen.
Verwendung und Sonderformen
Im Rundfunkbereich wurde die Einführung von SSB als Ersatz für AM jahrzehntelang diskutiert — nach der Entwicklung digitaler Übertragungsverfahren wie DRM und DAB jedoch nie umgesetzt. Hauptgrund: bei nur 9 kHz AM-Kanalbreite wäre die Musikqualität von SSB-Stereo unbefriedigend, und die nötige Empfänger-Feinabstimmung im Hertz-Bereich für den Endkunden zu anspruchsvoll.
Eine Sonderform ist die AM-kompatible SSB (mit mitgesendetem Träger) — sie kann auch mit normalen AM-Demodulatoren wiedergegeben werden. Diese Modulationsart wurde z.B. zwischen 1953 und 1962 bei einem Langwellensender des Deutschlandfunks verwendet — eine historische Kuriosität.
Eine weit verbreitete andere Sonderform ist die Restseitenbandmodulation (engl. vestigial sideband) der analogen Fernsehübertragung — gegenüber Zweiseitenband-AM eine deutliche Steigerung der Energie- und Spektrumeffizienz. Im Unterschied zur reinen SSB werden hier ein reduzierter Träger und ein Teil des zweiten Seitenbandes mitgesendet, was die Demodulation auf der Empfängerseite (z.B. einem TV-Gerät) erheblich vereinfacht und verbilligt.
Quelle / weiterführende Lektüre: Wikipedia — Einseitenbandmodulation (CC BY-SA).