Modulation (Technik)
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Die Modulation (von lat. modulatio = Rhythmus) beschreibt in der Nachrichtentechnik einen Vorgang, bei dem ein zu übertragendes Nutzsignal (der Informationsträger) ein sogenanntes Trägersignal verändert (moduliert) und damit in ein für die Übertragung über ein bestimmtes Medium geeignetes Frequenzband umgesetzt wird. Anhand der übertragbaren Eingangssignale unterscheidet man zwischen analogen und digitalen Modulationsverfahren.
Geräte, die sowohl modulieren als auch demodulieren können, werden häufig kurz als Modem bezeichnet.
Eng verwand mit der digitalen Modulation ist die Leitungscodierung, welche eine Anpassung eines digitalen Nutzsignals an einen Übertragungskanal, hier eine Leitung, zur Aufgabe hat, dabei aber keine Umsetzung vom Basisband in ein höheres Trägerfrequenzband vornimmt.
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[Bearbeiten] Bedeutung
Die Modulation ist eines der wichtigsten Verfahren der Nachrichtentechnik. Ihr Einsatz ermöglichte in der Nachrichtenübertragung die Nutzung höherer Frequenzbereiche und erschloss damit neue Übertragungswege (zum Beispiel Funk, Richtfunk, Satellitenfunk).
Modulation begegnet uns überall im alltäglichen Leben.
- Radio, Fernsehen, Satellitenfernsehen, digitales Fernsehen (DVB)
- Amateurfunk, Polizeifunk, Taxifunk, Flugfunk, Seefunk
- Funktelefon (DECT), Mobiltelefon (GSM), Satellitentelefon
- Satellitennavigation(GPS)
- automatische Schiffsidentifikation (AIS)
- Funkidentifikation (RFID), Flugfunktransponder, On-Board-Unit für LKW-Maut
- Datennetze: Ethernet, WLAN, Bluetooth
- kabelloser Kopfhörer, kabelloses Mikrofon
- Fernbedienungen
In jüngster Zeit zeigte sich die Bedeutung der Modulation im Alltag besonders deutlich. Durch Entwicklung neuer Modulationsverfahren wie ADSL konnte die Datenübertragungsrate über die vorhandenen Telefonanschlussleitungen drastisch erhöht werden.
[Bearbeiten] Geschichte
Das Prinzip der Modulation war schon länger bekannt. Zum Beispiel wurde aufsteigender Rauch als Träger moduliert und das weithin sichtbare Ergebnis zur Übertragung codierter Nachrichten genutzt.
Historisch wurden auch die digitalen Modulationen noch vor den analogen Modulationstechniken im Funk verwendet: Als „Modulator“ diente damals allerdings eine Person welche als Funker arbeitete und den Modulationsvorgang von Hand mittels einer Sendetaste bewerkstelligen musste und den HF-Träger von Hand ein- bzw. ausschaltete. Als Codierung für die Darstellung der Schriftzeichen wurde der auch heute noch bekannte Morsecode eingesetzt.
[Bearbeiten] Technische Beschreibung
Bei der Modulation wird das Nutzsignal in einen anderen Frequenzbereich umgesetzt. Dabei werden Parameter wie Amplitude, Frequenz oder Phase des Trägersignals durch das Nutzsignal variiert. Je nach Verfahren werden alle Parameter oder nur einzelne Parameter des Trägersignals verändert. Bei der analogen Amplitudenmodulation erfolgt beispielsweise nur eine Variation der Amplitude des Trägersignals, während die anderen Parameter der Trägerfrequenz keine Information tragen. Das durch diese Modulation spektral versetzte Signal kann dann über einen Übertragungskanal zum Empfänger übertragen werden, welcher mittels Demodulation das ursprüngliche Nutzsignal wiedergewinnt. Die Übertragung kann leitungsgebunden über elektrische Kabel und Lichtwellenleiter oder mittels Antennen in Form einer Freiraumausbreitung ("Funk") erfolgen.
[Bearbeiten] Lineare und nichtlineare Modulationsverfahren
Modulationstechniken lassen sich in lineare und nichtlineare Modulationsverfahren unterteilen. Ein Modulationsverfahren ist dann linear, wenn die mathematische Funktion zwischen dem Nutzsignal und dem Sendesignal, welche den Modulationsvorgang beschreibt, eine lineare Funktion ist. Dies ist beispielsweise bei der Amplitudenmodulation der Fall, welche im Zeitbereich eine Multiplikation darstellt.
Bei nichtlinearen Modulationen hingegen, welche als Zusammenhang zwischen Nutzsignal und Sendesignal eine nichtlineare Funktion besitzen, ist die Abbildung von den Momentanwerten des Nutzsignals abhängig. Deren Analyse ist mit höherem Aufwand verbunden, oft sind dabei auch keine geschlossenen Lösungen verfügbar und es müssen Näherungsverfahren wie zum Abschätzen der nötigen Bandbreite des Sendesignals verwendet werden. Ein Beispiel für eine nichtlineare Modulation ist die Frequenzmodulation bei der die Verknüpfung zwischen Nutzsignal und Sendesignal durch Winkelfunktionen wie der Kosinus-Funktion gebildet wird.
[Bearbeiten] Modulation und Multiplextechnik
Der Begriff der Modulation ist eng mit dem Begriff der Multiplextechnik verknüpft. Die Multiplextechnik beschäftigt sich damit, mehrere Nutzsignale parallel und idealerweise ohne gegenseitige Beeinflussung über einen gemeinsam genutzten Kanal, zum Beispiel ein Kabel oder einen Funkfrequenzbereich, zu übertragen. Die praktische Umsetzung der verschiedenen Multiplextechniken wie Zeitmultiplex, Frequenzmultiplex oder Codemultiplex erfolgt durch Einsatz geeigneter Modulationsverfahren.
[Bearbeiten] Physikalische Modulation
Modulationsverfahren werden nicht nur in den der elektronischen Schaltungstechnik direkt zugänglichen Frequenzbereichen bis zu einigen 100 GHz verwendet, sondern es gibt auch Modulatoren welche direkt auf materialspezifischen, physikalischen Prinzipien beruhen. In diesen Fällen wird der Modulator bzw. auch Demodulator nicht mehr durch eine elektronische Schaltung aus einzelnen Bauelementen und deren Zusammenwirken in einer Schaltung gebildet. Als wesentliche Eigenschaft sind bei diesen Modulatoren deutlich höhere Trägerfrequenzen möglich die bis weit über den sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums hinaus reichen können. Nachteilig sind die dabei geringen Variationsmöglichkeiten, da die Materialeigenschaften im Gegensatz zu den als elektronische Schaltungen aufgebauten Modulatoren nicht so einfach verändert werden können. Meistens finden daher nur einfache Amplitudenmodulationen Anwendung.
Ein Modulator in diesem Kontext wäre beispielsweise eine Leuchtdiode, ein Laser oder auch für niedrige Nutzsignalfrequenzen eine Glühlampe, welche in der Helligkeit gesteuert wird. Diese Amplitudenmodulation, da die Helligkeit variiert wird, findet dabei in dem inneren Aufbau durch physikalische Prozesse statt und das Sendesignal kann im Bereich optischer Frequenzen und darüber liegen. Anwendung finden diese Modulatoren beispielsweise zum Ansteuern von Lichtwellenleitern oder auch Optokoppler.
[Bearbeiten] Modulationsverfahren
[Bearbeiten] Analoge Modulationsverfahren
Analoge Nutzsignale sind beispielsweise Sprach-, Musik oder Bildsignale. Wesentliche Eigenschaft analoger Modulationstechniken ist die Kontinuität der Modulation sowohl im Zeit- als auch im Wertebereich. D.h. analoge Modulationen verarbeiten das Nutzsignal kontinuierlich, es erfolgt keine Digitalisierung der Sendesignalwerte.
Die analogen Modulationsverfahren lassen sich in zwei Hauptgruppen einteilen: In die Amplitudenmodulation und in die Winkelmodulation. Alle weiteren analogen Modulationstechniken lassen sich aus diesen beiden Modulationstechniken ableiten.
Bei der Amplitudenmodulation wird die Information des Nutzsignals kontinuierlich in der Amplitude des Sendesignals abgebildet. Dabei gibt es spezielle Abwandlungen der Amplitudenmodulation, wie die Amplitudenmodulation mit unterdrücktem Träger oder auch Ringmodulation genannt, die Einseitenbandmodulation (SSB) oder auch die Restseitenbandmodulation. Anwendungen findet die Amplitudenmodulation beispielsweise bei dem analogen Rundfunk auf Mittelwelle und der analogen Fernsehtechnik. Einseitenbandmodulation ist technisch aufwendiger, nutzt aber das Frequenzband effizienter und findet beispielsweise Anwendung im Bereich des Amateurfunks.
Bei der Gruppe der Winkelmodulationen, dazu zählen vor allem die Frequenzmodulation (FM) und die Phasenmodulation (PM), wird das Nutzsignal in dem Phasenwinkel des Trägersignals abgebildet. Dabei kommt es zu einer Änderung der Trägerfrequenz bzw. der Phasenlage der Trägerfrequenz. Anwendung finden diese Techniken beispielsweise im analogen UKW-Hörfunk.
Die Kombination aus Amplituden- und Winkelmodulation wird auch Vektormodulation genannt. In diesem Fall wird die Information des Nutzsignals sowohl in der Amplitude als auch im Phasenwinkel der Trägerschwingungen untergebracht. Im analogen Bereich sind diese Kombinationen, auch der Komplexität der entsprechenden Modulatoren wegen, nur selten anzutreffen.
[Bearbeiten] Digitale Modulationsverfahren
Digitale Modulationsverfahren besitzen keinen kontinuierlichen Verlauf sondern sind sowohl in der Zeit als auch in den zu übertragenen Werten (Nutzdaten) diskret. Analoge Signale wie Sprache oder Musik müssen daher vor der digitalen Modulation digitalisiert werden. Diese Modulationsverfahren zählen daher auch zum Bereich der digitalen Signalverarbeitung.
Die digitalen Modulationen liefern nur zu bestimmten Zeitpunkten, den so genannten Abtastzeitpunkten, gültige Werte. Dies wird als zeitdiskret bezeichnet. Der zeitliche Abstand der Abtastzeitpunkte wird Symbolrate genannt. In den Zeitintervallen zwischen zwei Abtastzeitpunkten ist die Information des Sendesignals undefiniert. Daher spielt bei der digitalen Demodulation die so genannte Taktrückgewinnung eine zentrale Rolle: Der Empfänger bzw. Demodulator muss durch geeignete Verfahren erkennen können, zu welchen Zeitpunkten eine gültige Information vorliegt.
Bei digitalen Modulationen kann nur eine endliche Anzahl unterschiedlicher Werte übertragen werden, dies wird als wertdiskret bezeichnet. Durch geeignete Wahl der wertdiskreten Sendesymbole können kleinere Abweichungen, welche beispielsweise durch Übertragungsfehler passieren können, erkannt und kompensiert werden. Darin liegt die Ursache der meist höheren Störunempfindlichkeit von digitalen Modulationsverfahren gegenüber den analogen Verfahren begründet. Bewertet werden können die Störeinflusse einiger digitaler Modulationsverfahren beispielsweise mittels Augendiagramm oder in Form der Darstellung von Sendesymbolen in der komplexen Ebene.
Genauer handelt es sich bei den digitalen Modulationen um zeit- und wertdiskrete Modulationsverfahren. Allerdings hat sich der nicht ganz passende Begriff der digitalen Modulation in der Literatur bereits durchgesetzt. Aber auch die Kanalcodierung kann unter bestimmten Voraussetzungen als eine Form der digitalen Modulation aufgefasst werden. In der Literatur wird dafür der Begriff der "kodierten Modulation" verwendet. Die Verfahren in diesem Bereich, wie beispielsweise Binary Offset Carrier, sind teilweise noch Gegenstand aktueller Forschungen.
Einige der digitalen Modulationstechniken haben Entsprechungen bei analogen Modulationentechniken oder sind davon abgeleitet. Es gibt allerdings auch eine Vielzahl digitaler Modulationen welche keine direkten analogen Entsprechungen aufweisen. Wie beispielsweise die Pulsweitenmodulation welche eine spezielle digitale Winkelmodulation darstellt und auch zur zeitlichen Abtastung (zeitdiskrete Abtastung) eines analogen Signals verwendet werden kann.
[Bearbeiten] Digitale Modulationsverfahren mit einem Träger
Zu den einfachsten digitalen Modulationen zählt die digitale Amplitudenmodulation oder auch Amplitude Shift Keying (ASK) genannt, bei der die Amplitude des Sendesignals in diskreten Schritten in Abhängigkeit der Nutzdatenfolge umgeschaltet wird. Bei nur zwei Sendesymbolen wird zwischen zwei unterschiedlichen Amplitudenwerten gewählt, wovon auch eine Null sein kann. Es können aber auch mehrere Amplitudenwerte (Stufen) gewählt werden.
Die digitalen Winkelmodulationen umfassen ein großes Feld und sind in der einfachsten Form auch als Frequency Shift Keying (FSK) und Phase Shift Keying (PSK) bekannt. Dabei wird der Phasenwinkel des Trägersignals in diskreten Stufen umgeschaltet. Eine spezielle Form der FSK ist die Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK), wo der Modulationsindex genau 0,5 beträgt. Typische Anwendungen dieser Modulationen sind die ersten Telefonmodems aus dem Zeitraum der 1980er Jahre, welche mittels FSK in den ITU-T Normen V.21 oder auch V.23 bis zu einigen kbit pro Sekunde über eine Telefonleitung übertragen konnten. Auch heute übliche analoge Faxgeräte verwenden diese Modulationsverfahren.
Digitale Phasenmodulationen wie die QPSK übertragen die Nutzdaten nur in der Phasenlage des Trägers. Auch diese Modulationen finden vor allem im Bereich der Telekommunikation, wie zum Beispiel bei digitalen Mobilfunknetzen wie GSM Anwendung.
Im digitalen Bereich werden vor allem auch Kombinationen aus Amplituden- und Winkelmodulationen verwendet. Die Information (Nutzdatenfolge) wird dabei sowohl in der Amplitude als auch Phaselagen des Trägers untergebracht. Ein gebräuchliches Modulationsverfahren ist die Quadraturamplitudenmodulation, abgekürzt QAM, 16QAM, 32QAM, 64QAM, usw. Die Zahlen geben dabei die diskreten Datenpunkte (Sendesymbole) in der komplexen Ebene an: Je mehr Sendesymbole vorhanden sind, desto mehr Bits können pro Symbol übertragen werden, desto schwieriger ist es aber auch auf Empfängerseite die einzelnen Symbole noch voneinander zu unterscheiden. Daher werden in robusten und bei stärker gestörten Übertragungen Verfahren mit wenigen Sendesymbolen verwendet.
[Bearbeiten] Digitale Modulationen mit mehreren Trägern
Bei digitalen Modulationen ist es auch möglich, den Nutzdatenstrom auf mehrere, unterschiedliche Träger aufzuteilen. Dadurch entsteht eine zusätzliche Möglichkeit sich an die Eigenschaften des Übertragungskanals möglichst optimal anzupassen: Wenn beispielsweise aufgrund von Störungen bestimmte Träger nicht zur Datenübertragung verwendet werden können, so können die restlichen Träger mit geringeren Gesamtdatendurchsatz verwendet werden. Typische Verfahren sind Discrete Multitone (DMT) welches im Bereich von ADSL Anwendung findet. Oder auch Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) beziehungsweise Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex (COFDM) welche im Bereich des terrestrischen digitalen Fernsehen DVB-T eingesetzt wird.
Dabei werden auf den einzelnen Trägern möglichst schmalbandig digitale Modulationen wie 16QAM eingesetzt. Durch die große Anzahl der Träger, dies können bis zu einigen 10.000 Träger sein, kann sehr selektiv auf die Übertragungseigenschaften des Übertragungskanals eingegangen werden. Damit werden bis zu einigen 10 kbit/s an Nutzdaten parallel in nur einem Taktschritt übertragen. Durch wesentliche technologische Weiterentwicklungen im Bereich leistungsfähiger und kostengünstiger digitaler Signalprozessoren und anwendungsspezifische integrierte Schaltungen haben diese komplexen Modulationsverfahren in den letzten Jahren im Konsumelektronikbereich große Verbreitung gefunden.
[Bearbeiten] Spezielle Modulationen
[Bearbeiten] Bandspreizmodulationen
Dazu zählen verschiedenartige Spread Spectrum Modulationen wie Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) und Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS). Diese Modulationen sind die Grundlage von Codemultiplexverfahren und weiten das Sendespektrum im Vergleich zum Nutzdatenspektrum extrem auf. Der Empfang mittels Korrelation ist durch spezielle Codefolgen gekennzeichnet, welche meist zufällsähnliche Eigenschaften besitzen, und welche die einzelnen Kanäle voneinander unterscheiden.
Damit sind auch Übertragungen möglich, wo deren Sendesignal unterhalb des Hintergrundrauschpegels liegt und damit nicht einmal die Existenz einer Übertragung erkannt werden kann. Bei Bedarf kann die Nachrichtenübertragung wie bei allen anderen Modulationen auch verschlüsselt erfolgen. Eine Detektion ob eine Übertragung erfolgt, ist nur bei Kenntnis der entsprechenden Bandspreiz-Codefolgen und mittels Korrelation möglich. Anwendungen dieser Techniken finden sich daher vor allem im militärischen Bereich zur Nachrichtenübertragung oder im Bereich der Spionage für sehr schwer aufspührbare Abhörgeräte. In den letzten Jahren finden diese Techniken teilweise auch in zivilen Bereichen Anwendung wie bei den Navigationsystemen GPS oder Galileo und im Mobilfunk der Dritten Generation mittels CDMA und bei Anwendungen der Steganografie um mittels elektronischen Wasserzeichen beispielsweise von Musikstücken oder Videofilmen Urheberrechtsverletzungen nachweisen zu können.
[Bearbeiten] Pulsmodulationen
Bei diesen Modulationen erfolgt eine Umwandlung eines kontinuierlichen analogen Signals in eine zeitdiskrete Signalfolge bestehend aus einzelnen Pulsen, welche wie in den Fällen der Pulsweitenmodulation (PWM), Pulsamplitudenmodulation (PAM), Pulsfrequenzmodulation (PFM) und Pulsphasenmodulation (PPM) amplitudenkontinuierlich sind. Daneben gibt es auch amplitudendiskrete Versionen dieser Verfahren, bei PAM wird die wertdiskrete Version dann als Puls-Code-Modulation (PCM) bezeichnet. Die PWM kommt sowohl wertdiskret als wertkontinuierlich vor. Anwendungen der PWM sind beispielsweise die Leistungsregelung von Elektromotoren oder im Audiobereich bei digitalen Endstufen (D-Verstärker).
Bei der Puls-Code-Modulation (PCM) wird ein Impulskamm, eine periodische Folge von kurzen Einzelpulsen, mit dem Eingangssignal multipliziert um das Ausgabesignal („Sendesignal“) zu erhalten. Die einzelnen Ausgabewerte werden dann quantisiert, also in eine endliche Anzahl von Stufen umgewandelt. Anwendung findet diese Modulation bei einigen Analog-Digital-Umsetzern, speziell dann wenn laufend eine Signalfolge gewonnen werden soll wie dies bei der Digitalisierung von Sprach- und Musiksignalen der Fall ist.
[Bearbeiten] Literaturquellen
- Kammeyer, Karl Dirk: Nachrichtenübertragung. Stuttgart: Teubner 1996. ISBN 3-519-16142-7
- Bossert, Martin: Kanalcodierung. Stuttgart: Teubner 1998. ISBN 3-519-16143-5
- Roppel, Carsten: Grundlagen der digitalen Kommunikationstechnik. Leipzig: Hanser 2006. ISBN 978-3-446-22857-3
[Bearbeiten] Weblinks
[Bearbeiten] Siehe auch
- Klassifizierung und Kennzeichnung der Modulationsarten gemäß ITU
