Modulation (teknik)

Termen modulering (från latin modulatio = klocka, rytm) beskriver en process inom kommunikationsteknik där en användbar signal som ska överföras (t.ex. musik, tal, data) förändrar (modulerar) en så kallad bärare . Detta möjliggör högfrekvent överföring av den lågfrekventa användbara signalen. I bärfrekvensområdet upptar den överförda signalen en bandbredd som är beroende av den användbara signalen. Meddelandet återställs i mottagaränden av en demodulator .

Själva bärarsignalen är irrelevant för det överförda meddelandet; det är bara nödvändigt att anpassa sig till de fysiska egenskaperna hos överföringskanalen och kan undertryckas (med vissa typer av modulering ).

analog amplitudmodulation (AM) och frekvensmodulation (FM) för en lågfrekvent signal

Behov av modulering, exempel

• Om du ville sända röst eller musik direkt, skulle det bara finnas ett enda "program" rikstäckande, eftersom detta skulle ta upp hela lågfrekvensområdet . Alla andra program skulle uppta och störa samma frekvensområde. På grund av den låga frekvensen skulle enorma antenner krävas på både sändnings- och mottagningssidan.
• En mycket högre frekvensbärare ändras och skickas i informationens rytm genom modulering. Andra sändare gör samma sak med bärare av olika frekvenser. Om dessa frekvensområden kan separeras från varandra i mottagaren med hjälp av filter ( resonanskretsar ) kan du välja mellan olika program. Antennerna blir också mer hanterbara.
• Flera informationsdelar kan moduleras oberoende av varandra på en bärfrekvens på ett sådant sätt att de kan separeras på mottagarsidan. När det gäller VHF -radio, till exempel, sänds annan information som RDS eller stationsidentifiering utöver "förgrundsmusiken".
• Samtidig överföring av de två stereokanalerna (vänster och höger) skulle också vara omöjlig utan modulering. I färg -tv moduleras ljusstyrkan och färginformationen för de enskilda pixlarna så smart på en bärare att de inte stör varandra. En svartvit tv ignorerar helt enkelt färgmoduleringen.
• Att använda en kabel, fiberoptisk eller radiolänk ( riktad radio , satellit -tv ) för flera hundra samtidiga telefonsamtal eller flera tv -program skulle vara otänkbart utan sofistikerade moduleringsmetoder.
• Med DSL kan du skicka och ta emot digital Internetdata samtidigt och oberoende av varandra, och du kan också ringa.
• Med en fjärrkontroll kan olika kommandon som att byta kanal, ändra volym eller stänga av trådlöst genom att modulera den infraröda strålningen .

menande

Modulation har många fördelar jämfört med direktöverföring av den användbara signalen. På detta sätt kan både analoga och digitala signaler överföras. Modulationsmetoden kan dock vara både analog och digital, oavsett typ av användbar signal.

Enheter som kan demodulera både modulera som ofta kallas lika modem (Mo dulator The odulator).

Nära relaterad till digital modulering är linjekodning , som har till uppgift att anpassa en digital användbar signal till en överföringskanal, här en linje, men inte konverterar den från basbandet till ett högre bärfrekvensband .

Modulation är en av de viktigaste metoderna inom kommunikationsteknik. Deras användning gjorde det möjligt att använda högre frekvensområden vid överföring av meddelanden och öppnade därmed nya överföringsvägar (t.ex. radio , riktad radio , satellitradio ).

Vi möter modulering överallt i vardagen:

• Amatörradio , luftfartsradio , polisradio , marinradio , taxiradio
• automatisk fartygsidentifiering (AIS)
• Datanätverk: Bluetooth , Ethernet , WLAN
• digital -tv , ( DVB ), tv , radio , satellit -tv
• Fjärrkontroller , fjärrkontroller
• Radioidentifiering ( RFID ), radiotransponder , inbyggd enhet för lastbilstullar
• trådlösa hörlurar , trådlös mikrofon
• Radiotelefon (till exempel DECT ), mobiltelefon (till exempel GSM ), satellittelefon
• Satellitnavigering (t.ex. GPS )

Vikten av modulering i vardagen har nyligen blivit särskilt tydlig. Genom att utveckla nya moduleringsmetoder som ADSL kan dataöverföringshastigheten över de befintliga telefonanslutningslinjerna ökas drastiskt.

berättelse

Tal och musik bygger själva på modulering. Enbart tungans och läpparnas rörelse ger snaps och smack som inte kan höras långt. Ljudet från struphuvudet tar mycket längre och tjänar redan barnet som bärare, genom vars kontinuerliga (analoga) förändringar i volym och tonhöjd han informerar om sitt tillstånd. Modulation används medvetet på visselpipor .

Guglielmo Marconi uppnådde den första radioöverföringen över Engelska kanalen 1899 genom att slå på och stänga av en pop-gnistsändare . Morskod kan överföras med denna digitala modulering. En koherer i mottagaren reagerade på högfrekvenssignalen och den ostadiga utsignalen från sändaren kunde höras som ett skak. Selektiviteten spelade ingen roll vid den tiden, eftersom antalet kanaler fortfarande var ganska begränsat. Medan Marconi strävade efter högre överföringseffekt förbättrade Reginald Fessenden mottagarnas känslighet samtidigt.

Fram till 1913 kunde sändare bara slås på och av, vilket i bästa fall kan beskrivas som mycket rudimentär modulering. Modulation med en mängd olika signaler, vars subtila nyanser också måste överföras, kräver en oscillatorkrets som initialt genererar en konstant signal - detta var bara möjligt efter uppfinningen av Meissner -kretsen . Det var början på sändningen .

teknisk beskrivning

Med modulering omvandlas den användbara signalen till ett annat frekvensområde. Parametrar, såsom amplituden , frekvensen och / eller fasen hos bärarna varieras av den användbara signalen. När det gäller analog amplitudmodulering finns det bara en variation i bärarnas amplitud. Signalen som spektraliseras av denna modulering kan sedan överföras via en överföringskanal till mottagaren, som återställer den ursprungliga användbara signalen med hjälp av demodulering . Överföringen kan anslutas via elektriska kablar och fiberoptiska kablar eller med hjälp av antenner i form av fri rymdutbredning (" radio ").

Kontinuerliga och diskreta tidsprocedurer

Moduleringsmetoder för kontinuerlig tid använder en kontinuerlig signal såsom en sinusvåg som bärare. Informationssignalen som ska moduleras behöver inte representera informationen kontinuerligt. Det är väsentligt att den modulerade signalen vid modulatorutgången är kontinuerlig i tid. De tidskontinuerliga metoderna är indelade i värde-kontinuerliga och värde-diskreta moduleringsmetoder. Processerna med kontinuerligt värde och kontinuerlig tid kallas oprecist för analog modulering , medan processerna med diskret värde och kontinuerlig tid kallas digital modulering .

Diskret tidsmoduleringsmetoder å andra sidan levererar endast en definierad bärarsignal vid modulatorns utgång vid vissa tidpunkter. Typiska representanter för denna klass är pulsbärarprocesserna. De tidsdiskreta metoderna är också indelade i värde-kontinuerliga och värde-diskreta moduleringsmetoder. Pulsamplitudmodulation (PAM) är en kontinuerlig-värde och tidsdiskret moduleringsmetod.En typisk representant för en värde-diskret och tids-diskret moduleringsmetod är pulskodsmodulering (PCM).

Linjära och icke-linjära moduleringsmetoder

Modulationstekniker kan delas in i linjära och icke-linjära moduleringsmetoder. En moduleringsmetod är linjär om den matematiska funktionen mellan den användbara signalen och den överförda signalen, som beskriver moduleringsprocessen, är en linjär funktion . Detta är till exempel fallet med amplitudmodulering , som representerar en multiplikation i tidsdomänen.

I fallet med icke-linjära moduleringar, som å andra sidan har en icke-linjär funktion som förhållandet mellan den användbara signalen och den överförda signalen, är mappningen beroende av de momentana värdena för den användbara signalen. Deras analys är förknippad med större ansträngning, det finns ofta inga slutna lösningar och approximationsmetoder som för att uppskatta den nödvändiga bandbredden för överföringssignalen måste användas. Ett exempel på en icke-linjär modulering är frekvensmodulation , där länken mellan den användbara signalen och den överförda signalen bildas av vinkelfunktioner såsom cosinusfunktionen .

Modulation och multiplexteknik

Termen modulering är nära kopplad till termen multiplexteknik . Multiplexteknik handlar om att sända flera användbara signaler parallellt och helst utan ömsesidig störning via en delad kanal, till exempel en kabel eller ett radiofrekvensområde. Den praktiska implementeringen av de olika multiplexteknikerna, såsom tidsdelningsmultiplex , frekvensdelningsmultiplex eller koddelningsmultiplex, sker genom användning av lämpliga moduleringsmetoder.

Fysisk modulering

Modulationsmetoder används inte bara i frekvensområdena upp till några 100 GHz som är direkt tillgängliga för elektronisk kretsteknik, men det finns också modulatorer som är baserade direkt på materialspecifika, fysiska principer. I dessa fall bildas inte längre modulatorn eller demodulatorn av en elektronisk krets som består av enskilda komponenter och deras interaktion i en krets. De väsentliga egenskaperna hos dessa modulatorer är signifikant högre bärvågsfrekvenser, som kan sträcka sig in i det synliga området för det elektromagnetiska spektrumet (ljus) och bortom (ultraviolett). Nackdelen här är det lilla antalet variationer, eftersom materialegenskaperna, i motsats till modulatorerna konstruerade som elektroniska kretsar, inte kan ändras så lätt. I de flesta fall används därför endast enkla amplitudmoduleringar.

En modulator i detta sammanhang skulle till exempel vara en ljusemitterande diod , en laser eller, för låga användbara signalfrekvenser, en glödlampa vars ljusstyrka styrs. Denna amplitudmodulering, eftersom ljusstyrkan är varierad, sker i den inre strukturen genom fysiska processer och överföringssignalen kan ligga inom området för optiska frekvenser och högre. Dessa modulatorer används till exempel för att styra optiska fibrer eller optokopplare .

Modulationsmetod

Analoga moduleringsmetoder

Analoga användbara signaler är till exempel tal-, musik- eller bildsignaler. En väsentlig egenskap hos analoga moduleringstekniker är moduleringens kontinuitet både i tidsdomänen och i värdeområdet. I. E. analoga moduleringar bearbetar den användbara signalen kontinuerligt, det finns ingen digitalisering av de överförda signalvärdena. Analog modulerade signaler kallas också Analog Spectrum Modulation (ASM för kort).

De analoga moduleringsmetoderna kan delas in i två huvudgrupper: amplitudmodulation och vinkelmodulation . Alla andra analoga moduleringstekniker kan härledas från dessa två moduleringstekniker.

Med amplitudmodulering kartläggs informationen i den användbara signalen kontinuerligt i amplituden för den överförda signalen. Det finns speciella modifieringar av amplitudmoduleringen, såsom amplitudmodulering med undertryckt bärare , enkel sidbandsmodulering (SSB) eller vestigial sidbandsmodulering . Amplitudmodulationen används till exempel vid analog sändning på medelvåg och i analog tv -teknik . Enkel sidbandsmodulering är tekniskt sett mer komplex, men använder frekvensbandet mer effektivt och används till exempel inom området amatörradio .

I gruppen vinkelmoduleringar, som framför allt inkluderar frekvensmodulering (FM) och fasmodulation (PM), mappas den användbara signalen i bärvågssignalens fasvinkel . Detta leder till en förändring i bärfrekvensen eller faspositionen för bärarsignalen. Dessa tekniker används till exempel i analog VHF -radio .

Kombinationen av amplitud och vinkelmodulation kallas också vektormodulation . I detta fall ryms informationen om den användbara signalen både i amplituden och i fasvinkeln hos bäraroscillationerna. I det analoga området är troligen den mest kända applikationen överföring av färginformation i PAL- eller NTSC- färgbildsignalen (FBAS) . Här är den bestämda färgmättnaden , amplituden och kromaticiteten ( nyans ) fasvinkeln för en bärarsignal, den så kallade färgundervararen .

Digitala moduleringsmetoder

Digitala moduleringsmetoder överför symboler som är klart definierade för både avsändare och mottagare. Detta kallas Digital Spectrum Modulation ( DSM för kort). Tidsförloppet för dessa symboler eller överlagringen av de emitterade symbolerna bildar en kontinuerlig kurs. Formen på symbolerna måste väljas så att deras spektrum ligger inom den föreskrivna bandbredden för överföringskanalen. Analoga signaler som tal eller musik måste därför digitaliseras innan digital modulering. Dessa digitala prover mappas sedan på symbolerna som ska överföras . Dessa moduleringsmetoder implementeras därför med hjälp av digital signalbehandling .

Av didaktiska skäl, också för att det är lättare att representera grafiskt, visas symbolerna ofta i en rektangulär form, det vill säga utan avrundning. Detta leder dock lätt till en felaktig uppfattning om problemet.

De digitala modulerna levererar endast giltiga värden vid vissa tidpunkter, de så kallade samplingstiderna. Detta kallas tidsdiskret. Tidsintervallet mellan provtagningstiderna kallas symbolhastigheten . I tidsintervallen mellan två samplingstider är informationen i sändningssignalen odefinierad. Av denna anledning spelar så kallad klockåterställning en central roll i digital demodulering: mottagaren eller demodulatorn måste kunna använda lämpliga metoder för att identifiera de tidpunkter då giltig information finns tillgänglig.

Med digitala moduleringar kan endast ett begränsat antal olika värden överföras. Detta kallas diskret värde. Med ett lämpligt val av överföringssymbolerna för diskreta värden kan mindre avvikelser, som uppstår till exempel som ett resultat av överföringsfel, identifieras och kompenseras för. Detta är anledningen till att digitala moduleringsmetoder vanligtvis är mer immun mot störningar än analoga metoder. Interferensen hos vissa digitala moduleringsmetoder kan bedömas, till exempel med hjälp av ett ögondiagram eller i form av representation av överföringssymboler i det komplexa planet .

Mer exakt är de digitala moduleringarna tids- och värde -diskreta moduleringsmetoder, baserade på den överförda informationssignalen. Tidsförloppet för moduleringssignalen är å andra sidan kontinuerligt i tid och värde. Den inte riktigt passande termen för digital modulering har dock redan etablerat sig i litteraturen. Men kanalkodning kan också förstås som en form av digital modulering under vissa förhållanden. Termen "kodad modulering" används för detta i litteraturen.

Några av de digitala moduleringsteknikerna har motsvarigheter eller härrör från analoga moduleringstekniker. Det finns dock också ett stort antal digitala moduleringar som inte har några direkta analoga ekvivalenter, såsom pulsbreddsmodulering , som är en speciell digital vinkelmodulering och även kan användas för tidsmässig sampling (diskret tidssampling) av en analog signal.

Digital moduleringsmetod med en bärare

En av de enklaste digitala moduleringarna är digital amplitudmodulering, även känd som amplitudskiftnyckling (ASK), i vilken amplituden för överföringssignalen växlas i diskreta steg beroende på användbar datasekvens. Om det bara finns två överföringssymboler görs ett val mellan två olika amplitudvärden, varav en också kan vara noll. Emellertid kan flera amplitudvärden (nivåer) också väljas.

De digitala vinkelmoduleringarna täcker ett stort fält och är i sin enklaste form också kända som Frequency Shift Keying (FSK) och Phase Shift Keying (PSK). Bärarsignalens frekvens eller fasvinkel växlas i diskreta steg. En speciell form av FSK är Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK), där moduleringsindexet är exakt 0,5. Typiska tillämpningar av dessa moduleringar är de första telefonmodem från 1980-talet, som kunde överföra upp till 1200 bitar per sekund över en telefonlinje med FSK i ITU-T- standarderna V.21 eller V.23. Analoga faxmaskiner som vanligtvis används idag använder också denna moduleringsmetod.

Digital fasmoduleringar som QPSK överför endast användardata i bärarens fasposition. Dessa moduleringar används också främst inom telekommunikation, till exempel i digitala mobilradionät som GSM .

Inom den digitala sektorn används också kombinationer av amplitud- och vinkelmoduleringar. Informationen (användardatasekvens) ryms i både amplituden och faspositionen för bäraren. En vanlig moduleringsmetod är kvadraturamplitudmodulation , förkortad som QAM, 16QAM, 32QAM, 64QAM, etc. Siffrorna indikerar de diskreta datapunkterna (överföringssymboler) på den komplexa nivån: ju fler överföringssymboler det finns, desto fler bitar kan överföras per symbol, desto svårare är det också att skilja mellan de enskilda symbolerna på mottagarens sida. Av denna anledning används metoder med få överföringssymboler i robusta sändningar och vid allvarligare störningar.

Digitala moduler med flera bärare

När det gäller digitala moduleringar är det också möjligt att dela den användbara dataströmmen över flera olika bärare. Detta skapar en ytterligare möjlighet att anpassa sig till överföringskanalens egenskaper så optimalt som möjligt: ​​Om till exempel vissa bärare inte kan användas för dataöverföring på grund av störningar, minskar detta bara den totala dataflödet , eftersom de andra bärarna kan fortsätta att användas. En typisk metod är Discrete Multitone (DMT), som används inom området ADSL . Detta inkluderar också Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) och Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex (COFDM), som används inom terrestrisk digital TV DVB-T .

Digitala moduler som 16QAM används så smalbandigt som möjligt på de enskilda bärarna. På grund av det stora antalet bärare - dessa kan vara upp till några 10 000 bärare - kan överföringens egenskaper hos överföringskanalen hanteras mycket selektivt. Detta innebär att upp till några tiotals kbit användbara data överförs parallellt i bara ett klocksteg. På grund av betydande tekniska framsteg inom högpresterande och kostnadseffektiva digitala signalprocessorer och applikationsspecifika integrerade kretsar har dessa komplexa moduleringsmetoder blivit utbredda inom konsumentelektronikbranschen de senaste åren.

Kodad modulering

Vid kodad modulering kombineras kanalkodningen som är separat i andra moduleringsmetoder, som erbjuder skydd mot överföringsfel genom att lägga till redundans, oskiljaktigt med en digital moduleringsmetod. Den ytterligare kodförstärkningen för kanalkodningen som kan uppnås genom att kombinera är då inte baserad på det minsta Hamming -avståndet , som i de separata metoderna, utan på det euklidiska avståndet för överföringssymbolerna för moduleringsmetoden, som spänner över i komplexet plan.

Ett exempel på kodad modulering är trelliskodsmodulation (TCM), som är baserad på en konvolutionskod i kombination med en moduleringsmetod som QAM. Relaterad blockkodsmodulering (BCM) använder en blockkod istället för konvolutionskoden. Båda metoderna kan delas upp (partitioneras) i partiella kodningar, varifrån gruppen med flera nivåer kodmoduleringsmetoder (MLCM) härleds. Metoder som Binary Offset Carrier (BOC), varav några fortfarande är föremål för aktuell forskning, hör också till området kodad modulering.

Särskilda moduleringar

Spridningsspektrummoduleringar

Dessa inkluderar olika typer av spridningsspektrummoduleringar såsom Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) och Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS). Dessa moduleringar är grunden för koddelningsmultiplexering och expanderar kraftigt överföringsspektrumet jämfört med det användbara dataspektrumet. Mottagningen med hjälp av korrelation kännetecknas av speciella kodsekvenser, som mestadels har egenskaper som liknar slumpen och som skiljer de enskilda kanalerna från varandra.

Detta innebär att sändningar också är möjliga vars sändningssignal ligger under bakgrundsbrusnivån, så att en överföring inte ens kan identifieras. Som med alla andra moduler kan meddelandeöverföringen också krypteras om det behövs. Det är endast möjligt att detektera om en överföring sker om motsvarande spridningsspektrumkodsekvenser är kända och med hjälp av korrelation . Tillämpningar av dessa tekniker kan därför hittas framför allt inom den militära sektorn för meddelandeöverföring eller inom området spionage för avlyssningsanordningar som är mycket svåra att upptäcka. Under de senaste åren har dessa tekniker också använts i civila områden, till exempel i navigationssystemen GPS eller Galileo och i tredje generationens mobilkommunikation med CDMA och i steganografiska applikationer, för att kunna upptäcka upphovsrättsintrång med elektroniska vattenmärken, till exempel på musikstycken eller videofilmer.

Pulsmoduleringar

Med dessa moduleringar omvandlas en kontinuerlig analog signal till en tidsdiskret signalsekvens som består av individuella pulser som, liksom i fallet med pulsbreddsmodulation (PWM), pulsamplitudmodulation (PAM), pulsfrekvensmodulering (PFM) och puls fasmodulation (PPM), är kontinuerliga i amplitud. Det finns också amplitud-diskreta versioner av dessa metoder, med PAM kallas den diskreta värdet sedan för pulskodsmodulering (PCM). PWM förekommer både värde-diskret och värde-kontinuerlig. Tillämpningar av PWM är till exempel effektreglering av elmotorer eller i ljudsektorn med förstärkare i klass D. Pulsstegsmodulering (PSM) är en metod som används för amplitudmodulerade överföringssteg med högre effekt.

Med pulskodsmodulation (PCM) multipliceras en pulskam , en periodisk sekvens av korta individuella pulser med insignalen för att erhålla utsignalen ("sändningssignal"). De individuella utgångsvärdena kvantiseras sedan, dvs omvandlas till ett begränsat antal nivåer. Denna modulering används i vissa analog-till-digital-omvandlare , särskilt när en signalsekvens kontinuerligt ska erhållas, vilket är fallet med digitaliseringen av röst- och musiksignaler.

Se även

• Modulationstyp

litteratur

• Karl Dirk Kammeyer: meddelandeöverföring . Teubner, Stuttgart 1996, ISBN 3-519-16142-7 .  
• Martin Bossert: Kanalkodning . Teubner, Stuttgart 1998, ISBN 3-519-16143-5 .  
• Carsten Roppel: Grunderna i digital kommunikationsteknik . Hanser, Leipzig 2006, ISBN 3-446-22857-8 .  
• Roger L. Freeman: Radiosystemdesign för telekommunikation . 3. Utgåva. IEEE, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York 2007, ISBN 978-0-471-75713-9 .  

webb-länkar

Commons : Modulation - samling av bilder, videor och ljudfiler

• Överföringsteknik (PDF; 766 kB)
• Introduktion av digitala radiosystem (PDF; 1,21 MB)
• Basbandssignaler (PDF; 958 kB)
• Inter-symbolstörning, Nyquist-tillstånd, ögondiagram (PDF; 969 kB)
• Digitala moduleringsmetoder (PDF; 1,75 MB)