Modulasjon (teknologi)

Begrepet modulering (fra latin modulatio = klokke, rytme) beskriver en prosess innen kommunikasjonsteknikk der et nyttig signal som skal overføres (f.eks. Musikk, tale, data) endrer (modulerer) en såkalt bærer . Dette muliggjør høyfrekvent overføring av lavfrekvent nyttesignal. Overføringssignalet opptar en båndbredde som er avhengig av det nyttige signalet i bærefrekvensområdet . Meldingen gjenopprettes ved mottakersiden av en demodulator .

Selve bæresignalet er irrelevant for den overførte meldingen; det er bare nødvendig å tilpasse seg de fysiske egenskapene til overføringskanalen og kan undertrykkes (med visse typer modulering ).

analog amplitudemodulasjon (AM) og frekvensmodulering (FM) til et lavfrekvent signal

Behov for modulering, eksempler

  • Hvis du ønsket å kringkaste tale eller musikk direkte, ville det bare være ett “program” landsdekkende, fordi det ville ta opp hele lavfrekvensområdet . Hvert annet program vil oppta det samme frekvensområdet og forstyrre. På grunn av den lave frekvensen ville store antenner være påkrevd både på senderen og mottakssiden.
  • Ved modulering endres en betydelig høyere frekvensbærer og sendes i informasjonens rytme. Andre sendere gjør det samme med bærere av forskjellige frekvenser. Hvis disse frekvensområdene kan skilles fra hverandre i mottakeren ved hjelp av filtre ( resonanskretser ), kan du velge mellom forskjellige programmer. Antennene blir også mer håndterbare.
  • Flere informasjonstykker kan moduleres uavhengig av hverandre på en bærefrekvens på en slik måte at de kan skilles fra mottakersiden. For eksempel, med VHF-radio, i tillegg til "forgrunnsmusikken", overføres annen informasjon som RDS eller stasjonsidentifikasjonen.
  • Samtidig overføring av de to stereokanalene (venstre og høyre) ville også være umulig uten modulering. I fargefjernsyn er lysstyrken og fargeinformasjonen for de enkelte pikslene så smart modulert på en bærer at de ikke forstyrrer hverandre. En svart-hvitt-TV ignorerer rett og slett fargemodulasjonen.
  • Mangfoldig bruk av en kabel, fiberoptisk eller radioforbindelse ( retningsradio , satellitt-TV ) i flere hundre samtidige telefonsamtaler eller flere TV-programmer ville være utenkelig uten sofistikerte moduleringsmetoder.
  • Med DSL kan du sende og motta digitale Internett-data samtidig og uavhengig av hverandre, og du kan også ringe.
  • Med en fjernkontroll kan forskjellige kommandoer, for eksempel bytte av kanal, endre volum eller slå av, overføres trådløst ved å modulere den infrarøde strålingen .

betydning

Modulering har mange fordeler i forhold til direkte overføring av det nyttige signalet. Både analoge og digitale signaler kan overføres på denne måten. Modulasjonsmetoden kan imidlertid være både analog og digital, uavhengig av hvilken type nyttig signal.

Enheter som kan demodulerer både modulen som er ofte like modem ( Mo dulator Den angitte odulator).

Nært knyttet til digital modulering er linjekoding , som har til oppgave å tilpasse et digitalt nyttig signal til en overføringskanal, i dette tilfellet en linje, men konverterer den ikke fra basebånd til et høyere bærefrekvensbånd .

Modulering er en av de viktigste metodene innen kommunikasjonsteknikk. Deres bruk gjorde det mulig å bruke høyere frekvensområder i overføring av meldinger og åpnet dermed nye overføringsbaner (f.eks. Radio , radiorelé , satellittradio ).

Vi møter modulering overalt i hverdagen:

Betydningen av modulering i hverdagen har nylig blitt spesielt tydelig. Ved å utvikle nye moduleringsmetoder som ADSL , kan dataoverføringshastigheten over eksisterende telefonforbindelseslinjer økes drastisk.

historie

Selve tale og musikk er basert på modulering. Bevegelsen av tungen og leppene alene produserer snaps og smackes som ikke kan høres langt. Lyden fra strupehodet bærer mye lenger og tjener allerede spedbarnet som en bærer, gjennom hvis kontinuerlige (analoge) endringer i volum og tonehøyde han informerer om sin tilstand. Modulering brukes bevisst på fløytespråk .

Guglielmo Marconi oppnådde den første radiooverføringen over Den engelske kanal i 1899 ved å slå en pop-gnist-sender av og på. Morse-kode kan overføres med denne digitale modulasjonen . En koherer i mottakeren reagerte på høyfrekvenssignalet, og senderen ustø kraft ble hørt som et skjelv. På den tiden spilte ikke selektiviteten en rolle da antall kanaler fremdeles var ganske begrenset. Mens Marconi strebet etter høyere overføringskraft, forbedret Reginald Fessenden følsomheten til mottakerne samtidig .

Fram til 1913 kunne sendere bare slås på og av, noe som i beste fall kan beskrives som veldig rudimentær modulering. Modulering med et bredt utvalg av signaler, hvis subtile nyanser også må overføres, krever en oscillatorkrets som opprinnelig genererer et konstant signal - dette var bare mulig etter oppfinnelsen av Meissner-kretsen . Det var begynnelsen på kringkastingen .

teknisk beskrivelse

Med modulering blir det nyttige signalet konvertert til et annet frekvensområde. Parametere som amplituden , frekvensen og / eller fasen til bærerne varieres av det nyttige signalet. Når det gjelder analog amplitudemodulasjon, er det bare en variasjon i amplituden til bærerne. Signalet, som kompenseres spektralt av denne modulasjonen, kan deretter overføres via en overføringskanal til mottakeren, som gjenoppretter det opprinnelige nyttige signalet ved hjelp av demodulering . Overføringen kan kables via elektriske kabler og fiberoptikk eller ved hjelp av antenner i form av forplantning av ledig plass (“ radio ”).

Tidskontinuerlige og tidsdiskrete metoder

Kontinuerlig tidsmoduleringsmetoder bruker et kontinuerlig signal som en sinusformet bølge som bærer . Informasjonssignalet som skal moduleres trenger ikke å representere informasjonen kontinuerlig. Det er viktig at det modulerte signalet ved modulatorutgangen er kontinuerlig i tid. De tidskontinuerlige metodene er delt inn i verdikontinuerlige og verdidiskrete moduleringsmetoder. Prosessene med kontinuerlig verdi og kontinuerlig tid blir nøyaktig referert til som analog modulering , mens prosessene for diskret verdi og kontinuerlig tid blir referert til som digital modulering .

Modulmetoder for diskret tid leverer derimot bare et definert bæresignal ved utgangen til modulatoren til bestemte tider. Typiske representanter for denne klassen er pulsbærerprosessene. De tidsdiskrete metodene er også delt inn i verdikontinuerlige og verdidiskrete moduleringsmetoder. Pulsamplitudemodulasjon (PAM) er en verdikontinuerlig og tidsdiskutert moduleringsmetode . En typisk representant for en verdidiskret og tidsseparert moduleringsmetode er pulskodemodulering (PCM).

Lineære og ikke-lineære moduleringsmetoder

Modulasjonsteknikker kan deles inn i lineære og ikke-lineære moduleringsmetoder. En moduleringsmetode er lineær hvis den matematiske funksjonen mellom det nyttige signalet og det overførte signalet, som beskriver moduleringsprosessen, er en lineær funksjon . Dette er for eksempel tilfellet med amplitudemodulasjon , som representerer en multiplikasjon i tidsdomenet.

I tilfelle ikke-lineære modulasjoner, derimot, som har en ikke-lineær funksjon som forholdet mellom det nyttige signalet og det overførte signalet, er kartleggingen avhengig av de øyeblikkelige verdiene til det nyttige signalet. Analysen deres er assosiert med større innsats, det er ofte ingen lukkede løsninger tilgjengelig og tilnærmingsmetoder som å estimere den nødvendige båndbredden til overføringssignalet må brukes. Et eksempel på ikke-lineær modulering er frekvensmodulering , der koblingen mellom det nyttige signalet og det overførte signalet dannes av vinkelfunksjoner som cosinusfunksjonen .

Modulering og multiplex-teknologi

Begrepet modulering er nært knyttet til begrepet multiplex-teknologi . Multiplex-teknologi håndterer overføring av flere nyttige signaler parallelt og ideelt uten gjensidig interferens over en delt kanal, for eksempel en kabel eller et radiofrekvensområde. Den praktiske implementeringen av de forskjellige multiplekseteknikkene , slik som tidsdelingsmultipleks , frekvensdelingsmultipleks eller kodedelingsmultipleks, skjer ved bruk av passende moduleringsmetoder.

Fysisk modulering

Moduleringsmetoder brukes ikke bare i frekvensområdene opp til noen få 100 GHz som er direkte tilgjengelige for elektronisk kretsteknologi, men det er også modulatorer som er basert direkte på materialspesifikke, fysiske prinsipper. I disse tilfellene dannes ikke modulatoren eller demodulatoren lenger av en elektronisk krets som består av individuelle komponenter og deres interaksjon i en krets. De essensielle egenskapene til disse modulatorene er betydelig høyere bærerfrekvenser, som kan strekke seg inn i det synlige området til det elektromagnetiske spekteret (lys) og utover (ultrafiolett). Ulempen her er det lille antallet mulige variasjoner, siden materialegenskapene, i motsetning til modulatorene konstruert som elektroniske kretser, ikke kan endres så lett. I de fleste tilfeller brukes derfor bare enkle amplitudemodulasjoner.

En modulator i denne sammenhengen vil for eksempel være en lysdiode , en laser eller, for lave nyttige signalfrekvenser, en glødelampe hvis lysstyrke er kontrollert. Denne amplitudemodulasjonen, siden lysstyrken er variert, finner sted i den interne strukturen gjennom fysiske prosesser, og overføringssignalet kan være i området for optiske frekvenser og over. Disse modulatorene brukes for eksempel til å kontrollere optiske fibre eller optokoblinger .

Modulasjonsmetode

Analoge moduleringsmetoder

Analoge nyttige signaler er for eksempel tale-, musikk- eller bildesignaler. En vesentlig egenskap ved analoge modulasjonsteknikker er modulasjonens kontinuitet både i tidsdomenet og i verdidomenet. Dvs. analoge modulasjoner behandler det nyttige signalet kontinuerlig, det er ingen digitalisering av de overførte signalverdiene. Analoge modulerte signaler kalles også Analog Spectrum Modulation (forkortet ASM).

De analoge modulasjonsmetodene kan deles inn i to hovedgrupper: i amplitudemodulasjon og i vinkelmodulering . Alle andre analoge modulasjonsteknikker kan utledes fra disse to moduleringsteknikkene.

Med amplitudemodulasjon kartlegges informasjonen i det nyttige signalet kontinuerlig i amplituden til det overførte signalet. Det er spesielle modifikasjoner av amplitudemodulasjonen, slik som amplitudemodulasjonen med undertrykt bærer , den enkle sidebåndmodulasjonen (SSB) eller den gjenværende sidebåndmodulasjonen . Amplitudemodulasjonen brukes for eksempel i analog kringkasting på middels bølge og analog TV-teknologi . Enkelt sidebåndsmodulering er teknisk mer kompleks, men bruker frekvensbåndet mer effektivt og brukes for eksempel innen amatørradio .

I gruppen av vinkelmodulasjoner, som hovedsakelig inkluderer frekvensmodulering (FM) og fasemodulering (PM), blir det nyttige signalet kartlagt i bære signalets fasevinkel . Dette fører til en endring i bærefrekvensen eller faseposisjonen til bære-signalet. Disse teknikkene brukes for eksempel i analog VHF-radio .

Kombinasjonen av amplitude og vinkelmodulasjon kalles også vektormodulering . I dette tilfellet er informasjonen om det nyttige signalet plassert både i amplituden og i fasevinkelen til bærersvingningene. I det analoge domenet forventes den mest kjente applikasjonen å overføre fargeinformasjonen i PAL - og NTSC - fargebilde (CVBS) signalet som skal være. Den fargemetning bestemmer amplituden og fargetypen ( fargetone ) bestemmer fasevinkelen for et bærebølgesignal, det såkalte fargehjelpebærebølgen .

Digitale modulasjonsmetoder

Digitale modulasjonsmetoder overfører symboler som er tydelig definert for både avsender og mottaker. Dette kalles Digital Spectrum Modulation (kort sagt DSM ). Tidsforløpet til disse symbolene eller superposisjonen til de emitterte symbolene danner et kontinuerlig forløp. Formen på symbolene må velges slik at spekteret deres holder seg innenfor den foreskrevne båndbredden til overføringskanalen. Analoge signaler som tale eller musikk må derfor digitaliseres før digital modulering . Disse digitale prøvene blir deretter kartlagt på symbolene som skal overføres . Disse moduleringsmetodene implementeres derfor ved hjelp av digital signalbehandling .

Av didaktiske grunner, også fordi det er lettere å representere grafisk, vises symbolene ofte i en rektangulær form, dvs. uten avrunding. Dette fører imidlertid lett til en feil ide om problemet.

De digitale modulasjonene leverer bare gyldige verdier til bestemte tidspunkter, de såkalte samplingstidene. Dette blir referert til som tidsdiskret. Tidsintervallet mellom prøvetakingstidene kalles symbolhastigheten . I tidsintervallene mellom to samplingstider er informasjonen om overføringssignalet udefinert. Dette er grunnen til at såkalt klokkeutvinning spiller en sentral rolle i digital demodulering : mottakeren eller demodulatoren må kunne bruke egnede metoder for å identifisere tidspunktene gyldig informasjon er tilgjengelig.

Med digitale modulasjoner kan bare et endelig antall forskjellige verdier overføres. Dette kalles diskret verdi. Med et passende valg av symboler for diskret verdi, kan mindre avvik som oppstår, for eksempel på grunn av overføringsfeil, gjenkjennes og kompenseres for. Dette er grunnen til at digitale moduleringsmetoder vanligvis er mer immun mot interferens enn analoge metoder. Forstyrrelsen til noen digitale modulasjonsmetoder kan vurderes, for eksempel ved hjelp av et øyediagram eller i form av fremstilling av overføringssymboler i det komplekse planet .

Mer presist, de digitale modulasjonene er tids- og verdiskrevne moduleringsmetoder, basert på det overførte informasjonssignalet. Tidsforløpet til moduleringssignalet er derimot kontinuerlig i tid og verdi. Imidlertid har den ikke helt passende betegnelsen på digital modulering allerede etablert seg i litteraturen. Imidlertid , under visse betingelser, kanalkoding kan også ses på som en form for digital modulasjon. Begrepet "kodet modulering" brukes om dette i litteraturen.

Noen av de digitale moduleringsteknikkene har motstykker eller er avledet fra analoge moduleringsteknikker. Imidlertid er det også et stort antall digitale modulasjoner som ikke har noen direkte analoge ekvivalenter, for eksempel pulsbreddemodulasjon , som er en spesiell digital vinkelmodulering og som også kan brukes til tidssampling (diskret tidssampling) av et analogt signal.

Digital modulasjonsmetode med en bærer

En av de enkleste digitale modulasjonene er digital amplitudemodulasjon, også kjent som amplitude shift keying (ASK), hvor amplituden til overføringssignalet byttes i diskrete trinn, avhengig av den nyttige datasekvensen. Hvis det bare er to overføringssymboler, blir det valgt mellom to forskjellige amplitudeverdier, hvorav den ene også kan være null. Imidlertid kan flere amplitudeverdier (nivåer) også velges.

De digitale vinkelmodulasjonene dekker et stort felt og er i sin enkleste form også kjent som Frequency Shift Keying (FSK) og Phase Shift Keying (PSK). Frekvensen eller fasevinkelen til bæresignalet byttes i diskrete trinn. En spesiell form for FSK er Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK), der modulasjonsindeksen er nøyaktig 0,5. Typiske anvendelser av disse modulasjonene er de første telefonmodemene fra 1980-tallet, som var i stand til å overføre opptil 1200 bits per sekund over en telefonlinje ved bruk av FSK i ITU-T- standardene V.21 eller V.23. Analoge faksmaskiner som er vanlige i dag, bruker også denne moduleringsmetoden.

Digitale fasemodulasjoner som QPSK overfører bare brukerdataene i transportørens faseposisjon. Disse modulasjonene brukes også primært i telekommunikasjonssektoren, for eksempel i digitale mobilnettverk som GSM .

I den digitale sektoren brukes også kombinasjoner av amplitude og vinkelmodulasjoner. Informasjonen (brukerdatasekvens) er plassert i både amplituden og faseposisjonen til bæreren. En vanlig modulasjonsmetode er kvadraturamplitudemodulasjon , forkortet QAM, 16QAM, 32QAM, 64QAM, etc. Tallene indikerer de diskrete datapunktene (overføringssymboler) på det komplekse nivået: jo flere overføringssymboler det er, jo flere biter kan overføres per symbol, jo vanskeligere er det Men det er også viktig å skille mellom de enkelte symbolene på mottakerens side. Av denne grunn brukes metoder med få overføringssymboler i robuste sendinger og i tilfelle mer alvorlig forstyrrede sendinger.

Multi-carrier digitale modulasjoner

Når det gjelder digitale modulasjoner, er det også mulig å dele den nyttige datastrømmen på flere forskjellige bærere. Dette skaper en ekstra mulighet for å tilpasse seg egenskapene til overføringskanalen så optimalt som mulig: Hvis for eksempel visse bærere ikke kan brukes til dataoverføring på grunn av forstyrrelser, reduserer dette bare den totale datakapasiteten , siden de andre bærerne fremdeles kan brukes. En typisk metode er Discrete Multitone (DMT), som brukes i området ADSL . Dette inkluderer også Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) og Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex (COFDM), som brukes innen terrestrisk digital TV DVB-T .

Digitale modulasjoner som 16QAM brukes så smalbåndet som mulig på de enkelte bærerne. På grunn av det store antallet transportører - disse kan være opptil noen få 10.000 transportører - kan overføringsegenskapene til overføringskanalen adresseres veldig selektivt. Dette betyr at opptil noen titalls kbit nyttige data overføres parallelt i bare ett klokketrinn. På grunn av betydelige teknologiske fremskritt innen høykapasitets og billige digitale signalprosessorer og applikasjonsspesifikke integrerte kretser , har disse komplekse moduleringsmetodene funnet utbredt bruk i forbrukerelektronikksektoren de siste årene.

Kodet modulering

Med kodet modulering er kanalkodingen som er atskilt fra andre moduleringsmetoder , som gir beskyttelse mot overføringsfeil ved å legge til redundans, uatskillelig kombinert med en digital modulasjonsmetode. Den ekstra kodeforsterkningen til kanalkodingen som kan oppnås ved å kombinere, er da ikke basert på den minimale Hamming-avstanden , som i den separate metoden , men på den euklidiske avstanden til overføringssymbolene til moduleringsmetoden, som er spent i det komplekse planet.

Et eksempel på kodet modulering er trellis code modulation (TCM), som er basert på en konvolusjonskode i kombinasjon med en moduleringsmetode som QAM. Related Block Code Modulation (BCM) bruker en blokkode i stedet for konvolusjonskoden . Begge metodene kan deles opp (partisjoneres) i delvise kodinger, hvorfra gruppen av multilevel-kodemoduleringsmetoder (MLCM) er avledet. Metoder som Binary Offset Carrier (BOC), hvorav noen fremdeles er gjenstand for aktuell forskning, hører også til området kodet modulering.

Spesielle modulasjoner

Spredt spektrum modulasjoner

Disse inkluderer forskjellige typer spredningsspektrummodulasjoner som Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) og Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS). Disse modulasjonene er grunnlaget for kodedeling multiplexing prosesser og utvider ekstremt overføringsspekteret sammenlignet med det nyttige dataspekteret. Mottaket ved hjelp av korrelasjon er preget av spesielle kodesekvenser som for det meste har egenskaper som ligner på tilfeldigheter og som skiller de enkelte kanalene fra hverandre.

Dette betyr at overføringer også er mulig hvis overføringssignal er under bakgrunnsstøynivået , slik at eksistensen av en overføring ikke en gang kan gjenkjennes. Som med alle andre modulasjoner, kan meldingsoverføringen også krypteres om nødvendig. En deteksjon av om en overføring finner sted er bare mulig hvis de tilsvarende spredningsspektrumkodesekvensene er kjent og ved hjelp av korrelasjon . Anvendelser av disse teknikkene kan derfor fremfor alt finnes i den militære sektoren for overføring av meldinger eller innen spionasje for avlyttingsanordninger som er svært vanskelig å oppdage . I de siste årene har disse teknikkene også blitt brukt i sivile områder, som i GPS- eller Galileo- navigasjonssystemene og i tredje generasjons mobilkommunikasjon ved bruk av CDMA og i steganografiapplikasjoner , for å kunne oppdage brudd på opphavsretten ved hjelp av elektroniske vannmerker, for eksempel på musikk- eller videofilmer.

Pulsmodulasjoner

Med disse modulasjonene blir et kontinuerlig analogt signal konvertert til en tidsseparert signalsekvens som består av individuelle pulser som, som i tilfeller av pulsbreddemodulering (PWM), pulsamplitudemodulasjon (PAM), pulsfrekvensmodulering (PFM) og pulsfasemodulering (PPM), er kontinuerlig i amplitude. Det er også amplitude-diskrete versjoner av disse metodene; i PAM blir den verdien-diskrete versjonen deretter referert til som pulskodemodulering (PCM). PWM forekommer både verdidiskret og verdikontinuerlig. PWM-applikasjoner er for eksempel strømstyring av elektriske motorer eller i lydsektoren for klasse D-forsterkere . Pulse-step modulation (PSM) er en metode som brukes for amplitude-modulerte overføringsutgangstrinn med høyere effekt .

Med pulskodemodulering (PCM) multipliseres en pulskam , en periodisk sekvens av korte individuelle pulser, med inngangssignalet for å oppnå utgangssignalet ("sendesignal"). De individuelle utgangsverdiene blir deretter kvantisert, dvs. konvertert til et endelig antall nivåer. Denne modulasjonen brukes i noen analog-til-digitale omformere , spesielt når en signalsekvens kontinuerlig skal oppnås, slik det er tilfelle med digitaliseringen av tale- og musikksignaler.

Se også

litteratur

  • Karl Dirk Kammeyer: overføring av meldinger . Teubner, Stuttgart 1996, ISBN 3-519-16142-7 .
  • Martin Bossert: Channel Coding . Teubner, Stuttgart 1998, ISBN 3-519-16143-5 .
  • Carsten Roppel: Grunnleggende om digital kommunikasjonsteknologi . Hanser, Leipzig 2006, ISBN 3-446-22857-8 .
  • Roger L. Freeman: Radio System Design for Telecommunications . 3. Utgave. IEEE, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, New York 2007, ISBN 978-0-471-75713-9 .

weblenker

Commons : Modulation  - samling av bilder, videoer og lydfiler
Tekniske moduleringsmetoder
Oversikt: modulator


Analoge moduleringsmetoder

AM  | FM  | PM  | VM  | SSB  | SSBSC  | DSBSC 

Digitale modulasjonsmetoder

SPØR  | FSK  | GFSK  | PSK  | QPSK  | QAM  | APSK  | OFDM  | DMT  | TCM  | VSB 

Pulsmoduleringsmetode

PWM  | PAM  | PFM  | PPM (1)  | PPM (2)  | PCM 

Moduleringsmetoder for frekvensspredning

FHSS  | DSSS  | THSS  | CSS