Modulation

Was ist Modulation?

Unter Modulation versteht man die Umwandlung von Daten in Funkwellen durch Hinzufügen von Informationen zu einem elektronischen oder optischen Trägersignal. Ein Trägersignal hat eine konstante Wellenform, das heißt, eine konstante Höhe bzw. Amplitude und Frequenz.

Wie funktioniert Modulation?

Dem Trägersignal können Informationen hinzugefügt werden, indem seine Amplitude, Frequenz, Phase, Polarisation (bei optischen Signalen) und sogar Phänomene auf Quantenebene wie der Spin verändert werden.

Modulation wird in der Regel auf elektromagnetische Signale angewandt: Radiowellen, Laser/Optik und Computernetze. Modulation lässt sich sogar auf Gleichstrom anwenden, der als entartete Trägerwelle mit fester Amplitude und einer Frequenz von 0 Hz behandelt werden kann, vor allem durch Ein- und Ausschalten, wie in der Morse-Telegrafie oder einer digitalen Stromschleifenschnittstelle. Der spezielle Fall, dass kein Träger vorhanden ist – eine Antwortnachricht, die anzeigt, dass ein angeschlossenes Gerät nicht mehr mit einem entfernten System verbunden ist – wird als Basisbandmodulation bezeichnet.

Die Modulation kann auch auf niederfrequenten Wechselstrom (50-60 Hz) angewendet werden, wie bei Powerline-Netzwerken.

Welche Modulationsarten gibt es?

Es gibt viele gängige Modulationsverfahren, darunter die Folgenden in einer unvollständigen Aufzählung:

• Amplitudenmodulation (AM): Die Höhe (also die Stärke oder Intensität) des Signalträgers wird variiert, um die Daten darzustellen, die dem Signal hinzugefügt werden.
• Frequenzmodulation (FM): Bei der FM wird die Frequenz der Trägerwellenform variiert, um die Frequenz der Daten widerzuspiegeln.
• Phasenmodulation (PM): Die Phase der Trägerwellenform wird variiert, um Änderungen in der Frequenz der Daten wiederzugeben. Bei der PM bleibt die Frequenz unverändert, während die Phase relativ zur Basisträgerfrequenz geändert wird. Sie ähnelt der FM.
• Polarisationsmodulation: Der Drehwinkel eines optischen Trägersignals wird verändert, um die übertragenen Daten wiederzugeben.
• Puls-Code-Modulation: Ein analoges Signal wird abgetastet, um einen Datenstrom abzuleiten, der zur Modulation eines digitalen Trägersignals verwendet wird.
• Quadratur-Amplituden-Modulation (QAM): Die QAM nutzt zwei AM-Träger, um zwei oder mehr Bits in einer einzigen Übertragung zu codieren.

Radio- und Fernsehsendungen sowie Satellitenfunk verwenden in der Regel AM oder FM. Die meisten Funkgeräte mit kurzer Reichweite (bis zu einigen Dutzend Kilometern) verwenden FM, während Funkgeräte mit größerer Reichweite (bis zu Hunderten oder Tausenden von Kilometern) in der Regel einen Modus verwenden, der als Einseitenband (Single Sideband, SSB) bekannt ist.

Zu den komplexeren Modulationsformen gehören die Phasenumtastung (Phase-Shift Keying, PSK) und QAM. Die moderne Wi-Fi-Modulation verwendet eine Kombination aus PSK und QAM64 oder QAM256, um mehrere Informationsbits in jedem übertragenen Symbol zu kodieren.

PSK überträgt Daten durch Modulation der Phase des Trägersignals, indem die Sinus- und Cosinus-Eingangssignale zu präzisen Zeitpunkten verändert werden. PSK wird häufig für WLAN, RFID und Bluetooth-Kommunikation verwendet. Der Demodulator bestimmt die Phase des empfangenen Signals und wandelt sie in das entsprechende Symbol zurück.

Warum überhaupt Modulation?

Die Trägerwelle, die bei Hochfrequenzübertragungen (HF) zum Einsatz kommt, trägt selbst nicht viele Informationen. Um Sprache oder Daten zu übertragen, muss der Trägerwelle eine andere Welle überlagert werden, wodurch sich die Form der Trägerwelle ändert. Dieser Vorgang wird als Modulation bezeichnet. Um beispielsweise Schall zu übertragen, muss das Audiosignal zunächst mit einem Wandlers in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. Nach der Umwandlung wird es verwendet, um ein Trägersignal zu modulieren.

Analog vs. digital

Modulationsverfahren können analog oder digital sein. Ein analoges Verfahren hat eine Eingangswelle, die sich kontinuierlich wie eine Sinuswelle verändert. Bei einem digitalen Modulationsverfahren wird die Stimme mit einer bestimmten Rate abgetastet und dann komprimiert sowie in einen Bitstrom umgewandelt, der wiederum in eine bestimmte Art von Welle umgewandelt wird, die dann dem Trägersignal überlagert wird.

Modulation und Demodulation

Bei der Modulation werden Informationen in ein übertragenes Signal codiert, während bei der Demodulation die Informationen aus dem übertragenen Signal extrahiert werden. Viele Faktoren beeinflussen, wie originalgetreu die extrahierten Informationen die ursprünglichen Eingangsinformationen wiedergeben. Elektromagnetische Interferenzen können Signale verschlechtern und die Extraktion des ursprünglichen Signals unmöglich machen. Demodulatoren umfassen in der Regel mehrere Stufen der Verstärkung und Filterung, um Interferenzen zu beseitigen

Ein Gerät, das sowohl Modulation als auch Demodulation durchführt, wird Modem genannt. Die Bezeichnung setzt sich aus den Anfangsbuchstaben von MOdulator und DEModulator zusammen.

Mit einem Audio-Modem kann ein Computer über eine normale analoge Telefonleitung eine Verbindung zu einem anderen Computer oder zu einem Datennetz herstellen, indem das Datensignal zur Modulation eines analogen Tons verwendet wird. Ein Modem auf der Gegenseite demoduliert das Audiosignal, um den Datenstrom wiederherzustellen. Ein Kabelmodem verwendet Netzwerkdaten, um das Trägersignal des Kabeldienstes zu modulieren.

Manchmal kann ein Trägersignal mehr als einen modulierenden Informationsstrom tragen. Beim Multiplexen werden die Ströme auf einem einzigen Träger kombiniert, zum Beispiel durch Codierung eines Segments mit fester Dauer des einen und dann des nächsten Kanals. Dabei werden alle Kanäle durchlaufen, bevor man zum ersten zurückkehrt. Dieses ein Verfahren wird als Zeitmultiplexing (TDM) bezeichnet. Eine andere Form ist das Frequenzmultiplexing (FDM), bei dem mehrere Träger mit unterschiedlichen Frequenzen auf demselben Medium verwendet werden.

Eine weitere Methode ist das Wellenlängenmultiplexing (WDM), bei dem mehrere Laserwellenlängen/Frequenzen auf Langstrecken-Glasfaserstrecken moduliert werden, um die verfügbare Gesamtbandbreite zu erhöhen.

Warum wird Modulation in der Kommunikation verwendet?

Häufig können mehrere Träger mit unterschiedlichen Frequenzen über ein einziges Medium übertragen werden, wobei jeder Träger durch ein unabhängiges Signal moduliert wird. So werden beispielsweise bei Wi-Fi einzelne Kanäle verwendet, um Daten gleichzeitig an mehrere Clients zu übertragen und von ihnen zu empfangen.

Ein Trägersignal wird benutzt, um die Wellenlänge für eine effiziente Übertragung und einen effizienten Empfang zu reduzieren. Da die optimale Antennengröße die Hälfte oder ein Viertel einer Wellenlänge beträgt, würde beispielsweise eine Tonfrequenz von 3000 Hz eine Wellenlänge von 100 km und eine 25-Kilometer-Antenne erfordern. Bei einer FM-Trägerfrequenz von 100 MHz und einer Wellenlänge von 3 Metern müsste die Antenne dagegen nur 80 cm lang sein.

Modulation und Tastgrad

Bei der drahtlosen Kommunikation ist der Tastgrad (Duty Cycle) der Anteil der Zeit, in der das drahtlose Netz HF-Signale überträgt. Der Tastgrad ist daher ein wichtiger Faktor bei der Bewertung der elektromagnetischen Strahlung, der eine Person ausgesetzt ist. Die tatsächliche Einschaltdauer kann in Abhängigkeit von der Datenlast im Netz und der Netzgeschwindigkeit variieren. So kann die Einschaltdauer davon abhängen, ob das Netz für VoIP, Videostreaming oder Videos und so weiter genutzt wird.