Modulation / Modulationsverfahren

Ein großes Anwendungsgebiet in der Nachrichtentechnik ist die Signalübertragung. Es geht darum, wie man viele Informationen möglichst verlustfrei über einen Übertragungsweg übertragen kann. Vor der Übertragung ist eine Signalaufbereitung notwendig. Dafür werden Modulationsverfahren eingesetzt, um das Datensignal so in elektrische Signale umzuwandeln, dass sie für die Übertragung geeignet sind.

Ein Modulationsverfahren beschreibt, wie Daten abgebildet werden müssen, damit sie auf einem beliebigen Übertragungsweg erfolgreich übertragen werden können. Mit einem Modulationsverfahren erreicht man:

  • Frequenzanpassung
  • Mehrfachausnutzung des Übertragungsmediums
  • Erhöhung der Störsicherheit

Was ist Modulation?

Modulator

Mathematisch gesehen ist die Modulation eine Multiplikation von Träger- und Informationssignal. Die Funktion wird von einem Modulator, der auch als Mischer (engl. Mixer) bezeichnet wird, vorgenommen. Den Modulator gibt es als Funktion, Bauteil oder diskrete Schaltung.
Um Träger- und Informationssignal zusammenzuführen, werden die Signale schaltungstechnisch addiert. Dann wird dieses Signal (lineare Frequenz) in ein Signal mit einer nichtlinearen Frequenz umgewandelt. Im einfachsten Fall erreicht man das durch die Basis-Emitter-Strecke eines Transistors. Da diese Diodenstrecke nichtlinear ist (Diodenkennlinie), entsteht ein moduliertes Signal, das weitere Frequenzen enthält, die im Ursprungssignal nicht enthalten sind.

Wie funktioniert Modulation?

Modulationsverfahren

Jedes elektrische Signal hat drei Merkmale (Signalparameter):

  • Amplitude
  • Frequenz
  • Phase (Polung)

Einfache Modulationsverfahren verändern denen Signalparameter nur einmal pro Übertragungsschritt. Bei digitalen (binären) Informationssignalen pendelt das Signal im einfachsten Fall nur zwischen zwei Zuständen (binär). Dabei wird pro Übertragungsschritt (Symbol) ein Bit übertragen.
Komplexere Modulationsverfahren ändern die Signalparameter mehrmals pro Schritt (Symbol). Dabei wird pro Symbol mehr als ein Bit übertragen. Um die Wirksamkeit und Effizienz zu erhöhen, werden Modulationsverfahren miteinander kombiniert. Die Modulationsdichte steigt. Dadurch können pro Übertragungsschritt mehr Daten übertragen werden.
Ein typisches Beispiel ist die Pulscodemodulation (PCM), bei der die Pulsamplitudenmodulation (PAM) die Vorarbeit leistet. Möglich ist auch die Kombination aus Amplitudenmodulation (AM) und Phasenmodulation (PM), was als Quadraturamplitudenmodulation (QAM) bezeichnet wird.
Die Folge davon ist, dass mit zunehmender Modulationsdichte die Empfindlichkeit des modulierten Signals gegenüber Störungen zunimmt. Man kann nicht einfach die Modulationsdichte erhöhen. Auch Modulationsverfahren unterliegen physikalischer Grenzen.

Hinweis zur AM: Wenn, wie hier beschrieben, nur zwei digitale Werte umgeschaltet werden, dann handelt es sich um eine Amplitudenumtastung (ASK - Amplitude Shift Keying) und nicht um die Amplitudenmodulation (AM). Die ASK ist das einfachste digitale Modulationsverfahren. Bei der 2-ASK hat die Amplitude des Trägersignals zwei Zustände (0 und 1). Bei der 4-ASK hat die Amplitude des Trägersignals vier Zustände (00, 01, 11 und 01).

Hinweis zur FM: Wenn, wie hier beschrieben, nur zwei digitale Werte bzw. zwei diskrete Frequenzen umgeschaltet werden, handelt es sich um eine FSK-Modulation (Frequency Shift Keying) und nicht um die Frequenzmodulation (FM).

Höherwertige Modulationsverfahren durch Erhöhen der Kodierrate

Um eine höhere Übertragungsrate zu erreichen, kann man die Daten mit einem höherwertigen Modulationsverfahren kodieren. Je höherwertiger ein Modulationsverfahren ist, desto mehr Nutzdaten lassen sich pro Sendeschritt übertragen. Damit nehmen die spektrale Effizienz und die maximale Datenrate des Systems zu.
Doch eine höhere Kodierrate geht zu Lasten der Störsicherheit. Hohe Kodierraten sind nur bei geringem Abstand zwischen den Teilnehmern sinnvoll. Wenn die Funkverbindung durch eine höhere Distanz schlechter wird, dann muss die Kodierrate gesenkt werden, um die Fehlerrate zu reduzieren.

Der Einsatz eines höherwertigen Modulationsverfahrens ist also nur bei sehr guten Funkkanälen sinnvoll. Die Güte eines Funkkanals hängt von der Distanz der Gegenstellen und der lokal gegebenen Fehlerrate ab. Je schlechter ein Funkkanal, desto höher die Fehlerrate und geringer der Datendurchsatz.
Generell kann man die Güte eines Funkkanals mit geringerer Distanz und mehr Antennen zum Senden und Empfangen verbessern.

Demodulation

Demodulation

Wenn das modulierte Signal empfangen wird, dann muss es wieder ins ursprüngliche Signal zurückgewandelt werden. Diesen Vorgang nennt man Demodulation bzw. demodulieren. Im einfachsten Fall kann mit einem Filter das Ursprungssignal wieder hergestellt werden. Bei den meisten Modulationsverfahren ist der Vorgang der Modulation deutlich komplexer.

Einteilung der Modulationsverfahren

Es gibt sehr viele verschiedene Modulationsverfahren. Ihre Einteilung erfolgt typischerweise anhand des Trägersignals. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen zeitkontinuierlichen und zeitdiskreten Trägersignalen.

  • Ein zeitkontinuierliches Trägersignal hat eine sinusförmige Signalform.
  • Ein zeitdiskretes Trägersignal hat eine rechteckförmige periodische Signalform.

Es gibt auch noch die Einteilung nach analogen und digitalen Modulationssignalen (Informationssignal).

  • Analoges Modulationssignal bedeutet, dass das Informationssignal eine typisch analoge sinusförmige Signalform hat.
  • Digitales Modulationssignal bedeutet, dass das Informationssignal eine typisch digitale rechteckförmige Signalform hat.

Modulationsverfahren mit zeitkontinuierlichen Träger

Modulationsverfahren mit zeitdiskreten Träger

Digitale Modulationsverfahren

Bei der analoge Signalübertragungen neigt das ursprüngliche Signal dazu im allgemeinen Rauschen und Knacksen unterzugehen. Digitale Modulationsverfahren digitalisieren das analoge Signal und bilden es als kodierte Information in Form von "Symbolen" ab. Ein Symbol steht für ein Bit oder für eine Bitfolge. Eine digitale Signalübertragung zeigt keinerlei Qualitätseinbußen, bis das systembedingte Signal/Rauschverhältnis (S/N) zu schlecht wird und im Rauschen untergeht.

Weitere verwandte Themen:

Frag Elektronik-Kompendium.de

Kommunikationstechnik-Fibel

Alles was Sie über Kommunikationstechnik wissen müssen.

Die Kommunikationstechnik-Fibel ist ein Buch über die Grundlagen der Kommunikationstechnik, Übertragungstechnik, Netze, Funktechnik, Mobilfunk, Breitbandtechnik und Voice over IP.

Das will ich haben!

Artikel-Sammlungen zum Thema Kommunikationstechnik

Collection: Trends in der IT

Was du über IT-Trends wissen solltest.

eBook kaufen

Collection: Crashkurs IT

Was du über IT wissen solltest.

eBook herunterladen

Kommunikationstechnik-Fibel

Alles was Sie über Kommunikationstechnik wissen müssen.

Die Kommunikationstechnik-Fibel ist ein Buch über die Grundlagen der Kommunikationstechnik, Übertragungstechnik, Netze, Funktechnik, Mobilfunk, Breitbandtechnik und Voice over IP.

Das will ich haben!