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. Bei der Übertragung verschiedener Signale auf dem selben Übertragungsweg ist eine Signalaufbereitung vor der Signalübertragung notwendig. Dafür werden Modulationsverfahren eingesetzt, um Informationen und Daten so in elektrische Signale umzuwandeln, dass sie für die Übertragung geeignet sind.

Modulation ist:

  • Frequenzanpassung
  • Mehrfachausnutzung des Übertragungsmediums
  • Erhöhung der Störsicherheit

Ein Modulationsverfahren beschreibt, wie Daten abgebildet werden müssen, damit sie auf einem Kabel oder über die Luft übertragen werden können.

Wie funktioniert 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 wird das von der Basis-Emitter-Strecke eines Transistors erledigt. Da diese Diodenstrecke nichtlinear ist (Diodenkennlinie), entsteht ein moduliertes Signal, das weitere Frequenzen enthält, die im Ursprungssignal nicht enthalten sind.

Modulationsverfahren

Jedes elektrische Signal hat drei Merkmale (Signalparameter): Amplitude, Frequenz und Phase (Polung). Bei der Modulation wird einer oder mehrere dieser Signalparameter (des Trägersignals) durch das Informationssignal verändert bzw. moduliert. Das Informationssignal, das auch als Modulationssignal bezeichnet wird, wird dem Trägersignal aufgedrückt. Dabei verändert sich die Signalform.

Einfache Modulationsverfahren verändern den Signalparameter nur einmal pro Übertragungsschritt. Bei digitalen Informationssignalen pendelt das Signal im einfachsten Fall nur zwischen zwei Zuständen. Dabei wird pro Übertragungsschritt (Symbol) ein Bit übertragen.
Komplexere Modulationsverfahren ändern die Signalmerkmale 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 macht. 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. Modulationsverfahren unterliegen physikalischer Grenzen.

Hinweis zur AM: Was hier als Am bezeichnt wird ist schon richtig. Da aber nur zwei digitale Werte umgeschaltet werden handelt es sich um eine Amplitudenumtastung (ASK - Amplitude Shift Keying). 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: Was hier als FM bezeichnt wird ist schon richtig. Da aber nur zwei digitale Werte, also zwei diskrete Frequenzen umgeschaltet werden, handelt es sich eigentlich um eine FSK-Modulation (Frequency Shift Keying).

Erhöhung der Kodierrate

Um eine höhere Übertragungsrate zu erreichen, kann man die Daten mit einem höherwertigen Modulationsverfahren stärker 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 Basisstation und Endgerät sinnvoll. Wenn die Funkverbindung schlechter wird, dann muss die Kodierrate wieder gesenkt werden.

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 Distanz und Anzahl der Antennen beeinflussen.

Demodulation

Demodulation

Da es bei der Signalübertragung neben dem Sender (S) auch einen Empfänger (E) gibt, muss das modulierte Signal auch wieder ins Ursprungssignal zurückgewandelt werden. Diesen Vorgang nennt man Demodulation. 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 verschiedene Modulationsverfahren. Ihre Einteilung erfolgt 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 in analoge und digitale Modulationssignale (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 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. Das erkennt man daran, dass es erst zu Aussetzern und im schlimmsten Fall die Übertragung komplett zum Erliegen kommt.

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