Modulation (teknologi)

Udtrykket modulering (fra latin modulatio = ur, rytme) beskriver en proces i kommunikationsteknik , hvor et nyttigt signal, der skal transmitteres (f.eks. Musik, tale, data) ændrer (modulerer) en såkaldt bærer . Dette muliggør højfrekvent transmission af det lavfrekvente nyttige signal. I bærefrekvensområdet indtager det transmitterede signal en båndbredde, der er afhængig af det nyttige signal. Meddelelsen gendannes i den modtagende ende af en demodulator .

Selve bæresignalet er irrelevant for den transmitterede meddelelse; det er kun nødvendigt at tilpasse sig transmissionskanalens fysiske egenskaber og kan undertrykkes (med visse former for modulering ).

analog amplitudemodulation (AM) og frekvensmodulation (FM) for et lavfrekvent signal

Behov for modulering, eksempler

• Hvis du ville sende stemme eller musik direkte, ville der kun være et enkelt "program" på landsplan, for det ville optage hele lavfrekvensområdet . Hvert andet program ville optage og forstyrre det samme frekvensområde. På grund af den lave frekvens ville enorme antenner være påkrævet på både sende- og modtagelsessiderne.
• En langt højere frekvensbærer ændres og sendes i informationsrytmen gennem modulering. Andre sendere gør det samme med transportører med forskellige frekvenser. Hvis disse frekvensområder kan adskilles fra hinanden i modtageren ved hjælp af filtre ( resonanskredsløb ), kan du vælge mellem forskellige programmer. Antennerne bliver også mere håndterbare.
• Flere oplysninger kan moduleres uafhængigt af hinanden på en bærefrekvens på en sådan måde, at de kan adskilles på modtagersiden. I tilfælde af VHF -radio, for eksempel, transmitteres andre oplysninger såsom RDS eller stationsidentifikationen ud over "forgrundsmusikken".
• Samtidig transmission af de to stereokanaler (venstre og højre) ville også være umulig uden modulering. I farve -tv moduleres lysstyrken og farveoplysningerne for de enkelte pixels så smart på en bærer, at de ikke forstyrrer hinanden. Et sort -hvidt fjernsyn ignorerer simpelthen farvemodulationen.
• Multiple use of a cable, fiber optic or radio link ( directional radio , satellite television ) for flere hundrede samtidige telefonopkald eller flere fjernsynsprogrammer ville være utænkeligt uden sofistikerede moduleringsmetoder.
• Med DSL kan du sende og modtage digitale internetdata samtidigt og uafhængigt af hinanden, og du kan også foretage opkald.
• Med en fjernbetjening kan forskellige kommandoer såsom skift af kanaler, ændring af lydstyrke eller slukning transmitteres trådløst ved at modulere den infrarøde stråling .

betyder

Modulation har mange fordele i forhold til direkte transmission af det nyttige signal. På denne måde kan både analoge og digitale signaler transmitteres. Modulationsmetoden kan imidlertid være både analog og digital, uanset typen af ​​nyttigt signal.

Enheder, der kan demodulerer både modulerer som er ofte lige så modem kaldet (Mo dulator Den odulator).

Tæt knyttet til digital modulering er linjekodning , som har til opgave at tilpasse et digitalt nyttigt signal til en transmissionskanal, her en linje, men ikke konverterer det fra basisbåndet til et højere bærefrekvensbånd .

Modulation er en af ​​de vigtigste metoder inden for kommunikationsteknik. Deres anvendelse gjorde det muligt at anvende højere frekvensområder ved transmission af meddelelser og åbnede dermed nye transmissionsveje (f.eks. Radio , retningsradio , satellitradio ).

Vi støder på modulering overalt i hverdagen:

• Amatørradio , luftfartsradio , politiradio , havradio , taxiradio
• automatisk skibsidentifikation (AIS)
• Datanetværk: Bluetooth , Ethernet , WLAN
• digitalt fjernsyn , ( DVB ), fjernsyn , radio , satellit -tv
• Fjernbetjeninger , fjernbetjeninger
• Radioidentifikation ( RFID ), radiotransponder , indbygget enhed til vejafgifter
• trådløse hovedtelefoner , trådløs mikrofon
• Radiotelefon (f.eks. DECT ), mobiltelefon (f.eks. GSM ), satellittelefon
• Satellitnavigation (f.eks. GPS )

Betydningen af ​​modulering i hverdagen er for nylig blevet særlig tydelig. Ved at udvikle nye moduleringsmetoder som ADSL kan datatransmissionshastigheden over de eksisterende telefonforbindelseslinjer øges drastisk.

historie

Tale og musik er i sig selv baseret på modulering. Bevægelsen af ​​tungen og læberne alene producerer snaps og smackles, der ikke kan høres langt. Lyden fra strubehovedet fører meget længere og tjener allerede barnet som bærer, gennem hvis kontinuerlige (analoge) ændringer i volumen og tonehøjde han informerer om sin tilstand. Modulation bruges bevidst på fløjtede sprog .

Guglielmo Marconi opnåede den første radiotransmission over Den Engelske Kanal i 1899 ved at tænde og slukke en pop-gnist-sender . Morse -kode kunne overføres med denne digitale modulering. En koherer i modtageren reagerede på højfrekvenssignalet, og senderens ustabile output kunne høres som et skæl. Selektiviteten spillede ikke en rolle på det tidspunkt, da antallet af kanaler stadig var ret begrænset. Mens Marconi stræbte efter højere transmissionseffekt, forbedrede Reginald Fessenden modtagernes følsomhed på samme tid.

Indtil 1913 kunne sendere kun tændes og slukkes, hvilket i bedste fald kan beskrives som meget rudimentær modulering. Modulation med en lang række signaler, hvis subtile nuancer også skal transmitteres, kræver et oscillatorkredsløb, der oprindeligt genererer et konstant signal - dette var kun muligt efter opfindelsen af Meissner -kredsløbet . Det var begyndelsen på udsendelsen .

teknisk beskrivelse

Med modulering konverteres det nyttige signal til et andet frekvensområde. Parametre, såsom amplituden , frekvensen og / eller fasen af bærerne varieres af det nyttige signal. I tilfælde af analog amplitudemodulation er der kun en variation i bærernes amplitude. Det signal, der spektralt opvejes af denne modulering, kan derefter transmitteres via en transmissionskanal til modtageren, som genopretter det originale nyttige signal ved hjælp af demodulation . Transmissionen kan forbindes via elektriske kabler og fiberoptiske kabler eller ved hjælp af antenner i form af udbredelse af frit rum (" radio ").

Kontinuerlige og diskrete tidsprocedurer

Kontinuert tids moduleringsmetoder bruger et kontinuerligt signal, såsom en sinusbølge som bærer. Informationssignalet, der skal moduleres, behøver ikke at repræsentere oplysningerne løbende. Det er vigtigt, at det modulerede signal ved modulatorudgangen er kontinuerligt i tid. De tidskontinuerlige metoder er opdelt i værdikontinuerlige og værdidiskrete moduleringsmetoder. Processer med kontinuerlig værdi og kontinuerlig tid betegnes upræcist som analog modulering , mens processerne med diskret værdi og kontinuerlig tid omtales som digital modulering .

Diskret tids moduleringsmetoder, på den anden side, leverer kun et defineret bæresignal ved modulatorens output på bestemte tidspunkter. Typiske repræsentanter for denne klasse er pulsbærerprocesserne. De tidsdiskrete metoder er også opdelt i værdikontinuerlige og værdidiskrete moduleringsmetoder. Pulsamplitudemodulation (PAM) er en kontinuerlig værdi og tidsdiskret moduleringsmetode.En typisk repræsentant for en værdidiskret og tidsdiskret moduleringsmetode er pulskodemodulation (PCM).

Lineære og ikke-lineære moduleringsmetoder

Modulationsteknikker kan opdeles i lineære og ikke-lineære moduleringsmetoder. En moduleringsmetode er lineær, hvis den matematiske funktion mellem det nyttige signal og det transmitterede signal, som beskriver moduleringsprocessen, er en lineær funktion . Dette er f.eks. Tilfældet med amplitudemodulation , som repræsenterer en multiplikation i tidsdomænet.

I tilfælde af ikke-lineære moduleringer, der på den anden side har en ikke-lineær funktion som forholdet mellem det nyttige signal og det transmitterede signal, er kortlægningen afhængig af de øjeblikkelige værdier af det nyttige signal. Deres analyse er forbundet med større indsats, der er ofte ingen lukkede løsninger til rådighed, og tilnærmelsesmetoder som f.eks. Til at estimere den nødvendige båndbredde af transmissionssignalet skal bruges. Et eksempel på en ikke-lineær modulering er frekvensmodulation , hvor forbindelsen mellem det nyttige signal og det transmitterede signal dannes af vinkelfunktioner såsom cosinusfunktionen .

Modulation og multiplex teknologi

Udtrykket modulering er tæt knyttet til udtrykket multiplexteknologi . Multiplex -teknologi beskæftiger sig med at transmittere flere nyttige signaler parallelt og ideelt uden gensidig interferens via en delt kanal, for eksempel et kabel eller et radiofrekvensområde. Den praktiske implementering af de forskellige multiplexteknikker, såsom tidsdelingsmultiplex , frekvensdelingsmultiplex eller kodedivisionsmultiplex, finder sted ved anvendelse af egnede moduleringsmetoder.

Fysisk modulering

Modulationsmetoder bruges ikke kun i frekvensområder op til et par 100 GHz, der er direkte tilgængelige for elektronisk kredsløbsteknologi, men der er også modulatorer, der er baseret direkte på materialespecifikke, fysiske principper. I disse tilfælde dannes modulatoren eller demodulatoren ikke længere af et elektronisk kredsløb, der består af individuelle komponenter og deres interaktion i et kredsløb. Disse modulatorers væsentlige egenskaber er betydeligt højere bærefrekvenser, som kan strække sig ind i det synlige område af det elektromagnetiske spektrum (lys) og videre (ultraviolet). Ulempen her er det lille antal muligheder for variation, da materialegenskaberne i modsætning til modulatorerne konstrueret som elektroniske kredsløb ikke kan ændres så let. I de fleste tilfælde bruges derfor kun simple amplitudemodulationer.

En modulator i denne sammenhæng ville for eksempel være en lysemitterende diode , en laser eller, for lave nyttige signalfrekvenser, en glødelampe, hvis lysstyrke kontrolleres. Denne amplitude -modulering, da lysstyrken er varieret, finder sted i den interne struktur gennem fysiske processer, og transmissionssignalet kan ligge inden for området optiske frekvenser og derover. Disse modulatorer bruges f.eks. Til at styre optiske fibre eller optokoblere .

Modulationsmetode

Analoge moduleringsmetoder

Analoge nyttige signaler er f.eks. Tale-, musik- eller billedsignaler. En væsentlig egenskab ved analoge moduleringsteknikker er modulationens kontinuitet både i tidsdomænet og i værdidomænet. I. E. analoge modulationer behandler det nyttige signal kontinuerligt, der er ingen digitalisering af de transmitterede signalværdier. Analoge modulerede signaler kaldes også Analog Spectrum Modulation (ASM for short).

De analoge moduleringsmetoder kan opdeles i to hovedgrupper: amplitudemodulation og vinkelmodulation . Alle andre analoge moduleringsteknikker kan udledes af disse to moduleringsteknikker.

Med amplitude -modulering kortlægges oplysningerne i det nyttige signal kontinuerligt i amplituden af ​​det transmitterede signal. Der er særlige modifikationer af amplitudemodulationen, såsom amplitudemodulation med undertrykt bærer , enkelt sidebåndsmodulation (SSB) eller vestigial sidebåndsmodulation . Amplitudemodulationen bruges f.eks. I analog udsendelse på mellembølge og i analog fjernsynsteknologi . Enkelt sidebåndsmodulation er teknisk mere kompleks, men bruger frekvensbåndet mere effektivt og bruges f.eks. Inden for amatørradio .

I gruppen af ​​vinkelmodulationer, der især omfatter frekvensmodulation (FM) og fasemodulation (PM), kortlægges det nyttige signal i fasevinklen på bæresignalet. Dette fører til en ændring i bærefrekvensen eller fasestillingen af ​​bæresignalet. Disse teknikker bruges f.eks. I analog VHF -radio .

Kombinationen af ​​amplitude og vinkelmodulation kaldes også vektormodulation . I dette tilfælde er informationen om det nyttige signal indkvarteret både i amplituden og i fasevinklen af ​​bæreroscillationerne. I det analoge område er den mest kendte applikation sandsynligvis transmissionen af ​​farveinformation i PAL- eller NTSC- farvebilledsignalet (FBAS) . Her er den bestemte farvemætning , amplituden og kromaticiteten ( farvetonen ) fasevinklen på et bæresignal, den såkaldte farveunderbærer .

Digitale moduleringsmetoder

Digitale moduleringsmetoder transmitterer symboler, der er klart defineret for både afsender og modtager. Dette kaldes Digital Spectrum Modulation ( DSM for short). Tidsforløbet for disse symboler eller overlejringen af ​​de udsendte symboler danner et kontinuerligt forløb. Formen på symbolerne skal vælges, så deres spektrum forbliver inden for den foreskrevne båndbredde for transmissionskanalen. Analoge signaler som tale eller musik skal derfor digitaliseres før digital modulering. Disse digitale prøver samles derefter på de symboler, der skal transmitteres . Disse moduleringsmetoder implementeres derfor ved hjælp af digital signalbehandling .

Af didaktiske årsager, også fordi det er lettere at repræsentere grafisk, vises symbolerne ofte i en rektangulær form, dvs. uden afrunding. Dette fører dog let til en forkert idé om problemet.

De digitale moduleringer leverer kun gyldige værdier på bestemte tidspunkter, de såkaldte samplingtider. Dette kaldes tidsdiskret. Tidsintervallet mellem prøvetagningstiderne kaldes symbolhastigheden . I tidsintervallerne mellem to sampletider er informationerne i transmissionssignalet udefineret. Af denne grund spiller den såkaldte urgendannelse en central rolle i digital demodulation: modtageren eller demodulatoren skal være i stand til at bruge passende metoder til at identificere de tidspunkter, hvor der er gyldig information tilgængelig.

Med digitale modulationer kan kun et begrænset antal forskellige værdier overføres. Dette kaldes diskret værdi. Med et passende valg af transmissionssymbolerne med diskret værdi kan mindre afvigelser, der forekommer f.eks. Som følge af transmissionsfejl, genkendes og kompenseres for. Dette er grunden til, at digitale moduleringsmetoder normalt er mere immune over for interferens end analoge metoder. Forstyrrelsen af ​​nogle digitale moduleringsmetoder kan vurderes, for eksempel ved hjælp af et øjediagram eller i form af repræsentation af transmissionssymboler i det komplekse plan .

Mere præcist er de digitale moduleringer tid og værdi diskrete moduleringsmetoder baseret på det transmitterede informationssignal. Tidsforløbet for moduleringssignalet er på den anden side kontinuerligt i tid og værdi. Imidlertid har det ikke helt passende udtryk for digital modulering allerede etableret sig i litteraturen. Men kanalkodning kan også forstås som en form for digital modulering under visse betingelser. Udtrykket "kodet modulering" bruges til dette i litteraturen.

Nogle af de digitale moduleringsteknikker har modstykker eller stammer fra analoge moduleringsteknikker. Der er imidlertid også et stort antal digitale moduleringer, der ikke har nogen direkte analoge ækvivalenter, såsom pulsbreddemodulation , som er en særlig digital vinkelmodulation og også kan bruges til tidsmæssig sampling (diskret tidssampling) af et analogt signal.

Digital moduleringsmetode med én bærer

En af de enkleste digitale modulationer er digital amplitudemodulation, også kendt som amplitude shift keying (ASK), hvor amplituden af ​​transmissionssignalet skiftes i diskrete trin afhængigt af den nyttige datasekvens. Hvis der kun er to transmissionssymboler, vælges mellem to forskellige amplitudeværdier, hvoraf den ene også kan være nul. Imidlertid kan flere amplitudeværdier (niveauer) også vælges.

De digitale vinkelmodulationer dækker et stort felt og er i deres enkleste form også kendt som Frequency Shift Keying (FSK) og Phase Shift Keying (PSK). Frekvensen eller fasevinklen for bæresignalet skiftes i diskrete trin. En særlig form for FSK er Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK), hvor moduleringsindekset er nøjagtigt 0,5. Typiske anvendelser af disse moduleringer er de første telefonmodemer fra 1980'erne, som var i stand til at transmittere op til 1200 bit pr. Sekund over en telefonlinje ved hjælp af FSK i ITU-T- standarderne V.21 eller V.23. Analoge faxmaskiner, der almindeligvis bruges i dag, bruger også denne moduleringsmetode.

Digitale fasemodulationer såsom QPSK transmitterer kun brugerdata i bærerens faseposition. Disse moduleringer bruges også primært inden for telekommunikation, for eksempel i digitale mobilradionetværk som GSM .

I den digitale sektor bruges også kombinationer af amplitude- og vinkelmodulationer. Informationen (brugerdatasekvens) er indkvarteret i både amplituden og fasens position af bæreren. En almindelig moduleringsmetode er kvadraturamplitudemodulation , forkortet som QAM, 16QAM, 32QAM, 64QAM osv. Tallene angiver de diskrete datapunkter (transmissionssymboler) på det komplekse niveau: jo flere transmissionssymboler der er, jo flere bits kan overføres pr. symbol, jo vanskeligere er det også, at det er vigtigt at skelne mellem de enkelte symboler på modtagerens side. Af denne grund bruges metoder med få transmissionssymboler i robuste transmissioner og i tilfælde af mere alvorligt forstyrrede transmissioner.

Multi-carrier digitale modulationer

I tilfælde af digitale moduleringer er det også muligt at opdele den nyttige datastrøm over flere forskellige bærere. Dette skaber en ekstra mulighed for at tilpasse sig transmissionskanalens egenskaber så optimalt som muligt: ​​Hvis f.eks. Visse transportører ikke kan bruges til datatransmission på grund af interferens, reducerer dette kun den samlede datagennemstrømning , da de andre transportører kan fortsætte at blive brugt. En typisk metode er Discrete Multitone (DMT), som bruges inden for ADSL . Dette inkluderer også Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) og Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex (COFDM), der bruges inden for terrestrisk digitalt fjernsyn DVB-T .

Digitale modulationer som 16QAM bruges så smalbåndet som muligt på de enkelte bærere. På grund af det store antal transportører - disse kan være op til et par 10.000 transportører - kan transmissionsegenskaberne ved transmissionskanalen behandles meget selektivt. Det betyder, at op til et par snesevis af kbit nyttige data transmitteres parallelt i bare et ur -trin. På grund af betydelige teknologiske fremskridt inden for højtydende og omkostningseffektive digitale signalprocessorer og applikationsspecifikke integrerede kredsløb er disse komplekse moduleringsmetoder blevet udbredt i forbrugerelektroniksektoren i de seneste år.

Kodet modulering

I kodet modulering kombineres den kanalkodning, der er adskilt i andre moduleringsmetoder, som giver beskyttelse mod transmissionsfejl ved at tilføje redundans, uadskilleligt med en digital moduleringsmetode. Den ekstra kodeforstærkning af kanalkodningen, der kan opnås ved at kombinere, er da ikke baseret på den minimale Hamming -afstand , som i de separate metoder, men på den euklidiske afstand for transmissionssymbolerne for moduleringsmetoden, som er spændt i komplekset fly.

Et eksempel på kodet modulering er trellis code modulation (TCM), som er baseret på en konvolutionskode i kombination med en moduleringsmetode som QAM. Relaterede Block Code Modulation (BCM) bruger en blok kode i stedet for den convolutional kode . Begge metoder kan opdeles (opdeles) i partielle kodninger, hvorfra gruppen af multilevel kodemoduleringsmetoder (MLCM) er afledt. Metoder som Binary Offset Carrier (BOC), hvoraf nogle stadig er genstand for aktuel forskning, tilhører også området kodet modulering.

Særlige modulationer

Spredt spektrum modulationer

Disse omfatter forskellige former for spredt spektrum -modulationer, såsom Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) og Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS). Disse moduleringer er grundlaget for kodedivisionsmultipleksering og udvider i høj grad transmissionsspektret i forhold til det nyttige dataspektrum. Modtagelsen ved hjælp af korrelation er kendetegnet ved særlige kodesekvenser, der for det meste har egenskaber, der ligner tilfældigheder, og som adskiller de enkelte kanaler fra hinanden.

Det betyder, at transmissioner også er mulige, hvis transmissionssignal er under baggrundsstøjniveauet , så eksistensen af ​​en transmission ikke engang kan genkendes. Som med alle andre modulationer kan beskedoverførslen også krypteres om nødvendigt. Det er kun muligt at detektere, om en transmission finder sted, hvis de tilsvarende spredt spektrum kodesekvenser er kendte og ved hjælp af korrelation . Anvendelser af disse teknikker kan derfor frem for alt findes i militærsektoren til beskedoverførsel eller inden for spionage til aflytning , der er meget vanskelige at opdage. I de senere år er disse teknikker også blevet brugt i civile områder, såsom i navigationssystemerne GPS eller Galileo og i tredje generations mobilkommunikation ved hjælp af CDMA og i steganografiprogrammer , for at kunne opdage krænkelser af ophavsret ved hjælp af elektroniske vandmærker, for eksempel på musikstykker eller videofilm.

Pulsmodulationer

Med disse moduleringer konverteres et kontinuerligt analogt signal til en tidsdiskret signalsekvens bestående af individuelle impulser, der som i tilfælde af pulsbreddemodulation (PWM), pulsamplitudemodulation (PAM), pulsfrekvensmodulation (PFM) og puls fasemodulation (PPM), er kontinuerlige i amplitude. Der er også amplitude-diskrete versioner af disse metoder, med PAM betegnes den diskrete værdi-version derefter som pulskodemodulation (PCM). PWM forekommer både værdidiskret og værdikontinuerlig. Anvendelser af PWM er f.eks. Strømstyring af elektriske motorer eller i lydsektoren med klasse D -forstærkere . Puls-trin-modulering (PSM) er en metode, der bruges til amplitude-modulerede transmissionsudgangstrin med højere effekt.

Med pulskodemodulation (PCM) multipliceres en pulskam , en periodisk sekvens af korte individuelle impulser med indgangssignalet for at opnå udgangssignalet ("transmissionssignal"). De individuelle outputværdier kvantificeres derefter, dvs. konverteres til et begrænset antal niveauer. Denne modulering bruges i nogle analog-til-digitale omformere , især når der kontinuerligt skal opnås en signalsekvens, som det er tilfældet med digitaliseringen af ​​tale- og musiksignaler.

Se også

• Modulationstype

litteratur

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

Weblinks

Commons : Modulation - samling af billeder, videoer og lydfiler

• Transmissionsteknologi (PDF; 766 kB)
• Introduktion til digitale radiosystemer (PDF; 1,21 MB)
• Basebåndssignaler (PDF; 958 kB)
• Inter-symbol interferens, Nyquist tilstand, øjet diagram (PDF; 969 kB)
• Digitale moduleringsmetoder (PDF; 1,75 MB)