Informations- und Kommunikationstechnik

Amplitudenumtastung – ASK

Nach der Beschreibung der Amplitudenumtastung werden Frequenzspektren der ASK bei harter und weicher Tastung gezeigt. Das Kapitel endet mit einer erklärenden Zusammenstellung zu Begriffe der Datenübertragung

Ist das Trägersignal zeitkontinuierlich, die Information als das modulierende Signal dagegen digital, so handelt es sich um eine digitale Modulationsart. Sie wird auch als Umtastung oder im englischen Sprachraum als shift keying bezeichnet. Die Amplitudenumtastung oder Amplitude Shift Keying, ASK liegt vor, wenn eine digitale Information als Bitfolge nur die Trägeramplitude verändert und die Trägerfrequenz konstant bleibt.

Ein digitales Signal ist eine Abfolge von High- und Low-Impulsen definierter Amplituden, die bei der ASK auf die Trägeramplitude einwirken. Die einfachste Methode ist ein An- und Abschalten des Trägers, das on off keying oder OOK-Verfahren. Beim digitalen High-Bit (1) wird die maximale Trägeramplitude gesendet, während ein Low-Bit (0) den Träger abschaltet. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass ein temporärer Senderausfall oder ein Empfangsproblem nicht vom Low-Bit unterschieden werden kann. Ein in dieser Hinsicht verbessertes Modulationsverfahren tastet die Trägeramplitude zwischen 100% für das High-Bit und 25% für das Low-Bit um. Als Modulatoren können die für die analoge AM bekannten Schaltungen eingesetzt werden. Das folgende Bild zeigt ein nach beiden Verfahren generiertes ASK-Signal.

Zeitdiagramm eines ASK-Signals

Das ASK kann mit mehreren Abstufungen der Trägeramplitude durchgeführt werden. Mit vier Amplitudenstufen lassen sich gleichzeitig 2 Bit (00, 01, 10, 11) übertragen. Die Übertragungsgeschwindigkeit verdoppelt sich. Eine mehrwertige ASK, im folgenden Bild das quaternäre Signal, setzt eine gute Verbindungsqualität voraus. Da Störungen meistens als Amplitudenstörungen auftreten, ist die mehrwertige ASK störanfälliger und wird seltener verwendet. Der Sender muss ein Synchron- oder Startsignal übertragen, damit beim Empfänger die richtige Bitfolge erkannt und demoduliert werden kann.

Zeitdiagramm einer quaternären ASK

Die älteste Anwendung der ASK ist wohl die Funktelegrafie von Morsesignalen. Wird nur die Trägeramplitude umgeschaltet, spricht man von tonloser Tastung. Ist der Träger dauerhaft mit einer Tonfrequenz von 1 kHz Sinus amplitudenmoduliert, wird das Verfahren tönende Tastung genannt. Die Auswertung am Empfangsort ist dann auch akustisch möglich. Modemverbindungen arbeiten vielfach mit ASK. Die Ortsbestimmung im Flugverkehr verwenden Funkfeuer, die mit einem hörbaren Dauerton amplitudenmoduliert sind und deren Senderkennung auf ASK beruht. In digitalen Glasfasersystemen wird vielfach OOK eingesetzt.

Ein wichtiges ASK-Signal wird vom Langwellensender DCF77 gesendet. Es ist das für Deutschland bestimmte Funkuhrsignal, das den 77,5% kHz sinusförmigen Träger im Sekundentakt zwischen 100% und 25% Nennleistung umschaltet. Die Dauer einer Absenkung, das Bit, beträgt 100 ms für ein logisches Low-Signal oder 200 ms für ein logisches High-Signal. Innerhalb einer Minute lassen sich damit alle Zeit- und Datumsinformationen übertragen. Die Codierung entspricht dem BCD-Code mit 1, 2, 4, 8, 10, 20, 40, 80 ...

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Frequenzspektren der ASK

Das Frequenzspektrum eines ASK-Signals zeigt deutlich, dass es sich um eine Modulation und nicht um ein einfaches An- und Abschalten der Trägerschwingung handelt. Zu beiden Seiten der Trägerfrequenzlinie erscheinen Seitenlinien und die Umschaltfrequenz ist im Spektrum nicht mehr enthalten. Verglichen mit einem analogen AM-Signal ist die Bandbreite der ASK wesentlich größer.

Das Bild zeigt ein im Simulationsprogramm erstelltes ASK-Spektrum, bei dem ein 1 kHz Trägersignal mit einem 100 Hz binären Taktsignal umgetastet wurde. Die binäre Information entspricht mit -1-0- einem symmetrischen Rechtecksignal. In der Abfolge der Seitenlinien und der Abnahme ihrer Amplituden erkennt man das Spektrum der Tastfunktion.

ASK-Spektrum

Im Vergleich zur analogen AM ist die Bandbreite der ASK viel größer. Das ist von Nachteil, da innerhalb eines Sendefrequenzbereiches weniger Sender ungestört nebeneinander arbeiten können. Wird die Bandbreite so weit verringert, dass die Schrittfrequenz fp noch ungedämpft übertragen wird, so kann im Empfänger das Signal noch eindeutig decodiert werden. In den vorangehenden Beispielen beträgt die Schrittfrequenz 100 Hz. Ein Tiefpass mit einer Bandbreite von B = 1,6 · fp erfüllt diese Bedingung. Wegen der symmetrischen Seitenbänder benötigt das ASK-Signal die doppelte Bandbreite.

Weiche Tastung mittels Tiefpassfilter

Durchläuft vor der Modulation das Digitalsignal ein Tiefpassfilter, so verringert sich der Bandbreitenbedarf des ASK-Signals deutlich. Ein steilflankiges LC-Tiefpassfilter ist einem RC-Pass vorzuziehen. Die Grenzfrequenz entspricht dem oben vorgestellten Wert 1,6 · fp. Die auftretende Phasenverschiebung zum ursprünglichen Bittakt hat keinen negativen Einfluss auf die Rückgewinnung der Information.

Spektrum bei weicher Tastung
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Begriffe der Datenübertragung

Schrittfrequenz

Die Schrittfrequenz oder Punktfrequenz ist die höchste Grundfrequenz einer 1:1-Pulsfolge bei der Pulsdauer und Pulspause gleich lang sind. Sie wird auch als Nyquistfrequenz bezeichnet. Die Schrittdauer TS, die Dauer eines Bits, ist dann halb so lang wie die Periodendauer, die sich aus der Schrittfrequenz errechnet.

Diagramm und Formel zur Schrittdauer

Schrittdauer

Das kleinste Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zustandswechseln wird bei zeitdiskreten Signalen als Schritt bezeichnet. Der Signalschritt von High nach Low, mit fest definierter Dauer, ist die Schrittdauer. Ein digitales Signal mit einer gleichbleibenden Schrittdauer TS wird als Schritttakt bezeichnet.

Isochrones Datensignal

Ein Datensignal wird als isochron bezeichnet, wenn die Zustandswechsel innerhalb eines festen, gleichen Zeitrasters erfolgen.

Schrittgeschwindigkeit

Die Schrittgeschwindigkeit vs auch Telegrafiergeschwindigkeit oder Symbolrate errechnet aus dem Kehrwert der kürzesten Schrittdauer. Die Anzahl der Signalparameter Zustandswechsel pro Sekunde wird zu Ehren des französischen Telegrafentechnikers Baudot als Baud angegeben. Die zur Schrittgeschwindigkeit gleichbedeutenden Bezeichnungen sind Bitrate oder Bitfolgefrequenz.

Diagram zur Schrittgeschwindigkeit

Übertragungsgeschwindigkeit oder Baudrate

Für zweiwertige, binäre Signale, wo jeder Zustandswechsel ein Bit codiert, ist die Schrittgeschwindigkeit in Baud gleich der Übertragungsgeschwindigkeit in bit/s. Sie wird in diesem Fall als Bitrate oder Bitfolgefrequenz bezeichnet.

Für mehrstufige Signale mit n-möglichen Wertestufen gilt die Beziehung:   vü = vS · lb(n) in bit/s.
In dieser Gleichung ist lb() der Logarithmus zur Basis 2. Es gilt lb(n) = lg(n) / lg(2).

Datenrate

Der Ausdruck wird gleichbedeutend zu Übertragungsgeschwindigkeit oder Übertragungsrate verwendet. Die Datenrate in bit/s gibt die Anzahl der Informationseinheiten wieder, die in einer bestimmten Zeit übertragen werden.

Zeichengeschwindigkeit

In einem Zeichenrahmen werden die Datenbits von Start-, Stopp- und Paritätsbits eingeschlossen. Die Anzahl der Einheitsschritte z ist die Summe aller Bits innerhalb des Zeichenrahmens (z = Startbit + Datenbits + Paritätsbit + Stoppbit(s)). Zur Übertragung des vollständigen Rahmens bedarf es der Übertragungsdauer TZ, deren Kehrwert die Zeichengeschwindigkeit vZ ergibt:

vZ = 1 / TZ  darin ist   TZ = z · TS

Nyquist-Bandbreite

Damit das Signal vom Empfänger eindeutig rekonstruiert werden kann, muss mindestens die erste Harmonische der höchsten im Signal auftretenden Frequenz übertragen werden. Es ist die Punktfrequenz eines symmetrischen High-Low-High-Wechsels, die auch als Nyquistfrequenz bezeichnet wird. Die Bandbreite errechnet sich dann zu:

BN = fp = 1 / (2 · TS)