Informations- und Kommunikationstechnik

Zusammenstellung wichtiger Modulationsverfahren

In der Nachrichtentechnik hat die Übertragung von Signalen eine besondere Bedeutung. Sollen unterschiedliche Signale auf demselben Übertragungsweg oder Übertragungsmedium gleichzeitig gesendet werden, so ist die Auftrennung der Einzelinformationen am Empfangsort ohne eine vorhergehende Signalaufbereitung meist nicht mehr möglich. Es ist leicht einsehbar, dass sich Sprach- oder Musiknachrichten, die über eine Leitung gesendet werden, am Einspeisepunkt additiv überlagern. Dabei entsteht ein Summensignal, aus dem der Empfänger die ursprüngliche Nachricht nicht mehr zurückgewinnen kann. Er erhält gleichzeitig alle, sich gegenseitig störende Informationen.

Der Frequenzbereich des Audiobands für Sprache und Musik umfasst 20 Hz bis 20 kHz. Soll diese Bandbreite per Funksignal als elektromagnetische Welle übertragen werden, so kann das nicht in diesem Basisband geschehen. Die Wellenlänge eines 1 kHz Tons beträgt λ = 300 km. Die Funkantenne als λ/4-Dipol wäre dann 75 km lang oder hoch. Fernsehbildsignale im Basisband sind um den Faktor 15 höherfrequent und könnten unmoduliert ebenfalls nicht als elektromagnetische Wellen über eine Antenne mit praktisch sinnvollen Ausmaßen abgestrahlt werden.

Sinn und Zweck der Modulation

1.) Die Modulation dient einer frequenzmäßigen Anpassung an den verwendeten Übertragungskanal mit verschiedenen Pässen. Für Funksignale werden Bandpässe und bevorzugt Schwingkreise mit festgelegter Bandbreite verwendet.

2.) Durch Modulation wird eine Mehrfachausnutzung eines Übertragungsmediums möglich. Im Frequenzmultiplexverfahren werden verschiedene Signale in gestaffelt nebeneinanderliegende Frequenzbereiche umgesetzt. Im Empfänger lassen sich die Signale getrennt ausfiltern. Als Beispiel sind die Rundfunk- und Fernsehsender im Funk- und Kabelnetz zu nennen.
Im Zeitmultiplexverfahren werden mehrere Impulsträger ineinander verschachtelt. Der Empfänger führt die zeitliche Trennung zur jeweiligen Einzelnachricht durch. Der Telefonverkehr und der Stereorundfunk arbeiten nach diesem Verfahren.

3.) Durch Modulationsverfahren lässt sich die Störsicherheit verbessern. Das trifft besonders bei der Pulsmodulation zu. Sie erreicht bei vergrößerter Bandbreite eine hohe Sicherheit gegenüber Fremdstörungen.

Die Modulationsverfahren

Bei der Modulation werden ein oder mehrere Signalparameter wie Amplitude, Frequenz oder Phase eines hochfrequenten Trägersignals durch das niederfrequente Informationssignal verändert oder moduliert. Dem Träger als Hilfssignal wird dabei das Informationssignal, das auch als Modulationssignal bezeichnet wird, aufgeprägt. Nach diesem Prozess besitzt die Information eine andere Signalform und befindet sich in einem neuen Frequenzband. Jede Signalart kann als Trägersignal dienen. Von praktischer Bedeutung sind harmonisch sinusförmige Trägersignale, die zeitkontinuierlichen Träger und periodische, rechteckförmige Impulse als zeitdiskrete Träger.

Die Modulation wird mathematisch durch die Multiplikation des Trägers mit der Information beschrieben. Das Ausgangssignal enthält dadurch neue Frequenzen, die in den Anfangssignalen nicht enthalten sind und es können Frequenzen auch ganz verschwinden. Im Gegensatz zur additiven Signalüberlagerung an Baugruppen mit linearer Kennlinie, beispielsweise einer Widerstandsmatrix, findet die Modulation an einer nichtlinearen Kennlinie statt. Der gekrümmte Verlauf einer Diodenkennlinie und somit auch die Eingangsstrecke eines bipolaren Transistors sind dafür gut geeignet.

Bei einem zeitkontinuierlichen Trägersignal spricht man von Modulation. Bei zeitdiskretem Signal eher von Tastung, im englischen als shift keying bezeichnet. Je nach Kombination ergeben sich diverse Möglichkeiten, von denen die Wichtigsten nachfolgend genannt werden:

Zeitkontinuierliche Modulationsarten

Dieses Webprojekt bietet zu folgenden Modulationsverfahren nähere Darstellungen mit diversen Diagrammen und zum Teil mit mathematischem Hintergrund: AM, ZM, ESB, RSB, ASK, FSK, FM, PM, analoge QAM.

Die folgenden Modulationsarten ermöglichen es ein analoges Signal durch ein digitales Signal darzustellen. Diese Verfahren werden daher nicht immer als Modulation im klassischen Sinn verstanden.

Zeitdiskrete Modulationsarten

Das Webprojekt bietet für die folgenden Modulationsarten weiteres Hintergrundwissen: PAM und als PAM-Lehrfilm, PCM.

Modulationsverfahren können auch miteinander kombiniert angewendet werden, wie zum Beispiel AM- mit Winkelmodulation, Quadraturamplitudenmodulation als 16 QAM, 32 QAM, 64 QAM und den Verfahren des Quadratur Phase-Shift-Keying, der 4 PSK, 8 PSK, 16 PSK.