Modulation

Was ist Modulation?

Modulation ist der Prozess der Umwandlung von Daten in Funkwellen durch Hinzufügen von Information zu einem elektronischen oder optischen Trägersignal. Ein Trägersignal ist ein Signal mit einer kontinuierlichen Wellenform (konstante Amplitude und Frequenz).

Wie funktioniert Modulation?

Modulation ist das Hinzufügen von Information zu einem Trägersignal, wobei eine der Eigenschaften des Trägersignals verändert wird. Folgende Eigenschaften des Trägersignals können durch Modulation verändert werden

• Amplitude
• Frequenz
• Phase
• Polarisation (bei optischen Signalen)
• Quantenphänomene (zum Beispiel der Spin)

Das Modulationsgerät wendet die Modulation in der Regel auf elektromagnetische Signale an. Gängige Beispiele sind Radiowellen, Laser und Optik sowie Computernetzwerke. Es gibt jedoch auch andere Anwendungen der Modulation, zum Beispiel:

• Gleichstrommodulation: Hier wird Gleichstrom als entartete Trägerwelle mit einer festen Wellenform von 0 Hz behandelt. Dies geschieht hauptsächlich durch Ein- und Ausschalten, wie bei der Morsetelegrafie oder einer digitalen Stromschleifenschnittstelle.
• Digitale Basisbandmodulation: Kodierung eines Bitstroms in einen einzelnen Kanal ohne Verwendung einer Trägerwelle, um die Datenübertragung zu ermöglichen.
• Niederfrequente Wechselströme: Frequenzen zwischen 50 und 60 Hz, wie bei Powerline-Netzwerken.

Unter Modulation versteht man die Umwandlung von Daten in Funkwellen durch Hinzufügen von Informationen zu einem elektronischen oder optischen Trägersignal. Ein Trägersignal hat eine konstante Wellenform, das heißt, eine konstante Höhe bzw. Amplitude und Frequenz.

Welche Modulationsarten gibt es?

Es gibt viele gängige Modulationsverfahren, darunter die Folgenden in einer unvollständigen Aufzählung:

• Amplitudenmodulation (AM): Die Höhe (also die Stärke oder Intensität) des Signalträgers wird variiert, um die Daten darzustellen, die dem Signal hinzugefügt werden.
• Frequenzmodulation (FM): Bei der FM wird die Frequenz der Trägerwellenform variiert, um die Frequenz der Daten widerzuspiegeln.
• Phasenmodulation (PM): Die Phase der Trägerwellenform wird variiert, um Änderungen in der Frequenz der Daten wiederzugeben. Bei der PM bleibt die Frequenz unverändert, während die Phase relativ zur Basisträgerfrequenz geändert wird. Sie ähnelt der FM.
• Polarisationsmodulation: Der Drehwinkel eines optischen Trägersignals wird verändert, um die übertragenen Daten wiederzugeben.
• Puls-Code-Modulation: Ein analoges Signal wird abgetastet, um einen Datenstrom abzuleiten, der zur Modulation eines digitalen Trägersignals verwendet wird.
• Quadratur-Amplituden-Modulation (QAM): Die QAM nutzt zwei AM-Träger, um zwei oder mehr Bits in einer einzigen Übertragung zu codieren.

Darüber hinaus gibt es moderne Modulationsschemata wie Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM), das in vielen modernen Kommunikationssystemen eingesetzt wird, einschließlich 4G- und 5G-Netzwerken.

Die Modulation unterscheidet sich auch nach dem Schema, das heißt nach der Methode, mit der die Bits in Signale umgewandelt werden. Modulationsschemata können entweder analog oder digital sein.

• Analoges Schema: Verwendet eine Eingangswelle, die sich kontinuierlich ändert, zum Beispiel eine Sinuswelle.
• Digitales Modulationsschema: Nimmt beispielsweise Audio mit einer bestimmten Rate auf und komprimiert die Daten, um sie in einen Bitstrom umzuwandeln. Der Bitstrom wird zu einer Welle, die dem Trägersignal überlagert wird.

Radio- und Fernsehsendungen sowie Satellitenfunk verwenden in der Regel AM oder FM. Die meisten Funkgeräte mit kurzer Reichweite (bis zu einigen Dutzend Kilometern) verwenden FM, während Funkgeräte mit größerer Reichweite (bis zu Hunderten oder Tausenden von Kilometern) in der Regel einen Modus verwenden, der als Einseitenband (Single Sideband, SSB) bekannt ist.

Zu den komplexeren Modulationsformen gehören die Phasenumtastung (Phase-Shift Keying, PSK) und QAM. Die moderne Wi-Fi-Modulation verwendet eine Kombination aus PSK und QAM64 oder QAM256, um mehrere Informationsbits in jedem übertragenen Symbol zu kodieren.

PSK überträgt Daten durch Modulation der Phase des Trägersignals, indem die Sinus- und Cosinus-Eingangssignale zu präzisen Zeitpunkten verändert werden. PSK wird häufig für WLAN, RFID und Bluetooth-Kommunikation verwendet. Der Demodulator bestimmt die Phase des empfangenen Signals und wandelt sie in das entsprechende Symbol zurück.

Modulation und Demodulation

Bei der Modulation werden Informationen in ein übertragenes Signal codiert, während bei der Demodulation die Informationen aus dem übertragenen Signal extrahiert werden. Viele Faktoren beeinflussen, wie originalgetreu die extrahierten Informationen die ursprünglichen Eingangsinformationen wiedergeben. Elektromagnetische Interferenzen können Signale verschlechtern und die Extraktion des ursprünglichen Signals unmöglich machen. Demodulatoren umfassen in der Regel mehrere Stufen der Verstärkung und Filterung, um Interferenzen zu beseitigen.

Ein Gerät, das sowohl Modulation als auch Demodulation durchführt, wird Modem genannt. Die Bezeichnung setzt sich aus den Anfangsbuchstaben von MOdulator und DEModulator zusammen.

Mit einem Audio-Modem kann ein Computer über eine normale analoge Telefonleitung eine Verbindung zu einem anderen Computer oder zu einem Datennetz herstellen, indem das Datensignal zur Modulation eines analogen Tons verwendet wird. Ein Modem auf der Gegenseite demoduliert das Audiosignal, um den Datenstrom wiederherzustellen. Ein Kabelmodem verwendet Netzwerkdaten, um das Trägersignal des Kabeldienstes zu modulieren.

Manchmal kann ein Trägersignal mehr als einen modulierten Informationsstrom übertragen. Multiplexing ist die Kombination der Ströme auf einem Träger. Zu den Multiplextechniken gehören:

• Zeitmultiplex: Bei TDM wird ein Segment eines Datenstroms mit fester Dauer kodiert, dann das nächste, dann alle Kanäle, bevor wieder zum ersten zurückgekehrt wird.
• Frequenzmultiplex: Beim FDM werden mehrere Träger mit unterschiedlichen Frequenzen auf demselben Medium verwendet.
• Wellenlängenmultiplex: Beim WDM werden mehrere Laserwellenlängen und -frequenzen auf Langstrecken-Glasfaserverbindungen moduliert, um die verfügbare Gesamtbandbreite zu erhöhen.

Modulation in der Kommunikation

Mehrere Träger mit unterschiedlichen Frequenzen können Daten über ein einziges Medium übertragen. Jeder Träger muss mit einem eigenen Signal moduliert werden. Beispielsweise nutzt WLAN einzelne Kanäle, um Daten gleichzeitig an mehrere Clients zu senden und von diesen zu empfangen.

Eine weitere Anwendung der Modulation ist die Funkübertragung. Ein Trägersignal mit höherer Frequenz hat in der Regel eine kürzere Wellenlänge, um effizient senden und empfangen zu können. Die optimale Antennengröße liegt bei der Hälfte oder einem Viertel einer Wellenlänge, so würde eine Audiofrequenz von 3000 Hz eine Wellenlänge von 100 km und eine 25 km lange Antenne erfordern. Für einen UKW-Träger von 100 MHz mit einer Wellenlänge von 3 m muss die Antenne nur 80 cm lang sein.

Bei der Hochfrequenz (HF)-Übertragung wird eine Trägerwelle verwendet, die selbst nicht viel Information überträgt. Daher wird die Form der Trägerwelle durch Überlagerung mit einer anderen Welle verändert, um Sprache oder Daten zu übertragen. Ein Wandler wandelt das Audiosignal in ein elektrisches Signal um, um den Schall zu übertragen.

Modulation und Tastgrad

Bei der drahtlosen Kommunikation ist der Tastgrad (Duty Cycle) der Anteil der Zeit, in der das drahtlose Netz HF-Signale überträgt. Der Tastgrad ist daher ein wichtiger Faktor bei der Bewertung der elektromagnetischen Strahlung, der eine Person ausgesetzt ist. Die tatsächliche Einschaltdauer kann in Abhängigkeit von der Datenlast im Netz und der Netzgeschwindigkeit variieren. So kann die Einschaltdauer davon abhängen, ob das Netz für VoIP, Videostreaming oder Videos und so weiter genutzt wird.

Dieser Artikel wurde von der ComputerWeekly-Redaktion aktualisiert, um Branchenveränderungen widerzuspiegeln und das Leseerlebnis zu verbessern.