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 ohne eine vorherige Signalaufbereitung kaum eine Signalübertragung möglich. Deshalb werden Modulationsverfahren eingesetzt, um Informationen und Daten so in elektrische Signale umzuwandeln, damit sie für die Übertragung geeignet sind.

Modulation ist:

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

Wie funktioniert Modulation?

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 ändert sich die Signalform.
Modulationsverfahren
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. Andere Modulationsverfahren kombinieren mehrere Modulationsverfahren miteinander. Die Modulationsdichte steigt. Dadurch können pro Übertragungsschritt mehr Daten übertragen werden. Die Folge davon ist, dass mit zunehmender Modulationsdichte die Empfindlichkeit des modulierten Signals gegenüber Störungen zunimmt.

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 (siehe Diodenkennlinie), entsteht ein moduliertes Signal, das weitere Frequenzen enthält, die im Ursprungssignal nicht enthalten sind.
Um die Wirksamkeit und Effizienz zu erhöhen, werden Modulationsverfahren miteinander kombiniert. Ein typisches Beispiel ist Pulscodemodulation (PCM), bei der die Pulsamplitudenmodulation (PAM) die Vorarbeit macht. Möglich ist auch die Kombination aus Amplitudenmodulation (AM) und Phasenmodulation (PM), die Quadraturamplitudenmodulation (QAM) genannt wird.

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 modernen 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 recheckförmige 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 bzw. 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 zu Aussetzern und die Übertragung komplett zum Erliegen kommt.