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Modulation (Technik)

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Die Modulation beschreibt in der Technik einen Vorgang, bei dem ein zu übertragendes Nutzsignal (der Informationsträger) in ein für die Übertragung über ein bestimmtes Medium geeignetes Sendesignal umgewandelt wird. Man unterscheidet dabei zwischen Übertragung im Basisband und der trägerfrequenten Übertragung. Weiterhin wird in analoge und digitale Modulationsarten unterschieden.

Digitale Modulationsarten sind funktionell identisch mit der so genannten Kanalcodierung. Aus teilweise historischen Gründen, und bei den bereits länger bestehenden analogen Modulationsverfahren und deren Begriffsbildung, werden spezielle Verfahren der Kanalcodierung auch als digitale Modulationsverfahren bezeichnet.

Technische Beschreibung

Übertragung im Basisband

Bei der Übertragung im Basisband verbleibt das Nutzsignal in seinem Frequenzbereich, wird aber zur Anpassung an die Eigenschaften des Übertragungskanals nach bestimmten Regeln umgeformt. Dies ist vor allem bei den digitalen Modulationen und der dazu gleichwertigen Kanalcodierung der Fall, bei denen ein digitales Nutzsignal zwar umgeformt wird, aber spektral im Basisband verbleibt. Ein Beispiel der Modulation im Basisband ist die Gewinnung von gleichanteilsfreien Sendesignalen wie sie zur Übertragung in digitalen Netzen (zum Beispiel bei Ethernet) verwendet wird.

Modulation und Multiplextechnik

Trägerfrequente Übertragung

Bei der trägerfrequenten Übertragung wird das Nutzsignal in einen anderen Frequenzbereich umgesetzt. Dabei werden die Parameter der Amplitude, Frequenz und Phase der Trägerfrequenz durch das Nutzsignal variiert. Diese Variation stellt die trägerbasierende Modulation dar. Je nach Verfahren werden alle Parameter oder nur einzelne Parameter vom Nutzsignal verändert - beispielsweise erfolgt bei der analogen Amplitudenmodulation nur eine Variation der Amplitude des Trägersignals in Abhängigkeit des Nutzsignals, während die anderen Parameter der Trägerfrequenz keine Information tragen. Das durch diese Modulation spektral versetzte Signal kann dann über einen Übertragungskanal zum Empfänger übertragen werden, welcher mittels Demodulation das ursprüngliche Nutzsignal wiedergewinnt. Die Übertragung kann leitungsgebunden über elektrische Kabel, Lichtwellenleiter oder auch mittels Antennen in Form einer Freiraumausbreitung ("Funk") erfolgen.

Modulation und Multiplextechnik

Der Begriff der Modulation ist eng mit dem Begriff der Multiplextechnik verknüpft. Die Multiplextechnik beschäftig sich damit, mehrere Nutzsignale parallel und mit idealerweise keiner gegenseitigen Beeinflussung über einen gemeinsam genutzten Kanal wie beispielsweise in einem Kabel oder im Bereich der Freiraumübertragung mittels Funk zu übertragen. Modulationsverfahren dienen dazu um Multiplextechniken wie das spektrale Multiplexverfahren, das zeitliche Multiplexverfahren oder den Codemultiplex in der praktischen Umsetzung zu realisieren.

Lineare und nichtlineare Modulationsverfahren

Modulationstechniken lassen sich weiters nach linearen und nichtlinearen Modulationsverfahren unterteilen. Lineare Modulationen sind analytisch leichter zu beschreiben. Ein Modulationsverfahren ist dann linear, wenn die mathematische Funktion zwischen dem Nutzsignal und dem Sendesignal, welche den Modulationsvorgang beschreibt, eine lineare Funktion ist. Dies ist beispielsweise bei der Amplitudenmodulation der Fall, welche im Zeitbereich eine Multiplikation darstellt.

Bei nichtlineare Modulationen hingegen, welche als Zusammenhang zwischen Nutzsignal und Sendesignal eine nichtlineare Funktion besitzen, ist die Abbildung von den Momentanwerten des Nutzsignals abhängig. Deren Analyse ist mit höheren Aufwand verbunden, oft sind dabei auch keine geschlossenen analytischen Lösungen verfügbar und es müssen Näherungsverfahren wie zum Abschätzen der nötigen Bandbreite des Sendesignals verwendet werden. Ein Beispiel für eine nichtlineare Modulation ist die Frequenzmodulation wo die Verknüpfung zwischen Nutzsignal und Sendesignal durch Winkelfunktionen wie der Kosinus-Funktion gebildet wird.


Modulationsverfahren

Analoge Modulationsverfahrenten im Trägerband

Analoge Nutzsignale wie Sprach-, Musik oder Bildsignale. Mathematisch handelt es sich bei den analogen Modulationsarten um eine Mischung von Schwingungen nach den Additionstheoremen für Winkelfunktionen.

Es gibt verschiedene Modulationsarten beziehungsweise -verfahren:

Digitale Modulationsverfahren im Basisband

Siehe auch: Leitungscode

Digitale Modulationsverfahren im Trägerband

Die oben aufgeführten Modulationsarten können auch für digitale Signale verwendet werden. Sie werden dann manchmal auch als shift keying (Umtastung; Umschaltung zwischen festen Zuständen) bezeichnet, zum Beispiel als Phase Shift Keying (PSK), Amplitude Shift Keying (ASK) oder Frequency Shift Keying (FSK). Weiterhin gibt es einige Modulationsarten speziell für digitale Übertragung.

Spezielle Modulationen

Keine Modulationsarten im eigentlichen Sinne, sondern Möglichkeiten, wie ein analoges Signal durch ein digitales Signal dargestellt werden kann, sind:

Weblinks:

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