Modulation (Technik)

Grundidee und Zweck

Modulation ist ein Vorgang der Nachrichtentechnik, bei dem ein zu übertragendes Nutzsignal, zum Beispiel Musik, Sprache oder Daten, einen Träger verändert. Das Nutzsignal liegt oft bei niedrigen Frequenzen vor. Durch Modulation wird es in einen höheren Frequenzbereich übertragen, sodass es über Kabel, Lichtwellenleiter oder Funk besser gesendet werden kann. Das Sendesignal belegt um die Trägerfrequenz herum eine Bandbreite, die vom Nutzsignal abhängt. Am Empfangsort gewinnt ein Demodulator die ursprüngliche Nachricht wieder zurück.

Das Trägersignal selbst enthält keine eigene Bedeutung für die Nachricht. Es dient dazu, das Nutzsignal an die physikalischen Eigenschaften des Übertragungskanals anzupassen. Bei manchen Modulationsarten kann der Träger sogar unterdrückt werden.

Modulation ist nötig, weil eine direkte Aussendung von Sprache oder Musik viele Probleme hätte: Mehrere Programme würden denselben Niederfrequenzbereich belegen und sich stören, außerdem wären wegen der niedrigen Frequenzen sehr große Sende- und Empfangsantennen erforderlich. Durch Modulation senden verschiedene Anbieter auf unterschiedlichen Trägerfrequenzen. Im Empfänger können Filter, zum Beispiel Schwingkreise, diese Frequenzbereiche trennen, sodass man ein bestimmtes Programm auswählen kann.

Modulation ermöglicht außerdem, mehrere Informationen auf einer Trägerfrequenz zu übertragen und später wieder zu trennen. Beim UKW-Rundfunk können neben Musik weitere Informationen wie RDS oder Senderkennung übertragen werden. Auch Stereoübertragung, Farbfernsehen, DSL, Fernbedienungen, Mobilfunk, WLAN, Bluetooth, GPS, Satellitenfernsehen und viele weitere Anwendungen beruhen auf Modulation.

Technische Beschreibung

Bei der Modulation werden Parameter eines Trägers durch das Nutzsignal verändert. Wichtige Parameter sind Amplitude, Frequenz und Phase. Die Amplitude beschreibt die Stärke einer Schwingung, die Frequenz die Anzahl der Schwingungen pro Zeit, und die Phase die Lage einer Schwingung innerhalb ihres periodischen Verlaufs. Bei der analogen Amplitudenmodulation wird nur die Amplitude des Trägers verändert. Bei anderen Verfahren können Frequenz, Phase oder mehrere Parameter zugleich verändert werden.

Ein moduliertes Signal ist gegenüber dem ursprünglichen Nutzsignal spektral verschoben, es liegt also in einem anderen Frequenzbereich. Dort kann es über einen Übertragungskanal gesendet werden. Die Übertragung kann leitungsgebunden über elektrische Kabel und Lichtwellenleiter oder drahtlos über Antennen als Freiraumausbreitung, also Funk, erfolgen.

Modulationsverfahren lassen sich nach der Zeit- und Wertdarstellung unterscheiden. Zeitkontinuierliche Verfahren verwenden als Träger ein kontinuierliches Signal, zum Beispiel eine Sinusschwingung. Entscheidend ist, dass das modulierte Signal am Ausgang des Modulators zeitkontinuierlich ist. Solche Verfahren können wertkontinuierlich oder wertdiskret sein. Wertkontinuierliche und zeitkontinuierliche Verfahren werden oft ungenau analoge Modulation genannt; wertdiskrete und zeitkontinuierliche Verfahren werden oft digitale Modulation genannt.

Zeitdiskrete Verfahren liefern am Modulatorausgang nur zu bestimmten Zeitpunkten ein definiertes Trägersignal. Typische Vertreter sind Pulsträgerverfahren. Auch sie können wertkontinuierlich oder wertdiskret sein. Pulsamplitudenmodulation (PAM) ist wertkontinuierlich und zeitdiskret. Puls-Code-Modulation (PCM) ist wertdiskret und zeitdiskret.

Eine weitere Einteilung unterscheidet lineare und nichtlineare Modulationsverfahren. Linear ist ein Verfahren, wenn die mathematische Funktion zwischen Nutzsignal und Sendesignal linear ist. Ein Beispiel ist Amplitudenmodulation, die im Zeitbereich als Multiplikation beschrieben werden kann. Nichtlineare Modulationen haben eine nichtlineare Beziehung zwischen Nutzsignal und Sendesignal. Ihre Analyse ist schwieriger; oft gibt es keine geschlossenen Lösungen, und Näherungsverfahren werden benutzt, etwa zur Abschätzung der nötigen Bandbreite. Frequenzmodulation ist ein Beispiel, weil die Verknüpfung durch Winkelfunktionen wie die Kosinus-Funktion gebildet wird.

Multiplex und physikalische Modulation

Modulation ist eng mit Multiplextechnik verbunden. Multiplextechnik bedeutet, mehrere Nutzsignale parallel und möglichst ohne gegenseitige Beeinflussung über einen gemeinsamen Kanal zu übertragen, zum Beispiel über ein Kabel oder einen Funkfrequenzbereich. Praktische Formen sind Zeitmultiplex, Frequenzmultiplex und Codemultiplex. Sie werden mit geeigneten Modulationsverfahren umgesetzt.

Modulation findet nicht nur in elektronischen Schaltungen bis zu einigen 100 GHz statt. Es gibt auch Modulatoren, die direkt auf materialspezifischen physikalischen Prinzipien beruhen. Dadurch sind deutlich höhere Trägerfrequenzen möglich, bis in den sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums, also Licht, und darüber hinaus bis Ultraviolett. Ein Nachteil solcher physikalischen Modulatoren ist, dass sie weniger flexibel sind, weil Materialeigenschaften nicht so leicht verändert werden können wie elektronische Schaltungen. Deshalb werden meist einfache Amplitudenmodulationen genutzt.

Beispiele für solche Modulatoren sind Leuchtdioden, Laser oder bei niedrigen Nutzsignalfrequenzen Glühlampen, deren Helligkeit gesteuert wird. Die Helligkeit wird dabei amplitudenmoduliert. Solche Verfahren werden zum Beispiel zum Ansteuern von Lichtwellenleitern oder Optokopplern verwendet.

Analoge Verfahren

Analoge Nutzsignale sind zum Beispiel Sprach-, Musik- oder Bildsignale. Analoge Modulation bedeutet, dass die Modulation im Zeitbereich und im Wertebereich kontinuierlich ist. Das Nutzsignal wird also fortlaufend verarbeitet, ohne dass die Werte des Sendesignals digitalisiert werden. Analog modulierte Signale werden auch Analog Spectrum Modulation, kurz ASM, genannt.

Analoge Modulationsverfahren lassen sich in zwei Hauptgruppen einteilen: Amplitudenmodulation und Winkelmodulation. Alle weiteren analogen Modulationstechniken lassen sich aus diesen beiden Grundarten ableiten.

Bei der Amplitudenmodulation wird die Information des Nutzsignals kontinuierlich in der Amplitude des Sendesignals abgebildet. Sonderformen sind Amplitudenmodulation mit unterdrücktem Träger, Einseitenbandmodulation (SSB) und Restseitenbandmodulation. Amplitudenmodulation wird zum Beispiel beim analogen Rundfunk auf Mittelwelle und in der analogen Fernsehtechnik verwendet. Einseitenbandmodulation ist technisch aufwendiger, nutzt das Frequenzband aber effizienter und wird unter anderem im Amateurfunk eingesetzt.

Zur Winkelmodulation gehören vor allem Frequenzmodulation (FM) und Phasenmodulation (PM). Dabei wird das Nutzsignal im Phasenwinkel des Trägersignals abgebildet. Dadurch ändern sich entweder die Trägerfrequenz oder die Phasenlage. Frequenzmodulation wird zum Beispiel im analogen UKW-Hörfunk verwendet.

Eine Kombination aus Amplituden- und Winkelmodulation heißt Vektormodulation. Dabei steckt die Information sowohl in der Amplitude als auch im Phasenwinkel der Trägerschwingung. Ein bekanntes analoges Beispiel ist die Übertragung der Farbinformation beim PAL- beziehungsweise NTSC-Farbbild-(FBAS)-Signal. Die Farbsättigung bestimmt dabei die Amplitude, die Farbart beziehungsweise der Farbton den Phasenwinkel eines Trägersignals, des Farbhilfsträgers.

Digitale Verfahren

Digitale Modulationsverfahren übertragen Symbole, die für Sender und Empfänger eindeutig festgelegt sind. Dies wird Digital Spectrum Modulation, kurz DSM, genannt. Obwohl die Information digital ist, bilden die ausgesendeten Symbole beziehungsweise ihre Überlagerung einen kontinuierlichen Zeitverlauf. Die Form der Symbole muss so gewählt werden, dass ihr Spektrum innerhalb der erlaubten Bandbreite des Übertragungskanals bleibt. Analoge Signale wie Sprache oder Musik müssen vor digitaler Modulation digitalisiert werden. Die digitalen Stichproben werden anschließend auf Sendesymbole abgebildet; dieser Schritt heißt mapping.

Digitale Modulationen liefern gültige Werte nur zu bestimmten Abtastzeitpunkten. Der Abstand dieser Zeitpunkte heißt Symbolrate. Zwischen zwei Abtastzeitpunkten ist die Information des Sendesignals undefiniert. Deshalb ist die Taktrückgewinnung wichtig: Der Empfänger muss erkennen, wann gültige Information vorliegt.

Digitale Modulationen sind außerdem wertdiskret: Es kann nur eine endliche Anzahl unterschiedlicher Werte übertragen werden. Geeignete Sendesymbole helfen, kleine Abweichungen durch Übertragungsfehler zu erkennen und zu kompensieren. Dadurch sind digitale Modulationsverfahren meist störunempfindlicher als analoge. Störungen können zum Beispiel mit einem Augendiagramm oder durch Darstellung der Sendesymbole in der komplexen Ebene bewertet werden.

Bei digitalen Verfahren mit einem Träger gehört Amplitude Shift Keying (ASK) zu den einfachsten Formen: Die Amplitude wird in diskreten Schritten abhängig von der Nutzdatenfolge umgeschaltet. Frequency Shift Keying (FSK) und Phase Shift Keying (PSK) verändern Frequenz oder Phase in diskreten Stufen. Eine spezielle FSK-Form ist Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK), bei der der Modulationsindex genau 0,5 beträgt. Frühe Telefonmodems der 1980er Jahre nutzten FSK nach ITU-T V.21 oder V.23 und erreichten bis zu 1200 bit pro Sekunde; auch analoge Faxgeräte nutzen solche Verfahren.

Digitale Phasenmodulationen wie QPSK übertragen Nutzdaten in der Phasenlage des Trägers und werden in der Telekommunikation eingesetzt, zum Beispiel bei GSM. Häufig werden Amplituden- und Winkelmodulation kombiniert. Ein wichtiges Verfahren ist Quadraturamplitudenmodulation (QAM), etwa 16QAM, 32QAM oder 64QAM. Die Zahlen geben die diskreten Datenpunkte beziehungsweise Sendesymbole in der komplexen Ebene an. Mehr Symbole bedeuten mehr Bits pro Symbol, machen aber die Unterscheidung im Empfänger schwieriger. Für robuste oder stark gestörte Übertragungen werden daher Verfahren mit wenigen Sendesymbolen genutzt.

Bei Verfahren mit mehreren Trägern wird der Nutzdatenstrom auf mehrere Träger verteilt. Wenn einzelne Träger gestört sind, sinkt nur der Gesamtdatendurchsatz, während andere Träger weiter nutzbar bleiben. Discrete Multitone (DMT) wird bei ADSL eingesetzt. Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) beziehungsweise Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex (COFDM) wird beim terrestrischen digitalen Fernsehen DVB-T verwendet. Dabei können bis zu einige 10.000 Träger genutzt werden; auf ihnen werden schmalbandige digitale Modulationen wie 16QAM eingesetzt. So lassen sich bis zu einige 10 kbit Nutzdaten parallel in einem Taktschritt übertragen.

Bei codierter Modulation werden Kanalcodierung und digitale Modulation untrennbar verbunden. Kanalcodierung fügt Redundanz hinzu, also zusätzliche Information zum Schutz vor Übertragungsfehlern. Der zusätzliche Codegewinn beruht hier nicht auf dem minimalen Hamming-Abstand, sondern auf der euklidischen Distanz der Sendesymbole in der komplexen Ebene. Beispiele sind Trellis-Code-Modulation (TCM) mit Faltungscode und QAM, Block-Code-Modulation (BCM) mit Blockcode sowie Multilevel-Code-Modulationsverfahren (MLCM). Auch Binary Offset Carrier (BOC) zählt dazu und ist teilweise noch Gegenstand aktueller Forschung.

Spezielle Verfahren und Geschichte

Bandspreizmodulationen, englisch Spread Spectrum Modulationen, vergrößern das Sendespektrum im Vergleich zum Nutzdatenspektrum stark. Beispiele sind Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) und Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS). Sie bilden die Grundlage von Codemultiplexverfahren. Der Empfang erfolgt mit Korrelation und speziellen Codefolgen, die meist zufallsähnliche Eigenschaften haben und Kanäle voneinander unterscheiden. Solche Verfahren können sogar Signale übertragen, die unterhalb des Hintergrundrauschpegels liegen. Anwendungen finden sich im militärischen Bereich, in der Spionage, bei GPS und Galileo, im Mobilfunk der dritten Generation mit CDMA sowie in der Steganografie, etwa für elektronische Wasserzeichen.

Pulsmodulationen wandeln ein kontinuierliches analoges Signal in eine zeitdiskrete Folge einzelner Pulse um. Dazu gehören Pulsdauermodulation (PDM), Pulsamplitudenmodulation (PAM), Pulsfrequenzmodulation (PFM) und Pulsphasenmodulation (PPM). Es gibt auch amplitudendiskrete Varianten. Bei PAM heißt die wertdiskrete Version Puls-Code-Modulation (PCM). PDM wird zum Beispiel zur Leistungsregelung von Elektromotoren und im Audiobereich bei Klasse-D-Verstärkern verwendet. Pulse-Step-Modulation (PSM) wird bei amplitudenmodulierten Sendeendstufen größerer Leistung eingesetzt. Bei PCM wird ein Impulskamm, also eine periodische Folge kurzer Einzelpulse, mit dem Eingangssignal multipliziert. Die Ausgabewerte werden anschließend quantisiert, also in eine endliche Anzahl von Stufen umgewandelt. PCM wird bei einigen Analog-Digital-Umsetzern genutzt, besonders bei der Digitalisierung von Sprach- und Musiksignalen.

Historisch beruhen Sprache und Musik selbst auf einer Form von Modulation: Der Ton aus dem Kehlkopf dient als Träger, dessen Lautstärke und Tonhöhe verändert werden. Guglielmo Marconi erreichte 1899 die erste Funkübertragung über den Ärmelkanal, indem er einen Knallfunkensender ein- und ausschaltete; damit ließen sich Morsezeichen übertragen. Bis 1913 konnten Sender nur ein- und ausgeschaltet werden. Erst nach der Erfindung der Meißner-Schaltung wurde eine Oszillatorschaltung möglich, die ein konstantes Signal erzeugte. Das ermöglichte Modulation mit vielfältigeren Signalen und markierte den Beginn des Rundfunks.