Modulation, Multiplexing & Digitalisierung

Modulation: Grundlagen

Modulation ist der Prozess, bei dem bestimmte Merkmale einer Trägerwelle durch eine Informationswelle (Modul) modifiziert werden.

Die Modulation erfordert zwei Signale: das Modul (Information) und den Träger. Als Ergebnis wird ein drittes Signal erzeugt, das modulierte Signal.

Digitale Modulationstechniken

FSK (Frequency Shift Keying)

Hierbei wird die Trägerfrequenz in Abhängigkeit vom Wert des zu übertragenden Bits geändert. Typischerweise wird eine Frequenz f1 für den Wert 'Eins' und eine Frequenz f2 für den Wert 'Null' verwendet.

Vorteile: einfache Demodulationsschaltung, geringe Bandbreitenanforderungen.

ASK (Amplitude Shift Keying)

Bei dieser Technik wird nicht die Trägerfrequenz, sondern deren Amplitude verändert. Die beiden binären Werte ('Null' und 'Eins') werden durch unterschiedliche Amplitudenstufen des Trägersignals dargestellt.

Typischerweise ist eine der Amplituden Null, d.h. die binäre 'Eins' wird durch die Anwesenheit des Trägers und die 'Null' durch dessen Fehlen repräsentiert (On-Off Keying).

PSK (Phase Shift Keying)

Frequenz und Amplitude bleiben konstant. Die Information wird durch unterschiedliche Phasenlagen des Trägersignals repräsentiert.

Bei dieser Art der Modulation benötigt der Empfänger ein Referenzträgersignal, um die Phase des empfangenen Signals vergleichen zu können.

Dies erfordert komplexe Demodulationsschaltungen. Zudem ist diese Art der Modulation sehr anfällig für zufällige Phasenänderungen der übertragenen Wellenform.

In einer gängigen Form der PSK (z.B. QPSK) werden die Phasenlagen 45°, 135°, 225° und 315° verwendet, um jeweils zwei Bits zu kodieren.

DPSK (Differential Phase Shift Keying)

Angesichts der Notwendigkeit für den Empfänger, die absolute Phase bei PSK zu kennen, wurde eine intelligentere Alternative entwickelt.

Diese alternative Phasenmodulationstechnik verwendet Phasenverschiebungen relativ zur vorherigen Symbolphase.

QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

In anspruchsvolleren Modems werden in der Regel Kombinationen aus Amplituden- und Phasenmodulation verwendet (QAM). Dies ermöglicht die Übertragung mehrerer Bits pro Symbol.

Zum Beispiel kann ein Symbolelement vier Bits repräsentieren. Bei einer Symbolrate von 2400 Baud ergibt sich so eine Datenrate von 9600 bps (4 Bits/Symbol * 2400 Symbole/Sekunde).

Analog-Digital-Wandlung

Jedes analoge Signal kann durch drei aufeinanderfolgende Prozesse in eine digitale Form umgewandelt werden:

1. Abtastung (Sampling): Hierbei werden die Werte des analogen Signals zu diskreten Zeitpunkten abgetastet. Gemäß dem Abtasttheorem (Nyquist) sollte die Abtastrate mindestens doppelt so hoch sein wie die höchste Frequenz im analogen Signal.
2. Quantisierung: Jeder abgetastete Wert wird auf das nächstgelegene Niveau innerhalb einer endlichen Menge von diskreten Stufen gerundet.
3. Kodierung: Das quantisierte Niveau wird durch ein digitales Codewort (eine Folge von Bits) dargestellt.

Multiplexing-Verfahren

Frequenzmultiplex (FDM)

Beim Frequenzmultiplex (FDM - Frequency Division Multiplexing) wird die verfügbare Bandbreite des Übertragungskanals in mehrere Frequenzbänder aufgeteilt.

Jeder Teilnehmer erhält ein eigenes Frequenzband und kann gleichzeitig mit anderen senden.

Die Gesamtbandbreite des Kanals muss die Summe der Bandbreiten aller zu übertragenden Signale übersteigen, da Schutzbänder (Guard Bands) zwischen den einzelnen Frequenzbändern erforderlich sind, um Interferenzen zu vermeiden.

Zeitmultiplex (TDM)

Beim Zeitmultiplex (TDM - Time Division Multiplexing) wird den verschiedenen Sendestationen nacheinander ein Zeitfenster zugewiesen. Jede Station darf nur während ihres zugewiesenen Zeitfensters senden.

Jeder Sender nutzt den gesamten Kanal abwechselnd, nicht gleichzeitig. Diese Methode eignet sich besonders gut für die Übertragung digitaler Daten.