Modulation. Kommunikationstechnik, SS 08, Prof. Dr. Stefan Brunthaler 104

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1 Modulation Kommunikationstechnik, SS 08, Prof. Dr. Stefan Brunthaler 104

2 Datenfernübertragung I Über kurze Entfernungen können Daten über Kupferkabel übertragen werden, indem jedes Bit mit einer positiven oder negativen Spannung kodiert wird. Bei diesen hohen Frequenzen ist die Dämpfung des Kabels zu hoch für lange Übertragungsstrecken. Bei der Datenfernübertragung wird ein kontinuierlich schwingendes Signal als Träger (Carrier) benutzt. Dieses Trägersignal wird vom Sender abgeändert je nach zu übertragendem Nutzsignal. Diese Änderung wird als Modulation bezeichnet. Kommunikationstechnik, SS 08, Prof. Dr. Stefan Brunthaler 105

3 Datenfernübertragung II Unter Modulation versteht man das Verändern eines oder mehrerer Parameter eines Trägersignals in Abhängigkeit von einem informationstragenden Signal. Demodulation macht beim Empfänger den Modulationsvorgang rückgängig. Quelle Modulator Kanal Demodulator Senke Träger Kommunikationstechnik, SS 08, Prof. Dr. Stefan Brunthaler 106

4 Digitale Modulationsverfahren Digitale Modulationsverfahren verwenden als Träger eine Pulsfolge, also ein Rechteck-Signal. Es können sowohl analoge als auch digitale Signale auf den Träger moduliert werden. Vorteile bestehen in der geringeren Störanfälligkeit gegenüber analogen Trägern. In der Praxis wird hauptsächlich die digitale Modulation eines digitalisierten Signals namens PCM (Pulse Code Modulation) verwendet. Modulation analoger Signale auf einen Pulsträger ist für längere Distanzen unüblich. Kommunikationstechnik, SS 08, Prof. Dr. Stefan Brunthaler 107

5 Analoge Modulationsverfahren Eine kontinuierlich schwingende Sinuswelle ist durch drei Parameter gekennzeichnet und beschreibbar: die Amplitude, den höchsten Wert der Welle, die Frequenz, die Anzahl der Wellen je Zeiteinheit (gemessen in Hertz: 1/sek) die Phase, wann die Welle durch den Nullpunkt geht. Ändert der Sender einen dieser Parameter, kann der Empfänger dies erkennen. Entsprechend werden drei grundsätzliche Modulationsverfahren unterschieden: die Amplituden-, die Frequenz- und die Phasenmodulation. Kommunikationstechnik, SS 08, Prof. Dr. Stefan Brunthaler 108

6 Amplitudenmodulation Bei der Amplitudenmodulation (AM) wird die Stärke des ausgehenden Signals im Verhältnis zu den zu sendenden Daten verändert. Aus der Höhe der Amplitude kann der Empfänger wieder auf den Zeichenwert schließen. Zeichen Signal AM Kommunikationstechnik, SS 08, Prof. Dr. Stefan Brunthaler 109

7 Frequenzmodulation (FSK) Bei der Frequenzmodulation (FM) wird als Signalwert die Frequenz des Trägersignals verändert. Diese Methode ist weniger anfällig gegen Störungen aber technisch aufwendiger zu realisieren. Zeichen Signal FM Kommunikationstechnik, SS 08, Prof. Dr. Stefan Brunthaler 110

8 Phasenmodulation I Bei der Phasenmodulation (PM) wird die Phase des Trägersignals je nach zu übertragendem Nutzsignal verändert. Es gibt unterschiedliche Phasenmodulationsverfahren: Bei der Phasenumtastung (PSK = Phase Shift Key) wird nur bei Änderung des Signalwertes ein Phasensprung von 180 o durchgeführt. Es muss ein zusätzliches Taktsignal übertragen werden. Bei der Phasendifferenz-Modulation wird jeder Signalwert einer Änderung der Phasenlage zugeordnet, z.b. Null = 90 o und Eins = 270 o. Damit sind nicht nur die Signalwerte, sondern auch der Takt erkennbar. Kommunikationstechnik, SS 08, Prof. Dr. Stefan Brunthaler 111

9 Phasenmodulation II Bei der Phasendifferenzmodulation (PDM) werden Binärzeichen durch die Phasendifferenz von zwei aufeinanderfolgenden Wechselstromimpulsen verschlüsselt. Mehrere Binärzeichen können so zu einem Wechselstromsignal zusammengefasst werden. Beispiel ITU V.26 (V.2 Leistungspegel für Datenübertragung über Telefonleitung) Zwei Bit werden zusammengefaßt zu 00, 01, 10, 11. Diese Tupel werden mit Signalen übertragen, die sich durch die Phasendifferenzen 45, 135, 225 und 315 unterscheiden. Kommunikationstechnik, SS 08, Prof. Dr. Stefan Brunthaler 112

10 Phasenmodulation III Zeichen Signal PSK Phasen- Differenz- Modulation Kommunikationstechnik, SS 08, Prof. Dr. Stefan Brunthaler 113

11 Phasenmodulation IV Kommunikationstechnik, SS 08, Prof. Dr. Stefan Brunthaler 114

12 Paarweise Kodierung (PDM) Zwei Bit werden zusammengefaßt zu 00, 01, 10, 11. Diese Tupel werden mit Signalen übertragen, die sich durch die Phasendifferenzen 90, 180, 270 und 0 Grad unterscheiden. Dieses Verfahren gleicht dem schon erwähnten ITU V.26, bis auf eine Phasenverschiebung um 45 Grad. Kommunikationstechnik, SS 08, Prof. Dr. Stefan Brunthaler 115

13 Digital-Analog-Wandlung Kommunikationstechnik, SS 08, Prof. Dr. Stefan Brunthaler 116

14 Digitale Übertragung analoger Signale I Um z.b. Sprache über digitale Netze zu übertragen, muss das Sprachsignal erst digitalisiert werden. Um ein analoges Signal als ein digitales senden zu können, wird es abgetastet und die gemessenen analogen Werte in digitale umgewandelt. Die Abtastfrequenz muss so gewählt sein, dass das analoge Signal beim Empfänger wieder restauriert werden kann (Abtast-Theorem beachten). Die technischen Werte sind genormt und leiten sich auch aus den physiologischen Randbedingungen der menschlichen Sensorik ab, also in diesem Fall dem Frequenzgang des menschlichen Gehörs. Kommunikationstechnik, SS 08, Prof. Dr. Stefan Brunthaler 117

15 Digitale Übertragung analoger Signale II Kommunikationstechnik, SS 08, Prof. Dr. Stefan Brunthaler 118

16 Pulse Code Modulation PCM I PCM ist eine Methode, analoge Signale in digitale zu konvertieren. Zur Digitalisierung wird eine Quantisierung der Amplitude und der Zeit für ein Signal vorgenommen. Es erfolgt eine Einteilung in Segmente, in deren Mitte eine Abtastung des Signals erfolgt und in Quantisierungslevel, die approximiert die Amplitude des Signals angeben. Jedem Quantisierungslevel ist ein eineindeutiges Codewort zugeordnet. Der Wert des Levels, den ein Signal zu einer bestimmten Zeit hat, wird Sample genannt. Kommunikationstechnik, SS 08, Prof. Dr. Stefan Brunthaler 119

17 Kodieren eines Signals I Im folgenden Beispiel ist ein Signal in 11 Segmente zur Abtastung und 8 Quantisierungslevel eingeteilt. Jedem Abtastzeitpunkt wird der nächstliegende Quantisierungslevel zugeordnet. Kommunikationstechnik, SS 08, Prof. Dr. Stefan Brunthaler 120

18 Kodieren eines Signals II Die verschiedenen Quantisierungslevel sind folgenden Codeworten zugeordnet: Dadurch ergibt sich als Codewort: Level Codewort Kommunikationstechnik, SS 08, Prof. Dr. Stefan Brunthaler 121

19 Dekodieren eines Signals Zum Kodieren des Beispielsignals wurden 33 Bit benötigt. Das unten stehende Bild zeigt die Wiederherstellung des analogen Signals beim Empfänger. Kommunikationstechnik, SS 08, Prof. Dr. Stefan Brunthaler 122

20 Reduzierung der Quantisierungslevel I Um die zu übertragende Datenmenge zu reduzieren, kann z.b. die Anzahl der Quantisierunglevel auf vier reduziert werden, die durch 2 Bit kodierbar sind. Kommunikationstechnik, SS 08, Prof. Dr. Stefan Brunthaler 123

21 Reduzierung der Quantisierungslevel II Die verschiedenen Quantisierungslevel sind folgenden Codeworten zugeordnet: Dadurch ergibt sich als Codewort: Level Codewort Es werden diesmal 22 Bit zur Übertragung des kodierten Signals benötigt, was einer Reduktion um 33% entspricht. Kommunikationstechnik, SS 08, Prof. Dr. Stefan Brunthaler 124

22 Reduzierung der Samples I Eine andere Methode zur Verminderung der zu übertragenden Datenmenge ist die Reduzierung der Zeitslots, in denen eine Abtastung (Sample Frequenz) vorgenommen wird. Kommunikationstechnik, SS 08, Prof. Dr. Stefan Brunthaler 125

23 Reduzierung der Samples II Die verschiedenen Quantisierungslevel sind folgenden Codeworten zugeordnet: Dadurch ergibt sich als Codewort: Level Codewort Es werden 18 Bit zur Übertragung des kodierten Signals benötigt, was einer Reduktion um 45% entspricht. Kommunikationstechnik, SS 08, Prof. Dr. Stefan Brunthaler 126

24 Ausnutzen des A/D-Wandlers Wird der A/D-Wandler nicht ausgenutzt, d.h. treten bestimmte Quantisierungs-Level nie auf, sinkt die Qualität. Man beobachtet ein Quantisierungs-Rauschen. Güte-Maß ist der Quantisierungs-Rauschabstand SR Q Empfohlene Wortbreiten für A/D-Wandler: Sprache: 8 bit, SR Q = 40 db Musik: 16 bit, SR Q = 90 db Video: 8-12 bit, SR Q = db Kommunikationstechnik, SS 08, Prof. Dr. Stefan Brunthaler 127

25 Audioübertragung per PCM I Bei Telefonieren wird die maximale Frequenz des Sprachsignals auf 3,4 khz begrenzt, so dass die Mindestabtastrate größer sein muss als 6,8 khz. Gewählt wurde eine Abtastrate von 8 khz. Nach physiologischen Untersuchungen ist die Aufteilung der Amplitude des Sprachsignals in 256 ausreichend, so dass für die positive und negative Amplitude bis zu 127 verschiedene Werte abgetastet werden. Da bei Sprache hohe Amplituden selten sind (Laplace- Verteilung), würde der A/D Wandler nicht ausgenutzt. Die Kodierung erfolgt daher logarithmisch (Kompandierung des Signals). Kommunikationstechnik, SS 08, Prof. Dr. Stefan Brunthaler 128

26 Audioübertragung per PCM II Kommunikationstechnik, SS 08, Prof. Dr. Stefan Brunthaler 129

27 Audioübertragung per PCM III Es ergibt sich also eine Informationsrate von 8 Bit mit 8 khz, was 64 kbit/sek entspricht. Aus diesem Grund ist das europäische ISDN-Netz gemäß CCITT-Norm auf 64 kbit/sek pro Datenkanal ausgelegt. In den USA erfolgt die Quantisierung der Amplitude nach Bell-Norm mit 7 Bit, so dass sich für das amerikanische ISDN eine Übertragungsrate von 56 kbit/sek pro Datenkanal ergibt. Kommunikationstechnik, SS 08, Prof. Dr. Stefan Brunthaler 130

28 Prädiktive Codierung (DPCM) Typisch: Audio-Signale mit tiefen Frequenzen hoher Amplitude und hohen Frequenzen geringer Amplitude Dadurch ändern sich die vorderen Bit eines PCM-Signals weniger häufig als die hinteren Bit und werden mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit vorhersagbar. Es ist dann günstig, nicht die Absolutwerte, sondern die Abweichungen der Abtastungen gegenüber der Vorhersage zu übertragen. Der Empfänger berechnet dieselbe Vorhersage und kann damit das Signal dekodieren. Willkommen auf dem Jahrmarkt ;-) Kommunikationstechnik, SS 08, Prof. Dr. Stefan Brunthaler 131

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