FM PM FSK BPSK FDM PSK GMSK OFDM ASK 64-QAM AFSK. Analoge und digitale Modulationsarten im Amateurfunk

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1 BPSK FM PM FSK ASK AM FDM PSK GMSK OFDM 64-QAM AFSK 1 von 28 Vortrag zur UKW-Tagung 2010 DL7MAJ - 09/2010

2 Die Amplitudenmodulation - AM u 0 (t) = A ( 1 + m cos(ϖ Μ t)) cos(ϖ Τ t) m = Modulationsgrad 0... m... 1 m = Amplitudenverhältnis: A(NF) / A(HF) 2 von 28 Vortrag zur UKW-Tagung 2010 DL7MAJ - 09/2010

3 Die Winkelmodulation: Frequenzmodulation FM und Phasenmodulation PM FM: PM: u 0 (t) = A cos(ϖ t + M sin(ϖ Τ Μ t)) u 0 (t) = A cos(ϖ t + Τ ϕ sin(ϖ t)) Μ ϕ, Μ: Modulationsindex 3 von 28 Vortrag zur UKW-Tagung 2010 DL7MAJ - 09/2010

4 Modulationsindex und Modulationsgrad bei FM Modulationsindex: M = ϖ / ϖ M Der Modulationsindex M ist das Verhältnis der Frequenzänderung des Ausgangssignals zur Modulationsfrequenz ("NF") Modulationsgrad: G = ϖ / ϖ T Im Gegensatz dazu ist der Modulationsgrad G das Verhältnis der Frequenzänderung des Ausgangssignals zur Trägerfrequenz ("HF"): 4 von 28 Vortrag zur UKW-Tagung 2010 DL7MAJ - 09/2010

5 In der Praxis wird bei FM i.a. der Modulationsindex M verwendet. Wenn ϖ kleiner als 5kHz ist, spricht man von Schmalband-FM, darüber von Breitband-FM. Das entspricht M < für Schmalband-FM, und M > 3 für Breitband-FM. 5 von 28 Vortrag zur UKW-Tagung 2010 DL7MAJ - 09/2010

6 Ein interessantes Thema: Bandbreite bei FM Im Gegensatz zu einer sauber modulierten AM oder SSB hat FM keine exakt definierbare Bandbreite! Abhängig vom Modulationsgrad ergibt sich eine Verteilung der Seitenbänder nach der "Besselfunktion". Je nach M können Seitenbänder mit einer höheren Ordnungsnummer größer sein als die mit der niedrigeren Ordnungsnummer und dabei noch die Phasenlage wechseln! Ein ideal und linear moduliertes FM-Signal hat THEORETISCH eine unendliche Bandbreite 6 von 28 Vortrag zur UKW-Tagung 2010 DL7MAJ - 09/2010

7 Die Bandbreite des FM-Signals ist als derjenige Frequenzbereich definiert, in dem 99% der übertragenen Leistung liegen. Näherungsweise ergibt sich mit f M = (maximale) Modulationsfrequenz (NF) für M << 1: B HF = 2 (M+2) f M M 1: B HF = 2 (M+1) f M (gilt mit zunehmendem Fehler auch für M > 1) Beispiel: f M = 3kHz (Sprache), eingestellter Hub = 5kHz. Ergebnis: M = 5/3 = 1,67; B HF = 2 (1,67+1) 3kHz = 16kHz; (tatsächlich etwas mehr) Ergibt sich auch aus der bekannten Formel: B HF = 2 ( Hub + Modulationsfrequenz) 7 von 28 Vortrag zur UKW-Tagung 2010 DL7MAJ - 09/2010

8 Die geheimnisvolle Besselfunktion Jetzt zaubern wir... 8 von 28 Vortrag zur UKW-Tagung 2010 DL7MAJ - 09/2010

9 Beispiel für die erste Nullstelle im Bessel-Diagramm f = 100kHz Hub = 100kHz f = 100kHz Hub = 230kHz M M M = 1 M = ϖ / ϖ M M = 2,3 Träger verschwindet 9 von 28 Vortrag zur UKW-Tagung 2010 DL7MAJ - 09/2010

10 Die Frequenzumtastung - FSK Frequency-Shift-Keying FSK = Sonderfall der FM; Ausgangsfrequenz kann nur zwei Frequenzen annehmen. Im Takt des modulierenden Signals wird dabei die Frequenz der HF umgetastet. FSK kann entweder über einen FM-Modulator erzeugt werden ("direkte" FSK), oder über einen modulierten Ton-Hilfsträger wie z.b. bei RTTY auf Kurzwelle mit einem SSB-Sender (Audio Frequency Shift Keying AFSK). 10 von 28 Vortrag zur UKW-Tagung 2010 DL7MAJ - 09/2010

11 Die Phasenumtastung - PSK Phase-Shift-Keying Im Gegensatz zur FSK bleibt bei der PSK die Frequenz unverändert! 11 von 28 Vortrag zur UKW-Tagung 2010 DL7MAJ - 09/2010

12 Amplitudenumtastung - ASK Amplitude-Shift-Keying 12 von 28 Vortrag zur UKW-Tagung 2010 DL7MAJ - 09/2010

13 Symboldauer: T 2-ASK & 2-PSK (BPSK) Bi-Phase-Shift-Keying A A Bit / Symboldauer A -A Phasendrehung um 180 Grad = Vorzeichenumkehr der Amplitude 13 von 28 Vortrag zur UKW-Tagung 2010 DL7MAJ - 09/2010

14 4-ASK Gegenphasig! -3A -A A 3A cos(ωt) 4-PSK Konstante Amplitude! sin(ωt) A 01 Q 2 Bit / Symboldauer A I cos(ωt) von 28 Vortrag zur UKW-Tagung 2010 DL7MAJ - 09/2010

15 Die höherwertige Phasenumtastung z.b.: 8-PSK, 16-PSK sin(ωt) Q Max. zulässiges Störsignal sin(ωt) Q I cos(ωt) I cos(ωt) 8-PSK 16-PSK NUR Modulation der Phase: Mit steigender Anzahl von Zuständen wird der Empfang schwieriger ( Signal-Störabstand ) 15 von 28 Vortrag zur UKW-Tagung 2010 DL7MAJ - 09/2010

16 Die Quadraturamplitudenmodulation z.b.: 16-QAM, 64-QAM sin(ωt) Q Max. zulässiges Störsignal sin(ωt) Q I cos(ωt) I cos(ωt) 16-QAM 64-QAM Modulation von Phase UND Amplitude: Bessere Ausnutzung des Modulationsraumes 16 von 28 Vortrag zur UKW-Tagung 2010 DL7MAJ - 09/2010

17 4-PSK-Modulator Im t+6t t+4t t+2t t Re t+6t t+4t t+2t t Binärsignal Ser 90 o Σ Par 4-PSK t t+2t t+4t t+6t Gen 0 17 von 28 Vortrag zur UKW-Tagung 2010 DL7MAJ - 09/2010

18 16-QAM-Modulator t+4t t Binärsignal Ser Par dB 1 Σ QAM dB 0 1 Gen 90 o 0 Codierung nur als Beispiel 18 von 28 Vortrag zur UKW-Tagung 2010 DL7MAJ - 09/2010

19 01 Im 11 PSK-Demodulator 1 Re 2T r(t) xsin(ωt)dt PSK-Signal 90 o 0 2T t+6t t+4t t+2t t & r(t) xcos(ωt)dt t+2t t t+4t t+6t = Gen Abtastung bei t = 2T t t+2t t+4t t+6t 19 von 28 Vortrag zur UKW-Tagung 2010 DL7MAJ - 09/2010

20 Beispiel für 64-QAM: DREAM (Digital Radio Mondiale) MSC: Main Service Channel (Daten aller Services) SDC: Service Description Channel (Dekodiervorschriften) FAC: Fast Access Channel (Empfängerinformationen) SNR: 22,4 db! 20 von 28 Vortrag zur UKW-Tagung 2010 DL7MAJ - 09/2010

21 FDM (Frequency Division Multiplex) Mehrere Signale werden auf mehrere Subträger verteilt Nachteil: Notwendiger Sicherheitsabstand zwischen den Subträgern und deren Seitenbändern OFDM (Orthogonal FDM) - Viele Teildatenströme werden auf Subträger QAM-moduliert - Subträgersignale sind orthogonal zueinander - Damit minimale gegenseitige Beeinflussung - Schmalbandige Störungen stören nur gering 21 von 28 Vortrag zur UKW-Tagung 2010 DL7MAJ - 09/2010

22 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) Ortogonalität: ( T:Symboldauer ) Die Träger werden in die Nullstellen der benachbarten Träger und deren Modulation gelegt. 22 von 28 Vortrag zur UKW-Tagung 2010 DL7MAJ - 09/2010

23 MSK - Minimum Shift Keying Die Frequenzdifferenz zwischen logisch 1 und 0 ist exakt die Hälfte der Datenrate 1. Phasenumtastung im Nulldurchgang 2. Modulationsindex m = 0,5 Wir erinnern uns: Der Modulationsindex M ist das Verhältnis der Frequenzänderung des Ausgangssignals zur Modulationsfrequenz ("NF") 23 von 28 Vortrag zur UKW-Tagung 2010 DL7MAJ - 09/2010

24 GMSK - Gaussian (filtered) Minimum Shift Keying Zur Bandbreitenbegrenzung wird das Modulationssignal zusätzlich in einem Gauß-Tiefpaßfilter begrenzt. Vorteile der GMSK: 1. Geringere Bandbreite als normale PSK 2. Nichtlineare Verstärkung möglich > Wirkungsgrad hoch 3. Keine AM-Anteile, unempfindlich gegenüber Störungen 4. Geeignet für portable Anwendungen 24 von 28 Vortrag zur UKW-Tagung 2010 DL7MAJ - 09/2010

25 GMSK-Modulator: 1. VCO: Nachteil: Hohe Anforderung an die Stabilität 2. Besser: IQ-Modulator 90 o 90 o Σ GMSK Data Gauss- Tiefpass LO 25 von 28 Vortrag zur UKW-Tagung 2010 DL7MAJ - 09/2010

26 Analoge Sendearten im Amateurfunk Telefonie: AM/SSB, FM/PM Telegraphie: CW (oder war das schon die erste digitale Übertragung in ASK??) FAX: Faksimile in AM oder FM Fernsehen: - ATV: Amateur Television, mehrere(!) MHz Bandbreite - SATV: Schmalband-ATV, 2MHz Bandbreite - SSTV: Slow Scan, 3kHz Bandbreite (SSB-Bandbreite) 26 von 28 Vortrag zur UKW-Tagung 2010 DL7MAJ - 09/2010

27 Digitale Sendearten im Amateurfunk High Speed CW: HSCW in ASK Funkfernschreiben: + RTTY in (A)FSK + SITOR (Simplex Teleprinting over Radio) in (A)FSK + AMTOR (Amateur Teleprinting over Radio) in (A)FSK + PACTOR (Packet Teleprinting over Radio) in (A)FSK + PSK31 in BPSK (BiPhaseShiftKeying) Packet Radio: Packet Teleprinting over Radio, (A)FSK Digitalfernsehen: DATV in GMSK oder OFDM Telefonie & Daten: D-STAR (Digital Smart technologies for Amateur Radio) in 0,5GMSK Datenübertragung: + G-TOR (Golay=Fehlerkorr.) in (A)FSK + CLOVER in 8-PSK oder 16-PSK + APRS in AFSK 27 von 28 Vortrag zur UKW-Tagung 2010 DL7MAJ - 09/2010

28 Alles Klar? 28 von 28 Vortrag zur UKW-Tagung 2010 DL7MAJ - 09/2010

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