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Begriff -
Trägerfrequenz:
Die Trägerfrequenz ist die Grundfrequenz, die
mit der Modulationsfrequenz moduliert wird. Wie der Name sagt trägt diese Frequenz das modulierte Signal. Die Trägerfrequenz ist eine
Festfrequenz, die je nach Modulation in ihrer Amplitude, Phasenlage oder Frequenz im
Rhythmus der Modulationsfrequenz geändert wird.
Übertragungsmethode, bei der das Informationssignal auf einer Trägerwelle durch Variieren der Amplitude aufmoduliert werden. Die Amplitude der Trägerfrequenz ändert sich also in Abhängigkeit vom Pegel und der Frequenz des Modulationssignals.
Frequenzmäßig gesehen bilden sich bei der Amplitudenmodulation neben der Trägerschwingung die positiven und negativen Seitenbänder aus. Wird nur eine feste Modulationsfrequenz benutzt, setzt sich das zu übertragende Frequenzspektrum aus den folgenden drei Frequenzen zusammen: Trägerfrequenz, Träger minus Modulationsfrequenz und Träger plus Modulationsfrequenz.
Die Amplitudenmodulation wird in der Datenübertragungstechnik bei Modems in Form der Amplitudenumtastung (siehe weiter unten) verwendet.
Besonders empfindlich auf Störsignale, da die Amplitudendemodulation speziell anfällig auf diese sind.
SSB ist eine Weiterentwicklung von AM.
Bei AM wird unabhängig von der Modulation ständig ein konstanter Träger
gesendet, also Leistung vergeudet. Bei vorhandener Modulation erscheinen zwei
Seitenbänder, welche die gleiche Information tragen. Bei SSB wird der
unmodulierter Träger und ein Seitenband unterdrückt, so hat man einen optimalen
Wirkungsgrad.
Noch einmal im Detail: Bei der Amplitudenmodulation eines Trägersignal mit einem Frequenzband bilden sich unterhalb und oberhalb der Trägerfrequenz zwei Seitenbänder aus, die beide den Informationsinhalt des Frequenzbandes haben. Hat beispielsweise das Trägersignal eine Frequenz von 1 MHz und wird mittels Amplitudenmodulation mit einem Frequenzband von 2 kHz bis 20 kHz moduliert, dann bilden sich folgende Seitenbänder aus: Das untere Seitenband beginnt bei 980 kHz und endet bei 998 kHz und das obere Seitenband, das bei 1,002 MHz beginnt und bei 1,020 MHz endet. Zwischen beiden Seitenbändern liegt die Trägerfrequenz. Der Informationsinhalt beider Seitenbänder ist identisch.
Um die begrenzten Frequenz-Ressourcen nicht unnötig zu nutzen, selektiert man einen der beiden Bänder über einen Filter. Es bleibt also nur ein Seitenband übrig. Das nennt man Einseitenbandmodulation.
Beim Empfänger muss die zuvor beim Senden unterdrückte Trägerfrequenz wieder dazugemischt werden.
Bei FM bleibt die Stärke des Signals immer gleich, weil die Sprache (Information) in die Frequenz des Signals gepackt wird. Man spricht von einem Frequenz-Hub. Dies ist der Bereich (z.B. 3 kHz) in welchem das Sendesignal schwankt. Kurz gesagt, ein FM-Sender sendet auf 27.125 kHz. Somit schwankt das tatsächliche Signal von 27.122 bis 27.128 kHz, ist also insgesamt 6 kHz breit. FM eignet sich bei Funkverkehr besonders gut für lokale Verbindungen, da die Sprachqualität wesentlich besser ist, als bei AM.
Modulation einer Trägerschwingung durch Veränderung ihrer Frequenz im Rhythmus der zu übertragenden primären Zeichenschwingung (Analoges Datensignal).
Bei der Frequenzmodulation wird die Frequenz mit einem Signal mit konstanter Amplitude verändert. In der Übertragungstechnik mittels Modem wird die Trägerfrequenz für die Übertragung der binären »0« bzw. »1« umgetastet, so genannte Frequenzumtastung (siehe weiter unten). Für die beiden Binärsignale stehen also zwei unterschiedliche Frequenzen zur Verfügung.
Die Phasenmodulation (PM) ist eine Winkelmodulation einer Trägerschwingung, bei der der Phasenwinkel der modulierten Schwingung von dem der Trägerschwingung um einen Betrag abweicht, der proportional zur primären Zeichenschwingung (Datensignal) ist.
Bei der Phasenmodulation unterscheidet man zwischen der Phasenzustandsmodulation und der Phasendifferenzmodulation. Erstere ordnet einer bestimmten Binärzahl eine feste Phasenlage zu, z.B. binär 0 entspricht 90 Grad Phasenlage und binär 1 entspricht 270 Grad.
Bei der Phasendifferenzmodulation, die wegen der Störanfälligkeit der Phasenmodulation fast ausschließlich angewendet wird, werden die Binärzeichen durch die Phasendifferenz von zwei aufeinanderfolgenden Wechselstromimpulsen verschlüsselt. Bei diesem Verfahren werden mehrere Binärzeichen zu einem Wechselstromsignal zusammengefasst und übertragen.
Die Phasenmodulation wird in der Datenübertragungstechnik mit Modems in Form einer Phasenumtastung (siehe weiter unten) eingesetzt.
Alle Umtastverfahren basieren auf den drei genannten Modulationsverfahren: der Amplituden-, Frequenz- und Phasenmodulation.
Bei der frequenzmäßigen Betrachtung eines zeitbezogenen Signals, zeigt dieses neben der Grundschwingung eine mehr oder weniger große Anzahl an Oberwellen. Es handelt sich dabei immer um das ganzzahlige Vielfach aus der Grundwelle. So hat die 1. Oberwelle, die gleichzeitig die 2. Harmonische darstellt, die doppelte Frequenz der Grundwelle. Die 2. Oberwelle die dreifache Frequenz der Grundwelle, usw.
Unerwünschte Übertragung von elektrischen Signalen zwischen zwei Übertragungsmedien aufgrund induktiver oder kapazitiver Kopplung. Diese Übertragung tritt normalerweise zwischen zwei dicht nebeneinanderliegenden Medien auf oder bei Speichermedien auch zwischen zwei benachbarten Tracks wie bei CDs oder DVDs. Das Übersprechen ist nicht auf die Übertragung von Sprachfrequenzen begrenzt, sondern tritt ebenso bei Datensignalen und vor allem bei höherfrequenten Signalen auf.
In der Multimediatechnik wird Cross Talk auch mit X-Talk bezeichnet.
Bei der Amplitudenumtastung wird die Trägerfrequenz mit zwei verschiedenen Amplituden moduliert. Die eine Amplitude entspricht der logischen »0«, die andere der logischen »1«. Die Trägerfrequenz bleibt bei diesem Verfahren konstant. Ein Sonderfall der Amplitudenumtastung tastet bei einem Digitalwert das Trägersignal ein und schaltet den Träger bei dem anderen Digitalwert ab.
Bei der Amplitudenumtastung handelt es sich um eine Amplitudenmodulation, die bei der Übertragung über Modems eingesetzt wird. Das modulierende Signal ist bei der Amplitudenumtastung digital, das Trägersignal sinusförmig. Die Trägerfrequenz bleibt bei diesem Verfahren konstant, die Trägeramplitude ändert sich. Durch die Modulation des Trägersignals mit dem Digitalsignal werden Bursts im Rhythmus des digitalen Modulationssignals erzeugt. Die einfachste Art der Amplitudentastung erfolgt durch Ein- (»1«) und Austasten (»0«) des Trägersignals. Diese Methode hat allerdings den Nachteil, dass man Unterbrechungen nicht von Nullbits unterscheiden kann.
Anwendung: Sprechfunk (siehe SSB), Radio
Die Frequenzumtastung ist eine Frequenzmodulation mittels zweier Frequenzen, die in der Modemtechnik eingesetzt wird. Die eine Frequenz repräsentiert die digitale »Eins«, die andere die digitale »Null«. Beide Frequenzen sind dabei im gleichen Frequenzabstand um eine Trägerfrequenz angeordnet. Den Abstand zwischen den beiden Frequenzen nennt man Frequenzhub. Realisiert wird eine solche Frequenzumtastung durch zwei Oszillatoren mit unterschiedlichen Frequenzen, die abwechselnd, in Abhängigkeit von der zu übertragenden Digitalinformation, ein- bzw. ausgeschaltet werden. Da bei einer solchen Umschaltung die Phasenlagen der einzelnen Oszillatoren im Schaltmoment immer unterschiedlich sind, arbeitet man auch mit nur einem Oszillator, dessen Frequenz sprunghaft geändert wird und dessen Phasenlage kontinuierlich bleibt (CPFSK).
Ein weiterer Parameter für die Frequenzumtastung ist neben dem Frequenzhub der Modulationsindex. Dieser gibt das Verhältnis von Gesamthub zur Datenrate wieder. Unterschreitet der Modulationsindex einen Wert von 0,5, so spricht man von einer MSK-Modulation, Minimum Shift Keying.
Arbeitet man mit mehreren Frequenzen, kann man mehrere Digitalsignale zusammenfassen.
Bei Duplex-Übertragungen werden unterschiedliche Frequenzen für den Hin- (Originate) und Rückkanal (Answer) verwendet. Eine Unterbrechung ist durch Ausfall des Trägers erkennbar.
Bei der Phasenumtastung werden den beiden digitalen Zuständen »0« und »1« zwei Phasenlagen der Trägerfrequenz zugeordnet, beispielsweise 0° für das Signal mit dem Zustand »0« und 180° für das Signal mit dem Zustand »1«. Bei der Phasenumtastung sind die Trägerfrequenz und die Amplitude konstant.
Phasenumtastung mit fester Phasenlage
Bei den genannten Umtastverfahren wird eine Trägerschwingung mit nur zwei Kennzuständen moduliert. Dies führt zu einem relativ großen Bandbreitenbedarf und einer relativ geringen Datenrate. Um die Bandbreite besser zu nutzen und die Geschwindigkeit zu erhöhen, hat man diverse Verfahren entwickelt, in denen gleichzeitig verschiedene Phasenlagen verwendet und mehrere Umtastverfahren miteinander kombiniert werden. Ein Beispiel für eine Vierphasen-Umtastung ist das QPSK-Verfahren.
Darüber hinaus kombiniert man die Phasenumtastung mit der Amplitudenumtastung um eine weitere Erhöhung der Übertragungsgeschwindigkeit bei gleicher Bandbreite zu erreichen. Dieses Verfahren heißt QAM. Anstelle der einzelnen Bits fügt man die Bits in Gruppen von 2, 4, 8 oder mehr Bits zusammen und tastet die Trägerfrequenz in einem bestimmten Phasenwinkel mit einer bestimmten Amplitude. Das QAM-Verfahren, mit dem höchste Übertragungsraten erzielt werden, wird u.a. bei der Übertragung in Modems eingesetzt.
Phasenstern für die Modulation eines DiBits:
Umtastverfahren ASK, FSK und PSK auf einen Blick
Der Modulationsindex gibt das Verhältnis von Gesamthub zur Datenrate wieder. Die Hardware muss entweder auf den Modulationsindex ausgerichtet sein, oder dementsprechend konfiguriert sein.
Das Minimum Shift Keying ist ein Sonderfall der Frequenzumtastung (FSK) bei der der Modulationsindex einen Wert von 0,5 hat.
GFSK ist eine modifizierte Frequenzumtastung (FSK), bei der ein Gauß'scher Filter eingesetzt wird. Bei diesem Modulationsverfahren wird durch die schmalbandigere Ausfilterung der Anteil an Oberwellen reduziert und das Übersprechen verringert. Das GSFK-Verfahren wird bei GSM eingesetzt.
Bei dem GMSK-Modulationsverfahren handelt es sich um ein Minimum Shift Keying (MSK) das durch einen vorgeschalteten Gauß-Filter ergänzt ist. Das Verfahren wird bei GSM verwendet.
Betrachtet man ein Handy (MS-Mobile Station) beim Senden von Gesprächsdaten, so werden alle 570µs 156,25 Bit (siehe Normalburst) gesendet, was einer Übertragungsrate von 270,833kbit/s entspricht, d.h. es sollen rund 271.000 Bit pro Sekunde gesendet werden. 156,25 Bit entspricht genau der Datenmenge, die in einen TDMA-Zeitschlitz hinein passt. Diese rund 271.000 Bit müssen nun aber auf ein 200kHz breites Frequenzband, das auf einen für GSM lizenzierten Frequenzbereich liegt, abgebildet werden. Dazu benötigt man ein Modulationsverfahren. GSM verwendet für die Modulation ein kontinuierliches Phasenmodulationsverfahren, namens GMSK-Gaussian Minimum Shift Keying. Das GMSK-Verfahren ist eine spezielle Art des MSK-Verfahren (Minimum Shift Keying: ist ein frequenzbandoptimiertes FSK-Frequency Shift Keying Verfahren, das man sich als digitales Frequenzmodulationsverfahren vorstellen kann), nur dass bei GMSK die Bitimpulse vor der Modulation durch einen Gaußschen Tiefpass von ihren steilen Impulsflanken befreit werden, um weniger Frequenzbandbreite zu benötigen. Dazu wird die Signalfunktion mit der Impulsantwort h(t) der Gaußfunktion gefaltet. Das muss man sich so vorstellen, dass jedes einzelne Bit eines GSM-Burst, das vor der Modulation durch einen Rechteckimpuls der Zeitlänge von etwa 3,7µs (Breite) dargestellt wird, durch einen 5mal längeren (breiteren) Gaußschen Impuls (siehe Abbildung weiter unten --> Glockenkurve) der Länge 18,5µs umgewandelt wird. Allerdings muss bedacht werden, dass durch die 5mal breiteren Bits als Gaußscher Impuls, die Impulse mit den Nachbarimpulsen überlagert werden. Für die Demodulation benötigt man also eine gewisse Intelligenz, die diese Bit-Überlagerungen wieder korrigieren kann. Dadurch ist es erst möglich, dass die zur Verfügung stehende Bandbreite von 200kHz (fast) nicht verletzt wird. Die 200kHz entsprechen dabei nur der 3dB-Bandbreite des Funksignals.
B ist die 3dB Bandbreite des Gaußschen
Tiefpasses, T entspricht der Bitdauer.
Der GSM-Standard empfiehlt für die Bandbreite: B.T = 0,3
Bei der Funkkommunikation kann es wie bei Kabeln zu Interferenzen kommen. Um diese zu verhindern muss ein Abstand zwischen den datenhaltigen Frequenzbändern gehalten werden, das Guard Band. Wenn der Pegel über 71% ist, gilt das Signal als Information. Bei schlechterer Übertragungsqualität verflacht die Kennlinie (geringer Signal-Rauschabstand).
Barker-Code
Der Barker-Code, der ursprünglich für Radaranwendungen entwickelt wurde, ist ein Codierschema für die Spreizbandtechnik (DSSS) in Funk-LANs nach IEEE 802.11. Bei diesem Codierschema ersetzt eine Bitsequenz von 13 Bits oder weniger ein einzelnes Informationsbit. Im Falle der WLANs nach 802.11 wird mit einer Bitsequenz von 11 Bits gearbeitet, wobei die normale Bitsequenz der digitalen 0 entspricht und die digitale 1 durch die inverse Bitsequenz dargestellt wird. Die sichtbarste Eigenschaft des Barker-Codes sind die unbedeutenden Spitzen der Autokorrelation, die immer aus +1, 0 und -1 bestehen.
Bei DSSS handelt es sich um ein doppeltes Modulationsverfahren, weil zuerst die Trägerfrequenz mir einer Code-Sequenz moduliert wird, und dann durch Nochmalige Modulierung das Datensignal aufmoduliert wird. Es wird eine konstante Bandbreite von 22 MHz geboten. Eingesetzt wird das Verfahren vor allem bei WireLess LAN, da eine hohe Datensicherheit geboten wird.
Die Spreizbandtechnik ist ein Funkübertragungsverfahren, das in Funk-LANs eingesetzt und im IEEE-Standard verwendet wird. Diese Technik unterbindet das Abhören und zeichnet sich durch eine wesentlich reduzierte Abhängigkeit gegenüber Störsignalen aus. Dies bedingt die Spreizung des zu übertragenden Signals über mehrere Frequenzbereiche, wobei die Spreizung durch die Modulation der Trägerfrequenz mit einer pseudostatistischen Codesequenz erfolgt.
Prinzip der Spreizung bei der Spreizbandtechnik
Bei dem DSSS-Verfahren wird das 2,4-GHz-Frequenzband in 22 MHz bis 26 MHz breite Frequenzbänder unterteilt. Jedes einzelne übertragene Bit wird als elf Bit langer Barker-Code im Frequenzband dargestellt, wobei die digitale 0 die normale Bitsequenz repräsentiert und die digitale 1 die inverse. Senderseitig wird somit ein breites Frequenzspektrum erzeugt, das überall die gleiche Information enthält. Empfängerseitig wird das gespreizte Signal über ein Autokorrelationsverfahren komprimiert.
Frequenzverteilung bei der Spreizbandtechnik
Das Verhältnis von gespreizter Bandbreite zu Übertragungsgeschwindigkeit heißt Spreizverhältnis. Ist dieses Verhältnis 10, sind die Übertragungs- und Sicherheitsbedingungen ideal. In der Praxis ist dieses Verhältnis dann gegeben, wenn beispielsweise ein 2-Mbit/s-Signal über eine Bandbreite von 20 MHz gespreizt wird. Der Spreizgewinn, das ist das Verhältnis von der Taktrate des Datenstroms zur Taktrate der Codesequenz, ist auch ein Maß für die Störunempfindlichkeit für das zu übertragende Signal.
Die DSSS-Technik eignet sich vor allem für Umgebungen mit schmalbandigen Störsignalen. Diese Technik kann für Punkt-zu-Punkt- und Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindungen mehrerer LAN-Segmente über einige Kilometer mit 10 Mbit/s eingesetzt werden.
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