modulasjon – omforming

Innen telekommunikasjonsteknikken det å omforme et signal som inneholder informasjon, til en form tilpasset mediet som skal benyttes i signaloverføringen. Det skilles mellom båndpassmodulasjon og basisbåndmodulasjon.

Det lavfrekvente informasjonssignalet, basisbåndsignalet, må preges inn på en høyfrekvent bærebølge for at man skal kunne overføre det som et radiosignal. Basisbåndsignalet blir på den måten konvertert til et annet frekvensområde. Båndbredden begrenses til et område rundt bærefrekvensen, og denne moduleringen betegnes derfor båndpassmodulasjon. Moduleringen er den samme enten basisbåndsignalet er analogt eller digitalt.

Signalet preges inn på bærebølgen ved enten å endre styrken (amplituden) på bærebølgen i takt med basisbåndsignalet, amplitudemodulasjon (AM), ved å endre frekvensen, frekvensmodulasjon (FM) eller ved å endre fasen på bærebølgen, fasemodulasjon (PM).

Amplitudemodulasjon var det første modulasjonssystemet som ble tatt i bruk til kringkasting. Man får her et øvre og et nedre sidebånd rundt bærebølgen. Båndbredden er relativt liten, men metoden krever sendere med høy utstrålt effekt og er følsom for støy. Utstrålt effekt kan reduseres ved å fjerne det ene sidebåndet og undertrykke bærebølgen (Single Side Band, SSB). Til kringkastingsformål benytter man nå AM og SSB bare til langdistanse radiosendinger på kort- og mellombølge. FM benyttes til lydkringkasting innenlands. FM krever langt større båndbredde enn AM, slik at man må benytte høyere bærebølgefrekvens. Kvaliteten blir vesentlig bedre, og det kan overføres stereofonisk lyd. Landbaserte fjernsynssendere benytter en variant av AM (vestigal sideband) til billedinformasjonen og FM til lyden. Se fjernsyn (prinsipp, virkemåte).

I radiobaserte systemer som mobiltelefon (GSM), radiolinje og satellittkommunikasjon benyttes også digitale basisbåndsignaler. I disse systemene er det diskrete signaltilstander som skal preges inn på bærebølgen, og de tre formene betegnes her amplitudeskiftnøkling, frekvensskiftnøkling og faseskiftnøkling. Alle tre formene er i bruk, gjerne i kombinasjon med hverandre. En rekke hensyn avgjør valg av metode, slik som god utnyttelse av tilgjengelig båndbredde og lav bitfeilsannsynlighet. En kombinasjon av fase- og amplitudeskiftnøkling (Quadrature Amplitude Modulation, QAM) er mye benyttet. Det er konstruert systemer hvor opptil 1024 ulike tilstander kan preges inn på samme bærebølge.

I GSM benyttes en form for frekvensskiftnøkling. Det er utviklet mange varianter av digitale båndpassmodulasjonssystemer, og det foregår mye forskning og utvikling på slike systemer.

Analoge pulsmodulasjonssystemer benyttes i en del sammenhenger. Her blir bærebølgen oppdelt i meget korte pulser, og modulasjonssignalet kan kontrollere pulsens amplitude, pulsamplitudemodulasjon (PAM), pulsenes varighet, pulsbreddemodulasjon (PDM) eller pulsenes innbyrdes posisjon, pulsposisjonsmodulasjon (PPM). Disse systemene har anvendelser ved radar, spesielle radiosamband og radiolinjer.

Basisbåndet er frekvensområdet som informasjonssignalet er begrenset til. Dette er gjerne et analogt signal (tale, musikk, video) i et relativt lavt frekvensbånd fra null og opp til noen kiloherz for tale og musikk og opp til noen megahertz for video. Basisbåndsignalet overføres noen ganger i sin opprinnelige form, f.eks. over analoge telefonlinjer fra abonnent til sentral. Mer vanlig er det å benytte digital signaloverføring, og omformingen av det analoge signalet til digital form betegnes basisbåndmodulasjon. En av fordelene med digitale systemer er økt støyimmunitet fordi mottageren kun skal skille mellom et endelig antall tilstander.

En vanlig form for basisbåndmodulasjon er pulskodemodulasjon (PCM), som benyttes innen telekommunikasjon. Her tas først punktprøver av det analoge signalet. Dersom disse tas med tilstrekkelig liten avstand, kan det analoge signalet ut fra punktprøvene gjenskapes eksakt til sin opprinnelige form. Deretter kvantiseres punktprøvene, dvs. at de tilordnes et begrenset antall tillatte nivåer som hver kan representeres med et tall. I PCM benyttes tall i det binære tallsystemet hvor hvert tall er en kombinasjon av et antall 0 og 1, og hvor disse fysisk kan representeres ved to ulike elektriske tilstander (f.eks. puls–ikke puls).

Tilordningen av punktprøvene til et begrenset antall tillatte nivåer medfører en form for støy kalt kvantiseringsstøy, og desto flere tillatte nivåer jo bedre blir signal/støy-forholdet i prosessen. I telefonsamband måler man det analoge signalet 8000 ganger i sekundet og det overføres som tallverdier à 8 binære sifre (256 nivåer). Ved høykvalitets lydoverføring av f.eks. musikk benytter man 2048 nivåer med 11 bit per nivå (2¹¹ = 2048). I demodulatoren gjenskapes de kvantiserte punktprøvene og ut fra disse det opprinnelige signalet med tillegg av kvantiseringsstøyen.

Prinsippet for pulskodemodulasjon ble oppfunnet av H. A. Reeves i 1937, men det fikk ingen praktisk anvendelse før integrerte kretser i 1960-årene muliggjorde fremstilling av den kompliserte elektronikken som kreves. For overføring av talesignal med telefonkvalitet benyttes en datahastighet på 64 kbit/s i Europa, mens den amerikanske standarden er basert på 56 kbit/s.

For å utnytte båndbredden i aktuelle overføringskanaler kan pulser fra et antall ulike signaler stokkes om hverandre og overføres samtidig i såkalt tidsmultipleks (se multipleksing). Dette gir et mer bredbåndet signal.

En annen metode er deltamodulasjon, hvor det er differensen i signalnivå mellom to målinger som blir kodet og overført. Den ble tidligere benyttet en del i militære sammenhenger og kunne overføre tale med datahastigheter på typisk 16–32 kbit/s. Nå benyttes mer effektive metoder for overføring av analoge signaler til digital form.