Moduláció (fizika)

A moduláció különféle eljárások csoportja, melyek biztosítják, hogy egy tipikusan szinuszos jel - a vivő - képes legyen információ hordozására. A szinuszos jel három fő paraméterét, az amplitúdóját, a fázisát vagy a frekvenciáját módosíthatja a modulációs eljárás, azért, hogy a vivő információt hordozhasson. Néhány ok, ami miatt szükséges a közvetítő közegen való átküldést megelőző moduláció:

• több felhasználó közötti megosztás (többszörös hozzáférés)
• az átviendő jel és a közvetítő közeg fizikai jellemzőinek összeegyeztetése

A berendezés, amely végrehajtja a modulációt: modulátor; és a berendezés, ami a visszaállításhoz szükséges inverz műveletet hajtja végre: demodulátor. A mindkét művelet végrehajtására képes eszköz (a két kifejezés összevonásából): modem.

Digitális moduláció esetében az átvitelre kerülő jel lehetséges változásait egy speciális (modulációs) ábécé határozza meg, és minden bejövő, továbbítandó információ része lesz a ténylegesen továbbított jelzésnek (szimbólumnak).

Az analóg moduláció esetén a vivőjel változása folyamatos, és a vivőjel valamilyen jellemzőjének (lásd később) folyamatos megváltoztatásával történik az információ(k) továbbítása.

Általában a modulációval szemben a következő követelményeket támasztják:

• egyszerűség (kis veszteség, kis szóródás), a jel elektromágneses hullámként való továbbítása
• multiplexálhatóság, egy adott átviteli közegen keresztül több jelfolyam is átvihető legyen egy időben
• a vevő oldalon könnyen kezelhető legyen

A vivőjel általában nagyfrekvenciájú elektromágneses hullám.

Analóg modulációs technikák

• szögmoduláció
  • fázismoduláció (PM)
  • frekvenciamoduláció (FM)
• amplitúdómoduláció (AM)
  • egy oldalsávos moduláció (SSB, vagy SSB-AM), módosított változata az egy oldalsávos, elnyomott vivőjű moduláció (SSB-SC)
  • Vestigial-oldalsávos moduláció (VSB, vagy VSB-AM)
• szigma-delta moduláció (∑Δ)

Digitális modulációs technikák

Bármilyen módon történik a digitális moduláció, minden esetben szükséges véges számú, egymástól különböző, digitális adatnak megfelelő jel.

• A fáziseltolás-billentyűzés (phase-shift keying) véges számú fázist használ.
• A frekvenciaeltolás-billentyűzés (FSK, frequency-Shift Keying) véges számú frekvenciát használ.
• Az amplitúdóeltolás-billentyűzés (ASK, Amplitude-Shift Keying) véges számú amplitúdót használ, és nagyon hasonlít az impulzuskód-modulációhoz.

Minden fázishoz, frekvenciához vagy amplitúdóhoz egy egyedi bináris bitmintát rendelnek. Általában minden fázis, frekvencia vagy amplitúdó azonos számú bitet reprezentál. Adott számú bit egy szimbólumot alkot.

A modulátor az átvinni kívánt adaton a következő lépéseket hajtja végre:

1. elfogadja a bejövő digitális adatot;
2. a kapott adatokat- opcionálisan – kibővíti egyéb adatokkal (hibajavító kód);
3. az adatokat szimbólumokba csoportosítja;
4. a szimbólumnak megfelelően beállítja vagy megváltoztatja a fázist, frekvenciát vagy amplitúdót;
5. a modulált jelet elküldi további feldolgozásra - például szűrés, csatorna-kódolás - mielőtt a tényleges jelátvitel megtörténne, majd a jelet az adott átviteli közegen keresztül továbbítja.

A vevő oldalon a demodulátor

1. visszaállítja a szűrés, csatorna-kódolás által esetleg megváltoztatott jelet;
2. meghatározza a jel fázisát, frekvenciáját vagy amplitúdóját;
3. a fázis, frekvencia vagy amplitúdó alapján egy táblázatból kiválasztja a megfelelő szimbólumot;
4. a szimbólumot egyedi, különálló bitekre fordítja;
5. a bitfolyamot továbbítja későbbi feldolgozásra (például az esetleges hibajavító kód(ok) eltávolítása).

A fentiek miatt a digitális kommunikációs rendszereknél a modulátor és a demodulátor tervezése egyszerre történik. A digitális modulációs sémák esetében alapvető fontosságú, hogy az adó-vevő pár tudja, hogy az adatok hogyan vannak kódolva, és milyen jellemző reprezentálja azokat az adott rendszerben, illetve az adó-vevő pároknak az egymásnak megfelelő inverz műveleteket kell tudniuk végrehajtani.

A legfontosabb modulációs osztályok a következők:

• fáziseltolás-billentyűzés (PSK);
  • bináris fázisbillentyűzés (BPSK)
  • kvadratúra fázisbillentyűzés (QPSK)
• frekvenciaeltolás-billentyűzés (FSK) és hangfrekvenciaeltolás-billentyűzés (AFSK – Audio Frequence-Shift Keying);
  • minimumeltolás-billentyűzés (MSK – Minimum Shift Keying);
  • Gauss minimumeltolás-billentyűzés (GMSK – Gaussian Minimum Shift Keying);
  • nagyon minimális eltolás-billentyűzés (VMSK – Very Minimum Shift Keying);
• amplitúdóeltolás-billentyűzés (ASK) és ennek legismertebb formája a be-ki billentyűzés (OOK – On-Off Keying);
• kvadratúra-amplitúdómoduláció (QAM), a PSK és az ASK kombinációja;
• folyamatos fázismoduláció (CPM);
• Trellis-kódolású moduláció (TCM), mely Trellis-moduláció néven ismert.

Az MSK és a GMSK valójában egy speciális esete a folyamatos fázismodulációnak (CPM).

Gyakran hivatkoznak – hibásan – az ortogonális frekvencia-osztásos multiplexálásra (OFDM), mint modulációs sémára, mely előnyösen használható a digitális technikában. Az eljárás mint diszkrét többhangos moduláció (DMT) ismert. Ha az OFDM egy csatornakódolás-technikával együtt lép fel, akkor az nem más, mint a kódolt ortogonális frekvencia-osztásos multiplexálás (COFDM). Az OFDM viszont szigorúan egy csatorna-hozzáférési mód és nem egy modulációs séma.

Impulzusmoduláció

Az impulzusmoduláció a digitális és analóg technikák hibrid megoldása.

• Impulzuskód-moduláció (PCM – Pulse-Code Modulation))
• Impulzusszélesség-moduláció (PWM – Pulse-Width Modulation)
• Impulzusamplitúdó-moduláció (PAM – Pulse-Amplitude Modulation)
• Impulzuspozíció-moduláció (PPM – Pulse-Position Modulation)
• Impulzussűrűség-moduláció (PDM Pulse-Density Modulation)

Különleges technikák

• A Morse-kód rádión keresztüli átvitelére használják az úgynevezett folytonos vivő (CW) csatornán egy ki-be billentyűzési módot.
• Adaptív moduláció
• Wavelet-moduláció

Kapcsolódó szócikkek

• Rádióadás-típusok
• Kommunikációs csatorna
• Csatorna hozzáférési módok
• Csatornakódolás
• Vonali kódok
• Telekommunikáció
• Modem
• RF modulátor
• Codec

Egyéb, angol nyelvű információk

• "Data Encoding Techniques" és "Specifications for Data Encoding" .
• szemléltető anyagok különböző modulációs eljárásokhoz
• https://web.archive.org/web/20090417234616/http://www.educypedia.be/electronics/rfdigmod.htm