Der Begriff Modulation (lat. = Takt, Rhythmus) beschreibt einen Vorgang in der Nachrichtentechnik, bei dem ein zu übertragendes Nutzsignal (beispielsweise Musik, Sprache, Daten) einen sogenannten Träger verändert (moduliert). Dadurch wird eine hochfrequente Übertragung des niederfrequenten Nutzsignals ermöglicht. Das Sendesignal belegt im Bereich der Trägerfrequenz eine vom Nutzsignal abhängige Bandbreite. Die Nachricht wird empfangsseitig durch einen Demodulator wieder zurückgewonnen.

Das Trägersignal selbst ist bezüglich der übertragenen Nachricht ohne Bedeutung; es dient nur zur Anpassung an die physikalischen Eigenschaften des Übertragungskanals und kann (bei bestimmten Modulationsarten) unterdrückt werden.

mini|Analoge Amplitudenmodulation (AM) und Frequenzmodulation (FM) eines niederfrequenten Signals

Notwendigkeit, Beispiele Wenn man Sprache oder Musik direkt aussenden wollte, gäbe es landesweit nur ein einziges „Programm“, weil dieses den kompletten Niederfrequenzbereich beanspruchen würde. Jedes andere Programm würde den gleichen Frequenzbereich belegen und stören. Außerdem wären wegen der niedrigen Frequenz sowohl sende- als auch empfangsseitig riesige Antennen erforderlich. Durch Modulation wird ein wesentlich höherfrequenter Träger im Rhythmus der Information verändert und gesendet. Andere Sender machen Vergleichbares mit Trägern jeweils verschiedener Frequenz. Wenn sich diese Frequenzbereiche im Empfänger mit Hilfe von Filtern (Schwingkreisen) voneinander trennen lassen, kann man aus unterschiedlichen Programmen auswählen. Nebenbei werden auch die Antennen handlicher. Auf einer Trägerfrequenz lassen sich mehrere Informationen unabhängig voneinander so aufmodulieren, dass sie empfängerseitig getrennt werden können. So werden beispielsweise beim UKW-Rundfunk neben der „Vordergrundmusik“ noch weitere Informationen wie z. B. RDS oder die Senderkennung übertragen. Auch die gleichzeitige Übertragung der beiden Stereokanäle (links und rechts) wäre ohne Modulation unmöglich. Beim Farbfernsehen werden die Helligkeits- und Farbinformationen für die einzelnen Bildpunkte so trickreich auf einen Träger moduliert, dass sie sich nicht gegenseitig stören. Beim Schwarz-Weiß-Fernseher wird die Farbmodulation ignoriert. Die Vielfachausnutzung einer Kabel-, Lichtwellenleiter- oder Funkverbindung (Richtfunk, Satellitenfernsehen) für einige Hundert gleichzeitig geführte Telefongespräche oder mehrere Fernsehprogramme wäre ohne raffinierte Modulationsverfahren undenkbar. Bei DSL kann man gleichzeitig und unabhängig voneinander digitale Internet-Daten senden und empfangen, während man nebenbei auch telefonieren kann. Bei einer Fernbedienung lassen sich durch Modulation der Infrarotstrahlung unterschiedliche Befehle wie Kanalwechsel, Änderung der Lautstärke oder Ausschalten drahtlos übertragen.

Bedeutung Die Modulation bringt viele Vorteile gegenüber einer direkten Übertragung des Nutzsignals. Man kann auf diese Weise sowohl analoge als auch digitale Signale übertragen. Das Modulationsverfahren kann unabhängig von der Art des Nutzsignals sowohl analog als auch digital sein.

Geräte, die sowohl modulieren als auch demodulieren können, werden häufig kurz als Modem (Modulator Demodulator) bezeichnet.

Eng verwandt mit der digitalen Modulation ist die Leitungscodierung, die eine Anpassung eines digitalen Nutzsignals an einen Übertragungskanal, hier eine Leitung, zur Aufgabe hat, dabei aber keine Umsetzung vom Basisband in ein höheres Trägerfrequenzband vornimmt.

Die Modulation ist eines der wichtigsten Verfahren der Nachrichtentechnik. Ihr Einsatz ermöglichte in der Nachrichtenübertragung die Nutzung höherer Frequenzbereiche und erschloss damit neue Übertragungswege (zum Beispiel Funk, Richtfunk, Satellitenfunk).

Modulation begegnet uns überall im alltäglichen Leben: Amateurfunk, Flugfunk, Polizeifunk, Seefunk, Taxifunk automatische Schiffsidentifikation (AIS) Datennetze: Bluetooth, Ethernet, WLAN digitales Fernsehen, (DVB), Fernsehen, Radio, Satellitenfernsehen Fernbedienungen, Fernsteuerungen Funkidentifikation (RFID), Flugfunktransponder, On-Board-Unit für LKW-Maut kabelloser Kopfhörer, kabelloses Mikrofon Funktelefon (zum Beispiel DECT), Mobiltelefon (zum Beispiel GSM), Satellitentelefon Satellitennavigation (zum Beispiel GPS)

In jüngster Zeit zeigte sich die Bedeutung der Modulation im Alltag besonders deutlich. Durch Entwicklung neuer Modulationsverfahren wie ADSL konnte die Datenübertragungsrate über die vorhandenen Telefonanschlussleitungen drastisch erhöht werden.

Geschichte Sprache und Musik selbst basieren auf Modulation. Die Bewegung der Zunge und Lippen allein produziert Schnalzer und Schmatzer, die nicht weit zu hören sind. Der Ton aus dem Kehlkopf trägt viel weiter und dient bereits dem Säugling als Träger, durch dessen kontinuierliche (analoge) Veränderungen der Lautstärke und Tonhöhe er über sein Befinden informiert. Bewusst eingesetzt wird die Modulation bei gepfiffenen Sprachen.

Guglielmo Marconi erreichte 1899 die erste Funkübertragung über den Ärmelkanal, indem er einen Knallfunkensender ein- und ausschaltete. Mit dieser digitalen Modulation ließen sich Morsezeichen übertragen. Ein Kohärer im Empfänger reagierte auf das Hochfrequenzsignal und die unstete Leistung des Senders war als Krächzen zu hören. Die Trennschärfe spielte damals noch keine Rolle, da die Anzahl der Sender noch recht begrenzt war. Während Marconi nach höherer Sendeleistung strebte, verbesserte zeitgleich Reginald Fessenden die Empfindlichkeit der Empfänger.

Bis 1913 konnten Sender nur ein- und ausgeschaltet werden, was man bestenfalls als sehr rudimentäre Modulation bezeichnen kann. Eine Modulation mit vielfältigsten Signalen, deren feine Nuancen auch übertragen werden müssen, setzt eine Oszillatorschaltung voraus, die zunächst ein konstantes Signal erzeugt – das wurde erst nach der Erfindung der Meißner-Schaltung möglich. Das war der Beginn des Rundfunks.

Technische Beschreibung Bei der Modulation wird das Nutzsignal in einen anderen Frequenzbereich umgesetzt. Dabei werden Parameter wie Amplitude, Frequenz und/oder Phase der Träger durch das Nutzsignal variiert. Bei der analogen Amplitudenmodulation erfolgt nur eine Variation der Amplitude der Träger. Das durch diese Modulation spektral versetzte Signal kann dann über einen Übertragungskanal zum Empfänger übertragen werden, der mittels Demodulation das ursprüngliche Nutzsignal wiedergewinnt. Die Übertragung kann leitungsgebunden über elektrische Kabel und Lichtwellenleiter oder mittels Antennen in Form einer Freiraumausbreitung („Funk“) erfolgen.

Zeitkontinuierliche und zeitdiskrete Verfahren Zeitkontinuierliche Modulationsverfahren benutzen als Träger ein kontinuierliches Signal wie beispielsweise eine Sinusschwingung. Dabei muss das zu modulierende Informationssignal die Information nicht zeitkontinuierlich darstellen. Wesentlich ist, dass das modulierte Signal am Modulatorausgang zeitkontinuierlich ist. Die zeitkontinuierlichen Verfahren unterteilen sich in wertkontinuierliche und wertdiskrete Modulationsverfahren. Die wertkontinuierlichen und zeitkontinuierlichen Verfahren werden unpräzise auch als analoge Modulation bezeichnet, die wertdiskreten und zeitkontinuierlichen Verfahren als digitale Modulation.

Zeitdiskrete Modulationsverfahren liefern hingegen am Ausgang des Modulators nur zu bestimmten Zeitpunkten ein definiertes Trägersignal. Typische Vertreter dieser Klasse sind die Pulsträgerverfahren. Auch die zeitdiskreten Verfahren unterteilen sich in wertkontinuierliche und wertdiskrete Modulationsverfahren. Ein wertkontinuierliches und zeitdiskretes Modulationsverfahren stellt die Pulsamplitudenmodulation (PAM) dar. Ein typischer Vertreter eines wertdiskreten und zeitdiskreten Modulationsverfahrens ist die Puls-Code-Modulation (PCM).

Lineare und nichtlineare Modulationsverfahren Modulationstechniken lassen sich in lineare und nichtlineare Modulationsverfahren unterteilen. Ein Modulationsverfahren ist dann linear, wenn die mathematische Funktion zwischen dem Nutzsignal und dem Sendesignal, die den Modulationsvorgang beschreibt, eine lineare Funktion ist. Dieses ist beispielsweise bei der Amplitudenmodulation der Fall, die im Zeitbereich eine Multiplikation darstellt.

Bei nichtlinearen Modulationen hingegen, die als Zusammenhang zwischen Nutzsignal und Sendesignal eine nichtlineare Funktion besitzen, ist die Abbildung von den Momentanwerten des Nutzsignals abhängig. Deren Analyse ist mit höherem Aufwand verbunden, oft sind dabei auch keine geschlossenen Lösungen verfügbar und es müssen Näherungsverfahren wie zum Abschätzen der nötigen Bandbreite des Sendesignals verwendet werden. Ein Beispiel für eine nichtlineare Modulation ist die Frequenzmodulation, bei der die Verknüpfung zwischen Nutzsignal und Sendesignal durch Winkelfunktionen wie die Kosinus-Funktion gebildet wird.

Modulation und Multiplextechnik Der Begriff der Modulation ist eng mit dem Begriff der Multiplextechnik verknüpft. Die Multiplextechnik beschäftigt sich damit, mehrere Nutzsignale parallel und idealerweise ohne gegenseitige Beeinflussung über einen gemeinsam genutzten Kanal, zum Beispiel ein Kabel oder einen Funkfrequenzbereich, zu übertragen. Die praktische Umsetzung der verschiedenen Multiplextechniken wie Zeitmultiplex, Frequenzmultiplex oder Codemultiplex erfolgt durch Einsatz geeigneter Modulationsverfahren.

Physikalische Modulation Modulationsverfahren werden nicht nur in den der elektronischen Schaltungstechnik direkt zugänglichen Frequenzbereichen bis zu einigen 100 GHz verwendet, sondern es gibt auch Modulatoren, die direkt auf materialspezifischen, physikalischen Prinzipien beruhen. In diesen Fällen wird der Modulator bzw. auch Demodulator nicht mehr durch eine elektronische Schaltung aus einzelnen Bauelementen und deren Zusammenwirken in einer Schaltung gebildet. Als wesentliche Eigenschaft sind bei diesen Modulatoren deutlich höhere Trägerfrequenzen möglich, die bis in den sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums (Licht) und darüber hinaus (Ultraviolett) reichen können. Nachteilig sind dabei die geringen Variationsmöglichkeiten, da die Materialeigenschaften im Gegensatz zu den als elektronische Schaltungen aufgebauten Modulatoren nicht so einfach verändert werden können. Meistens finden daher nur einfache Amplitudenmodulationen Anwendung.

Ein Modulator in diesem Kontext wäre beispielsweise eine Leuchtdiode, ein Laser oder auch für niedrige Nutzsignalfrequenzen eine Glühlampe, die in der Helligkeit gesteuert wird. Diese Amplitudenmodulation, da die Helligkeit variiert wird, findet dabei in dem inneren Aufbau durch physikalische Prozesse statt und das Sendesignal kann im Bereich optischer Frequenzen und darüber liegen. Anwendung finden diese Modulatoren beispielsweise zum Ansteuern von Lichtwellenleitern oder auch Optokoppler.

Verfahren

Analoge Modulationsverfahren Analoge Nutzsignale sind beispielsweise Sprach-, Musik oder Bildsignale. Wesentliche Eigenschaft analoger Modulationstechniken ist die Kontinuität der Modulation sowohl im Zeit- als auch im Wertebereich. D. h. analoge Modulationen verarbeiten das Nutzsignal kontinuierlich, es erfolgt keine Digitalisierung der Sendesignalwerte. Analog modulierte Signale nennt man auch Analog Spectrum Modulation (kurz ASM).

Die analogen Modulationsverfahren lassen sich in zwei Hauptgruppen einteilen: In die Amplitudenmodulation und in die Winkelmodulation. Alle weiteren analogen Modulationstechniken lassen sich aus diesen beiden Modulationstechniken ableiten.