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Digitale Modulation

Vom empfangenen HF-Signal über ADC und Trägerrekonstruktion bis zum decodierten Bitstrom — plus die drei digitalen Grundverfahren ASK, FSK und PSK.

Digitale Modulationstechniken dienen der Übertragung von Informationen in Form von digitalen Daten (z.B. binären Codes). Dies wird erreicht, indem bestimmte Eigenschaften des Trägersignals modifiziert werden. Im Gegensatz zu analogen Modulationstechniken, die kontinuierliche Veränderungen des Trägersignals verwenden, arbeiten digitale Modulationen mit diskreten Werten.

Bei der Demodulation digitaler Signale sind einige Schritte allgemeingültig, unabhängig vom spezifischen Demodulationsverfahren oder Modulationstyp. Diese Schritte gelten im Allgemeinen für die meisten digitalen Modulationsverfahren (wie BPSK, QPSK, QAM etc.). Hier ist ein Überblick über die allgemeinen Schritte:

1. Empfang des Signals

• Eingangssignal erfassen: Das über den Funkkanal empfangene modulierte Signal wird vom Empfänger aufgenommen. Dies ist ein kontinuierliches analoges Signal, das von einem Antennensystem oder einem Empfängergerät erfasst wird.
• Signalverstärkung und Rauschentfernung: Vorverstärkung des empfangenen Signals und Filterung des Rauschens zur Verbesserung der Signalqualität.

2. Analoge-Digital-Umsetzung (ADC)

• Abtastung und Quantisierung: Da das empfangene Signal analog ist, wird es durch einen Analog-Digital-Wandler (ADC) in digitale Werte umgewandelt. Dies ermöglicht die weitere Verarbeitung im digitalen Bereich.

3. Trägerrekonstruktion

• Trägersignal extrahieren: In diesem Schritt wird das Trägersignal aus dem empfangenen Signal rekonstruiert. Das Trägersignal ist notwendig, um die Modulationsinformationen (Phasen- oder Amplitudenänderungen) zu entschlüsseln.
• Phasensynchronisation: Der Empfänger synchronisiert seine lokale Referenz für die Phasenlage des Trägersignals, um die genaue Demodulation zu gewährleisten.

4. Symbolerkennung

• Abtastung der Symbole: Das empfangene Signal wird in einzelnen Intervallen abgetastet, um die Symbole zu erkennen, die in der Modulation kodiert sind. Jeder abgetastete Wert entspricht einem Symbol, das wiederum eine Bitgruppe repräsentiert.
• Erkennung der Amplitude/Phase: Je nach Modulationsschema wird die Amplitude oder Phase jedes Symbols gemessen und einem digitalen Wert zugeordnet. Zum Beispiel wird bei Phasenumtastung (PSK) die Phase bestimmt, bei Amplitudenumtastung (ASK) die Amplitude.

5. Bit-Rückgewinnung

• Mapping der Symbole auf Bits: Die erkannten Symbole werden dann auf die entsprechenden Bitsequenzen abgebildet. Zum Beispiel könnte ein Symbol in einer 16-QAM-Modulation vier Bits repräsentieren.
• Fehlerkorrektur (optional): In vielen digitalen Kommunikationssystemen wird eine Fehlerkorrektur angewendet, um durch Übertragungsstörungen eingeführte Bitfehler zu erkennen und zu beheben (z.B. durch Hamming-Codes, FEC).

6. Decodierung

Die empfangenen und wiederhergestellten Bitsequenzen werden entsprechend dem verwendeten Code decodiert, um die ursprünglichen digitalen Daten zu erhalten. Dies umfasst das Entfernen von Header-Informationen, Preambles oder anderen Übertragungsprotokollen.

Die ersten beiden Schritte werden durch die verwendete SDR Hardware sichergestellt. Das Ergebnis sind die IQ Werte mit der Auflösung, die der Analog Digital Wandler ermöglicht.

Digitale Grund-Modulationstechniken

Es gibt verschiedene Arten von digitalen Grund-Modulationstechniken:

1. Amplitudenmodulation (ASK – Amplitude Shift Keying): Die Amplitude des Trägersignals wird so verändert, dass ein bestimmter Amplitudenwert einem binären Wert „0" oder „1" zugeordnet wird. Dabei gibt es nur 2 diskrete Amplitudenwerte.
2. Frequenzmodulation (FSK – Frequency Shift Keying): Die Frequenz des Trägersignals wird so verändert, dass einer bestimmten Frequenz ein bestimmter Wert „0" oder „1" zugeordnet wird. Im Signal treten dabei nur 2 diskrete Frequenzen auf.
3. Phasenmodulation (PSK – Phase Shift Keying): Die Phase des Trägersignals wird diskret so verändert, dass einem bestimmten Phasenwert entsprechende binäre Werte zugeordnet werden können z.B. 0° für „0" und 180° für „1" bei BPSK (Binary Phase Shift Keying).

Digitale Modulationstechniken bieten mehr Effizienz und Robustheit im Vergleich zu analogen Modulationstechniken. Sie ermöglichen eine bessere Nutzung des Frequenzspektrums und sind weniger anfällig für Störungen und Rauschen.

Die oben genannten Modulationsarten werden häufig zu komplexeren Modulationsarten kombiniert. So können gleichzeitig mehrere Bitwerte übertragen werden (Bsp.: Übertragung von 2 Amplituden Werten mit jeweils 4 Phasenzuständen).

Beispiel:

Je näher die Amplituden und Phasenwerte zusammenliegen, desto anfälliger sind sie für Fehler. Es gibt in den verschiedenen Modulationsverfahren eine Vielzahl von Optimierungen, um Fehler zu vermeiden.

Im obigen Beispiel könnte eine Optimierung z.B. darin bestehen, dass sich die Phasenlage bei Amplitude 1 und 2 zusätzlich unterscheidet.

Im Constellation Diagramm würden die beiden Beispiele dann wie folgt aussehen: