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Technik – Mobilkommunikation

Modulationstechniken in der digitalen Kommunikation

Allgemein

Es stehen auch hier die bereits erwähnten drei „Dimensionen“ zur Verfügung: die Amplitude, die Frequenz und die Phase. Um eine Null oder eine Eins zu kodieren können im einfachsten Fall zwei entgegengesetzte Zustände von Amplitude (oder Frequenz oder Phase) verwendet werden.

Mit der modernen Elektronik sind sehr viel „feinere“ Unterschiede als nur zwei „entgegengesetzte“ Zustände modellierbar, nämlich 4, 8, 16, etc. Das ist am Beispiel der Phasenmodulation in der Figur dargestellt (Quelle: www.engineersgarage.com). Links oben der Ausgangspunkt mit „entgegengesetzten“ Zuständen (180°-Phasenverschiebung: man nennt dieses Modulationsverfahren GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). Es wird verwendet beim GSM System und bei den Schnurlostelefonen (DECT-Telefone). Bei 90°-Phasenverschiebung können vier Zustände (der Phase) definiert werden (sog. 4 PSK-Modulation), bei 8 Phasenlagen (8 PSK-Modulation, rechts oben). EDGE als Weiterentwicklung von GSM hat genau das realisiert.

Um möglichst viele technisch noch unterscheidbare Zustände zu nutzen, können die drei Dimensionen Phase, Amplitude und Frequenz gleichzeitig eingesetzt und variiert werden, so dass sehr komplexe Modulationsschemen entstehen. Ein viel verbreitetes nennt sich QAM (Quadraturamplitudenmodulation). In ihm werden gleichzeitig Amplitude und Phase moduliert (untere zwei Diagramme in der Figur). Die aktuell modernste Version unterscheidet 256 Zustände.

LTE und NR (New Radio oder 5G)

Der Vorteil des komplexeren Modulationsverfahrens QAM ist, dass ein Zustand mehr Information enthält als (im einfachsten Fall) bloss eine Null oder eine Eins, bzw. ein Bit. Bei 16 unterschiedenen Zuständen können alle 4-stelligen Null-Einsen-Kombinationen kodiert werden, so dass sich damit 4 Bit an Information übertragen lassen, bei 32 Zuständen sind es 5 Bit, bei 64 Zuständen 6 Bit. LTE verwendet 16-QAM und 64-QAM. 5G wird mit 64-QAM betrieben und soll im Endausbau 256-QAM implementiert haben. Damit lassen sich 8 Bit oder ein Byte kodieren (in vielen technischen Anwendungen werden alphanumerische Zeichen aus 8 Bits gebildet). Bei einer gegebenen Symbolrate können mit dem Verfahren 256-QAM also 4 mal mehr Informationen pro Zeit übertragen werden als mit einem einfachen 4-Phasen Verfahren (4 PSK bzw. QPSK – Quadrature Phase Shift Keying), wie es etwa in UMTS (3G) verwendet wird. Voraussetzung für die Nutzung dieser komplexen Modulationsverfahren ist ein gutes Signal-Rausch- Verhältnis.

QPSK und 4-QAM sind in der Praxis dasselbe. QAM moduliert Amplitude und Phase. Fehlt die Amplitudenmodulation bei 4-QAM, liegt faktisch ein QPSK vor.

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