Warum muss bei der Datenübertragung überhaupt moduliert werden?
Die angehängte Grafik zeigt das Prinzip einer optischen Datenübertragung. Hierbei wird das Signal moduliert und gelangt dann zum Sender. Am Ende gelangt es demoduliert zum Ausgang. Doch weshalb wird überhaupt moduliert? Warum reicht ein elektro-optischer bzw. optoelektrischer Wandler nicht aus? Was genau macht die Modulation?
(Es handele sich um eine Amplituden bzw. Frequenzmodulation)
4 Antworten
- Modulation bedeutet, ich präge die Information, die ich übermitteln will, einem Träger auf.
- In der Übertragungstechnik spricht man auch häufig von der Trägerfrequenz. Z.B. beim Radio: da hast du bei UKW ca. 100MHz Trägerfrequenz, aber wenn vom Studio kein Signal (das nur den Hörbereich bis 20kHz umfasst) kommt, wird das Trägersignal nicht moduliert, das Radio ist ruhig. Wenn Musik oder Sprache kommt, das wäre das Nutzsignal, wird die Trägerfrequenz im Takt dieser Information moduliert, beeinflusst.
- Eine sehr einfache Modulation ist das Morsen. ein - aus. kurz - lang. Als Träger kann alles Mögliche dienen. Licht, Schall, Strom, mechanische Bewegung, eigentlich alles. Auch schon mit Rauchzeichen konnte man "modulieren".
- Auch Licht kann Träger sein. Es ist wie die Verpackung für die Information. Ohne Modulation ist das Paket leer, um Information zu übermitteln, muss man das Paket füllen. Dazu wird der Träger moduliert, also beeinflusst im Takt der Information.
- Das ist mit jedem Datenträger so. Ein Buch mit leeren Seiten enthält keine Info. Ein CD-Rohling ist gehaltslos. Ein Lochstreifen, auch wenn man ihn bewegt, hat keine Löcher und keine Information.
- Wenn du bei deinem Schema nur die optoelektrischen Wandler hast, können sie nur unterscheiden, ob der Träger ein- oder ausgeschaltet ist. Natürlich kann man damit auch Information übertragen, wenn man ein.- und ausschaltet, und das in angepasster Geschwindigkeit und nach abgemachten Regeln macht (digitale Modulation).
- Bei digitaler Modulation (ein-aus) kannst du auch einfach von Codierung und Decodierung sprechen. Eben wenn du das Ein- und Ausschalten nach einem bestimmten Code machst (z.B. Morse-Code).
- Statt nur ein-aus kann man mit Licht z.B. sehr diskret modulieren, hell-dunkel. weniger hell, schnell dunkel, usw.. Eigentlich genau wie ein Analogsignal, und war sehr schnell, also auch Hochfrequenz, weil Licht selber ja eine extrem hohe Trägerfrequenz darstellt.
Ist mit ,,analog'' in der verlinkten Grafik die Frequenz - oder Amplitudenmodulation gemeint und mit ,,digital'' die Kommunikation mit der Codierung (An/Aus)?
Aus dem Schema geht nicht hervor, welche Modulationsart gewählt wird.
Auch nicht, ob das Signal analog oder digital dagerkommt und übertragen wird.
Das Kästchen mit [Modulation / digital analog] kann hier wahlweise drei Dinge bedeuten:
- Die Modulation kann digital oder analog erfolgen
- Das Signal wird vor der Modulation von digital nach analog gewandelt (Leserichtung, von oben nach unten)
- Das Signal wird vor der Modulation von analog nach digital gewandelt (Signalflussrichtung vom Eingang unten zur Modulation oben)
Ist also nicht eindeutig. Vermutlich das erste. Zumal auf Empfängerseite nur Demodulation aufgeführt ist, aber nichts von digital oder analog steht.
Es gibt soo viele Modulationsarten.
Das ist nur ein grobes Prinzipschema, kein technisch exaktes. Deshalb kann man da nicht mehr daraus lesen.
Wovon hängt es ab, ob ein System die Trägerwelle via Frequenz - oder Amplitudenmodulation verändert?
Das hängt primär von der Absicht des Konstrukteurs ab.
Und es gibt wie jemand geschrieben hat auch noch die Phasenmodulation und x Arten digitaler Modulationsarten.
Es hängt meist vom technischen Gesamtsystem ab. Z.B.:
- Welches ist der Träger
- Welches ist die Trägerfrequenz
- Welche Daten und wie schnell müssen sie übertragen werden
- Was steht auf Seite Empfänger für eine Technik zur Verfügung
- Wie ist das Verhältnis von Aufwand und Fehler-/Störsicherheit. Amplidutenmodulation (AM) ist einfacher, Frequenzmodulatiion (FM) ist immuner gegen äussere Störungen und hat einen grösseren Dynamikumfang (höhere Unterschiede zwischen schwächstem und stärkstem Nutzsignal)
Man kann also ein und die selbe Information sowohl mit AM als auch mit FM übertragen, richtig?
Yup, grundsätzlich richitg.
Aber je nach Datenart, geforderder Bandbreite, Reichweite, Zuverlässigkeit usw. kann das eine oder andere geeigneter sein.
Oder eben eines der vielen andern Modulationsverfahren.
Schau hier zuunterst (ev. auf "ausklappen" klicken):
https://de.wikipedia.org/wiki/Modulation_(Technik)
Die Frage ist wie man 'Daten' überträgt.
Ein einzelner Lichtstrahl überträgt keine Daten.
Aber man kann ihn EIN- und AUS-Schalten.
Und schon hat man eine einfache Amplitudenmodulation (man ändert quasi die Stärke des Lichtes. Man hat also 2 Zustände (EIN/AUS) über deren zeitliche Abfolge man Daten übertragen kann.
Man kann aber nicht nur AN und AUS sondern auch - sagen wir mal - 0% , 25%, 75% und 100 % Leistung unterscheiden. Jetzt haben wir schon 4 Zustände die man - in der gleichen Zeit - übertragen kann.
=> Doppelte Datenrate ohne weiter Kosten.
Eine 'analoge' Modulation - in der die Helligkeit also 'stufenlos' geregelt wird - macht man auf Lichtwellenleiter nicht. Das macht man z.B. beim Radio auf der Funkschnittstelle.
Frequenzmodulation würde bedeuten, dass man die Frequenz des Lichtes ändert und darüber Daten übertragt. Allerdings ist mir nicht bekannt das man das praktisch macht. Der Trick ist, dass man nicht eine Lichtquelle (mit genau einer Lichtfarbe) hat, sondern deren mehrerer, die man mittels spezieller Optiken auf eine Faser bündelt. Die einzelnen 'Farben' kann man am Empfänger dann wieder (optisch) separieren.
Auch hier: Eine Glasfaser, aber trotzdem ein vielfaches an Übertragungsrate ...
Zählen Frequenz - und Amplitudenmodulation nicht zu den analogen Modulationen?
Kann man Frequenz - und Amplitudenmodulation simultan verwenden oder heißt es entweder - oder?
"Modulation" ist per se nichts zwingend analoges.
Es geht nur darum, dass man einen Träger (Licht bzw. Funkwelle) über ein Nutzsignal beeinflusst. Und da kann man entweder die 'Sendeleistung' - spricht die Höhe der Amplitude - oder eben die Frequenz beeinflussen . Angefangen vom einfachen - digitalen - Ein/Aus.
Auch 'Morsen' als Folge von langen und kurzen Signalen ist eine Amplitudenmodulation...
Und ja, man kann beide gleichzeitig benutzen.
UKW Stereo macht das - als analoges Medium -
Es gilt das Superpositionsprinzip.
Es sollte aber klar sein, dass man bei Amplitude NULL nicht mehr sendet, ergo auch kein Übertragung per Frequenzmodulation möglich ist ..
Aber wie gesagt, die (schnelle) Frequenzänderung von kohärentem Licht funktioniert in der Praxis nicht.
Deshalb - wenn überhaupt - Lichtquellen verschiedener Farbe auf eine Faser bündeln.
Aber selbst das macht man praktisch nicht, weil sich Licht unterschiedlicher Wellenlänge in einer Faser unterschiedlich verhalten kann.
Vielen Dank für deine ausführliche(n) Antwort(en)!
Mir ist jedoch noch unklar, wie oder weshalb eine Änderung der ''Frequenzkurve'' [Modulation] das Licht zum Informationsträger macht.
"Farbe des Lichts" sollte den direkten Bezug auf die Wellenlänge beschreiben.
Ich habe auch nicht geschrieben, dass es grundsätzlich nicht möglich ist. Aber es erfordert m.W. einen sehr hohen Aufwand bei der Erzeugung, bei der Übertragung und der anschließenden Demodulation. Mag aber sein, dass Du im Detail besser informiert bist.
Welche kohärente Lichtquelle kennst Du, bei der man die Wellenlänge - mit überschaubaren Aufwand - extrem schnell verändern kann ? Und wie sieht der passende Demodulator aus ?
Meinst Du das jetzt technisch oder mathematisch ?
Betrachte das Licht im Folgenen als Welle (nicht als Teilchenstrom)
Stell dir den Träger (die Grundfrequenz) jetzt als saubere Sinuskurve vor, die konstant übertragen wird.
Die "Modulation" verändert nun diesen Sinus.
Die Amplitudenmodulation erhöht bzw. erniedrigt den Pegel des Signals (also bildlich die Höhe der Auslenkung) , die grundsätzliche Form des Signals über die Zeit (d.h. die Frequenz) bleibt gleich.
Die (Leistungs-) Änderung überträgt die Daten
Deshalb funktioniert das Detektor-Radio
Bei der Frequenzmodulation wird diese Sinuskurve der Form nach verändert. Bildlich gesprochen erzeugt man also "Beulen" auf der Sinuskurve (Modulation mit höherer Frequenz als der Träger) bzw. verschiebt die Kurve in den Nulldurchgängen (Modulation mit niedrigerer Frequenz)
Technisch/mathematisch kann man jetzt im ersten Fall die bekannte Trägerfrequenz 'abziehen' - und erhält ein Signal, das nur noch die "Beulen" enthält, oder man 'misst' ständig die Frequenz des empfangenen Signal . Die Differenz zwischen der bekannten Trägerfrequenz und der tatsächlichen Frequenz innerhalb der Messzeit überträgt die Daten.
Bildlich kann man sich ein Diagramm vorstellen, bei dem jetzt nicht mehr Spannung über die Zeit aufgetragen wird, sondern eben Frequenz über die Zeit.
Danke!
Wovon hängt es ab, ob ein System die Trägerwelle via Frequenz - oder Amplitudenmodulation verändert?
Nur nach dem Wunsch des Entwicklers und den gegebenen technischen Möglichkeiten. Eine Amplitudenmodulation ist eben grundsätzlich einfacher zu realisieren. (Angefangen vom einfachen Ein-/Aus oder lang/kurz beim Morsen)
Zu Beginn des kommerziellen Rundfunks hat man mit Amplitudenmodulation gearbeitet, weil es eben einfacher war (Sowohl Sender- wie Empfängerseitig)
Mit UKW (Frequenzmodulation) bekommt man (qualitativ) wesentlich bessere Übertragungen und eine deutlich bessere Ausnutzung der Bandbreite hin (also mehr Sender / höhere Grundfrequenz) . Allerdings erfordert das auch deutlich komplexere Sende- und vor allem Empfangstechnik ...
Bei Licht klappt es eben m.W. mit der Frequenzmodulation (spricht der Lichtfarbe) und Demodulation noch nicht so gut. Ich will aber nicht ausschließen, das es in Zukunft möglich sein wird, auf Lichtwellenleiter - neben den vorhandenen Techniken - zusätzlich über Frequenzmodulation zu arbeiten. Das würde die Übertragungsraten theoretisch potenzieren können ...
Ich weiß jetzt nicht, ob ich das jetzt richtig verstanden habe, was Du meinst? Du siehst die "Lichtwelle" als Trägerfrequenz?
Ich will das jetzt mal nicht kategorisch ausschließen, aber das hört sich in der Tat nach einer Menge Aufwand an.
Vereinfacht wird einfach eine LED mit dem Signal, das eben sonst über eine Kupferleitung übertragen wird, angesteuert.
Man darf also Licht nicht als elektromagnetische Welle mit einer Frequenz ansehen, sondern eher als kontinuierlicher Lichtstrahl.
Dieser Lichtstrahl wird dann eben in Abhängigkeit vom Signal heller und dunkler. Ganz gleich, was für eine Modulation vorliegt. Wird z.B. ein unmodulierter Träger von 1Mhz übertragen, wird das Licht mit einer Frequenz von 1Mhz heller und dunkler.
Wie sich dann das Licht genau verändert, hängt natürlich von der Modulation, ggf. Übertragungsprotokoll etc. ab.
Was bei LWL die hauptsächliche verwendete Form ist, weiß ich nicht. Ich bin auch kein Experte bei Lichtwellenleitern.
Ich hab hier nur mal die prinzipielle Übertragung beschrieben.
Die höhere Übertragungsgeschwindigkeit von Lichtwellenleiter gegenüber Kupferleitungen kommt hauptsächlich von der höheren Bandbreite.
Du siehst die "Lichtwelle" als Trägerfrequenz?
Ich spreche von Licht in seiner Eigenschaft als elektromagnetischer Welle.
Bei Mittelwelle (AM) sprechen wir von einem Bereich um 1MHz.
Bei UKW (FM) sprechen wir von (rund) 100 MHz die Basisfrequenz wird für die Audioübertragung um (meine ich) +/- 15 kHz variiert.
Bei Licht sprechen wir nun von einigen 100 THz.
Die Amplitudenmodulation entspricht der Variation der Sendeleistung spricht der Helligkeit. Die Trägerfrequenz wird bei Licht als "Farbe"
wahrgenommen
https://de.wikipedia.org/wiki/Licht#/media/File:Electromagnetic_spectrum_c.svg
Meines Wissens hat man aber niemals analoge Werte (also per Helligkeitsunterschied) per Licht übertragen. Liegt vermutlich daran, dass es a) eine Dämpfung im LWL gibt, d.h. abhängig von der Länge würde immer weniger 'Helligkeit' ankommen und b) es keine linearen Quellen bzw. Empfänger gibt - d.h. man hätte immer mit Verzerrungen zu kämpfen. Aber im Prinzip hast Du recht.
Bei LWL reden wir immer von digitaler Übertragung, d.h. auf dem physikalischen Medium werden im Endeffekt immer nur Licht-AN und Licht-AUS erkannt.
Um einen 'AN'-Zustand mit der 'richtigen' Frequenz erkennen zu können, braucht es mindestens eine komplette Periode des Signals
Und da Licht eine deutlich kleiner Wellenlänge hat als 'Funkwellen' kann eine Licht-AN sehr viel schneller erkannt werden. Daher die höhere Bandbreite.
Man muss sich also nur noch überlegen, wie man ein Information so in Ein-/ Aus Pakete 'verpackt', dass sie beim Empfänger wieder 'ausgepackt' werden können. Deshalb entspricht die digitale '0' die ich senden will i.d.R. nicht dem "AUS"-Zustand der Sende-LED sondern einer Kombination aus Ein/Aus-Pulsen der Sende-LED.
Über diese Impuls-'Pakete' werden dann die Zustände '0', '1', 'Link besteht' und auch Synchronisationsinformationen usw. übertragen
Man kann auf LWL aber noch mehr 'Tricks' anwenden ...
z.B. kann man - bei bestimmten Fasern - mit "Einfallswinkel = Ausfallswinkel" arbeiten. Praktisch heißt dass, dass wenn man aus verschiedenen Winkeln moduliertes Licht auf die Faser richtet, dann wird das Licht die Faser am anderen Ende auch in verschiedenen definierten Richtungen wieder verlassen. Damit kann eine Faser mehrerer Datenströme gleichzeitig und - im Idealfall - unbeeinflusst übertragen ...
Oder man kann - bei gleicher 'Lichtfarbe' sprich Frequenz - mit verschiedenen Phasenlagen arbeiten. Auch das lässt - im Prinzip - mehrere unabhängige Datenströme auf einer Faser zu ...
Ich glaube du hast da einen Denkfehler drin. :D
UKW befindet sich im Bereich von 87,5 Mhz bis 108 Mhz mit einem Kanalraster von 100 kHz.
Das bedeutet, dass es eine Trägerfrequenz bei 87,5 Mhz, eine Trägerfrequenz bei 87,6 Mhz, eine Trägerfrequenz bei 87,7 Mhz, ... , eine Trägerfrequenz bei 108 Mhz gibt.
Das bedeutet, dass es sehr viele Trägerfrequenzen gibt und nicht nur eine.
(Dass nicht überall auf jeder von diesen Trägerfrequenzen ein Radiosender ist, hat einen anderen Grund)
Bei LWL können die gleichen Frequenzen übertragen werden. Je nach Übertragungsart, Übertragungsprotokoll etc. kommen definierte Frequenzen zum Einsatz. (Keine Ahnung welche das jetzt konkret sind)
Man könnte mit einem Lichtwellenleiter aber auch die gleichen Frequenzen übertragen.
Du meinst, dass bei LWL die Trägerfrequenz bei ca 100 Thz liegt, weil die die Lichtwelle als Trägerwelle ansiehst, aber das ist falsch. Mit einem 100Thz-Träger könnte man eh nichts anfangen, weil keine Bauteile so schnell schalten können.
aber niemals analoge Werte [...] per Licht übertragen
Praktisch wird mit LWL natürlich viel mehr digital übertragen. Theoretisch ist analog trotzdem möglich. Aber wie viel das verwendet wird, weiß ich nicht.
eine Dämpfung im LWL gibt
Natürlich gibt es die. Die gibt's aber auch für Funkwellen in Luft, elektrischen Signalen in Kupferleitungen usw.
linearen Quellen bzw. Empfänger gibt
Die gibt es. Eine LED ist insgesamt nicht linear, aber eine LED hat auch einen linearen Bereich. Man muss nur den Arbeitspunkt richtig einstellen. Das ist bei einem Transistor als Verstärker das Gleiche.
Bei LWL reden wir immer von digitaler Übertragung
Nicht zwangsläufig. Da LWL nur zur Datenübertragung geeignet sind und heute die meisten Daten digital sind, sind die meisten Daten digital, aber nicht alle.
d.h. auf dem physikalischen Medium werden im Endeffekt immer nur Licht-AN und Licht-AUS erkannt.
Nicht zwangsläufig. Das ist eine Möglichkeit für digitale Übertragung, aber es kann auch QAM, QPSK etc. übertragen werden. Da liegt die digitale nicht im "Licht-An", "Licht-Aus", sondern Phase, Amplitude, Frequenz.
Ich bring jetzt mal ein Beispiel, wie das Licht das Signal überträgt. Die Frequenzen etc. sind praxisfremd :D
Man könnte theoretisch auch ein Signal mit einer Trägerfrequenz von 100Hz (entspricht Periodendauer von 10ms) mit LWL übertragen. Dann wird bei einem unmodulierten Träger das Signal mit einer Frequenz von 100Hz heller und dunkler.
Je nachdem was dann auf diesen 100Hz Träger moduliert wird, wird das Licht eben nicht ganz so hell oder so dunkel (AM) oder eben scheller/langsamer hell und dunkel (FM).
Das kommt davon wenn man vereinfachen will. ..
Natürlich weiss ich wie AM um FM funktionieren, ich hatte nur jeweils eine Frequenz in der Mitte erwähnt - als Beispiel.
Bei einem UKW-Sender wird mit 58 kHz um die jeweilige Trägerfrequenz (im 100kHz Raster) moduliert
https://de.wikipedia.org/wiki/Datei:UKW-Rundfunk-Basisband.svg
Was Licht angeht 'reden' wir aber aneinander vorbei ...
Das Licht - oder besser die elektromagnetisch Welle - ist der Träger der Information.
Das rote Licht der bekannten TOSLINK/SPDIF -Schnittstelle am PC hat bspw. 650 nm (entsprechend 461 THz). Allerdings wird das Licht immer gepulst.
Diese Pulsfrequenz dürfte das sein, was Du als 'Trägerfrequenz' verstanden haben willst. Tatsächlich ist es aber schon ein 'Amplitudenmodulation' des Lichtes (Natürlich weit unter der Frequenz des Lichtes).
Diese Pulsfrequenz kannst Du jetzt natürlich nach Phasenlage und
Frequenz nochmals modulieren (nicht aber nach Amplitude) und überlagern.
Der Unterschied zur Amplitudenmodulation bei Mittelwelle ist nur, das
man Mittelwelle jede Phase des Trägers unterschiedlich modulieren kann, bei Licht moduliert man immer Paketweise (je nach Pulsfrequenz) und nur nach AN oder AUS. Die Grenzfrequenz dieser Modulation ist theoretisch die Frequenz des Lichtes, praktisch ist sie durch die maximale Betriebsfrequenz der Elektronik beschränkt.
Bei TOSLINK/SPDIF ist es z.B. so, dass das digitale Audio-Signal (sprich der Takt und die einsynchronisierten Daten) direkt auf ein LED gegeben wird, d.h. der Takt bestimmt die Grundfrequenz der (Amplituden)-Modulation, die Frequenz wird durch die Daten bestimmt ...
http://www.epanorama.net/documents/audio/spdif.html
Die gibt es. Eine LED ist insgesamt nicht linear, aber eine LED [..]
Ebenfalls klar. Aber dazu müsste man den Sender und den Empfänger immer passend zur Dämpfung der LWL kalibrieren und eine thermische sowie alterungsbedingte Drift einkalkulieren bzw. aktiv kompensieren.
Schlussendlich wird der nutzbare Bereich sehr klein, oder die Übertragungsqualität (vergleichbar mit der Übertragungsqualität bei Mittelwelle im Vergleich zu UKW) sinkt ab ...
Man kann übrigends sehr wohl auch direkt das Licht (als elektromagnetische Welle) auf der Phase modulieren.
Nur mit der Frequenz klappt das (noch) nicht ...
Man Moduliert aus zwei Gründen.
Der eine Grund ist eigentlich nur für die drahtlose Übertragung mit einer Antenne gedacht. Das hängt damit zusammen, dass die Länge der Antenne abhängig ist von der Wellenlänge - also auch von der Frequenz. Darum ist die Antenne vom Radio z.B. länger als die vom Handy.
Bei der optischen Übertragung mit einem Lichtwellenleiter oder auch mit normalen Kupferleitungen ist das jetzt nicht zwangsläufig notwendig. Es kann sogar dadurch schwerer werden, etwas zu übertragen.
Der zweite Grund ist, dass man ein Übertragungsmedium (Kabel, Lichtwellenleiter, Funkverbindung) mehrfach nutzen kann durch Frequenzmultiplex. Ein Beispiel hierfür ist das Radiosignal, bei dem du bekanntlich die Frequenz (das Frequenzband) einstellst. Damit können mehrere Radiosender übertragen werden, weil jeder eine andere Frequenz benutzt und sie sich damit nicht gegenseitig stören. Auf anderen Frequenzen ist dann WLAN usw.
Das Signal vom Radio zu den Boxen ist dann unmoduliert, weil hier auch nur ein Audiosignal übertragen wird.
Will man nur ein einziges Signal über einen Lichtwellenleiter übertragen, müsste man nicht modulieren.
Auf deine Frage mit analoger und digitaler Modulation im Zusammenhang mit Frequenz- und Amplitudenmodulation:
Frequenz- und Amplitudenmodulation hat an sich erst mal gar nichts mit analog und digital zu tun. Das gibt nur an, ob man was an der Amplitude oder an der Frequenz ändert. Die beiden Modulationsarten kommen also sowohl analog, sowie digital vor.
P.S. Es gibt noch eine "3. Modulationsart", nämlich die Phasenmodulation. Da man jedoch die Phase nicht ohne die Frequenz modulieren kann und umgekehrt genauso, werden die beiden Modulationen unter Winkelmodulation zusammen gefasst. Darum scheiden sich die Geister, ob es 2 oder 3 Modulationen gibt.
Ein unmodulierter Lichtstrahl beinhaltet keinerlei Information, er ist enfach nur Licht. Erst durch die Modulation wird das Licht zum Träger von Informationen.
Wie genau macht eine Frequenz - bzw. Amplitudenmodulation den Lichtstrahl zum Informationsträger?
Vergleiche eine digitale Informationsübertragung mit einem sehr schnellen Morsecode, der den Lichtstrahl in wechselnden Abständen ein- und ausschaltet. So wie wie Morsecodes aus kurzen und langen Impulsen bestehen, köönen auch mit verschiedenen Abfolgen von kurzen und langen Lichtimpulsen Daten übertragen werden.
Die Informationen (im ''Morsecode-Stil'') werden dann durch die Demodulation übersetzt, richtig?
Vielen Dank für diese ausführliche Erklärung!