Modulatsioon (ülekandetehnika)

Modulatsioon (ladina keeles modulatio taktipärasus) tähendab info- ja kommunikatsioonitehnoloogias info edastamiseks kasutatava signaali ‒ kandesignaali ‒ mingi parameetri muutmist ülekantava infosignaali muutumise taktis.

Kandesignaaliks võib olla kas pidev kandelaine ehk kandja või siis mittepidev, s.o katkeline signaal, enamasti kujutatav ristkülikimpulsside jadana. Kandesignaali (moduleeritava signaali) muudetavateks parameetriteks on tema amplituud, sagedus ja faas, impulsside puhul ka nende laius. Moduleerivaks signaaliks võib olla nii analoogsignaal kui ka digitaalsignaal.

Signaalide moduleerimise seade on modulaator; moduleeritud kandesignaalist eraldab esialgse info demodulaator. Modem on seade, mis teostab nii moduleerimist kui ka demoduleerimist. Moduleeritud signaalide edastusmeediumiks (-kanaliks, -liiniks) võib olla traat- või kiudoptiliste soontega kaabel või raadiosageduskanal.

Moduleerimise eesmärk on töödelda infot nii, et seda saaks edastada kiiresti suures mahus ja seejuures võimalikult moonutusvabalt. Seepärast edastatakse info tema algsest sagedusest palju kõrgemal sagedusel, sest siis on edastuskanali läbilaskevõime suurem. Moduleerimine on ka ainus võimalus edastada infot raadiolainete vahendusel. Seda võimalust hakati kasutama juba umbes 100 aastat tagasi ringhäälingusaadete levitamiseks.

Olenevalt edastatava infosignaali liigist ja teisendamise eesmärgist on kasutusel mitmesuguseid moduleerimismeetodeid. 

 Kandelaine moduleerimine analoogsignaaliga 
pisi|Siinuselise kandevõnkumise amplituudmoduleerimine (AM) ja sagedusmoduleerimine (FM)
Amplituudmodulatsioon (lühend AM, amplitude modulation) ‒ siinuselise kandelaine amplituudi muudetakse vastavalt pideva infosignaali hetkväärtusele; kasutusel ringhäälingusaadete edastamiseks pikk-, kesk- ja lühilainel.
Ühe külgriba (SSB, single sideband) modulatsioon ‒ amplituudmodulatsioon, mille puhul kandevõnkumise ümber tekkivast ülemisest ja alumisest külgribast lõigatakse üks külgriba ära. Näiteks analoogtelevisioonis edastatakse AM-videosignaal nii, et alumine külgriba on peaaegu täielikult ja kandja osaliselt maha surutud. 
Kvadratuurne amplituudmodulatsioon (QAM); kasutusel näiteks analoogvärvitelevisioonis kahe värvussignaali üheaegseks edastamiseks, samuti AM-stereoringhäälingus.
Sagedusmodulatsioon (FM, frequency modulation) ‒ kandevõnkumise sagedust muudetakse pidevalt vastavalt infosignaali taseme muutusele; kasutusel näiteks raadioringhäälingu saadete edastamiseks meeterlainetel ja heli edastamisel analoogtelevisioonis.
Faasimodulatsioon (PM, phase modulation) ‒ kandevõnkumise faasi muutmine vastavalt edastatava infosignaali hetkväärtusele.

 Kandelaine moduleerimine digitaalsignaaliga 
pisi|150px|Binaarne faasimanipulatsioon (BPSK)
pisi|150px|Kvadratuurne faasimanipulatsioon (QPSK)
Digitaalsignaaliga siinuselise kandesignaali moduleerimist nimetatakse manipulatsiooniks (inglise keeles keying, mille üks tähendus on morsevõtme käsitsemine ehk manipulatsioon ‒ kontakti avamise-sulgemisega kahendsignaalide edastamine). Kandevõnkumise parameetrit ‒ amplituudi, sagedust või faasi ‒ muudetakse siin hüppeliselt manipulatsiooni taktis.
Amplituudmanipulatsioon (ASK, amplitude-shift keying) ‒ püsiva sagedusega kandevõnkumise amplituudi muudetakse astmeliselt kahe taseme vahel vastavalt infosignaali väärtustele 0 ja 1.
Sagedusmanipulatsioon (FSK, frequency-shift keying) ‒ püsiva amplituudiga kandevõnkumise sagedust muudetakse hüppeliselt kahe sageduse vahel vastavalt infosignaali väärtustele 0 ja 1.
Faasimanipulatsioon (PSK, phase-shift keying) ‒ püsiva amplituudiga kandevõnkumise faasi muudetakse hüppeliselt vastavalt infosignaali muutumisele.
Binaarne faasimanipulatsioon (BPSK, binary phase-shift keying) ehk 2-PSK ‒ kasutusel on kaks faasinurka, näiteks signaaliväärtusele 0 vastab 0º ja väärtusele 1 faasinihe 180º).
Kvadratuurne faasimanipulatsioon (QPSK, quadrature phase-shift keying või quaternary phase shift keying) ehk 4-PSK ‒ kasutusel on neli faasinurka: 45°, 135°, 225° ja 315°; igale faasile vastab siis kahest bitist koosnev sümbol 00, 01, 10, 11. Seega saab korraga edastada kaks korda rohkem infot ja vastavalt suureneb kaks korda ka andmeedastuskiirus.Modulatsioonisüsteemides 8-PSK, 16-PSK, 32-PSK on kasutusel vastavalt 8 faasinurka (sümbol koosneb kolmest bitist), 16 faasinurka (sümbol koosneb neljast bitist) või 32 faasinurka (sümbol koosneb viiest bitist).
Amplituud-faasimanipulatsioon (APSK, amplitude and phase-shift keying või asymmetric phase-shift keying) ‒ amplituudmanipulatsiooni (ASK) ja faasimanipulatsiooni (PSK) kombinatsioon.
290px|pisi|Digitaalsignaaliga moduleerimise lõigu näide 16-QAM korral
Kvadratuune -amplituudmodulatsioon (QAM, quadrature amplitude modulation), Siin edastavad infosignaali korraga kaks võrdse sagedusega kandelaineti, mis on omavahel 90-kraadises faasinihkes (kvadratuuris). Kumbagi kandelainet amplituudmoduleeritakse mitmel tasemel. Näiteks modulatsiooni 4-CAM korral saab edastada 4 kahebitist sümbolit (see annab sama tulemuse kui QPSK ehk 4-PSK), 16-QAM korral edastatakse 16 sümbolit (4 bitist), 64-QAM ‒ 64 sümbolit (6 bitist) jne.

 Hulkkandja moduleerimine digitaalsignaaliga 
Selle digitaalmodulatsiooni meetodi korral edastatakse laiaribaline andmevoog korraga paljudel kandesignaali abikandesagedustel kitsastes kõrvutistes sagedusribades. See tehnika hõlmab ortogonaalset sagedustihendust (OFDM) ja kodeeritud ortogonaalset sagedustihendust (COFDM), mida kasutatakse maapealses digitaaltelevisioonis (DVB-T).

Hulklainemoduleerimisel rakendatakse kitsaribalistel kandesagedustel digitaalseid modulatsioonimeetodeid, näiteks kvadratuurne amplituudmodulatsioon i16QAM. Kandjate suur arv, mis võib ulatuda kümnete tuhandeteni, võimaldab kanali edastusomadusi juhtida väga valikuliselt. Nii osutub võimalikuks vaid ühe taktsagedussammuga edastada paralleelselt kuni kümneid kilobitte kasulikku andmevoogu. Võimsad ja kulutõhusad signaaliprotsessorid on teinud võimalikuks nende keeruliste modulatsioonimeetodite laialdase rakendamise tarbeelektroonika sektoris.

 Impulsijada moduleerimine analoogsignaaliga 
Impulsiamplituudmodulatsioon (PAM, pulse amplitude modulation) ‒ moduleeriv analoogsignaal muudab püsiva sagedusega üksteisele järgnevate ühelaiuste impulsside jada amplituudi.
Impulsskoodmodulatsioon (PCM, pulse code modulation) ‒ impulsiamplituudmodulatsioon, kui iga impulsi amplituudväärtus väljendatakse kahendkoodis arvuga (näiteks audiosignaali digiteerimisel CD jaoks on koodisõna pikkus 16 bitti).
Diferents-impulsskoodmodulatsioon (DPCM, differential pulse code modulation) ‒ impulsskoodmodulatsioon (PCM), mispuhul salvestusmahu vähendamiseks kodeeritakse iga näiduvõtuväärtuse asemel selle erinevus eelmisest.
Deltamodulatsioon (DM, delta modulation, Δ-modulation) ‒ diferents-impulsskoodmodulatsioon (DPCM), mille puhul iga järjestikuse näiduvõtuväärtuse kohta salvestatakse selle erinevus (Δ, delta) 1 biti võrra eelmisest, s.o signaali tugevnemisel 1 ja nõrgenemisel 0.
Adaptiivne deltamodulatsioon (ADM, adaptive delta modulation) ‒ digiteeritava analoogsignaali muutumise kiirust arvestava kvantimisastmega deltamodulatsioon.
Impulsisagedusmodulatsioon (PFM, pulse frequency modulation) ‒ moduleeriv analoogsignaal muudab püsiva amplituudiga impulsside sagedust (impulsside arvu ajaühikus).
Impulsi-faasimodulatsioon ehk impulsi asukoha modulatsioon (PPM, pulse position modulation) ‒ moduleeriv infosignaal muudab püsiva amplituudi ja sagedusega impulsside faasi (näiteks signaalipinge suurenemisel impulsside vaheaeg pikeneb).
Impulsilaiusmodulatsioon (PWM, pulse width modulation) ehk impulsikestusmodulatsioon (PDM, pulse duration modulation) ‒ moduleeriv signaal muudab püsiva amplituudi ja sagedusega ristkülikimpulsside laiust.

 Hajaspektermodulatsioon 
Selle modulatsioonimeetodi alla kuuluvad sagedushüplemisega spektrilaotus (FHSS, frequency-hopping spread spectrum) ja otsejadaga hajaspektermodulatsioon (DSSS, direct sequence spread spectrum). Need modulatsioonimeetodid moodustavad koodjaotusega multipleksimise aluse ja laiendavad oluliselt edastusspektrit, võrreldes kasuliku signaali spektriga. 

See meetod võimaldab sidet ka niisuguses olukorras, kus edastatav infosignaal jääb taustamüra tasemest madalamaks. Sel juhul pole võimalik tuvastada isegi edastuse olemasolu. Edastuse toimumise tuvastamine on võimalik ainult vastavate hajaspektri koodijadade tundmise ja korrelatsiooni abil. Seetõttu kasutatakse neid tehnikaid eelkõige sõjaväes sõnumite edastamiseks või pealtkuulamisseadmete jaoks, mida on väga raske tuvastada. Viimastel aastatel on need meetodid kasutusel ka tsiviilvaldkondades, näiteks GPS- või Galileo navigatsioonisüsteemides ja steganograafiarakendustes autoriõiguste rikkumiste tõendamiseks elektrooniliste vesimärkide abil.

 Modulatsioon ja multipleksimine 
Modulatsiooni mõiste on tihedalt seotud mõistega multipleksimine, mis tähendab suure hulga infosignaalide paralleelset edastamist läbi üheainsa edastuskanali, milleks võib olla vask- või valguskaabel või või raadiosideühendus. Vastav edastusmeetod on ortogonaalne sagedusjaotusega hulgipöördus (OFDMA), mida võib vaadelda kui ortogonaalse sagedustihenduse (OFDM) ja statistilise aegjaotusega multipleksimise kombinatsiooni. Seda tehnikat kasutatakse mobiilsidevõrkudes.

Kategooria:Telekommunikatsioon
Kategooria:Infotehnoloogia