Modülasyon

Modülasyon ya da kipleme, bir taşıyıcı sinyal ile bilgi sinyalini birleştirmekten ibaret olan ve iletişim teknolojisinde (yayıncılıkta) kullanılan bir yöntemdir. Yöntem, başlarda anten yoluyla yapılan yayınlar için öngörülmüş ise de, günümüzde kablolu, kablosuz her tür iletişimde kullanılmaktadır. Çok alçak frekanslı sinyallerin (örneğin ses) çok uzak mesafelere gönderilmesi güçtür. Bu nedenle alçak frekanslı sinyalin, yüksek frekanslı taşıyıcı bir sinyal üzerine bindirilerek uzak mesafelere taşınması sağlanabilir. Bu noktada kiplemeye başvurulur.
Kiplemenin tersine de kip çözümü denir. Kip çözümü, kiplenmiş ses ve taşıyıcı frekansın ayrıştırılmasıdır.
Modülasyon gereği
Yayıncılıkta ilke ses, görüntü veya data gibi bir bilginin bir anten yardımıyla elektromanyetik dalga olarak çevreye yayınlanmasıdır. Mikrofon yardımıyla ses, kamera yardımıyla da görüntü elektrik sinyalleri haline getirilir. Fakat, bu sinyallerin olduğu gibi anten yardımıyla yayınlanması aşağıda belirtilen üç sebepten ötürü olanaksızdır.
a. Antenin fiziki boyutu yayınlanmak istenen sinyalin dalga boyu ile karşılaştırılabilir olmalıdır. Mesela, yansıtıcı yüzey üzerine monteli monopol antenin boyu dalga boyunun yaklaşık olarak dörtte biri olmalıdır. Oysa, ses sinyalinin dalga boyu 10 000 km ile 20 km arasında değişir. Bu kadar uzun dalga boyları doğal olarak anten yoluyla iletişimin önünde engeldir. (Örnek ses için verilmiştir. Ama durum görüntü sinyali için de böyledir.)
b. Yukarıda verilen 10 000 ve 20 km değerlerinden ilki kalın, ikincisi ince seslerin sınır değeridir. Bu sebepten, yayın sırasında anten boyunun program içeriğine göre durmadan değiştirilmesi gerekir. Çok kısa süre içinde, anten boyutunun durmadan değiştirilmesi teknolojik olanakların çok ötesindedir.
c. Öte yandan, çok sayıda alıcının izlenebildiği bir bölgede alıcının birbirine karıştırmadan bütün yayınları izlemesi gerekir. Oysa bütün yayıncıların yayınladıkları elektromanyetik sinyaller aynı alıcıya ulaşarak, yayını izlenemeyecek kadar karıştırırlar.
Çözüm için, modülasyon tekniği geliştirilmiştir. Modülasyonda ses veya görüntü sinyali yayınlanmaz. Radyo frekans (RF, yayın frekansı) denilen bir başka elektromanyetik dalga yayınlanır. Bu sinyal yüksek frekanslıdır.
Şayet f ile frekans, c ile ışık hızı sabiti ve λ ile dalga boyu gösterilirse,
Dalga boyu frekans ile ters orantılı olduğundan RF sinyalinin dalga boyu ve dolayısıyla anten boyutu nispeten kısadır. Ayrıca, radyo frekans sinyalinin frekansındaki değişim frekansın kendine göre düşük olduğundan (< % 10 ) anten fiziki boyutunu değiştirmeğe gerek kalmaz. Üstelik, her yayıncı farklı bir RF sinyali kullandığı için, alıcılar farklı RF sinyallerine ayarlanabilir ve farklı yayınlar karışma olmaksızın izlenebilir.
Doğal olarak, RF sinyalinin ses veya görüntü sinyali yerine kullanılması demek, RF sinyalinin ses veya görüntüye ilişkin bilgileri de taşıması demektir. İşte modülasyon ses veya görüntü bilgisinin RF sinyali tarafından taşınmasını sağlayan teknik düzenlemeye verilen isimdir. Bu düzenlemede, RF sinyalinin kimi özellikleri ses veya görüntü sinyali tarafından değiştirilir ki buna modülasyon denilir.
Modülatör
Modülatör, taşıyıcı bir sinyali başka bir sinyalle modüle eden aygıttır. İletişim sistemlerinde kullanıldığı gibi radarlarda da bulunur. Genelde taşıyıcı sinyalin frekansı radyo frekansları bandındadır. (RF) Modern alıcı ve vericilerde hem modülasyon hem de demodülasyon (kip çözümü) işlemini gerçekleştiren versiyonuna modülator - demodülatör kelimelerinin ilk heceleri birleştirilerek modem denir.
Televizyon modülatörlerinde ses kartından başka resim kartı da bulunur. Genellikle radyo ve televizyon vericilerinde güç kartından önce bulunan sürücüdür. Mono veya stereo modelleri vardır.
Kullanılan Teknikler
Genlik modülasyonunu (Amplitude Modülation) - (AM) gerçekleştirmek için bir radio frequency RF yükseltecinin kazancını modüle etmek yeterlidir. Yani kazanç girişine modüle eden sinyal uygulanmalıdır. Bunun için kazanç girişinin bant genişliğinin modülasyon bant genişliğinden en az belli bir oranda büyük olması gerekir.
Frekans ve faz modülasyonlarını (FM ve PM) gerçekleştirmek için modüle eden sinyalin bir gerilim kontrollü osilatörün kontrol girişine uygulanması gerekir. Osilatorün modülasyon bant genişliği modülasyon bant genişliğinden büyük olmalıdır.
Modern cep telefonlarında, GSM bantlarında bu iki tekniğin beraber kullanıldığı polar modülasyon tekniği kullanılmaktadır.
Modülasyon türleri
Modülasyon için iki temel yöntem vardır.
Analog yöntem
Sayısal (digital) yöntem
Halen sayısal yöntemler başta bilişim teknolojisi olmak üzere geniş bir uygulama alanına sahiptir (PSK, FSK, ASK, QSK gibi yöntemler). (Ancak, burada karasal yayıncılıkta kullanılan analog yöntemler söz konusu edilmektedir.)
Analog yöntemler şu şekilde sınıflandırılabilir:
1. Sürekli dalga modülasyonu: RF taşıyıcısı sinüs sinyali olan yöntemler:
a. Genlik modülasyonu (GM, Batı dillerinde AM)
b. Faz modülasyonu (PM)
c. Frekans modülasyonu (FM)
2. Darbe modülasyonu: Kısa darbelerle örnekleme alan yöntemler:
a. Darbe genlik modülasyonu (PAM)
b. Darbe genişlik modülasyonu (PWM, PDM)
c. Darbe konum modülasyonu (PPM)
d. Darbe kod modülasyonu (PCM)
Sürekli dalga modülasyonu
RF taşıyıcı sinyal bir sinüs sinyalidir. Bir sinüs sinyali genel olarak şu şekilde gösterilir:
Burada A genlik, = 2f açısal frekans ve Φ faz açısıdır. Sürekli dalga modülasyonunda bu üç parametre de bilgiye bağlı olarak kodlanabilir.
En eski ve köklü modülasyon türü genlik modülasyonudur. Radyolarda uzun, orta ve kısa dalga bantlarında kullanılan modülasyon türü de budur.
Frekans modülasyonu, VHF2 bandından yapılan radyo yayınları ile televizyon ses yayınlarında kullanılır. Faz modülasyonu ise frekans modülasyonu yapan kimi devrelerde bir ara işlem olarak kullanılır.
Ayrıca yukardaki sınıflandırma daha da detaylandırılabilir. Genlik modülasyonunun çift yan bant modülasyonu (DSB), tek yan bant modülasyonu (SSB) ve artık yan bant modülasyonu (VSB) gibi alt türleri vardır. Genlik modülasyonu ile faz modülasyonunun aynı anda kullanılması ise Karesel Genlik Modülasyonu (QUAM) olarak bilinir.
Gerek genlik gerekse frekans modülasyonunda farklı yayınların birbiri ile karışması, farklı RF taşıyıcı frekansları kullanmak suretiyle önlenir. Buna frekans paylaşımı (frequency multiplexing) denir.
Darbe modülasyonu
Darbe modülasyonunda bilgi sinyalinden kısa örnekler alınır. Örnek alma temposu, bilgi sinyalinin değişim temposundan çok daha yüksek olduğundan bu örnekler bilgi sinyalini ifade ederler. Şayet alınan örnekler genlik olarak kalırsa, bu modülasyon darbe genlik modülasyonudur. Ancak örnekler, genlik bilgisi darbe genliği sabit tutularak, darbe genişliği ile de iletilebilir. Bu tür modülasyon darbe genişlik modülasyonudur. Darbe konum modülasyonunda, darbelerin genliği ve genişliği aynıdır. Fakat bilgi sinyaline bağlı olarak, zaman eksenindeki yerleri kaydırılmıştır.
Yarı yarıya sayısal bir sistem sayılabilecek olan darbe kod modülasyonunda ise genlik bilgisi sayısal olarak kodlanmıştır.
Darbe modülasyonunda örnekler kısa süre içinde alınmaktadır. Bu sebeple örnekleme zamanı, birbiri ile karışmaması gereken birkaç iletişim hattına birden tahsis edilebilir. Karışma, örneklerin farklı zamanlarda alınması suretiyle önlenebilmektedir. Bu tür paylaşıma zaman paylaşımı (time multiplexing) denilir.