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 signaal, harilikult katkematu harmooniline võnkumine ehk siinusvõnkumine, 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 ligi 100 aastat tagasi ringhäälingusaadete levitamiseks.
Olenevalt edastatava signaali liigist ja teisendamise eesmärgist on kasutusel mitmesuguseid moduleerimismeetodeid.
Siinuselise kandevõnkumise moduleerimine analoogsignaaliga muuda
- Amplituudmodulatsioon (lühend AM, amplitude modulation) ‒ kandevõnkumise amplituudi muudetakse vastavalt pideva infosignaali hetkväärtusele; kasutusel ringhäälingusaadete edastamiseks pikk-, kesk- ja lühilainel.
- Ühe külgriba (SSB, single sideband) modulatsioon ‒ amplituudmodulatsioon, mille puhul kandesageduse 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 informatiivse signaali hetkväärtusele.
Siinuselise kandevõnkumise moduleerimine digitaalsignaaliga muuda
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.
- Faasmanipulatsioon (PSK phase-shift keying) ‒ püsiva amplituudiga kandevõnkumise faasi muudetakse hüppeliselt vastavalt infosignaali muutumisele.
- Binaarfaasmanipulatsioon (BPSK, binary phase-shift keying) ehk 2-PSK ‒ kasutusel on kaks faasinurka, näiteks signaaliväärtusele 0 vastab 0º ja väärtusele 1 faasinihe 180º).
- Kvadratuurfaasmanipulatsioon (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-faasmanipulatsioon (APSK, amplitude and phase-shift keying või asymmetric phase-shift keying) ‒ amplituudmanipulatsiooni (ASK) ja faasmanipulatsiooni (PSK) kombinatsioon.
- Kvadratuuramplituudmodulatsioon (QAM, quadrature amplitude modulation ‒ siin edastatakse korraga kaks võrdse sagedusega kandesignaali, 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.
Impulsijada moduleerimine analoogsignaaliga muuda
- 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.
- 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.
- Diferents-impulsskoodmodulatsioon (DPCM, differential pulse code modulation) ‒ impulsskoodmodulatsioon (PCM), mispuhul salvestusmahu vähendamiseks kodeeritakse iga näiduvõtuväärtuse asemel selle erinevus eelmisest.
- Impulsisagedusmodulatsioon (PFM pulse frequency modulation) ‒ moduleeriv analoogsignaal muudab püsiva amplituudiga impulsside sagedust (impulsside arvu ajaühikus).
- Impulssfaasmodulatsioon (PPM, pulse phase modulation, pulse position modulation) ‒ moduleeriv signaal 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.