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Modulation – Nachrichtenübertragung hertz'scher Wellen 06:20 min

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Transkript Modulation – Nachrichtenübertragung hertz'scher Wellen

Hallo und herzlich willkommen zu Physik mit Kalle! Heute beschäftigen wir uns aus dem Gebiet Schwingungen und Wellen mit der Modulation, die Nachrichtenübertragung mit hertzschen Wellen ermöglicht. Für dieses Video solltet ihr euch schon ein wenig mit elektromagnetischen Schwingungen auskennen und auf jeden Fall den Film zum hertzschen Dipol und zu der Meißner-Schaltung gesehen haben. Wir lernen heute, was Modulation ist, wie sie funktioniert und wo das Ganze eigentlich eingesetzt wird. Dann wollen wir mal. Modulation ist ein Verfahren, bei dem ein niederfrequentes Nutzsignal ein hochfrequentes Trägersignal verändert. Was das Ganze nützt, wird euch vielleicht schneller klar, wenn ihr euch überlegt, wie ein Radio funktioniert. Jede Radiostation verwendet eine andere Trägerfrequenz. Denn ohne Modulation würde mir ja nichts anderes übrig bleiben, als meine Schallwellen umgewandelt in elektromagnetische Wellen zu versenden. Damit würde aber jede Radiostation den gleichen Frequenzbereich benutzen, das heißt, sie würden alle durcheinander spielen. Mithilfe der Modulation kann ich also für verschiedene Signale verschiedene Frequenzbereiche verwenden. Man kann also ruhig sagen: Modulation ist die Grundlage der modernen Nachrichtentechnik. Aber dazu später mehr. Jetzt wollen wir uns erst mal ansehen, wie das Ganze funktioniert. Wir haben grundsätzlich 2 Möglichkeiten, wie unser Nutzsignal das Trägersignal modulieren kann. Es kann entweder die Amplitude oder den Phasenwinkel beeinflussen. Wir wollen uns zu beidem ein Beispiel ansehen. Das erste Beispiel ist die Amplitudenmodulation. Im Bild seht ihr 2 Signale. Blau, das höherfrequente Trägersignal und rot, das Nutzsignal, das wir übertragen möchten. Wird das Trägersignal nun amplitudenmoduliert, so erhalten wir folgendes Bild: Je positiver das Nutzsignal ist, desto größer wird die Amplitude der Trägerwelle. Und umso negativer es ist, desto kleiner wird sie. Wir merken uns also: Bei einer Amplitudenmodulation, die man mit AM abkürzt, verändert das Nutzsignal die Amplitude unseres Trägersignals. Das zweite Beispiel ist die Frequenzmodulation.Hier seht ihr zwei Signale. Rot, mit der höheren Frequenz, ist unser Trägersignal und das blaue ist unser Nutzsignal, das wir übertragen wollen. Nach einer Frequenzmodulation würde unser Trägersignal so aussehen: Die Frequenz unseres Trägersignals ist nicht mehr konstant, sie wird vom Nutzsignal verändert. Wie genau der Zusammenhang ist, wird deutlicher, wenn wir das Nutzsignal wieder einblenden. Wie ihr seht, hängt die Frequenzveränderung von der Steigung des Nutzsignals ab. Ist die Steigung des Nutzsignals positiv, wird die Frequenz höher, ist sie negativ, wird die Frequenz kleiner. Bei der Frequenzmodulation, deren Abkürzung FM ist, verändert das Nutzsignal, wie der Name schon sagt, also die Frequenz unseres Trägersignals. Hier seht ihr eine Animation, in der je ein Beispiel eines amplituden- und eines frequenzmodulierten Trägersignals sind. Wie das Erzeugen eine Modulation genau funktioniert, benötigt ordentliche Grundlagen in der Elektrotechnik. Wenn ihr aber den Film über die Meißner-Schaltung gesehen habt, hilft euch vielleicht dieses vereinfachte Prinzip. In der Meißner-Schaltung verstärkt sich ein Schwingkreis durch Rückkoppelung selbst. Wenn ich nun in diese Schaltung einen Transistor so einbaue, dass er die Stärke der Rückkoppelung steuert und an ihn zum Beispiel ein Mikrofon anschließe, dann wird das Signal meines Mikrofons die Stärke der Rückkoppelung, also die Amplitude meines Schwingkreises, beeinflussen. Damit habe ich ein hochfrequentes Trägersignal, nämlich die Schwingung meines Schwingkreises, mit einem niederfrequenten Nutzsignal, nämlich meiner Stimme, amplitudenmoduliert. Das Verfahren, mit dem ich mein Nutzsignal wieder aus der Trägerwelle herausfiltere, ist ähnlich kompliziert. Deswegen wollen wir es auch nur prinzipiell besprechen. Das modulierte Trägersignal wird von einer Antenne empfangen. Mit einem Demodulator kann das Nutzsignal vom Trägersignal getrennt werden, das mich ja nur aus Transportzwecken interessiert hatte. Übrig bleibt die Musik oder was man eben sonst so übertragen hat. Und was das alles sein kann, das wollen wir uns nun im letzten Kapitel ansehen. Modulation wird für die Übertragung verschiedenster Informationen verwendet. Hier sind ein paar Beispiele. Das Radio natürlich. Vielleicht habt ihr auf einem Radio schon mal den FM/AM-Schalter bemerkt. Und natürlich auch das Fernsehen. Zu den etwas älteren, aber immer noch weitverbreiteten Anwendungen gehört der CB-Funk. Und bei den neueren Systemen wäre das GPS zu nennen, das Global Positioning System, mit dem man jederzeit seine Position auf der Erde bestimmen kann. Damit funktionieren zum Beispiel alle Navigationsgeräte. Natürlich übertragen auch die Handynetze ihre Daten per Modulation. Das kabellose Internet, das WLAN, natürlich auch und, bevor wir es vergessen, natürlich auch das Telefon. Ihr seht also, würde man versuchen, über weite Strecken ohne Modulation zu kommunizieren, so wären die Möglichkeiten sehr beschränkt. Übrig bliebe nur noch: Briefe, Morsen, Rauchzeichen oder halt sehr, sehr laut schreien. Wir wollen noch mal wiederholen, was wir heute gelernt haben. Ein Trägersignal wird durch ein niederfrequenteres Nutzsignal moduliert, um auf der Trägerfrequenz übertragen zu werden. Bei einer Amplitudenmodulation verändert das Nutzsignal die Amplitude des Trägersignals. Bei einer Frequenzmodulation dagegen moduliert das Nutzsignal die Frequenz des Trägersignals. Durch einen Demodulator kann das Nutzsignal wieder aus der modulierten Trägerwelle gewonnen werden. Und zum Schluss haben wir gesehen: Die moderne Nachrichtentechnik ist ohne Modulation undenkbar. So, das war`s schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte euch helfen. Vielen Dank fürs Zuschauen! Vielleicht bis zum nächsten Mal. Euer Kalle.

1 Kommentar
  1. Richtig, richtig gut! Und ein unheimlich sympathischer Lehrer!!!

    Von Green Spirit, vor mehr als 6 Jahren

Modulation – Nachrichtenübertragung hertz'scher Wellen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Modulation – Nachrichtenübertragung hertz'scher Wellen kannst du es wiederholen und üben.

  • Gib an, was Modulation ist.

    Tipps

    Beim Radio wird Modulation genutzt.

    Modulation ist die Grundlage der Nachrichtentechnik.

    Lösung

    Modulation kann man etwa folgendermaßen definieren:

    Modulation ist ein Verfahren, bei dem ein niederfrequentes Nutzsignal ein hochfrequentes Trägersignal verändert.

    So kann das Nutzsignal dann auf der Trägerfrequenz übertragen werden.

    Am Beispiel des Radios kannst du dir die Modulation gut vorstellen:

    Der Radiosender spielt einen Song, dieser ist das Nutzsignal, welches zum Hörer übertragen werden soll. Damit das Signal übertragen werden kann, wird eine Trägerfrequenz benutzt. Da jeder Radiosender eine eigene Frequenz hat, kann man an seinem Radiogerät durch Auswählen der Frequenz einstellen, welchen Sender man hören möchte.

    So kommt es, dass wir gezielt aussuchen können, welchen Song auf welchem Sender wir gerne hören möchten.

    Da Modulation nicht nur bei einem Radio eine wichtige Rolle spielt, sondern bei vielen weiteren Übertragungsmechanismen, gilt die Modulation als die Grundlage der Nachrichtentechnik.

  • Gib an, was der Ausdruck GPS bedeutet.

    Tipps

    Damit das GPS funktioniert, interagiert das Gerät mit Satelliten in der Erdumlaufbahn.

    Lösung

    Das GPS ist ein Gerät, dessen Position weltweit erfasst werden kann.

    Die Abkürzung GPS steht für Global Positioning System, was soviel heißt wie weltweites Positionierungssystem.

    Damit das GPS funktioniert, interagiert das Gerät, welches etwa in einem Auto eingebaut ist, mit Satelliten in der Erdumlaufbahn.

    Da es jedoch sehr viele GPS-Empfänger gibt, da ein großer Teil der Menschheit ein Handy mit GPS hat, müssen die Informationen, die zwischen Satellit und GPS-Empfänger hin- und hergeschickt werden, durch Modulation verschlüsselt werden.

    Doch selbst in der heutigen Zeit der elektronischen Wegweiser kann es sinnvoll sein, Karten lesen zu können. Mit dem Wissen um Höhenlinien und farbliche Kennzeichnungen von Gewässern, Landes- und Staatsgrenzen kannst du wesentlich mehr Informationen aus deinem Navigationssystem entnehmen und schneller Entfernungen abschätzen.

    Ein Vorteil von Landkarten auf Papier ist es, einen großen detaillierten Ausschnitt zu zeigen.

  • Beschreibe, wie die Modulation funktioniert.

    Tipps

    Aufgabe der Modulation ist es, ein Nutzsignal auf ein Trägersignal zu übertragen.

    Die FM und AM Taste am Radio hat etwas mit Modulation zu tun.

    Lösung

    Aufgabe der Modulation ist es, ein Nutzsignal auf ein Trägersignal zu übertragen.

    Um diese Vorgabe zu erfüllen, stehen grundsätzlich zwei Verfahren zur Verfügung, bei denen entweder die Amplitude oder der Phasenwinkel des Trägersignals moduliert wird.

    AM: die Amplitudenmodulation, bei der das Nutzsignal die Amplituden des Trägersignales verändert.

    FM: die Frequenzmodulation, bei der die Frequenz des Trägersignals in Abhängigkeit von der Steigung des Nutzsignals moduliert wird.

    Sicher hast du schon einmal die FM- und AM-Taste am Radio entdeckt. Mit dieser kannst du einstellen, ob ein Nutzsignal empfangen werden soll, welches durch Amplitudenmodulation oder Frequenzmodulation codiert ist.

  • Analysiere die Bedeutung der Modulation für die Nachrichtentechnik.

    Tipps

    Generell handelt es sich immer um eine Sender-Vektor-Empfänger-Beziehung.

    Da wir uns im Informationszeitalter befinden, kommt der schnellen und gezielten Ausbreitung von Informationen eine besondere Bedeutung zu.

    Modulation kann entweder als Frequenz- oder als Amplitudenmodulation erfolgen.

    Lösung

    Da wir uns im Informationszeitalter befinden, kommt der schnellen und gezielten Ausbreitung von Informationen eine besondere Bedeutung zu.

    Egal, ob wir persönlich Nachrichten oder eine Bewerbung senden, es ist ungemein wichtig, dass diese an einen speziellen Empfänger weitergeleitet werden.

    Dabei kommt dem Datenschutz ebenfalls eine wichtige Bedeutung zu.

    Es ist also unabdinglich, Informationen so zu verschlüsseln, dass diese mit Sicherheit an einen bestimmten Empfänger gesendet werden und von diesem wieder zu entschlüsseln sind.

    Da die Modulation genau diese Anforderungen erfüllen kann, ist sie aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken.

    Wir senden und empfangen Nachrichten jeden Tag und sind uns dabei wohl selten im Klaren darüber, wie deren Ausbreitung eigentlich vonstattengeht.

    Generell handelt es sich immer um eine Sender-Vektor-Empfänger-Beziehung.

    Der Sender stellt ein Nutzsignal bereit, welches auf ein Trägersignal überschrieben wird. Das kann entweder mit der Frequenz- oder der Amplitudenmodulation erreicht werden. Durch einen Vektor, dem modulierten Trägersignal, gelangt eine Information dann zum Empfänger.

    Dieser filtert das Trägersignal heraus, sodass lediglich das Nutzsignal übrig bleibt.

    Damit ist die Übertragung der selektiven Information abgeschlossen.

    Ohne die Modulation würde man heute noch jegliche Nachricht per Post schicken müssen, was zwar ebenfalls die Privatsphäre von Sender um Empfänger schützt und selektiv einen bestimmten Empfänger erreicht, aber sehr viel langsamer ist als etwa eine E-Mail.

    Damit wäre eine schnelle Verarbeitung von Informationen, wie sie heute benötigt wird, unmöglich, und unsere Gesellschaft sicher nicht auf demselben Stand.

  • Nenne einige typische Anwendungen der Modulation.

    Tipps

    Modulation ist die Grundlage der Nachrichtentechnik und wird deshalb bei sehr vielen Geräten und Prozessen gebraucht.

    Bei der Modulation wird stets eine Trägerfrequenz verwendet.

    Lösung

    Modulation ist die Grundlage der Nachrichtentechnik und wird deshalb bei sehr vielen Geräten und Prozessen gebraucht.

    Zunächst einmal schauen wir uns an, wie wir Informationen übertragen können. Sicher hast du schon viele Nachrichten über W-LAN oder das Handynetz verschickt, bestimmt auch schon einmal einen Brief geschrieben und ganz sicher ein Gespräch von Angesicht zu Angesicht geführt.

    In allen diesen Fällen werden Informationen von einem Ort, dem Sender, zu einem anderen Ort, dem Empfänger, übertragen.

    Wird ein Gespräch via Handy geführt, so ist dieses verschlüsselt. Denn nicht jeder, der ein Handy hat, kann sich in die Frequenz einwählen und mitreden. Findet ein Gespräch jedoch etwa auf dem Pausenhof statt, so kann sich jeder, ohne die Handynummer der anderen Personen zu kennen, am Gespräch beteiligen.

    Im Bezug auf die Modulation können wir sagen:

    Bei dem Gespräch per Handy wird das Nutzsignal auf eine Trägerfrequenz überschrieben und so transportiert. Findet ein Gespräch persönlich statt, so gibt es keine Trägerfrequenz und die Nachricht wird direkt übertragen.

    Mit diesem Beispiel kannst du sicher besser verstehen, in welchen Fällen Modulation auftritt und in welchen nicht.

  • Erkläre den Unterschied zwischen AM und FM.

    Tipps

    Bei der Modulation muss es immer einen Sendeinhalt geben, der zwischen Sender und Empfänger ausgetauscht wird.

    FM undAM sind zwei unterschiedliche Arten, Informationen zu verpacken.

    Lösung

    Um die Frequenz- und Amplitudenmodulation voneinander abgrenzen zu können, schauen wir uns zunächst schematisch an, wie eine Nachrichtenübertragung mit Modulation aussieht.

    Am Beispiel des Fernsehers ist dies gut nachvollziehbar.

    Es gibt in diesem Beispiel eine Sendeanstalt, die das Programm versendet, einen Ausbreitungsweg und unser TV-Gerät, welches das Signal empfängt und in Bild und Ton übersetzt.

    Bei einer Nachrichtensendung etwa steht der Moderator im Studio. Er wird von einer Kamera gefilmt. Der gefilmte Inhalt wird nun vom Sender per Modulation auf ein Trägersignal übertragen und gesendet. Wenn wir den entsprechenden Sender einschalten, so wird da codierte Signal in Bild und Ton übersetzt und wir können die TV-Show gucken.

    Bei der Modulation muss es also immer einen Sendeinhalt geben, der zwischen Sender und Empfänger ausgetauscht wird. Man sagt, es gibt ein Nutzsignal, welches auf ein Trägersignal übertragen wird. Dabei bestimmt die Stärke des Trägersignals die Reichweite der Ausstrahlung.

    Es gibt mehrere Möglichkeiten, das Nutzsignal zu codieren.

    Amplitudenmodulation
    Bei der Amplitudenmodulation verändert das Nutzsignal die Amplituden der Trägerfrequenz. Sobald die Trägerfrequenz den Empfänger erreicht, filtert dieser die Trägerfrequenz heraus und es bleibt nur das Nutzsignal übrig.

    So also würden wir ein Paket auspacken. Die Verpackung dient lediglich dem Transport. Wir entfernen diese nach Erhalt des Pakets wieder, um den Inhalt nutzen zu können.

    Frequenzmodulation
    Die Frequenzmodulation ist eine andere Möglichkeit, Information zu verpacken. Hier wird die Frequenz des Trägersignal durch das Nutzsignal verändert. Nach Erhalt der Nachricht wird die ursprüngliche Trägerfrequenz herausgefiltert und es bleibt das Nutzsignal übrig.

    Die FM ist also sozusagen nur eine andere Art, Informationen zu verpacken.