Vad är modulation?

En radiovåg i sig själv säger ingenting. Den är bara en jämn svängning, ungefär som en ton som aldrig tar slut. För att vågen ska kunna bära tal, musik, bilder eller data måste vi ändra den i takt med det vi vill skicka. Det kallas modulation, och det är grunden för all radiokommunikation – från FM-radion i köket till mobilnätet och GPS.

Bärvågen – en tom lastbil#

Tänk dig att du vill skicka ett brev till andra sidan stan. Brevet kan inte flyga själv; det behöver en bil. I radio är bilen bärvågen (eng. carrier): en elektromagnetisk våg med en bestämd frekvens, till exempel 103,3 MHz för en FM-station eller 2,4 GHz för Wi-Fi. Bärvågen skapas av en oscillator i sändaren och strålas ut av antennen (läs mer i Så fungerar en antenn).

En omodulerad bärvåg ser likadan ut hela tiden. Den avslöjar bara att sändaren är på. Först när vi ändrar vågen i takt med en signal, till exempel en röst, finns det något att ta emot. Själva ljudsignalen, den som styr ändringarna, kallas den modulerande signalen, och resultatet kallas den modulerade signalen.

Varför inte skicka ljudet direkt?#

Man kan undra varför vi inte bara skickar ut ljudet som det är, som elektriska svängningar på några hundra eller tusen hertz. Det finns tre goda skäl:

Antennerna skulle bli enorma. En antenn fungerar bäst när den är ungefär lika stor som en halv eller en kvarts våglängd. Våglängden räknas ut med $\lambda =c/f$, där $c$ är ljusets hastighet (se Frekvens, våglängd och periodtid). För en ton på 1 000 Hz blir våglängden 300 km. Ingen kan bygga en sådan antenn i en handapparat. På 100 MHz är våglängden i stället 3 meter, och en antenn på några decimeter räcker.

Alla skulle krocka. Om alla stationer sände sitt ljud på samma låga frekvenser skulle signalerna blandas till ett sorl. Genom att lägga varje station på en egen bärvågsfrekvens kan tusentals sändare samsas. Frekvensen blir en sorts adress: du ställer in mottagaren på stationens frekvens och filtrerar bort resten (figur 1).

Olika frekvenser beter sig olika. Långvåg följer jordytan, kortvåg kan studsa mot jonosfären och mikrovåg går i raka linjer. Genom att välja bärvågsfrekvens väljer man också räckvidd och utbredning (se Så färdas radiovågor).

Tre saker vi kan ändra#

En sinusvåg beskrivs helt av tre egenskaper. Varje egenskap kan användas för att bära information:

Amplitud

Hur hög vågen är, alltså hur stark signalen är. Ändrar man amplituden får man amplitudmodulation (AM).

Frekvens

Hur många svängningar vågen gör per sekund. Ändrar man frekvensen lite upp och ned får man frekvensmodulation (FM).

Fas

Var i svängningen vågen befinner sig vid en viss tidpunkt, ungefär som visarens läge på en klocka. Ändrar man fasen får man fasmodulation (PM).

Figur 2 visar hur samma ljudsignal kan läggas på en bärvåg med AM och med FM. Vid AM ser du att vågens ”kontur” (den streckade linjen, som kallas envelopen eller höljet) följer ljudet. Vid FM är höjden hela tiden densamma, men svängningarna trängs ihop när ljudsignalen är hög och glesnar när den är låg.

AM är den äldsta metoden och används fortfarande i flygradion och av vissa rundradiostationer på lång-, mellan- och kortvåg. FM tog över rundradion på VHF eftersom den är mycket mindre känslig för brus och knaster. Fasmodulation är nära släkt med FM och är grunden för de flesta digitala system. Du kan läsa mer i Amplitudmodulation och Frekvens- och fasmodulation.

Analogt och digitalt#

Vid analog modulation kan bärvågen ändras steglöst. En röst som blir lite starkare ger en lite större ändring. AM och FM i sin klassiska form är analoga.

Vid digital modulation är informationen redan omgjord till ettor och nollor (bitar), och bärvågen får bara anta ett begränsat antal bestämda lägen. Varje läge kallas en symbol. Med två lägen bär varje symbol en bit; med fyra lägen bär den två bitar; med 1 024 lägen bär den tio bitar. Figur 3 visar de tre enklaste sätten:

• ASK (amplitudskiftnyckling): bärvågen slås på och av, eller växlar mellan två styrkor. Används i enkla fjärrkontroller och nyckelbrickor, och morsetelegrafi är egentligen samma sak.
• FSK (frekvensskiftnyckling): bärvågen växlar mellan två frekvenser, en för ettor och en för nollor. Bluetooth och många sensorer använder varianter av FSK.
• PSK (fasskiftnyckling): bärvågen behåller frekvens och styrka men byter fas, alltså ”vänder” sig, när informationen ändras.

Moderna system kombinerar amplitud och fas för att få in många bitar i varje symbol. Det kallas QAM (kvadraturamplitudmodulation) och används i mobilnät, Wi-Fi, digital-tv och radiolänkar. Läs mer i Digital modulation. Ljudet måste först göras om till bitar, vilket beskrivs i Digitalisering och ljudkodning.

Fördelen med digitalt är att mottagaren bara behöver avgöra vilket av de tillåtna lägena som skickades. Så länge bruset inte är för stort blir resultatet felfritt, och små fel kan rättas med felrättande koder. Dessutom kan data komprimeras, krypteras och blandas med annan information.

Bandbredd – vägens bredd#

När man modulerar en bärvåg breder signalen ut sig lite åt båda hållen i frekvens. En omodulerad bärvåg är en enda skarp frekvens, men en modulerad bärvåg tar upp ett helt frekvensband. Bredden på detta band kallas bandbredd och mäts i hertz.

En bra liknelse är en väg. En smal grusväg räcker för en cyklist, men en motorväg med många filer behövs för tät trafik. På samma sätt räcker någon hundra hertz för morsetelegrafi, medan tal behöver några kilohertz, FM-rundradio i stereo några hundra kilohertz och ett 5G-nät tiotals megahertz (figur 4). Ju mer information per sekund som ska fram, desto bredare väg behövs. Exakt hur mycket som går att skicka beror också på hur starkt bruset är; det samband som anger gränsen beskrivs i Bandbredd, kanalkapacitet och Shannons gräns.

Eftersom radiospektrum är begränsat delas det upp i kanaler med bestämd bredd. På FM-bandet anges stationernas frekvenser i steg om 100 kHz, kommunikationsradio på VHF och UHF använder ofta kanaler på 12,5 eller 25 kHz, och ett DAB+-block är ungefär 1,5 MHz brett¹. Därför är bandbredd en av de viktigaste uppgifterna i ett radiotillstånd. Den anges tillsammans med modulationstypen i en kod som kallas emissionsbeteckning, till exempel 16K0F3E för FM-tal i en 25 kHz-kanal². Koden förklaras i Sändningsklasser och emissionsbeteckningar.

Modulation i vardagen#

Du använder många olika modulationsmetoder varje dag utan att tänka på det:

OFDM, som nämns flera gånger i tabellen, betyder att signalen delas upp på hundratals eller tusentals smala bärvågor som sänds samtidigt. Det gör signalen tålig mot ekon från hus och berg. Läs mer i OFDM och flerbärvågssystem.

Kontrollfrågor#