Unter Modulation versteht man die Konvertierung eines digitalen Signals, das aus binären Bits (0 oder 1) besteht, in ein analoges Signal, etwa eine Sinuskurve. Das modulierte Signal besteht aus einem reinen sinusförmigen Trägersignal (engl. »Carrier«), das verändert wird, um Informationen zu übertragen. Ein reines Trägersignal, das sich weder in der Frequenz noch in der Amplitude verändert, überträgt auch keinerlei Informationen (ausser, dass ein Trägersignal vorhanden ist). Um das Trägersignal Informationen übertragen zu lassen, verändern (oder »modulieren«) wir es. Es gibt drei wesentliche Modulationstypen: Frequenzmodulation, Amplitudenmodulation und Phasenmodulation. Diese Modulationstypen werden in den folgenden Abschnitten erklärt.
Die einfachste Modulationsmethode ist die Frequenzmodulation. Die Frequenz wird in der Einheit »Schwingungen pro Sekunde« angegeben. Es ist die Anzahl, mit der sich z.B. eine Sinus-Schwingung pro Sekunde wiederholt. Die Frequenz gibt an, wie oft pro Sekunde der maximale Ausschlag erreicht wird. Die Einheit der Frequenz ist »Hertz« (abgekürzt Hz, nach dem deutschen Physiker Heinrich Hertz).
Ein einfaches Beispiel für Frequenzmodulation bestünde etwa in der Festlegung, dass eine bestimmte Frequenz eine 0 bedeutet, und eine andere Frequenz bedeutet eine 1. Z.B. bedeutete bei einigen (inzwischen überholten) 300 Baud-Modems eine Frequenz von 1070 Hz ein binäre 0, während eine Frequenz von 1270 Hz eine binäre 1 darstellte (»Frequency Shift Keying«). Anstelle von zwei möglichen Frequenzen könnten aber auch mehr verwendet werden, um mehr Informationen zu übertragen. Würden wir vier verschiedene Frequenzen verwenden (nennen wir sie A, B, C und D), könnte jede Frequenz ein Bitpaar darstellen. Um z.B. 00 zu senden, könnte man Frequenz A verwenden, für 01 die Frequenz B, für 10 C und schließlich für 11 die Frequenz D. In gleicher Weise könnten wir mit jedem Wechsel der Frequenz 3 Bits an Information übertragen, wenn wir 8 verschiedene Frequenzen verwenden würden. Jedesmal, wenn wir die Anzahl der möglichen Frequenzen verdoppeln, können wir die Anzahl der übertragenen Bits um eins erhöhen.
Wenn man das obige Beispiel der Frequenzmodulation verstanden hat, bei dem mehrere Bits mit einem einzigen Frequenzwechsel übertragen werden, ist es einfacher, sowohl die Amplituden- als auch die Phasenmodulation zu verstehen. Analog zur Änderung der Frequenz der Sinus-Trägerschwinung verändert man bei der Amplitudenmodulation die Amplitude (oder die Höhe der Spannung). Als einfachste Möglichkeit könnten nur zwei mögliche Amplituden erlaubt sein, wobei die eine ein 0-Bit, die andere ein 1-Bit darstellt. Wie im Fall der Frequenzmodulation erklärt, kann mehr Information übertragen werden, wenn mehrere erlaubte Amplituden zur Verfügung stehen.
Um die Phase einer Sinusschwingung zu einem bestimmten Zeitpunkt zu verändern, stoppen wir das Senden der alten Sinusschwingung und beginnen gleichzeitig mit dem Senden einer neuen Schwingung der selben Frequenz und Amplitude. Wenn wir die neue Sinusschwingung mit der gleichen Spannung (und der gleichen zeitlichen Änderungsrate, d.h. mathematisch gesprochen mit dem gleichen Wert der 1. Ableitung) starten, mit der die alte Schwingung gestoppt wurde, würde sich keine Änderung der Phase (oder eine andere messbare Änderung) ergeben. Aber nehmen wir mal an, wir würde die neue Sinusschwingung an einem anderen Punkt der Sinuskurve starten. Dann würde wahrscheinlich ein plötzlicher Spannungsprung zu dem Zeitpunkt auftreten, an dem die alte Schwingung gestoppt wird und die neue beginnt. Dies ist eine Phasenverschiebung, die in Grad gemessen wird. Eine Phasenverschiebung von 0 Grad (oder 360 Grad) bedeutet keinerlei Änderung, während eine Phasenverschiebung von 180 Grad die Spannung (und Steigung) der Sinusschwingung invertiert. Anders ausgedrückt, bedeutet eine 180 Grad Phasenverschiebung, dass eine halbe Periode (180 Grad) übersprungen wird. Natürlich könnten wir auch 90 Grad oder 135 Grad überspringen, usw. Wie im Beispiel der Frequenzmodulation erklärt, kann eine Phasenverschiebung umso mehr Bits repräsentierten, je mehr mögliche Werte für die Phasenverschiebung zur Verfügung stehen.
Statt eine der drei möglichen Modulationsarten zu auszuwählen, könnten wir auch mehrere Methoden kombinieren. Nehmen wir an, wir hätten 256 mögliche Frequenzen zur Verfügung und könnten daher ein Byte (8 Bits) bei jedem Frequenzwechsel übertragen (2 hoch 8 ergibt 256). Nehmem wir weiter an, dass wir 256 mögliche Amplituden zu Verfügung haben, so dass jeder Wechsel der Amplitude ebenfalls ein Byte repräsentiert. Nehmen wir auch noch an, dass 256 mögliche Phasenverschiebungen erlaubt sind. Dann könnten wir zu einem Zeitpunkt alle 3 Werte ändern. Bei jedem solchen Übergang würden wir 3 Bytes an Information übertragen.
Tatsächlich funktioniert keine der heute üblichen Modulationsmethoden auf diese Weise. Es würde zu lange dauern, um alle 3 Änderungstypen zu prüfen. Weit verbreitet ist allerdings die gleichzeitige Änderung sowohl der Phase als auch der Amplitude. Dies wird auch als Phasen-Amplituden Modulation bezeichnet (oder quadratische Amplitudenmodulation, abgekürzt QAM). Diese Methode wird bei den üblichen Modemgeschwindigkeiten von 14,4k, 28,8k und 33,6k verwendet. Einzig bei 56k Modems wird diese Methode heute nicht verwendet. Aber selbst 56k Modems verwenden QAM für die Übertragungsrichtung vom PC zur Telefonleitung. Manchmal wird sogar für die andere Übertragungsrichtung QAM verwendet, wenn die Leitungsqualität nicht ausreichend gut ist. Daher ist QAM die am weitesten verbreitete Modulationsmethode für normale Telefonleitungen.
Die Modulationsmethode, die oberhalb von 33,6k verwendet wird, ist vollkommen anders als die übliche Phasen-Amplituden Modulation. Die Signale auf einer normalen analogen Telefonleitung (d.h. kein ISDN-Anschluss) werden in der Ortsvermittlungsstelle der Betreibergesellschaft (in Deutschland ist dies in der Regel die Deutsche Telekom AG) in digitale Signale konvertiert, weil die Ortsvermittlungsstellen untereinander digitale Signale austauschen. Die höchste erreichbare Übertragungsgeschwindigkeit auf einer normalen Telefonleitung ist damit begrenzt auf die Übertragungsgeschwindigkeit zwischen den Ortsvermittlungsstellen, und diese liegt knapp unter 64kbps. Die vollen 64k werden nicht erreicht, da Bits, die eigentlich der Informationsübertragung dienen sollen, für Signalisierungszwecke verwendet werden. Auf einer digitalen Leitung (z.B. ISDN) existieren andere Möglichkeiten für die Signalisierung, so dass hier keine Bits »gestohlen« werden müssen.
Um die höchst mögliche Übertragungsgeschwindigkeit von 64kbps zu nutzen, müsste ein Modem genau wissen, wie die analogen Signale in der Ortsvermittlungstelle in digitale Signale konvertiert werden. Diese Aufgabe ist viel zu kompliziert, wenn der Gesprächspartner auch nur über einen analogen Anschluss an seiner Ortsvermittlungsstelle verfügt und auch dort wieder eine Konvertierung (diesmal von digital nach analog) stattfindet. Falls aber eine Seite über einen digitalen Anschluss verfügt, ist die Aufgabe lösbar (zumindest in einer Übertragungsrichtung). Falls Ihr Internetanbieter (Internet Service Provider, abgekürzt ISP) über einen digitalen Anschluss an das Telefonnetz verfügt, kann er ein bestimmtes digitales Signal über die Telefonleitung zu Ihrem PC senden. Dieses digitale Signal wird in der Ortsvermittlungstelle in ein analoges Signal konvertiert. Wenn Ihr Modem in der Lage ist, dieses Signal korrekt zu interpretieren, ist prinzipiell ein Übertragung mit maximal 64k in dieser Richtung (vom ISP zu Ihrem PC) möglich.
Wie werden in der Ortsvermittlungsstelle der Betreibergesellschaft die analogen Signale in digitale Signale konvertiert? Es wird eine Methode verwendet, bei der die Amplitude des analogen Signals 8000 mal pro Sekunde abgetastet wird. Jeder einzelne dieser Abtastwerte wird in einen 8-Bit Wert umgewandelt (d.h. das analoge Signal wird mit nur noch 256 möglichen Werten erfasst. Daher kommt der »magische« Wert: 8 Bits x 8000 Abtastungen pro Sekunde = 64kbps). Diese Modulationsart heisst Puls Code Modulation (PCM). Die entstehenden Datenbytes werden über die digitalen Leitungen der Betreibergesellschaft gesendet, wobei sich viele Verbindungen eine Leitung teilen. Möglich ist dies durch Anwendung eines bestimmten Schemas, welches vorgibt, zu welcher Zeit eine bestimmte Verbindung die Leitung nutzen darf (Zeitmulitplex-Verfahren). Schließlich wird in der Ortsvermittlungsstelle ein umgekehrtes Multiplex Verfahren verwendet, um das digitale Signal zu erzeugen, welches ürsprünglich durch PCM entstanden war. Dieses Signal wird in ein analoges Signal verwandelt und zu Ihrem Modem geschickt. Jedes Byte erzeugt dabei eine bestimmte Amplitude des analogen Signals. Die Aufgabe Ihres Modems besteht nun darin, das ürsprüngliche 8-Bit Muster aus der Amplitude des analogen Signals zu rekonstruieren.
Dies ist eine Art von »Amplituden Demodulation«, aber diese Bezeichnung ist nicht ganz korrekt, weil kein Trägersignal existiert. Tatsächlich wird das Verfahren mit »Modulo-Konvertierung« bezeichnet und ist genau das Umgekehrte wie PCM. Um die Bitmuster des PCM Signals zu rekonstruieren, muss das Modem die Amplitude des analogen Signals exakt zu den selben Zeitpunkten abtasten, die zur Erzeugung des analogen Signals verwendet wurden. Wie kann das Modem diese Zeitpunkte wissen? Die Amplitude des analogen Signals ändert sich 8000 mal pro Sekunde (die ursprüngliche Abtastfrequenz). Diese Änderungen erzeugen auf der Telefonleitung ein 4 kHz Signal, aus dem das Modem die Abtastzeitpunkte entnehmen kann.
Nun ist die Kodierung der Amplitudenwerte beim PCM Verfahren nicht linear und bei kleinen Amplituden sind die Unterschiede zwischen zwei erlaubten Amplitudenwerten ziemlich gering. Um die Unterscheidung zwischen zwei nahe beieinanderliegenden Amplitudenwerten zu vereinfachen, werden bestimmte Werte nicht verwendet. Die Differenz zwischen zwei möglichen Werten wird dadurch größer und die Unterscheidung durch das Modem wird einfacher. Bei V.90 wird die Hälfte der erlaubten Amplitudenwerte nicht verwendet. Dies entspricht einer Kodierung in 7-Bit Werte anstelle von 8-Bit Werten. Daher ergibt sich auch die Übertragungsgeschwindigkeit von 56k: 7 Bits/Wert x 8000 Werte pro Sekunde = 56 kbps. Die erzeugten digitalen Werte bestehen natürlich weiterhin aus 8 Bits, aber nur 128 der 256 möglichen Bitmuster werden tatsächlich verwendet.
Aber es wird noch komplizierter. Wenn die Leitungsqualität nicht ausreichend hoch ist, werden u.U. noch weniger der möglichen Bitmuster zur Übertragung verwendet, und das bedeutet eine geringere Übertragungsgeschwindigkeit als 56k. In den USA gibt es zusätzlich noch gesetzliche Auflagen, die die Übertragung von hohen Amplitudenwerten über Telefonleitungen verbieten, was bestenfalls eine Übertragungsgeschwindigkeit von ca. 53,3 kbps für »56k«-Modems ermöglicht.
Beachten Sie, dass der digitale Teil des Telefonnetzes bidirektional ist. Die Verbindung zu Ihrem besteht ISP in Wirklichkeit aus zwei Übertragungskanälen, einer für jede Übertragungsrichtung. Für die Richtung von Ihrem PC zum ISP wird die übliche Phasen-Amplituden Modulation mit einer maximalen Geschwindigkeit von 33,6 kbps verwendet. Nur in der Gegenrichtung werden maximal 56 kbps erreicht.