Erich Pehl
Digitale und analoge
Nachrichtenübertragung
Signale, Codierung, Modulation, Anwendungen
Hüthig Verlag Heidelberg
Inhaltsverzeichnis
Vorwort V Einfühlung XV 1 Information und Nachricht 1 1.1 Diskrete Informationsquellen und Kanäle 1 1.1.1 Entscheidungsgehalt, Informationsentropie 1 1.1.2 Verbundentropie, bedingte Entropie 6 1.1.3 Kanalkapazität 9 1.2 Kontinuierliche Informationsquellen und Kanäle 11 1.2.1 Entropie, Verbundentropie, bedingte Entropie 11 1.2.2 Kanalkapazität eines gestörten Kanals ; 14 Übungsaufgaben 20 2 Signale und Rauschen 21 2.1 Signaldarstellung 21 2.1.1 Periodische Signale 21 2.1.2 Nichtperiodische Signale 24 2.1.2.1 Determinierte Signale 24 2.1.2.2 Nichtdeterminierte Signale 26 2.2 Rauschen 28 2.2.1 Rauschquellen 28 2.2.2 Rauschkenngrößen 30 2.3 Logarithmisches Maß, Pegel 32 2.4 Übertragungsverhalten linearer Systeme 33 Übungsaufgaben 35 3 Signalverzerrungen 37 3.1 Lineare Verzerrungen 37 3.2 Nichtlineare Verzerrungen 41 3.2.1 Reihenentwicklung der Systemkennlinie 41 3.2.2 Entstehung von Oberschwingungen 42 3.2.3 Entstehung von Kombinationsfrequenzen 44 Übungsaufgaben 45
VIII Inhaltsverzeichnis 4 Allgemeines Schema einer Nachrichtenübertragung 47 4.1 Analoge und digitale Nachrichtenübertragung 47 4.2 Vielfachübertragung (Multiplextechnik) 49 4.2.1 Frequenzmultiplexverfahren 49 4.2.2 Zeitmultiplexverfahren 51 5 Übertragungsstrecke 53 5.1 Leitung als Übertragungsstrecke 53 5.1.1 Leitungsgleichungen 53 5.1.2 Reflexionsfaktor 58 5.1.3 Eingangsimpedanz 59 5.1.4 Stehende Wellen 62 5.1.5 Näherungsbeziehungen für y und ZL 64 5.2 Freier Räum als Übertragungsstrecke 68 Übungsaufgaben 74 6 Amplitudenmodulation eines Sinusträgers 77 6.1 Signalbeschreibung 77 6.1.1 Zweiseitenbandmodulation mit Träger 77 6.1.2 Zweiseitenbandmodulation ohne Träger 82 6.1.3 Einseitenbandmodulation 83 6.1.3.1 Einseitenbandmodulation mit Träger 83 6.1.3.2 Einseitenbandmodulation mit unterdrücktem Träger 84 6.1.4 Restseitenbandmodulation 85 6.1.5 Quadraturamplitudenmodulation 87 6.2 Erzeugung einer Amplitudenmodulation 88 6.2.1 Zweiseitenband-AM mit Träger 88 6.2.2 Amplitudenmodulation mit unterdrücktem Träger 92 6.2.3 Einseitenband-Ampitudenmodulation 95 6.2.3.1 Filtermethode 95 6.2.3.2 Phasenmethode 96 6.3 Demodulation einer Amplitudenmodulation 97 6.3.1 Inkohärente Demodulation (Hüllkurvendemodulation) 97 6.3.2 Kohärente Demodulation (Synchrondemodulation) 99 6.3.2.1 Zweiseitenband-AM mit Träger 100 6.3.2.2 Zweiseitenband-AM ohne Träger 101 6.3.2.3 Einseitenband-AM ohne Träger 102 6.4 Verfahren der Bandpaß-Tiefpaß-Darstellung von Signalen
(Verfahren der komplexen Einhüllenden) 103 Übungsaufgaben 106
Inhaltsverzeichnis IX 7 Winkelmodulation (Frequenz- und Phasenmodulation) 109 7.1 Signaldarstellung im Zeit- und im Frequenzbereich 109 7.1.1 Frequenzmodulation 109 7.1.2 Phasenmodulation 112 7.1.3 Frequenzmodulation mit Preemphase 118 7.2 Erzeugung einer Winkelmodulation 119 7.2.1 Direkte Frequenzmodulation 119 7.2.2 Indirekte Frequenzmodulation 121 7.3 Demodulation einer Winkelmodulation 121 7.3.1 Demodulation über eine Umwandlung in eine Amplitudenmodulation 121 7.3.2 Demodulation über eine Umwandlung in eine Pulsmodulation 128 7.3.3 PLL-Demodulator 130 7.4 Störverhalten der Frequenzmodulation 132 Übungsaufgaben 133 8 Analoge Modulation eines Pulsträgers 135 8.1 Abtasttheorem 135 8.2 Pulsamplitudenmodulation 136 8.2.1 Signalbeschreibung 136 8.2.2 Signalerzeugung und -demodulation 143 8.3 PAM-Zeitmultiplex 145 8.4 Pulszeitmodulation 148 8.4.1 Pulsdauermodulation 148 8.4.1.1 Signalbeschreibung 148 8.4.1.2 Signalerzeugung 149 8.4.1.3 Demodulation 150 8.4.2 Pulsfrequenz- und Pulsphasenmodulation 153 8.4.2.1 Signalbeschreibung 153 8.4.2.2 Signalerzeugung 155 8.4.2.3 Demodulation 155 Übungsaufgaben 156 9 Digitale Modulation im Basisband (Puiscodemodulation und
Deltamodulation) 159 9.1 Pulscodemodulation 159 9.1.1 Signalerzeugung und Demodulation 159 9.1.2 Codierverfahren 167 9.1.3 PCM-Zeitmultiplex 168 9.1.3.1 Signalbündelung 168
X Inhaltsverzeichnis 9.1.3.2 Übertragungsbandbreite 169 9.1.3.3 PCM-Systeme 171 9.2 Differenz-Pulscodemodulation 172 9.3 Deltamodulation 174 9.4 Signalregenerierung 176 10 Übertragung digitaler Signale 179 10.1 Codierung 179 10.2 Taktsynchronisation 182 10.2.1 Bit-Synchronisation 182 10.2.2 Wortsynchronisation 183 10.2.3 Rahmensynchronisation 184 10.3 Verwürfelung (Scrambling) 185 10.3.1 Verwürfelung mit einer Pseudozufallsfolge 185 10.3.2 Verwürfelung mit Selbstsynchronisation 189 10.4 Übertragungsbandbreite 191 10.5 Optimale Verarbeitung der Empfangssignale (Optimalfilter, Korrelator) .... 194 Übungsaufgaben 199 11 Tastung eines sinusförmigen Trägers durch digitale Signale 201 11.1 Amplitudenumtastung 202 11.2 Frequenzumtastung 205 11.3 Phasenumtastung 208 11.3.1 2-PSK-Verfahren 208 11.3.2 4-PSK-Verfahren 211 11.3.3 M-PSK 215 11.3.4 Phasendifferenzumtastung 217 11.3.5 Offset-QPSK 220 11.4 Verfahren mit kontinuierlichem Phasenübergang (MSK-Verfahren,
GMSK-Verfahren) 222 11.5 Amplituden-Phasen-Umtastung, Quadraturamplitudenmodulation 230 11.6 Trägerrückgewinnung 232 11.6.1 Quadrierschleife (Frequenzverdopplungsschleife) 232 11.6.2 Costas-Schleife 235 11.7 Störabstand, Bitfehlerwahrscheinlichkeit, Bandbreite 236 Übungsaufgaben 240
Inhaltsverzeichnis XI 12 Bitfehlererkennung und -korrektur 241 12.1 Blockcodierung und Paritätsprüfung 241 12.2 /Fehlerkorrigierende zyklische Codes 248 12.3 Bündelfehler 257 12.3.1 Erkennung von Bündelfehlern 257 12.3.2 Codespreizung (Interleaving) 258 12.4 Faltungscodes 259 12.4.1 Codierung 259 12.4.1.1 Baumdiagramm 262 12.4.1.2 Trellisdiagramm .- 264 12.4.1.3 Zustandsdiagramm 264 12.4.2 Decodierung 265 12.4.2.1 Hard- und Soft-Decision-Technik 265 12.4.2.2 Entscheidungsgewicht bei der Decodierung 266 12.4.2.3 Viterbi-Decodierer 268 Übungsaufgaben 271 13 Richtfunk 273 13.1 Übertragungsschema 273 13.2 Erforderliche Sendeleistung 273 13.3 Abweichungen von der Freiraumausbreitung 276 13.3.1 Mehrwegeausbreitung 276 13.3.2 Beugung des Funkstrahls 277 13.3.3 Atmosphärische Dämpfung 278 13.4 FM-Richtfunk und Trägerfrequenztechnik 278 13.5 Digitaler Richtfunk mit PCM 284 Übungsaufgaben 286 14 Satellitenfunk 287 14.1 Einführung 287 14.2 Vielfachzugriff zum Satellitentransponder 287 14.2.1 Vielfachzugriff im Frequenzmultiplex 287 14.2.1.1 FDMAmit Mehrkanalträgern 287 14.2.1.2 FDMAmit Einzelkanalträgen 288 14.2.2 Vielfachzugriff im Zeitmultiplex 288 14.2.2.1 TDMAmit konstanter Rahmenlänge 289 14.2.2.2 Offene TDMA-Systeme 289
XII ^ Inhaltsverzeichnis 14.2.3 Vielfachzugriff im Codemultiplex 291 14.2.4 Vielfachzugriff im Raummultiplex 292 14.2.5 Vielfachzugriff im Polarisationsmultiplex 292 14.3 Satellitenübertragungsstrecke 293 Übungsaufgaben 297 15 Optische Nachrichtenübertragung 299 15.1 Lichtwellenleiter 299 15.1.1 Mehrmoden-Stufenprofilfaser 299 15.1.2 Mehrmoden-Gradientenfaser 302 15.1.3 Einmodenfaser •• 303 15.2 Optische Quellen 304 15.2.1 Lumineszenzdioden 304 15.2.2 Laserdioden .' 304 15.3 Optische Detektoren 305 15.3.1 PIN-Fotodioden 305 15.3.2 Lawinenfotodioden 306 15.4 Glasfaserverstärker 306 15.5 Solitonensy steme 308 15.6 Übertragungsverfahren 309 15.6.1 Analoge und digitale Übertragung 309 15.6.2 Inkohärente Übertragung 310 15.6.3 Kohärente Übertragung 311 15.7 Signalstörungen 312 15.7.1 Signalverzerrungen 312 15.7.2 Rauschen 312 16 Mobilfunk 315 16.1 Vielfachzugriffsverfahren 315 16.2 Mobilfunknetze 316 16.2.1 C-Netz (C-Tel) 316 16.2.1.1 Netzaufbau 316 16.2.1.2 Datenübertragung 317 16.2.1.3 Verkehrsablauf 321 16.2.2 GSM-Mobilfunk (D-Netz) 322 16.2.2.1 Netzaufbau 322 16.2.2.2 Funknetzaufbau 323
Inhaltsverzeichnis XIII 16.2.2.3 Frequenzbereiche 324 16.2.2.4 Kanalaufteilung 325 16.2.2.5 Physikalische und logische Kanäle 326 16.2.2.6 Datenübertragung 328 16.2.2.7 Fehlerschutzcodierung 329 16.2.2.8 Datenverkehr im Netz 330 16.2.3 CDMA-Mobilfunk, IS-95-System 331 16.2.3.1 CDMA-Übertragung 331 16.2.3.2 IS-95-System 334 16.2.3.3 CDMA-Simulation mit dem beiliegenden Programm WINSIMU 336 16.2.4 Neue Mobilfunksysteme , 339 16.2.4.1 Weiterentwicklung von GSM 339 16.2.4.2 Professioneller Mobilfunk (Bündelfunk) 339 16.2.4.3 Satellitenmobilfunk 340 16.2.4.4 Mobilfunksysteme der dritten Generation, Multimedia, UMTS 340 17 Digitaler Hörrundfunk DAB 343 17.1 Überblick 343 17.2 Quellencodierung 345 17.3 Kanalcodierung 346 17.4 Fehlerverschleierung (Concealment) 348 17.4.1 Stummschaltung 348 17.4.2 Signalwiederholung 348 17.4.3 Links-Rechts-Ersatz 349 17.5 DAB-Decodierer 350 17.6 Übertragungsverfahren COFDM 351 17.7 Gleichwellentechnik 354 18 Erläuterung zur beigefügten Software 357 18.1 Programm "WIN_SIMU" 357 18.1.1 Beschreibung des Programms 357 18.1.2 Installation von "WIN_SIMU" 358 18.1.3 Bedienung des Programms 358 18.2 Programm "LEITUNG" 359 18.2.1 Beschreibung , 359 18.2.2 Installation von "LEITUNG" 359 18.2.3 Bedienung des Programms 360
XIV Inhaltsverzeichnis Anhang 361 Lösungen zu den Übungsaufgaben 361 Glossar 393 Verwendete Formelzeichen 397 Trigonometrische Formeln 399 Literatur 401 Sachwörterverzeichnis 403
