Hochschultext
Kristian Kroschel
DatenUbertragung
Eine EinfUhrung
Mit 155 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York London Paris Tokyo
Hong Kong Barcelona Budapest
Dr.-Ing. Kristian Kroschel
Professor, Institut fUr Nachrichtensystemel Institut fUr Automation und Robotik Universitat Karlsruhe
Abteilungsleiter, Institut fUr
Informations- und Datenverarbeitung (IITB) Karlsruhe
CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek Kroschel, Kristian:
DatenUbertragung : eine EinfUhrung 1 Kristian Kroschel.- Berlin; Heidelberg; New York ; London; Paris; Tokyo;
Hong Kong; Barcelona: Springer, 1991
ISBN-13: 978-3-540-53746-5 e-ISBN-13: 978-3-642-86097-3 DOl: 10.1007/978-3-642-86097-3
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1991
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60/3020-543210 -Gedruckt auf saurefreiem Papier
Vorwort
Das Thema Dateniibertragung interessierte zur Zeit der Massenkommunikation mit analoger Technik fiir Telefon, Rundfunk und Fernsehen hauptsachlich nur die Experten, die sich mit der Kopplung von Rechnern befassten [Byl 76], [CIa 78], [Fra 74], [Gur 69]' [Hof 73], [Kad 68], [Kra 78], [Kra 74], [Oet 74]. Durch Einfiihrung des ISDN, des inte- grated services digital network, wird die klassische Nachrichteniibertragung bei den genannten Massenmedien wegen der dabei erforderlichen Digitalisierung der urspriinglich analogen Signale zu einem Thema der Dateniibertragung. Dies gilt nicht nur fiir drahtge- bundene Kommunikationsdienste, sondern auch fiir neue Dienste wie den Mobilfunk im D-Netz, der Funkiibertragungswege benutzt. Fortschritte bei der Entwicklung von Bausteinen zur digitalen Signalverarbeitung waren und sind dabei die Voraussetzung fiir einen okonomischen Erfolg der Ubertragung analoger Information in Form von digitali- sierten Daten.
Nicht nur aus diesem Grunde ist die Dateniibertragung ein fester Bestandteil im Studium der Informationstechnik geworden. Der Reiz dieses Gebiets liegt darin, daB hier ein weites Spektrum von Fragen angesprochen wird, u.a. physikalische Probleme, die durch die Ubertragungswege bedingt sind, Aufgaben der Systemtheorie und statistischen Nachrichtentheorie beim Entwurf geeigneter Signalformen und Modulationsverfahren oder Fragen der Regelungstechnik bei der Synchronisation von Datenstromen, ganz zu schweigen von Aspekten der Quellen- und Kana1codierung oder des Entwurfs von Hard- und Software.
Selbstverstandlich will und kann dieses in die Dateniibertragung einfiihrende Buch nicht aIle der genannten Fragen vollstandig abklaren. Geht man vom OSI-Referenzmo- dell der Datenkommunikation aus, so solI im wesentlichen die physikalische Schlcht
VI Vorwort
behandelt werdenj weitergehende Fragen von Datennetzen stehen hier deshalb nicht zur Diskussion. Der Leser solI das Wie und Warum der Datenkommunikation verstehen, d.h.
er solI in die Lage versetzt werden, die Begriffe zu verstehen, die bei der Realisierung von Systemen zur Dateniibertragung, z.B. bei Modems, gebrauchlich sind, und er solI auch begreifen, warum man z.B. bestimmte Modulationsverfahren verwendet oder wo die Grenzen der Dateniibertragung bei vorgegebenen Parametern, z.B. beim Signal-zu- Rauschverhii.1tnis oder der Bandbreite des Ubertragungskanals, liegen.
Das Material zu diesem Buch wurde fUr Vorlesungen an der Universitat und fiir Kurse in der Industrie zusammengetragen. Es wendet sich deshalb in erster Linie an Studenten der Fachrichtungen Elektrotechnik und Informatik sowie Ingenieure dieser Richtungen, die einen Uberblick gewinnen wollen. Auch Wirtschaftsingenieure, die mit Fragen der Datenkommunikation befaBt sind, werden das Buch mit Gewinn lesen. Vorausgesetzt werden element are Kenntnisse der linearen Systemtheorie, insbesondere auch der Fourier-Transformation, und der Statistik.
Das Buch ist in neun Kapitel gegliedert und behandelt nach einer Einfiihrung die ver- schiedenen Dateniibertragungswege von der Zweidrahtleitung iiber die Koaxtube bis zum Lichtwe11enleiter und dem Funkkanal. Es folgen die Grundprinzipien der Dateniibertra- gung, d.h. der EinfluB von Bandbegrenzung und Storungen des Ubertragungskanals auf die iibertragenen Daten wird naher untersucht, und Konzepte zur Uberwindung dieser storenden Einfliisse werden aufgezeigt. lin 4. Kapitel werden die Signalformung im Basisband vorgestellt, die Vor- und Nachteile der einzelnen Verfahren diskutiert und Hinweise auf ihren praktischen Einsatz gegeben. Digitale Modulationsverfahren, ihre Festlegung nach den Standards des CCITT, dem Comite Consultatif International TeIegraphique et TeIefonique, und ihre Storanfii.1ligkeit stehen im Mittelpunkt des 5.
Kapitels. Die linearen Verzerrungen von Ubertragungskanii.1en erfordern deren Entzer- rung, ein Thema, das im 6. Kapitel behandelt wird. SchlieBlich werden Methoden der Takt- und Tragerregelung im 7. Kapitel vorgeste11t, wobei auch hier wieder nur grundle- gende Betrachtungen vorgeste11t werden konnen. In den beiden abschlieBenden Kapiteln werden Themen behandelt, die nicht mehr zur physikalischen Schicht des OSI-Referenz- mode11s und damit zu Fragen des Entwurfs von Modems zahlen. 1m 8. Kapitel wird das weite Gebiet der Codierung tangiert und werden Fragen der Restfehlerwahrscheinlichkeit aufgegriffen. Nur kurz angesprochen wird z.B. die Que11encodierung, obwohl sie bei der Sprachiibertragung im Mobilfunk mit Hilfe digitaler Methoden zunehmend eine wichtige- Ie Rolle spielt. 1m 9. Kapitel findet man einige Grundkonzepte fiir Kommunikations- netze, ihre Struktur, Vermittlungsprinzipen und Protokolle. Das letzte Kapitel stellt eine sehr knappe Ubersicht iiber das angeschnittene Thema dar und solI lediglich in dessen Begriffswelt einfiihrenj zum tieferen Verstandnis ist hier ein Studium der in diesem Kapitel angegebenen Literatur erforderlich.
Vorwort VII
Manchem Leser mag die Nomenklatur fUr Zufallsvariable und -prozesse ungewohnt seinj Ziel war es dabei, zwischen den mit kursiven Buchstaben bezeichneten Zufallsvariablen und -prozessen und ihren in normaler Schrift dargestellten Realisierungen zu unterschei- den. Leider hilft die Empfehlung nach DIN 13303 bei der Suche hach einer geeigneten Bezeichnungsweise nicht viel weiter, da sie zum einen nur Zufallsvariable behandelt und zum anderen diese mit grofien Buchstaben bezeichnet. Fur die Literatur im Ingenieurbe- reich ist diese Wahl nicht sehr glucklich, da man in ihr in der Regel Spektren mit grofien Buchstaben charakterisiert. Deshalb stellt die hier getroffene Entscheidung einen Kom- promifi zwischen dem bisherigen Gebrauch grofier Buchstaben und der in der DIN-Emp- fehlung vorgesehenen unterschiedlichen Bezeichnung von Zufallsvariablen und ihrer Realisierung dar.
Ohne die Mithilfe von Fachkollegen, Studenten und Mitarbeitern ware dies Buch nicht entstanden. Ihnen solI an dieser Stelle gedankt werden. Besonders erwahnt seien Frau S. Schmidt, die die Zeichnungen erstellte, Frau E.-M. Schubart und Herr G. Trian- tafyllou, die den Text in ein Textverarbeitungssystem eingaben, die Studenten, die bei Vorlesungen durch ihre Fragen eine Uberarbeitung des Manuskripts anregten und auf Fehler hinwiesen. Schlief31ich haben die Herren Dipl.-Ing. G. Hellstern, Dipl.-Ing. J.
Krause und Dr.-Ing. W. Stehle durch Korrekturlesen und konstruktive Kritik einen wichtigen Beitrag zu diesem Buch geleistet.
Sicher ist der vorliegende Text nicht perfekt oder fehlerfrei, weshalb Anregungen und Verbesserungsvorschlage nicht nur von professionellen Begutachtern, sondern auch von den Lesern willkommen sind, die das Buch fUr Ausbildungszwecke oder fUr ihre beruf- liche Arbeit benutzen.
Karlsruhe, im Dezember 1990 Kristian Kroschel
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Historische Entwicklung der Dateniibertragung 1
1.2 Digitale und analoge Ubertragung 4
1.3 Komponenten des Dateniibertragungssystems 6
2 Ubertragungswege 9
2.1 Metallische Leiter 10
2.1.1 Ubertragungseigenschaften der homogenen Leitung 10
2.1.2 Adernpaare 13
2.1.3 Koaxialkabel 18
2.2 Lichtwellenleiter 21
2.2.1 Ubertragungseigenschaften von Lichtwellenleitern 22
2.2.2 Optische Sender 26
2.2.3 Optische Empfanger 27
2.3 Ubertragung im freien Raum 28
2.3.1 Satellitenstrecken 30
2.3.2 Mobilfunkstrecken 31
2.4 Fernsprechkanale 35
2.4.1 Eigenschaften von Fernsprechkanalen 35
2.4.2 Fernsprechkanale zur Dateniibertragung 37
2.5 Beschreibung von Kanalen durch Modelle 40
2.5.1 Lineare Kanaleigenschaften 41
2.5.2 StOreigenschaften von Kanalen 41
Inhaltsverzeichnis IX
3 Ubertragung fiber bandbegrenzte und gestorte Kanile 44
3.1 Impulsnebensprechen bei bandbegrenzten KanaJen 47
3.1.1 Nyquist-Impulse 50
3.1.2 Partial-Response-Impulse 54
3.2 Einfluf3 der Kanalstorungen 60
3.2.1 Kanal ohne line are Verzerrungen 60
3.2.2 Kanal mit linearen Verzerrungen 65
3.3 Realisierbare Ubertragungssysteme 68
4 SignaIformung im Basisband 72
4.1 Basisband-Codierung 73
4.1.1 Doppelstromimpuls-Code 75
4.1.2 Manchester-Code 81
4.1.3 Bipolar- oder AMI-Code 84
4.1.4 Partial-Response-Codes 89
4.1.5 kBnT-Codes 92
4.2 Verwiirfler 96
4.2.1 P seudozufallsfolgen 96
4.2.2 Selbstsynchronisierende Verwiirfler 100
4.2.3 Blocksynchronisierende Verwiirfler 102
5 Digitale Modulationsverfahren 104
5.1 Amplitudenumtastung 110
5.1.1 ASK-Modulation 111
5.1.2 QASK-Modulation 114
5.2 Phasenumtastung 117
5.2.1 Phasendifferenzumtastung 120
5.2.2 Kombinierte Amplituden-Phasenumtastung 121
5.3 Frequenzumtastung 123
5.3.1 Frequenzumtastung mit orthogonalen Signalen 130 5.3.2 Frequenzumtastung mit Basisbandvorfilterung 137 5.4 Optimalempfiinger fUr digital modulierte Signale 140
5.4.1 Modell des optimalen Empfangers 141
5.4.2 Berechnung der Fehlerwahrscheinlichkeit 144
5.5 Modems fiir FernsprechkanaJe 154
5.5.1 Schnittstellen 156
5.5.2 Standardisierte Modems fUr serielle Ubertragung 157
x
6 Entzerrung von Datenkanruen 6.1 Konzepte zur Kanalentzerrung 6.2 Lineare Entzerrer
6.2.1 Optimalitatskriterium zum Entzerrerentwurf 6.2.2 Adaptiver Entzerrer
6.2.3 Rekursive Entzerrer
6.3 Entscheidungsriickgekoppelte Entzerrer 6.4 Entzerrer mit reduziertem Takt
6.5 Sequentieller Maximum-Likelihood-Empfanger
6.5.1 Komponenten des Maximum-Likelihood-Empfangers 6.5.1 Entscheidung mit dem Viterbi-Algorithmus
6.6 Echokompensation
6.6.1 Echokompensation im Basisband 6.6.2 Adaption des Echokompensators
7 Synchronisation von Trager und Takt 7.1 Phasenregelkreise
7.2 Schiitzung von Trager und Takt 7.2.1 Schiitzung der Tragerphas~
7.2.1 Schiitzung des Takts
7.3 Realisierung der Tragerphasenregel ung
7.3.1 Entscheidungsriickgekoppelte Tragerphasenregelung 7.3.1 Tragerphasenregelung ohne Kenntnis der Sendedaten 7.4 Realisierung der Taktregelung
7.4.1 Entscheidungsriickgekoppelte Taktregelung 7.4.2 Taktregelung ohne Kenntnis der Sendedaten
8 Codierung
8.1 Quellencodierung 8.2 Kanalcodierung
8.3 Kana1codierung mit Block-Codes
8.3.1 Matrizendarstellung von Block-Codes 8.3.2 Zyklische Codes
8.3.3 Beispiele fUr Block-Codes 8.3.4 Decodierung von Block-Codes
8.3.5 Restfehlerwahrscheinlichkeiten von Block-Codes 8.4 Kana1codierung mit Faltungs-Codes
8.4.1 Decodierung von Faltungs-Codes
Inhaltsverzeichnis
165 166 171 173 179 185 188 191 193 194 199 205 207 211
213 214 218 222 224 226 227 231 233 235 241
245 247 249 251 251 253 256 259 267 270 274
Inhaltsverzeichnis XI
8.5 Kana1codierung mit Trellis-Codes 284
8.5.1 Beispiele fUr Trellis-Codierer 286
8.5.2 Die allgemeine Form des Trellis-Codierers 289
9 Dateniibertragung in Netzen 297
9.1 Eigenschaften von Netzen 298
9.1.1 N etztopologien 298
9.1.2 Vermittlungsprinzipien 300
9.1.3 Protokolle 303
9.2 Das diensteintegrierende digit ale Netz ISDN 306
9.2.1 Schnittstellen des ISDN-Anschlusses 308
9.2.2 Der ISDN-TeilnehmeranschluB 310
LiteraturverzeichIris 313
Namen-und SachverzeichIris 320
