Vorwort 13 Themenaspekte 13 Digitale Kommunikationstechniken 13 Übersicht über den Lehrstoff 14 Beispiele und Übungsaufgaben 15 Kursoptionen 15

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1 Inhaltsverzeichnis Vorwort 13 Themenaspekte 13 Digitale Kommunikationstechniken 13 Übersicht über den Lehrstoff 14 Beispiele und Übungsaufgaben 15 Kursoptionen 15 Kapitel 1 Einleitung Historischer Überblick Elemente eines elektrischen Kommunikationssystems Digitale Kommunikationssysteme Frühe Errungenschaften in der digitalen Kommunikation Kommunikationskanäle und ihre Eigenschaften Mathematische Modelle für Kommunikationskanäle Organisation des Buches Weiterführende Literatur 41 Kapitel 2 Frequenzbereichsanalyse von Signalen und Systemen Die Fourier-Reihe Fourier-Reihen reeller Signale: die trigonometrische Fourier-Reihe Fourier-Transformation Fourier-Transformation reeller, gerader und ungerader Signale Grundlegende Eigenschaften der Fourier-Transformation Fourier-Transformation periodischer Signale Leistung und Energie Energiesignale Leistungssignale Das Abtasten bandbegrenzter Signale Bandpasssignale Weiterführende Literatur 77 Aufgaben 77

2 6 Inhaltsverzeichnis Kapitel 3 Übertragung und Empfang von analogen Signalen Einleitung zur Modulation Amplitudenmodulation (AM) Zweiseitenband-Amplitudenmodulation mit Unterdrückung des Trägers (ZSBM) Konventionelle Amplitudenmodulation Einseitenband-Amplitudenmodulation (ESBM) Restseitenband-Amplitudenmodulation (RSBM) Implementierung von AM-Modulatoren und AM-Demodulatoren Signal-Multiplexing Winkelmodulation Darstellung der FM- und PM-Signale Spektrale Eigenschaften der winkelmodulierten Signale Implementierung der Winkelmodulatoren und Demodulatoren Rundfunk und Fernsehrundfunk AM-Rundfunk FM-Rundfunk Fernsehrundfunk Mobile Radiosysteme Weiterführende Literatur 154 Aufgaben 154 Kapitel 4 Zufallsprozesse Wahrscheinlichkeiten und Zufallsvariablen Zufallsprozesse: Grundlegende Konzepte Beschreibung von Zufallsprozessen Statistische Mittelwerte Stationäre Prozesse Zufallsprozesse und lineare Systeme Zufallsprozesse im Frequenzbereich Das Leistungsspektrum stochastischer Prozesse Die Übertragung durch LTI-Systeme Gaußsche und weiße Prozesse Gaußsche Prozesse Weiße Prozesse Bandbegrenzte Prozesse und das Abtasten Bandpassprozesse 226

3 Inhaltsverzeichnis 7 Kapitel Weiterführende Literatur 233 Aufgaben 233 Einfluss des Rauschens auf analoge Kommunikationssysteme Einfluss des Rauschens auf lineare Modulationssysteme Einfluss des Rauschens auf Basisbandsysteme Einfluss des Rauschens auf die ZSBM Einfluss des Rauschens auf die ESBM Einfluss des Rauschens auf die konventionelle AM Schätzung der Trägerphase mittels einer phasengekoppelten Regelschleife (PLL) Die phasengekoppelte Regelschleife (PLL) Einfluss des additiven Rauschens auf die Phasenschätzung Einfluss des Rauschens auf die Winkelmodulation Einfluss des Schwellenwerts in den Winkelmodulationen Pre-emphasis- und De-emphasis-Filter Vergleich der analogen Modulationssysteme Die Auswirkung der Übertragungsverluste Charakterisierung der thermischen Rauschquellen Die effektive Rauschtemperatur und die Rauschzahl Die Übertragungsverluste Zwischenverstärker für die Signalübertragung Weiterführende Literatur 295 Aufgaben 295 Kapitel 6 Informationsquellen und Quellencodierung Modellierung von Informationsquellen Messen der Information Verbund- und bedingte Entropien Das Quellencodierungstheorem Quellencodierungsalgorithmen Der Huffman-Quellencodierungsalgorithmus Der Lempel-Ziv-Quellencodierungsalgorithmus Die Theorie der Ratenverzerrung Die gegenseitige (Trans-)Information Die differentielle Entropie Die Ratenverzerrungsfunktion Die Quantisierung 328

4 8 Inhaltsverzeichnis Die skalare Quantisierung Die Vektorquantisierung Die Signalformcodierung Die Puls-Code-Modulation (PCM) Die differentielle Puls-Code-Modulation (DPCM) Die Deltamodulation ( M) Analyse-Synthese-Techniken Die digitale Audioübertragung und Audioaufnahme Digitales Audio in Telefonübertragungssystemen Die digitale Audioaufnahme Der JPEG-Bildcodierungsstandard Weiterführende Literatur 367 Aufgaben 368 Kapitel 7 Digitale Übertragung über den additiven, weißen gaußschen Rauschkanal Geometrische Darstellung der Signale Die Pulsamplitudenmodulation Zweidimensionale Signale Basisbandsignale Zweidimensionale Bandpasssignale die Trägerphasenmodulation Zweidimensionale Bandpasssignale die Quadratur-Amplitudenmodulation Mehrdimensionale Signale Orthogonale Signale Biorthogonale Signale Simplexsignale Binärcodierte Signale Der optimale Empfänger für digitalmodulierte Signale mit additivem weißen gaußschen Rauschen Der Korrelationstypen-Demodulator Der angepasste Filtertypen-Demodulator Der optimale Detektor Demodulation und Detektion von trägeramplitudenmodulierten Signalen Demodulation und Detektion von trägerphasenmodulierten Signalen Demodulation und Detektion von quadraturamplitudenmodulierten Signalen Demodulation und Detektion von frequenzmodulierten Signalen 441

5 Inhaltsverzeichnis 9 Kapitel Die Fehlerwahrscheinlichkeit bei der Detektion von Signalen mit additivem weißen gaußschen Rauschen Die Fehlerwahrscheinlichkeit bei der binären Modulation Die Fehlerwahrscheinlichkeit bei der M-ären PAM Die Fehlerwahrscheinlichkeit bei der phasenkohärenten PSK-Modulation Die Fehlerwahrscheinlichkeit bei der DPSK Die Fehlerwahrscheinlichkeit bei der QAM Fehlerwahrscheinlichkeit der M-ären orthogonalen Signale Die Fehlerwahrscheinlichkeit der M-ären biorthogonalen Signale Die Fehlerwahrscheinlichkeit der M-ären Simplexsignale Die Fehlerwahrscheinlichkeit bei der nichtkohärenten FSK-Detektion Vergleich der Modulationsverfahren Performance-Analyse für Drahtleitungs- und Funkkommunikationskanäle Die Regeneratoren Link-Budget-Analyse für Funkkanäle Die Symbolsynchronisierung Frühwert-Spätwert-Gatter-Synchronisierer Die Methode des minimalen mittleren Quadratfehlers Methoden der Höchstwahrscheinlichkeit Methoden der spektralen Linie Symbolsynchronisation der trägermodulierten Signale Weiterführende Literatur 497 Aufgaben 497 Digitale Übertragung über bandbegrenzte AWGN-Kanäle Digitale Übertragung über bandbegrenzte Kanäle Digitale PAM-Übertragung über bandbegrenzte Basisbandkanäle Digitale Übertragung über bandbegrenzte Bandpasskanäle Das Leistungsspektrum der digital modulierten Signale Das Leistungsspektrum eines Basisbandsignals 528

6 10 Inhaltsverzeichnis Das Leistungsspektrum eines trägermodulierten Signals Signalentwurf für bandbegrenzte Kanäle Entwurf von bandbegrenzten Signalen für Null-ISI das Nyquist-Kriterium Entwurf von bandbegrenzten Signalen mit kontrollierter ISI Teilantwortsignale Fehlerwahrscheinlichkeit bei der Detektion der digitalen PAM Die Fehlerwahrscheinlichkeit bei der Detektion der digitalen PAM mit Null-ISI Symbol-für-Symbol-Detektion von Daten mit kontrollierter ISI Die Fehlerwahrscheinlichkeit bei der Detektion von Teilantwortsignalen Digitalmodulierte Signale mit Gedächtnis Modulationscodes und Modulationssignale mit Gedächtnis Der Höchstwahrscheinlichkeits-Sequenzdetektor Die Höchstwahrscheinlichkeits-Sequenzdetektion der Teilantwortsignale Das Leistungsspektrum der digitalen Signale mit Gedächtnis Systementwurf mit Kanalverzerrung Entwurf von Sende- und Empfangsfiltern für einen Kanal mit bekannten Eigenschaften Kanalentzerrung Die Mehrträgermodulation und die OFDM Implementierung eines OFDM-Systems mittels des FFT-Algorithmus Weiterführende Literatur 611 Aufgaben 612 Kapitel 9 Die Kanalkapazität und die Kanalcodierung Modellierung der Kommunikationskanäle Die Kanalkapazität Die gaußsche Kanalkapazität Grenzen der Kommunikation Die PCM-Übertragung analoger Quellen Die Codierung für zuverlässige Kommunikation Eine enge Grenze für die Fehlerwahrscheinlichkeit orthogonaler Signale 644

7 Inhaltsverzeichnis Ziele der Kanalcodierung Lineare Blockcodes Decodierung und Effizienz der linearen Blockcodes Burstfehlerkorrigierende Codes Zyklische Codes Die Struktur der zyklischen Codes Faltungscodes Grundlegende Eigenschaften der Faltungscodes Optimale Decodierung der Faltungscodes der Viterbi-Algorithmus Andere Decodierungsalgorithmen für Faltungscodes Grenzen der Fehlerwahrscheinlichkeit bei Faltungscodes Komplexe Codes aus Kombinationen von einfachen Codes Produktcodes Verkettete Codes Turbocodes Der BCJR-Algorithmus Effizienz der Turbocodes Die Codierung der bandbreiteneingeschränkten Kanäle Kombinierte Codierung und Modulation Die gittercodierte Modulation Praktische Anwendungen der Codierung Codierung in der Nachrichtenübertragung zu Weltraumsonden (deep-space communications) Codierung für Telefonleitungsmodems Codierung für Compact Discs Weiterführende Literatur 720 Aufgaben 720 Kapitel 10 Drahtlose Kommunikation Digitale Übertragung über Fading-Mehrwegkanäle Kanalmodelle für zeitveränderliche Mehrwegkanäle Signalentwurf für Fading-Mehrwegkanäle Effizienz der binären Modulation in nichtfrequenzselektiven Rayleigh-Fading-Kanälen Effizienzsteigerung durch Signaldiversität Modulation und Demodulation bei frequenzselektiven Kanälen der RAKE- Demodulator 755

8 12 Inhaltsverzeichnis Vielfachantennensysteme und Raum-Zeit-Codes Kontinuierliche Trägerphasenmodulation Phasenkontinuierliche FSK (CPFSK) Phasenkontinuierliche Modulation (CPM) Spektrale Eigenschaften der CPFSK- und CPM-Signale Demodulation und Detektion von CPM-Signalen Effizienz von CPM in AWGN- und Rayleigh-Fading-Kanälen Spektrumgespreizte Kommunikationssysteme Modell eines spektrumgespreizten digitalen Kommunikationssystems Spektrumgespreizte Direktsequenzsysteme Einige Anwendungen der spektrumgespreizten DS- Signale Die Auswirkung von Pulsinterferenzen und Fading Die Erzeugung von PN-Sequenzen Frequenzspringendes Spreizungsspektrum Synchronisation von spektrumgespreizten Systemen Digitale Mobilkommunikationssysteme Das GSM-System Das auf IS-95 basierende CDMA-System Weiterführende Literatur 839 Aufgaben 841 Anhang A Die Fehlerwahrscheinlichkeit beim Mehrfachkanalempfang von binären Signalen 849 Literaturverzeichnis 853 Register 865

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