Martin Werner. Nachrichtentechnik

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1 Martin Werner Nachrichtentechnik

2 Aus dem Programm Nachrichtentechnik / Kommunikationstechnik Telekommunikation von D. Conrads Operationsverstärker von J. Federau Kommunikationstechnik von M. Meyer Signalverarbeitung von M. Meyer Digitale Kommunikationssysteme 1 und 2 von R. Nocker Digitale Signalverarbeitung mit MATLAB von M. Werner Nachrichten-Übertragungstechnik von M. Werner Netze, Protokolle, Schnittstellen und Nachrichtenverkehr von M. Werner Signale und Systeme von M. Werner vieweg

3 Martin Werner Nachrichtentechnik Eine Einführung für alle Studiengänge 5., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 235 Abbildungen und 40 Tabellen Studium Technik

4 Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. 1. Auflage , überarbeitete und erweiterte Auflage November , vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage Februar , überarbeitete und erweiterte Auflage August , vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage Juli 2006 Alle Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlag GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2006 Lektorat: Reinhard Dapper Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Technische Redaktion: Andreas Meißner Druck und buchbinderische Verarbeitung: Wilhelm & Adam, Heusenstamm Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN ISBN

5 V Vorwort In der Informationsgesellschaft kommt der (elektrischen) Nachrichtentechnik mit ihren Aufgabenfeldern der Darstellung, der Übertragung, der Vermittlung und der Verarbeitung von Information in elektronischer Form eine Schlüsselrolle zu. Dieses Buch will an wichtige Aufgaben, Prinzipien und Methoden der Nachrichtentechnik heranführen. Es eignet sich besonders für Studierende technischer Studiengänge, der Informatik und des Wirtschaftsingenieurwesens, die zum Ende des Grundstudiums einen Einstieg in die Nachrichtentechnik gewinnen wollen weil sie noch vor der Entscheidung der Wahl ihrer Studienrichtung stehen, oder weil sie für das Nebenfach Nachrichtentechnik eine kompakte Einführung in Grundlagen und Anwendungen suchen. Bei der Auswahl und Darstellung der Themen wurde besonders darauf geachtet, deren Umfang und Schwierigkeitsgrad an die Situation der Studierenden im Grundstudium anzupassen. In diesem Sinne sind die Aufgaben zu den Abschnitten ohne lange Rechnungen zu lösen. Falls damit auch eine solide Grundlage für ein vertiefendes Fachstudium gelegt wird, hat dieses Buch sein Ziel erreicht. zur 5. Auflage War das Buch zunächst als Ergänzung zu einer zweistündigen Lehrveranstaltung im dritten Semester gedacht, so haben zahlreiche Kommentare von Fachkollegen, viele Fragen von Studierenden und nicht zuletzt die Entwicklungen in der Nachrichtentechnik das Buch von Auflage zu Auflage wachsen lassen. Die 5. Auflage gab Gelegenheit viele kleinere Ergänzungen und kurze aktuelle Hinweise anzubringen und die Themen teils neu zu ordnen. Dabei wurde wieder besonders darauf geachtet, Umfang und Schwierigkeitsgrad den Anforderungen des Grundstudiums anzupassen und den Nutzen für die Leserinnen und Leser über die Lehrveranstaltungsbegleitung hinaus zu steigern. In diesem Sinne sind drei Neuerungen besonders hervorzuheben: Der neue Abschnitt zur digitalen Signalverarbeitung gibt Einblicke in die digitalen Filter und die Anwendung der schnellen Fourier-Transformation. Exemplarisch wird die MP3- Audio-Codierung vorgestellt. Das Thema Kanalcodierung wird mit dem neuen Abschnitt zu den in der Datenkommunikation praktisch allgegenwärtigen CRC-Codes abgerundet. Aktuelle Schwerpunkte zur Mobilkommunikation setzen die neuen Abschnitten zu GPRS, UMTS und WLAN. Allen, die das Buch durch ihr Interesse und ihre Anregungen begleitet haben, herzlichen Dank. Vielen Dank an den Verlag für die gute Zusammenarbeit und stete Bereitschaft die Entwicklungen des Buches mit zu tragen. Fulda, im Mai 2006 Martin Werner

6 VI Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Aufgaben und Grundbegriffe der Nachrichtentechnik Entwicklung der Nachrichtentechnik Nachrichtentechnik und Informationstechnik Nachrichtenübertragung Telekommunikationsnetze Digitale Signalverarbeitung Wiederholungsfragen zu Abschnitt Signale und Systeme Einführung Klassifizierung von Signalen Zeitkontinuierliche und zeitdiskrete Signale Wertkontinuierliche, wertdiskrete, analoge und digitale Signale Periodische und aperiodische Signale Deterministische und stochastische Signale Energie- und Leistungssignale Lineare zeitinvariante Systeme Fourier-Reihen Periodische Quellen in RLC-Netzwerken Spektrum periodischer Signale Übertragungsfunktion und Frequenzgang Übertragungsfunktion Frequenzgang, Dämpfung und Phase Tiefpass, Bandpass, Hochpass und Bandsperre Rechnen mit komplexer Fourier-Reihe und Frequenzgang RC-Hochpass Fourier-Transformation Filterung Verzerrungsfreie Übertragung Bandbreite und Zeitdauer-Bandbreite-Produkt Charakterisierung von LTI-Systemen Impulsfunktion und Impulsantwort Faltung Zusammenfassung Aufgaben zu Abschnitt Pulse-Code-Modulation, digitale Signalverarbeitung und Audio- Codierung Einführung Digitalisierung analoger Signale Abtasttheorem Quantisierung... 69

7 Inhaltsverzeichnis VII 3.5 Quantisierungsgeräusch PCM in der Telefonie Abschätzung der Wortlänge Kompandierung Segment-Kennlinie Digitale Signalverarbeitung Einführung Schnelle Fourier-Transformation Digitale Filter Simulation mit digitalen Filtern FIR-Filter IIR-Filter Audio-Codierung Psychoakustische Effekte Audio-Codierung für MPEG-1 Layer III Zusammenfassung Aufgaben zu Abschnitt Modulation eines sinusförmigen Trägers Einführung Trägermodulation Amplitudenmodulation Prinzip der Amplitudenmodulation Modulationssatz Gewöhnliche Amplitudenmodulation Kohärente AM-Demodulation Inkohärente AM-Demodulation mit dem Hüllkurvendetektor Quadraturamplitudenmodulation Trägerfreqeunztechnik in der Telefonie Frequenzmodulation Modulation der Momentanfrequenz des Trägers Spektrum und Bandbreite von FM-Signalen Demodulation von FM-Signalen Digitale Modulationsverfahren Zusammenfassung Aufgaben zu Abschnitt Digitale Übertragung im Basisband Einführung RS-232-Schnittstelle Digitale Basisbandübertragung Leitungscodierung Störung durch Rauschen Übertragung im Tiefpass-Kanal Matched-Filterempfänger Nyquist-Bandbreite und Impulsformung

8 VIII Inhaltsverzeichnis 5.9 Kanalkapazität Zusammenfassung Aufgaben zu Abschnitt Telekommunikationsnetze Einführung Zeitmultiplex, PDH und SDH Nachrichtenübermittlung OSI-Referenzmodell HDLC- und LAP-Protokoll ATM und Breitband-ISDN Lokale Netze Protokollfamilie TCP/IP Zusammenfassung Wiederholungsfragen zu Abschnitt Grundbegriffe der Informationstheorie und der Kanalcodierung Information, Entropie und Redundanz Huffman-Codierung Kanalcodierung Paritätscodes Kanalcodierung zum Schutz gegen Übertragungsfehler Lineare Blockcodes Syndrom-Decodierung Hamming-Distanz und Fehlerkorrekturvermögen Perfekte Codes und Hamming-Grenze Restfehlerwahrscheinlichkeit Eigenschaften und Konstruktion der Hamming-Codes CRC-Codes Zusammenfassung Aufgaben zu Abschnitt Mobilkommunikation Einführung Global System for Mobile Communications (GSM) Einführung GSM-Netzarchitektur GSM-Funkschnittstelle Funkzellen und Frequenzkanäle Mobilfunkübertragung Logische Kanäle und Burst-Arten High Speed Circuit Switched Data (HSCSD) GSM-Sicherheitsmerkmale

9 Inhaltsverzeichnis IX 8.3 General Packet Radio Service (GPRS) Einführung Paketübertragung mit Dienstmerkmalen GPRS-Dienstgüte Zugriff auf die GSM-Luftschnittstelle GPRS-Systemarchitektur Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE) Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) Einführung UMTS-Dienste UMTS-Systemarchitektur UMTS-Luftschnittstelle Spreizbandtechnik mit RAKE-Empfänger CDMA-Vielfachzugriff Nah-Fern-Effekt, Leistungsregelung und Zellatmung Zellulare Funkkapazität Handover Protokollstapel der UMTS-Luftschnittstelle Wireless Local Area Network (WLAN) Einführung Mediumzugriff und Netzstrukturen Übertragung mit OFDM Zusammenfassung Wiederholungsfragen und Aufgaben zu Abschnitt Lösungen zu den Aufgaben Abkürzungen Literaturverzeichnis Sachwortverzeichnis