Digitale Kommunikation im täglichen Einsatz. Modulationsverfahren. Multiplexing

Transkript

1 Digitale Kommunikation im täglichen Einsatz Modulationsverfahren Multiplexing 1

2 DSL TETRA FAX Packet Radio WLAN 3G / 4G ETHERNET 2

3 Grobe Unterscheidung 1) Digitale Kommunikation im Sinne eines Kanalmodells (TX, RX, Kanal + Code/Zeichensatz, z.b.: RTTY) (TX, RX, Kanal + Transport Stream, z.b.: DVB-S1) 2) Digitale Kommunikation in Netzen (Netzwerken) Architektur: Protokollstapel (z.b.: OSI-Schichtenmodell) Beispiel: Packet Radio mit AX.25 Protokoll OSI-Modell 3

4 Gemeinsamkeit Verwendung digitaler Modulationstechniken am physikalischen Übertragungskanal Übertragung von Bits 4

5 Modulationen: Frequenzumtastung Ändern der (Träger-)Frequenz FSK z.b.: Packet Radio 9k6, 19k2 AFSK z.b.: Packet Radio 1k2 (Audio- FSK im Basisband) oder RTTY Mark and Space (Audio-FSK im Basisband) Bei AFSK würde hier die Basisbandfrequenz im NF- Bereich varieren 5

6 Modulationen: Frequenzumtastung Sonderformen zur Verbesserung der spektralen Effizienz: Minimum Shift Keying MSK und Gaussian Minimum Shift Keying GMSK z.b.: D-STAR, GSM GMSK und MSK 6

7 Modulationen: Amplitudenumtastung Ändern der Trägeramplitude ASK z.b.: DCF77 Uhr Einfaches On-Off Keying Die Übertragungsrate kann erhöht werden, wenn mehr als zwei unterschiedliche Amplitudenwerte gewählt und übertragen werden. 7

8 Modulationen: Phasenumtastung Ändern der Phasenlage der Trägerfrequenz z.b.: Binary Shift Keying BPSK Daten Träger Moduliertes Signal Bei der Phasendifferenzmodulation, Differential Phase Shift Keying (DPSK), werden die Bits durch die Änderung der Phase kodiert. Beispiel: Änderung der Phase um 0 kodiert 0, Änderung der Phase um 180 kodiert 1. Bei Symmetrical Differential Phase Shift Keying (SDPSK) ist die Phasenverschiebung symmetrisch. Beispiel: Eine positive Phase von 90 entspricht dem Bit 1, eine negative Phase von 90 dem Bit 0. Die Übertragungsrate kann erhöht werden, wenn statt zwei Phasenlagen mehrere Phasenlagen moduliert werden, z.b.: QPSK bei FAX, 8-PSK bei GSM-EDGE. Dann ist schon Multiplexing und Demultiplexing erforderlich. 8

9 Modulationen: Pulsmodulationen Unterarten Beispiel: PAM bei Ethernet, PCM im A/V-Bereich, z.b.: CD Player A/D-Wandler bzw. D/A Wandler Pulsamplitudenmodulation (PAM), Modulationsart, bei dem die Amplitude des Signals in bestimmten Zeitabständen mit einem bestimmten Wert moduliert oder abgetastet wird. (analog) Zeitmultiplexfähig aber störanfällig. Puls-Code-Modulation (PCM), Erweiterung der PAM bei dem der abgetastete Wert in einen, meist binären Code übersetzt (quantisiert) wird. (Digital, Erzeugung eines PCM-Datenstromes) Pulsfrequenzmodulation (PFM), Modulation eines Rechtecksignals in seiner Periodendauer, wobei die logische Ein-Zeit (oder Aus-Zeit) konstant bleibt Pulsweitenmodulation (PWM), auch Pulsbreitenmodulation (PBM) oder Pulsdauermodulation (PDM), Modulationsart, bei der eine technische Größe zwischen zwei Werten wechselt (kein Digitalsignal) Puls-Pausen-Modulation (PPM) Zwischen Impulsen konstanter Amplitude und Länge befinden sich Pausen unterschiedlicher Länge, die proportional zum zu übertragenden Wert sind. Pulsphasenmodulation (PPM), Modulationsart, bei der Impulse gleicher Amplitude und gleicher Pulslänge gesendet werden, die Trägerfrequenz bleibt dabei konstant Randnotiz: PWM-Modulation findet auch in der Umrichtertechnik und Motoransteuerung Anwendung. 9

10 Quadraturamplitudenmodulation Ändern der Phasenlage und Amplitude der Trägerfrequenz (Mischung aus ASK und PSK) Mehrfaches Verwenden des Trägers bei unterschiedlicher Phasenlage z.b.: analoges QAM beim PAL-Fernsehbild, QAM bei DVB-S/C, DSL-Modems DVB-T auf den Einzelträgern Bei QAM wird der Träger mit Kreisfrequenz w zweifach mit 90 Phasenverschiebung verwendet. Darauf werden mittels multiplikativer Mischung zwei unabhängige Basisbandsignale aufmoduliert. Anschließend werden die beiden modulierten Signale addiert, um das Sendesignal zu erhalten. 2 Bit: 4-QAM diese ist identisch zur QPSK bzw. 4-PSK und verwendet 4 Punkte in einem 2 2-Raster bzw. auf einem Kreis, Anwendung bei DVB-S. 4 Bit: Bei 16-QAM werden 16 Symbole verwendet, beispielsweise Anwendung bei ITU-R Norm V.29 6 Bit: Bei 64-QAM werden 64 Symbole verwendet, Anwendung bei DVB-C 8 Bit: Bei 256-QAM werden 256 Symbole verwendet, Anwendung bei DVB-C 10 Bit: 1024-QAM, 12 Bit: 4096-QAM. Die korrekte Phasenlage ist dabei durch zusätzliche Verfahren sicherzustellen, die über das Modulationsverfahren hinausgehen; die Verfahren dazu richten sich nach der jeweiligen Anwendung. Hier kommt bereits Multiplexing zum Einsatz! 10

11 Die vorangegangenen Modulationstechniken haben je nach Anspruch, Umfeld und Verwendungszweck ihre jeweiligen Limitierungen! Z.b.: Ganz einfaches BPSK auf der Kurzwelle hat seine Vorteile! Für das Umfeld ist es geradezu geschaffen! Für andere Bereiche Datendurchsatz erhöhen? Mehrfachzugriff? 11

12 Multiplexing ( Bündelung ) 12

13 Multiplexingverfahren - TDMA Zeitmultiplexverfahren / TDM (Time Division Multiplex) TDMA (Time division multiple access) Gleichzeitig werden in bestimmten Zeitabschnitten die Daten verschiedener Sender auf einem Kanal übertragen. Beispiel: GSM mit 8 Zeitschlitzen pro Uplink/Downlink- Frequenzpaar Benötigt wird bei bzw. hinter der Basisstation am ein Multiplexer und Demultiplexer. Varianten: Synchrones und ansynchrones Verfahren! 13

14 Multiplexingverfahren - CDMA Codemultiplexverfahren / CDMA (Code division multiple access) Es werden verschiedene Signalfolgen über übertragen und in einem oder mehreren Empfänger anhand der unterschiedlichen Codierung erkannt und zugeordnet Erweiterung: Coded Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (COFDM) erweitert das Modulationsverfahren OFDM um eine Vorwärtsfehlerkorrektur imsymbol. Resistent gegenüber Mehrwegempfang. 14

15 Multiplexingverfahren FDM(A) Frequenzmultiplexverfahren / FDM (Frequency division multiplex) FDMA (Frequency division multiple access) Gleichzeitig mehrere Signale auf einem oder mehreren (Sub-)Trägern. Benötigt wird ein Multiplexer bzw. Demultiplexer. Beispiel 3 Sprachkanäle UKW FM Hörfunk 15

16 Multiplexingverfahren FDM Beispiel - FMD Beispiel 3 Sprachkanäle 16

17 Multiplexingverfahren - OFDM Orthogonales Frequenzmultiplexverfahren OFDM - (Orthogonal Frequency division multiplexing) Sonderform des FDM, in dem durch Orthogonalität der Träger ein Übersprechen zwischen Signalen reduziert wird Spektrale Effizienz! Erweiterung: Coded Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (COFDM) erweitert das Modulationsverfahren OFDM um eine Vorwärtsfehlerkorrektur imsymbol. Resistent gegenüber Mehrwegempfang. 17

18 Multiplexingverfahren - OFDM Anwendung: Digital Audio Broadcasting (DAB) mit 192 bis 1536 Trägern (auf ca. 1,5 MHz Bandbreite) Digital Radio Mondiale (DRM) mit 88 bis 460 Trägern (auf ca. 4 bis 20 khz Bandbreite) DVB-T mit 2048, 4096, oder 8192 Trägern - je nach Modus, 2k, 4k (nur bei DVB-H vorhanden) oder 8k (auf ca. 6,5 bis 7,5 MHz Bandbreite) WLAN nach IEEE a, IEEE g und IEEE n ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) mit 32 Trägern für den Up- und 190 für den Downstream (jeweils 4,3125 khz über ca. 1 MHz Bandbreite; siehe auch DMT) VDSL 3GPP Long Term Evolution (LTE). WiMAX nach IEEE bei NLOS-Verbindungen mit 256 Trägern (vom WiMAX- Forum empfohlen) oder 2048 Trägern Bluetooth 3.0 Spezialform OFDMA: Subträger werden für einzelne User zugewiesen Üblicherweise QAM auf jedem Träger 18

19 Übertragungsmedien Elektrische Leitungen (Kabel) Funk Elektromagnetische Wellen (Luftschnittstelle) Laser Glasfaser 19

20 Übertragungsmedien 2-Draht Leitung und CAT5 Hochfrequenz-Coaxial-Kabel werden hier ausgelassen! 20

21 Kupferkabel - 2 Drahtleitung z.b.: verdrillte Telefonanschlussleitung Übertragungsverfahren Bandbreite Datenübertragungsrate POTS / Analog Sprache 300 Hz 3,4 khz bis ca. 56 kbit/s, typisch 4,5 kbyte/s 5 kbyte/s ISDN 0 Hz 120 khz 2 64 kbit/s Nutzkanal + 16 kbit/s Steuerkanal ADSL (ADSL-over-ISDN) 138 khz 1,1 MHz Down: bis zu 6 Mbit/s, Up: 0,5 Mbit/s ADSL2+ (ADSL-over-ISDN) 138 khz 2,2 MHz Down: bis zu 24 Mbit/s, Up: 1 Mbit/s ADSL2+ (ADSL-over-POTS) 26 khz 2,2 MHz Down: bis zu 25 Mbit/s, Up: 3,5 Mbit/s VDSL 138 khz 12 MHz Down: bis zu 50 Mbit/s, Up: 5 Mbit/s VDSL2 30 MHz Down: bis zu 200 Mbit/s, Up: 200 Mbit/s mit VDSL Profil 30a. Faktoren, die die Datenübertragungsrate beeinflussen, sind: Leitungsdämpfung (z.b.: Ø 0,35 mm: 14,0 db/km, Ø 0,5 mm: 8,5 db/km) Modulationsverfahren Leitungscode 21

22 CAT 5 - Kabel z.b.: LAN Netzwerk, überwiegender Standard, verwendbar für 10 Mbit, 100Mbit (4 Adern) & Gigabit Ethernet (8 Adern) Cat-5-Kabel sind für Betriebsfrequenzen bis 100 MHz bestimmt. Wegen der hohen Signalfrequenzen muss bei der Verlegung und Montage, insbesondere an den Anschlussstellen der Adern, besonders sorgfältig gearbeitet werden. 22

23 Funkstreckeneigenschaften und Störeinflüsse 23

24 Freiraumdämpfung Bei der funktechnischen Übertragung wird die Reichweite der ausgestrahlten Frequenzen durch die Freiraumdämpfung bestimmt. Es handelt sich dabei um einen funktechnischen Kennwert, der sich im Energieverlust ausdrückt, den die elektromagnetischen Wellen im Übertragungsmedium erfahren. 24

25 Wettereinflüsse Größe und Form von Regentropfen oder Hagel beeinflussen das horizontale und vertikale Reflexionsverhalten und den Absorptionsgrad Bei der Planung von Richtfunkstrecken werden in Bezug auf das SNR Schlechtwetterreserven eingeplant. 25

26 Inversionswetterlagen Für den DX-er interessant. Im Richtfunkbereich störend. Keine Richtfunkstrecken durch potentiell häufig auftretende Inversionsebenen planen! 26

27 Ungestörte Sichtlinie - Fresnelzone Rotationsellipsoid um die Sichtlinie, R = Abhängig von f TX RX Der Gangunterschied, also der Unterschied zweier Ausbreitungswege beträgt Innerhalb einer Fresnelzone weniger als eine halbe Wellenlänge. In dem Bereich der ersten Fresnelzone wird der Hauptteil der Energie übertragen. Diese Zone sollte frei von Hindernissen (z. B. Häuser, Bäumen, Bergen) sein. Ist dies nicht der Fall, wird die Übertragung gedämpft. Ist die erste Fresnelzone zur Hälfte verdeckt, so beträgt die Zusatzdämpfung 6 db, die Feldstärke sinkt also auf die Hälfte des Freiraumwerts. Unter Umständen ist der Empfang dann gestört oder komplett unterbrochen. Die zweite und die höheren Fresnelzonen werden in einfachen Berechnungen meist vernachlässigt. 27

28 Fresnelzone Bei langen (Richt-)funkstrecken ist die Erde aufgrund des Erdradius zu berücksichtigen. Störungen in der ersten Fresnelzone führen zu zeitversetztem Mehrwegempfang. 28

29 Fresnelzone Untersuchung, Streckenplanung 29

30 Fresnelzone Untersuchung, Streckenplanung Radio Mobile 30

31 Fresnelzone Untersuchung, Streckenplanung 31

32 Fresnelzone Untersuchung, Streckenplanung 32

33 Fresnelzone Untersuchung, Streckenplanung 33

34 Mehrwegempfang Unerwünschte Eigenschaften: Selektiver Trägerschwund (Fading) Flatterfading Verzerrungen Zischen/Krachen Frequenzgangbeeinflu ssung bei analogen Sprachübertragungen z.b.: in AM 34

35 Behelfe bei Störungen: Mehrwegempfang - Digitalbereich 1) Fehlerkorrektur 2) Automatisiertes Träger-Hopping innerhalb OFDM Subcarrier aufgrund Rückmeldung des Empfängers 3) Automatisiertes Zurückfahren der Bandbreite, z.b.: Zurückschalten 16QAM auf 4QAM. 4) Automatisierte TXPWR Anpassung aufgrund RX-Rückmeldung 5) Automatisiertes Wechseln der QRG bzw. bei Up/Downlink-Anwendungen Wechseln des QRG-Paares 6) Echo-Auswertung, Echo-Ausblendung Für den Austausch solcher Informationen für das Einleiten von automatisierten Vorgängen stehen zwischen TX und RX oft eigene Servicekanäle (reservierte Träger), oder eine Austauschmöglichkeit über eigene Steuerprotokolle oder Steuercodes zur Verfügung. 35

36 Mehrwegempfang OFDM(A) Aufgrund der relativ langen Symbolrate in den einzelnen Modulationsschemen der Subträger ist OFDM sehr resistent gegenüber Mehrwegempfang. 36

37 Automatische Anpassung der Modulationstechnik bei Störungen Symbolfehlerwarscheinlichkeit in Abhängigkeit des Signal-Noise-Ratio (SNR) Je nach implementierter Fehlerkorrektur bis zu einem gewissen Grad beherrschbar. 37

38 Fehlerkorrektur und Komprierung Verfahren um Datensicherheit zu gewährleisten Verfahren um Speicherplatz / Übertragungszeit zu reduzieren Diese zwei Verfahren sind in der digitalen Kommunikation essentiell und werden auf breiter Ebene angewandt! 38

39 Fehlerkorrektur Fehlererkennende und fehlerkorrigierende Codes enthaltenzusätzlich zu den kodierten Daten noch Informationen, um Datenfehler nach Möglichkeit zu erkennen oder zu beheben. Meist kommt eine Vorwärtsfehlerkorrektur zum Einsatz. Bose-Ray-Chaudhuri-Code (BCH) Faltungs-Code Fountain-Code Golay-Code Hamming-Code Low-Density-Parity-Check-Code (LDPC) Nordstrom-Robinson-Code Paritätsprüfung (eindimensionale Paritätsprüfung kann Fehler nur erkennen, mehrdimensionale auch korrigieren) Rank-Code Reed-Muller-Code Reed-Solomon-Code (RS) Repeat-Accumulate-Code (RA) Simplex-Code Slicing by Eight (SB8) Trellis-Code-Modulation (TCM) Turbo-Code (TCC, TPC etc) Wiederholungs-Code Woven-Code (Zyklische Redundanzprüfung) (ZRP, engl. CRC, zur Fehlererkennung; Grundlage für ARQ- Verfahren) Paketwiederholung (z.b.: Packet Radio) 39

40 Datenkomprimerung Verfahren, um die Übertragungszeit zu verkürzen. Ausgangstext: EINE SCHLECHTE ANTENNE IST AUCH EINE ANTENNE Kodiertext: EINE SCHLECHTE ANTENNE IST AUCH -5-4 TX und RX müssen die selbe Kodierung verwenden (Codierung und Dekodierung) Unterschiede: Verlustbehaftet / Nicht verlustbehaftet (losless) 40

41 Bildquellen