Kapitel 1: Einleitung NTM, 2007/09, Rur, Einleitung, 1

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1 Kapitel 1: Einleitung NTM, 2007/09, Rur, Einleitung, 1 Begriffe Historischer Überblick Typische Informationsquellen Standardisierung Klassifizierung von Signalen Analoge Nachrichtensysteme Digitale Nachrichtensysteme Kursinhalt Literatur [1] J. Proakis, M. Salehi, Grundlagen der Kommunikationstechnik, Pearson, [2] M. Meyer, Kommunikationstechnik, Vieweg, [3] J. Schiller, Mobilkommunikation, Pearson, ISBN

2 Begriffe NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 2 Telekommunikation Nachrichten- und Informationsaustausch über grössere Entfernungen Verfügbarkeit von Diensten kostengünstig, dauernd und unabhängig von der Distanz in guter Qualität, angepasst an den Empfänger (z.b. Mensch) Nachrichtentechnik Technik für Aufnahme, Übertragung, Wiedergabe von Information Übertragungsaspekt der Telekommunikation Kursziel: Grundlagen (Physical- und MAC-Layer) der Nachrichtentechnik und Mobilkommunikation kennen / anwenden Information hat etwas mit Neuheit, Überraschung zu tun bei der Informationsweitergabe spricht man oft von Nachrichten bei der Informationsverarbeitung spricht man oft von Daten Nachrichten und Daten werden physikalisch mit Signalen dargestellt

3 Historischer Überblick NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 3 Einige Meilensteine der Nachrichtenübertragung 1837 S. Morse erfindet Telegraf und Morsealphabet 1858 Erste Eindraht-Telegrafenverbindung über den Atlantik 1876 A.G. Bell meldet Patent des Telefons an 1901 G. Marconi überträgt Telegramm mit Radiowellen über 1700 Meilen 1906 L. de Forest erfindet Triode (Verstärkung analoger Signale) 1920 Erste AM-Übertragungen 1927 Erstes transatlantisches Telefongespräch via Kurzwellen 1933 E. Armstrong erfindet FM 1936 BBC strahlt erste Fernsehsendung aus 1938 A. Reeves erfindet die Puls-Code-Modulation (PCM) 1944 Entwicklung des ersten Computers 1948 Erfindung des Transistors 1948 C. Shannon begründet Informationstheorie 1953 Erstes transatlantisches Telefonkabel (mit 51 Zwischenverstärker) 1960 Erfindung des Lasers 1962 Telstar I erlaubt erste transatlantische Fernsehübertragung 1965 Erster geostationärer Satellit ( early Bird bzw. Intelsat I) 1969 Erste brauchbare Glasfaser für die optische Übertragung 1980 Eine Raumsonde überträgt Bilder vom Jupiter und Saturn 1992 Einführung digitaler Mobilfunk (GSM) 1993 Erste ADSL-Verbindung

4 Standardisierung NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 4 Telekommunikation ist schon seit sehr langer Zeit global ( tele heisst fern ) ist wirtschaftlich bedeutend geworden ( Informationszeitalter ) Standards sind sehr wichtig wegen Interoperabilität zwischen Netzen + Systemen versch. Hersteller Gross-Serien (tiefere Preise) und Investitionssicherheit Wichtige Normierungsgremien International Telecommunication Union (ITU-T/-R), UNO, Genf International Standards Organisation (ISO) ETSI in Europa, EU, Südfrankreich CEPT mit dem ERO (European Radio Office), DK in den USA: ANSI und FCC IEEE (Normen im Datenkommunikationsbereich) Regulierungsbehörden (z.b. Bakom in der CH, RegTP in D) Vergabe Spektrum, Konzessionen, Erlass Vorschriften,

5 Digitales Nachrichtensystem NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 5 digitale Quelle Quellen- Encoder Cipher Kanal- Encoder Modulator Tx A/D-Umsetzung andere user Multiple Access analoger Kanal digitale Senke Quellen- Decoder Decipher Kanal- Decoder Rx Demod. D/A-Umsetzung

6 Klassifizierung von Signalen NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 6 x(t) analoges Signal (zeit- und wertkontinuierlich) t Abtastung zeitdiskretes, wertkontinuierliches Signal -T s T s t Quantisierung A D digitales Signal (zeit- und wertdiskret) t Codierung t binäres Signal (zeitdiskret, zweiwertig)

7 Digitales Nachrichtensystem NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 7 Quellenkodierung Reduktion Redundanz oder Irrelevanz (Datenkompression) Beispiel: GSM-Vocoder: 13 kb/s, vgl. PCM-Telefonie: 64 kb/s Chiffrierung für Geheimhaltung, Integrität und/oder Authentifikation Ziel: Gegner muss alle Schlüssel durchprobieren Kanalkodierung (FEC) hinzufügen von etwas Redundanz zur Fehlerkorrektur Beispiel: GSM-TCH/F: 22.8 kb/s Modulation HF-Kanalanpassung: Information wird analogem Träger aufgeprägt 180 Grad 0 Grad 90 Grad -90 Grad 180 Grad 0 Grad t [μs] Bandbreite B primär proportional zur Symbolrate R Symbol

8 Digitales Nachrichtensystem NTM, 2007/09, Rur, Einleitung, 8 Up-Converter (Mischer) Power Amplifier Tx Front-End (BP-) Filter Daten IQ- Modulator Rx / Tx Duplexer Daten IQ- Demodulator Kanalbzw. IF-Filter Down-Converter (Mischer) Low-Noise Amplifier Rx Front-End (BP-) Filter Base-Band IF-Band RF-Band Amplitude HF-Kanäle DC f IF f Rx Frequenz

9 Digitales Nachrichtensystem NTM, 2007/09, Rur, Einleitung, 9 GSM Chipset (Quelle Siemens)

10 Digitales Nachrichtensystem NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 10 Multiple Access viele Teilnehmer kommunizieren über das gleiche Medium / System Benutzertrennung via Zeit, Frequenz, Code, Raumwinkel usw. Netzaspekt ist mindestens so wichtig wie die P2P-Kommunikation Kanal bestimmt letztendlich die Kommunikationsmöglichkeiten z.b. die maximale Datenrate, die Reichweite Kommunikation über diverse Medien z.b. Luft, Kabel, Glas, Wasser Einsatz von diversen Trägern z.b. EM-Wellen (Licht, Radiowellen), Magnetfeld, Schall es gibt unterschiedliche Störungen z.b. thermisches Rauschen, Mehrweg, Funkrauschen Nachrichten werden über verrauschte Kanäle übertragen

11 Grenzen der Kommunikation NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 11 Kanalkapazität (Shannon, 1948) = max. Rate für fehlerfreie Datenübertragung über noisy channel Kapazität des AWGN-Kanals zeigt wichtigste Einflussgrössen x[n] AWGN z[n] y[n] N 0 Rauschleistungsdichte [W/Hz] Bandbreite B Kanal f [Hz] Signalleistungsbeschränkung 1 N fehlerfreie Kommunikation wenn Beispiel N n= 0 x 2 [n] <= P P R < C = B log 1 + [bit/s] 2 N0B SNR Signal-to-Noise-Ratio Telefonkanal mit B = 3100 Hz und SNR = 40 db: R < 41.2 kb/s

12 BER versus SNR NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 12 QAM-Datenübertragung über AWGN-Kanal AWGN z[n] x[n] y[n] charakterisiert durch Signal-zu-Geräuschverhältnis SNR = E b / N 0 Symbolfehlerrate BER

13 Kurs NTM 1 NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 13 Signalanalyse Rep. analoge / digitale Signale, stochastische Signale, Rauschen analoge Systeme Pegelplan, lineare/nichtlin. Verzerrungen, Rauschzahl, AWGN-Kanal Übertragung analoger Signale a/b-telefonie, AM/FM/PM, UKW, KW/MW/LW, Fernsehen Digitale Datenübertragung im Basisband Leitungen, LWL, PCM, Leitungscodes, Pulsformung, ISI, Nyquistfilter Digitale Modulation ASK, PSK, FSK, QAM, OFDM, Bsp: RFID, DECT, GSM, ADSL Moderne Sende- und Empfangskonzepte Rx/Tx-Filter, LNA, Mischung, IQ-Mod./Demod., DDS/DDC, PLL, Scrambling, Interleaving, Equalizer, Synch., matched-filter, Rx-Div. Multiplexverfahren SDMA, TDMA, FDMA, CDMA, FH, Random Access [aloha, CSMA/CA], Beispiele: GSM, UMTS, WLAN, GPS, Bluetooth

14 Kurs NTM 2 NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 14 Funkkanal Freiraumausbreitung, Antennen, Mehrwegkanal Funknetzplanung Linkbudget, Antennensysteme, Ausbreitungsmodelle, Erlang- Verkehr, Zellulartechnik, Beispiele: GSM, UMTS Quellencodierung bzw. Datenkompression Informationsmass, Redundanz-, Irrelevanzreduktion [z.b. JPEG] Kanalcodierung bzw. Fehlerschutzcodierung Kanalkapazität, Fehlerdetektion/-korrektur, BER-Performance, Block- und Faltungscodes, Viterbi-Dekoder, TCM, Turbo-Codes Einführung in die Chiffrierung Schlüssel/Algorithmus, symmetrische/asymm. Chiffrierverfahren PHY bzw. Luftschnittstelle wichtiger digitaler Nachrichten-Systeme ADSL, Fast-Ethernet GSM, UMTS, DECT, WLAN, RFID, DAB, DVB, BT,...