Martin Werner. Nachrichtentechnik

Transkript

1 Martin Werner Nachrichtentechnik

2 Aus dem Programm Nachrichtentechnik Einführung in die Systemtheorie von B. Girod, R. Rabenstein und A. Stenger Information und Kommunikation von M. Hufschmid Nachrichtenübertragung von K. D. Kammeyer Digitale Signalverarbeitung von K. D. Kammeyer und K. Kroschel Grundlagen der Informationstechnik von M. Meyer Kommunikationstechnik von M. Meyer Signalverarbeitung von M. Meyer Digitale Kommunikationssysteme 1 und 2 von R. Nocker Signale und Systeme von R. Scheithauer Digitale Sprachsignalverarbeitung von P. Vary, U. Heute und W. Hess Mobilfunknetze und ihre Protokolle 1 und 2 von B. Walke Grundlagen der Kommunikationstechnik von H. Weidenfeller Information und Codierung von M. Werner Digitale Signalverarbeitung mit MATLAB von M. Werner Digitale Signalverarbeitung mit MATLAB -Praktikum von M. Werner Nachrichten-Übertragungstechnik von M. Werner Signale und Systeme von M. Werner Digitale Audiosignalverarbeitung von U. Zölzer

3 Martin Werner Nachrichtentechnik Eine Einführung für alle Studiengänge 6., verbesserte Auflage Mit 235 Abbildungen und 40 Tabellen STUDIUM

4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. 1. Auflage , überarbeitete und erweiterte Auflage , vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage , überarbeitete und erweiterte Auflage , vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage , verbesserte Auflage 2009 Alle Rechte vorbehalten Vieweg+Teubner GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2009 Lektorat: Reinhard Dapper Andrea Broßler Vieweg+Teubner ist Teil der Fachverlagsgruppe 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. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Druck und buchbinderische Verarbeitung: Krips b.v., Meppel Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in the Netherlands ISBN

5 V Zum Andenken an Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult. Hans-Wilhelm Schüßler Die Aufgabe der Nachrichtenübertragung wird bei vordergründiger Betrachtung durch dieses Wort selbst hinreichend beschrieben. Es geht eben darum, Nachrichten zu übertragen. Etwas schwieriger wird es, wenn wir fragen, was Nachrichten eigentlich sind, eine Frage, die nur scheinbar trivial ist. Die Technik der Nachrichtenübertragung: gestern heute morgen Festvortrag aus Anlass des 238. Gründungstages der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg 4. November 1981

6 VII 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 führt an wichtige Aufgaben, Prinzipien und Methoden der Nachrichtentechnik heran. Es eignet sich besonders für Studierende technischer Studiengänge, der Informatik und des Wirtschaftsingenieurwesens, die einen Einstieg in die Nachrichtentechnik gewinnen wollen. Bei der Auswahl und der Darstellung der Themen wurde besonders darauf geachtet, den Umfang und den Schwierigkeitsgrad des Buches den Studierenden im Grundstudium anzupassen. In diesem Sinne sind auch die Wiederholungsfragen und Aufgaben zu den Abschnitten ohne lange Rechnungen zu lösen. War das Buch zunächst als Ergänzung zu einer zweistündigen Lehrveranstaltung im 3. Semester an der Hochschule Fulda gedacht, so haben zahlreiche Kommentare von Fachkollegen, viele Fragen von Studierenden und nicht zuletzt neue Entwicklungen der Nachrichtentechnik das Buch von Auflage zu Auflage wachsen lassen. Ziel dabei war stets den einführenden Charakter mit einer soliden Grundlage für ein vertiefendes Fachstudium zu verbinden. Heute ist die Nachrichtentechnik vielfältiger den je man denke nur an die Flut von Produkten für die mit Hinweisen auf die Funkstandards Bluetooth, IEEE , GSM, GPRS, HSDPA, UMTS, WiMAX, ZigBee usw. geworben wird. Dementsprechend hat auch die Vielfalt und Komplexität des benötigten Fachwissens zugenommen. Mit der 6. Auflage habe ich gerne die Gelegenheit ergriffen, viele Ergänzungen und aktuelle Hinweise anzubringen und das in den letzten Jahren in den Mittelpunkt gerückte Thema OFDM ausführlicher vorzustellen. 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 Dezember 2008 Martin Werner

7 IX Inhaltsverzeichnis 1 Aufgaben und Grundbegriffe der Nachrichtentechnik Entwicklung der Nachrichtentechnik Nachrichtentechnik, Informationstechnik und Telekommunikation 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 Quantisierungsgeräusch... 77

8 X 3.6 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 HE-AAC Codec 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 Binäre Modulationsverfahren Mehrstufige Modulationsverfahren Orthogonal Frequency Division Multiplexing Zusammenfassung Aufgaben zu Abschnitt Digitale Übertragung im Basisband Einführung RS-232-Schnittstelle Digitale Basisbandübertragung Leitungscodierung Störung durch Rauschen

9 XI 5.6 Übertragung im Tiefpass-Kanal Matched-Filterempfänger Nyquist-Bandbreite und Impulsformung Kanalkapazität Digitaler Teilnehmeranschluss 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)

10 XII GSM-Sicherheitsmerkmale 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 für die UMTS-Luftschnittstelle High-Speed Packet Access (HSPA) Wireless Local Area Network (WLAN) Einführung Zugriff auf die Luftschnittstelle und Netzstrukturen WLAN-Übertragung mit OFDM Zusammenfassung Aufgaben zu Abschnitt Lösungen zu den Aufgaben Abkürzungen Literaturverzeichnis Sachwortverzeichnis