Grundlagen der Nachrichtentechnik. 0. Einführung. Prof. Dr.-Ing. Armin Dekorsy

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1 Grundlagen der Nachrichtentechnik 0. Einführung Prof. Dr.-Ing. Armin Dekorsy University of Bremen Institute for Telecommunications and High Frequency Techniques Department of Communications Engineering

2 Informationen zur Vorlesung Alle Infos, Folien und Übungsaufgaben zum Herunterladen unter Kontaktadresse bei Fragen zur Übung und/oder Vorlesung Mark Petermann, N2390, NW1 Telefon: 0421 / petermann@ant.uni-bremen.de Hinweis Diese Vorlesung wird nicht über StudIP verwaltet! 2

3 Literaturempfehlungen K.D. Kammeyer: Nachrichtenübertragung, Vieweg+Teubner Verlag, Stuttgart, 4.Auflage, K.D. Kammeyer, P. Klenner, M. Petermann: Übungen zur Nachrichtenübertragung, Vieweg+Teubner Verlag, Stuttgart, K.D. Kammeyer: Matlab in der Nachrichtenübertragung, J. Schlembach Verlag, Weil der Stadt, H.D. Lüke: Signalübertragung, g g, Springer Verlag, 5. Auflage 1991 J.R. Ohm, H.D. Lüke: Signalübertragung: Grundlagen der digitalen und analogen Nachrichtenübertragungssysteme, Springer Verlag, Berlin, 11. Auflage, R. Mäusl: Digitale Modulationsverfahren, Hüthig, 4. Auflage, JG J.G. Proakis: Digital Communications, McGraw-Hill Publ. Comp., 4. Auflage, J.G. Proakis, M. Salehi: Digital Communications, McGraw-Hill Publ. Comp., 5.Auflage, K.D. Kammeyer, K. Kroschel: Digitale Signalverarbeitung, Vieweg+Teubner Verlag, Stuttgart, 7. Auflage,

4 Inhalt der Vorlesung 0. Einführung (Historie, Grundbegriffe, Struktur eines Kommunikationssystems) I. Kontinuierliche Signale und Systeme II. III. IV. 1. Fouriertransformation 2. Tiefpass-Darstellung von Bandpass-Signalen 3. Eigenschaften von Übertragungskanälen Analoge Übertragung Diskretisierung von Quellensignalen 1. Abtasttheorem 2. Pulsamplitudenmodulation lit d l ti 3. Pulsdauer- und Pulsphasenmodulation, Pulscodemodulation 4. Prinzip des Zeitmultiplex Digitale Übertragung 1. Struktur eines Datenübertragungssystems 2. Erste und Zweite Nyquistbedingung 3. Rauschangepasstes Empfangsfilter 4. Bitfehlerwahrscheinlichkeit 5. Digitale lineare Modulationsverfahren (inkl. Offset-PSK, DPSK) V. Codierung 4

5 Early History of Wireless Communication Wireless Communication: Transmission of information without wires Many people in history used light for communication Optical telegraphs (Greece, 350 BC) Signaling towers (flags) (China, Han-Dynasty, 206 BC 24 AC) Smoke signals for communication (Greece, 150 BC) Optical telegraph, Claude Chappe (1794) 5

6 Discovery of electromagnetism Electromagnetic Waves 1820 Oersted Electric current generates magnetic field 1831 Faraday demonstrates electromagnetic induction Electromagnetic Waves 1864 Maxwell Theory of electromagnetic fields, wave equations 1895 Hertz Proof of electromagnetic waves 6

7 Application to Communication History of Communication 1837 Morse First Telegraph 1861 Reis First Telephone (Patent Bell 1876) Wireless Communication 1901 Marconi First transatlantic transmission first demonstration of wireless telegraphy (digital!) long wave transmission, high transmission power necessary (> 200kw) Digital it Communication 1948 Shannon A Mathematical Theory of Communication 7

8 1. Generation of Mobile Communication A-Netz ( ) Call set up from mobile to fixed only No handover between cells approx subscriber (1971) B-Netz ( ) Germany, Austria, Luxembourg Call set up from fixed to mobile with knowledge of mobile s position Subscriber, heavy Mobiles mainly in cars approx subscribers (1986) less than 1 Mio. subscribers worldwide C-Netz (1985) Handover between cells Automatical localization Digital siginaling approx subscriber (1993) Der Abschied von ABC- Eine Zeitreise zu den wichtigsten Stationen, Broschüre der T-Mobil, 8

9 2. Generation of Mobile Communication Digital Transmission to improve system capacity, coverage and QoS Typical Networks: IS-95 (US), D-AMPS (US), PDC (Japan) and GSM Groupe Spéciale Mobile (1982) Development of European digital mobile communication system Motorola International Global System for Mobile Communication (1992) Germany: D-Netz (900 MHz) and E-Netz (1800 MHz) Voice is the dominating application but systems are capable of fax, data, SMS, MMS, International Roaming Data rate 9,6 kbit/s (compare ISDN: 64 kbit/s and DSL: 16 Mbit/s) More than 1 Billion subscriber worldwide (2004) Extensions for higher data rate (2.5 G) High Speed Circuit Switched Data : 57,6 kbit/s General Packet Radio System : 115,2 kbit/s Enhanced Data Rate for GSM Evolution : 384 kbit/s SonyEricsson P900,

10 3. Generation of Mobile Communication 3G World-wide harmonization (services, data rates) Improved/extended data services, capacity and flexibility Standardization at ITU: IMT-2000 User Data Rates: 144 kbit/s 2 Mbit/s Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) One implementation of IMT-2000 with compatibility to GSM New Air Interface (W-CDMA) New frequency range (2 GHz) Core Network from GSM/GPRS (first release, R 99), Further evolvement in releases (R 99, R4, R5, R6) Applications Video-Conferencing and Video-Streaming Mobile office Medical emergency Localization-based services Download of music 10

11 Mobile Communication Networks: A successful story 11

12 ISO OSI Reference Model Application Application Transport Transport Network Network Network Network Nachrichtentechnik II Data Link Data Link Data Link Data Link Grundlagen Nachrichtentechnik Nachrichtentechnik I/II Physical Physical Physical Physical Radio Medium 12

13 Nachricht Grundbegriffe Folge von Zeichen (z.b. Text mit Buchstaben) Eine Nachricht ist eine statistische Zeichenfolge stochastischer Prozess Informationsgehalt einer Nachricht Statistisch nicht vorhersagbarer Anteil der Nachricht Redundanz einer Nachricht Anteil der Nachricht, der aus dem Zusammenhang vorhersagbar=informationslos ist Nachrichtenübertragung Nachricht = Information + Redundanz Übertragung einer Nachricht von einem Punkt zu einem anderen Punkt über einen Kanal Nachricht erfährt Störungen Zentrale Aufgabenstellung Sender verarbeitet Nachricht derart, dass diese angepasst an den Kanal vom Empfänger exakt oder annähernd exakt reproduziert werden kann Ziel: Maximaler Informationsfluss Übertragung erfolgt mittels Signalen Analoge Übertragung (analog = amplituden + zeitkontinuierliche Signale) Digitale Übertragung (digital = amplituden + zeitdiskrete Signale) 13

14 Digitale Quelle Struktur eines Übertragungssystems Diskreter Kanal Quelle Quellencodierer Kanalcodierer Modulator Digitale Senke Digitale Übertragung Analoge Übertragung Physikal. Kanal Senke Quellendecodierer Kanaldecodierer Demodulator Quelle sendet Signale (z.b. Sprache) Quellencodierer Abtastung, Quantisierung und Komprimierung des analogen Signals Kanalcodierer addiert Redundanz zur Fehlererkennung und Rx Modulator bildet die diskreten Symbole auf ein analoges Signal ab und schiebt sie ins gewünschte Frequenzband Physikalischer Kanal verkörpert das Übertragungsmedium: Mehrwegeausbreitung, zeitvariantes Fading, additives Rauschen, Demodulator: Verschiebt das Signal zurück ins Basisband, Durchführung von Tiefpassfilterung, Abtastung und Quantisierung Kanaldecodierer: Schätzung der Information aus der Codesequenz Fehlerkorrektur Quellendecodierer: Rekonstruktion des analogen Signals 14

15 Signalverarbeitung Gebiete der Nachrichtenübertragung Systemtheorie Codierungs-/Informationstheorie Netzwerktheorie etc. 15