Martin Werner. Nachrichten- Ubertragungstechnik

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1 Martin Werner Nachrichten- Ubertragungstechnik

2 Aus dem Programm _ Informationstechnik Operationsverstarker von J. Federau Telekommunikation von D. Conrads Kommunikationstechnik von M. Meyer Signalverarbeitung von M. Meyer Digitale Kommunikationssysteme 1 von R. Nocker Antennen und Strahlungsfelder von K. Kark Nachrichtentechnik von M. Werner Digitale Signalverarbeitung mit MATLAB von M.Werner Signale und Systeme von M. Werner Satellitenortung und Navigation von W. Mansfeld vieweg

3 Martin Werner Nachrichten- Ubertragungstechnik Analoge und digitale Verfahren mit modernen Anwendungen Mit 269 Abbildungen und 40 Tabellen Herausgegeben von Otto Mildenberger Studium Technik EQ vieweg

4 Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet uber < abrufbar. Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Otto Mildenberger \ehrte an der Fachhochschule Wiesbaden in den Fachbereichen Elektrotechnik und Informatik. 1. Auflage Februar 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 einschlieblich aller seiner Telle ist urheberrechthch geschiitzt. lede Verwertung auberhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulassig und strafbar. Das gilt insbesondere fiir Vervielfaltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Technische Redaktion: Andreas MeiBner, Wiesbaden Druck und buchbinderische Verarbeitung: Wilhelm & Adam, Heusenstamm Gedruckt auf saurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN

5 Vorwort Seit fast zehn Jahren biete ich an der Fachhochschule Fulda die sechsstiindige Lehrveranstaltung Nachrichteniibertragung an. Sie richtet sich an Studierende der Elektrotechnik und Informationstechnik im sechsten Fachsemester. Aus dem Wunsch der Studierenden nach kompakter Darstellung der Grundlagen, aktuellen und praxisnahen Themen und typischen und voustandig gelosten Ubungsaufgaben sind schlieblich zwei Biicher entstanden: Netze, Protokolle, Schnittstellen und Nachrichtenverkehr sowie Nachrichtenubertragungstechnik: Analoge und digitate Verfahren mit modemen Anwendungen. Das vorliegende Buch behandelt die der physikalischen (Jbertragung zugeordneten Aspekte. Zunachst werden wichtige Eigenschaften der Nachrichtenquellen vorgestellt und deren Anforderungen an die Ubertragungstechnik aufgezeigt. Danach wird mit der analogen Amplitudenmodulation und der analogen Frequenzmodulation die Verbindung zu den herkommlichen Verfahren wie zum Beispiel im Ton- und Femsehrundfunk hergestellt. Die Bedeutung von Storungen durch Rauschen in der Nachrichtenubertragungstechnik wird an zwei eindrucksvollen Beispielen aufgezeigt: den typischen Kettenschaltungen aus tjbertragungsleitungen und Signalverstarkem sowie der interplanetarischen SateUitenkonmiunikation. Ihrer Bedeutung angemessen bilden die digitalen Verfahren den Schwerpunkt des Buches. Die digitale Ubertragung im Basisband, z. B. zur drahtgebundenen Kommunikation zwischen zwei PCs, und die Ubertragung mit digitaler Modulation eines sinusformigen Tragers, wie fiir die die Mobilkonmiunikation, werden ausfiihrlich behandelt. Anwendungen fiir die Mobilkommunikation und das digitale terrestrische Femsehen werden exemplarisch vorgestellt. Das Buch richtet sich an Studierende im Hauptstudium der Elektrotechnik, der Informationstechnik, der Informatik oder verwandter Studiengange an Fachhochschulen und Universitaten. Zahlreiche geloste Beispiele veranschaulichen die praktische Anwendung. Um einen kompakten Zugang zur Nachrichtenubertragungstechnik zu ermoglichen, werden langere mathematische Herleitungen und spezielle Vertiefungen in erganzenden Abschnitten prasentiert, die ohne Verlust an Verstandlichkeit iibersprungen werden konnen. Mein Dank gilt den Studierenden in Fulda, deren Fragen und Neugier wesentuch zum Buch beigetragen haben. Dem Verlag Vieweg und seinen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitem danke ich fur die gute Zusammenarbeit. Besonders bedanke ich mich bei Herm Prof. Dr. Otto Mildenberger fiir seine Untersttitzung. Fulda, Januar 2006 Martin Werner

6 VI Inhaltsverzeichnis Hinweis: Mit * gekennzeichnete Abschnitte sind als vertiefende Erganzungen gedacht oder enthalten aufwandige Rechnungen. Sie konnen ohne Verlust an Verstandlichkeit der weiteren Abschnitte iibersprungen werden. 1 Einfuhrung Historischer Uberblick Kommunikationsmodell Nachrichtenkanale Ausbreitung elektromagnetischer Wellen Einfuhrung Telegraphengleichung* Herleitung und Losung der Telegraphengleichung* Losung der Telegraphengleichung fiir sinusformige Zeitabhangigkeit* Leitungsabschluss und Reflexionen* 14 2 Nachrichtenquellen Einfuhrung Audiosignalquellen Horschwelle Mikrofon Sprachtelefonie, Horrundfunk, Compact Disc Digitale Audioquellen Bild- und Videosignalquellen, Multimedia Uberblick Analoges Femsehen Schwarz-WeiB-Femsehen Farbfemsehen Femkopieren Bildtelefonie und Video-Konferenz Digitale Bilder, digitales Femsehen und Video Analog-Digital-Umsetzung Einfuhrung Abtasttheorem Quantisierung Quantisierungsgerausch Pulse-Code-Modulation in der Telefonie Abschatzung der Wortlange Kompandierung Segment-Kennline DPCMundADPCM Delta-Sigma-A/D-Umsetzer* Aufgaben zu Abschnitt Aufgaben Losungen 53

7 Inhaltsverzeichnis VII 3 Amplitudenmodulation Analoge Modulation eines Sinustragers Prinzip der Amplitudenmodulation Gegentakt-Modulator und Ring-Modulator Zweiseitenband-AM mit Trager Koharente AM-Demodulation AM-Demodulation mit dem Hiillkurvendetektor Einseitenband-AM Filtermethode Phasenmethode Restseitenband-AM Quadraturamplitudenmodulation Anwendungsbeispiele Tragerfrequenzsystem in der Telefonie Horrundfunkempfanger Zweiseitenband-AM zur Stereorundfunkiibertragung Einfluss von Verzerrungen Lineare Verzerrungen Einfluss nichtlinearer Kennlinien Kubische Parabel Kreuzmodulation Storungen durch Rauschsignale Einfuhrung Zweiseitenband-AM ohne Trager Zweiseitenband mit Trager Tiefpass-und Bandpass-Prozesse* Aufgaben zu Abschnitt Aufgaben Losungen 92 4 Frequenz- und Phasenmodulation Einfuhrung Zeigerdiagramm Spektrum von FM-Signalen FM-Demodulation Konventioneller FM-Empfanger FM-Demodulation mit dem Phasenregelkreis HI 4.5 Storungen durch Rauschsignale Schwellwerteffekt und Dimensionierungsbeispiel FM-Schwelle Dimensionierungsbeispiel Preemphase und Deemphase Anmerkungen zur Bewertung von Modulationsverfahren Phasenregelkreis* SNR-Abschatzung ftir die FM- und PM-Demodulation* Aufgaben zu Abschnitt Aufgaben Losungen 132

8 VIII Inhaltsverzeichnis 5 Rauschen in Kommunikationssystemen Einfiihrung Rauschen und Kettenschaltungen von Verstarkern Aquivalente Rauschbandbreite Rauschquelle bei angepasster Last Rauschen an Verstarkern Kettenschaltung von Verstarkern Signaltibertragung iiber eine Leitung mit Zwischenverstarkem Beispiel SatelHtenkommunikation Aufgaben zu Abschnitt Aufgaben Losungen Digitale Ubertragung im Basisband Einfiihrung Scrambler Leitungscodierung Binare Leitungscodes Temare Leitungscodes Aufgaben zu Abschnitt 6.1 bis Aufgaben Losungen Optimalempfanger fur bekannte Signale in AWGN Ubertragungsmodell Tragersignale Unipolare und bipolare Ubertragung Mehrpegeliibertragung Orthogonale Ubertragung Matched-Filter-Empfanger Optimalempfanger ftir uni- und bipolare Signale in AWGN Bitfehlerwahrscheinlichkeiten Bitfehlerwahrscheinlichkeit fur die uni- und bipolare Ubertragung Bitfehlerwahrscheinlichkeit fiir die M-stufige PAM-Ubertragung Bitfehlerwahrscheinlichkeit ftir die Ubertragung orthogonaler Signale Vergleich von PAM und orthogonaler Ubertragung Ubertragung im Tiefpass-Kanal Verzerrungen im Tiefpass-Kanal Nyquist-Bandbreite und Impulsformung Mehrstufige Pulsamplitudenmodulation Kanalkapazitat Entzerrer Leistungsdichtespektren digitaler Basisbandsignale* Mittlere AKF und mittleres LDS* Digitale Basisbandsignale ohne Gedachtnis* Digitale Basisbandsignale mit Gedachtnis* RC-Tiefpass als Ersatz fiir ein Matched-Filter* 217

9 Inhaltsverzeichnis D^ 6.8 Aufgaben zu den Abschnitten 6.5 und Aufgaben Losungen Digitale Modulation mit Sinustrager Einfiihrung AquivalentesTiefpass-Signalmodell Digitale Quadraturamplitudenmodulation (QAM) Grundprinzip der digitalen QAM Bin- Austastung (OOK) Binare Phasenumtastung (BPSK) Amplitudenumtastung (ASK) Quartemare Phasenumtastung (QPSK) Hoherstufige digitale Modulationsverfahren (M-QAM, M-PSK) Differentielle Phasenumtastung (DPSK) Frequenzumtastung mit stetiger Phase (CPFSK) CPFSK-Signal Spektren von CPFSK-Signalen Empfanger fiir CPFSK-Signale Minimum-Shift Keying (MSK) Gaussian Minimum-Shift Keying (GMSK) Tragerregelung zur koharenten Demodulation Tragerriickgewinnung mit quadrierendem Regelkreis Tragerriickgewinnung mit der Costas-Schleife Aufgaben zu Abschnitt Aufgaben Losungen Digitale Modulation fiir den Mobilfunk Mobilfunkkanal Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Multitragersystem OFDM_tJbertragung fiir WLAN OFDM-LFbertragung fur DVB-T Code Division Multiple Access (CDMA) Spreizbandtechnik fiir den Vielfachzugriff Spreizbandtechnik mit RAKE-Empfanger Berechnung der Empfangsgrundimpulse zur OFDM-tJbertragung* Ohne Schutzabstand* Berechnung der Empfangsgrundimpulse mit Schutzabstand* Aufgaben zu Abschnitt Aufgaben Losungen 294 Formelzeichen und Symbole 296 Abktirzungen und Akronyme 300 Literaturverzeichnis 303 Sachwortverzeichnis 308