Signale - Prozesse - Systeme

Transkript

1 U. Karrenberg Signale - Prozesse - Systeme Eine multimediale und interaktive Einführung in die Signalverarbeitung Zweite Auflage Mit 239 Abbildungen J i Springer i

2 Inhaltsverzeichnis Kapitel 0 Einführung 1 Verständliche Wissenschaft 1 Adressaten 2 Grafische Programmierung 3 Das elektronische Buch 4 Kapitel 1 Das Konzept: Methoden, Inhalte, Ziele 11 Alles unter einem Dach 12 Hardware: Systems on a Chip 12 The Software is the Instrument 13 Ein Fall für zeitgemäße Bildung 14 Zur Einheit von Theorie und Praxis 14 Multimediales und interaktives Lernen 15 Wissenschaft und Mathematik 15 Auf der Suche nach anderen Werkzeugen 17 Ausgangspunkt Physik 22 Zielaufklärung 24 Zwischenbilanz: Ein Konzept gewinnt Konturen 28 Aufgaben zu Kapitel 1 30 Kapitel 2 Signale im Zeit- und Frequenzbereich 33 Das FOURIER-Prinzip 33 Periodische Schwingungen 34 Unser Ohr als FOURIER-Analysator 35 FOURIER-Transformation: Vom Zeit- in den Frequenzbereich 42 Wichtige periodische Schwingungen/Signale 47 Signalvergleich im Zeit- und Frequenzbereich 48 Das verwirrende Phasenspektrum 50 Interferenz: Nichts zu sehen, obwohl alles da ist 50 Gegensätze, die vieles gemeinsam haben: Sinus und S-Impuls 52 Nichtperiodische und einmalige Signale 56 Der pure Zufall: Stochastisches Rauschen 57 Rauschen und Information 58 Aufgaben zu Kapitel 2 61 Kapitel 3 Das Unschärfe-Prinzip UP 65 Eine seltsame Beziehung zwischen Zeit und Frequenz und ihre praktischen Folgen 65 Sinusschwingung und 8-Impuls als Grenzfall des Unschärfe-Prinzips 68 Warum es keine idealen Filter geben kann 70 Frequenzmessungen bei nichtperiodischen Signalen 74 Fastperiodische Signale 80 Töne, Klänge und Musik 81 Aufgaben zu Kapitel 3 86

3 Kapitel 4 Kapitel 5 Kapitel 6 Kapitel 7 Inhaltsverzeichnis Sprache als Informationsträger Wie Sprache, Töne, Klänge entstehen und wahrgenommen werden Fallstudie: Ein einfaches System zur Spracherkennung Mustererkennung Aufgaben zu Kapitel 4 Das Symmetrieprinzip Aus Symmetriegründen: Negative Frequenzen Beweis für die physikalische Existenz negativer Frequenzen Periodische Spektren Inverse FOURIER-Transformation und GAUSSsche Zahlenebene Aufgaben zu Kapitel 5 Systemanalyse Wobbein Moderne Testsignale Der 8-Impuls Die Sprungfunktion Der GAUSS-Impuls Der GAUSS-Schwingungsimpuls Das Burst- Signal Die Si-Funktion und der Si-Schwingungsimpuls Rauschen Einschwingvorgänge in Systemen Aufgaben zu Kapitel 6 Lineare und nichtlineare Prozesse Systemanalyse und Systemsynthese Die Messung entscheidet ob linear oder nichtlinear Die Leitung und der freie Raum Zur fächerübergreifenden Bedeutung Spiegelung und Projektion Ein kompliziertes Bauelement: Der Transistor Lineare Prozesse gibt es nur wenige Multiplikation eines Signals mit einer Konstanten Die Addition zweier oder mehr Signale Die Verzögerung Differentiation Integration Bösartige Funktionen bzw. Signalverläufe Filter Nichtlineare Prozesse Multiplikation zweier Signale Betragsbildung Quantisierung Windowing Aufgaben zu Kapitel

4 Kapitel 8 Klassische Modulationsverfahren 217 Übertragungsmedien 217 Modulation mit sinusförmigem Träger 217 Modulation und Demodulation nach alter Sitte 218 Amplituden-Modulation und -Demodulation AM 219 Energieverschwendung: Zweiseitenband-AM mit Träger 226 Einseitenband-Modulation EM ohne Träger 227 Frequenzmultiplex 235 Mischung 238 Frequenzmodulation FM 240 Demodulation von FM-Signalen 250 Der Phase-Locked-Loop PLL 250 Phasenmodulation 256 Störfestigkeit von Modulationsverfahren 258 Praktische Informationstheorie 261 Aufgaben zu Kapitel Kapitel 9 Digitalisierung 265 Digitaltechnik ist nicht gleich Digitaltechnik 265 Digitale Verarbeitung analoger Signale 265 Das Tor zur Digitalen Welt: A/D-Wandler 267 Prinzip des D/A-Wandlers 269 Analoge Pulsmodulationsverfahren 272 DASYLab und die Digitale Signalverarbeitung 274 Digitale Signale im Zeit- und Frequenzbereich 276 Die Periodendauer Digitaler Signale 277 Das periodische Spektrum digitaler Signale 286 Das Abtast-Prinzip 288 Rückgewinnung des Analogsignals 293 Nichtsynchronität 295 Signalverfälschung durch Signalfensterung 298 Checkliste 299 Aufgaben zu Kapitel Kapitel 10 Digitale Filter 303 Hardware versus Software 303 Wie analoge Filter arbeiten 303 FFT-Filter 306 Digitale Filterung im Zeitbereich 310 Die Faltung 315 Fallstudie: Entwurf und Einsatz digitaler Filter 317 Welligkeit im Durchlassbereich vermeiden 322 Aufgaben zu Kapitel Kapitel 11 Digitale Übertragungstechnik I: Quellenkodierung 329 Kodierung und Dekodierung digitaler Signale bzw. Daten 331 Komprimierung 331 Verlustfreie und verlustbehaftete Komprimierung 333

5 RLE-Komprimierung 334 Huffman-Komprimierung 334 LZW-Kodierung 335 Quellenkodierung von Audio- Signalen 338 Delta-Kodierung bzw. -Modulation 338 Sigma-Delta-Modulation bzw. -Kodierung 341 Noise-Shaping" und Dezimationsfilter" 345 Ausnutzung psychoakustischer Effekte (MPEG) 345 Kodierung und Physik 352 Aufgaben zu Kapitel Kapitel 12 Digitale Übertragungstechnik II: Kanalkodierung 355 Fehlerschutzkodierung zur Reduzierung der 355 Bitfehlerwahrscheinlichkeit Distanz 356 Hamming-Codes und Hamming-Distanz 358 Faltungskodierung 360 Viterbi-Dekodierung 364 Hard- und Softdecision 366 Kanalkapazität 368 Aufgaben zu Kapitel Kapitel 13 Digitale Übertragungstechnik III: Modulation 371 Tastung diskreter Zustände 374 Amplitudentasrung (2-ASK) 374 Phasentastung (2-PSK) 374 Frequenztastung (2-FSK) 376 Der Signalraum 377 Die Vierphasentastung ( Quadraturphasentastung" 380 QPSK) Digitale Quadratur-Amplitudenmodulation (QAM) 383 Vielfach-Zugriff 387 Diskrete Multiträgersysteme 390 Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) 395 Kodierte OFDM (COFDM) und Digital Audio 400 Broadcasting (DAß) Global System for Mobile Communications (GSM) 402 Asymmetrie Digital Subscriber Line (ADSL) 402 Frequenzbandspreizung: Spread Spectrum 405 Aufgaben zu Kapitel Anhang Literatur Literaturangaben 411 Index Stichwortverzeichnis 412 Katalog Weiterführende Literatur (Springer-Verlag) 423