Kommunikation über Funk

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1 Peter Hatzold Kommunikation über Funk Methoden und Meßtechnik digitaler Nachrichtenübermittlung PAM-Zeitmultiplex Quantisierung Synchronisationsprobleme Funkkanaleigenschaften Messungen an digital modulierten Trägern Demodulationsprinzipien Demodulation von MSK und GMSK Mit 202 Abbildungen und 23 Tabellen Franzis

2 Inhalt 1 Einleitung 11 2 Das Abtasttheorem 16 3 PÄM Zeitmultiplex 24 4 Quantisierung 29 5 Elektrische Darstellung logischer Symbole und Impulsformung im Basisband 33 6 Benötigte Basisbandbreite zur Übertragung eines PCM-Signals im Zeitmultiplex 38 7 Entstehung von Bitfehlern und Abschätzung der Bitfehlerrate Bipolare Signalisierung bei Anwesenheit von weißem Rauschen Entstehung von Fehlern Minimierung der Fehlerhäufigkeit durch signalangepaßte (matched) Filter Der Korrelationsempfänger Verwendung des Differenzsignals zur Detektion 50 8 Bit-und Rahmensynchronisation Bitsynchronisation Rahmensynchronisation 56 9 Quellkodierung Beispiele zur Quellkodierung Sprache über Telefonkanäle Musik in Stereo Qualität Redundanz- und Irrelevanzreduktion Nicht gleichmäßige Quantisierung, Kompandierung Lineare Prädiktion Prinzip der Quellkodierung nach dem GSM Standard Datenreduktion zur Übertragung von Musik nach MPEG2 (MUSICAM) 69

3 8 Inhalt 10 Allgemeines zur digitalen Kommunikation über einen HF-Träger X Allgemeines zur Darstellung und Erzeugung eines modulierten HF-Trägers Einführende Betrachtungen im Spektralbereich Demodulationsprinzipien und Hypothesentest Euklidische Distanz und Korrelation Korrelationsempfang Kohärente Demodulation Bitfehlerentstehung nach der Demodulation Der Satz von Bayes Abschätzung der Bitfehlerrate Einfache Tastverfahren Amplitudentastung (ASK) Binäre Phasenumtastung BPSK Demodulation von ASK und BPSK Quaternäre (4-) Phasenumtastung QPSK Demodulation von QPSK Vergleich von QPSK mit ASK und BPSK Bandbreite Störverhalten ' Nichtkohärente Demodulation von differentiell kodierter BPSK M-äre Quadratur Amplituden Modulation (QAM) Mapping Modulation Eigenschaften des QAM Signals Demodulation Bandbreitenbegrenzung durch Basisbandfilterung Filterung des Basisbandes mit Tiefpässen Filter mit idealer Zeitbegrenzung Filter mit idealer Bandbegrenzung Filter mit Nyquistflanke Durch Filterung bedingte Amplitudenmodulation Aufteilung der Filterfunktionen auf Sender und Empfänger 125

4 Inhalt 17 7i/4-Differential Quadrature Phase Shift Keying Verfahren mit kontinuierlichem Phasenübergang und konstanter Einhüllenden (Minimum Shift Keying und Gaussian Minimum Shift Keying) Erzeugung von Minimum Shift Keying (MSK) Bitfehlerraten im Vergleich mit BPSK und QPSK Bandbreitenbedarf Gaußsches Minimum Shift Keying (GMSK) Erzeugung des gefilterten Basisbandes Auswirkungen der digitalen Filterung ' Differenzkodierung Praktische Ausführung von Modulatoren Demodulation von MSK und GMSK Signalen Kohärente Demodulation von GMSK Informationsübertragung über den mobilen Funkkanal Beschreibung des Funkkanals Entzerrung des Funkkanals Ein weiterer Lösungsansatz Zusätzliche Anmerkungen zu den Eigenschaften des Funkkanals COFDM zur Übertragung von Hörrundfunk Stereo Programmen Einige Prinzipien der Spread Spectrum Technik Direct Sequence Spread Spectrum Spreizfunktionen Empfang von CDMA-Signalen und Abschätzung der Kapazität eines CDMA-Systems Pilotunterstützte Synchronisation Einführung in die Kanalkodierung Einleitung Block Kodes Einfacher Parity Check, Hard und Soft Decision Lineare Block Kodes Schema einer fehlererkennenden Übertragung mit linearen Block-Kodes Zyklische Kodes Schaltungstechnische Realisierung eines Köders Faltungskodierung Interleaving 220

5 10 1" Inhalt 24 Spektrumanalyse digital modulierter HF-Signale Spektren im Basisband und im HF-Bereich Die Messung der Kanalleistung, der Nachbarkanalleistung und der belegten Bandbreite mit einem Spektrumanalysator Notwendigkeit der Nachbarkanalleistungsmessungen Leistungsmessung mit einem Spektrumanalysator Beispiel: Messung der Nachbarkanalleistung von einem NADC Signal Korrekte Messung mit dem RMS-Detektor Einige Gedanken zur Meßdynamik Die Analyse von gepulsten Signalen im Frequenzbereich Eine Spezialität: Die Messung der Nachbarkanalleistung nach dem DECT Standard Messungen mit dem Spektrumanalysator im Zero Span Betrieb Messung der modulations- und rampenabhängigen Spektren von TDMA Signalen am Beispiel von GSM-Signalen Leistungsmessungen und Messung der Signaltransienten im Zeitbereich mit einem Spektrumanalysator Modulationsfehler und deren Analyse Auswirkungen von Modulationsfehlern auf die Bitfehlerrate Entstehung von Modulationsfehlern Vektoranalyse digital modulierter HF-Signale Quantitative Erfassung von Modulationsfehlern 265 Anhang 272 Verzeichnis der wichtigsten Abkürzungen 272 Literaturverzeichnis 274 Sachverzeichnis 277