Signale - Prozesse - Systeme

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1 U. Karrenberg Signale - Prozesse - Systeme Eine multimediale und interaktive Einführung in die Signalverarbeitung Dritte Auflage Mit 266 Abbildungen bzw. Folienentwürfen, 13 einführenden Videos sowie über 200 interaktiven signaltechnischen Systemen <0v Springer /

2 Inhaltsverzeichnis Seite 1 Einführung Inhaltsverzeichnis Verständliche Wissenschaft 7 Adressaten 8 Grafische Programmierung 9 Das elektronische Buch 10 Kapitel 1 Das Konzept: Methoden - Inhalte - Ziele 17 Alles unter einem Dach 17 Hardware: Systems on a Chip 18 Ein Fall für zeitgemäße Bildung 20 Zur Einheit von Theorie und Praxis 20 Ausgangspunkt Physik 28 Zielaufklärung 30 Zwischenbilanz: Ein Konzept gewinnt Konturen 34 Aufgaben zu Kapitel 1: 36 Kapitel 2 Signale im Zeit- und Frequenzbereich 39 Das FOURIER-Prinzip 39 Periodische Schwingungen 40 Unser Ohr als FOURIER-Analysator 41 FOURIER-Transformation: Vom Zeit- in den Frequenzbereich und zurück 48 Wichtige periodische Schwingungen/Signale 53 Signalvergleich im Zeit- und Frequenzbereich 54 Das verwirrende Phasenspektrum 56 Interferenz: Nichts zu sehen obwohl alles da ist 56 Gegensätze, die vieles gemeinsam haben: Sinus und 8-Impuls 58 Nichtperiodische und einmalige Signale 62 Der pure Zufall: Stochastisches Rauschen 63 Rauschen und Information 64 Aufgaben zu Kapitel 2: 67 Kapitel 3 Das Unschärfe-Prinzip 71 Eine seltsame Beziehung zwischen Frequenz und Zeit und ihre praktischen Folgen 71 Sinus-Schwingung und 8-Impuls als Grenzfall des Unschärfe-Prinzips 74 Warum es keine idealen Filter geben kann 76 Frequenzmessungen bei nichtperiodischen Signalen 80 Fastperiodische Signale 86 Töne, Klänge und Musik 87

3 Seite 2 Inhaltsverzeichnis Grenzbetrachtungen: Kurzzeit-FFT und Wavelets 91 Aufgaben zu Kapitel Kapitel 4 Sprache als Informationsträger 105 Vokale und ihre charakteristischen Frequenzen 108 Wie Sprache, Töne, Klänge entstehen und wahrgenommen werden 113 Fallstudie: Ein einfaches technisches System zur Spracherkennung 122 Phase der Verfeinerung und Optimierung: 127 Mustererkennung 130 Aufgaben zu Kapitel Kapitel 5 Das Symmetrie-Prinzip 133 Aus Symmetriegründen: Negative Frequenzen 133 Beweis für die physikalische Existenz negativer Frequenzen 133 Periodische Spektren 141 Inverse FOURIER-Transformation und GAUSSsche Zahlenebene 141 Aufgaben zu Kapitel Kapitel 6 Systemanalyse 157 Wobbein 160 Moderne Testsignale 164 Der 8-Impuls 166 Übertragungsfunktion als Ortskurve 170 Die Sprungfunktion 173 GAUSS-Impuls 177 GAUSS-Schwingungsimpuls 178 Burst-Signal 181 Si-Funktion und Si-Schwingungsimpuls 182 Rauschen 184 Einschwingvorgänge in Systemen 188 Aufgaben zu Kapitel Kapitel 7 Lineare und nichtlineare Prozesse 195 Systemanalyse und Systemsynthese 195 Die Messung entscheidet ob linear oder nichtlinear 195 Die Leitung und der freie Raum 196 Zur fächerübergreifenden Bedeutung 196 Spiegelung und Projektion 197 Ein kompliziertes Bauelement: Der Transistor 199

4 Inhaltsverzeichnis Seite 3 Lineare Prozesse gibt es nur wenige 200 Multiplikation eines Signals mit einer Konstanten 201 Die Addition zweier oder mehrerer Signale 201 Die Verzögerung 202 Differentiation 203 Integration 210 Bösartige Funktionen bzw. Signalverläufe 217 Filter 219 Nichtlineare Prozesse 224 Multiplikation 225 Die Betragsbildung 229 Quantisierung 231 Windowing 234 Aufgaben zu Kapitel Kapitel 8 Klassische Modulationsverfahren, 237 Übertragungsmedien 237 Modulationsverfahren mit sinusförmigem Träger 237 Modulation und Demodulation nach alter Sitte 238 Amplitudenmodulation und -demodulation AM 239 Energieverschwendung: Zweiseitenband-AM mit Träger 246 Einseitenband-Modulation EM ohne Träger 247 Frequenzmultiplex 255 Mischung 257 Frequenzmodulation 259 Demodulation von FM-Signalen 268 Der Phase-Locked-Loop PLL 268 Phasenmodulation 275 Störfestigkeit von Modulationsverfahren am Beispiel AM, FM und PM 277 Praktische Informationstheorie 280 Aufgaben zu Kapitel Kapitel 9 Digitalisierung 283 Digitaltechnik ist nicht gleich Digitaltechnik 283 Digitale Verarbeitung analoger Signale 283 Das Tor zur digitalen Welt: A/D-Wandler 285 Prinzip des D/A-Wandlers 287 Analoge Pulsmodulationsverfahren 290 DASYLab und die Digitale Signalverarbeitung 291 Digitale Signale im Zeit- und Frequenzbereich 292 Die Periodendauer Digitaler Signale 295 Das periodische Spektrum digitaler Signale 303 Das Abtast-Prinzip 304 Rückgewinnung des Analogsignals 311

5 Seite 4 f Inhaltsverzeichnis Nichtsynchronität 311 Signalverfälschung durch Signalfensterung (Windowing) 314 Checkliste 316 Aufgaben zum Kapitel Kapitel 10 Digitale Filter 321 Hardware versus Software 321 Wie analoge Filter arbeiten 321 FFT-Filter 324 Digitale Filterung im Zeitbereich 329 Die Faltung 333 Fallstudie: Entwurf und Einsatz digitaler Filter 335 Welligkeit im Durchlassbereich vermeiden 338 Die Übertragungsfunktion digitaler Filter 345 Aufgaben zum Kapitel Kapiteln Digitale Übertragungstechnik I: Quellenkodierung 349 Kodierung und Dekodierung digitaler Signale bzw. Daten 351 Komprimierung 351 Verlustfreie und verlustbehaftete Komprimierung 353 RLE-Komprimierung 354 Huffman-Komprimierung 354 LZW-Kodierung 355 Quellenkodierung von Audio-Signalen 358 Delta-Kodierung bzw. Delta-Modulation 358 Sigma-Delta-Modulation bzw. -Kodierung 361 Noise-Shaping" und Dezimationsfilter" 365 Ausnutzung psychoakustischer Effekte (MPEG) 365 Kodierung und Physik 372 Aufgaben zu Kapitel Kapitel 12 Digitale Übertragungstechnik II: Kanalkodierung 375 Fehlerschutz-Kodierung zur Reduzierung der Bitfehlerwahrscheinlichkeit 375 Distanz 376 Hamming-Codes und Hamming-Distanz 378 Faltungskodierung 381 Viterbi-Dekodierung 384 Hard-und Softdecision 386 Kanalkapazität 388 Aufgaben zu Kapitel

6 Inhaltsverzeichnis Seite 5 Kapitel 13 Digitale Übertragungstechnik III: Modulation 391 Tastung diskreter Zustände 394 Amplitudentastung (2-ASK) 394 Phasentastung (2-PSK) 394 Frequenztastung (2-FSK) 396 Der Signalraum 397 Die Vierphasentastung ( Quadraturphasentastung" QPSK) 400 Digitale Quadratur-Amplitudenmodulation (QAM) 403 Vielfach-Zugriff 407 Diskrete Multiträgersysteme 410 Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) 415 Coded OFDM (COFDM) und Digital Audio Broadcasting (DAB) 420 Global System for Mobile Communications (GSM) 422 Asymmetrie Digital Subscriber Line (ADSL) 422 Frequenzbandspreizung: Spread-Spectrum 425 Aufgaben zu Kapitel Literaturverzeichnis 431 Weiterführende Literatur des Springer-Verlages 432 Stichwortverzeichnis 433 /