Einführung in NTM Roland Küng, 2013 1
Where to find the information? Skript Slides Exercises Lab https://home.zhaw.ch/~kunr/ntm.html 2
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Aufgabe beim Entwurf eines nachrichtentechnischen Systems Erzeugung und Übertragung von elektrischer Energie Übertragung und Verarbeitung von Informationen 4
Analoge Signale Analoge Signale verändern sich kontinuierlich mit der Zeit. Beispiele: Trägersignal, Sprache, Musik, Zeilensignal TV Analog signals: (a) sine wave tone. (b) voice. (c) video (TV) signal. 5
Digitale Signale Digitale Signals ändern sich in diskreten Schritten und stellen digitale (binäre) Informationen dar. Beispiel: Computerdaten, digitalisierte analoge Signale Digital signals 6
Warum Digitale Nachrichtentechnik? (unabhängig ob analoge oder digitale Quelle) Vorteile Relative kostengünstige Schaltungstechnik Verschlüsselungsmöglichkeit Grössere Störfestigkeit Übertragungsfehler korrigierbar Multiplex verschiedene Quellendaten analog Nachteile digital Benötigen in der Regel mehr Bandbreite Benötigen zusätzlich eine oder mehrere Synchronisationen 7
Top Level Blockschaltbild SW (DSP) HW (Analog) HW (Analog) SW (DSP) Zentrale Rolle des Kanal: dämpft verzögert, verzerrt, rauscht 8
Funktionales Blockschaltbild 9
Funktion der Blöcke in einem Satz Format: Bringt die Quelleninformation in Bitform Source Coding: Reduziert unnötige Information im digitalen Datenstrom Encryption: Verschlüsselt die digitalen Nachrichtensymbole Channel Coding: Fügt Redundanz hinzu um Fehlerkorrektur zu erlauben oder dient der Bandbreiten- oder Komplexitätsreduktion im Empfänger Multiplexer: Erlaubt das Einbinden mehrer Datenströme in ein Übertragungssignal Pulse Modulation: Macht aus den Bits geeignete Wellenformen (PCM, PAM) Bandpass Modulation: Bildet Wellenformen geeignet für Kanäle, welche eine pulsförmige Übertragung nicht erlauben Frequency Spread: Methoden zum Schutz gegen Störer und variablen Kanal Multiple Access: Verfahren das mehreren Teilnehmern die Benutzung eines Übertragungskanals erlaubt XMT, RCV: Front-End Sender und Empfänger, eigentliche Sende- und Empfangswandler (incl. Antenne, Laserdiode.), Architektur. Channel: Übertragungskanal Synchronisation: Ist dafür besorgt, dass Zeit und Frequenz im Empfänger mit dem Sender gleichlaufend sind. 10
NTM1 - NTM2: Aufteilung Die Elektronik dazu: ASV (2.SJ) Q Q-Codierung & Ciphering Kanal Codierung Sender- Architektur Modulation Multiple Access Übertragung & Funkkanal S Q-Dekodierung & Deciphering Kanal Decodierung Empfänger- Architektur Demodulation Informationstheorie Kanal Mehrfach-Nutzung Kanal Codierung Bsp. Moderne KT-Systeme Kryptographie NTM2 NTM1 Analoge Modulation Digitale Modulation Übertragungskanal & Funk S/E-Architekturen Synchronisation 11
Der Übertragungskanal 12
Kabelgebundener Kanal 30 100 db/km.1 Gb/s 200 db/km 100 Mb/s Dämpfung A db : X db pro km Distanz d.h. Signal nimmt pro km um gleich viele db ab Dämpfung der Leistung in Distanz d: A ~ k d A db ~ d log(k) Distanz d ist multiplikativer Faktor in A db 0.2 1 db/km.>10 Gb/s 13
Koaxiales Kabel 50 MHz: 3 5 db/100m 2.4 GHz: 80 100 db/100m Datenrate.1 Gb/s (RG-58 type) Wichtig! Multiplikativer Faktor für Dämpfung in db: X db Dämpfung pro 100 m Att* *Download: http://www.timesmicrowave.com/cable_calculators/ 14
Optische Kabel Fiber optische Kabel übertragen Lichtimpulse mit sehr wenig Dämpfung. Dämpfung 0.2 db/km Datenrate bis 40 Gb/s 15
Funk im Freiraum / Mobilfunk Bei der elektromagnetischen Ausbreitung sind Sender und Empfänger nicht verbunden und erlaubt so Mobilität Ausbreitung im Vakuum, Luft Maxwell Gleichungen Dämpfung A db : Y db pro Verdoppelung der Distanz n = 2 d.h. Signal nimmt pro Faktor 2 in d um gleich viele db ab Dämpfung der Leistung in Distanz d: A~d n A db ( ) ~n log d Distanz d ist additiver Faktor in A db n = 2 4 16
Bsp. Cassini-Huygens Mission Funk gewinnt bei grossen Distanzen gegen Kabel Saturn: d = 10 9 km Kabel: Koax: Dämpfung 30 10 9 db Fiber: Dämpfung 200 000 000 db Funk: 20 W @ 8.4 GHz Empfang mit 70 m Schüssel 0.2 fw, -127 dbm Dämpfung nur 170 db db* Femto Watt = 10-15 W *db Rechner: Download:http://designtools.analog.com/dt/dbconvert/dbconvert.html 17
Warum Schwerpunkt Funk? Schwierigster Kanal Komplexeste Modulation Aufwändigste Synchronisation Schlimmste Störsituation 18
Elektromagnetisches Spektrum Elektromagnetische Strahlung breitet sich als Welle aus Der ganze Frequenzbereich wird als das elektromagnetische Spektrum bezeichnet und nach Wellenlänge unterteilt. ELF VF VLF LF MF HF VHF UHF SHF 19
Knappe Resource: Funkkanal http://www.ntia.doc.gov/osmhome/allochrt.pdf 20
Knappe Resource: Funkkanal DECT 1890 ± 10 MHz UMTS/LTE 2110-2170 MHz GNNS 1559-1591 MHz GPS, Galileo, Beidou, Glonass UMTS/LTE 1710-1990 MHz Quelle: http://www.ntia.doc.gov/osmhome/allochrt.pdf ISM Band 2450 ± 50 MHz WiFi, BTLE, SRD 21
Funkkanal: 3 Grobbereiche Unterhalb 2 MHz: Bodenwelle, das Signal breitet sich weltweit entlang der Erdoberfläche aus. Auch Langwelle genannt. 2-30 MHz: Ionosphärische Ausbreitung, das Signal wird an der Ionosphäre (und an der Erdoberfläche) reflektiert und erlaubt ebenfalls weltweite Kommunikation. Auch Kurzwelle genannt. Über 30 MHz: Ausbreitung Sichtverbindung, geeignet für Satelliten und Kurzdistanzfunk. Auch UHF- und Mikrowellenfunk genannt. Heute meist benutzter Bereich: 800 MHz. 6 GHz 22
Ausbreitungsart Funksignale Langwelle = stabile Bodenwelle DCF 77 50 kw auf 77.5 khz Kurzwelle = globale Reichweite aber schwierigster Kanal überhaupt Radio, Seefunk, Militär, Botschaft UHF / Mikrowelle = Sichtverbindung GSM 2000 W auf 900 MHz 23
Anwendung Frequenz Bereiche Extreme low frequency (ELF) 30 bis 300 Hz. Voice frequency (VF) 300 bis 3000 Hz. Spektrum der menschlichen Sprache Very low frequency (VLF) 3 bis 30 khz. Kommunikation mit U-Boten. ELF VF VLF 24
Anwendung Frequenz Bereiche Low frequency (LF) 30 bis 300 khz. Bodenwelle. Weit- Distanz Navigation und Zeitzeichen Medium frequency (MF) 300 bis 3000 khz. Bodenwelle/ Ionosphäre. Weitdistanz Kommunikation und Radio. High frequency (HF) 3 bis 30 MHz. Ionosphäre. Kurzwelle. Welt umspannende Kommunikation / Radio LF MF HF 25
Anwendung Frequenz Bereiche Very high frequency (VHF) 30 bis 300 MHz. Funksysteme, Militär und UKW Radio Ultra high frequency (UHF) 300 bis 3000 MHz Sichtverbindung. TV, Mobilfunk, WLAN, GPS, RFID Super high frequency (SHF) 3 to 30 GHz. Mikrowelle. Sichtverbindung. WLAN, Satellitenfunk, Richtstrahl, Radar, ITS Verkehr VHF UHF SHF 26