Nachrichtentechnik: Ein Einführung für alle Studiengänge

373 Pages·2009·3.039 MB·German

by  Martin Werner (auth.)

Martin Werner
Nachrichtentechnik
Aus dem Programm Nachrichtentechnik
Einführung in die Systemtheorie
von B. Girod, R. Rabenstein und A. Stenger
Information und Kommunikation
von M. Hufschmid
Nachrichtenübertragung
von K. D. Kammeyer
Digitale Signalverarbeitung
von K. D. Kammeyer und K. Kroschel
Grundlagen der Informationstechnik
von M. Meyer
Kommunikationstechnik
von M. Meyer
Signalverarbeitung
von M. Meyer
Digitale Kommunikationssysteme 1 und 2
von R. Nocker
Signale und Systeme
von R. Scheithauer
Digitale Sprachsignalverarbeitung
von P. Vary, U. Heute und W. Hess
Mobilfunknetze und ihre Protokolle 1 und 2
von B. Walke
Grundlagen der Kommunikationstechnik
von H. Weidenfeller
Information und Codierung
von M. Werner
Digitale Signalverarbeitung mit MATLAB®
von M. Werner
Digitale Signalverarbeitung mit MATLAB®-Praktikum
von M. Werner
Nachrichten-Übertragungstechnik
von M. Werner
Signale und Systeme
von M. Werner
Digitale Audiosignalverarbeitung
von U. Zölzer
www.viewegteubner.de
Martin Werner
Nachrichtentechnik
Eine Einführung für alle Studiengänge
6., verbesserte Auflage
Mit 235 Abbildungen und 40 Tabellen
STUDIUM
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<http://dnb.d-nb.de> abrufbar.
1. Auflage 1998
2., überarbeitete und erweiterte Auflage 1999
3., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage 2002
4., überarbeitete und erweiterte Auflage 2003
5., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage 2006
6., verbesserte Auflage 2009
Alle Rechte vorbehalten
© Vieweg+Teubner|GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2009
Lektorat: Reinhard Dapper | Andrea Broßler
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von jedermann benutzt werden dürften.
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Druck und buchbinderische Verarbeitung: Krips b.v., Meppel
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
Printed in the Netherlands
ISBN 978-3-8348-0456-3
V

Zum Andenken an
Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult. Hans-Wilhelm Schüßler
„Die Aufgabe der Nachrichtenübertragung wird bei vordergründiger Betrachtung durch
dieses Wort selbst hinreichend beschrieben. Es geht eben darum, Nachrichten zu übertragen.
Etwas schwieriger wird es, wenn wir fragen, was Nachrichten eigentlich sind, eine Frage, die
nur scheinbar trivial ist.“
Die Technik der Nachrichtenübertragung: gestern – heute – morgen
Festvortrag aus Anlass des 238. Gründungstages der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
4. November 1981
VII

Vorwort
In der Informationsgesellschaft kommt der (elektrischen) Nachrichtentechnik mit ihren Auf-
gabenfeldern der Darstellung, der Übertragung, der Vermittlung und der Verarbeitung von
Information in elektronischer Form eine Schlüsselrolle zu.
Dieses Buch führt an wichtige Aufgaben, Prinzipien und Methoden der Nachrichtentechnik
heran. Es eignet sich besonders für Studierende technischer Studiengänge, der Informatik und
des Wirtschaftsingenieurwesens, die einen Einstieg in die Nachrichtentechnik gewinnen
wollen. Bei der Auswahl und der Darstellung der Themen wurde besonders darauf geachtet,
den Umfang und den Schwierigkeitsgrad des Buches den Studierenden im Grundstudium anzu-
passen. In diesem Sinne sind auch die Wiederholungsfragen und Aufgaben zu den Abschnitten
ohne lange Rechnungen zu lösen.
War das Buch zunächst als Ergänzung zu einer zweistündigen Lehrveranstaltung im 3. Semes-
ter an der Hochschule Fulda gedacht, so haben zahlreiche Kommentare von Fachkollegen,
viele Fragen von Studierenden und nicht zuletzt neue Entwicklungen der Nachrichtentechnik
das Buch von Auflage zu Auflage wachsen lassen. Ziel dabei war stets den einführenden
Charakter mit einer soliden Grundlage für ein vertiefendes Fachstudium zu verbinden.
Heute ist die Nachrichtentechnik vielfältiger den je (cid:2) man denke nur an die Flut von Produkten
für die mit Hinweisen auf die Funkstandards Bluetooth, IEEE 802.11, GSM, GPRS, HSDPA,
UMTS, WiMAX, ZigBee usw. geworben wird. Dementsprechend hat auch die Vielfalt und
Komplexität des benötigten Fachwissens zugenommen.
Mit der 6. Auflage habe ich gerne die Gelegenheit ergriffen, viele Ergänzungen und aktuelle
Hinweise anzubringen und das in den letzten Jahren in den Mittelpunkt gerückte Thema
OFDM ausführlicher vorzustellen.
Allen, die das Buch durch ihr Interesse und ihre Anregungen begleitet haben, herzlichen Dank.
Vielen Dank an den Verlag für die gute Zusammenarbeit und stete Bereitschaft die Ent-
wicklungen des Buches mit zu tragen.

Fulda, im Dezember 2008 Martin Werner
IX
Inhaltsverzeichnis
1 Aufgaben und Grundbegriffe der Nachrichtentechnik.................................................1
1.1 Entwicklung der Nachrichtentechnik.........................................................................1
1.2 Nachrichtentechnik, Informationstechnik und Telekommunikation..........................3
1.3 Nachrichtenübertragung.............................................................................................6
1.4 Telekommunikationsnetze..........................................................................................8
1.5 Digitale Signalverarbeitung......................................................................................11
1.6 Wiederholungsfragen zu Abschnitt 1.......................................................................12
2 Signale und Systeme.......................................................................................................13
2.1 Einführung................................................................................................................13
2.2 Klassifizierung von Signalen....................................................................................14
2.2.1 Zeitkontinuierliche und zeitdiskrete Signale.................................................14
2.2.2 Wertkontinuierliche, wertdiskrete, analoge und digitale Signale..................15
2.2.3 Periodische und aperiodische Signale...........................................................16
2.2.4 Deterministische und stochastische Signale..................................................17
2.2.5 Energie- und Leistungssignale......................................................................18
2.3 Lineare zeitinvariante Systeme.................................................................................19
2.4 Fourier-Reihen..........................................................................................................21
2.5 Periodische Quellen in RLC-Netzwerken.................................................................24
2.6 Spektrum periodischer Signale.................................................................................28
2.7 Übertragungsfunktion und Frequenzgang................................................................30
2.7.1 Übertragungsfunktion....................................................................................30
2.7.2 Frequenzgang, Dämpfung und Phase............................................................31
2.7.3 Tiefpass, Bandpass, Hochpass und Bandsperre.............................................34
2.7.4 Rechnen mit komplexer Fourier-Reihe und Frequenzgang...........................38
2.7.5 RC-Hochpass.................................................................................................39
2.8 Fourier-Transformation............................................................................................44
2.9 Filterung...................................................................................................................46
2.10 Verzerrungsfreie Übertragung..................................................................................49
2.11 Bandbreite und Zeitdauer-Bandbreite-Produkt.........................................................51
2.12 Charakterisierung von LTI-Systemen.......................................................................54
2.12.1 Impulsfunktion und Impulsantwort...............................................................54
2.12.2 Faltung..........................................................................................................60
2.13 Zusammenfassung....................................................................................................65
2.14 Aufgaben zu Abschnitt 2..........................................................................................68
3 Pulse-Code-Modulation, digitale Signalverarbeitung und Audio-Codierung...........72
3.1 Einführung................................................................................................................72
3.2 Digitalisierung analoger Signale...............................................................................72
3.3 Abtasttheorem...........................................................................................................73
3.4 Quantisierung...........................................................................................................75
3.5 Quantisierungsgeräusch............................................................................................77
X
3.6 PCM in der Telefonie...............................................................................................80
3.6.1 Abschätzung der Wortlänge..........................................................................80
3.6.2 Kompandierung.............................................................................................81
3.6.3 13-Segment-Kennlinie..................................................................................82
3.7 Digitale Signalverarbeitung......................................................................................85
3.7.1 Einführung.....................................................................................................85
3.7.2 Schnelle Fourier-Transformation..................................................................86
3.7.3 Digitale Filter................................................................................................92
3.7.3.1 Simulation mit digitalen Filtern......................................................92
3.7.3.2 FIR-Filter........................................................................................93
3.7.3.3 IIR-Filter.........................................................................................96
3.8 Audio-Codierung......................................................................................................99
3.8.1 Psychoakustische Effekte............................................................................100
3.8.2 Audio-Codierung für MPEG-1 Layer III....................................................101
3.8.3 HE-AAC Codec..........................................................................................103
3.9 Zusammenfassung..................................................................................................105
3.10 Aufgaben zu Abschnitt 3........................................................................................105
4 Modulation eines sinusförmigen Trägers....................................................................108
4.1 Einführung..............................................................................................................108
4.2 Trägermodulation...................................................................................................109
4.3 Amplitudenmodulation...........................................................................................111
4.3.1 Prinzip der Amplitudenmodulation.............................................................111
4.3.2 Modulationssatz..........................................................................................112
4.3.3 Gewöhnliche Amplitudenmodulation.........................................................113
4.3.4 Kohärente AM-Demodulation.....................................................................115
4.3.5 Inkohärente AM-Demodulation mit dem Hüllkurvendetektor....................116
4.3.6 Quadraturamplitudenmodulation.................................................................116
4.3.7 Trägerfreqeunztechnik in der Telefonie......................................................117
4.4 Frequenzmodulation...............................................................................................119
4.4.1 Modulation der Momentanfrequenz des Trägers.........................................119
4.4.2 Spektrum und Bandbreite von FM-Signalen...............................................122
4.4.2 Demodulation von FM-Signalen.................................................................125
4.5 Digitale Modulationsverfahren...............................................................................127
4.5.1 Binäre Modulationsverfahren......................................................................127
4.5.2 Mehrstufige Modulationsverfahren.............................................................130
4.5.3 Orthogonal Frequency Division Multiplexing............................................136
4.6 Zusammenfassung..................................................................................................144
4.7 Aufgaben zu Abschnitt 4........................................................................................144
5 Digitale Übertragung im Basisband............................................................................147
5.1 Einführung..............................................................................................................147
5.2 RS-232-Schnittstelle...............................................................................................150
5.3 Digitale Basisbandübertragung...............................................................................152
5.4 Leitungscodierung..................................................................................................156
5.5 Störung durch Rauschen.........................................................................................158
XI
5.6 Übertragung im Tiefpass-Kanal.............................................................................162
5.7 Matched-Filterempfänger.......................................................................................166
5.8 Nyquist-Bandbreite und Impulsformung................................................................170
5.9 Kanalkapazität........................................................................................................175
5.10 Digitaler Teilnehmeranschluss...............................................................................176
5.11 Zusammenfassung..................................................................................................180
5.12 Aufgaben zu Abschnitt 5........................................................................................182
6 Telekommunikationsnetze............................................................................................183
6.1 Einführung..............................................................................................................183
6.2 Zeitmultiplex, PDH und SDH................................................................................183
6.3 Nachrichtenübermittlung........................................................................................186
6.4 OSI-Referenzmodell...............................................................................................189
6.5 HDLC- und LAP-Protokoll....................................................................................194
6.6 ATM und Breitband-ISDN.....................................................................................198
6.7 Lokale Netze...........................................................................................................202
6.8 Protokollfamilie TCP/IP.........................................................................................204
6.9 Zusammenfassung..................................................................................................209
6.10 Wiederholungsfragen zu Abschnitt 6.....................................................................210
7 Grundbegriffe der Informationstheorie und der Kanalcodierung...........................212
7.1 Information, Entropie und Redundanz...................................................................212
7.2 Huffman-Codierung...............................................................................................216
7.3 Kanalcodierung.......................................................................................................220
7.3.1 Paritätscodes................................................................................................220
7.3.2 Kanalcodierung zum Schutz gegen Übertragungsfehler.............................224
7.3.3 Lineare Blockcodes.....................................................................................226
7.3.4 Syndrom-Decodierung................................................................................227
7.3.5 Hamming-Distanz und Fehlerkorrekturvermögen.......................................231
7.3.6 Perfekte Codes und Hamming-Grenze........................................................233
7.3.7 Restfehlerwahrscheinlichkeit......................................................................234
7.3.8 Eigenschaften und Konstruktion der Hamming-Codes...............................237
7.3.9 CRC-Codes.................................................................................................238
7.4 Zusammenfassung..................................................................................................248
7.5 Aufgaben zu Abschnitt 7........................................................................................249
8 Mobilkommunikation...................................................................................................252
8.1 Einführung..............................................................................................................252
8.2 Global System for Mobile Communications (GSM)..............................................253
8.2.1 Einführung...................................................................................................253
8.2.2 GSM-Netzarchitektur..................................................................................256
8.2.3 GSM-Funkschnittstelle................................................................................258
8.2.3.1 Funkzellen und Frequenzkanäle....................................................259
8.2.3.2 Mobilfunkübertragung..................................................................262
8.2.3.3 Logische Kanäle und Burst-Arten.................................................267
8.2.4 High Speed Circuit Switched Data (HSCSD).............................................270
XII
8.2.5 GSM-Sicherheitsmerkmale.........................................................................270
8.3 General Packet Radio Service (GPRS)...................................................................273
8.3.1 Einführung...................................................................................................273
8.3.2 Paketübertragung mit Dienstmerkmalen.....................................................274
8.3.2.1 GPRS-Dienstgüte..........................................................................274
8.3.2.2 Zugriff auf die GSM-Luftschnittstelle..........................................276
8.3.3 GPRS-Systemarchitektur............................................................................279
8.4 Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE)................................................281
8.5 Universal Mobile Telecommunication System (UMTS)........................................282
8.5.1 Einführung...................................................................................................282
8.5.2 UMTS-Dienste............................................................................................283
8.5.3 UMTS-Systemarchitektur...........................................................................284
8.5.4 UMTS-Luftschnittstelle..............................................................................286
8.5.4.1 Spreizbandtechnik mit RAKE-Empfänger....................................287
8.5.4.2 CDMA-Vielfachzugriff.................................................................289
8.5.4.3 Nah-Fern-Effekt, Leistungsregelung und Zellatmung...................292
8.5.4.4 Zellulare Funkkapazität.................................................................294
8.5.4.5 Handover.......................................................................................295
8.5.4.6 Protokollstapel für die UMTS-Luftschnittstelle............................296
8.5.5 High-Speed Packet Access (HSPA)............................................................299
8.6 Wireless Local Area Network (WLAN).................................................................301
8.6.1 Einführung...................................................................................................301
8.6.2 Zugriff auf die Luftschnittstelle und Netzstrukturen...................................304
8.6.3 WLAN-Übertragung mit OFDM.................................................................309
8.7 Zusammenfassung..................................................................................................312
8.8 Aufgaben zu Abschnitt 8........................................................................................314
Lösungen zu den Aufgaben..........................................................................................316
Abkürzungen.................................................................................................................340
Literaturverzeichnis.....................................................................................................348
Sachwortverzeichnis.....................................................................................................356