Nachrichtentechnik: Eine Einführung für alle Studiengänge

324 Pages·2006·4.426 MB·German

by  Martin Werner (auth.)

Martin Werner
Nachrichtentechnik
Aus dem Programm
Nachrichtentechnik/Kommunikationstechnik
Telekommunikation
von D. Conrads
Operationsverstärker
von J. Federau
Kommunikationstechnik
von M. Meyer
Signalverarbeitung
von M. Meyer
Digitale Kommunikationssysteme 1 und 2
von R. Nocker
Digitale Signalverarbeitung mit MATLAB
von M. Werner
Nachrichten-Übertragungstechnik
von M. Werner
Netze, Protokolle, Schnittstellen
und Nachrichtenverkehr
von M. Werner
Signale und Systeme
von M. Werner
vieweg
Martin Werner
Nachrichtentechnik
Eine Einführung für alle Studiengänge
5., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage
Mit 235 Abbildungen und 40 Tabellen
Studium Technik
Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.ddb.de> abrufbar.
1. Auflage 1998
2., überarbeitete und erweiterte Auflage November 1999
3., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage Februar 2002
4., überarbeitete und erweiterte Auflage August 2003
5., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage Juli 2006
Alle Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlag |GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2006
Lektorat: Reinhard Dapper
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Printed in Germany
ISBN-10 3-8348-0132-1
ISBN-13 978-3-8348-0132-6
V
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 will an wichtige Aufgaben, Prinzipien und Methoden der Nachrichtentechnik
heranführen. Es eignet sich besonders für Studierende technischer Studiengänge, der Informa-
tik und des Wirtschaftsingenieurwesens, die zum Ende des Grundstudiums einen Einstieg in
die Nachrichtentechnik gewinnen wollen – weil sie noch vor der Entscheidung der Wahl ihrer
Studienrichtung stehen, oder weil sie für das „Nebenfach“ Nachrichtentechnik eine kompakte
Einführung in Grundlagen und Anwendungen suchen.
Bei der Auswahl und Darstellung der Themen wurde besonders darauf geachtet, deren Umfang
und Schwierigkeitsgrad an die Situation der Studierenden im Grundstudium anzupassen. In
diesem Sinne sind die Aufgaben zu den Abschnitten ohne lange Rechnungen zu lösen. Falls
damit auch eine solide Grundlage für ein vertiefendes Fachstudium gelegt wird, hat dieses
Buch sein Ziel erreicht.
zur 5. Auflage
War das Buch zunächst als Ergänzung zu einer zweistündigen Lehrveranstaltung im dritten
Semester gedacht, so haben zahlreiche Kommentare von Fachkollegen, viele Fragen von Stu-
dierenden und nicht zuletzt die Entwicklungen in der Nachrichtentechnik das Buch von Auf-
lage zu Auflage wachsen lassen.
Die 5. Auflage gab Gelegenheit viele kleinere Ergänzungen und kurze aktuelle Hinweise
anzubringen und die Themen teils neu zu ordnen. Dabei wurde wieder besonders darauf
geachtet, Umfang und Schwierigkeitsgrad den Anforderungen des Grundstudiums anzupassen
und den Nutzen für die Leserinnen und Leser über die Lehrveranstaltungsbegleitung hinaus zu
steigern. In diesem Sinne sind drei Neuerungen besonders hervorzuheben:
Der neue Abschnitt zur digitalen Signalverarbeitung gibt Einblicke in die digitalen Filter
und die Anwendung der schnellen Fourier-Transformation. Exemplarisch wird die MP3-
Audio-Codierung vorgestellt.
Das Thema Kanalcodierung wird mit dem neuen Abschnitt zu den in der Daten-
kommunikation praktisch allgegenwärtigen CRC-Codes abgerundet.
Aktuelle Schwerpunkte zur Mobilkommunikation setzen die neuen Abschnitten zu GPRS,
UMTS und WLAN.
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 Mai 2006 Martin Werner
VI Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1 Aufgaben und Grundbegriffe der Nachrichtentechnik..........................1
1.1 Entwicklung der Nachrichtentechnik.........................................................................1
1.2 Nachrichtentechnik und Informationstechnik.............................................................3
1.3 Nachrichtenübertragung.............................................................................................5
1.4 Telekommunikationsnetze..........................................................................................8
1.5 Digitale Signalverarbeitung......................................................................................10
1.6 Wiederholungsfragen zu Abschnitt 1.......................................................................11
2 Signale und Systeme.................................................................................12
2.1 Einführung................................................................................................................12
2.2 Klassifizierung von Signalen....................................................................................13
2.2.1 Zeitkontinuierliche und zeitdiskrete Signale.................................................13
2.2.2 Wertkontinuierliche, wertdiskrete, analoge und digitale Signale..................14
2.2.3 Periodische und aperiodische Signale...........................................................15
2.2.4 Deterministische und stochastische Signale..................................................16
2.2.5 Energie- und Leistungssignale......................................................................17
2.3 Lineare zeitinvariante Systeme.................................................................................18
2.4 Fourier-Reihen..........................................................................................................19
2.5 Periodische Quellen in RLC-Netzwerken.................................................................23
2.6 Spektrum periodischer Signale.................................................................................26
2.7 Übertragungsfunktion und Frequenzgang................................................................28
2.7.1 Übertragungsfunktion....................................................................................28
2.7.2 Frequenzgang, Dämpfung und Phase............................................................30
2.7.3 Tiefpass, Bandpass, Hochpass und Bandsperre.............................................32
2.7.4 Rechnen mit komplexer Fourier-Reihe und Frequenzgang...........................36
2.7.5 RC-Hochpass.................................................................................................37
2.8 Fourier-Transformation............................................................................................40
2.9 Filterung...................................................................................................................42
2.10 Verzerrungsfreie Übertragung..................................................................................45
2.11 Bandbreite und Zeitdauer-Bandbreite-Produkt.........................................................47
2.12 Charakterisierung von LTI-Systemen.......................................................................50
2.12.1 Impulsfunktion und Impulsantwort...............................................................50
2.12.2 Faltung..........................................................................................................55
2.13 Zusammenfassung....................................................................................................61
2.14 Aufgaben zu Abschnitt 2..........................................................................................63
3 Pulse-Code-Modulation, digitale Signalverarbeitung und Audio-
Codierung..................................................................................................67
3.1 Einführung................................................................................................................67
3.2 Digitalisierung analoger Signale...............................................................................67
3.3 Abtasttheorem...........................................................................................................68
3.4 Quantisierung...........................................................................................................69
Inhaltsverzeichnis VII
3.5 Quantisierungsgeräusch............................................................................................72
3.6 PCM in der Telefonie...............................................................................................74
3.6.1 Abschätzung der Wortlänge..........................................................................74
3.6.2 Kompandierung.............................................................................................75
3.6.3 13-Segment-Kennlinie..................................................................................76
3.7 Digitale Signalverarbeitung......................................................................................79
3.7.1 Einführung.....................................................................................................79
3.7.2 Schnelle Fourier-Transformation..................................................................80
3.7.3 Digitale Filter................................................................................................83
3.7.3.1 Simulation mit digitalen Filtern......................................................83
3.7.3.2 FIR-Filter........................................................................................84
3.7.3.3 IIR-Filter.........................................................................................87
3.8 Audio-Codierung......................................................................................................90
3.8.1 Psychoakustische Effekte..............................................................................90
3.8.2 Audio-Codierung für MPEG-1 Layer III......................................................92
3.9 Zusammenfassung....................................................................................................93
3.10 Aufgaben zu Abschnitt 3..........................................................................................94
4 Modulation eines sinusförmigen Trägers...............................................97
4.1 Einführung................................................................................................................97
4.2 Trägermodulation.....................................................................................................98
4.3 Amplitudenmodulation.............................................................................................99
4.3.1 Prinzip der Amplitudenmodulation.............................................................100
4.3.2 Modulationssatz..........................................................................................101
4.3.3 Gewöhnliche Amplitudenmodulation.........................................................101
4.3.4 Kohärente AM-Demodulation.....................................................................103
4.3.5 Inkohärente AM-Demodulation mit dem Hüllkurvendetektor....................104
4.3.6 Quadraturamplitudenmodulation.................................................................104
4.3.7 Trägerfreqeunztechnik in der Telefonie......................................................105
4.4 Frequenzmodulation...............................................................................................107
4.4.1 Modulation der Momentanfrequenz des Trägers.........................................107
4.4.2 Spektrum und Bandbreite von FM-Signalen...............................................109
4.4.2 Demodulation von FM-Signalen.................................................................112
4.5 Digitale Modulationsverfahren...............................................................................114
4.6 Zusammenfassung..................................................................................................120
4.7 Aufgaben zu Abschnitt 4........................................................................................120
5 Digitale Übertragung im Basisband......................................................122
5.1 Einführung..............................................................................................................122
5.2 RS-232-Schnittstelle...............................................................................................124
5.3 Digitale Basisbandübertragung...............................................................................127
5.4 Leitungscodierung..................................................................................................130
5.5 Störung durch Rauschen.........................................................................................132
5.6 Übertragung im Tiefpass-Kanal.............................................................................136
5.7 Matched-Filterempfänger.......................................................................................140
5.8 Nyquist-Bandbreite und Impulsformung................................................................144
VIII Inhaltsverzeichnis
5.9 Kanalkapazität........................................................................................................148
5.10 Zusammenfassung..................................................................................................152
5.11 Aufgaben zu Abschnitt 5........................................................................................153
6 Telekommunikationsnetze.....................................................................154
6.1 Einführung..............................................................................................................154
6.2 Zeitmultiplex, PDH und SDH................................................................................154
6.3 Nachrichtenübermittlung........................................................................................157
6.4 OSI-Referenzmodell...............................................................................................160
6.5 HDLC- und LAP-Protokoll....................................................................................164
6.6 ATM und Breitband-ISDN.....................................................................................169
6.7 Lokale Netze...........................................................................................................171
6.8 Protokollfamilie TCP/IP.........................................................................................173
6.9 Zusammenfassung..................................................................................................177
6.10 Wiederholungsfragen zu Abschnitt 6.....................................................................178
7 Grundbegriffe der Informationstheorie und der
Kanalcodierung.......................................................................................180
7.1 Information, Entropie und Redundanz...................................................................180
7.2 Huffman-Codierung...............................................................................................184
7.3 Kanalcodierung.......................................................................................................187
7.3.1 Paritätscodes................................................................................................187
7.3.2 Kanalcodierung zum Schutz gegen Übertragungsfehler.............................191
7.3.3 Lineare Blockcodes.....................................................................................193
7.3.4 Syndrom-Decodierung................................................................................195
7.3.5 Hamming-Distanz und Fehlerkorrekturvermögen.......................................199
7.3.6 Perfekte Codes und Hamming-Grenze........................................................200
7.3.7 Restfehlerwahrscheinlichkeit......................................................................201
7.3.8 Eigenschaften und Konstruktion der Hamming-Codes...............................204
7.3.9 CRC-Codes.................................................................................................205
7.4 Zusammenfassung..................................................................................................212
7.5 Aufgaben zu Abschnitt 7........................................................................................213
8 Mobilkommunikation.............................................................................216
8.1 Einführung..............................................................................................................216
8.2 Global System for Mobile Communications (GSM)..............................................217
8.2.1 Einführung...................................................................................................217
8.2.2 GSM-Netzarchitektur..................................................................................220
8.2.3 GSM-Funkschnittstelle................................................................................222
8.2.3.1 Funkzellen und Frequenzkanäle....................................................223
8.2.3.2 Mobilfunkübertragung..................................................................226
8.2.3.3 Logische Kanäle und Burst-Arten.................................................230
8.2.4 High Speed Circuit Switched Data (HSCSD).............................................233
8.2.5 GSM-Sicherheitsmerkmale.........................................................................233
Inhaltsverzeichnis IX
8.3 General Packet Radio Service (GPRS)...................................................................236
8.3.1 Einführung...................................................................................................236
8.3.2 Paketübertragung mit Dienstmerkmalen.....................................................237
8.3.2.1 GPRS-Dienstgüte..........................................................................237
8.3.2.2 Zugriff auf die GSM-Luftschnittstelle..........................................239
8.3.3 GPRS-Systemarchitektur............................................................................242
8.4 Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE)................................................243
8.5 Universal Mobile Telecommunication System (UMTS)........................................245
8.5.1 Einführung...................................................................................................245
8.5.2 UMTS-Dienste............................................................................................246
8.5.3 UMTS-Systemarchitektur...........................................................................247
8.5.4 UMTS-Luftschnittstelle..............................................................................249
8.5.4.1 Spreizbandtechnik mit RAKE-Empfänger....................................249
8.5.4.2 CDMA-Vielfachzugriff.................................................................251
8.5.4.3 Nah-Fern-Effekt, Leistungsregelung und Zellatmung...................254
8.5.4.4 Zellulare Funkkapazität.................................................................256
8.5.4.5 Handover.......................................................................................257
8.5.4.6 Protokollstapel der UMTS-Luftschnittstelle.................................259
8.6 Wireless Local Area Network (WLAN).................................................................261
8.6.1 Einführung...................................................................................................261
8.6.2 Mediumzugriff und Netzstrukturen.............................................................264
8.6.3 Übertragung mit OFDM..............................................................................269
8.7 Zusammenfassung..................................................................................................271
8.8 Wiederholungsfragen und Aufgaben zu Abschnitt 8..............................................272
Lösungen zu den Aufgaben...........................................................................274
Abkürzungen ..................................................................................................294
Literaturverzeichnis.......................................................................................300
Sachwortverzeichnis......................................................................................306