Nachrichtentechnik: Eine Einfuhrung fur alle Studiengange

406 Pages·2010·4.871 MB·German

by  Martin Werner (auth.)

Martin Werner
Nachrichtentechnik
Martin Werner
Nachrichtentechnik
Eine Einführung für alle Studiengänge
7., erweiterte und aktualisierte Auflage
Mit 284 Abbildungen und 47 Tabellen
STUDIUM
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der
Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über
<http://dnb.d-nb.de> abrufbar.
1. Auflage 1998
2. Auflage 1999
3. Auflage 2002
4. Auflage 2003
5. Auflage 2006
6. Auflage 2009
7., erweiterte und aktualisierte Auflage 2010
Alle Rechte vorbehalten
© Vieweg+Teubner Verlag | Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2010
Lektorat: Reinhard Dapper | Walburga Himmel
Vieweg+Teubner Verlag ist eine Marke von Springer Fachmedien.
Springer Fachmedien ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media.
www.viewegteubner.de
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich ge schützt. Jede
Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Ur heber rechts ge set zes ist ohne
Zustimmung des Verlags unzuläss ig und strafb ar. Das gilt insb es ondere für
Vervielfältigungen, Über setzun gen, Mikro verfil mungen und die Ein speiche rung
und Ver ar beitung in elek tro nischen Syste men.
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk
berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im
Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher
von jedermann benutzt werden dürften.
Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg
Druck und buchbinderische Verarbeitung: MercedesDruck, Berlin
Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
Printed in Germany
ISBN 978-3-8348-0905-6
ZumAndenkenan
Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult. Hans-Wilhelm Schüßler
„DieAufgabederNachrichtenübertragungwirdbeivordergründigerBetrachtungdurch
diesesWortselbsthinreichendbeschrieben.Esgehtebendarum,Nachrichtenzuübertragen.
Etwasschwierigerwirdes,wennwirfragen,wasNachrichteneigentlichsind,eineFrage,die
nurscheinbartrivialist.“
DieTechnikderNachrichtenübertragung:gestern–heute–morgen
FestvortragausAnlassdes238.GründungstagesderFriedrich-Alexander-UniversitätErlangen-Nürnberg
4.November1981
VII
Vorwort
In der Informationsgesellschaft kommt der (elektrischen) Nachrichtentechnik mit ihren Auf-
gabenfeldern der Darstellung, der Übertragung, der Vermittlung und der Verarbeitung von
InformationinelektronischerFormeineSchlüsselrollezu.
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,
denUmfangunddenSchwierigkeitsgraddesBuchesdenStudierendenimGrundstudiumanzu-
passen.IndiesemSinnesindauchdieWiederholungsfragenundAufgabenzudenAbschnitten
ohnelangeRechnungenzulösen.
WardasBuchzunächstalsErgänzungzueinerzweistündigenLehrveranstaltungim3.Semes-
ter an der Hochschule Fulda gedacht, so haben zahlreiche Kommentare von Fachkollegen,
viele Fragen von Studierenden und nicht zuletzt neue Entwicklungen der Nachrichtentechnik
dasBuchvonAuflagezuAuflagewachsenlassen.
In die 7. Auflage habe ich gerne Ergänzungen und aktuelle Hinweise eingearbeitet. Der neue
Abschnitt zur optischen Nachrichtentechnik gibt Einblicke in die Technik, die den globalen
Austausch über das Internet für alle erst ermöglicht hat. Unter dem Schlagwort Fiber-to-the-
home (FTTH) werden Bestrebungen zusammengefasst, Lichtwellenleiter bis zu den Wohnun-
genderTeilnehmerzubringen–denbreitbandigenInternetanschluss.
Bei allen Überarbeitungen und Ergänzungen zur neuen Auflage wurde wieder besonderes
Augenmerk darauf gelegt, den einführenden Charakter mit einer soliden Grundlage für ein
vertiefendesFachstudiumzuverbinden.
Allen,diedasBuchdurchihrInteresseundihreAnregungenbegleitethaben,herzlichenDank.
Vielen Dank an den Verlag für die gute Zusammenarbeit und stete Bereitschaft die Ent-
wicklungendesBuchesmitzutragen.
Fulda,imJuli2010 MartinWerner
IX
Inhaltsverzeichnis
1 AufgabenundGrundbegriffederNachrichtentechnik.................................................1
1.1 EntwicklungderNachrichtentechnik.........................................................................2
1.2 Nachrichtentechnik, InformationstechnikundTelekommunikation..........................4
1.3 Nachrichtenübertragung.............................................................................................7
1.4 Telekommunikationsnetze........................................................................................10
1.5 DigitaleSignalverarbeitung......................................................................................13
1.6 Zusammenfassung....................................................................................................14
1.7 WiederholungsfragenzuAbschnitt1.......................................................................14
2 SignaleundSysteme.......................................................................................................15
2.1 KlassifizierungvonSignalen....................................................................................16
2.1.1 ZeitkontinuierlicheundzeitdiskreteSignale.................................................16
2.1.2 Wertkontinuierliche,wertdiskrete,analogeunddigitaleSignale..................17
2.1.3 PeriodischeundaperiodischeSignale...........................................................18
2.1.4 DeterministischeundstochastischeSignale..................................................19
2.1.5 Energie-undLeistungssignale......................................................................20
2.2 RLC-Netzwerke........................................................................................................21
2.3 LinearezeitinvarianteSysteme.................................................................................25
2.4 Fourierreihen............................................................................................................27
2.5 PeriodischeQuelleninRLC-Netzwerken.................................................................31
2.6 SpektrumperiodischerSignale.................................................................................34
2.7 ÜbertragungsfunktionundFrequenzgang................................................................36
2.7.1 Übertragungsfunktion....................................................................................36
2.7.2 Frequenzgang,DämpfungundPhase............................................................38
2.7.3 Tiefpass,Bandpass,HochpassundBandsperre.............................................40
2.7.4 RechnenmitkomplexerFourierreiheundFrequenzgang.............................44
2.7.5 RC-Hochpass.................................................................................................45
2.8 Fouriertransformation...............................................................................................49
2.9 Filterung...................................................................................................................52
2.10 VerzerrungsfreieÜbertragung..................................................................................54
2.11 BandbreiteundZeitdauer-Bandbreite-Produkt.........................................................57
2.12 CharakterisierungvonLTI-Systemen.......................................................................59
2.12.1 ImpulsfunktionundImpulsantwort...............................................................59
2.12.2 Faltung..........................................................................................................64
2.13 Zusammenfassung....................................................................................................70
2.14 AufgabenzuAbschnitt2..........................................................................................72
3 Pulse-Code-Modulation,digitaleSignalverarbeitungundAudiocodierung..............76
3.1 DigitalisierunganalogerSignale...............................................................................76
3.2 Abtasttheorem...........................................................................................................77
X
3.3 Quantisierung...........................................................................................................79
3.4 Quantisierungsgeräusch............................................................................................81
3.5 PCMinderTelefonie...............................................................................................84
3.5.1 AbschätzungderWortlänge..........................................................................84
3.5.2 Kompandierung.............................................................................................85
3.5.3 13-Segment-Kennlinie..................................................................................86
3.6 DigitaleSignalverarbeitung......................................................................................89
3.6.1 SchnelleFouriertransformation.....................................................................90
3.6.2 DigitaleFilter................................................................................................96
3.6.2.1 SimulationmitdigitalenFiltern......................................................96
3.6.2.2 FIR-Filter........................................................................................97
3.6.2.3 IIR-Filter.......................................................................................100
3.7 Audiocodierung......................................................................................................103
3.7.1 PsychoakustischeEffekte............................................................................104
3.7.2 AudiocodierungfürMPEG-1LayerIII.......................................................105
3.7.3 HE-AACCodec..........................................................................................107
3.8 Zusammenfassung..................................................................................................109
3.9 AufgabenzuAbschnitt3........................................................................................109
4 ModulationeinessinusförmigenTrägers....................................................................112
4.1 Trägermodulation...................................................................................................113
4.2 Amplitudenmodulation(AM).................................................................................115
4.2.1 PrinzipderAmplitudenmodulation.............................................................115
4.2.2 Modulationssatz..........................................................................................116
4.2.3 GewöhnlicheAmplitudenmodulation.........................................................117
4.2.4 KohärenteAM-Demodulation.....................................................................119
4.2.5 InkohärenteAM-DemodulationmitdemHüllkurvendetektor....................119
4.2.6 Quadraturamplitudenmodulation(QAM)....................................................120
4.2.7 TrägerfrequenztechnikinderTelefonie......................................................121
4.3 Frequenzmodulation(FM)......................................................................................123
4.3.1 ModulationderMomentanfrequenzdesTrägers.........................................123
4.3.2 SpektrumundBandbreitevonFM-Signalen...............................................125
4.3.3 DemodulationvonFM-Signalen.................................................................128
4.4 DigitaleModulationsverfahren...............................................................................130
4.4.1 BinäreModulationsverfahren......................................................................131
4.4.2 MehrstufigeModulationsverfahren.............................................................134
4.4.3 OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing(OFDM).............................140
4.5 Zusammenfassung..................................................................................................148
4.6 AufgabenzuAbschnitt4........................................................................................149
5 DigitaleÜbertragungimBasisband............................................................................151
5.1 Grundbegriffe.........................................................................................................151
5.2 RS-232-Schnittstelle...............................................................................................154
5.3 DigitaleBasisbandübertragung...............................................................................157
5.4 Leitungscodierung..................................................................................................160
5.5 StörungdurchRauschen.........................................................................................162
XI
5.6 ÜbertragungimTiefpasskanal................................................................................166
5.7 Matched-Filterempfänger.......................................................................................170
5.8 Nyquist-BandbreiteundImpulsformung................................................................174
5.9 Kanalkapazität........................................................................................................179
5.10 DigitalerTeilnehmeranschluss...............................................................................180
5.11 Zusammenfassung..................................................................................................184
5.12 AufgabenzuAbschnitt5........................................................................................186
6 Telekommunikationsnetze............................................................................................187
6.1 Zeitmultiplex,PDHundSDH................................................................................187
6.2 Nachrichtenübermittlung........................................................................................190
6.3 OSI-Referenzmodell...............................................................................................193
6.4 HDLC-undLAP-Protokoll....................................................................................198
6.5 ATMundBreitband-ISDN.....................................................................................202
6.6 LokaleNetze...........................................................................................................205
6.7 ProtokollfamilieTCP/IP.........................................................................................208
6.8 Zusammenfassung..................................................................................................212
6.9 WiederholungsfragenzuAbschnitt6.....................................................................214
7 OptischeNachrichtentechnik.......................................................................................216
7.1 Lichtwellenleiter.....................................................................................................218
7.2 OptischeSender,EmpfängerundVerstärker.........................................................228
7.3 OptischeÜbertragungssysteme..............................................................................236
7.4 WiederholungsfragenzuAbschnitt7.....................................................................241
8 GrundbegriffederInformationstheorieundderKanalcodierung...........................242
8.1 Information,EntropieundRedundanz...................................................................242
8.2 Huffman-Codierung...............................................................................................246
8.3 Kanalcodierung.......................................................................................................250
8.3.1 Paritätscodes................................................................................................250
8.3.2 KanalcodierungzumSchutzgegenÜbertragungsfehler.............................254
8.3.3 LineareBlockcodes.....................................................................................256
8.3.4 Syndromdecodierung..................................................................................257
8.3.5 Hamming-DistanzundFehlerkorrekturvermögen.......................................261
8.3.6 PerfekteCodesundHamming-Grenze........................................................263
8.3.7 Restfehlerwahrscheinlichkeit......................................................................264
8.3.8 EigenschaftenundKonstruktionderHamming-Codes...............................267
8.3.9 CRC-Codes.................................................................................................268
8.4 Zusammenfassung..................................................................................................278
8.5 AufgabenzuAbschnitt8........................................................................................279
9 Mobilkommunikation...................................................................................................282
9.1 GlobalSystemforMobileCommunications(GSM)..............................................283
9.1.1 Mobilkommunikationfürjedermann..........................................................283
9.1.2 GSM-Netzarchitektur..................................................................................287
9.1.3 GSM-Funkschnittstelle................................................................................289
XII
9.1.3.1 FunkzellenundFrequenzkanäle....................................................289
9.1.3.2 Mobilfunkübertragung..................................................................292
9.1.3.3 LogischeKanäleundBurst-Arten.................................................297
9.1.4 HighSpeedCircuitSwitchedData(HSCSD).............................................300
9.1.5 GSM-Sicherheitsmerkmale.........................................................................301
9.2 GeneralPacketRadioService(GPRS)...................................................................304
9.2.1 PaketübertragungmitDienstmerkmalen.....................................................304
9.2.1.1 GPRS-Dienstgüte..........................................................................305
9.2.1.2 ZugriffaufdieGSM-Luftschnittstelle..........................................307
9.2.2 GPRS-Systemarchitektur............................................................................309
9.3 EnhancedDataRatesforGSMEvolution(EDGE)................................................311
9.4 UniversalMobileTelecommunicationSystem(UMTS)........................................313
9.4.1 UMTS-Dienste............................................................................................314
9.4.2 UMTS-Systemarchitektur...........................................................................315
9.4.3 UMTS-Luftschnittstelle..............................................................................317
9.4.3.1 SpreizbandtechnikmitRake-Empfänger.......................................317
9.4.3.2 CDMA-Vielfachzugriff.................................................................319
9.4.3.3 Nah-Fern-Effekt,LeistungsregelungundZellatmung...................322
9.4.3.4 ZellulareFunkkapazität.................................................................324
9.4.3.5 Handover.......................................................................................325
9.4.3.6 ProtokollstapelfürdieUMTS-Luftschnittstelle............................327
9.4.4 High-SpeedPacketAccess(HSPA)............................................................329
9.5 WirelessLocalAreaNetwork(WLAN).................................................................331
9.5.1 WLAN-EmpfehlungIEEE802.11..............................................................331
9.5.2 ZugriffaufdieLuftschnittstelleundNetzstrukturen...................................334
9.5.3 WLAN-ÜbertragungmitOFDM.................................................................339
9.6 Zusammenfassung..................................................................................................342
9.7 AufgabenzuAbschnitt9........................................................................................344
LösungenzudenAufgaben..........................................................................................346
AbkürzungenundFormelzeichen...............................................................................371
Literaturverzeichnis.....................................................................................................381
Sachwortverzeichnis.....................................................................................................389
1
1 Aufgaben und Grundbegriffe der
Nachrichtentechnik
Fernseher,Radio,MP3-Player,Handy,PCundInternet(cid:16)ohnedieNachrichtentechnikgäbees
diemoderneWeltnicht.
Was ist die Nachrichtentechnik nun eigentlich? Beginnen wir zunächst mit dem Wort selbst,
dasausNachrichtundTechnikzusammengesetztist.
DasWortTechnikstammtausdemaltgriechischen((cid:306)(cid:529)(cid:548)(cid:542)(cid:536),[téchne])undstehtfürKunst(fertig-
keit). Es umfasst nicht nur Gegenstände sondern auch deren Entstehung und Verwendung im
sozialen Kontext. Technik ist eine Kulturleistung, auf die wir Menschen stolz sein dürfen, die
aber stets auch kritisch hinterfragt werden muss. Dies gilt besonders für die Nachrichten-
technik,diesichmitNachrichten,also„Mitteilungennachdenenmansichrichtet“befasst.
Folgt man dem auf Francis Bacon ((cid:13)1561,†1626) zurückgeführten geflügelten Ausspruch
„WissenistMacht“,berührtdieNachrichtentechnikdenKernvonGesellschaft,Wirtschaftund
Politik. Rundfunk, Fernsehen und seit einigen Jahren das Internet hinterlassen nachhaltig
SpureninderGesellschaft.
Heute wird statt des Begriffs Nachricht meist synonym Information, lateinisch Informatio für
Darlegung und Deutung, verwendet, was unmittelbar die Brücke schlägt zur Informations-
technik,Informationsgesellschaft,usw.
Die allgemeinen Überlegungen führen auf eine breite Definition: Nachrichtentechnik ist die
Gesamtheit aller Technik zur Darstellung, Verarbeitung, Übertragung und Vermittlung von
Nachrichten.
Die Nachrichtentechnik versteht sich als eine moderne ingenieurwissenschaftliche Disziplin.
SiebautaufnaturwissenschaftlichenErkenntnissenundMethodenaufundbefasstsichmitder
systematischenEntwicklung,derindustriellen Herstellung und demordnungsgemäßen Betrieb
komplexer nachrichtentechnischer Systeme. Durch Forschung unterstützt sie die innovative
Weiterentwicklung bestehender Systeme, die Konstruktion neuer Systeme und die Erschlie-
ßungneuerAnwendungsgebiete.
Anmerkung:TechnikkannalsdasErgebnisdermenschlichenAnstrengungengesehenwerden,mitnatur-
wissenschaftlichenErkenntnissenundMethodendienatürlichenGrenzendesMenschenzuerweitern.Die
Betonung liegt hierbei in den naturwissenschaftlichen Erkenntnissen und Methoden. Die ingenieur-
wissenschaftliche Vorgehensweise zeichnet sich gerade deshalb nicht durch Basteln und Erfinden aus,
obwohlsichvieleIngenieureauchalskreativeProblemlösererweisen.UmdenUnterschieddeutlichher-
vorzuheben, unterscheidet man deshalb zwischen der Idee und ihrer Umsetzung durch die Begriffe
Invention,lateinischfürEinfall,ErfindungundInnovation,lateinischfürErneuerung.
Der allgemeine naturwissenschaftlich-technische Fortschritt hat zu immer mehr Wissen und
komplexeren Systemlösungen geführt, die eine fachliche Spezialisierung erfordern. Da es in
dermodernenWissenschaftsgesellschaftstetsauchumInformationsverarbeitunggeht,stelltdie
Nachrichtentechnik heute eine selbstverständliche Basistechnologie dar, die deshalb oft keiner
Erwähnung mehr bedarf. Um einer greifbaren Antwort näher zu kommen, was Nachrichten-
technik eigentlich ist, ist es nützlich, zwischen einem Kernbereich und dem darüber hinaus
gehendenBereichinterdisziplinärerAnwendungenzuunterscheiden.
M. Werner, Nachrichtentechnik, DOI 10.1007/978-3-8348-9742-8_1,
© Vieweg+Teubner Verlag | Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2010