Nachrichtenübertragungstechnik: Analoge und digitale Verfahren mit modernen Anwendungen

322 Pages·2006·16.12 MB·German

by  Martin Werner

Martin Werner
Nachrichten-
Ubertragungstechnik
Aus dem Programm _
Informationstechnik
Operationsverstarker
von J. Federau
Telekommunikation
von D. Conrads
Kommunikationstechnik
von M. Meyer
Signalverarbeitung
von M. Meyer
Digitale Kommunikationssysteme 1
von R. Nocker
Antennen und Strahlungsfelder
von K. Kark
Nachrichtentechnik
von M. Werner
Digitale Signalverarbeitung mit MATLAB
von M.Werner
Signale und Systeme
von M. Werner
Satellitenortung und Navigation
von W. Mansfeld
vieweg
Martin Werner
Nachrichten-
Ubertragungs-
technik
Analoge und digitale Verfahren
mit modernen Anwendungen
Mit 269 Abbildungen und 40 Tabellen
Herausgegeben von Otto Mildenberger
EQ
Studium Technik vieweg
Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet uber <http://dnb.ddb.de> abrufbar.
Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Otto Mildenberger \ehrte an der Fachhochschule Wiesbaden in den
Fachbereichen Elektrotechnik und Informatik.
1. Auflage Februar 2006
Alle Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2006
Lektorat: Reinhard Dapper
Der Vieweg Verlag ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media.
www.vieweg.de
Das Werk einschlieBlich aller seiner Telle ist urheberrechthch geschiitzt. lede
Verwertung auBerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist
ohne Zustimmung des Verlags unzulassig und strafbar. Das gilt insbesondere
fiir Vervielfaltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspei-
cherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, www.CorporateDesignGroup.de
Technische Redaktion: Andreas MeiBner, Wiesbaden
Druck und buchbinderische Verarbeitung: Wilhelm & Adam, Heusenstamm
Gedruckt auf saurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
Printed in Germany
ISBN 3-528-04126-9
Vorwort
Seit fast zehn Jahren biete ich an der Fachhochschule Fulda die sechsstiindige Lehrveranstal-
tung Nachrichteniibertragung an. Sie richtet sich an Studierende der Elektrotechnik und Infor-
mationstechnik im sechsten Fachsemester. Aus dem Wunsch der Studierenden nach
• kompakter Darstellung der Grundlagen,
• aktuellen und praxisnahen Themen
• und typischen und voUstandig gelosten Ubungsaufgaben
sind schlieBlich zwei Biicher entstanden: Netze, Protokolle, Schnittstellen und Nachrichtenver-
kehr sowie Nachrichtenubertragungstechnik: Analoge und digitate Verfahren mit modemen
Anwendungen.
Das vorliegende Buch behandelt die der physikalischen (Jbertragung zugeordneten Aspekte.
Zunachst werden wichtige Eigenschaften der Nachrichtenquellen vorgestellt und deren Anfor-
derungen an die Ubertragungstechnik aufgezeigt. Danach wird mit der analogen Amplituden-
modulation und der analogen Frequenzmodulation die Verbindung zu den herkommlichen Ver
fahren wie zum Beispiel im Ton- und Femsehrundfunk hergestellt.
Die Bedeutung von Storungen durch Rauschen in der Nachrichtenubertragungstechnik wird an
zwei eindrucksvollen Beispielen aufgezeigt: den typischen Kettenschaltungen aus tjbertra-
gungsleitungen und Signalverstarkem sowie der interplanetarischen SateUitenkonmiunikation.
Ihrer Bedeutung angemessen bilden die digitalen Verfahren den Schwerpunkt des Buches. Die
digitale Ubertragung im Basisband, z. B. zur drahtgebundenen Kommunikation zwischen zwei
PCs, und die Ubertragung mit digitaler Modulation eines sinusformigen Tragers, wie fiir die
die Mobilkonmiunikation, werden ausfiihrlich behandelt. Anwendungen fiir die Mobilkommu-
nikation und das digitale terrestrische Femsehen werden exemplarisch vorgestellt.
Das Buch richtet sich an Studierende im Hauptstudium der Elektrotechnik, der Informations-
technik, der Informatik oder verwandter Studiengange an Fachhochschulen und Universitaten.
Zahlreiche geloste Beispiele veranschaulichen die praktische Anwendung. Um einen kompak-
ten Zugang zur Nachrichtenubertragungstechnik zu ermoglichen, werden langere mathemati-
sche Herleitungen und spezielle Vertiefungen in erganzenden Abschnitten prasentiert, die ohne
Verlust an Verstandlichkeit iibersprungen werden konnen.
Mein Dank gilt den Studierenden in Fulda, deren Fragen und Neugier wesentUch zum Buch
beigetragen haben. Dem Verlag Vieweg und seinen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitem danke
ich fur die gute Zusammenarbeit. Besonders bedanke ich mich bei Herm Prof. Dr. Otto
Mildenberger fiir seine Untersttitzung.
Fulda, Januar 2006 Martin Werner
VI
Inhaltsverzeichnis
Hinweis: Mit * gekennzeichnete Abschnitte sind als vertiefende Erganzungen gedacht oder
enthalten aufwandige Rechnungen. Sie konnen ohne Verlust an Verstandlichkeit der
weiteren Abschnitte iibersprungen werden.
1 Einfuhrung 1
1.1 Historischer Uberblick 1
1.2 Kommunikationsmodell 3
1.3 Nachrichtenkanale 4
1.4 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen 8
1.4.1 Einfuhrung 8
1.4.2 Telegraphengleichung* 10
1.4.2.1 Herleitung und Losung der Telegraphengleichung* 10
1.4.2.2 Losung der Telegraphengleichung fiir sinusformige Zeitabhangigkeit* 13
1.4.2.3 Leitungsabschluss und Reflexionen* 14
2 Nachrichtenquellen 19
2.1 Einfuhrung 19
2.2 Audiosignalquellen 20
2.2.1 Horschwelle 20
2.2.2 Mikrofon 21
2.2.3 Sprachtelefonie, Horrundfunk, Compact Disc 21
2.2.4 Digitale Audioquellen 22
2.3 Bild- und Videosignalquellen, Multimedia 22
2.3.1 Uberblick 22
2.3.2 Analoges Femsehen 23
2.3.2.1 Schwarz-WeiB-Femsehen 23
2.3.2.2 Farbfemsehen 25
2.3.3 Femkopieren 26
2.3.4 Bildtelefonie und Video-Konferenz 27
2.3.5 Digitale Bilder, digitales Femsehen und Video 27
2.4 Analog-Digital-Umsetzung 29
2.4.1 Einfuhrung 29
2.4.2 Abtasttheorem 30
2.4.3 Quantisierung 32
2.4.4 Quantisierungsgerausch 36
2.4.5 Pulse-Code-Modulation in der Telefonie 40
2.4.5.1 Abschatzung der Wortlange 40
2.4.5.2 Kompandierung 41
2.4.5.3 13-Segment-Kennline 42
2.4.5.4 DPCMundADPCM 46
2.4.6 Delta-Sigma-A/D-Umsetzer* 47
2.5 Aufgaben zu Abschnitt 2 52
2.5.1 Aufgaben 52
2.5.2 Losungen 53
Inhaltsverzeichnis VII
3 Amplitudenmodulation 54
3.1 Analoge Modulation eines Sinustragers 54
3.2 Prinzip der Amplitudenmodulation 56
3.3 Gegentakt-Modulator und Ring-Modulator 58
3.4 Zweiseitenband-AM mit Trager 59
3.5 Koharente AM-Demodulation 62
3.6 AM-Demodulation mit dem Hiillkurvendetektor 63
3.7 Einseitenband-AM 63
3.7.1 Filtermethode 64
3.7.2 Phasenmethode 65
3.8 Restseitenband-AM 67
3.9 Quadraturamplitudenmodulation 68
3.10 Anwendungsbeispiele 70
3.10.1 Tragerfrequenzsystem in der Telefonie 70
3.10.2 Horrundfunkempfanger 71
3.10.3 Zweiseitenband-AM zur Stereorundfunkiibertragung 74
3.11 Einfluss von Verzerrungen 76
3.11.1 Lineare Verzerrungen 76
3.11.2 Einfluss nichtlinearer Kennlinien 77
3.11.2.1 Kubische Parabel 77
3.11.2.2 Kreuzmodulation 80
3.12 Storungen durch Rauschsignale 81
3.12.1 Einfuhrung 81
3.12.2 Zweiseitenband-AM ohne Trager 82
3.12.3 Zweiseitenband mit Trager 85
3.13 Tiefpass-und Bandpass-Prozesse* 85
3.14 Aufgaben zu Abschnitt 3 88
3.14.1 Aufgaben 88
3.14.2 Losungen 92
4 Frequenz- und Phasenmodulation 100
4.1 Einfuhrung 100
4.2 Zeigerdiagramm 103
4.3 Spektrum von FM-Signalen 103
4.4 FM-Demodulation 108
4.4.1 Konventioneller FM-Empfanger 108
4.4.2 FM-Demodulation mit dem Phasenregelkreis HI
4.5 Storungen durch Rauschsignale 112
4.6 Schwellwerteffekt und Dimensionierungsbeispiel 115
4.6.1 FM-Schwelle 115
4.6.2 Dimensionierungsbeispiel 116
4.7 Preemphase und Deemphase 118
4.8 Anmerkungen zur Bewertung von Modulationsverfahren 120
4.9 Phasenregelkreis* 121
4.10 SNR-Abschatzung ftir die FM- und PM-Demodulation* 126
4.11 Aufgaben zu Abschnitt 4 129
4.11.1 Aufgaben 129
4.11.2 Losungen 132
VIII Inhaltsverzeichnis
5 Rauschen in Kommunikationssystemen 138
5.1 Einfiihrung 138
5.2 Rauschen und Kettenschaltungen von Verstarkern 139
5.2.1 Aquivalente Rauschbandbreite 139
5.2.2 Rauschquelle bei angepasster Last 140
5.2.3 Rauschen an Verstarkern 141
5.2.4 Kettenschaltung von Verstarkern 143
5.2.5 Signaltibertragung iiber eine Leitung mit Zwischenverstarkem 144
5.3 Beispiel SatelHtenkommunikation 151
5.4 Aufgaben zu Abschnitt 5 156
5.4.1 Aufgaben 156
5.4.2 Losungen 156
6 Digitale Ubertragung im Basisband 158
6.1 Einfiihrung 158
6.2 Scrambler 159
6.3 Leitungscodierung 163
6.3.1 Binare Leitungscodes 163
6.3.2 Temare Leitungscodes 165
6.4 Aufgaben zu Abschnitt 6.1 bis 6.3 168
6.4.1 Aufgaben 168
6.4.2 Losungen 170
6.5 Optimalempfanger fur bekannte Signale in AWGN 173
6.5.1 Ubertragungsmodell 173
6.5.2 Tragersignale 173
6.5.2.1 Unipolare und bipolare Ubertragung 174
6.5.2.2 Mehrpegeliibertragung 175
6.5.2.3 Orthogonale Ubertragung 176
6.5.3 Matched-Filter-Empfanger 177
6.5.4 Optimalempfanger ftir uni- und bipolare Signale in AWGN 181
6.5.5 Bitfehlerwahrscheinlichkeiten 185
6.5.5.1 Bitfehlerwahrscheinlichkeit fUr die uni- und bipolare Ubertragung 185
6.5.5.2 Bitfehlerwahrscheinlichkeit fiir die M-stufige PAM-Ubertragung 188
6.5.5.3 Bitfehlerwahrscheinlichkeit ftir die Ubertragung orthogonaler Signale 190
6.5.6 Vergleich von PAM und orthogonaler Ubertragung 194
6.6 Ubertragung im Tiefpass-Kanal 196
6.6.1 Verzerrungen im Tiefpass-Kanal 196
6.6.2 Nyquist-Bandbreite und Impulsformung 198
6.6.3 Mehrstufige Pulsamplitudenmodulation 201
6.6.4 Kanalkapazitat 203
6.6.5 Entzerrer 203
6.7 Leistungsdichtespektren digitaler Basisbandsignale* 209
6.7.1 Mittlere AKF und mittleres LDS* 209
6.7.2 Digitale Basisbandsignale ohne Gedachtnis* 211
6.7.3 Digitale Basisbandsignale mit Gedachtnis* 214
6.7 RC-Tiefpass als Ersatz fiir ein Matched-Filter* 217
Inhaltsverzeichnis D^
6.8 Aufgaben zu den Abschnitten 6.5 und 6.6 219
6.8.1 Aufgaben 219
6.8.2 Losungen 221
7 Digitale Modulation mit Sinustrager 225
7.1 Einfiihrung 225
7.2 AquivalentesTiefpass-Signalmodell 225
7.3 Digitale Quadraturamplitudenmodulation (QAM) 228
7.3.1 Grundprinzip der digitalen QAM 228
7.3.2 Bin- Austastung (OOK) 230
7.3.3 Binare Phasenumtastung (BPSK) 231
7.3.4 Amplitudenumtastung (ASK) 231
7.3.5 Quartemare Phasenumtastung (QPSK) 233
7.3.6 Hoherstufige digitale Modulationsverfahren (M-QAM, M-PSK) 236
7.3.7 Differentielle Phasenumtastung (DPSK) 238
7.3.8 Frequenzumtastung mit stetiger Phase (CPFSK) 241
7.3.8.1 CPFSK-Signal 241
7.3.8.2 Spektren von CPFSK-Signalen 245
7.3.8.3 Empfanger fiir CPFSK-Signale 247
7.3.9 Minimum-Shift Keying (MSK) 248
7.3.10 Gaussian Minimum-Shift Keying (GMSK) 254
7.4 Tragerregelung zur koharenten Demodulation 259
7.4.1 Tragerriickgewinnung mit quadrierendem Regelkreis 259
7.4.2 Tragerriickgewinnung mit der Costas-Schleife 260
7.5 Aufgaben zu Abschnitt 7 260
7.5.1 Aufgaben 260
7.5.2 Losungen 262
8 Digitale Modulation fiir den Mobilfunk 264
8.1 Mobilfunkkanal 264
8.2 Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) 268
8.2.1 Multitragersystem 269
8.2.2 OFDM_tJbertragung fiir WLAN 275
8.2.3 OFDM-LFbertragung fur DVB-T 276
8.3 Code Division Multiple Access (CDMA) 282
8.3.1 Spreizbandtechnik fiir den Vielfachzugriff 282
8.3.2 Spreizbandtechnik mit RAKE-Empfanger 287
8.4 Berechnung der Empfangsgrundimpulse zur OFDM-tJbertragung* 290
8.4.1 Ohne Schutzabstand* 290
8.4.2 Berechnung der Empfangsgrundimpulse mit Schutzabstand* 292
8.5 Aufgaben zu Abschnitt 8 294
8.5.1 Aufgaben 294
8.5.2 Losungen 294
Formelzeichen und Symbole 296
Abktirzungen und Akronyme 300
Literaturverzeichnis 303
Sachwortverzeichnis 308
Einfiihrung
Die Nachrichtenubertragungstechnik dient zur tJbertragung von Nachrichten in elektronischer
Form. Bekannte Anwendungen sind die Telegrafie, Telefonie und der Hor- und Femsehrund-
funk. Die Nachrichtenubertragungstechnik kann jedoch allgemeiner aufgefasst werden, nimmt
man zur raumlichen Ubertragung die Speicherung und Wiedergabe von Information hinzu.
Schallplatte, Musikkassette, CD-Rom sind hierfiir populare Beispiele.
Manchmal werden die Begriffe Nachrichtenubertragungstechnik und Telekommunikation syn
onym verwendet. Letztere umfasst alle Formen der Nachrichteniibertragung mit Anlagen der
Nachrichtentechnik sowie die organisatorischen Einrichtungen und die rechtUchen Regelungen
zur Einfiihrung, zum Betrieb und zur Nutzung dieser Anlagen. Die Nachrichtenubertragungs
technik bildet die technische Komponente der Telekommunikation.
Fur unser modemes Leben ist die Nachrichtenubertragungstechnik unverzichtbar. Fur die welt-
umspannende Nachrichteniibertragung wurde mehr Geld investiert als in irgendeine andere
technische Anlage. Eine Sattigung der Nachfrage an Telekommunikationsdienstleistungen ist
nicht abzusehen. Im Gegenteil, mit den sich heute bereits abzeichnenden technischen Moglich-
keiten werden zukiinftig neue Dienste wirtschaftlich realisierbar, wie beispielsweise Video
iiber das Internet, so dass ein weiteres starkes Anwachsen des Nachrichtenverkehrs und damit
Investitionen in die nachrichteniibertragungstechnische Infrastruktur zu erwarten sind.
Bevor es um technische Details geht, sollen nachfolgend allgemeine Zusammenhange, Grund-
lagen und Begriffe der Nachrichtenubertragungstechnik im Uberblick vorgestellt werden.
1.1 Historischer Uberblick
Wir beginnen mit der Auswahl historischer Meilensteine in Tabelle 1-1. Die Anfange der
Nachrichtenubertragungstechnik reichen weit zurtick. Mit der Erfindung der Schrift und der
Zahlenzeichen ab etwa 4000 v. Chr. wird die Grundlage zur digitalen Nachrichteniibertragung
gelegt. Ftir viele Jahre bleibt die optische (Jbertragung mit Fackeln und Leuchtfeuern die
einzige Form, Nachrichten uber groBere Strecken „blitzschneir' zu tibermitteln. Ihren ersten
Hohepunkt erlebt die optische tJbertragung Anfang des 19. Jahrhunderts mit dem Aufbau weit
reichender Zeigertelegrafie-Verbindungen in Europa. Ein deutsches Beispiel ist die 1834 eroff-
nete und 600 km lange Strecke von Berlin nach Koblenz. 61 mit Signalmasten mit einstell-
baren Fliigeln ausgeriistete Stationen werden im Abstand von jeweils ca. 15 km aufgebaut. Bei
giinstiger Witterung konnen in nur 15 Minuten Nachrichten von Berlin nach Koblenz Ubertra-
gen werden.
Ende des 18. und Anfang des 19. Jahrhunderts werden wichtige Entdeckungen iiber das Wesen
der Elektrizitat gemacht. Schon um 1850 lost die auch nachts und bei Nebel funktionierende
elektrische Telegrafie die optischen Zeigertelegraphen ab. Die Nachrichteniibertragung bleibt
zunachst digital. Buchstaben und Ziffem werden als Abfolge von Punkten und Strichen codiert
Ubertragen. Da diese iiber einen Taster von Hand eingegeben werden miissen, werden hand-
gerechte Codes, bekannt als Morse-Codes (Morse 1838, Gerke 1844, ITU 1865), entwickeh.
Eine Stemstunde erlebt die elektrische Telegrafie mit der Eroffnung der von Siemens erbauten
Indo-Europaischen Telegrafenlinie London-Teheran-Kalkutta 1870.