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Kapitel 1: Einleitung
BegriffeHistorischer Überblick Typische InformationsquellenStandardisierungKlassifizierung von SignalenAnaloge NachrichtensystemeDigitale NachrichtensystemeKursinhalt
Literatur[1] J. Proakis, M. Salehi, „Grundlagen der Kommunikationstechnik“,
Pearson, 2003.[2] M. Meyer, „Kommunikationstechnik“, Vieweg, 2002.[3] J. Schiller, „Mobilkommunikation“, Pearson, ISBN 3-8273-7060-4.
NTM, 2007/09, Rur, Einleitung, 1
Begriffe
TelekommunikationNachrichten- und Informationsaustausch über grössere EntfernungenVerfügbarkeit von Diensten
kostengünstig, dauernd und unabhängig von der Distanz in guter Qualität, angepasst an den Empfänger (z.B. Mensch)
NachrichtentechnikTechnik für Aufnahme, Übertragung, Wiedergabe von InformationÜbertragungsaspekt der Telekommunikation
Kursziel: Grundlagen (Physical- und MAC-Layer) der Nach- richtentechnik und Mobilkommunikation kennen / anwenden
Informationhat etwas mit Neuheit, Überraschung zu tunbei der Informationsweitergabe spricht man oft von „Nachrichten“bei der Informationsverarbeitung spricht man oft von „Daten“Nachrichten und Daten werden physikalisch mit Signalen dargestellt
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Historischer Überblick
Einige Meilensteine der Nachrichtenübertragung 1837 S. Morse erfindet Telegraf und Morsealphabet1858 Erste Eindraht-Telegrafenverbindung über den Atlantik1876 A.G. Bell meldet Patent des „Telefons“ an1901 G. Marconi überträgt Telegramm mit Radiowellen über 1700 Meilen1906 L. de Forest erfindet Triode (Verstärkung analoger Signale)1920 Erste AM-Übertragungen1927 Erstes transatlantisches Telefongespräch via Kurzwellen1933 E. Armstrong erfindet FM1936 BBC strahlt erste Fernsehsendung aus1938 A. Reeves erfindet die Puls-Code-Modulation (PCM)1944 Entwicklung des ersten Computers1948 Erfindung des Transistors1948 C. Shannon begründet Informationstheorie1953 Erstes transatlantisches Telefonkabel (mit 51 Zwischenverstärker)1960 Erfindung des Lasers1962 Telstar I erlaubt erste transatlantische Fernsehübertragung1965 Erster geostationärer Satellit („early Bird“ bzw. Intelsat I)1969 Erste brauchbare Glasfaser für die optische Übertragung1980 Eine Raumsonde überträgt Bilder vom Jupiter und Saturn1992 Einführung digitaler Mobilfunk (GSM) 1993 Erste ADSL-Verbindung
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Standardisierung
Telekommunikationist schon seit sehr langer Zeit global („tele“ heisst „fern“)ist wirtschaftlich bedeutend geworden („Informationszeitalter“)Standards sind sehr wichtig wegen Interoperabilität zwischen Netzen + Systemen versch. HerstellerGross-Serien (tiefere Preise) und Investitionssicherheit
Wichtige NormierungsgremienInternational Telecommunication Union (ITU-T/-R), UNO, GenfInternational Standards Organisation (ISO)ETSI in Europa, EU, SüdfrankreichCEPT mit dem ERO (European Radio Office), DKin den USA: ANSI und FCCIEEE (Normen im Datenkommunikationsbereich)
Regulierungsbehörden (z.B. Bakom in der CH, RegTP in D)Vergabe Spektrum, Konzessionen, Erlass Vorschriften,
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digitaleQuelle
Quellen-Encoder Cipher Kanal-
EncoderA/D-Umsetzung
analogerKanal
digitaleSenke Decipher Kanal-
DecoderD/A-Umsetzung
ModulatorTx
RxDemod.
andere „user“Multiple Access
Digitales Nachrichtensystem
Quellen-Decoder
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Klassifizierung von Signalen
x(t)
t
t
analoges Signal(zeit- und wertkontinuierlich)
zeitdiskretes, wertkontinuierliches Signal
digitales Signal(zeit- und wertdiskret)
binäres Signal(zeitdiskret, zweiwertig)
tTs-Ts
t
Abtastung
Quantisierung
Codierung
AD
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Digitales NachrichtensystemNTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 7
QuellenkodierungReduktion Redundanz oder Irrelevanz (Datenkompression)Beispiel: GSM-Vocoder: 13 kb/s, vgl. PCM-Telefonie: 64 kb/s
Chiffrierungfür Geheimhaltung, Integrität und/oder AuthentifikationZiel: Gegner muss alle Schlüssel durchprobieren
Kanalkodierung (FEC)hinzufügen von „etwas“ Redundanz zur FehlerkorrekturBeispiel: GSM-TCH/F: 22.8 kb/s
ModulationHF-Kanalanpassung: Information wird analogem Träger aufgeprägt
Bandbreite Bprimär proportional zur
Symbolrate RSymbol
Up-Converter(Mischer)
PowerAmplifier
Tx Front-End (BP-) Filter
Rx / TxDuplexer
Rx Front-End (BP-) Filter
Low-NoiseAmplifier
Down-Converter(Mischer)
IQ-Demodulator
IQ-ModulatorDaten
Daten
Base-Band IF-Band RF-Band
Frequenz
Amplitude
Kanal- bzw. IF-Filter
fIF fRx
HF-Kanäle
DC
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Digitales NachrichtensystemNTM, 2007/09, Rur, Einleitung, 9
GSM Chipset (Quelle Siemens)
Digitales NachrichtensystemNTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 10
Multiple Accessviele Teilnehmer kommunizieren über das gleiche Medium / SystemBenutzertrennung via Zeit, Frequenz, Code, Raumwinkel usw.Netzaspekt ist mindestens so wichtig wie die P2P-Kommunikation
Kanalbestimmt letztendlich die Kommunikationsmöglichkeiten
z.B. die maximale Datenrate, die Reichweite Kommunikation über diverse Medien
z.B. Luft, Kabel, Glas, WasserEinsatz von diversen Trägern
z.B. EM-Wellen (Licht, Radiowellen), Magnetfeld, Schalles gibt unterschiedliche Störungen
z.B. thermisches Rauschen, Mehrweg, FunkrauschenNachrichten werden über „verrauschte“ Kanäle übertragen
Grenzen der KommunikationNTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 11
x[n]
AWGN z[n]
y[n]
P[n]xN1 N
0n
2
N0
f [Hz]
Rauschleistungsdichte [W/Hz]
KanalBandbreite B
„fehlerfreie“ Kommunikation wenn
BNP1logBCR0
2 [bit/s]
Kanalkapazität (Shannon, 1948)= max. Rate für „fehlerfreie“ Datenübertragung über „noisy channel“Kapazität des AWGN-Kanals zeigt wichtigste Einflussgrössen
SNRSignal-to-Noise-RatioBeispiel
Telefonkanal mit B = 3100 Hz und SNR = 40 dB: R < 41.2 kb/s
Signalleistungsbeschränkung
BER versus SNRNTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 12
x[n]
AWGN z[n]
y[n]
QAM-Datenübertragung über AWGN-Kanal
charakterisiert durchSignal-zu-Geräuschverhältnis
SNR = Eb / N0
Symbolfehlerrate ≈ BER
Kurs NTM 1NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 13
Signalanalyse Rep. analoge / digitale Signale, stochastische Signale, Rauschen
analoge Systeme Pegelplan, lineare/nichtlin. Verzerrungen, Rauschzahl, AWGN-Kanal
Übertragung analoger Signalea/b-Telefonie, AM/FM/PM, UKW, KW/MW/LW, Fernsehen
Digitale Datenübertragung im Basisband Leitungen, LWL, PCM, Leitungscodes, Pulsformung, ISI, Nyquistfilter
Digitale ModulationASK, PSK, FSK, QAM, OFDM, Bsp: RFID, DECT, GSM, ADSL
Moderne Sende- und EmpfangskonzepteRx/Tx-Filter, LNA, Mischung, IQ-Mod./Demod., DDS/DDC, PLL,Scrambling, Interleaving, Equalizer, Synch., matched-Filter, Rx-Div.
MultiplexverfahrenSDMA, TDMA, FDMA, CDMA, FH, Random Access [aloha, CSMA/CA], Beispiele: GSM, UMTS, WLAN, GPS, Bluetooth
Kurs NTM 2NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 14
FunkkanalFreiraumausbreitung, Antennen, Mehrwegkanal
FunknetzplanungLinkbudget, Antennensysteme, Ausbreitungsmodelle, Erlang-Verkehr, Zellulartechnik, Beispiele: GSM, UMTS
Quellencodierung bzw. DatenkompressionInformationsmass, Redundanz-, Irrelevanzreduktion [z.B. JPEG]
Kanalcodierung bzw. FehlerschutzcodierungKanalkapazität, Fehlerdetektion/-korrektur, BER-Performance, Block- und Faltungscodes, Viterbi-Dekoder, TCM, Turbo-Codes
Einführung in die ChiffrierungSchlüssel/Algorithmus, symmetrische/asymm. Chiffrierverfahren
PHY bzw. Luftschnittstelle wichtiger digitaler Nachrichten-SystemeADSL, Fast-Ethernet GSM, UMTS, DECT, WLAN, RFID, DAB, DVB, BT, ...