Nachrichtentechnik: Eine Einführung für alle Studiengänge

262 Pages·2003·12.75 MB·German

by  Martin Werner (auth.)

Martin Werner
Nachrichtentechnik
Aus dem Programm
Nachrichtentechnik/ Kommunikationstechnik
Operationsverstärker
von J. Federau
Telekommunikation
von D. Conrads
Kommunikationstechnik
vonM. Meyer
Signalverarbeitung
vonM. Meyer
Nachrichtentechnik
von M. Werner
Digitale Signalverarbeitung mit MATLAB
von M. Werner
Signale und Systeme
von M. Werner
Informationstechnik kompakt
herausgegeben von O. Mildenberger
Übertragungstechnik
von O. Mildenberger
Optische Nachrichtensysteme und
Sensornetzwerke
von R. Thiele
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Martin Wemer
Nachrichtentechnik
Eine Einführung für alle Studiengänge
4., überarbeitete und erweiterte Auflage
Mit 189 Abbildungen und 29 Tabellen
~
Studium Technik vleweg
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> abrufuar.
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
Alle Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2003
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ISBN 978-3-528-37433-4 ISBN 978-3-322-94326-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-94326-2
v
Vorwort
In der Infonnationsgesellschaft kommt der (elektrischen) Nachrichtentechnik mit ihren Aufga
benfeldem der Darstellung, der Übertragung, der Vermittlung und der Verarbeitung von Infor
mation in elektronischer Form eine Schlüsselrolle zu.
Dieses Buch will an wichtige Aufgaben, Prinzipien und Methoden der Nachrichtentechnik her
anführen. Es eignet sich besonders für Studierende technischer Studiengänge, der Infonnatik
und des Wirtschaftsingenieurwesens, die zum Ende des Grundstudiums einen Einstieg in die
Nachrichtentechnik gewinnen wollen -teils weil sie noch vor der Entscheidung der Wahl ihrer
Studienrichtung stehen, oder weil sie für das ,,Nebenfach" Nachrichtentechnik eine kompakte
Einführung in Grundlagen und wichtige 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.
Die große Nachfrage macht es möglich, das Buch nach seinem ersten Erscheinen 1998 nun
bereits in der 4. Auflage herauszugeben. Zahlreiche Kommentare von Kollegen und die Erfah
rungen in der zweistündigen Lehrveranstaltung ,,Einführung in die Nachrichtentechnik" an der
Fachhochschule Fulda für Studierende im 3. Semester gaben Anregungen, das Buch zu überar
beiten und an vielen Stellen zu ergänzen.
Neu aufgenommen ist die Frequenzmodulation. Die Darstellung der digitalen Modulationsver
fahren ist durch eine Einführung in die OFDM- und CDMA-Verfahren erweitert. Die digitale
Übertragung im Basisband wird jetzt durch die RS-232-Schnittstelle veranschaulicht. Der Ab
schnitt über Telekommunikationsnetze ist neu organisiert und stellt das HDLC-Protokoll und
die TCPßP-Protokollfamilie vor. Ein kurzer Abschnitt über Paritätscodes fuhrt am Beispiel des
ISBN-Codes in den Themenkreis der Codierung ein.
Dabei wurde wieder besonders darauf geachtet, Umfang und Schwierigkeitsgrad den Anforde
rungen des Grundstudiums anzupassen.
Fulda, im Juli 2003 Manin Wemer
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Aufgaben und Grundbegriffe der Nachrichtentechnik ................................................. 1
1.1 Entwicklung der Nachrichtentechnik ......................................................................... 1
1.2 Nachrichtentechnik und Informationstechnik ............................................................ 2
1.3 Prinzip der Nachrichtenübertragung .......................................................................... 3
1.4 Telekommunikationsnetze ..........................................................................................7
1.5 Signalverarbeitung ................................................................................................... 10
1.6 Aufgaben zu Abschnitt 1. ......................................................................................... 11
2 Signale und Systeme ....................................................................................................... 12
2.1 Klassifizierung von Signalen ................................................................................... 13
2.1.1 Zeitkontinuierliche und zeitdiskrete Signale ................................................. 13
2.1.2 Wertkontinuierliche, wertdiskrete, analoge und digitale Signale ................. 14
2.1.3 Periodische und aperiodische Signale ........................................................... 15
2.1.4 Deterministische und stochastische Signale .................................................. 16
2.1.5 Energie-und Leistungssignale ...................................................................... 17
2.2 Komplexe Wechselstromrechnung .......................................................................... 18
2.3 Lineare zeitinvariante Systeme ................................................................................ 22
2.4 Fourierreihen ............................................................................................................ 23
2.5 Periodische Quellen in R,L,C-Netzwerken .............................................................. 27
2.6 Spektrum periodischer Signale ................................................................................. 31
2.7 Übertragungsfunktion und Frequenzgang ................................................................ 32
2.7.1 Übertragungsfunktion ................................................................................... 32
2.7.2 Frequenzgang, Dämpfung und Phase ........................................................... 34
2.7.3 Tiefpass-, Bandpass-und Hochpassfilter. ..................................................... 36
2.7.4 Rechnen mit komplexer Fourierreihe und Frequenzgang ............................. 40
2.7.5 RC-Hochpass ................................................................................................ 41
2.8 Fouriertransformation .............................................................................................. 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 .......................................................................................................... 59
2.13 Zusammenfassung .................................................................................................... 65
2.14 Aufgaben zu Abschnitt 2 .......................................................................................... 67
3 Modulation ...................................................................................................................... 72
3.1 Trägermodulation ..................................................................................................... 73
3.2 Amplitudenmodulation ............................................................................................. 75
VIII Inhaltsverzeichnis
3.2.1 Prinzip der Amplitudenmodulation ............................................................... 75
3.2.2 Modulationssatz ............................................................................................ 76
3.2.3 Amplitudenmodulation ................................................................................. 77
3.2.4 Kohärente AM-Demodulation ...................................................................... 78
3.2.5 Inkohärente AM-Demodulation mit dem Hüllkurvendetektor ...................... 79
3.2.6 Quadraturamplitudenmodulation .................................................................. 80
3.2.7 Trägerfreqeunztechnik in der Telephonie ..................................................... 81
3.3 Frequenzmodulation ................................................................................................. 83
3.3.1 Modulation der Momentanfrequenz des Trägers .......................................... 83
3.3.2 Spektrum und Bandbreite von FM-Signalen ................................................ 85
3.3.2 Demodulation von FM-Signalen ................................................................... 87
3.4 Digitale Modulationsverfahren mit sinusförmigem Träger ...................................... 89
3.4.1 Einführende Beispiele digitaler Modulationsverfahren ................................ 90
3.4.2 Orthogonal Frequency Division Multiplexing .............................................. 95
3.4.2 Code Division Multiple Access .................................................................... 98
3.5 Zusammenfassung .................................................................................................. 100
3.6 Aufgaben zu Abschnitt 3 ........................................................................................ 101
4 Digitale Übertragung im Basisband ............................................................................ 104
4.1 Einführung ............................................................................................................. 104
4.2 RS-232-Schnittstelle .............................................................................................. 106
4.3 Prinzip der digitalen Basisbandübertragung .......................................................... 109
4.4 Leitungscodierung .................................................................................................. 112
4.5 Störung durch Rauschen ........................................................................................ 114
4.6 Übertragung im Tiefpass-Kanal ............................................................................. 118
4.7 Matched-Filterempfanger ....................................................................................... 122
4.8 Nyquistbandbreite und Impulsformung ................................................................. 126
4.9 Kanalkapazität. ....................................................................................................... 130
4.10 Zusammenfassung .................................................................................................. 133
4.11 Aufgaben zu Abschnitt 4 ........................................................................................ 135
5 Pulse-Code-Modulation und Zeitmultiplex ................................................................ 136
5.1 Digitalisierung eines analogen Signals ................................................................... 136
5.2 Abtasttheorem ........................................................................................................ 137
5.3 Quantisierung ......................................................................................................... 138
5.4 Quantisierungsgeräusch ......................................................................................... 140
5.5 PCM in der Telefonie ............................................................................................. 143
5.5.1 Abschätzung der Wortlänge ........................................................................ 143
5.5.2 Kompandierung .......................................................................................... 144
5.5.3 13-Segment-Kennlinie ................................................................................ 145
5.6 Zeitmultiplex und PDH-Hierarchie ........................................................................ 147
5.7 Synchrone Digitale Hierarchie ............................................................................... 149
5.8 Zusammenfassung .................................................................................................. 151
5.9 Aufgaben zu Abschnitt 5 ........................................................................................ 151
Inhaltsverzeichnis IX
6 Telekommunikationsnetze ........................................................................................... 155
6.1 Nachrichtenübermittlung ........................................................................................ 155
6.2 OSI-Schichtenmodell ............................................................................................. 158
6.3 HDLC-und LAP-Protokoll .................................................................................... 162
6.4 ATM und Breitband-ISDN .................................................................................... 167
6.5 Lokale Netze .......................................................................................................... 168
6.6 Protokollfarnilie TCP/IP ......................................................................................... 170
6.7 Zusammenfassung .................................................................................................. 174
6.8 Aufgaben zu Abschnitt 6 ........................................................................................ 175
7 Grundbegriffe der Informationstheorie und der Kanalcodierung .......................... 177
7.1 Information, Entropie und Redundanz ................................................................... 177
7.2 Huffman-Codierung ............................................................................................... 181
7.3 Kanalcodierung ...................................................................................................... 184
7.3.1 Paritätscodes ............................................................................................... 184
7.3.2 Kanalcodierung zum Schutz gegen Übertragungsfehler ............................. 188
7.3.3 Lineare Blockcodes ..................................................................................... 190
7.3.4 Syndrom-Decodierung ................................................................................ 192
7.3.5 Hamrning-Distanz und Fehlerkorrekturvermögen ...................................... 196
7.3.6 Perfekte Codes und Hamrning-Grenze ....................................................... 198
7.3.7 Restfehlerwahrscheinlichkeit ...................................................................... 198
7.3.8 Eigenschaften und Konstruktion der Hamrning-Codes ............................... 201
7.4 Zusammenfassung .................................................................................................. 202
7.5 Aufgaben zu Abschnitt 7 ........................................................................................ 203
8 Mobilkommunikation am Beispiel GSM .................................................................... 206
8.1 Einführung ............................................................................................................. 206
8.2 GSM-Netzarchitektur ............................................................................................. 208
8.3 GSM-Funkschnittstelle ........................................................................................... 210
8.3.1 Funkzellen und Frequenzkanäle ................................................................. 211
8.3.2 Mobilfunkübertragung ................................................................................ 213
8.3.3 Logische Kanäle und Burst-Arten .............................................................. 218
8.4 High Speed Circuit Switched Data (HSCSD) ........................................................ 221
8.5 General Packet Radio Service (GPRS) .................................................................. 221
8.6 Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE) ............................................... 222
8.7 GSM-Sicherheitsmerkmale .................................................................................... 223
8.8 Zusammenfassung und Ausblick ........................................................................... 225
Lösungen zu den Aufgaben .......................................................................................... 227
Literaturverzeichnis ..................................................................................................... 244
Sachwortverzeichnis ..................................................................................................... 248
1 Aufgaben und Grundbegriffe der
Nachrichtentechnik
1.1 Entwicklung der Nachrichtentechnik
Die Anfänge der Nachrichtentechnik reichen weit in das Altertwn zurück [Obe82] [EcSc86].
Mit der Erfindung der Schrift und der Zahlenzeichen ab etwa 4000 v. Chr. wird die Grundlage
zur digitalen Nachrichtenübertragung gelegt. Um 180 v. Chr. schlägt der Grieche Polybios eine
optische Telegrafie mit einer Codierung der Buchstaben vor. Die 24 Buchstaben des Alphabets
werden entsprechend dem Code durch Fackeln dargestellt. Für viele Jahre bleibt die optische
Übertragung die einzige Form, Nachrichten über größere Strecken "blitzschnell" zu
übermitteln. Ihren Höhepunkt erlebt sie Anfang des 19. Jahrhunderts mit dem Aufbau weitrei
chender Zeigertelegraphie-Verbindungen in Europa. Ein Beispiel in Deutschland ist die 1834
eröffnete 600 km lange Strecke von Berlin nach Koblenz. 61 mit einem Signalmast mit einstell
baren Flügeln ausgerüstete Stationen werden im Abstand von jeweils ca. 15 km aufgebaut. Bei
günstiger Witterung können in nur 15 Minuten Nachrichten von Berlin nach Koblenz übertra
gen werden.
In die erste Hälfte des 19. Jahrhunderts fallen wichtige Entdeckungen über das Wesen der Elek
trizität. Schon um 1850 löst die elektrische Telegraphie die optischen Zeigertelegraphen ab.
Die Nachrichtenübertragung bleibt zunächst digital. Buchstaben und Ziffern werden als Abfol
ge von Punkten und Strichen codiert übertragen. Da diese über einen Taster von Hand eingege
ben werden müssen, werden handgerechte "schnelle Codes", wie das Morse-Alphabet (1841),
entwickelt. Eine Sternstunde erlebt die elektrische Telegraphie mit der Eröffnung der von Sie
mens erbauten Indo-Europäischen Telegraphielinie London-Teheran-Kalkutta 1870.
Mit der Entwicklung eines gebrauchsfähigen Telefons durch Bell (US-Patent, 1876) wird die
Nachrichtentechnik analog. Die Druckschwankungen des Schalls gesprochener Nachrichten
werden als Spannungsschwankungen eines Mikrofons übertragen. Mit dem seit Ende des 19.
Jahrhunderts rasch zunehmenden physikalisch-technischen Wissen erobert sich die analoge
Nachrichtentechnik neue Anwendungsgebiete, wie beispielsweise den Rundfunk um 1920 und
das Fernsehen um 1950.
Anfang des 20. Jahrhunderts beginnt ein tief greifender Wandel. In der Physik setzen sich stati
stische Methoden und Vorstellungen der Wahrscheinlichtheorie durch. Diese werden in der
Nachrichtentechnik aufgegriffen. In Anlehnung an die Thermodynamik wird von Shannon 1948
der mittlere Informationsgehalt einer Nachrichtenquelle als Entropie eingefiihrt.
In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wird dieser Wandel fiir die breite Öffentlichkeit
sichtbar: der Übergang von der analogen zur digitalen Nachrichtentechnik, der Informations
technik. Die Erfmdung des Transistors 1947 durch Bardeen, Brattain und Shockley und der
erste Mikroprozessor auf dem Markt 1970 sind wichtige Wendemarken. Das durch die Praxis
bis heute bestätigte mooresehe Gesetz beschreibt die Dynamik des Wandels. Moore sagte 1964
voraus, dass sich etwa alle zwei Jahre die Komplexität, d. h. entsprechend auch die Leistungs
fähigkeit, mikroelektronischer Schaltungen verdoppeln wird.
M. Werner, Nachrichtentechnik
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2003
2 1 Aufgaben und Grundbegriffe der Nachrichtentechnik
Durch den Fortschritt in der Mikroelektronik ist es heute möglich, die seit der ersten Hälfte des
20. Jahrhunderts gefundenen theoretischen Ansätze der Nachrichtentechnik in technisch mach
bare und bezahlbare Geräte umzusetzen. Beispiele fiir die Leistungen der digitalen Nachrich
tentechnik finden wir im modemen Telekommunikationsnetz, im digitalen Mobilfunk, im
digitalen Rundfunk und Fernsehen, im Internet mit seinen Multimedia-Anwendungen; und
überall dort, wo Information digital erfasst und ausgewertet wird, wie in der Regelungs- und
Steuerungstechnik, der Informatik, der Medizintechnik, usw.
Weniger öffentlich bekannt sind die Fortschritte der faseroptischen Nachrichtentechnik. Nach
dem um 1975 die industrielle Produktion von Lichtwellenleitern begann, wird 1988 das erste
transatlantische Glasfaserkabel (TATS) in Betrieb genommen. 1997 verbindet FLAG (Fiber
optic Link Around the Glob) von Japan bis London 12 Stationen durch zwei Lichtwellenleiter
mit optischen Verstärkern. Die Übertragungskapazität entspricht 120.000 Telefonkanälen.
Neue Bauelemente und besonders die Entwicklung optischer Verstärker lassen einen stark zu
nehmenden Aufbau von Telekommunikationsnetzen mit optischer Übertragung und Vermitt
lung, so genannte photon ische Netze, in den nächsten Jahren erwarten. Heute sind zahlreiche
Femübertragungsstrecken mit Datematen von 10 ... 40 Gbitls pro Faser im kommerziellen Be
trieb, das entspricht einer gleichzeitigen Übertragung von mehr als 78.000 Telefongesprächen
oder über 2.500 Videosignalen. Nachdem im Jahr 2000 an Versuchsstrecken bereits Datematen
über 1000 Gbitls demonstriert wurden, werden in naher Zukunft entsprechende Datematen
wirtschaftlich verfügbar sein.
Anmerkungen: Mehr über die Geschichte der Nachrichtentechnik ist z. B. in [Ash87] [Obe82] [EcSc86]
und http://www.ieee.orglorganizationsJhistorycenter/zufinden.In [GlaOI] wird ein fundierter Einblick
über die Prinzipien und Anwendungen der modemen Nachrichtentechnik ohne Formeln gegeben, der die
hier gewählte kompakte Darstellung gut ergänzt. Die optische Nachrichtentechnik wird aus Platzgründen
im Weiteren nicht behandelt. Eine kurze Einfilhrung in die optische Nachrichtentechnik findet man z. B.
in [HeLöOO] [Sig99].
1.2 Nachrichtentechnik und Informationstechnik
In diesem und den folgenden Unterabschnitten werden wichtige Grundbegriffe und typische
Anwendungsgebiete der modemen Nachrichtentechnik vorgestellt. Ohne zu sehr in Einzelhei
ten zu gehen, sollen wichtige Konzepte anband von Beispielen aufgezeigt werden.
Die Nachrichtentechnik bedient sich üblicherweise elektrischer Mittel zur Darstellung und
Übertragung, Vermittlung und Verarbeitung von Nachrichten. Synonym zur Nachricht wird
häufig der Begriff Information verwendet.
Die Nachrichtentechnik befasst sich mit der
• Darstellung und Übertragung,
• der Vermittlung und der
• Verarbeitung
von Nachrichten.
Unter der (elektrischen) Nachrichtentechnik werden im weiteren Sinne alle Teilgebiete der
Elektrotechnik zusammengefasst, die sich nicht der Energietechnik zuordnen lassen. Insbeson
dere steht die Nachrichtentechnik in enger Verbindung mit der Steuer- und Regelungstechnik