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E-Book

Grundlagen der digitalen Kommunikationstechnik

Übertragungstechnik - Signalverarbeitung - Netze

AutorCarsten Roppel
VerlagCarl Hanser Fachbuchverlag
Erscheinungsjahr2006
Seitenanzahl433 Seiten
ISBN9783446408791
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis23,99 EUR
Übertragungstechnik - Signalverarbeitung - Netze

Die Entwicklung, die Planung und der Betrieb von Systemen der Kommunikationstechnik sind ohne den Einsatz von leistungsfähigen Messgeräten, Entwicklungs- und Simulationswerkzeugen nicht denkbar. Die Arbeit mit diesen Werkzeugen setzt ein grundlegendes Verständnis der Funktionsweise des Kommunikationssystems voraus. Dieses Lehrbuch vermittelt das hierzu erforderliche Wissen. Behandelt werden unter anderem die folgenden Themen: Übertragungstechnik: Übertragung von Signalen über lineare, zeitinvariante Systeme, Beschreibung von Zufallssignalen, Leitungscodierung, Intersymbol-Interferenz und Nyquist-Impulsformung, signalangepasstes Filter, Fehlerwahrscheinlichkeit, digitale Modulationsverfahren, OFDM, Empfängerarchitekturen, Kanalcodierung. Signalverarbeitung: Abtastung und Quantisierung, Sprachcodierung, digitale Filter, adaptive Filter.

Netze: Paket- und Leitungsvermittlung, Dimensionierung, Dienstgüte (Quality of Service) und Verkehrsmanagement, Mehrfachzugriffsverfahren, Transport- und Anschlussnetze (xDSL, Kabelmodem), ISDN, ATM, Internet, Voice over IP.

Die grundlegenden Zusammenhänge werden Schritt für Schritt erläutert und detailliert beschrieben. Zahlreiche Beispiele stellen den Bezug zur Praxis her und gehen auf aktuelle Entwicklungen und Anwendungen ein. Im Internet verfügbare Übungsaufgaben mit Lösungen unterstützen das Selbststudium.

Der Autor

Dr. Carsten Roppel ist Professor für Nachrichtentechnik und Signalverarbeitung an der Fachhochschule Schmalkalden in Thüringen.

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Kapitelübersicht
  1. Vorwort und Inhaltsverzeichnis
  2. Einführung
  3. Signalübertragung
  4. Signalabtastung und Quantisierung
  5. Digitale Nachrichtenübertragung im Basisband
  6. Digitale Modulationsverfahren
  7. Kanalcodierung
  8. Grundlagen der Informationstheorie
  9. Digitale Signalverarbeitung
  10. Funktions- und Entwurfsprinzipien von Kommunikationsnetzen
  11. Dienstgüte und Verkehrsmanagement
  12. Mehrfachzugriffsverfahren
  13. Transport- und Anschlussnetze
  14. Integrated Services Digital Network (ISDN)
  15. Asynchronous Transfer Mode (ATM)
  16. Internet Protocol (IP)
  17. Anhang
  18. Verzeichnis der Beispiele und Literaturverzeichnis
  19. Sachwortverzeichnis
Leseprobe
4 Digitale Nachrichtenübertragung im Basisband (S. 84-85)

Wir sprechen von einem Basisband-Übertragungssystem, wenn das Quellensignal in seiner ursprünglichen Frequenzlage übertragen wird. So wird im analogen Fernsprechnetz das Sprachsignal im Basisband, also im Frequenzbereich von 300 Hz bis 3,4 kHz, übertragen. Beispiele für die Übertragung digitaler Signale im Basisband finden sich beim Teilnehmeranschluss des ISDN (siehe Kapitel 13) und bei lokalen Netzen für die Datenübertragung [57]. Die Übertragung im Basisband findet sich also bei leitungsgebundenen Systemen. Im Gegensatz zur Basisband-Übertragung wird bei der Bandpass-Übertragung das zu übertragende Signal auf einen Träger aufmoduliert und so zu höheren Frequenzen hin verschoben. Allerdings erfolgt auch hier die Signalverarbeitung im Wesentlichen im Basisband, so dass die in diesem Kapitel behandelten Konzepte von grundlegender Bedeutung für digitale Übertragungssysteme sind.

Die folgenden Abschnitte verschaffen uns zunächst einen Überblick über die wesentlichen Elemente und deren Aufgabe in einem Basisband-Übertragungssystem. Weitere inhaltliche Schwerpunkte bilden die Intersymbol-Interferenz und deren Vermeidung durch geeignete Pulsformung, die Berechnung der Bitfehlerwahrscheinlichkeit und das signalangepasste Filter als optimales Empfangsfilter.

4.1 Elemente eines digitalen BasisbandÜbertragungssystems

Wir gehen von der in Bild 4-1 gezeigten Struktur eines Übertragungssystems aus. Sender (engl.: transmitter) und Empfänger (engl.: receiver) werden häufig mit den Abkürzungen Tx bzw. Rx gekennzeichnet. Zwischen Sender und Empfänger befindet sich der Übertragungskanal. Der Kanal dämpft und verzerrt das Signal. Dies wird durch die Übertragungsfunktion HK( f ) beschrieben. Störungen überlagern sich additiv zum Signal. Handelt es sich um eine Störung durch weißes gaußsches Rauschen, so spricht man von einem AWGNKanal (AWGN: Additive White Gaussian Noise, siehe Abschnitt 2.3.6).

Der Sender besteht aus einem optionalen Scrambler zur Verwürflung des Datenstroms. Die Verwürflung dient der Vermeidung langer 0- oder 1-Folgen sowie der Dekorrelation von Signalen. Der Leitungscodierer bildet die zu übertragenden binären Symbole auf eine Pulsfolge ab. Wir werden verschiedene Leitungscodes mit unterschiedlichen Eigenschaften kennenlernen, die jeweils bestimmten Anforderungen gerecht werden. Besteht die Pulsfolge aus rechteckförmigen Grundimpulsen und wird dieses Signal über einen bandbegrenzten Kanal übertragen, so laufen die Grundimpulse auseinander mit der Folge, dass benachbarte Symbole sich gegenseitig beeinflussen. Man nennt dies Impulsnebensprechen oder Intersymbol- Interferenz. Aufgabe des Pulsformfilters ist die Erzeugung von Grundimpulsen, die eine Übertragung ohne Intersymbol-Interferenz ermöglichen. Bei der Pulsformung spielt das Kosinus-roll-off-Filter eine herausragende Rolle.

Am Empfängereingang befindet sich zunächst ein Empfangsfilter zur Unterdrückung der Störungen. Ein im Sinne einer minimalen Bitfehlerwahrscheinlichkeit optimales Filter ist das signalangepasste Filter. Durch den Kanal bedingte Verzerrungen sind eine weitere Ursache von Intersymbol-Interferenz. Verzerrungen werden durch einen Entzerrer kompensiert. Der auf den Entzerrer folgende Abtaster tastet das Signal im Symboltakt ab. Die Abtastwerte setzen sich aus dem Nutzsignal und dem Störsignal des Kanals zusammen. Der Entscheider besteht im einfachsten Fall aus einem Schwellenschalter, der das Nutzsignal extrahiert. Im Falle einer Fehlentscheidung kommt es zu Bitfehlern.

Es folgen die dem senderseitigen Leitungscodierer und Scrambler entsprechenden Funktionen des Leitungsdecodierers und des Descramblers. Der vom Abtaster benötigte Symboltakt muss in der Regel aus dem Eingangssignal zurückgewonnen werden. Dies ist die Aufgabe des Blocks Synchronisation. Bei vielen Übertragungssystemen ist der Bitstrom in Rahmen strukturiert. Ein Rahmen besteht aus einer festen Anzahl von Bytes, die zusätzlich zur Übertragung der Nutzdaten weiteren Funktionen wie z. B. der Fehlererkennung oder der Flusssteuerung dienen. Neben der Symboltaktsynchronisation ist dann eine Rahmensynchronisation zur Erkennung des Rahmenanfangs erforderlich.
Inhaltsverzeichnis
Vorwort6
Inhaltsverzeichnis8
1 Einführung12
1.1 Digitale Übertragungssysteme13
1.2 Digitale Signalverarbeitung16
1.3 Digitale Netze17
2 Signalübertragung20
2.1 Lineare zeitinvariante Systeme20
2.1.1 Impulsantwort und Faltung21
2.1.2 Fourier-Transformation26
2.1.3 Übertragungsfunktion31
2.1.4 Verzerrungsfreies System34
2.1.5 Der ideale Tiefpass35
2.1.6 Der ideale Bandpass36
2.2 Energie- und Leistungssignale37
2.2.1 Korrelation von Energie- und Leistungssignalen38
2.2.2 Energie- und Leistungsdichtespektrum40
2.3 Zufallssignale42
2.3.1 Zufallsprozesse42
2.3.2 Verteilungsfunktion und Wahrscheinlichkeitsdichte45
2.3.3 Wichtige Verteilungsfunktionen47
2.3.4 Leistungsdichtespektrum von Zufallssignalen53
2.3.5 Übertragung von Zufallssignalen über LTI-Systeme57
2.3.6 Weißes Rauschen, Rauschbandbreite und additives Rauschen58
3 Signalabtastung und Quantisierung66
3.1 Abtasttheorem66
3.2 Abtastung von Bandpasssignalen71
3.3 Lineare Quantisierung73
3.4 Nichtlineare Quantisierung und PCM77
3.5 Differenzielle PCM und Sprachcodierung80
4 Digitale Nachrichtenübertragung im Basisband85
4.1 Elemente eines digitalen BasisbandÜbertragungssystems85
4.2 Leitungscodierung87
4.3 Intersymbol-Interferenz und Nyquist-Pulsformung90
4.3.1 Nyquist-Bandbreite90
4.3.2 Das erste Nyquist-Kriterium92
4.3.3 Kosinus-roll-off-Filter94
4.3.4 Das Augendiagramm96
4.3.5 Leistungsdichtespektrum digitaler Basisbandsignale97
4.3.6 Duobinäre Codierung101
4.4 Fehlerwahrscheinlichkeit104
4.4.1 Fehlerwahrscheinlichkeit bei binärer Übertragung105
4.4.2 Signalangepasstes Filter109
4.4.3 Fehlerwahrscheinlichkeit bei Mehrpegelübertragung114
4.5 Kanalverzerrungen118
4.6 Nebensprechen119
4.7 Scrambling121
4.8 Synchronisation125
4.8.1 Symboltaktsynchronisation126
4.8.2 Rahmensynchronisation131
5 Digitale Modulationsverfahren134
5.1 Bandpasssignale135
5.1.1 Bandpasssignal und äquivalentes Tiefpasssignal135
5.1.2 Äquivalentes Tiefpasssystem139
5.1.3 Hilbert-Transformation144
5.1.4 Leistungsdichtespektrum von Bandpasssignalen145
5.2 Grundlegende Modulationsverfahren147
5.2.1 Amplitudenumtastung147
5.2.2 Phasenumtastung149
5.2.3 Quadratur-Amplitudenmodulation156
5.2.4 Frequenzumtastung158
5.3 Demodulation und Fehlerwahrscheinlichkeit169
5.3.1 Kohärente Demodulation169
5.3.2 Inkohärente Demodulation180
5.4 Multiträgersysteme186
5.5 Empfängerarchitekturen194
6 Kanalcodierung197
6.1 Blockcodes198
6.1.1 Eigenschaften von Blockcodes198
6.1.2 Hamming-Codes202
6.1.3 Codiergewinn206
6.1.4 Zyklische Codes208
6.2 Faltungscodes213
6.2.1 Codierung213
6.2.2 Viterbi-Decodierung218
6.2.3 Decodierung mit/ohne Zuverlässigkeitsinformation222
6.3 Interleaving223
7 Grundlagen der Informationstheorie227
7.1 Information und Entropie227
7.2 Quellencodierung230
7.3 Kanalkapazität233
7.3.1 Diskreter Kanal233
7.3.2 Kontinuierlicher Kanal236
7.4 Spektrale Effizienz digitaler Modulationsverfahren238
8 Digitale Signalverarbeitung241
8.1 Zeitdiskrete Signale und Systeme241
8.1.1 Diskrete Faltung244
8.1.2 Fourier-Transformation zeitdiskreter Signale248
8.1.3 Diskrete Fourier-Transformation250
8.1.4 Die z-Transformation255
8.2 Digitale Filter259
8.2.1 FIR-Filter261
8.2.2 IIR-Filter268
8.3 Entzerrer und adaptive Filter271
8.3.1 Lineare Entzerrung272
8.3.2 Adaptive Entzerrung276
9 Funktions- und Entwurfsprinzipien von Kommunikationsnetzen279
9.1 OSI-Referenzmodell279
9.2 Netztopologien282
9.3 Leitungsvermittlung und Paketvermittlung283
9.4 Zuverlässige Datenübertragung285
9.5 Dimensionierung292
9.5.1 Bediensysteme293
9.5.2 Paketvermittelte Netze295
9.5.3 Leitungsvermittelte Netze298
10 Dienstgüte und Verkehrsmanagement300
10.1 Qualitätsparameter300
10.2 Verkehrsmanagement305
10.2.1 Verkehrsparameter305
10.2.2 Verkehrssteuerung308
11 Mehrfachzugriffsverfahren313
11.1 Prinzipien des Mehrfachzugriffs313
11.2 Dezentrale Zugriffssteuerung317
11.2.1 ALOHA317
11.2.2 Carrier Sense Multiple Access320
11.3 Zentrale Zugriffssteuerung323
12 Transport- und Anschlussnetze326
12.1 Plesiochrone digitale Hierarchie (PDH)327
12.2 Synchrone digitale Hierarchie (SDH)329
12.3 Anschlussnetze332
12.3.1 xDSL-Systeme332
12.3.2 Kabelmodems335
13 Integrated Services Digital Network (ISDN)339
13.1 Grundlagen339
13.2 Netzzugänge341
13.2.1 Basisratenanschluss341
13.2.2 Primärratenanschluss346
13.3 Vermittlungstechnik347
13.4 Signalisierung350
14 Asynchronous Transfer Mode (ATM)355
14.1 Grundlagen355
14.2 Protokollreferenzmodell357
14.2.1 Physikalische Schicht357
14.2.2 ATM-Schicht359
14.2.3 ATM-Anpassungsschicht360
14.2.4 Betrieb und Wartung368
14.3 Vermittlungstechnik370
14.4 Verkehrsmanagement373
14.4.1 Diensteklassen373
14.4.2 Verkehrsparameter und Verkehrsüberwachung373
14.4.3 Verkehrssteuerung377
14.4.4 Qualitätsparameter der ATM-Schicht379
14.5 Signalisierung382
15 Internet Protocol (IP)384
15.1 Grundlagen385
15.2 Adressierung und Routing387
15.3 Transportprotokolle392
15.3.1 Transmission Control Protocol (TCP)392
15.3.2 User Datagram Protocol (UDP)396
15.4 Dienstgüte und Verkehrsmanagement397
15.4.1 Integrated Services397
15.4.2 Differentiated Services399
15.4.3 Multiprotocol Label Switching (MPLS)401
15.4.4 Qualitätsparameter der IP-Schicht402
15.5 Voice over IP403
15.5.1 Real-Time Transport Protocol403
15.5.2 Signalisierung406
15.6 IP Version 6409
Anhang 1: Formelsammlung412
Anhang 2: Tabellen und Theoreme der Fourier- Transformation415
Anhang 3: Standardisierung417
Verzeichnis der Beispiele420
Literaturverzeichnis422
Sachwortverzeichnis427

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