Present_lec_intro_2009

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Einführung in NTM
© Roland Küng, 2013
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Where to find the information ?
• Skript
• Slides
• Exercises
• Lab
https://home.zhaw.ch/~kunr/ntm.html
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Aufgabe beim Entwurf eines
nachrichtentechnischen Systems
Erzeugung und Übertragung
von elektrischer Energie
Übertragung und Verarbeitung
von Informationen
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Analoge Signale
• Analoge Signale verändern sich kontinuierlich mit der
Zeit.
• Beispiele: Trägersignal, Sprache, Musik, Zeilensignal TV
Analog signals: (a) sine wave “tone.” (b) voice. (c) video (TV) signal.
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Digitale Signale
• Digitale Signals ändern sich in diskreten Schritten und
stellen digitale (binäre) Informationen dar.
• Beispiel: Computerdaten, digitalisierte analoge Signale
Digital signals
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Warum Digitale Nachrichtentechnik ?
(unabhängig ob analoge oder digitale Quelle)
Vorteile
• Relative kostengünstige Schaltungstechnik
• Verschlüsselungsmöglichkeit
• Grössere Störfestigkeit
• Übertragungsfehler korrigierbar
• Multiplex verschiedene Quellendaten
analog
Nachteile
digital
• Benötigen in der Regel mehr Bandbreite
• Benötigen zusätzlich eine oder mehrere Synchronisationen
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Top Level Blockschaltbild
SW (DSP)
HW (Analog)
HW (Analog)
Zentrale Rolle des Kanal:
 dämpft
 verzögert,
 verzerrt,
 rauscht
SW (DSP)
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Funktionales Blockschaltbild
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Funktion der Blöcke in einem Satz
Format:
Source Coding:
Encryption:
Channel Coding:
Bringt die Quelleninformation in Bitform
Reduziert unnötige Information im digitalen Datenstrom
Verschlüsselt die digitalen Nachrichtensymbole
Fügt Redundanz hinzu um Fehlerkorrektur zu erlauben oder
dient der Bandbreiten- oder Komplexitätsreduktion im Empfänger
Multiplexer:
Erlaubt das Einbinden mehrer Datenströme in ein Übertragungssignal
Pulse Modulation:
Macht aus den Bits geeignete Wellenformen (PCM, PAM)
Bandpass Modulation: Bildet Wellenformen geeignet für Kanäle, welche eine
pulsförmige Übertragung nicht erlauben
Frequency Spread:
Methoden zum Schutz gegen Störer und variablen Kanal
Multiple Access:
Verfahren das mehreren Teilnehmern die Benutzung eines
Übertragungskanals erlaubt
XMT, RCV:
Front-End Sender und Empfänger, eigentliche Sende- und
Empfangswandler (incl. Antenne, Laserdiode….), Architektur.
Channel:
Übertragungskanal
Synchronisation:
Ist dafür besorgt, dass Zeit und Frequenz im Empfänger mit dem
Sender gleichlaufend sind.
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NTM1 - NTM2: Aufteilung
Die Elektronik dazu:  ASV (2.SJ)
Q
Q-Codierung
& Ciphering
Kanal
Codierung
SenderArchitektur
Übertragung
& Funkkanal
Multiple
Access
S
Q-Dekodierung
& Deciphering
Kanal
Decodierung
Informationstheorie
Kanal Mehrfach-Nutzung
Kanal Codierung
Bsp. Moderne KT-Systeme
Kryptographie
NTM2
Modulation
EmpfängerArchitektur
NTM1
Demodulation
Analoge Modulation
Digitale Modulation
Übertragungskanal & Funk
S/E-Architekturen
Synchronisation
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Der Übertragungskanal
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Kabel gebundene Kanäle
30…100 dB/km
….1 Gb/s
200 dB/km
…100 Mb/s
• Dämpfung AdB : X dB pro km Distanz
d.h. Signal nimmt pro km um gleich viele dB ab
 Dämpfung der Leistung in Distanz d:
A ~ k d  A dB ~ d  log(k )
 Distanz d ist multiplikativer Faktor in AdB
0.2…1 dB/km
….>10 Gb/s
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Koaxiale Kabel
 50 MHz:
3…5 dB/100m
 2.4 GHz: 80…100 dB/100m
 Datenrate ….1 Gb/s
(RG-58 type)
 Wichtig!
 Multiplikativer Faktor für Dämpfung in dB:
 X dB Dämpfung pro 100 m
*Download: http://www.timesmicrowave.com/cable_calculators/
Att*
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Optische Kabel
• Fiber optische Kabel übertragen Lichtimpulse mit
sehr wenig Dämpfung.
Dämpfung 0.2 dB/km
Datenrate bis 40 Gb/s
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Funk im Freiraum / Mobilfunk
• Bei der elektromagnetischen Ausbreitung sind Sender und
Empfänger nicht verbunden und erlaubt so Mobilität
• Ausbreitung im Vakuum, Luft  Maxwell Gleichungen
• Dämpfung AdB : Y dB pro Verdoppelung der Distanz
n=2
d.h. Signal nimmt pro Faktor 2 in d um gleich viele dB ab
 Dämpfung der Leistung in Distanz d:
A~d
n
 A dB ~ n  log d

 Distanz d ist additiver Faktor in AdB
n = 2…4
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Bsp. Cassini-Huygens Mission
Funk gewinnt bei grossen Distanzen gegen Kabel
Saturn: d = 109 km
 Kabel:
 Koax: Dämpfung 30 ·109 dB
 Fiber: Dämpfung 200‘000‘000 dB
 Funk: 20 W @ 8.4 GHz
 Empfang mit 70 m Schüssel 0.2 fW, -127 dBm
 Dämpfung „nur“ 170 dB
dB*
Femto
Watt = 10-15 W
*dB Rechner: Download:http://designtools.analog.com/dt/dbconvert/dbconvert.html
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Warum Schwerpunkt Funk ?
• Schwierigster Kanal
• Komplexeste Modulation
• Aufwändigste Synchronisation
• Schlimmste Störsituation
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Elektromagnetisches Spektrum
• Elektromagnetische Strahlung breitet sich als Welle aus
• Der ganze Frequenzbereich wird als das
elektromagnetische Spektrum bezeichnet und nach
Wellenlänge unterteilt.
ELF VF VLF LF
MF HF VHF UHF SHF
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Knappe Resource: Funkkanal
http://www.ntia.doc.gov/osmhome/allochrt.pdf
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Knappe Resource: Funkkanal
DECT
1890  10 MHz
GNNS
1559 - 1591 MHz
GPS, Galileo,
Beidou, Glonass…
UMTS/LTE
2110 - 2170 MHz
UMTS/LTE
1710 - 1990 MHz
Quelle: http://www.ntia.doc.gov/osmhome/allochrt.pdf
ISM Band
2450  50 MHz
WiFi, BTLE, SRD…
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Funkkanal: 3 Grobbereiche
Unterhalb 2 MHz:
Bodenwelle, das Signal breitet sich weltweit entlang der Erdoberfläche aus.
Auch Langwelle genannt.
2-30 MHz:
Ionosphärische Ausbreitung, das Signal wird an der Ionosphäre (und an der
Erdoberfläche) reflektiert und erlaubt ebenfalls weltweite Kommunikation.
Auch Kurzwelle genannt.
Über 30 MHz:
Ausbreitung Sichtverbindung, geeignet für Satelliten und Kurzdistanzfunk.
Auch UHF- und Mikrowellenfunk genannt.
Heute meist benutzter Bereich: 800 MHz …. 6 GHz
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Ausbreitungsart Funksignale
Langwelle = stabile Bodenwelle
DCF 77 50 kW auf 77.5 kHz
Kurzwelle = globale Reichweite
aber schwierigster Kanal überhaupt
Radio, Seefunk, Militär, Botschaft
UHF / Mikrowelle = Sichtverbindung
GSM 2000 W auf 900 MHz
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Anwendung Frequenz Bereiche
• Extreme low frequency (ELF) 30 bis 300 Hz.
• Voice frequency (VF) 300 bis 3000 Hz. Spektrum der
menschlichen Sprache
• Very low frequency (VLF) 3 bis 30 kHz. Kommunikation
mit U-Boten.
ELF VF VLF
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Anwendung Frequenz Bereiche
• Low frequency (LF) 30 bis 300 kHz. Bodenwelle. WeitDistanz Navigation und Zeitzeichen
• Medium frequency (MF) 300 bis 3000 kHz. Bodenwelle/
Ionosphäre. Weitdistanz Kommunikation und Radio.
• High frequency (HF) 3 bis 30 MHz. Ionosphäre.
Kurzwelle. Welt umspannende Kommunikation / Radio
LF
MF HF
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Anwendung Frequenz Bereiche
• Very high frequency (VHF) 30 bis 300 MHz.
Funksysteme, Militär und UKW Radio
• Ultra high frequency (UHF) 300 bis 3000 MHz
Sichtverbindung. TV, Mobilfunk, WLAN, GPS, RFID
• Super high frequency (SHF) 3 to 30 GHz. Mikrowelle.
Sichtverbindung. WLAN, Satellitenfunk, Richtstrahl,
Radar, ITS Verkehr
VHF UHF SHF
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