Digitales Nachrichtensystem

Kapitel 1: Einleitung
NTM, 2007/09, Rur, Einleitung, 1
Begriffe
Historischer Überblick
Typische Informationsquellen
Standardisierung
Klassifizierung von Signalen
Analoge Nachrichtensysteme
Digitale Nachrichtensysteme
Kursinhalt
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.
Begriffe
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Telekommunikation
Nachrichten- und Informationsaustausch über grössere Entfernungen
Verfügbarkeit von Diensten
kostengünstig, dauernd und unabhängig von der Distanz in
guter Qualität, angepasst an den Empfänger (z.B. Mensch)
Nachrichtentechnik
Technik für Aufnahme, Übertragung, Wiedergabe von Information
Übertragungsaspekt der Telekommunikation
Kursziel: Grundlagen (Physical- und MAC-Layer) der Nachrichtentechnik und Mobilkommunikation kennen / anwenden
Information
hat etwas mit Neuheit, Überraschung zu tun
bei der Informationsweitergabe spricht man oft von „Nachrichten“
bei der Informationsverarbeitung spricht man oft von „Daten“
Nachrichten und Daten werden physikalisch mit Signalen dargestellt
Historischer Überblick
NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 3
Einige Meilensteine der Nachrichtenübertragung
1837
1858
1876
1901
1906
1920
1927
1933
1936
1938
1944
1948
1948
1953
1960
1962
1965
1969
1980
1992
1993
S. Morse erfindet Telegraf und Morsealphabet
Erste Eindraht-Telegrafenverbindung über den Atlantik
A.G. Bell meldet Patent des „Telefons“ an
G. Marconi überträgt Telegramm mit Radiowellen über 1700 Meilen
L. de Forest erfindet Triode (Verstärkung analoger Signale)
Erste AM-Übertragungen
Erstes transatlantisches Telefongespräch via Kurzwellen
E. Armstrong erfindet FM
BBC strahlt erste Fernsehsendung aus
A. Reeves erfindet die Puls-Code-Modulation (PCM)
Entwicklung des ersten Computers
Erfindung des Transistors
C. Shannon begründet Informationstheorie
Erstes transatlantisches Telefonkabel (mit 51 Zwischenverstärker)
Erfindung des Lasers
Telstar I erlaubt erste transatlantische Fernsehübertragung
Erster geostationärer Satellit („early Bird“ bzw. Intelsat I)
Erste brauchbare Glasfaser für die optische Übertragung
Eine Raumsonde überträgt Bilder vom Jupiter und Saturn
Einführung digitaler Mobilfunk (GSM)
Erste ADSL-Verbindung
Standardisierung
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Telekommunikation
ist schon seit sehr langer Zeit global („tele“ heisst „fern“)
ist wirtschaftlich bedeutend geworden („Informationszeitalter“)
Standards sind sehr wichtig wegen
Interoperabilität zwischen Netzen + Systemen versch. Hersteller
Gross-Serien (tiefere Preise) und Investitionssicherheit
Wichtige Normierungsgremien
International Telecommunication Union (ITU-T/-R), UNO, Genf
International Standards Organisation (ISO)
ETSI in Europa, EU, Südfrankreich
CEPT mit dem ERO (European Radio Office), DK
in den USA: ANSI und FCC
IEEE (Normen im Datenkommunikationsbereich)
Regulierungsbehörden (z.B. Bakom in der CH, RegTP in D)
Vergabe Spektrum, Konzessionen, Erlass Vorschriften,
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digitale
Quelle
QuellenEncoder
Cipher
KanalEncoder
Modulator
Tx
A/D-Umsetzung
andere „user“
Multiple Access
digitale
Senke
D/A-Umsetzung
QuellenDecoder
Decipher
KanalDecoder
analoger
Kanal
Rx
Demod.
Klassifizierung von Signalen
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x(t)
analoges Signal
(zeit- und wertkontinuierlich)
t
Abtastung
zeitdiskretes,
wertkontinuierliches Signal
-Ts
Ts
t
Quantisierung
digitales Signal
(zeit- und wertdiskret)
t
Codierung
binäres Signal
t
(zeitdiskret, zweiwertig)
A
D
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Quellenkodierung
Reduktion Redundanz oder Irrelevanz (Datenkompression)
Beispiel: GSM-Vocoder: 13 kb/s, vgl. PCM-Telefonie: 64 kb/s
Chiffrierung
für Geheimhaltung, Integrität und/oder Authentifikation
Ziel: Gegner muss alle Schlüssel durchprobieren
Kanalkodierung (FEC)
hinzufügen von „etwas“ Redundanz zur Fehlerkorrektur
Beispiel: GSM-TCH/F: 22.8 kb/s
Modulation
HF-Kanalanpassung: Information wird analogem Träger aufgeprägt
180 Grad
1
1
0 Grad
1
0
90 Grad
0
0
-90 Grad
1
1
180 Grad
0
1
0 Grad
1
0
Bandbreite B
0
primär proportional zur
0
Symbolrate RSymbol
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12 t [ms]
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Up-Converter
(Mischer)
Power
Amplifier
Tx Front-End
(BP-) Filter
IQModulator
Daten
Rx / Tx
Duplexer
IQDemodulator
Daten
Kanalbzw. IF-Filter
Base-Band
Down-Converter
(Mischer)
Low-Noise
Amplifier
IF-Band
Rx Front-End
(BP-) Filter
RF-Band
HF-Kanäle
Amplitude
Frequenz
DC
fIF
fRx
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GSM Chipset (Quelle Siemens)
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Multiple Access
viele Teilnehmer kommunizieren über das gleiche Medium / System
Benutzertrennung via Zeit, Frequenz, Code, Raumwinkel usw.
Netzaspekt ist mindestens so wichtig wie die P2P-Kommunikation
Kanal
bestimmt letztendlich die Kommunikationsmöglichkeiten
z.B. die maximale Datenrate, die Reichweite
Kommunikation über diverse Medien
z.B. Luft, Kabel, Glas, Wasser
Einsatz von diversen Trägern
z.B. EM-Wellen (Licht, Radiowellen), Magnetfeld, Schall
es gibt unterschiedliche Störungen
z.B. thermisches Rauschen, Mehrweg, Funkrauschen
Nachrichten werden über „verrauschte“ Kanäle übertragen
Grenzen der Kommunikation
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Kanalkapazität (Shannon, 1948)
= max. Rate für „fehlerfreie“ Datenübertragung über „noisy channel“
Kapazität des AWGN-Kanals zeigt wichtigste Einflussgrössen
AWGN
z[n]
Rauschleistungsdichte [W/Hz]
N0
x[n]
Bandbreite B
Kanal
y[n]
f [Hz]
1 N 2
Signalleistungsbeschränkung  x [n]  P
N n0

„fehlerfreie“ Kommunikation wenn R  C  B  log2 1 

Beispiel
P 
 [bit/s]
N0B 
SNR
Signal-to-Noise-Ratio
Telefonkanal mit B = 3100 Hz und SNR = 40 dB: R < 41.2 kb/s
BER versus SNR
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QAM-Datenübertragung über AWGN-Kanal
AWGN
z[n]
x[n]
y[n]
charakterisiert durch
Signal-zu-Geräuschverhältnis
SNR = Eb / N0
Symbolfehlerrate ≈ BER
Kurs NTM 1
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Signalanalyse
Rep. analoge / digitale Signale, stochastische Signale, Rauschen
analoge Systeme
Pegelplan, lineare/nichtlin. Verzerrungen, Rauschzahl, AWGN-Kanal
Übertragung analoger Signale
a/b-Telefonie, AM/FM/PM, UKW, KW/MW/LW, Fernsehen
Digitale Datenübertragung im Basisband
Leitungen, LWL, PCM, Leitungscodes, Pulsformung, ISI, Nyquistfilter
Digitale Modulation
ASK, PSK, FSK, QAM, OFDM, Bsp: RFID, DECT, GSM, ADSL
Moderne Sende- und Empfangskonzepte
Rx/Tx-Filter, LNA, Mischung, IQ-Mod./Demod., DDS/DDC, PLL,
Scrambling, Interleaving, Equalizer, Synch., matched-Filter, Rx-Div.
Multiplexverfahren
SDMA, TDMA, FDMA, CDMA, FH, Random Access [aloha,
CSMA/CA], Beispiele: GSM, UMTS, WLAN, GPS, Bluetooth
Kurs NTM 2
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Funkkanal
Freiraumausbreitung, Antennen, Mehrwegkanal
Funknetzplanung
Linkbudget, Antennensysteme, Ausbreitungsmodelle, ErlangVerkehr, Zellulartechnik, Beispiele: GSM, UMTS
Quellencodierung bzw. Datenkompression
Informationsmass, Redundanz-, Irrelevanzreduktion [z.B. JPEG]
Kanalcodierung bzw. Fehlerschutzcodierung
Kanalkapazität, Fehlerdetektion/-korrektur, BER-Performance,
Block- und Faltungscodes, Viterbi-Dekoder, TCM, Turbo-Codes
Einführung in die Chiffrierung
Schlüssel/Algorithmus, symmetrische/asymm. Chiffrierverfahren
PHY bzw. Luftschnittstelle wichtiger digitaler Nachrichten-Systeme
ADSL, Fast-Ethernet
GSM, UMTS, DECT, WLAN, RFID, DAB, DVB, BT, ...