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

NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 2

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

NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 3

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,

NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 4

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

NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 5

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

NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 6

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

Digitales NachrichtensystemNTM, 2007/09, Rur, Einleitung, 8

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, ...