1

Einführung in NTM

© Roland Küng, 2013

2

https://home.zhaw.ch/~kunr/ntm.html

Where to find the information ?

• Skript• Slides• Exercises• Lab

3

4

Erzeugung und Übertragung von elektrischer Energie

Aufgabe beim Entwurf eines nachrichtentechnischen Systems

Übertragung und Verarbeitung von Informationen

5

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.

6

Digitale Signale

• Digitale Signals ändern sich in diskreten Schritten und stellen digitale (binäre) Informationen dar.

• Beispiel: Computerdaten, digitalisierte analoge Signale

Digital signals

7

Warum Digitale Nachrichtentechnik ?(unabhängig ob analoge oder digitale Quelle)

Vorteile

• Relative kostengünstige Schaltungstechnik• Verschlüsselungsmöglichkeit• Grösserer Dynamikbereich• Übertragungsfehler korrigierbar• Multiplex verschiedene Quellendaten

Nachteile

• Benötigen in der Regel mehr Bandbreite• Benötigen zusätzlich eine oder mehrere Synchronisationen

analog

digital

8

Top Level Blockschaltbild

Zentrale Rolle des Kanal: dämpft verzögert, verzerrt, rauscht

SW (DSP) HW (Analog) HW (Analog) SW (DSP)

9

Funktionales Blockschaltbild

10

Funktion der Blöcke in einem Satz

Format: Bringt die Quelleninformation in BitformSource Coding: Reduziert unnötige Information im digitalen DatenstromEncryption: Verschlüsselt die digitalen NachrichtensymboleChannel Coding: Fügt Redundanz hinzu um Fehlerkorrektur zu erlauben oder dient der Bandbreiten- oder Komplexitätsreduktion im EmpfängerMultiplexer: Erlaubt das Einbinden mehrer Datenströme in ein ÜbertragungssignalPulse Modulation: Macht aus den Bits geeignete Wellenformen (PCM, PAM)Bandpass Modulation: Bildet Wellenformen geeignet für Kanäle, welche eine pulsförmige Übertragung nicht erlaubenFrequency Spread: Methoden zum Schutz gegen Störer und variablen KanalMultiple Access: Verfahren das mehreren Teilnehmern die Benutzung eines Übertragungskanals erlaubtXMT, RCV: Front-End Sender und Empfänger, eigentliche Sende- und Empfangswandler (incl. Antenne, Laserdiode….), Architektur.Channel: ÜbertragungskanalSynchronisation: Ist dafür besorgt, dass Zeit und Frequenz im Empfänger mit dem Sender gleichlaufend sind.

11

NTM1 - NTM2: Aufteilung

Übertragung& Funkkanal

Modulation

Demodulation

Sender-Architektur

Empfänger-Architektur

KanalDecodierung

KanalCodierung

Q-Codierung& CipheringQ

S Q-Dekodierung& Deciphering

Multiple Access

InformationstheorieKanal Mehrfach-NutzungKanal CodierungBsp. Moderne KT-SystemeKryptographie

Analoge ModulationDigitale ModulationÜbertragungskanal & FunkS/E-ArchitekturenSynchronisation

Die Elektronik dazu: ASV (2.SJ)

NTM1NTM2

12

Kabelgebundener Kanal

• Dämpfung AdB : X dB pro km Distanz

d.h. Signal nimmt pro km um gleich viele dB ab

Dämpfung der Leistung in Distanz d:

Distanz d ist multiplikativer Faktor in AdB

30…100 dB/km….1 Gb/s

0.2…1 dB/km….10 Gb/s

200 dB/km…100 Mb/s

)klog(d~Ak~A dBd

13

Koaxiales Kabel

Wichtig! Multiplikativer Faktor für Dämpfung in dB: X dB Dämpfung pro 100 m

50 MHz: 3…5 dB/100m 2.4 GHz: 80…100 dB/100m Datenrate ….1 Gb/s

Att*

(RG-58 type)

*Download: http://www.timesmicrowave.com/cable_calculators/

14

Optische Kabel

• Fiber optische Kabel übertragen Lichtimpulse mit sehr wenig Dämpfung.

Dämpfung 0.2 dB/km

15

Funk im Freiraum / Mobilfunk

• Dämpfung AdB : Y dB pro Verdoppelung der Distanz

d.h. Signal nimmt pro Faktor 2 in d um gleich viele dB ab

Dämpfung der Leistung in Distanz d:

Distanz d ist additiver Faktor in AdB

dlogn~Ad~A dBn

• Bei der elektromagnetischen Ausbreitung sind Sender und Empfänger nicht verbunden und erlaubt so Mobilität

• Ausbreitung im Vakuum, Luft Maxwell Gleichungen

n = 2

n = 2…3

16

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 Dämpfung „nur“ 170 dB

Femto Watt = 10-15 W

dB*

*Download:http://designtools.analog.com/dt/dbconvert/dbconvert.html

17

Warum Schwerpunkt Funk ?

• Schwierigster Kanal• Komplexeste Modulation• Aufwändigste Synchronisation• Schlimmste Störsituation

18

Elektromagnetisches Spektrum

• Elektromagnetische Strahlung breitet sich als Welle aus• Der ganze Frequenzbereich wird als das

elektromagnetische Spektrum bezeichnet und nach Wellenlänge unterteilt.

VHF UHF SHFELF VF VLF LF MF HF

19

Knappe Resource: Funkkanal

http://www.ntia.doc.gov/osmhome/allochrt.pdf

20

Knappe Resource: Funkkanal

Quelle: http://www.ntia.doc.gov/osmhome/allochrt.pdf

ISM Band: 2450 50 MHz

DECT1890 10 MHz

GPS:1575 MHz

GSM 1800: 1710 – 1880 MHz

21

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

22

Ausbreitungsart Funksignale

Langwelle = stabile BodenwelleDCF 77 50 kW auf 77.5 kHz

Kurzwelle = globale Reichweiteaber schwierigster Kanal überhauptRadio, Seefunk, Militär, Botschaft

UHF / Mikrowelle = SichtverbindungGSM 2000 W auf 900 MHz

23

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

24

• Low frequency (LF) 30 bis 300 kHz. Bodenwelle. Weit-Distanz 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

Anwendung Frequenz Bereiche

LF MF HF

25

• 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

Anwendung Frequenz Bereiche

VHF UHF SHF