Fragen

Drahtlose Kommunikation zwischeninformationstechnischen Systemen

Florian Franzmann∗

7. April 2009, 23:51 Uhr

Abbildungsverzeichnis

1 1:1-Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 1:N-Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 M:N-Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Die Kanalmodelle I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 Die Kanalmodelle II – Rice-Kanal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Der Übertragungskanal – Sender . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 Der Übertragungskanal – Empfänger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Die Familie der Kanalcodierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 Der MPEG-1 Layer 3 Codierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2810 Regular Pulse Excitation Long Term Predictor Codec . . . . . . . . . . . 3211 Bewegtbildcodierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

Tabellenverzeichnis

1 Codecs und ihre Datenraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Vergleich von GSM und DECT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

Inhaltsverzeichnis

1 Stand der Technik 2

∗siflfran@hawo.stw.uni-erlangen.de

1

1 Stand der Technik

2 Kommunikationsstrukturen 7

3 Funkkanal 10

4 Empfangs- und Sendetechnik 20

5 Systeme 23

6 Kanalcodierung 25

7 Quellcodierung 277.1 Sprachcodierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317.2 Bildcodierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

8 Systemüberlegungen für eine störsichere Übertragung 33

9 Digitale Rundfunksysteme 35

1 Stand der TechnikFrage 1.1Können hochwertige Videoinformationen mit ISDN übertragen werden?

Antwort 1.1Die maximale Datenrate eines ISDN-Kanals beträgt 7,2 kB/s. Ein hochwertiges Videohabe mindestens eine Auflösung von 720 · 576 Pixeln bei 24 bit pro Pixel und keinestörenden Artefakte. Bei Codierung mit MPEG2 ergeben sich aus diesen Forderungenmindestens 4 Mbit/s, also 512 kB/s, was in dem gegebenen Kanal nicht unterzubringenist.

Frage 1.2Welche prinzipiellen Unterschiede bestehen zwischen leitungsgebundenen und drahtlosenFunksystemen bezüglich der Übertragungskapazität?

Antwort 1.2Bei drahtloser Kommunikation ist Bandbreite teuer, da rar. Bei leitungsgebundenerKommunikation kann wesentlich freier über die Bandbreite verfügt werden, weshalbleitungsgebundene Übertragung bezüglich der Datenrate größere Kapazitäten hat.

Frage 1.3Was gibt es für Systeme?

Antwort 1.3• Mobilkommunikation:

– GSM mit maximal 2 W Sendeleistung bei 450, 900 und 1800 MHz, zellular,9,6 kBit/s, mit EDGE bis zu 395 kBit/s.

2

1 Stand der Technik

– DECT mit maximal 250 mW bei 1880 bis 1900 MHz, 1,152 MBit/s, bis zu 40 mReichweite in Gebäuden, bis zu 350 m im Freien.

– UMTS

• Rundfunk: DAB, DRM, DVB-C, DVB-H, DVB-S.

• WLAN: 802.11a..g, Bluetooth

• RF-ID

• Telemetrieanwendungen in den ISM-Bändern (135 kHz bis 5,3 GHz).

• WLL

• Seefunk

• Optische Übertragung

Frage 1.4Wie hoch ist die Datenrate einer Audio-CD?

Antwort 1.4

44100 Hz · 16 Bit/Abtastwert · 2 Kanale ≈ 1,4 MBit/s (1)

Frage 1.5Welche Codecs haben welche Datenrate?

Antwort 1.5Siehe Tabelle 1.

Frage 1.6Zeichnen Sie verschiedene Kommunikationsstandards in ein Diagramm bezüglich Mobi-lität und Datenrate ein!

Antwort 1.6Siehe Abbildung...TODO.

Frage 1.7Was ist GPRS/EDGE?

Antwort 1.7Erweiterungen des GSM-Standards mit dem Ziel höhere Datenraten zu erreichen.

Frage 1.8Was ist DECT?

Antwort 1.8Ein europäischer, inzwischen weltweit verbreiteter Standard für drahtlose Kommunika-tion kurzer Reichweite.

3

1 Stand der Technik

Tabelle 1: Codecs und ihre Datenraten

Codec Datenrate in kBit/s

MPEG-2/4 AAC 5+1 320

MPEG-2 Layer 3 192

MPEG-2/4 AAC 128

G721 32

G723.1 5,3

MPEG-2 Video 165,9 ⇒ 4 MBit/s

MPEG-4 Video 40,5 ⇒ 0,5 MBit/s

Frage 1.9Welche Modulationsverfahren werden eingesetzt?

Antwort 1.9Bei GSM GMSK, bei DECT GFSK. Außerdem gibt es noch Varianten von ASK, PSK,FSK und QAM.

Frage 1.10Welche Unterschiede gibt es zwischen GSM und DECT?

Antwort 1.10Siehe Tabelle 2.

Frage 1.11Welche Frequenzbänder sind typisch für ISM?

Antwort 1.11ISM belegt Frequenzbänder im Bereich von 119 kHz, 870 MHz, 2,4 GHz, 5,8 GHz.

Frage 1.12Welche Vorteile haben bidirektionale, asymmetrische Kommunikationssysteme?

Antwort 1.12Die Sendedatenrate der einen Seite ist erheblich geringer, wodurch die benötigte Band-breite ebenfalls sinkt. Dadurch müssen weniger Frequenzbänder erworben werden, die

4

1 Stand der Technik

Tabelle 2: Vergleich von GSM und DECT

Standard Leistung in W Frequenzbereich in MHz Datenrate in kBit/s

GSM 2 450, 900, 1800 2,4 bis 13

DECT 0,25 1880 bis 1900 25,6 bis 32, allerdings ohne Kanalcodierung

Kosten sinken. Gleichzeitig bleibt die Möglichkeit erhalten ein ARQ-Protokoll zu ver-wenden, wodurch sichergestellt werden kann, daß der Empfänger die Nachricht erhaltenhat.

Frage 1.13Erklären Sie den Unterschied zwischen unidirektionaler und bidirektionaler Kommuni-kation!

Antwort 1.13Unidirektionale Kommunikation erfolgt nur in eine Richtung, d. h. ohne Rückkanal. Bi-direktionale Kommunikation hat einen Rückkanal und bietet somit die Möglichkeit inErfahrung zu bringen ob die Nachricht korrekt empfangen wurde oder nicht.

Frage 1.14Nennen Sie ein Beispiel für unidirektionale Kommunikation!

Antwort 1.14Hörrundfunk, Fernsehen.

Frage 1.15Ist Rundfunk bidirektionale Kommunikation? Warum?

Antwort 1.15Nein, denn es gibt keinen Rückkanal.

Frage 1.16Stellen Sie sich Softwareverteilung ohne Rückkanal vor. Wie wird sichergestellt, daß dasUpdate fehlerfrei ist?

Antwort 1.16Der Absender signiert das Update mittels eines Private-Public-Key-Verfahrens.

Frage 1.17Was kann getan werden bei fehlerhafter Übertragung im unidirektionalen Kanal?

5

1 Stand der Technik

Antwort 1.17Die Nachricht kann durch Kanalcodierung, Interleaving und Frequency Hopping vorVerfälschung geschützt werden.

Frage 1.18Welchen generellen Nachteil haben unidirektionale Systeme?

Antwort 1.18Es ist kein ARQ möglich. Der Sender kann nicht in Erfahrung bringen ob der Empfängerdie Nachricht erhalten hat.

Frage 1.19Wie erweitert man deshalb unidirektionale Systeme? Welche zusätzliche Funktionalitätergibt sich eigentlich durch einen Rückkanal?

Antwort 1.19Man fügt zu einem unidirektionalen System einen Rückkanal hinzu, wodurch der Senderin die Lage versetzt wird zu erfahren welche Nachrichten ordnungsgemäß empfangenwurden und welche noch einmal gesendet werden müssen.

Frage 1.20Wie kann man bei unidirektionalen Systemen die Wahrscheinlichkeit erhöhen, daß derEmpfänger die richtigen Informationen erhalten hat?

Antwort 1.20Man kann Kanalcodierung und Interleaving verwenden und so die Störanfälligkeit ver-mindern.

Frage 1.21Stellen Sie die Vor- und Nachteile drahtloser zu drahtgebundener Kommunikation heraus!

Antwort 1.21• Vorteile:

– Nahezu wahlfreier Zugriff auf Informationen von beliebiger Stelle aus.

– Mobilität durch hohe Verfügbarkeit innerhalb der Systemgrenzen.

– Einbettung von Endgeräten in Gebrauchsgegenstände.

– Steuerung und Überwachung von schwer zugänglichen Systemen (Telemetrie,Telecontrol).

– Positionsbestimmung.

– Verteilung von Information an eine große Zahl von Empfängern (Rundfunk).

• Nachteile:

– Niedrige Übertragungsraten.

– Begrenztes Frequenzspektrum, nationale Restriktionen.

– Interferenz.

6

2 Kommunikationsstrukturen

– Störanfälligkeit, Störung oft orts- und zeitabhängig.

– Einschränkungen bei den Endgeräten aufgrund ihrer Größe und verfügbarerBatterieleistung.

– Aufwändige Übertragungsprotokolle.

– Umstritten hinsichtliche biologischer Verträglichkeit.

Frage 1.22Nennen Sie einige Beispiele für Anwendungsfelder, in denen drahtlose Kommunikationbesonders interessant ist!

Antwort 1.22• Mobilkommunikation.

• Terrestrischer und satellitengestützter digitaler Rundfunk.

• Positionsbestimmung und Navigation im Freien und in Gebäuden.

• Drahtloses, mobiles Internet.

• Mobiles Büro.

• Intelligentes Haus.

• Schutz und Sicherheit.

• Verkehr: Multimedia-Rundfunk, Positionsbestimmung, Leitsysteme, Fernwartung,Gebührenberechnung.

• Medizin, Notfälle ⇒ Ferndiagnose.

• Schneller Aufbau bzw. Ersatz von Festnetzinfrastrukturen.

• Bildung.

• Ad-Hoc-Netzwerke für Mehrbenutzerspiele.

2 KommunikationsstrukturenFrage 2.1Skizzieren Sie Topologien von Übertragungsverfahren!

Antwort 2.1Siehe Abbildungen 1, 2 und 3.

Frage 2.2Nennen und erläutern Sie drei wesentliche Signalzugriffsverfahren!

Antwort 2.2Frequenzmultiplex Aufteilung des Spektrums in schmale Frequenzbänder.

7

2 Kommunikationsstrukturen

AB

(a) bidirektional asymme-trisch

AB

(b) bidirektional symme-trisch

AB

(c) unidirektional

Abbildung 1: 1:1-Kommunikation

T4

T5

T2

T3

T1

R

(a) ohne Rückkanal

T4

T2

T3

T1

S

R

(b) mit Rückkanal

Abbildung 2: 1:N-Kommunikation

8

2 Kommunikationsstrukturen

S/E 2

S/E 3

S/E 1

S/E 6

S/E 4

S/E 5

Abbildung 3: M:N-Kommunikation

9

3 Funkkanal

Zeitmultiplex Aufteilung in Zeitschlitze.

Codemultiplex Umsetzung der einzelnen Bits in orthogonale Codesequenzen.

Frage 2.3Was unterscheidet Simplex-, Halbduplex- und Vollduplexverbindungen?

Antwort 2.3Simplex Unidirektionale Verbindung.

Halbduplex Bidirektionale Verbindung, allerdings kann die Verbindung immer nur voneinem der beiden Teilnehmer genutzt werden.

Vollduplex Bidirektionale Verbindung, die von beiden Teilnehmern gleichzeitig genutztwerden kann.

3 FunkkanalFrage 3.1Welches Phänomen hat Hertz nachgewiesen?

Antwort 3.1Die Elektromagnetische Welle.

Frage 3.2Wo liegt die ungefähre Trennung zwischen Hoch- und Niederfrequenzbereich?

Antwort 3.2Bei 30 kHz.

Frage 3.3Welche beiden Größen werden durch die Wellengleichung zueinander in Bezug gesetzt?Welche Konstante ist dabei maßgeblich?

Antwort 3.3Die Wellengleichung setzt E- und B-Feld zueinander in Beziehung. Maßgebliche Kon-stante ist die Lichtgeschwindigkeit.

Frage 3.4Was ist der Poyntingvektor? Wodurch wird er definiert?

Antwort 3.4Der Poyntingvektor zeigt in Ausbreitungsrichtung elektromagnetischer Wellen und istdefiniert als

~S =1µ0·(

~E × ~B)

(2)

Er steht senkrecht auf der von E- und B-Feld aufgespannten Ebene.

Frage 3.5Wie erfolgt die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle im Vergleich zu ihrem ma-gnetischen und elektrischen Feld?

10

3 Funkkanal

Antwort 3.5Sie breitet sich senkrecht zu der von den beiden Feldern aufgespannten Ebene mit Licht-geschwindigkeit aus.

Frage 3.6Was versteht man unter effektiver Antennenfläche? Wie ist sie definiert?

Antwort 3.6Die Effektive Antennenfläche Aeff gibt an wie viel Leistung pro Strahlungsdichte dieAntenne aufnehmen kann. Sie ist definiert als

Aeff =λ2

0

4π·GE (3)

Frage 3.7Wie groß ist der Wellenwiderstand des freien Raumes?

Antwort 3.7

π · 120 Ω (4)

Frage 3.8Was bedeutet Strahlungsdichte anschaulich? Wie ist sie definiert?

Antwort 3.8Leistung pro bestrahlte Fläche. Sie ist definiert als

S = PS ·1

4πr2·GS (5)

Frage 3.9Was versteht man unter dem isotropen Strahler? Ist er realisierbar? Warum?

Antwort 3.9Eine punktförmige, in alle Richtungen gleichmäßig strahlende Antenne. Er kann nichtrealisiert werden, da eine punktförmige Antenne technisch nicht machbar ist. Jede realeAntenne hat eine Richtwirkung.

Frage 3.10Leiten Sie die Formel für die Leistungsdichte im Abstand r für einen isotropen Strahlerher!

Antwort 3.10

S =1

4πr2︸︷︷︸Kugeloberfläche

· PS (6)

Frage 3.11Was ist ein Dipol?

11

3 Funkkanal

Antwort 3.11Der einfachste technisch realisierbare Strahler. Er hat Vorzugsrichtungen und einen An-tennengewinn.

Frage 3.12Wo liegt der Unterschied zwischen isotropem und nichtisotropem Strahler?

Antwort 3.12Der nichtisotrope Strahler hat Vorzugsrichtungen und einen Antennengewinn.

Frage 3.13Wie groß ist die Strahlungsleistungsdichte eines isotropen Strahlers mit der SendeleistungP und der Frequenz f in der Entfernung r?

Antwort 3.13

S =PS

4πr2· c2

4πf2·GS =

E2

Z0(7)

mit GS = 1.

Frage 3.14Was versteht man unter dem Antennengewinn einer Sendeantenne? Was unter dem An-tennengewinn einer Empfangsantenne? Wovon hängen diese Parameter ab?

Antwort 3.14Der Antennengewinn ist der Faktor, um den die Sendeleistung gegenüber einem isotropenStrahler durch die Richtwirkung der Antenne verstärkt wird. Da Antennen reziprok sindgilt diese Verstärkung auch in Empfangsrichtung.

Frage 3.15Wie verhält sich die Empfangsleistung abhängig von der Entfernung und Frequenz?

Antwort 3.15Sie sinkt proportional zum Quadrat von Entfernung und Frequenz:

PE =PS · c2

4π · r2 · f2 · 4π·GE ·GS (8)

Frage 3.16Welche Einflußfaktoren wirken auf die reale Ausbreitungsdämpfung?

Antwort 3.16• Frequenzabhängige Freiraumdämpfung

• Antennenhöhe

• Geländetopographie ⇒ Mehrwegeempfang

• Nichtlineare frequenzabhängige Dämpfung durch die Atmosphäre

12

3 Funkkanal

• Beugung, Ablenkung, Reflexion, Brechung, Streuung

Frage 3.17Was versteht man unter Schwund? Welche Arten von Schwund gibt es?

Antwort 3.17Beeinflussung des Übertragungskanals durch Mehrwegeausbreitung, Relativgeschwindig-keit des Senders, Empfängers und von Objekten im Signalpfad. Man unterscheidet

• Schnelles Fading: Ortsabhängige hohe Dämpfung oder Auslöschung von Frequenz-komponenten über kurze Entfernung und Zeitintervalle, verursacht z. B. durch ge-änderte Übertragungswege. ⇒ Pulsaufweitung

• Langsames Fading: Langsame Änderung der Signalleistung.

• Flaches Fading: Gleichmäßige Dämpfung des Spektralbereichs. Liegt vor, wenn dieKohärenzbandbreite des Kanals größer ist als die Bandbreite des Signals.

• Frequenzselektives Fading: Verzerrung des Spektrums durch Fading. Liegt vor,wenn die Kohärenzbandbreite des Kanals kleiner als die Bandbreite des Signalsist.

Frage 3.18Wie schützt man sich bei flachem, zeitselektivem Schwund gegen Übertragungsfehler?

Antwort 3.18Durch Interleaving.

Frage 3.19Welche Rolle spielt dabei der Interleaver?

Antwort 3.19Er vertauscht vor dem Senden Zeitschlitze, so daß Bündelfehler sich nach dem Deinter-leaving so verteilen, daß sie durch Kanalcodierung korrigiert werden können.

Frage 3.20Was versteht man unter Mehrwegeausbreitung?

Antwort 3.20Das Signal erreicht den Empfänger mehrfach phasenversetzt durch Reflexion, Streuung,Beugung etc. an Objekten im Signalpfad. Durch Mehrwegeausbreitung kann es zu In-terferenzen zwischen Nachbarsymbolen kommen.

Frage 3.21Welche Faktoren bestimmen die Signalausbreitung?

Antwort 3.21• Direkte Sichtverbindung

• Mehrwegeausbreitung

13

3 Funkkanal

Frage 3.22Welche möglichen Ursachen kann eine Mehrwegeausbreitung haben? Welche Folgen kanneine Mehrwegeausbreitung beim Empfänger haben?

Antwort 3.22Ursache der Mehrwegeausbreitung sind Reflexion, Beugung und Streuung an Objektenim Signalpfad. Ihre Folge ist das Fading.

Frage 3.23Was versteht man unter einer Doppler-Verschiebung? Wann liegt ein komplettes Dopp-lerspektrum vor? Wie ist das Dopplerspektrum definiert?

Antwort 3.23Eine Stauchung oder Spreitzung im Spektralbereich als Folge von Bewegung des Senders,Empfängers bzw. von Objekten im Signalpfad. Ein komplettes Dopplerspektrum liegtvor, wenn Wellen aus unterschiedlichen Richtungen einfallen. Das Dopplerspektrum istdefiniert als

fD =1

TC(9)

wobei TC die Geschwindigkeit der Kanaländerung ist.

Frage 3.24Was versteht man unter dem Delay Spread? Wie wird er prinzipiell berechnet? WelcheGröße wird aus dem Delay Spread abgeleitet? Was bedeutet das anschaulich?

Antwort 3.24Delay Spread ist eine Verzerrung, die dadurch hervorgerufen wird, daß ein identischesSignal mehrfach phasenversetzt beim Empfänger ankommt. Den Zeitunterschied zwi-schen dem Eintreffen des ersten und des letzten identischen Signals bezeichnet man alsDelay Spread. Aus dem Delay Spread wird die Kohärenzbandbreite abgeleitet. Dies istdiejenige Bandbreite innerhalb derer der Schwund noch flach erscheint.

Frage 3.25Welche Kanalmodelle gibt es?

Antwort 3.25AWGN-Kanal-Modell Stationärer Empfang überlagert durch weißes gaußsches Rau-

schen.

Rayleigh-Kanal-Modell Nicht-frequenzselektiver Fadingkanal. Beschreibt einen Kanalohne direkte Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger.

r(t) = s(t) · h(t) + n(t) (10)

h(t) = a(t)︸︷︷︸Rayleigh-verteilt

·ejφ(t) (11)

14

3 Funkkanal

r(t)

n(t)s(t)

+

(a) AWGN

h(t)

r(t)

n(t)

s(t)

weisses Rauschen

+

x

√s(fD)

(b) Rayleigh

Abbildung 4: Die Kanalmodelle I

15

3 Funkkanal

s(t)

r(t)

h′(t)

h(t)

n(t)

weisses Rauschen

√1

k+1

√k

k+1+

+

x

x

√s(fD)

Abbildung 5: Die Kanalmodelle II – Rice-Kanal

16

3 Funkkanal

Rice-Kanal-Modell Fading-Kanal mit direkter Sichtverbindung und Streukompo-nenten. Das Fading ist nicht frequenzselektiv und es wird an-genommen, daß das Delay-Spread ∆ erheblich kleiner als dieSymbollänge ist.

r(t) = s(t) · h(t) + n(t) (12)

h(t) = a(t)︸︷︷︸Rice-verteilt

·ejφ(t) (13)

Der Rice-Kanal stellt eine Kombination aus AWGN- und Rayleigh-Kanal dar. Der Faktor k bestimmt die Gewichtung.

Frage 3.26Bei welcher Frequenz liegt das L-Band?

Antwort 3.260,39-1,55 GHz

Frage 3.27Wie ist die Kanalkapazität laut Shannon definiert? Was versteht man unter Bandbrei-teneffizienz?

Antwort 3.27Kanalkapazität C = B · log2

(1 + S

N

)Bandbreiteneffizienz ηBmax = C

B = log2

(1 + S

N

)⇒ Datenrate pro Bandbreite.

Frage 3.28Welche beiden wichtigen Organisationen sind bezüglich Frequenzregelung zuständig?

Antwort 3.28Die ITU und die ETSI.

Frage 3.29Zeichnen Sie den Übertragungskanal von der Quelle bis zur Senke!

Antwort 3.29Siehe Abbildung 7.

Frage 3.30Welchen Sinn macht Kanalcodierung? Welche Arten von Kanalcodierung gibt es?

Antwort 3.30Kanalcodierung fügt Redundanz in ein Signal ein mit dem Ziel sicherzustellen, daßder Empfänger das möglicherweise gestörte Signal dekodieren kann. Man unterscheidetBlock- und Faltungscodes.

Frage 3.31Wodurch entstehen Fehler bei der Übertragung? Nennen Sie typische Arten von Störun-gen!

17

3 Funkkanal

Quellcodierung

Antenne

A/D

HF-Filter

Quelle

Modulator

Lokaloszillator ZF-Filter

Kanalcodierung

Kanalzugriff

Leistungsverstärker

Mischer

D/A

Abbildung 6: Der Übertragungskanal – Sender18

3 Funkkanal

A/D

HF-Filter

Lokaloszillator

Mischer

D/A

RauscharmerVerstärker

Sinke

Kanaldekodierung

Empfangsantenne

Quelldecodierung

ZF-Filter

Demodulator

Abbildung 7: Der Übertragungskanal – Empfänger

19

4 Empfangs- und Sendetechnik

Antwort 3.31Durch Eigenstörung (getaktete Baugruppen, instabile Betriebsspannung, Antennenrück-wirkung, Eigenrauschen des Verstärkers, nichtlineare Verzerrungen, Intermodulation,Blocking) und durch Schwund.

Intermodulation Ansteuern mit zwei verschiedenen Frequenzen erzeugt durch nichtlinea-re Verzerrung weitere Spektrallinien bei den Differenzfrequenzen. DerIntermodulationsabstand ist der Pegelunterschied zwischen erwünsch-ten und nicht erwünschten Frequenzen.

Blocking Empfindlichkeitsverlust des Empfängers durch starke Störsender. Über-steuerung vermindert die differentielle Verstärkung.

4 Empfangs- und SendetechnikFrage 4.1Durch welche Kenngrößen werden Empfänger charakterisiert?

Antwort 4.1Selektivität Filterung eines gewünschten Frequenzbandes aus einem Gemisch

hochfrequenter Signale.

Empfindlichkeit Minimale Empfangsleistung, mit der der Empfänger noch arbeitet.

Störfestigkeit Unempfindlichkeit gegen äußere Störsignale; wird durch Linearitätund Filterung bestimmt.

Dynamik Regelung des empfangenen Signalpegels um Dämpfungsunterschiedeauszugleichen. Wichtig bei mobilen Anwendungen.

Leistungsaufnahme Für mobile Anwendungen entscheidend. Stark vom Integrationsgradabhängig.

Frage 4.2Welche Multiplexverfahren werden bei GSM verwendet?

Antwort 4.2TDMA und FDMA.

Frage 4.3Welchem Zweck dient der Mischer im Sender? Welche Eigenschaften sollte ein guterMischer haben?

Antwort 4.3Der Mischer dient der Überlagerung zweier Frequenzen zu Kombinationsfrequenzen.

Wünschenswerte Eigenschaften:

• Gute Übersteuerungsfestigkeit

• Geringes Rauschen

20

4 Empfangs- und Sendetechnik

• Hohe Isolation zwischen seinen Anschlüssen

• Geringer Stromverbrauch

• Kompakte Bauweise

Frage 4.4Was versteht man unter dem Spiegelfrequenzproblem? Wie kann man es lösen?

Antwort 4.4Signal- und Spiegelfrequenz werden beim Mischen auf die gleiche Frequenz abgebildet.Die Spiegelfrequenz muß vor dem Mischen gefiltert werden.

Frage 4.5Erklären Sie die Rolle von Spiegelfrequenzen und Kanalfilter bei der Wahl der Zwischen-frequenz!

Antwort 4.5Hohe Zwischenfrequenz Kanalfilter muß hohe Güte haben, Spiegelfrequenz wird gut

gefiltert.

Niedrige Zwischenfrequenz Kanalfilter geringer Güte ausreichend, aber schlechte Filte-rung der Spiegelfrequenz.

Frage 4.6Welche Vor- und Nachteile bietet ein Superheterodynepmfänger? Ein Doppelsuperhete-rodynempfänger? Ein Zero-IF-Empfänger?

Antwort 4.6• Superheterodyn:

– Vorteile: Geringe Komplexität, gute Selektivität, Intermodulationsfestigkeit,hochwertige ZF-ICs verfügbar.

– Nachteile: Schaltungsaufwand mit externen Komponenten, geringer Integra-tionsgrad, Spiegelfrequenzproblem erzwingt IR-Filter hoher Güte.

• Doppelsuperheterodyn:

– Vorteile: Spiegelfrequenz gut filterbar, kleinere Güte des Spiegelfrequenzfiltersnotwendig, höhere Kanalselektivität, Großsignalfestigkeit.

– Nachteile: Viele externe Filter, viele 50 Ω-Schnittstellen nötig, höherer Schal-tungsaufwand, höherer Stromverbrauch, höhere Kosten, zwei Mischer erfor-derlich.

• Zero-IF:

– Vorteile: Kein Spiegelfrequenzproblem, digitales Kanalfilter kann intergriertwerden, einfache Architektur, gut integrierbar, multimodefähig.

21

4 Empfangs- und Sendetechnik

– Nachteile: Geringe Großsignalfestigkeit, „Mitziehen“ des Oszillators bei hohenEingangspegeln, Durchgriff des Lokaloszillators zur Antenne, DC-Offset amAusgang.

Frage 4.7Welchen Vorteil bietet die Verwendung einer Zwischenfrequenz?

Antwort 4.7Das Filter für die Spiegelfrequenz ist leichter zu realisieren.

Frage 4.8Durch welche Kenngrößen werden Sender charakterisiert?

Antwort 4.8Sendefrequenz Ist festgelegt und muß überwacht werden.

Sendeleistung Bestimmt die Reichweite des Systems, wird begrenzt durch die Re-gulierungsbehörden. Kriterium für die Linearität.

Nebenaussendungen Unerwünschte Oberwellen außerhalb des gewünschten Frequenz-bandes. Störpotential für andere Systeme, bestimmt den Aufwandfür Filterung und Linearität. Festgelegte Maximalpegel.

Linearität Meist entscheidend für abgestrahlte Störungen, kostet Leistungbzw. erfordert mehr Komplexität.

Leistungsaufnahme Stationär unkritisch, bei mobilen Sendern entscheidend.

Frage 4.9Was bedeutet Tranceiver?

Antwort 4.9Ein Tranceiver vereint Sender und Empfänger.

Frage 4.10Was macht ein Repeater? Welche Anforderungen stellen sich dadurch an ein solchenGerät?

Antwort 4.10Ein Repeater empfängt ein Signal, verstärkt es, nimmt evt. eine Frequenzumsetzung vor,ändert eventuell das Modulationsverfahren und strahlt das Signal wieder ab.

Anforderungen: Hohe Verstärkung, mittlere Ausgangsleistung, hohe Linearität, gerin-ge Rauschzahl, geringes Volumen, Robustheit, Wetterbeständigkeit, Fernüberwachbar-keit, kostengünstig in Anschaffung und Betrieb.

Frage 4.11Welchen Sinn hat das Filter am Eingang des Empfängers?

Antwort 4.11Es wählt das richtige Frequenzband aus.

22

5 Systeme

5 SystemeFrage 5.1Nennen Sie wichtige Modulationsverfahren!

Antwort 5.1Für Sinusträger • ASK

• FSK

• PSK, OPSK – Übertragung von Q- und I-Anteil um eine halbeSymboldauer TS versetzt.

Für Pulsträger • PCM, DPCM, ADPCM, DM, ADM

• CPM: Konstante Einhüllende und stetige Phase. Vorteile: GeringeAußerbandstrahlung und einfache Sendertechnik. Nachteil: Kom-plizierte Empfängertechnik.

• GFSK, GMSK: Filterung mit einem Gaußimpuls im Basisband.GMSK hat das geringstmögliche Zeit-Bandbreitenprodukt.

• OFDM: Einzelne Bits werden auf mehrere orthogonal modulierteTräger verteilt.

Frage 5.2Warum verwendet man Modulation?

Antwort 5.2Digitale Modulation Umsetzung digitaler Daten auf ein analoges Signal.

Analoge Modulation Verschieben der Mittenfrequenz.

Frage 5.3Nennen Sie einige Vorteile von CPM!

Antwort 5.3• Konstante Einhüllende ⇒ effizienter Leistungsverstärker

• Geringe Außerbandstrahlung

• einfache Sendertechnik

Frage 5.4Wozu dient Pulsformung?

Antwort 5.4Zur Verkleinerung der benötigten Bandbreite.

Frage 5.5Welche Modulationsverfahren verwenden DECT/GSM?

Antwort 5.5DECT verwendet GFSK, GSM verwendet GMSK.

23

5 Systeme

Frage 5.6Welche Vorteile bietet die MSK?

Antwort 5.6Konstante Einhüllende. Die GMSK erreicht das geringstmögliche Zeit-Bandbreite-Produkt.

Frage 5.7Was versteht man unter OFDM? Wo findet sie Anwendung?

Antwort 5.7Orthogonal Frequency Division Multiple Access – einzelne Bits werden auf mehrere or-thogonal modulierte Träger verteilt.

Findet Anwendung bei allen neu entwickelten digitalen Übertragungsverfahren, z. B.802.11, UMTS.

Frage 5.8Was versteht man unter einem Augendiagramm? Wozu dient es?

Antwort 5.8Das Augendiagramm gibt Aufschluß über die erforderliche Genauigkeit der Abtastzeit-punkte. Es erfaßt alle möglichen Signalübergänge.

Frage 5.9Welche Sendeleistungen und Frequenzen werden bei DECT/GSM verwendet? Was folgtdaraus für die Größe der Funkzellen im Vergleich?

Antwort 5.9DECT Frequenzbereich 1880-1900 MHz, Maximale Sendeleistung 250 mW.

GSM Frequenzbereich 880-960 MHz, Maximale Sendeleistung 2 WGSM ist für größere Reichweiten ausgelegt als DECT.

Frage 5.10Sie möchten mit einem Rundfunksystem flächendeckende Versorgung erreichen. WählenSie eher den Mittelwellen- oder den Gigaherzbereich? Warum? Was ist besser?

Antwort 5.10Den Mittelwellenbereich, da so ein großes Gebiet mit Hilfe weniger Sender versorgtwerden kann.

Frage 5.11Welchen Hauptnachteil haben niedrige Frequenzen?

Antwort 5.11Wegen der schwer kontrollierbaren Überreichweiten müssen die Frequenzbänder interna-tional koordiniert werden.

Frage 5.12Welche Vorteile bieten folgende Systeme:

• schmalbandige

24

6 Kanalcodierung

• breitbandige

Antwort 5.12• Schmalbandige Systeme benötigen weniger Bandbreite, folglich muß auch weniger

Frequenzband lizensiert werden.

• Breitbandige Systeme bieten mehr Datenrate und sind eventuell weniger störan-fällig.

Frage 5.13Wozu dient Frequency Hopping?

Antwort 5.13Signale, die mittels Frequency Hopping übertragen werden machen Übertragungen weit-gehend resistent gegen schmalbandige Störer, sind ohne spezielle Ausrüstung schwierigzu belauschen und können sich Frequenzbänder mit konventionellen Geräten teilen ohnediese signifikant zu stören.

6 KanalcodierungFrage 6.1Welchem Zweck dient Kanalcodierung?

Antwort 6.1Kanalcodierung fügt Redundanz zu einer Nachricht hinzu mit dem Ziel sicherzustellen,daß der Empfänger Übertragungsfehler erkennen und korrigieren kann.

Frage 6.2Was versteht man unter Systematischer Codierung?

Antwort 6.2Das Informationswort ist explizit Teil des Codeworts.

Frage 6.3Was versteht man unter Vorwärtsfehlerkorrektur? Was unter Rückwärtsfehlerkorrektur?

Antwort 6.3Bei Rückwärtsfehlerkorrektur muß der Sender ein fehlerhaft gesendetes Codewort nocheinmal übertragen, damit der Empfänger den Fehler korrigieren kann. Bei Vorwärtsfeh-lerkorrektur kann der Empfänger die korrekte Nachricht aus einer teilweise fehlerhaftempfangenen Nachricht rekonstruieren.

Frage 6.4Zeichnen Sie ein Baumdiagramm der Kanalcodierer!

Antwort 6.4Siehe Abbildung 8.

25

6 Kanalcodierung

Faltungscode

Hamming

nichtzyklisch

Reed Solomon

zyklisch

nichtlinear

konventionell

linearnichtlinearlinear

Turbo

Kanalcodierer

TrellisCoded

Modulation

BCHBurton, Fire, . . .

Blockcode

Abbildung 8: Die Familie der Kanalcodierer

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7 Quellcodierung

Frage 6.5Was ist der Unterschied zwischen Block- und Faltungscodierung?

Antwort 6.5Ein (n, k)-Blockcode bildet k Informationszeichen auf Blöcke der Länge n ab. Ein Fal-tungscode der Rate R = k

n entsteht, indem der aktuelle Codeblock durch den aktuellenInformationsblock und N − 1 vorangegangene Informationsblöcke bestimmt wird. BeimFaltungscode ist keine Blocksynchronisation notwendig.

Frage 6.6Nennen Sie wesentliche Vertreter für Blockcodes!

Antwort 6.6Reed-Solomon-Codes, BCH-Codes, Hamming-Codes, Burton-Codes, Fire-Codes, Turbo-Codes.

Frage 6.7Was versteht man unter der Hammingdistanz?

Antwort 6.7Die Hammingdistanz bezeichnet die Anzahl unterschiedlicher Bits zweier Codewörter.Die Hammingdistanz eines Codes ist die minimale Distanz zweier Wörter dieses Codes.Um t Fehler erkennen zu können muß die minimale Hammingdistanz t+1 betragen. Umt Fehler korrigieren zu können muß die minimale Hammingdistanz 2t + 1 sein.

Frage 6.8Was versteht man unter Coderate?

Antwort 6.8Verhältnis von Informationsbits zu codierten Bits.

Frage 6.9Was ist CRC?

Antwort 6.9Beim Cyclic Redundancy Check wird ein Nachrichtenblock als Bitstrom betrachtet. AlleBits werden an einen CRC-Generator übergeben. Dieser multipliziert sie mit einem Ge-neratorpolynom und erzeugt so Kontrollzahlen. Daten und Kontrollzahlen werden vomEmpfänger durch ein Generatorpolynom dividiert. Ist der Divisionsrest Null, so war dieÜbertragung fehlerfrei.

7 QuellcodierungFrage 7.1Welche Aufgabe hat Quellcodierung?

Antwort 7.1Redundanzreduktion und Irrelevanzelimination zur Verminderung der Datenrate.

27

7 Quellcodierung

Auswahl derFensterfunktion

Leitung 0 bis 575

Leitung 0 bis 575

Subband 0 bis 31

Leitung 0 bis 575

Externe Steuerung

DistortionControl Loop

Nonuniform QuantizationRate Control Loop

FFT1024 Punkte

MDCT

Bitstrom-Formatierung

CRC

Codierung von

Seiteninformation

PCM

Psychoaktustisches

Modell

Filterbank32 Subbänder

HuffmanCodierung

Abbildung 9: Der MPEG-1 Layer 3 Codierer

28

7 Quellcodierung

Frage 7.2Nennen Sie Beispiele für Quellcodierungsverfahren!

Antwort 7.2• Entropiecodierung

• Transformationscodierung

• Prädiktionscodierung

Frage 7.3Was bedeuten Redundanz und Irrelevanz? Nennen Sie Beispiele!

Antwort 7.3Redundanz ist der Teil der Nachricht, der die kürzest mögliche Kodierung übersteigt.Beispiele:

BCD-Code Nur zehn von 16 möglichen Kodewörtern werden genutzt.

ASCII-Code Zeichen treten mit unterschiedlicher Häufigkeit auf.

Irrelevanz bezeichnet Signalanteile, die vom Empfänger nicht ausgewertet werden kön-nen. Beispiele:

Visuelle Daten Flimmergrenze der menschlichen Sehwahrnehmung.

Audiosignale Maskierungseffekte im Zeit- und Frequenzbereich, Frequenzen oberhalbvon ca. 16 kHz werden von der Mehrheit der Bevölkerung nicht wahrge-nommen.

Frage 7.4Welcher Zusammenhang besteht zwischen Autokorellierter und Redundanz?

Antwort 7.4Bei minimaler Redundanz ist die Autokorellierte ein Dirac-Impuls.

Frage 7.5Wovon hängt Irrelevanz ab?

Antwort 7.5Von Wahrnehmungsvermögen des Empfängers.

Frage 7.6Wie kommt die Datenrate bei digitaler Telefonie zustande?

Antwort 7.6

8 kHz · 12 Bit/Abtastwert = 96 kBit/s (14)

Bei Kompression mit A-Law und µ-Law ergeben sich 64 kBit/s.

Frage 7.7Wie sind

29

7 Quellcodierung

• Entropie

• Entscheidungsfluß

• Informationsfluß

definiert?

Antwort 7.7• Entscheidungsgehalt:

H0 = ld(n) (15)

Einheit: bit/Symbol.

• Informationsgehalt:Ii = −ldp(xi) (16)

• Entropie:

H =n∑

i=1

p(xi) · Ii (17)

• Entscheidungsfluß:

H ′0 =

H0

TS= RS ·H0 (18)

• Informationsfluß:H ′ =

H

TS= RS ·H (19)

Frage 7.8Was versteht man unter dem Prädiktionsprinzip?

Antwort 7.8Aufeinanderfolgende Werte einer Reihe sind nicht unabhängig und lassen sich deswegenvorhersagen. Übertragen werden muß dann nur noch die Abweichung von der Vorhersage.

Frage 7.9Wie funktioniert Huffman-Codierung?

Antwort 7.9Aufbau eines Codebaums gemäß der Quellsymbolwahrscheinlichkeiten, Codierung gemäßdieses Baums. Huffmancodierung liefert in Bezug auf die mittlere Wortlänge die optimaleCodierung, wenn die Quellsymbolblöcke lang genug sind.

Frage 7.10Was ist Transformationscodierung?

Antwort 7.10Transformationscodierung nutzt Ungleichverteilungen im Spektralbereich zur Redun-danzreduktion aus.

30

7 Quellcodierung

Frage 7.11Was ist der Verdeckungseffekt des Ohrs?

Antwort 7.11Ein lautes Geräusch macht ein zeitnahes leiseres Geräusch nicht mehr wahrnehmbar.Eine laute Frequenz macht eine nahe leisere Frequenz nicht mehr wahrnehmbar.

Frage 7.12Was besagt das Quellcodierungstheorem?

Antwort 7.12Eine Nachricht von n bits Informationsgehalt kann mit minimal n Binärsymbolen socodiert werden, daß kein Informationsverlust auftritt.

Frage 7.13In welcher Größenordnung liegen die Datenübertragungsraten bei ISDN, GSM, DABund DRM?

Antwort 7.13ISDN 64 kBit/s, GSM 13 kBit/s, DAB 1,5 MBit/s, DRM 24 kBit/s

7.1 SprachcodierungFrage 7.14Was ist ein Formant, was die Pitch-Periode?

Antwort 7.14Formanten sind Frequenzanteile, die besonders verstärkt werden. Formanten bestimmendie spektrale Einhüllende, im Zeitbereich die Kurzzeitkorellation.

Die Pitch-Periode bezeichnet die spektrale Feinstruktur, im Zeitbereich die Langzeit-korellation.

Frage 7.15Welche Arten von Sprachcodern gibt es?

Antwort 7.15Waveformcoder, Vocoder und Hybridcoder.

Frage 7.16Welche werden bei GSM/DECT verwendet?

Antwort 7.16GSM: Hybird, DECT: Waveform.

Frage 7.17Was macht ein AMR?

Antwort 7.17Er bestimmt die beste Kombination aus Kanal- und Quellcodierung entsprechend deraktuellen Kanalschätzung.

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7 Quellcodierung

-

+

Segmentation

13 kBit/s

+

64 kBit/s

LPC-Analysis

Filter

Lowpass RPE GridSelection

LTP-Analysis-

Filter

LPC-Analysis

Multiplexer

Abbildung 10: Regular Pulse Excitation Long Term Predictor Codec

32

8 Systemüberlegungen für eine störsichere Übertragung

Frage 7.18Was für Korellationseigenschaften besitzt ein Sprachsignal?

Antwort 7.18Korellation zwischen benachbarten Werten entsteht durch Sprachtraktfilterung und äu-ßert sich in der spektralen Einhüllenden.

Korellation zwischen entfernten Werten entsteht durch stimmhafte, periodische An-teile (Pitch) und bestimmt die spektrale Feinstruktur.

7.2 BildcodierungFrage 7.19Wie läuft Standbildcodierung, wie Bewegtbildcodierung ab?

Antwort 7.19• Bewegtbildcodierung:

– Aufteilen in Blöcke, DCT dieser Blöcke.

– Quantisierung

– Quellcodierung

∗ Entropiecodierung

∗ Transformation zur Energiekompaktierung

∗ Bewegungsprädiktion

• Standbildcodierung: Die Bewegungsprädiktion entfällt, dadurch höhere Datenra-ten.

Frage 7.20Wie arbeitet DCT?

Antwort 7.20Zerlegung von Reihen ähnlich der Fouriertransformation, allerdings erfolgt eine Energie-kompaktierung in den unteren Frequenzbereich.

Frage 7.21Was ist Lauflängencodierung?

Antwort 7.21Lauflängencodierung speichert nicht jedes einzelne Symbol, sondern wie oft dieses Sym-bol in Folge auftritt.

8 Systemüberlegungen für eine störsichere ÜbertragungFrage 8.1Welche Möglichkeiten zur Bekämpfung von Kanalstörungen kennen Sie?

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8 Systemüberlegungen für eine störsichere Übertragung

Seiteninformation

Entropiecodierung

InverseTransformation

+

Ausgang

- Prädiktion

InverseQuantisierung

Bild

Quantisierung

Transformation

InverseEntropiecodierung

Abbildung 11: Bewegtbildcodierung

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9 Digitale Rundfunksysteme

Antwort 8.1• Anpassung von Sender- und Empfängerarchitektur

• Repeater

• Modulationsverfahren, Kanalzugriffsverfahren

• Kanalcodierung

• Antennen-Diversity (Umschalt-Diversity und Rauschoptimale Kombination)

• Kanalentzerrung

• Interleaving

• Spreizbandtechnik (Frequency Hopping, DSSS)

• Mehrfachübertragung

9 Digitale RundfunksystemeFrage 9.1Was versteht man unter einer Bodenwelle, was unter einer Raumwelle? Wie wirken siesich bei Kurzwelle aus?

Antwort 9.1Bodenwelle Ausbreitung folgt der Erdkrümmung in Abhängigkeit von Bodenleitfähigkeit

und Sendeleistung.

Raumwelle Reflektion an Schichten der Erdatmosphäre.Folge können Überreichweiten sein.

Frage 9.2Was ist XM-Radio, was DAB, was DRM, was WorldSpace?

Antwort 9.2XM-Radio Nordamerikanischer Satellitenrundfunk mit terrestrischen Verstärkern. Be-

deutung vorwiegend in ländlichen Gegenden, die rundfunktechnisch bisherkaum erschlossen sind. Sicherer Empfang durch bis zu drei Empfangsquel-len. Downlink bei 2,3 GHz, TDM-QPSK mit 50 Kanälen und 50 Servicekanälen.

DAB Digital Audio Broadcasting, terrestrisch und satellitengestützt. Mobil undstationär im Bereich von 30 MHz bis 3 GHz. Bandbreite 1,536 MHz, Daten-rate 1,5 MBit/s, Fehlerschutz frei skalierbar. Zeit- und Frequenzmultiplex.Gegenüber UKW um Faktor 3 bessere Ausnutzung des Frequenzspektrums.

DRM Digitales Kurzwellenradio, Frequenz kleiner 30 MHz. Stationär und porta-bel, Kanalraster 9 oder 10 MHz, Datenrate 4,8-72 kBit/s. QAM mit OFDM.

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Literatur

WorldSpace Uplink FDM-QPSK bei 7 GHz, Downlink TDM-QPSK bei 1,5 GHz. 3 MBit/spro Strahl, 12-96 Kanäle, maximal 128 kBit/s.

Frage 9.3Was versteht man unter COFDM?

Antwort 9.3Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex. Modulation mehrerer einzelner Bitsauf mehrere orthogonal modulierte Träger. Hervorragendes Verhalten bei frequenzselek-tivem Schwund.

Frage 9.4Was versteht man unter einem Synchronisation Channel? Was unter einem Fast Infor-mation Channel? Was unter einem Main Service Channel?

Antwort 9.4Synchronisation Channel Der Synchronisation Channel besteht aus den ersten beiden

Symbolen eines DAB-Übertragungsrahmens. Er enthälten einNull- und ein Phasenreferenzsymbol. Sein Zweck ist die Syn-chronisation des Empfängers auf die Rahmenstruktur.

Fast Information Channel Steuerungs- und Decodierungsinformationen über den DAB-Multiplex und die darin enthaltenen Programme. Ermöglichtdie Decodierung der Nutzdaten.

Main Service Channel Programme und Dienste des Ensembles.

Frage 9.5Was ist ein Guard-Intervall?

Antwort 9.5Ein Guard-Intervall ist ein Zeitabschnitt am Anfang oder Ende eines Zeitschlitzes, dernicht für die Sendung verwendet werden darf. Dadurch wird Schutz vor Inter SymbolInterference erreicht.

Frage 9.6Nennen Sie Beispiele für typische Anwendungen in ISM-Bändern!

Antwort 9.6Garagentoröffner, drahtlose Kopfhörer, WLAN, Videoüberwachung, RFID.

Literatur

[1] Thielecke, Jörn: Drahtlose Kommunikation zwischen informationstechnischen Sy-stemen. Erlangen : Vorlesungsskript zur gleichnamigen Veranstaltung, 2007

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