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Einführung in NTM
© Roland Küng, 2013
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https://home.zhaw.ch/~kunr/ntm.html
Where to find the information ?
• Skript• Slides• Exercises• Lab
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Erzeugung und Übertragung von elektrischer Energie
Aufgabe beim Entwurf eines nachrichtentechnischen Systems
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• Grösserer Dynamikbereich• Übertragungsfehler korrigierbar• Multiplex verschiedene Quellendaten
Nachteile
• Benötigen in der Regel mehr Bandbreite• Benötigen zusätzlich eine oder mehrere Synchronisationen
analog
digital
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Top Level Blockschaltbild
Zentrale Rolle des Kanal: dämpft verzögert, verzerrt, rauscht
SW (DSP) HW (Analog) HW (Analog) SW (DSP)
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Funktionales Blockschaltbild
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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.
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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
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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
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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/
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Optische Kabel
• Fiber optische Kabel übertragen Lichtimpulse mit sehr wenig Dämpfung.
Dämpfung 0.2 dB/km
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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
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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 Dämpfung „nur“ 170 dB
Femto Watt = 10-15 W
dB*
*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.
VHF UHF SHFELF VF VLF LF MF HF
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Knappe Resource: Funkkanal
http://www.ntia.doc.gov/osmhome/allochrt.pdf
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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
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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 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
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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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• 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
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• 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
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