Einführung in NTM © Roland Küng, 2013

Where to find the information ? Skript Slides Exercises Lab https://home.zhaw.ch/~kunr/ntm.html

Aufgabe beim Entwurf eines nachrichtentechnischen Systems Erzeugung und Übertragung von elektrischer Energie Übertragung und Verarbeitung von Informationen

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.

Digitale Signale Digitale Signals ändern sich in diskreten Schritten und stellen digitale (binäre) Informationen dar. Beispiel: Computerdaten, digitalisierte analoge Signale Digital signals

Warum Digitale Nachrichtentechnik ? (unabhängig ob analoge oder digitale Quelle) analog Vorteile Relative kostengünstige Schaltungstechnik Verschlüsselungsmöglichkeit Grösserer Dynamikbereich Übertragungsfehler korrigierbar Multiplex verschiedene Quellendaten digital Nachteile Benötigen in der Regel mehr Bandbreite Benötigen zusätzlich eine oder mehrere Synchronisationen

Top Level Blockschaltbild SW (DSP) HW (Analog) Zentrale Rolle des Kanal: dämpft verzögert, verzerrt, rauscht

Funktionales Blockschaltbild

Funktion der Blöcke in einem Satz Format: Bringt die Quelleninformation in Bitform Source Coding: Reduziert unnötige Information im digitalen Datenstrom Encryption: Verschlüsselt die digitalen Nachrichtensymbole Channel Coding: Fügt Redundanz hinzu um Fehlerkorrektur zu erlauben oder dient der Bandbreiten- oder Komplexitätsreduktion im Empfänger Multiplexer: Erlaubt das Einbinden mehrer Datenströme in ein Übertragungssignal Pulse Modulation: Macht aus den Bits geeignete Wellenformen (PCM, PAM) Bandpass Modulation: Bildet Wellenformen geeignet für Kanäle, welche eine pulsförmige Übertragung nicht erlauben Frequency Spread: Methoden zum Schutz gegen Störer und variablen Kanal Multiple Access: Verfahren das mehreren Teilnehmern die Benutzung eines Übertragungskanals erlaubt XMT, RCV: Front-End Sender und Empfänger, eigentliche Sende- und Empfangswandler (incl. Antenne, Laserdiode….), Architektur. Channel: Übertragungskanal Synchronisation: Ist dafür besorgt, dass Zeit und Frequenz im Empfänger mit dem Sender gleichlaufend sind.

NTM1 - NTM2: Aufteilung Übertragung & Funkkanal Modulation Demodulation Sender- Architektur Empfänger- Architektur Kanal Decodierung Codierung Q-Codierung & Ciphering Q S Q-Dekodierung & Deciphering Multiple Access Informationstheorie Kanal Mehrfach-Nutzung Kanal Codierung Bsp. Moderne KT-Systeme Kryptographie Analoge Modulation Digitale Modulation Übertragungskanal & Funk S/E-Architekturen Synchronisation Die Elektronik dazu:  ASV (2.SJ) NTM1 NTM2

Kabelgebundener Kanal 30…100 dB/km ….1 Gb/s 200 dB/km …100 Mb/s 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 0.2…1 dB/km ….10 Gb/s

Koaxiales Kabel 50 MHz: 3…5 dB/100m 2.4 GHz: 80…100 dB/100m Datenrate ….1 Gb/s (RG-58 type) Att* Wichtig! Multiplikativer Faktor für Dämpfung in dB: X dB Dämpfung pro 100 m *Download: http://www.timesmicrowave.com/cable_calculators/

Optische Kabel Fiber optische Kabel übertragen Lichtimpulse mit sehr wenig Dämpfung. Dämpfung 0.2 dB/km

Funk im Freiraum / Mobilfunk Bei der elektromagnetischen Ausbreitung sind Sender und Empfänger nicht verbunden und erlaubt so Mobilität Ausbreitung im Vakuum, Luft  Maxwell Gleichungen 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 n = 2 n = 2…3

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 dB* Femto Watt = 10-15 W *Download:http://designtools.analog.com/dt/dbconvert/dbconvert.html

Warum Schwerpunkt Funk ? Schwierigster Kanal Komplexeste Modulation Aufwändigste Synchronisation Schlimmste Störsituation

Elektromagnetisches Spektrum Elektromagnetische Strahlung breitet sich als Welle aus Der ganze Frequenzbereich wird als das elektromagnetische Spektrum bezeichnet und nach Wellenlänge unterteilt. VHF UHF SHF ELF VF VLF LF MF HF

Knappe Resource: Funkkanal http://www.ntia.doc.gov/osmhome/allochrt.pdf

Knappe Resource: Funkkanal DECT 1890  10 MHz GPS: 1575 MHz GSM 1800: 1710 – 1880 MHz ISM Band: 2450  50 MHz Quelle: http://www.ntia.doc.gov/osmhome/allochrt.pdf

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

Ausbreitungsart Funksignale Langwelle = stabile Bodenwelle DCF 77 50 kW auf 77.5 kHz Kurzwelle = globale Reichweite aber schwierigster Kanal überhaupt Radio, Seefunk, Militär, Botschaft UHF / Mikrowelle = Sichtverbindung GSM 2000 W auf 900 MHz

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

Anwendung Frequenz Bereiche 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 LF MF HF

Anwendung Frequenz Bereiche 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 VHF UHF SHF