DRM – Digital Radio Mondiale Kurzwelle - Digital DRM – Digital Radio Mondiale

Motivation

Inhalt Frequenzspektrum Wellenausbreitung Modulation Analog Digital Frequenzaufteilung Digital Radio Mondiale

Frequenzspektrum Wellenausbreitung Modulation Digital Radio Mondiale Inhalt Frequenzspektrum Wellenausbreitung Modulation Analog Digital Frequenzaufteilung Digital Radio Mondiale

Frequenzspektrum Längstwellen Langwellen (LW) Mittelwellen (MW) Kurzwellen (KW) Ultrakurzwellen (UKW)

Wellenausbreitung Frequenzspektrum Modulation Digital Radio Mondiale Inhalt Frequenzspektrum Wellenausbreitung Modulation Analog Digital Frequenzaufteilung Digital Radio Mondiale

Bodenwelle - Raumwelle Wellenausbreitung Bodenwelle - Raumwelle Bodenwelle: Ausbreitung über Erdboden Relativ kurze Reichweite Raumwelle: Reflexion an Ionosphäre Kommt um die ganze Erde

Wellenausbreitung Raumwelle Reflexion vornehmlich an der F2-Schicht (stärkste Ionisation) der Ionosphäre Reflexion am Boden hauptsächlich abhängig vom Feuchtigkeitsgehalt (Leitfähigkeit) Ionosphäre Erdboden Sender Empfänger

Analoge Kurzwelle Ionosphäre Solarer Flux: Von der Sonne einfallende elektromagnetische und korpuskulare Strahlung ionisiert hohe schichten der Erdatmosphäre Ionendichte in verschiedenen Höhen nicht konstant Ausbildung von Schichten

Schichtwechsel Tagsüber Einstrahlung Wellenausbreitung Schichtwechsel Tagsüber Einstrahlung Existenz tiefer gelegener Schichten Nachts Abbau der tieferen Schichten F1 und F2 Schichten verschmelzen zu einer einzigen F-Schicht

Schichtwechsel Ort maximaler Ionisation wandert täglich durch die Wellenausbreitung Schichtwechsel Ort maximaler Ionisation wandert täglich durch die Erdrotation von Ost nach West

Schichtwechsel Zusätzlich abhängig von: Jahreszeiten Sonnenflecken Wellenausbreitung Schichtwechsel Zusätzlich abhängig von: Jahreszeiten Sonnenflecken (11 Jahre Zyklus) „Funk-Wetterbericht“

Reflexion – Im Detail Brechungsgesetz von Snellius Wellenausbreitung Reflexion – Im Detail Brechungsgesetz von Snellius Stärker ionisierte Schichten dienen als „optisch dichteres“ Medium Niedrige „Frequenzen“ werden stärker gebrochen aber auch stärker gedämpft Schwach Ionisiert Stark Ionisiert

Ausbreitung Wechselnde Eigenschaften durch sich verändernde Schichten Wellenausbreitung Ausbreitung Wechselnde Eigenschaften durch sich verändernde Schichten SporadicE →Totalausfall Lowest Usable Frequency Maximum Usable Frequency →Tote Zone Maximal 3000-4000km pro Sprung

Durch Interferenz verursachte Empfangsschwankungen Wellenausbreitung Fading (Schwund) Durch Interferenz verursachte Empfangsschwankungen Brechung oder Reflexion an Ionosphäre Eigeninterferenzen (Mehrwegeausbreitung) Dopplerverschiebung (bewegte Luftschichten)

Modulation Frequenzspektrum Wellenausbreitung Analogtechnik Inhalt Frequenzspektrum Wellenausbreitung Modulation Analogtechnik Digitaltechnik Frequenzaufteilung Digital Radio Mondiale

Modulation Anpassung des Informationssignals an das Modulation - Analogtechnik Modulation Anpassung des Informationssignals an das Übertragungsmedium (Kanal) Winken im Dunkeln; Kabel, Satellitenfunk Amplitudenmodulation Winkelmodulation Frequenzmodulation Phasenmodulation

Amplitudenmodulation (AM) Modulation - Analogtechnik Amplitudenmodulation (AM) Amplitudenmoduliertes Signal Nutzsignal x Träger

Modulation Frequenzspektrum Wellenausbreitung Digitaltechnik Inhalt Frequenzspektrum Wellenausbreitung Modulation Analogtechnik Digitaltechnik Frequenzaufteilung Digital Radio Mondiale

Digitales → Diskrete Werte → Bitdauer (Symboldauer) T Modulation - Digitaltechnik Digitales → Diskrete Werte → Bitdauer (Symboldauer) T → Signalregeneration (raten) → Fehlerkorrektur T 2T A t→

2ASK - 2PSK 2 Diskrete Amplitudenwerte 2 Diskrete Phasenlagen Modulation - Digitaltechnik 2ASK - 2PSK T 2T t→ -A A 1 Amplitude ® t→ 2 Diskrete Amplitudenwerte 2 Diskrete Phasenlagen 1Bit/Symbol A A A A A t→ -A -A

4ASK 4 Diskrete Amplitudenwerte 2 Diskrete Phasenlagen 2 Bit/Symbol: Modulation - Digitaltechnik 4ASK 00 10 01 11 -A 3A -3A A Amplitude ® 4 Diskrete Amplitudenwerte 2 Diskrete Phasenlagen 2 Bit/Symbol: Symboldauer T gleich → Bitrate verdoppelt Bitrate gleich → Symboldauer verdoppelt (Störungssicherheit)

Modulation - Digitaltechnik Vergleich 2ASK-4ASK

Orthogonale Funktionen Modulation - Digitaltechnik Orthogonale Funktionen f(x), g(x) seien orthonormal/orthogonal 0 wenn f(x) ≠ g(x) Y wenn f(x) = g(x) und beide orthogonal zueinander sind 1 wenn f(x) = g(x) und beide orthonormal zueinander sind Reicht bei periodischen Funktionen aus

4PSK Sin- und Cos- Funktionen: Modulation - Digitaltechnik 4PSK Sin(wt) Sin- und Cos- Funktionen: Leicht zu erzeugende orthonormale Funktionen Spannen Funktionsraum auf Interpretation als EINE einzige Phasenverschobene Funktion A A -A Cos(wt) -A

4PSK Amplitude A 4 Diskrete Phasenlagen 2Bit/Symbol robuster als 4ASK Modulation - Digitaltechnik 4PSK Cos(wt) Sin(wt) 10 01 11 00 Amplitude A 4 Diskrete Phasenlagen 2Bit/Symbol robuster als 4ASK A -A A -A Gray – Codierung: Im Fall eines Übertragungsfehlers werden mit hoher Wahrscheinlichkeit Nachbarsymbole vertauscht. → Spezielle Symbolcodierung: nur 1 Bit unterschied zwischen Nachbarsymbolen pro „Symbolfehler“ nur 1 Bitfehler einfache Fehlerkorrektur reicht aus

Modulation - Digitaltechnik

Modulation - Digitaltechnik Mischer f(x) f(x)·g(x) g(x)

Modulation - Digitaltechnik

Empfang Modulation - Digitaltechnik sin(wt) r(t) cos(wt) Abtastung bei t=2T

Modulation - Digitaltechnik 8PSK – 16PSK

Modulation - Digitaltechnik 16QAM 2ASK → 4PSK ↓ 4ASK ↓ → 16QAM

16QAM 4 Diskrete Amplitudenwerte 4 Diskrete Phasenlagen 4Bit/Symbol: Modulation - Digitaltechnik 16QAM 4 Diskrete Amplitudenwerte 4 Diskrete Phasenlagen 4Bit/Symbol: Bitrate gegenüber 4PSK verdoppelt Verlust an Robustheit

Modulation - Digitaltechnik QAM M=64 M=32 M=16 M=8 M=4

Modulation Frequenzspektrum Wellenausbreitung Frequenzaufteilung Inhalt Frequenzspektrum Wellenausbreitung Modulation Analogtechnik Digitaltechnik Frequenzaufteilung Digital Radio Mondiale

Bandbreite Modulation - Frequenzaufteilung fR: Sendefrequenz bK: Bandbreite Sendefrequenzen so angeordnet, dass sich die einzelnen Frequenzbereiche nicht gegenseitig stören.

Zeitbereich - Frequenzbereich Digitaltechnik Zeitbereich - Frequenzbereich t A Digital: Rechteckige Signale im Basisband im Zeitbereich Transformation in den Frequenzbereich: Si - förmiges Signal, symmetrisch zu f=0 Modulation: Parallelverschiebung im Frequenzbereich von f=0 zu f=f0 f f0

FDM - Frequency Division Multiplex Modulation - Frequenzaufteilung FDM - Frequency Division Multiplex f1 P f bK f t T 4T f t f t T*=4T f11 f12 f13 f14 FDM f A

Vorteile FDM Normale Modulation: FDM: Besserer Empfang Modulation - Frequenzaufteilung Vorteile FDM Normale Modulation: Ganze Bandbreite für ein Symbol Kurze Symboldauer T →Störanfällig FDM: Bandbreite in mehrere gleichgroße Teilbereiche aufgeteilt Mehrere Symbole werden parallel mit längerer Symboldauer T* gesendet Symbol steht länger → Kanalverzerrungen werden minimiert Besserer Empfang

FDM - OrthogonalFDM Modulation - Frequenzaufteilung f t T*=4T f11 f12 OFDM f15 f16 f17 TG f A

Modulation - Frequenzaufteilung FDM - OrthogonalFDM f

Vorteile OFDM FDM: OFDM; Lücke zwischen den einzelnen Frequenzteilen Modulation - Frequenzaufteilung Vorteile OFDM FDM: Lücke zwischen den einzelnen Frequenzteilen → keine optimale Ausnutzung der Bandbreite OFDM; „Orthogonale“ Anordnung der einzelnen Frequenzteilen →Trotz Überlappung keine gegenseitige Störung Optimale Ausnutzung vorhandener Bandbreite Schutzintervall TG

Schutzintervall - Fading Modulation - Frequenzaufteilung Schutzintervall - Fading Symboldauer T: Verspätet eintreffende Symbole stören das (n+x)te Symbol des Signals FDM: Signaldauer T*: Verlängerte Symboldauer →Interferenz wesentlich gemindert OFDM: Schutzintervall TG Fading wird vollständig verhindert, solange das Schutzintervall lang genug ist.

Digital Radio Mondiale Inhalt Frequenzspektrum Wellenausbreitung Modulation Analogtechnik Digitaltechnik Frequenzaufteilung Digital Radio Mondiale

Digital Radio Mondiale Funktionsschema

Wellenlänge f c = l λ/2-Dipol Grundlagen - Funk → Antennengröße in der Größenordnung der Wellenlänge

Tropenband: Grundlagen - Funk Geringe Empfindlichkeit gegenüber Gewitterstörungen Reflexion an Ionosphäre Weltweit günstige Empfangsbedingungen

Analogtechnik Frequenzmodulation Frequenzmoduliertes Signal

Vergleich Amplitudenmodulation: Frequenzmodulation: Analogtechnik Vergleich Amplitudenmodulation: recht störungsanfällig, sehr einfache technische Umsetzung v.a. auf Seiten des Empfängers Frequenzmodulation: recht unempfindlich gegenüber atmosphärischen Störungen sehr komplizierte technische Realisierung (analog) [mit heutigen IC kein Problem mehr]

Analoge Kurzwelle

Digitaltechnik