Kapitel 1: Einleitung Begriffe Historischer Überblick

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1 Kapitel 1: Einleitung Begriffe Historischer Überblick
NTM, 2007/09, Rur, Einleitung, 1 Begriffe Historischer Überblick Typische Informationsquellen Standardisierung Klassifizierung von Signalen Analoge Nachrichtensysteme Digitale Nachrichtensysteme Kursinhalt Literatur [1] J. Proakis, M. Salehi, „Grundlagen der Kommunikationstechnik“, Pearson, 2003. [2] M. Meyer, „Kommunikationstechnik“, Vieweg, 2002. [3] J. Schiller, „Mobilkommunikation“, Pearson, ISBN

2 Begriffe Telekommunikation
NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 2 Telekommunikation Nachrichten- und Informationsaustausch über grössere Entfernungen Verfügbarkeit von Diensten kostengünstig, dauernd und unabhängig von der Distanz in guter Qualität, angepasst an den Empfänger (z.B. Mensch) Nachrichtentechnik Technik für Aufnahme, Übertragung, Wiedergabe von Information Übertragungsaspekt der Telekommunikation Kursziel: Grundlagen (Physical- und MAC-Layer) der Nach- richtentechnik und Mobilkommunikation kennen / anwenden Information hat etwas mit Neuheit, Überraschung zu tun bei der Informationsweitergabe spricht man oft von „Nachrichten“ bei der Informationsverarbeitung spricht man oft von „Daten“ Nachrichten und Daten werden physikalisch mit Signalen dargestellt Meyers Taschenlexikon 1992: Telekommunikation „ Nachrichten- und Informationsaustausch über grössere Entfernungen mit Telekom-Mitteln wie Telegraf, Telefon, …“ Meyers Taschenlexikon 1992: Nachrichtentechnik „ Gesamte Technik für Aufnahme, Speicherung, Übertragung, und Wiedergabe von Information in Bild und Ton“ „ Nachrichtenübertragung erfolgt über elektrische Leitungen, via Wellenausbreitung im Freien (Funk) oder Lichtleiter“ „ Nachrichtenverarbeitung sorgt für dem Übertragungsmedium angepasste Signalumwandlung zwischen Sender und Empfänger“ Fokus mehr auf Konzept (Mathematisch-physikalisches Prinzip) und in 2. Linie auf Realisierung (Schaltungstechnik) => Signale können verschiedene Formen annehmen, ohne dass Information ändert

3 Historischer Überblick
NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 3 Einige Meilensteine der Nachrichtenübertragung 1837 S. Morse erfindet Telegraf und Morsealphabet 1858 Erste Eindraht-Telegrafenverbindung über den Atlantik 1876 A.G. Bell meldet Patent des „Telefons“ an 1901 G. Marconi überträgt Telegramm mit Radiowellen über 1700 Meilen 1906 L. de Forest erfindet Triode (Verstärkung analoger Signale) Erste AM-Übertragungen 1927 Erstes transatlantisches Telefongespräch via Kurzwellen 1933 E. Armstrong erfindet FM 1936 BBC strahlt erste Fernsehsendung aus 1938 A. Reeves erfindet die Puls-Code-Modulation (PCM) 1944 Entwicklung des ersten Computers 1948 Erfindung des Transistors 1948 C. Shannon begründet Informationstheorie 1953 Erstes transatlantisches Telefonkabel (mit 51 Zwischenverstärker) 1960 Erfindung des Lasers 1962 Telstar I erlaubt erste transatlantische Fernsehübertragung 1965 Erster geostationärer Satellit („early Bird“ bzw. Intelsat I) 1969 Erste brauchbare Glasfaser für die optische Übertragung 1980 Eine Raumsonde überträgt Bilder vom Jupiter und Saturn 1992 Einführung digitaler Mobilfunk (GSM) 1993 Erste ADSL-Verbindung

4 Standardisierung Telekommunikation
NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 4 Telekommunikation ist schon seit sehr langer Zeit global („tele“ heisst „fern“) ist wirtschaftlich bedeutend geworden („Informationszeitalter“) Standards sind sehr wichtig wegen Interoperabilität zwischen Netzen + Systemen versch. Hersteller Gross-Serien (tiefere Preise) und Investitionssicherheit Wichtige Normierungsgremien International Telecommunication Union (ITU-T/-R), UNO, Genf International Standards Organisation (ISO) ETSI in Europa, EU, Südfrankreich CEPT mit dem ERO (European Radio Office), DK in den USA: ANSI und FCC IEEE (Normen im Datenkommunikationsbereich) Regulierungsbehörden (z.B. Bakom in der CH, RegTP in D) Vergabe Spektrum, Konzessionen, Erlass Vorschriften,

5 Digitales Nachrichtensystem
NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 5 digitale Quelle Quellen- Encoder Cipher Kanal- Encoder Modulator Tx A/D-Umsetzung andere „user“ Multiple Access analoger Kanal digitale Senke Quellen- Decoder Decipher Kanal- Decoder Rx Demod. D/A-Umsetzung

6 Klassifizierung von Signalen
NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 6 x(t) analoges Signal (zeit- und wertkontinuierlich) t Abtastung t Ts -Ts zeitdiskretes, wertkontinuierliches Signal A Quantisierung D t digitales Signal (zeit- und wertdiskret) Codierung binäres Signal (zeitdiskret, zweiwertig) t

7 primär proportional zur
Digitales Nachrichtensystem NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 7 Quellenkodierung Reduktion Redundanz oder Irrelevanz (Datenkompression) Beispiel: GSM-Vocoder: 13 kb/s, vgl. PCM-Telefonie: 64 kb/s Chiffrierung für Geheimhaltung, Integrität und/oder Authentifikation Ziel: Gegner muss alle Schlüssel durchprobieren Kanalkodierung (FEC) hinzufügen von „etwas“ Redundanz zur Fehlerkorrektur Beispiel: GSM-TCH/F: 22.8 kb/s Modulation HF-Kanalanpassung: Information wird analogem Träger aufgeprägt Bandbreite B primär proportional zur Symbolrate RSymbol

8 Digitales Nachrichtensystem
NTM, 2007/09, Rur, Einleitung, 8 Up-Converter (Mischer) Power Amplifier Tx Front-End (BP-) Filter IQ- Modulator Daten Rx / Tx Duplexer IQ- Demodulator Daten Kanal- bzw. IF-Filter Down-Converter (Mischer) Low-Noise Amplifier Rx Front-End (BP-) Filter Base-Band IF-Band RF-Band HF-Kanäle Amplitude Frequenz DC fIF fRx

9 Digitales Nachrichtensystem
NTM, 2007/09, Rur, Einleitung, 9 GSM Chipset (Quelle Siemens)

10 Digitales Nachrichtensystem
NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 10 Multiple Access viele Teilnehmer kommunizieren über das gleiche Medium / System Benutzertrennung via Zeit, Frequenz, Code, Raumwinkel usw. Netzaspekt ist mindestens so wichtig wie die P2P-Kommunikation Kanal bestimmt letztendlich die Kommunikationsmöglichkeiten z.B. die maximale Datenrate, die Reichweite Kommunikation über diverse Medien z.B. Luft, Kabel, Glas, Wasser Einsatz von diversen Trägern z.B. EM-Wellen (Licht, Radiowellen), Magnetfeld, Schall es gibt unterschiedliche Störungen z.B. thermisches Rauschen, Mehrweg, Funkrauschen Nachrichten werden über „verrauschte“ Kanäle übertragen

11 Signalleistungsbeschränkung Signal-to-Noise-Ratio
Grenzen der Kommunikation NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 11 Kanalkapazität (Shannon, 1948) = max. Rate für „fehlerfreie“ Datenübertragung über „noisy channel“ Kapazität des AWGN-Kanals zeigt wichtigste Einflussgrössen AWGN z[n] Rauschleistungsdichte [W/Hz] Bandbreite B N0 Kanal x[n] y[n] f [Hz] Signalleistungsbeschränkung „fehlerfreie“ Kommunikation wenn [bit/s] SNR Signal-to-Noise-Ratio Beispiel Telefonkanal mit B = 3100 Hz und SNR = 40 dB: R < 41.2 kb/s

12 charakterisiert durch Signal-zu-Geräuschverhältnis
BER versus SNR NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 12 QAM-Datenübertragung über AWGN-Kanal AWGN z[n] x[n] y[n] charakterisiert durch Signal-zu-Geräuschverhältnis SNR = Eb / N0 Symbolfehlerrate ≈ BER

13 Kurs NTM 1 Signalanalyse
NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 13 Signalanalyse Rep. analoge / digitale Signale, stochastische Signale, Rauschen analoge Systeme Pegelplan, lineare/nichtlin. Verzerrungen, Rauschzahl, AWGN-Kanal Übertragung analoger Signale a/b-Telefonie, AM/FM/PM, UKW, KW/MW/LW, Fernsehen Digitale Datenübertragung im Basisband Leitungen, LWL, PCM, Leitungscodes, Pulsformung, ISI, Nyquistfilter Digitale Modulation ASK, PSK, FSK, QAM, OFDM, Bsp: RFID, DECT, GSM, ADSL Moderne Sende- und Empfangskonzepte Rx/Tx-Filter, LNA, Mischung, IQ-Mod./Demod., DDS/DDC, PLL, Scrambling, Interleaving, Equalizer, Synch., matched-Filter, Rx-Div. Multiplexverfahren SDMA, TDMA, FDMA, CDMA, FH, Random Access [aloha, CSMA/CA], Beispiele: GSM, UMTS, WLAN, GPS, Bluetooth

14 Kurs NTM 2 Funkkanal Freiraumausbreitung, Antennen, Mehrwegkanal
NTM, 2005/10, Rur, Einleitung, 14 Funkkanal Freiraumausbreitung, Antennen, Mehrwegkanal Funknetzplanung Linkbudget, Antennensysteme, Ausbreitungsmodelle, Erlang- Verkehr, Zellulartechnik, Beispiele: GSM, UMTS Quellencodierung bzw. Datenkompression Informationsmass, Redundanz-, Irrelevanzreduktion [z.B. JPEG] Kanalcodierung bzw. Fehlerschutzcodierung Kanalkapazität, Fehlerdetektion/-korrektur, BER-Performance, Block- und Faltungscodes, Viterbi-Dekoder, TCM, Turbo-Codes Einführung in die Chiffrierung Schlüssel/Algorithmus, symmetrische/asymm. Chiffrierverfahren PHY bzw. Luftschnittstelle wichtiger digitaler Nachrichten-Systeme ADSL, Fast-Ethernet GSM, UMTS, DECT, WLAN, RFID, DAB, DVB, BT, ...