Digitale Nachrichtenübertragung: Grundlagen, Systeme, Technik, praktische Anwendungen

438 Pages·1996·15.64 MB·German

by  Prof. Dipl.-Ing. Peter Gerdsen (auth.)

P. Gerdsen
Digitale N achrichteniibertragung
Digitale
N achrichteniibertragung
Grundlagen, Systeme, Technik,
praktische Anwendungen
Von Prof. Dipl.-Ing. Peter Gerdsen
Fachhochschule Hamburg
Mit 198 Bildern und
zahlreichen Ubungsaufgaben mit L6sungen
B. G. Teubner Stuttgart 1996
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Emheitsaufnahme
Gerdsen, Peter:
Digitale Nachrichtenubertragung: Grundlagen, Systeme, Technik,
praktische Anwendungen; mit zahlr. Ubungsaufgaben mit Losungen I
von Peter Gerdsen. -
Stuttgart: Teubner, 1996
ISBN-l3: 978-3-519-06185-4 e-ISBN-13: 978-3-322-82993-1
DOl: 10.1007/978-3-322-82993-1
Das Werk emschlieBhch aller seiner Teile 1st urheberrechtlich geschutzt. Jede Verwertung auBerhalb der
engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des VerJages unzulilsslg und strafbar. Das
gilt besonders fur Vervielfaltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfihnungen und die Einspeicherung und
Verarbeitung in elektronischen Systemen.
© B. G. Teubner Stuttgart 1996
Gesamtherstellung: Zechnersche Buchdruckerel GmbH, Speyer
Einbandgestaltung: Peter Pritz, Stuttgart
Vorwort
Die elektrische Nachrichtentechnik li8t sich in die beiden Gebiete der Nach
richteniibertragung und der Nachrichtenverarbeitung unterteilen. Ausgehend
von den Methoden der Signaldarstellung kann man zwischen analoger und digi
taler Nachrichtentechnik unterscheiden. Wahrend hisher die analogen Methoden
die Nachrichteniibertragung und die digitalen Methoden die Nachrichtenverar
beitung beherrschten, beginnen die digitalen Methoden in zunehmendem Ma6e
in die Nachrichteniibertragungstechnik und allgemein weiter in die Gebiete der
Nachrichtenverarbeitung einzudringen, die bisher analogen Methoden vorbehal
ten waren. Dieses Buch mOchte den Leser in die grundlegenden Methoden und
Betrachtungsweisen der digitalen Nachrichteniibertragungstechnik einfiihren.
Dabei wird versucht, innerhalb der vielfaItigen Aspekte dieser Technik gemein
same und iibergeordnete Gesichtspunkte zu betonen. Die Beschriinkung auf die
wesentlichsten Zusammenhange solI es ermoglichen, durch sorgfaltige theoreti
sche Ableitungen so weit in die Tiefe zu gehen, daB die Anwendungsnahe der
Darstellung durch eine Reihe von ausgefiihrten Berechnungsbeispielen sichtbar
wird.
Die vorliegende "Digitale Nachrichteniibertragung" ist entstanden aus einer
Uberarbeitung und wesentlichen, inhaltlichen Erweiterung und U mgestaltung
des Teubner Studienskriptums "Digitale Ubertragungstechnik". Dabei sind die
Erfahrungen beriicksichtigt worden, die der Verfasser in iiber zehnjahriger
Lehrtatigkeit auf diesem Gebiet im Fachbereich Elektrotechnik und Informatik
der Fachhochschule Hamburg gewonnen hat.
Das Buch ist modular aufgebaut; es besteht aus zwolf einzelnen, im wesent
lichen fUr sich lesbaren Kapiteln. Die beiden wichtigsten zusammenfassenden
Begriffe sind die Quellen- und die Kanalcodierung, wobei diese auf drei Kapitel
verteilt wurde: Leitungscodierung, Fehlersicherung und Modulation.
Das Buch wendet sich in erster Linie an Studenten der Fachhochschulen und
Technischen Universitiiten. Aber auch Ingenieure aus der Praxis, die sich in
die digitale Nachrichteniibertragung einarbeiten wollen, soHen angesprochen
werden. Vorausgesetzt werden die Grundlagen der Elektrotechnik und der
VI Vorwort
Nachrichtentechnik. Urn das Durcharbeiten zu erleichtern, wurden einzelne
Themen aus den Grundlagen sowie einige sehr spezielle, fUr das Verstandnis
des Stoffes wichtige Themen in einem Anhang erHiutert.
Mit der Ausbreitung digitaler Methoden in der Ubertragungstechnik sind einige
spezifische Fachausdriicke entstanden, die mit einer ErHiuterung ihrer Bedeu
tung in einem Glossar zusammengestellt sind.
Dem Teubner-Verlag, speziell Herro Dr. Jens Schlembach, mOchte ich fUr die
gute Zusammenarbeit danken. Dank gilt auch meinem Kollegen Prof. Dr.-Ing.
Peter Kroger, der mir in vielen fachlichen Diskussionen tiber Einzelthemen und
bei der Strukturierung des Buches eine wertvolle Hilfe war. Zu Dank verpflich
tet bin auch Dipl.-Ing. Dieter Mehrkens, der eine ausgezeichnete Diplomarbeit
zum Thema PSK4-Modem angefertigt hat, fUr das sorgfiiltige Korrekturlesen
des Manuskripts. Ein besonderer Dank gilt meiner Frau fUr das mir in den
Monaten der Entstehung dieses Buches entgegengebrachte Verstandnis.
Hamburg, im Herbst 1996 P. Gerdsen
Inhaltsverzeichnis
1 ~inleittum~ ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 1
1.1 Signalklassen ......................................................................... 1
1.2 Digitale Signale ...................................................................... 4
1.2.1 Zeitmultiplex ................................................................. 4
1.2.2 Storungen ..................................................................... 4
1.2.3 Genauigkeit. .................................................................. 6
1.3 Ubertragungssysteme ............................................................... 6
1.3.1 Nachrichtenarten ............................................................. 7
1.3.2 Systemaufbau ................................................................ 8
2 Quellencodierung ........................................................... 11
2.1 Ubertragungssystem............................ ................................... 11
2.2 Nachrichtenebene .................................................................. 12
2.2.1 Irrelevanz ................................................................... 13
2.2.1.1 Eigenschaften des Qhres ....................................... 13
2.2.1.2 Eigenschaften des Auges ....................................... 15
2.2.2 Redundanz .................................................................. 15
2.2.2.1 Spektrum ......................................................... 16
2.2.2.2 Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion ........................... 16
2.2.2.3 Autokorrelationsfunktion ...................................... 16
2.3 Digitalisierung analoger Signale ................................................. 17
2.3.1 Zeitquantisierung....... ................................................... 18
2.3.1.1 Abtastvorgang ................................................... 19
2.3.1.2 Theoretisches Modell ........................................... 20
2.3.1.3 Formfilter-Frequenzgang ...................................... 22
2.3.1.4 Spektrum ......................................................... 22
2.3.1.5 Abtasttheorem ................................................... 25
VIIl Inhaltsverzeichnis
2.3.1. 6 Signalinterpolation .............................................. 27
2.3.1.7 Abtastentzerrung ................................................. 28
2.3.1.8 Schaltungen ...................................................... 29
2.3.1.9 Aufgaben ......................................................... 32
2.3.2 Lineare Amplitudenquantisierung ....................................... 36
2.3.2.1 Quantisierungskennlinie ........................................ 36
2.3.2.2 Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion ............................ 40
2.3.2.3 Quantisierungsverzerrungen ................................... 41
2.3.2.4 Begrenzungsverzerrungen ...................................... 47
2.3.2.5 Kanal- und Signaldynamik ..................................... 48
2.3.2.6 Quantisiertes Signal ............................................. 50
2.3.2.7 Klirrfaktor ........................................................ 52
2.3.3 Nichtlineare Amplitudenquantisierung .................................. 52
2.3.3.1 Kompandierung .................................................. 52
2.3.3.2 Kompandergewinn .............................................. 59
2.3.3.3 Zusammenfassung von Kompressor und Quantisierer ..... 61
2.3.4 Verfahren der Amplitudenquantisierung ................................ 63
2.3.4.1 Darstellung der Amplitudenwerte ............................. 63
2.3.4.2 Methoden ......................................................... 64
2.3.4.3 Schaltungen ...................................................... 65
2.3.5 Aufgaben .................................................................... 68
2.4 Codierungsverfahren .............................................................. 70
2.4.1 Differenzcodierung ........................................................ 70
2.4.1.1 Priidiktionsverfahren ............................................ 71
2.4.1.2 Reduktionsgewinn ............................................... 74
2.4.2 Optimalcodierung .......................................................... 75
2.4.3 Vocoder-Verfahren ........................................................ 77
2.4.4 Musicam-Verfahren ....................................................... 82
2.4.5 Laufl1ingencodierung ...................................................... 84
..
3 Basisband-Ubertragung ................................................... 87
3.1 Analoge Ubertragungssysteme ................................................... 87
3.2 Digitales Ubertragungssystem: Uberblick ...................................... 89
3.2.1 Sender: lsochrone Signale ................................................ 89
3.2.2 Kanal: Impulsverzerrungen und Storungen ............................ 90
3.2.3 Empfangerkonzept: Regenerativverstarker ............................. 92
Inhaltsverzeichnis IX
3.3 Impulsverzerrungen: Erstes Nyquist-Kriterium ............................... 94
3.3.1 Impulsantwort der Strecke ............................................... 95
3.3.2 Frequenzgang der Strecke ................................................ 97
3.3.3 Parameter der Strecke ................................................... 100
3.3.3.1 Roll-Off-Faktor ................................................ 100
3.3.3.2 Bandbreiteausnutzung ......................................... 102
3.3.4 Abtasttheorem und Nyquist-Kriterium ................................ 103
3.3.5 Aufgaben .................................................................. 103
3.4 Storungen .......................................................................... 106
3.4.1 Storbefreiung: Tiefpa6filterung ........................................ 107
3.4.2 Storbefreiung: Korrelation .............................................. 107
3.4.2.1 Signalangepa6tes Filter .............. '" ........ '" ............ 108
3.4.2.2 Rea1isierung: Integrationsmethode .......................... 112
3.4.3 Fehlerwahrscheinlichkeit ................................................ 113
3.4.3.1 EinfluB des Regenerativverstarkers .......................... 115
3.4.3.2 Berechnung der Fehlerwahrscheinlichkeit.. ................ 116
3.5 Aufbau des Regenerativ-Verstarkers ........................................... 122
3.5.1 Blockschaltbild des Regenerativverstarkers ........................... 123
3.5.2 Entscheidung im Signal- und Zeitbereich ............................. 124
3.6 Zeitdiskrete Ubertragung analoger Signale ................................... 126
3.6.1 Ideale Abtastung .......................................................... 127
3.6.2 Reale Abtastung .......................................................... 127
3.6.3 Ubertragungskanal ....................................................... 129
3.6.4 Zahlendarstellung ...... '" ........ '" ..................................... 130
4 Kanalcodierung I: Leitungscodierung ................................ 133
4.1 Aufgabe der Leitungscodierung ................................................ 134
4.2 Formatierung ...................................................................... 136
4.2.1 Prinzip ..................................................................... 136
4.2.2 Differentialtransformation ............................................... 138
4.2.3 Integraltransformation ..................... '" ........................ '" 138
4.2.4 Level, Mark und Space .................................................. 139
4.2.5 NRZ-Format .............................................................. 140
4.2.6 RZ-Format. ...... '" '" .................................................... 140
4.2.7 Bi-Phase-Format. ......................................................... 141
x Inhaltsverzeichnis
4.3 Korrelative Codierung ............................................................ 142
4.3.1 Binare Codierung ......................................................... 143
4.3.2 Block-Codierung .......................................................... 144
4.3.3 Partial Response Codierung ............................................. 145
4.3.3.1 Nachbarzeichenbeeinflussung ................................. 146
4.3.3.2 Codierung ....................................................... 148
4.3.3.3 Decodierung ..................................................... 152
4.3.3.4 Spezielle Codes ................................................. 155
4.3.3.5 Fehlerwahrscheinlichkeit ...................................... 157
4.3.3.6 Fehlererkennung ................................................ 158
4.4 Aufgaben ........................................................................... 159
5 Entzerrung: Basisbandsignale .......................................... 163
5.1 Aufgaben der Entzerrung ........................................................ 164
5.2 Entzerrung im Frequenzbereich ................................................. 165
5.2.1 Prinzip ...................................................................... 165
5.2.2 Anpassung an den KanaL ............................................... 166
5.2.3 Rea1isierung ................................................................ 167
5.3 Entzerrung im Zeitbereich ....................................................... 170
5.3. 1 Entzerrer als Impulsformer .............................................. 170
5.3.2 Transversalfilter ........................................................... 172
5.3.2.1 Theoretische Grundlagen des Transversalfilters ........... 173
5.3.2.2 Zeitbereichsentzerrer. .......................................... 177
5.3.2.3 Realisierung ..................................................... 179
5.3.3 Orthogonalfilter ........................................................... 181
5.3.3.1 Theoretische Grundlagen des Orthogonalfilters ............ 182
5.3.3.2 Dimensionierung ............................................... 184
5.4 Quantisierte Riickkopplung ...................................................... 185
5.4.1 Prinzip ...................................................................... 186
5.4.2 Entzerrerfilter ............................................................. 187
5.4.3 Fehlerfortpflanzung ....................................................... 189
5.5 Adaptive Entzerrung .............................................................. 189
5.5.1 Struktur eines adaptiven Entzerrers .................................... 190
5.5.2 Verfahren der Signalauswertung ........................................ 191
5.5.2.1 BetragsmittelwertiiberhOhung ................................. 192
5.5.2.2 Mittlerer quadrati scher Fehler ................................ 193
Inhaltsverzeichnis XI
5.5.3 Verfahren der Koeffizienteneinstellung ............................... 195
6 Takt-Synchronisation ..................................................... 199
6.1 Anforderungen an das Signal ................................................... 200
6.1.1 Spektrallinie ............................................................... 200
6.1.2 Nullfolgen ................................................................. 202
6.1.2.1 Spezielle Formate .............................................. 203
6.1.2.2 HDB3-Codierung .............................................. 203
6.1.2.3 Verwiirfelung ................................................... 204
6.1. 3 Phasenjitter ................................................................ 205
6.2 Methoden der Taktiibertragung ................................................. 207
6.3 Anforderungen an den Kanal ................................................... 208
6.3.1 Zweites Nyquist-Kriterium im Zeitbereich ........................... 210
6.3.2 Zweites Nyquistkriterium im Frequenzbereich ....................... 210
6.4 Methoden der Taktriickgewinnung ............................................. 211
6.4.1 Signalautbereitung ........................................................ 212
6.4.2 Resonanzverfahren ....................................................... 214
6.4.3 Verfahren mit Phasenregelschleife ..................................... 218
6.4.3.1 Integral- und Proportionalregelung .......................... 218
6.4.3.2 Digitale Phasenregelschleife .................................. 223
6.5 Aufgaben .......................................................................... 228
7 Kanalcodierung II: Fehlersicherung .................................. 229
7. 1 Klassifikation der Codes ......................................................... 229
7.2 Grundprinzip der Fehlersicherung ............................................. 231
7.3 Allgemeine Eigenschaften von Blockcodes ................................... 232
7.4 Blockcodierung ................................................................... 234
7.4.1 Matrizendarstellung: Gruppencodes ................................... 235
7.4.1.1 Definition der Gruppencodes ................................. 235
7.4.1.2 Systematische Codes ........................................... 237
7.4.1.3 Korrektor. ....................................................... 238
7.4.1. 4 Hammingdistanz und Codierung ............................. 239
7.4.1.5 Fehlererkennung ............................................... 241
7.4.1.6 Fehlerkorrektur ................................................. 242
7.4.1.7 Priifstellenanzahl fur Fehlerkorrektur ....................... 245
7.4.1.8 Realisierung des Codierers ................................... 245