Nachrichtenübertragung: mit 39 Tabellen
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|---|---|
| Format: | Book |
| Language: | German |
| Published: |
Stuttgart [u.a.]
Teubner
2004
|
| Edition: | 3., neubearb. und erg. Aufl. |
| Series: | Informationstechnik
|
| Subjects: | |
| Online Access: | Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis |
| Physical Description: | XX, 822 S. Ill., graph. Darst. |
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|---|---|
| adam_text | Inhaltsverzeichnis
I Signale und Übertragungssysteme 1
1 Systemtheoretische Grundlagen 3
1.1 Klassifikationen von Signalen 4
1.2 Fourier-Transformation 5
1.2.1 Zusammenfassung der wichtigsten Eigenschaften 5
1.2.2 Symmetrie der Spektren reeller Zeitsignale 9
1.3 Hilbert-Transformation 10
1.3.1 Definition und Eigenschaften 10
1.3.2 Approximation durch reale Systeme 15
1.3.3 Hilbert-Transforniatoren für Bandpass-Signale 18
1.3.4 Analytische Signale 20
1.3.5 Zusammenhang zwischen Real- und Imaginärteil der Über¬
tragungsfunktionen eines kausalen Systems 22
1.4 Äquivalente Tiefpass-Darstellung von Bandpass-Signalen und -Systemen . 24
1.4.1 Tiefpass-Darstellung von Bandpass-Signalen 24
1.4.2 Strukturen von Quadraturmischern 26
1.4.3 Basisband-Darstellung von
Bandpass-Übertragungssysteinen 27
1.5 Empfängerstrukturen 30
1.5.1 Prinzip des Frequenzmultiplex 30
1.5.2 Geradeaus-Empfänger 31
1.5.3 Superheterodyn-Prinzip 32
1.5.4 Direktmischende Strukturen 34
1.6 Rauschsignale 36
X Inhaltsverzeichnis
1.6.1 Beschreibung von stochastischen Prozessen 36
1.6.2 Äquivalente Basisbanddarstellung stationärer
Bandpass-Rauschprozesse 41
1.6.3 Die Autokorrelationsmatrix 46
1.6.4 Wiener-Filter 47
2 Eigenschaften von Übertragungskanälen 51
2.1 Verzerrungsfreie Übertragung - Approximation idealisierter Systeme ... 52
2.1.1 Definition der Verzerrungsfreiheit 52
2.1.2 Die erste Nyquist Bedingung 54
2.1.3 Filter mit Kosinus-roll-off-Flanke 58
2.2 Zeitdauer-Bandbreite-Produkt 60
2.3 Eigenschaften realer Kanäle 65
2.3.1 Lineare Verzerrungen 65
2.3.2 Nichtlineare Verzerrungen 67
2.3.3 Frequenzverwerfung als Beispiel für einen zeitvarianten Kanal ... 72
2.3.4 Additive Störungen 74
2.4 Das Fernsprechnetz 78
2.5 Der Funkkanal 82
2.5.1 Zeitinvariante Mehrwegekanäle 82
2.5.2 Mobilfunkkanal 87
II Analoge Übertragung 97
3 Analoge Modulationsverfahren 99
3.1 Definitionen analoger Modulationsformen 100
3.1.1 Amplitudenmodulation 100
3.1.2 Winkelmodulation 101
3.1.3 Einseitenbandmodulation 104
3.1.4 Übersicht 107
3.2 Spektraleigenschaften 108
3.2.1 Lineare Modulationsformen 109
3.2.2 Winkelmodulation 114
3.3 Äquivalente Tiefpassdarstellung von Modulationssignalen 120
Inhaltsverzeichnis XI
3.3.1 Eigenschaften 120
3.3.2 Demodulationsvorschriften 125
3.3.3 Komplexe Sender- und Empfängerstrukturen 130
3.4 Praktische Systeme zur Demodulation 136
3.4.1 Einhüllenden-Demodulation von AM-Signalen 13C
3.4.2 FM-Demodulation mit Amplitudenbegrenzung 137
3.4.3 Digitale FM-Demodulation 141
4 Einflüsse linearer Verzerrungen 143
4.1 Äquivalente Basisband-Darstellung de.s ÜbertragungskanaLs 144
4.2 Kanalverzerrungen bei linearen Modulationsverfahren 147
4.2.1 Kohärente AM-Demodulation 148
4.2.2 Einhüllenden-Demodulation 148
4.2.3 Einseitenband-Demodulation 149
4.3 Lineare Kanalverzerrungen bei Winkelmodulation 151
4.3.1 Quasistationäres Modell 152
4.3.2 Numerische Lösung für sinusförmige Modulation 157
4.3.3 Konstant-Modulus-Algorithmus (CMA)
zur Entzerrung winkelmodulierter Signale 160
5 Additive Störungen 165
5.1 Einflüsse von Störsendern 166
5.1.1 Lineare Modulationsformen Kid
5.1.2 Frequenzmodulation 170
5.2 Störungen durch additives Rauschen 171
5.2.1 Lineare Modulationsformell 174
5.2.2 Frequenzmodulation 178
5.3 Vergleich der Modulationsarten 183
5.3.1 Vergleich unter gleichen Sendeleistungen 183
5.3.2 Informationstheoretischer Vergleich 185
6 Zwei Systembeispiele für analoge Modulation 189
6.1 Trägerfrequenztechnik im Fernsprechnetz 190
6.2 UKW-Hörrundfunk 193
6.2.1 Frequenzbänder für Hörrundfunk und Fernsehen 193
XII Inhaltsverzeichnis
6.2.2 Optimierung der UKW-ZF-Filter 194
6.2.3 UKW-Preemphase und -Deemphase 198
6.2.4 UKW-Stereophonie 199
6.2.5 Verkehrsfunk 201
III Digitale Übertragung 203
7 Diskretisierung analoger Quellensignale 205
7.1 Zeitdiskrete, amplitudenkontinuierliche Darstellung 206
7.1.1 Pulsamplitudenmodulation 206
7.1.2 Pulsdauer-, Pulsphasenmodulation 211
7.2 Zeit- und amplitudendiskrete Darstellung: Pulscodemodulation 213
7.2.1 Lineare Quantisierung 213
7.2.2 Nichtlineare Quantisierung 216
7.3 Differentielle Pulscodemodulation 218
7.3.1 Grundprinzip 218
7.3.2 Lineare Prädiktion 219
7.3.3 Vorwärts- und Rückwärtsprädiktion 223
7.3.4 LPC-Sprachcoder 226
7.4 Deltamodulation 230
7.4.1 Grundprinzip 230
7.4.2 Sigma-Delta-Modulation 232
8 Grundlagen der digitalen Datenübertragung 237
8.1 Prinzip der digitalen Übertragung 238
8.1.1 Grundstruktur eines Datenübertragungssystems 238
8.1.2 Spektrum eines Datensignals 239
8.1.3 Intersymbol-Interferenz - Die erste Nyquistbedingung 242
8.1.4 Augendiagramm - Die zweite Nyquistbedingung 247
8.2 Übertragung mit kontrollierter Intersymbol-Interferenz 250
8.2.1 Partial-Response-Codierung 250
8.2.2 Partial-Response-Vorcodierung 257
8.3 Übertragung unter Rauschemfluss 261
8.3.1 Rauschangepasste Empfangsfilter (Matched-Filter) 261
Inhaltsverzeichnis XIII
8.3.2 Bitfehlerwahrscheinlichkeit 266
8.3.3 Signal-Störverhältnis bei PCM-Übertragung 272
8.4 Systembeispiel: PCM-Übertragung im Fernsprechnetz 275
8.4.1 Prinzip des Zeitmultiplex 275
8.4.2 Fernsprech-PCM-Hierarchie 276
9 Digitale Modulation 279
9.1 Lineare Modulationsformen 280
9.1.1 Beschreibung im Signalraum 280
9.1.2 Digitale Modulation mit Nyquist-Impulsformung 284
9.1.3 Offset-PSK 286
9.1.4 Differentielle PSK-Modulation (DPSK) 287
9.1.5 Klassifikation digitaler Modulationssignale 289
9.2 Nichtlineare Modulationsformen 292
9.2.1 Diskrete Frequenzmodulation (FSK) 292
9.2.2 Minimum Shift Keying (MSK) 296
9.2.3 Gaußsches Minimum Shift Keying (GMSK) 299
9.2.4 Continuous-Phase-Modulation (CPM) 301
9.3 Spektraleigenschaften 303
9.3.1 Lineare Modulationsformen 303
9.3.2 Spektren orthogonaler FSK-Signale 306
9.3.3 Numerisches Berechnungsverfahren zur Spektralanalyse beliebiger
CPM-Formen 308
9.3.4 Vergleich der Spektren verschiedener Modulationssignale 313
10 Prinzipien der Demodulation 317
10.1 Kohärente Demodulation 318
10.1.1 Grundstrukturen kohärenter Empfänger
für lineare Modulationsformen 318
10.1.2 Kohärente Demodulation von MSK- Signalen 319
10.1.3 Näherungsweise Beschreibung von CPM-Signalen durch
lineare Modulationsformen 321
10.1.4 Kohärente Demodulation von CPM-Signalen 326
10.2 Inkohärente Demodulation 328
10.2.1 Begriffsklärung 328
XIV Inhaltsverzeichnis
10.2.2 Inkohärente Demodulation von DPSK-Signalen 330
10.2.3 Inkohärente Demodulation von DAPSK-Signalen 333
10.2.4 Differentieller Demodulator für CPM-Signale 335
10.2.5 Diskriminator-Demodulator für CPM-Signale 336
10.3 Trägerregelung 339
10.3.1 Trägerregelung im Bandpass-Bereich 339
10.3.2 Entscheidungsrückgekoppelte Trägerregelung im Basisband .... 343
10.3.3 Linearisiertes Modell für den Phasenregelkreis 344
10.3.4 Statischer Phasenfehler infolge Frequenzverwerfung 347
10.3.5 Phasenjitter 349
10.3.6 Phasenrauschen 351
10.4 Symboltakt-Synchronisation 352
10.4.1 Leistungsdichtespektrum eines quadrierten Datensignals 352
10.4.2 Taktrückgewinnung durch Gleichrichtung des Datensignals .... 356
10.4.3 Gardner-Taktregelung 357
10.4.4 Entscheidungsrückgekoppelte Taktregelung 360
11 Übertragung über AGN-Kanäle 365
11.1 Optimaler Empfänger für gaußsche Störungen 366
11.2 Spezialfall weißer Rauschstörungen (AWGN-Kanal) 369
11.2.1 Korrelationsempfänger 369
11.2.2 Matched-Filter-Empfänger 370
11.3 Störung durch farbiges Rauschen 373
11.3.1 Korrelationsempfänger für farbiges Rauschen 373
11.3.2 Matched-Filter für farbiges Rauschen 375
11.4 Fehlerwahrscheinlichkeit für ÄWGN-Kanäle 378
11.4.1 Signal- und Störleistungsbeziehungen
im äquivalenten Tiefpassbereich 378
11.4.2 Bitfehlerwahrscheinlichkeit bei zweistufigen Signalformen 381
11.4.3 Bit-Zuordnung bei höherstufigen Modulationsverfahren 383
11.4.4 Bit- und Symbolfehlerwahrscheinlichkeit für QPSK 386
11.4.5 Näherungslösung für höherstufige PSK-Übertragung 388
11.4.6 Quadratur-Amplituden-Modulation (QAM) 394
11.4.7 Einfluss eines statischen Phasenfehlers 395
Inhaltsverzeichnis XV
11.4.8 Inkohärente DPSK-Demodulation 397
11.4.9 Fehlerwahrscheinlichkeiten für MSK und GMSK 399
12 Entzerrung 405
12.1 Grundstrukturen von Entzerrern 406
12.1.1 Matched-Filter-Empfänger mit Entzerrung 406
12.1.2 Bandpass- und Basisbandentzerrung 408
12.1.3 Inverse Systeme 411
12.1.4 Least-Squares-Lösungen für inverse Systeme 416
12.2 Lineare Entzerrung mit nichtrekursiven Systemen 419
12.2.1 Bedingungen zur perfekten Entzerrung 419
12.2.2 Symboltaktentzerrer 422
12.2.3 Entzerrer mit Doppelabtastung 424
12.2.4 Minimum-Mean-Square-Error-Lösung (MMSE) für lineare Entzerrer429
12.2.5 Beispiele zur linearen Entzerrung 433
12.2.6 Einfluss des Abtastzeitpunktes auf die Entzerrung 435
12.3 Nichtlineare Entzerrerstrukturen 437
12.3.1 Quantisierte Rückführung (Decision Feedback) 437
12.3.2 MMSE-Lösung für Entzerrer mit quantisierter Rückführung .... 439
12.3.3 Beispiel: MMSE-Entwurf für lineare und nichtlineare Entzerrung . 443
12.4 Adaptive Entzerrereinstellung 445
12.4.1 Least-Mean-Squares-Algorithmus (LMS) 446
12.4.2 Konvergenz des LMS-Algorithmus 449
12.4.3 Rekursiver Least-Squares-Algorithmus (RLS) 453
12.5 Lattice-Entzerrer 456
12.5.1 Lattice-Prädiktor zur Dekorrelation 456
12.5.2 Struktur des Lattice-Entzerrers 461
12.5.3 Lattice-Gradientenverfahren 466
12.5.4 Konvergenzvergleich der Adaptionsalgorithmen 471
12.6 Entzerrung unter additivem Kanalrauschen 473
12.6.1 Einfluss von Rauschen auf die MMSE-Lösung 473
12.6.2 S/N-Verlust infolge der Entzerrung 475
12.6.3 Fehlerwahrscheinlichkeit unter Entzerrer-Emfrass 479
XVI Inhaltsverzeichnis
13 Maximum-Likelihood-Schätzung von Datenfolgen 485
13.1 Maximum-Likelihood-Schätzung 486
13.1.1 Grundstruktur des optimalen Empfängers 486
13.1.2 Optimaler Empfänger mit Dekorrelationsfilter 488
13.2 Viterbi-Algorithmus 491
13.2.1 Viterbi-Detektion endlicher Datenfolgen 491
13.2.2 Detektion unbegrenzter Datenfolgen 498
13.3 Einfluss von additivem Kanalrauschen 501
13.3.1 Fehlerwahrscheinlichkeit bei Viterbi-Detektion 501
13.3.2 S/N-Verlustfaktor 508
13.3.3 Ungünstigste Kanäle 1. und 2. Ordnung 509
13.4 Vorentzerrer zur Verkürzung der Kanalimpulsantwort 515
14 Kanalschätzung 521
14.1 Referenzsignal-gestützte Kanalschätzung 522
14.1.1 MMSE-Lösung 522
14.1.2 LMS-Kanalschätzung 523
14.1.3 Maximum-Likelihood-Kanalschätzung 525
14.1.4 Orthogonale Folgen 527
14.2 Blinde Kanalschätzung 532
14.2.1 Prinzipielle Ansätze 532
14.2.2 SOCS-Algorithmen 534
14.2.3 HOS-Algorithmen 543
14.3 GSM-Kanalschätzung 551
14.3.1 GSM-Burststruktur 551
14.3.2 Turbo-Kanalschätzung 553
14.3.3 Referenzgestützte und blinde GSM-Kanalschätzung 554
IV Mobilfunk-Kommunikation 557
15 Übertragung über Funkkanäle 559
15.1 Standards zur Mobilfunk-Übertragung 560
15.2 Übertragung über nicht frequenzselektive Rayleigh-Kanäle 563
15.2.1 Ergodische Fehlerwahrscheinlichkeit 563
Inhaltsverzeichnis XVII
15.2.2 Ausfall-Wahrscheinlichkeit 566
15.3 Diversität 568
15.3.1 Kanalmodell und Empfängerstrukturen 568
15.3.2 Ergodische Bitfehlerwahrscheinlichkeit 572
15.4 Entzerrung von frequenzselektiven Schwundkanälen 577
16 Mehrträger-Modulation 579
16.1 Grundprinzip der Mehrträger-Übertragung 580
16.1.1 Struktur eines Mehrträgersystems 580
16.1.2 Das OFDM-Konzept 583
16.2 Entzerrung 586
16.2.1 Das Guardintervall 586
16.2.2 Entzerrung im Frequenzbereich 591
16.2.3 Vorentzerrer zur Impulsverkürzung 593
16.2.4 Einträger-Frequenzbereichs-Entzerrer 595
16.3 OFDM-Kanalschätzung 599
16.3.1 Kohärente und inkohärente Empfängerstrukturen 599
16.3.2 OFDM-Kanalschätzung mit Hilfe einer Präambel 600
16.3.3 Pilotträger in Zeit- und Frequenzrichtung 605
16.4 Übergang auf den analogen Kanal 608
16.4.1 Spektralformung des Sendesignals 608
16.4.2 Außerbandstrahlung infolge nichtlinearer Verzerrungen 610
16.4.3 Verfahren zur Spitzenwertreduktion 613
16.5 Mehrträger-Systeme mit weicher Impulsformung 616
16.5.1 Intersymbol- und Intercarrier-Interferenz 616
16.5.2 Orthogonales Verfahren mit Offset-QAM 619
16.5.3 Nichtorthogonale Systeme mit minimalem Zeit-Bandbreiteprodukt 620
16.6 Zwei Beispiele zur OFDM-Übertragung 624
16.6.1 Die WLAN-Systeme IEEE 802.11a und HIPERLAN/2 624
16.6.2 DAB und DVB-T 627
17 Codemultiplex-Übertragung 631
17.1 Grundprinzip des Codemultiplex 632
17.1.1 Prinzip der spektralen Spreizung 632
XVIII Inhaltsverzeichnis
17.1.2 CDMA-Empfänger für nicht frequenzselektive Kanäle 634
17.1.3 Pseudo-Zufallsfolgen 635
17.1.4 Walsh-Codes 643
17.1.5 CDMA: Ein Zugriffsverfahren für zellulare Netze 645
17.2 Höherstufige orthogonale Modulation 651
17.2.1 Modulation durch Walsh-Signale 651
17.2.2 Empfänger für M-stufige orthogonale Modulation 654
17.2.3 Bitfehlerwahrscheinlichkeit für AWGN-Kanäle 659
17.3 Codemultiplex-Übertragung über frequenzselektive Kanäle 666
17.3.1 Rake-Empfänger 666
17.3.2 Kohärenter Empfänger für M-stufige orthogonale Modulation . . . 670
17.3.3 Inkohärenter Rake-Empfänger 672
17.4 CDMA-Übertragung über Mobilfunkkanäle 678
17.4.1 Bitfehlerwahrscheinlichkeit bei Einnutzer-Übertragung 678
17.4.2 Mehrnutzer-Interferenz 681
17.5 Mehrträger-CDMA 686
17.5.1 Prinzip des MC-CDMA 686
17.5.2 Vergleich mit Einträger-CDMA 691
17.6 Zwei Beispiele für CDMA-Mobilfunksysteme 693
17.6.1 UMTS 693
17.6.2 Das IS-95-System 699
18 Mehrantennen-Systeme 703
18.1 Kanäle mit mehreren Ein- und Ausgängen (MIMO) 704
18.1.1 Zielsetzung 704
18.1.2 Systemmodell 705
18.1.3 Eigenmoden eines MIMO-Übertragungssystems 706
18.1.4 Korrelationsmatrizen von MIMO-Systemen 708
18.2 Mehrantennen-Konzepte zur Verbesserung der Übertragungsicherheit ... 711
18.2.1 SIMO-Systeme: Maximum Ratio Combining am Empfänger .... 711
18.2.2 MISO-Systeme mit Kanalkenntnis am Sender: Beamforming .... 712
18.2.3 MISO-Systeme ohne Kanalkenntnis am Sender: Space-Time-Codes 716
18.3 Erhöhung der Übertragungsrate durch Raum-Multiplex 722
18.3.1 Multi-Layer-Übertragung bei Kanalkenntnis am Sender 723
Inhaltsverzeichnis XIX
18.3.2 Multi-Layer-Konzepte ohne Kanalkenntnis am Sender 724
18.3.3 Successive Interference Cancellation (SIC) 726
18.3.4 Messergebnisse 729
Anhang A-H 733
A Korrespondenzen zur Fourier- und Hilberttransformation 735
A.l Fouriertransformation 735
A.2 Hilberttransformation 737
B Vektorielle Darstellung von Signalen 739
B.l Beschreibung der Faltung als Skalarprodukt 739
B.2 Die Faltungsmatrix 741
C Zeitdiskrete Simulationsmodelle 745
C.l Übergang von einem zeitkontinuierlichen auf einen zeitdiskreten Rausch-
prozess 745
C.2 Das Störabstandsmaß Es/N0 747
C.2.1 Reelle Tiefpass-Übertragung 747
C.2.2 Modulierte Übertragung im äquivalenten Tiefpassbereich 749
C.2.3 Symboltaktmodell eines Übertragungssystems 751
C.3 Erzeugung einer Gaußverteilung aus einem gleichverteilten Prozes.s .... 754
D Beschreibung gaußverteilter Rauschprozesse 757
D.l Diskrete Karhunen-Loeve Transformation 757
D.2 Verbunddichte eines farbigen Gauß-Prozesses 759
E Ableitungen zum Lattice-Entzerrer 761
E.l Levinson-Durbin-Rekursion 7G1
E.2 Orthogonalität der Rückwärts-PrädiktionKfehler 764
E.3 Herleitungen zum Lattice-Gradientenalgorithmius 766
F Ergänzung zur Maximum-Likelihood-Schätzung 769
F.l Faltungsmatrizen 769
F.2 Dekorrelationsfilter 771
XX Inhaltsverzeichnis
G Bedingungen für die ideale Kanalentzerrung mit Hilfe von T/2-
Entzerrern 775
G.l Herleitung der Singularitäts-Bedingungen 775
G.2 Beispiele 778
H Matrix-Inversionslemma 783
H.l Allgemeine Herleitung 783
H.2 Spezielle Form im RLS-Algorithmus 784
Literaturverzeichnis 787
Sachverzeichnis 808
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