Nachrichten-Übertragungstechnik

Vorwort Ulrich Freyer Nachrichten-Übertragungstechnik Grundlagen, Komponenten, Verfahren und Systeme der Telekommunikationstechnik ISBN: 978-3-446-41462-4 Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/978-3-446-41462-4 sowie im Buchhandel. © Carl Hanser Verlag, Mnchen Vorwort des Herausgebers Was können Sie mit diesem Buch lernen? Wenn Sie mit diesem Buch lernen, dann erwerben Sie umfassende Kenntnisse, Fähigkeiten und Ein- sichten in Gebiete der Telekommunikationstechnik, die Sie bei der Entwicklung von Projekten und der Lösung von produktionstechnischen Aufgaben benötigen. Dabei steht die Digitalisierung der Anlagen angemesen im Vordergrund! Der Umfang dessen, was wir Ihnen anbieten, orientiert sich an • den Studienplänen der Fachhochschulen für Technik, • den Lehrplänen der Fachhochschulen für Technik. in den Bundesländern. Sie werden anwendungsorientiert mit Grundlagen, Komponenten, Verfahren und Systemen der Tele- kommunikationstechnik vertraut gemacht. Das heißt, Sie können dabei folgenden Fragen nachgehen: • Welche Grundbegriffe und Grundgesetze gelten? • Welche Funktionsprinzipien werden wirksam? • Welche Verfahren, Netze und Dienste sind auszuwählen? • Wie lassen sich Probleme schaltungstechnisch, messtechnisch und/oder technologisch realisieren? Wer kann mit diesem Buch lernen? Jeder, der • sich weiterbilden möchte, • elementare Kenntnisse in der Mathematik und den Naturwissenschaften besitzt, • grundlegende Kenntnisse in der Elektrotechnik, der Informatik, der Elektronik und der Mess- technik erworben hat. Das können sein: • Studenten an Fachhochschulen, Studenten an Berufsakademien und Ingenieure, • Studenten an Fachschulen für Technik und Techniker, • Schüler an Berufsfachschulen und Technische Assistenten, • Schüler an beruflichen Gymnasien und Berufsoberschulen, • Facharbeiter, Gesellen und Meister während und nach der Ausbildung, • Umschüler und Rehabilitanden, • Teilnehmer an Fort- und Weiterbildungskursen, • Autodidakten vor allem der Informationstechnik und der Telekommunikationstechnik. Wie können Sie mit diesem Buch lernen? Ganz gleich, ob Sie mit diesem Buch in Hochschule, Schule, Betrieb, Lehrgang oder zu Hause im „stillen Kämmerlein“ lernen, es wird Ihnen Freude machen. 6 Vorwort des Herausgebers Warum? Ganz einfach, weil Ihnen hier ein Buch vorgelegt wird, das in seiner Gestaltung die Grundgesetze des menschlichen Lernens umsetzt. Deshalb werden Sie am Anfang jedes Kapitels in einer Einführung mit dem bekannt gemacht, was Sie am Ende gelernt haben sollen. – Ein Lernbuch also! – Danach beginnen Sie sich mit den Lehr- und Lerninhalten auseinanderzusetzen! Schrittweise dargestellt, ausführlich beschrieben in der linken Spalte der Buchseite und umgesetzt in die technisch-fachsprachliche Darstellung in der rechten Spalte der Buchseite. Die eindeutige Zu- ordnung des behandelten Stoffes in beiden Spalten macht das Lernen viel leichter, Umblättern ist nicht mehr nötig. Zur Vertiefung stellt Ihnen der Autor Beispiele vor. – Ein unterrichtsbegleitendes Lehr- und Lernbuch. – Jetzt können und sollten Sie sofort die Übungsaufgaben durcharbeiten, um das Gelernte zu festigen. Den wesentlichen Lösungsvorgang und das Ergebnis jeder Übung hat der Autor am Ende des Buches für Sie aufgeschrieben. – Also auch ein Arbeitsbuch mit Lösungen. – Sie wollen sicher sein, dass Sie richtig und vollständig gelernt haben. Deshalb bietet Ihnen der Autor Lernerfolgskontrollen an. Ob Sie richtig geantwortet haben, können Sie aus den Lösungen am Ende des Buches ersehen. – Lernerfolgskontrollen mit Lösungen. – Trotz intensiven Lernens durch Beispiele, Übungen und Lernerfolgskontrollen verliert sich ein Teil des Wissens und Könnens wieder, wenn Sie nicht bereit sind, regelmäßig und bei Bedarf zu wieder- holen! Das will Ihnen der Autor erleichtern. Er hat die jeweils rechten Spalten der Buchseiten so geschrieben, dass hier die Kerninhalte als stich- wortartiger Satz, als Formel oder als Skizze zusammengefasst sind. Sie brauchen deshalb beim Wie- derholen und auch Nachschlagen meistens nur die rechten Spalten lesen. – Schließlich noch ein Repetitorium! – Für das Aufsuchen entsprechender Kapitel verwenden Sie bitte das Inhaltsverzeichnis am Anfang des Buches, für die Suche bestimmter Begriffe steht des Sachwortregister am Ende des Buches zur Ver- fügung. – Selbstverständlich mit Inhaltsverzeichnis und Sachwortregister. – Sicherlich werden Sie durch die intensive Arbeit mit dem Buch auch Ihre „Bemerkungen zur Sache“ in diesem Buch unterbringen wollen, um es so zum individuellen Arbeitsmittel zu machen, das Sie auch später gerne benutzen. Deshalb haben wir für Ihre Notizen auf den Seiten Platz gelassen. – Am Ende ist „Ihr“ Buch entstanden. – Möglich wurde dieses Lernbuch für Sie durch die Bereitschaft des Autors und die intensive Unter- stützung des Verlages mit seinen Mitarbeitern. Ihnen sollten wir herzlich danken. Beim Lernen wünsche ich Ihnen viel Freude und Erfolg. Manfred Mettke Vorwort des Verfassers Seit der letzten Auflage des Buches hat sich die Nachrichten-Übertragungstechnik auch weiterhin in Richtung Digitalisierung und Konvergenz entwickelt. Dies bedeutet einerseits, dass die Übertragung von Signalen nur noch in Ausnahmefällen analog erfolgt, während digitale Übertragungssysteme ständig zunehmen. Andererseits bietet die digitale Übertragung den grundsätzlichen Vorteil, auch unterschiedliche spezifische Nutzungen gleichzeitig über dieselben Netze effizient übertragen zu können. Für solche Nutzungen gilt die Bezeichnung Dienste oder Services. Dieses Zusammenwach- sen der Inhalte wird als transparente Übertragung bezeichnet, wobei für jeden Dienst eine als Proto- koll bezeichnete „Spielregel“ für die Übertragung zur Verfügung stehen muss, um gegenseitige Be- einflussungen zu vermeiden. In dieser neuen Auflage der „Nachrichten-Übertragungstechnik“ wurde das seit Jahren bewährte Konzept der Strukturierung des Inhalts beibehalten, jedoch um die aktuellen Entwicklungen der digitalen Modulations- und Übertragungsverfahren, der Quellencodierungen, der Kanalcodierungen, der Verschlüsselungen, der Fehlerschutzkonzepte, der Schnittstellen und der Übertragungsprotokolle ergänzt. Außerdem wird die wachsende Zahl der verfügbaren oder geplanten Anwendungen aus dem großen Bereich der Telekommunikationstechnik behandelt. Die einzelnen Themen betrachten wir dabei aus physikalischer und mathematischer Sicht, außerdem spielen auch die Begriffsbestimmun- gen eine wichtige Rolle. Ergänzend finden Sie ebenso die in der Telekommunikationstechnik sehr häufig verwendeten englischen Ausdrücke (angegeben in eckigen Klammern), fachtypische Abkür- zungen und Kunstworte (Akronyme). Neben den Betrachtungen der digitalen Welt kommt aber auch die analoge Technik nicht zu kurz. Alle heute relevanten Anwendungen und ihre Grundlagen sind mit den neuesten Erkenntnissen ein- gearbeitet. Für die Arbeit mit diesem Buch sind Grundkenntnisse der Physik, Mathematik, Elektrotechnik und Elektronik erforderlich, also gängiges Basiswissen. Diese Auflage der „Nachrichten-Übertragungstechnik“ umfasst alle Aspekte der modernen Tele- kommunikationstechnik. Damit sind Sie als Nutzer des Buches „up to date“ hinsichtlich Ihres fach- lichen Wissens. Das Werk ist zum Lesen, Lernen und Nachschlagen bestens geeignet und stellt des- halb eine sinnvolle Investition dar. Köln, im Herbst 2008 Ulrich Freyer

Inhaltsverzeichnis Ulrich Freyer Nachrichten-Übertragungstechnik Grundlagen, Komponenten, Verfahren und Systeme der Telekommunikationstechnik ISBN: 978-3-446-41462-4 Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/978-3-446-41462-4 sowie im Buchhandel. © Carl Hanser Verlag, Mnchen Inhalt 1 Ausgangslage 1.0 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.1 Information, Signal, Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2 Übertragungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Lernerfolgskontrolle zu Kapitel 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2 Grundbegriffe 2.1 Pegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.1.0 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.1.1 Pegelarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.1.2 Abstand und Maß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.1.3 Pegelplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Lernerfolgskontrolle zu Kapitel 2.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2 Signale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2.0 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2.1 Zeitfunktion und Frequenzfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2.2 Analoge und digitale Signale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.2.3 Nutzsignale und Störsignale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.4 Analyse und Synthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.2.5 Dämpfung und Verstärkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.2.6 Kopplungsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.2.7 Eintore und Mehrtore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.2.8 Anpassung und Fehlanpassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Lernerfolgskontrolle zu Kapitel 2.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.3 Elektromagnetische Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.3.0 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.3.1 Schwingung und Welle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.3.2 Elektromagnetisches Feld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.3.3 Frequenz- und Wellenbereiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.3.4 Wellenausbreitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Lernerfolgskontrolle zu Kapitel 2.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 2.4 Kommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 2.4.0 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 2.4.1 Arten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 2.4.2 Verteilung und Vermittlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 2.4.3 Übertragungsmodi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Lernerfolgskontrolle zu Kapitel 2.4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 2.5 Netze und Dienste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 2.5.0 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 2.5.1 Begriffsbestimmungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 2.5.2 Netzstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 2.5.3 Diensteeigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Lernerfolgskontrolle zu Kapitel 2.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 2.6 Schnittstellen und Protokolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 2.6.0 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 2.6.1 Begriffsbestimmungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 2.6.2 Spezifikationen von Schnittstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Inhaltsverzeichnis 9 2.6.3 Anwendung von Protokollen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Lernerfolgskontrolle zu Kapitel 2.6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 2.7 Übertragungskapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 2.7.0 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 2.7.1 Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 2.7.2 Übertragungskanal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Lernerfolgskontrolle zu Kapitel 2.7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 2.8 OSI-Referenzmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 2.8.0 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 2.8.1 Konzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 2.8.2 Schichtenstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 2.8.3 Kommunikationsstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Lernerfolgskontrolle zu Kapitel 2.8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 2.9 Elektromagentische Verträglichkeit (EMV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 2.9.0 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 2.9.1 Begriffsbestimmungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 2.9.2 Elektromagnetische Aussendungen (EMA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 2.9.3 Elektromagnetische Beeinflussbarkeit (EMB) . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Lernerfolgskontrolle zu Kapitel 2.9 . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Leseprobe Ulrich Freyer Nachrichten-Übertragungstechnik Grundlagen, Komponenten, Verfahren und Systeme der Telekommunikationstechnik ISBN: 978-3-446-41462-4 Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/978-3-446-41462-4 sowie im Buchhandel. © Carl Hanser Verlag, Mnchen 2 Grundbegriffe 2.1 Pegel 2.1.0 Einführung Nach Durcharbeiten dieses Kapitels können Sie den Begriff Pegel erklären, die Zweckmäßigkeit der Pseudoeinheit Dezibel aufzeigen, Pegelarten unterscheiden, mit relativen Pegeln rechnen, absolute Pegel nutzen, die Begriffe Abstand und Maß beschreiben sowie Pegelpläne erstellen. 2.1.1 Pegelarten Signale sind bekanntlich Verläufe physikali- Wesentliche physikalische Größen in der Kom- scher Größen. In der Kommunikationstechnik munikationstechnik: spielen dabei die elektrische Spannung U und I Elektrische Spannung U die elektrische Wirkleistung P eine wesentliche Einheit: Volt (V) Rolle. Die Angabe eines Spannungswertes er- I Elektrische Wirkleistung P folgt als Vielfaches der Einheit Volt (V), wäh- Einheit: Watt (W) rend es sich beim Leistungswert um das Viel- fache der Einheit Watt (W) handelt. Das Viel- fache kann dabei auch eine beliebig gebrochene Zahl sein, bei der Spannung ist zur Angabe der Polarität zusätzlich auch das Minuszeichen möglich. Sind andere physikalische Größen der elektri- Leistungsgrößen weisen Proportionalität zur schen Wirkleistung proportional, dann handelt elektrischen Wirkleistung P auf es sich um Leistungsgrößen. Dazu gehören: I Energie, Arbeit P (Einheit: J) I Leistungs(fluss)dichte P/A (Einheit: W/m2) I Energiedichte W/A (Einheit: J/m2) Verhalten sich dagegen physikalische Größen proportional zur Quadratwurzel der elektri- Feldgrößen weisen Proportionalität zur Qua- schen Wirkleistung, dann sprechen wir von dratwurzel der elektrischen Wirkleistung P auf Feldgrößen. Dazu gehören: I Elektrische Spannung U (Einheit: V) I Elektrische Stromstärke I (Einheit: A) I Elektrische Feldstärke E (Einheit: V/m) I Magnetische Feldstärke H (Einheit: A/m) I Kraft F (Einheit: N) I Schalldruck p (Einheit: Pa) In der Kommunikationstechnik ist häufig nicht der absolute Wert einer Größe von Interesse, sondern das Verhältnis von zwei gleichartigen Das Verhältnis zweier gleichartiger Größen er- Größen, also zum Beispiel Eingangs- und Aus- gibt dimensionslosen Ausdruck. gangsspannung eines Verstärkers. Es ergibt sich 2.1 Pegel 19 dadurch ein Bruch, dessen Zähler und Nenner gleiche Dimensionen aufweisen, was zu einem dimensionslosen Ausdruck führt. Bezogen auf die beliebigen Stellen a und b ergibt sich für Pa Ua Leistung und Spannung: xP = –– bzw. xU = –– (2.1–1) Pb Ub Die Beschreibung dieser Größenverhältnisse durch den dekadischen Logarithmus führt zu Pa Ua folgender Form: yP = lg –– bzw. yU = lg –– (2.1–2) Pb Ub Das logarithmierte Verhältnis von Leistungs- größen und Feldgrößen wird im Gegensatz zur Das logarithmierte Verhältnis von Leis- linearen Variante als Pegel [level] bezeichnet tungs- und Feldgrößen heißt Pegel L. und L als Formelzeichen verwendet. Durch einen Index wird die Art des Pegels ge- kennzeichnet, also zum Beispiel LP für Leis- LP ⇒ Leistungspegel tungspegel und LU für Spannungspegel. LU ⇒ Spannungspegel Da Pegelangaben eigentlich dimensionslos sind, wurde die Pseudoeinheit „Bel“ (B) als Kennzeichnung festgelegt. In der Praxis hat sich allerdings das Dezibel (dB) durchgesetzt, also das Zehntel-Bel. Damit 1 werden die Pegelwerte überschaubarer. 1 dB = –– B ⇔ 1B = 10 dB (2.1–3) 10 Pa Pa Für den Leistungspegel folgt daraus: LP = lg –– B = lg –– 10 dB Pb Pb Pa LP = 10 · lg –– dB (2.1–4) Pb Mit Hilfe der Leistungsformel ist der Übergang U2 a vom Leistungspegel zum Spannungspegel –– Pa Ra möglich. Es ergibt sich: LP = 10 · lg –– dB = 10 · lg –– dB Pb U2 b –– Rb Als Bedingung gilt nun, dass sich beide Leistun- Forderung: gen auf den gleichen Widerstand beziehen. Ra = Rb = R (2.1–5) Damit ergibt sich für den Spannungspegel: () Ua 2 Ua LU = 10 · lg –– dB = 10 ·2 · lg –– dB Ub Ub Ua LU = 20 · lg –– dB (2.1–6) Ub Übung 2.1–1 Welcher grundsätzliche Unterschied besteht zwischen Leistungspegel und Spannungspegel? 20 2 Grundbegriffe Übung 2.1–2 Welcher Spannungspegel ergibt sich am Ausgang einer Baugruppe, bei der folgende Werte gelten: Eingangsspannung 8,4 V, Ausgangsspannung 60 V? Ist ein Pegelwert bekannt, dann können wir Entlogarithmieren durch Entlogarithmieren das Verhältnis der y = lg x ⇔ x = 10 y (2.1–7) Leistungen bzw. Spannungen einfach ermitteln. L Pa –P –– Es ergibt sich: –– = 1010 dB (2.1–8) Pb L Ua –U –– –– = 1020 dB (2.1–9) Ub Die bisherigen Betrachtungen der Leistungen und Spannungen bezogen sich auf zwei be- liebige Stellen a und b im Kommunikations- Die Indices a und b gelten für beliebige Stellen. system. Das bedeutet Ortsunabhängigkeit. Der Bezug kann auch auf die Leistung oder Span- nung an einer definierten Stelle erfolgen. Wir sprechen dann von relativen Pegeln. In der Praxis ist jedoch häufig das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsgröße einer Baugruppe oder eines Gerätes von Bedeutung. Der Eingang wird dabei durch Index 1 gekenn- Eingangsgrößen: Index 1 zeichnet, während es sich beim Ausgang um den Ausgangsgrößen: Index 2 Index 2 handelt. Als relative Pegel sind zwei Angaben möglich, und zwar abhängig davon, Beim relativen Pegel erfolgt der Bezug auf den ob auf den Wert am Eingang (Index 1) oder den Wert an einer definierten Stelle im Kommuni- am Ausgang (Index 2) bezogen wird. kationssystem. Es sind somit folgende Angaben für den Leis- P1 tungspegel möglich: LP(1/2) = 10 · lg –– dB (2.1–10) P2 P2 LP(2/1) = 10 · lg –– dB (2.1–11) P1 Beide Pegel basieren auf den Kehrwerten der Leistungsverhältnisse. Sie weisen deshalb glei- LP(1/2) = – LP(2/1) bzw. LP(2/1) = – LP(1/2) (2.1–12) che Zahlenwerte, jedoch unterschiedliche Vor- zeichen auf. Bei Kommunikationssystemen ist die Wir- kungsrichtung bei Baugruppen und Geräten je- weils vom Eingang zum Ausgang.