Grundlagen der Telekommunikation: Signalübertragung, Modulation und Netzwerke

Grundlagen der Telekommunikation: Definitionen und Konzepte

Telekommunikation

Telekommunikation bezeichnet die Kommunikation über eine Entfernung hinweg.

Kommunikation

Kommunikation ist der Austausch von Informationen.

Informationen

Informationen sind eine organisierte und verarbeitete Gruppe von Daten, die eine Aussage über ein bestimmtes Objekt oder Phänomen darstellt.

Beziehung zwischen Information und Unsicherheit

Unsicherheit ist ein menschliches Bedürfnis. Durch Kommunikation werden Informationen gesammelt, was dazu beiträgt, das Maß an Unsicherheit zu reduzieren.

Messung der Unsicherheit

Die Messung von Unsicherheit kann mit dem Bedürfnis nach Reduzierung von Angst oder Ungewissheit in Verbindung gebracht werden.

Prinzipschema der Telekommunikation und Komponenten

Grundlegendes Prinzipschema

Das grundlegende Schema der Telekommunikation besteht aus: Emitter (Sender) – Medium (Übertragungsmedium) – Receiver (Empfänger).

Emittent (Sender)

Der Emittent bereitet die Informationen auf, fügt Fehlerregler hinzu und passt das Signal an die mittlere Sendeleistung an.

Empfänger

Der Empfänger extrahiert das Trägersignal, erkennt und korrigiert Fehler, verarbeitet die Informationen und passt sie an das Zielformat an.

Träger (Carrier)

Ein Träger ist ein hochfrequentes Sinussignal, das die Eigenschaft besitzt, Informationen über lange Strecken mit hoher Geschwindigkeit zu transportieren. Seine Eigenschaften (Amplitude, Frequenz, Phase) können moduliert werden.

Diagramm zellulärer Telekommunikationsdienste

Im Kontext zellulärer Dienste kann das EMR-Prinzip auf verschiedene Stufen angewendet werden, z.B. EMR (Hauptverteiler), EMR (Glasfasermedium) oder EMR (Zentrale).

Phänomene der Signalübertragung

Phänomene, die das Signal beeinflussen

• Dämpfung
• Verzerrung
• Interferenz

Dämpfung

Dämpfung ist der Leistungsverlust eines Signals, der bei jeder Art der Übertragung auftritt. Um der Dämpfung entgegenzuwirken, muss entweder die Sendeleistung erhöht oder das Signal im Empfänger mittels regenerativer Repeater oder Verstärker wiederhergestellt werden.

Verzerrung (Distorsion)

Verzerrung ist die Differenz zwischen dem Eingangssignal eines Systems und dem entsprechenden Ausgangssignal.

Störungen (Interferenz)

Störungen sind alle Prozesse, die ein Signal auf seinem Weg im Kanal zwischen Sender und Empfänger verändern, modifizieren oder zerstören.

Induktion eines Signals (Übersprechen / Crosstalk)

Übersprechen ist ein Phänomen, bei dem ein Signal von einer Schaltung in eine parallel verlaufende andere Schaltung induziert wird, wodurch Störungen entstehen.

Übertragungsmedium

Das Übertragungsmedium ist der Kanal, der die Übertragung von Informationen zwischen zwei Endgeräten in einem Übertragungsnetz ermöglicht.

Frequenz

Die Frequenz wird in Zyklen pro Sekunde (cps) oder Hertz (Hz) gemessen.

Frequenzbereiche und Übertragungsmedien

Typische Frequenzbereiche und ihre Anwendungen

• 300 kHz: AM-Rundfunk
• 30 MHz: FM-Rundfunk
• 1000 MHz (1 GHz): Mikrowellen
• 1900 MHz: Mobilfunk
• 2400 MHz: Wi-Fi
• 3500 MHz: WiMAX
• 12 GHz: Satelliten-TV

Übertragungsmedien

Die Übertragung (Tx) erfolgt über verschiedene Medien:

• Geführte elektromagnetische Wellen: Kabel
• Lichtwellen: Glasfaser
• Nicht-geführte elektromagnetische Wellen: Funk (Radio), Satelliten-TV, Mikrowellen und Licht (z.B. Freistrahloptik).

Modulation: Klassifizierung und Techniken

Bidirektionale Kommunikation

Bidirektionale Kommunikation erfordert Geräte wie ein Modem (für analoge oder digitale Signale) und einen Codec (für digitale Signale).

Klassifizierung der Modulation

Modulationstechniken können wie folgt klassifiziert werden:

• Analoge Modulation:
  • AM (Amplitudenmodulation)
  • FM (Frequenzmodulation)
  • PM (Phasenmodulation)
• Digitale Modulation:
  • ASK (Amplitude Shift Keying)
  • FSK (Frequency Shift Keying)
  • PSK (Phase Shift Keying)
  • QAM (Quadraturamplitudenmodulation, Kombination aus PSK und ASK)
• Pulsmodulation:
  • PAM (Pulsamplitudenmodulation)
  • PWM (Pulsweitenmodulation)
  • PPM (Pulspositionsmodulation)
  • PCM (Pulscodemodulation)

Anzahl der Zustände bei digitaler Modulation

Bei digitaler Modulation bedeuten "2 Zustände" oder "4 Zustände" die Anzahl der diskreten Signalzustände, die zur Kodierung von Informationen verwendet werden (z.B. bei QPSK oder QAM).

Satellitenkommunikation und Theorien

Geostationäre Umlaufbahn

Eine geostationäre Umlaufbahn befindet sich etwa 36.000 km über dem Äquator der Erde. Ein Satellit in dieser Umlaufbahn dreht sich synchron mit der Erde, wodurch er für feste Antennen auf der Erde immer an derselben Position erscheint.

Shannon-Theorem

Das Shannon-Theorem stellt eine fundamentale Beziehung zwischen der maximalen digitalen Übertragungsrate (Kanalkapazität) und den Eigenschaften eines Kanals her, nämlich der Bandbreite (BW) und dem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR).

Die Formel lautet: C = BW * log₂(1 + S/N), wobei C die Kanalkapazität, BW die Bandbreite und S/N das Signal-Rausch-Verhältnis ist.

Bandbreite (BW)

Die Bandbreite ist die in Hertz (Hz) gemessene Breite des Frequenzbereichs, in dem sich ein Großteil der Signalstärke konzentriert.

Rauschen

Rauschen ist eine Störung, die das Signal im Kommunikationsprozess erfährt und oft in Dezibel (dB) gemessen wird.

Signal-Rausch-Verhältnis (SNR)

Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) ist definiert als das Verhältnis zwischen der übertragenen Signalleistung und der Rauschleistung, die das Signal beeinträchtigt. Dieser Wert wird in Dezibel (dB) gemessen.

Modulation

Modulation ist die Methode, ein Signal so zu verarbeiten, dass es an die Ausbreitungseigenschaften des Kommunikationskanals angepasst wird.

Spezielle Konzepte und Definitionen

Fehlerkorrektur ohne Neuübertragung

In welchen Fällen wird bei Fehlern keine Neuübertragung des Signals angefordert?

Dies geschieht bei Systemen ohne Rückkanal oder bei Echtzeitsystemen, wo keine Wartezeit für eine Neuübertragung möglich ist. Beispiele hierfür sind Satellitenkommunikation, DVD- und TDT-Recorder sowie mobile Übertragungen. Hierbei kommt oft eine Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC - Forward Error Correction) zum Einsatz.

Modulierter Träger

Ein modulierter Träger ist ein Signal, das die Informationen auf einer Sendefrequenz enthält. Diese Frequenz kann geändert werden, um Informationen zu übertragen.

Sender

Im Bereich der Kommunikation ist der Sender die Quelle einer Kommunikationssitzung. Es ist ein Gerät, das ein Signal, einen Code oder eine Nachricht über ein Medium aussendet und in der Regel ein industrielles Protokoll verwendet.

Analogsignal

Ein Analogsignal ist eine Art von Signal, das durch jede elektromagnetische Erscheinung generiert wird und kontinuierliche Werte annimmt.

Digitalsignal

Ein Digitalsignal ist eine Art von Signal, das durch ein elektromagnetisches Phänomen erzeugt wird, bei dem die kodierten Inhalte durch diskrete Werte repräsentiert werden, im Gegensatz zu kontinuierlichen Werten innerhalb eines bestimmten Bereichs.

Frequenzberechnung

Eine Trägerfrequenz, die einen Zyklus in einer Nanosekunde (1 ns) durchläuft, entspricht 1 GHz (Gigahertz).

Verständlichkeit

Verständlichkeit bezieht sich darauf, ob die vom Sender übermittelten Informationen für den Empfänger lesbar oder interpretierbar sind.

Phasenmodulation (PSK)

Die PSK-Modulation (Phase Shift Keying) ist dadurch gekennzeichnet, dass der Träger für jedes Informationssymbol des Modulators eine bestimmte Phase annimmt.

Baudrate (für analoge Übertragung)

Die Baudrate ist eine Maßeinheit, die die Anzahl der Zustandsänderungen (oder Signalereignisse) pro Sekunde bei der Übertragung von Daten quantifiziert. Sie wird oft fälschlicherweise mit Bits pro Sekunde gleichgesetzt.

Bits pro Sekunde (bps) (für digitale Übertragung)

Bits pro Sekunde (bps) ist die Maßeinheit für die Anzahl der Bits, die pro Sekunde übertragen werden (Eingang, Ausgang oder beides).

Unterschied zwischen Baudrate und bps

Baudrate: Anzahl der Signalzustandsänderungen pro Sekunde.

bps (Bits pro Sekunde): Anzahl der übertragenen Bits pro Sekunde.

Oft ist die Baudrate niedriger als die Bitrate, da ein Signalzustand mehrere Bits kodieren kann.

Position des Modulators im Prinzipschema

Wo befindet sich der Modulator im Prinzipschema?

Im Sender (Encoder, Quellkodierung, Modulationsstufe, Leitungsanpassung, Leistungsverstärkung).

Position des Demodulators im Prinzipschema

Wo befindet sich der Demodulator im Prinzipschema?

Auf der Empfängerseite.