Mathematische Konzepte der Telekommunikation

Signale

Ein Signal ist die Manifestation einer physikalischen Größe. Signale in der Telekommunikation haben die Eigenschaft, dass sie sich über verschiedene Mittel und Kanäle ausbreiten können. Dies legt die Idee nahe, das Signal mathematisch als eine Funktion einer Variablen im Laufe der Zeit darzustellen.

• Frequenz: Die Anzahl der Wiederholungen der horizontalen Achsenfunktion pro Zeiteinheit, gemessen in Hertz (Hz).
• Periode: Die Zeit, die für eine Wiederholung der periodischen Struktur des Signals benötigt wird, gemessen in Sekunden.
• Phase: Phasenverschiebung ist eine Verschiebung des Signals in der Zeit, abhängig vom Ursprung der Zeit, die zur Darstellung der Funktion verwendet wird, und wird im Bogenmaß gemessen.
• Maximale Größe: Der Maximalwert, den die Funktion erreicht. Er sollte nicht mit dem Wert verwechselt werden, den das Signal zu einem bestimmten Zeitpunkt annimmt.

Multiplexing

Eine Technik, die es ermöglicht, Signale von verschiedenen Sendern und mit einem oder mehreren Empfängern in einem einzigen Kanal zu kombinieren. Letztendlich handelt es sich um einen gemeinsamen physikalischen Kanal, der mehrere logische Kanäle etabliert.

Die Übertragung von Informationen von verschiedenen Sendern auf demselben Kanal ist möglich, indem sie sich abwechseln, um Daten zu senden.

Damit Multiplexing durchgeführt werden kann, muss die Übertragungskapazität des Kanals größer sein als die Übertragungskapazität des Senders.

Arten von Multiplexing:

• Frequenzmultiplexing (FDM): Auch FDM genannt, die logischen Kanäle werden einem einzigen physikalischen Kanal zugeordnet, d.h. jedem logischen Kanal wird ein Frequenzband auf einem Trägersignal moduliert, das auf die Nachricht zentriert ist. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Frequenzbändern wird eine Sicherheitszone festgelegt, um Interferenzen zu vermeiden.
• Zeitmultiplexing (TDM): Auch TDM genannt, die logischen Kanäle werden durch die Verteilung der Zeit auf den physikalischen Kanal zwischen den verschiedenen Sendern unter Verwendung von Slots oder Zeitschlitzen bereitgestellt.
• Wellenlängenmultiplexing: Wird über Glasfaser verwendet.

Kapazität zur Datenübertragung:

• Bandbreite: Die Menge an Informationen, die über einen längeren Zeitraum von einem Ort zum anderen übertragen werden kann.
• Durchsatz: Der Durchsatz ist das Maß für die Übertragung der Bits in den Medien während eines bestimmten Zeitraums.
• Übertragungsbereichskapazität: Die Messung der nutzbaren Daten, die während eines bestimmten Zeitraums übertragen werden. Sie ist daher für die Benutzer eines Netzes von größerem Interesse.

Die Art der Übertragung:

Das Übertragungsmedium ist die Hardware, die den Transport von Informationen erleichtert. Der Transport kann mechanisch, elektrisch, optisch, elektromagnetisch usw. erfolgen.

Das Ziel der physikalischen Schicht ist es, das optische, elektrische oder Mikrowellensignal zu erzeugen, das die Bits in jedem Frame darstellt. Diese Signale werden dann von den Medien nacheinander gesendet.

Kupfermedien:

Es ist die einfachste und kostengünstigste Art der geführten Übertragung. Es hat den Nachteil des elektrischen Widerstands. Diese Eigenschaft wird durch die maximale Länge beeinflusst. Wenn eine bestimmte Länge überschritten wird, müssen Repeater eingesetzt werden, um das elektrische Signal wiederherzustellen.

Andernfalls wird eine Kombination aus Nullen und Einsen anders interpretiert als die ursprünglich gesendete.

• RJ45: Es ist das am häufigsten verwendete Kabel in der Telefonie und im Faxbereich und wird in lokalen Netzwerken (LAN) verwendet. RJ11 wird in der traditionellen Telefonie verwendet.
• UTP-Kabel: Keine externe metallische Beschichtung. Verdrilltes Kabelpaar, einfach und billig. 100 Ohm Impedanz.
• STP: Metallisch beschichtet. Es ist weniger flexibel. 150 Ohm Impedanz.
• Koaxialkabel: Es ist widerstandsfähiger gegen Störungen, so dass die Bandbreite erhöht werden kann. Die Struktur besteht aus einem massiven zentralen Leiter, der von einem isolierenden Dielektrikum umgeben ist, einem äußeren Gitter und einem isolierenden Material zum Schutz des Ganzen.

Glasfaser:

Ermöglicht die Übertragung von Lichtsignalen. Es ist unempfindlich gegenüber äußeren elektromagnetischen Störungen. Lichtsignale können durch Laserquellen erzeugt werden, d.h. Halbleiter, die Licht erzeugen, wenn sie elektrisch angeregt werden.

Glasfaserprobleme:

Teurer, erfordert spezielle Ausrüstung und ist zerbrechlicher als Kupfermedien.

• Singlemode-Faser: Ermöglicht die Übertragung von Signalen mit einer Bandbreite von bis zu 2 GHz. Das Licht bewegt sich entlang eines einzigen Pfades. Es werden Laserquellen verwendet. Die Abmessung der Kerne beträgt 3,3 Mikrometer.
• Multimode-Faser: In Multimode-Fasern kann sich das Licht auf verschiedene Arten ausbreiten. Es werden LED-Lichtquellen verwendet. Die Kerne haben in der Regel einen Durchmesser von 50 oder 62,5 Mikrometern.

Drahtlose Medien:

Sie werden aus Gründen der Bequemlichkeit und Flexibilität verwendet. Sie haben eine niedrige Übertragungsrate.

Eigenschaften:

Sie verwenden elektromagnetische Signale, mit offenen Umgebungen, sind empfindlich und können die Übertragung stören.

• Terrestrische Funksysteme: Das Übertragungsmedium ist der freie Raum, durch elektromagnetische Wellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Es können Störungen durch ungünstige Wetterbedingungen auftreten. Je höher die Frequenz des ausgesendeten Signals ist, desto anfälliger ist es für Störungen.
• Kurzwellenfrequenzen: Im Bereich von zig MHz, wobei die Ionosphäre als Spiegelreflektor zwischen Sender und Empfänger dient.
• Mikrowelle: Mit Frequenzen im GHz-Bereich.
• Künstliche Satelliten: Außerhalb der Atmosphäre sind sie die zuverlässigsten drahtlosen Übertragungen, die sehr hohe Frequenzen von 100 GHz ermöglichen. Nachteile: Hohe Kosten für den Transport eines Satelliten in den Weltraum und die Wartung sowie langsame Übertragungen.

Modulation:

Die Modulation umfasst alle Techniken, um Informationen auf einer Trägerwelle zu verbreiten.

Grundlegende Modulationstechniken:

• Amplitudenmodulation: Codierung (ASK)
• Codierung Frequenzverschiebung (FSK- oder Frequenzmodulation)
• Phasenumtastung (PSK- oder Phasenmodulation)

Erweiterte Modulation:

Quadraturmodulation (QM) ist ein System, bei dem zwei Signale an die Leitung gesendet werden.

Arten der Quadraturmodulation:

• Quadraturamplitudenmodulation (QAM): Beide Unternehmen zeichnen sich durch Amplitudenmodulation aus.
• Quadraturphasenmodulation (QPM): Beide Unternehmen zeichnen sich durch Phasenmodulation aus.
• Amplituden- und Phasenmodulation (HMWQ): Eine Kombination aus Amplitudenmodulation und Phasenmodulation.
• Kombinierte Modulation: Es werden mehr Bits pro Baud gesendet, indem eine der grundlegenden Techniken in einer einzigen Trägermodulation kombiniert wird.

Verschachtelte Codierungsmodulation (TCM)

Die Modulation wird mit einem Rauschen oder einer Verzerrung in der Leitung kombiniert, die das Signal verändern kann.