Table Of ContentZu diesem Buch
Die elektrische Ubertragungstechnik, die bisher
Uberwiegend von analogen Verfahren getragen wurde,
wird in zunehmendem MaBe von digitalen Methoden
beherrscht. Charakteristisch fUr dieses moderne
Gebiet der Elektrotechnik ist, daB deterministi
sche durch statistische Betrachtungsweisen erganzt
und daB digitaltechnische Probleme, wie z. B. die
Codierung, mit Ubertragungstechnischen Begriffen,
wie z. B. Frequenzgang und Spektrum, verknUpft
werden. Somit erfordert die digitale Ubertragungs
technik neue Denkweisen, in die dieses Buch den
Leser einflihren mochte.
Es wendet sich an Studenten der Fachhochschulen
und Universitaten, aber auch an Ingenieure in der
Praxis, die sich in dieses Gebiet einarbeiten
wollen. Das Buch enthalt den Stoff einer vom
Verfasser an der Fachhochschule Hamburg durch
gefUhrten Lehrveranstaltung Digitale Ubertragungs
technik.
Digitale
Obertragungstechnik
Von Dipl.-Ing. Peter Gerdsen
Professor an der
Fachhochschule Hamburg
Mit 150 Bildern
B. G. Teubner Stuttgart 1983
Prof. Dipl.-Ing. Peter Gerdsen
1936 in Bredstedt geboren. Abitur 1956 an der Goethe
Schule in Flensburg. Studium der Elektrotechnik an der
Technischen Hochschule in Hannover. 1965 Applikations
laboratorium der VALVO GmbH. 1971 Eintritt in den Fach
bereich Elektrotechnik der Fachhochschule Hamburg. Seit
1976 Leiter des Laboratoriums fUr Hochfrequenztechnik.
1980 Ernennung zum Professor fUr Elektrische Nachrichten
technik.
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Gerdsen, Peter:
Digitale Ubertragungstechnik / von Peter Gerdsen. -
Stuttgart: Teubner, 1983.
(Teubner-Studienskripten ; 93 : Elektrotechnik)
ISBN-13: 978-3-519-00093-8 e-ISBN-13: 978-3-322-84788-1
001: 10.1007/978-3-322-84788-1
NE: GT
Das Werk ist urheberrechtlich geschUtzt. Die dadurch
begrUndeten Rechte, besonders die der Ubersetzung, des
Nachdrucks, der Bildentnahme, der Funksendung, der
Wiedergabe auf photomechanischem oder ahnlichem Wege,
der Speicherung und Auswertung in Datenverarbeitungs
anlagen, bleiben, auch bei Verwertung von Teilen des
Werkes, dem Verlag vorbehalten.
Bei gewerblichen Zwecken dienender Vervielfaltigung
ist an den Verlag gemaB § 54 UrhG eine VergUtung zu
zahlen, deren Hohe mit dem Verlag zu vereinbaren ist.
© B. G. Teubner Stuttgart 1983
Gesamtherstellung: Beltz Offsetdruck, Hemsbach/Bergstr.
Umschlaggestaltung: W. Koch, Sindelfingen
5
Vorwort
Die elektrische Nachrichtentechnik laGt sich in die beiden Ge
biete der NachrichtenUbertragung und der Nachrichtenverarbei
tung unterteilen. Ausgehend von den Methoden der Signal dar
stellung kann man zwischen analoger und digitaler Nachrichten
technik unterscheiden. Wahrend bisher die analogen Methoden
die NachrichtenUbertragung und die digitalen Methoden die Nach
richtenverarbeitung beherrschten, beginnen die digital en Metho
den in zunehmendem MaGe in die NachrichtenUbertragungstechnik
und allgemein weiter in die Gebiete der Nachrichtenverarbei
tung einzudringen, die bisher analogen Methoden vorbehalten
waren.
Dieses Buch mochte den Leser in die grundlegenden Methoden und
Betrachtungsweisen der digital en Ubertragungstechnik einfuh
reno Dabei wird versucht, innerhalb der vielfaltigen Aspekte
der digitalen Ubertragungstechnik gemeinsame und ubergeordne
te Gesichtspunkte zu betonen.
Die Beschrankung auf die wesentlichsten Zusammenhange solI es
ermoglichen, durch sorgfaltige theoretische Ableitungen so
weit in die Tiefe zu gehen, daG die Anwendungsnahe der Dar
stellung durch eine Reihe von ausgefuhrten Berechnungsbeispie
len sichtbar wird.
Nach der Darstellung der Grundgesetze der Zeit- und Amplitu
denquantisierung wird das Spektrum eines digitalen Signals
hergeleitet. Die Kanalcodierung als Methode zur Verformung des
Signalspektrums, um es an den Kanal anzupassen, wird ausfuhr
lich dargestellt.
Ausgehend von den Nyquist-Kriterien fur die verzerrungsfreie
Ubertragung von Impulsen wird dem Entwurf und der Berechnung
vQn Entzerrerfiltern breiter Raum gegeben. Der Regenerativver
starker als Empfanger am Ende einer Ubertragungsstrecke wird
unter besonderer Berucksichtigung der Methoden der Taktruck
gewinnung beschrieben.
Das Buch wendet sich in erster Linie an Studenten der Fach
hochschulen und Technischen Universitaten. Aber auch Ingenieu-
6
re aus der Praxis, die sich in die digitale Ubertragungstech
nik einarbeiten wollen, sollen angesprochen werden.
Vorausgesetzt werden die Grundlagen der Elektrotechnik und
der 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 erlautert.
Die deterministischen und statistischen Methoden der Beschrei
bung von Signalen im Zeit- und Frequenzbereich gehoren nicht
zu den Inhalten der digitalen Ubertragungstechnik. Da sie je
doch fur die Darstellung dieses Gebietes notwendig sind, wer
den sie in gedrangter Form im Abschnitt Signalbeschreibung so
zusammengestellt, wie sie in den anwendungsbezogenen folgen
den Abschnitten benotigt werden. Es ist also moglich, den Ab
schnitt Signa1beschreibung beim 5tudium des Buches zunachst
zu ubersch1agen und erst zu lesen, wenn dies fur das Verstand
nis der anwendungsbezogenen Abschnitte erforderlich wird.
Mit der Ausbreitung digitaler Methoden in der Ubertragungs
technik sind einige spezifische Fachausdrucke entstanden, die
mit einer Er1auterung ihrer Bedeutung in einem Glossar zusam
mengestellt sind.
Die Schaltzeichen in den Bildern haben DIN 40700 zur Grundla
ge, und die verwendeten Fachausdrucke entsprechen DIN 44300
und 44302.
Danken mochte ich meinen Mitarbeitern, den Herren Dipl.-Ing.
R. Brendel und Dipl.-Ing. P. Vendel, die mir bei der Anferti
gung des Manuskripts sowie durch Anregungen und Hinweise sehr
behilflich waren.
Meinen Kollegen von der Fachhochschule Hamburg, insbesondere
Herrn Prof. Dr.-Ing. P. Vaske, danke ich fur wertvolle Rat
sch1age.
Hamburg, Januar 1983 Peter Gerdsen
7
I n h a 1 t
1. Einleitung 13
1.1 Signalklassen 13
1.2 Digitale Signale 16
1.2.1 Zeitmultiplex 16
1.2.2 Storungen 17
1.2.3 Genauigkeit IB
2. Signalbeschreibung 19
2.1 Elementarsignale 19
2.2 Deterministische Methoden 22
2.2.1 Dirac-Impuls als Aufbauelement 22
2.2.2 Sinusschwingung als Aufbauelement 24
2.2.3 Periodische Signale 27
2.3 Statistische Methoden 29
2.3.1 Wahrscheinlichkeitsfunktionen 30
2.3.2 Mittelwerte 35
2.3.3 Korrelationsfunktionen 36
2.3.4 Wiener-Khintchine-Theorem 38
2.4 Digitales Ubertragungssignal 40
2.4.1 Markoff-ProzeG 42
2.4.2 Potenzen einer stochastischen Matrix 44
2.5 Leistungsdichtespektrum 48
2.5.1 Autokorrelationsfunktion 48
2.5.2 Fourier-Transformation 50
2.5.3 Linienspektrum 51
2.5.4 Diskussion 52
2.6 Beispiele 54
3. Zeitquantisierung 60
3.1 Abtastvorgang 60
3.2 Theoretisches Modell 61
3.3 Formfilter 63
3.4 Spektrum 64
3.5 Abtasttheorem 67
3.6 Signalinterpolation 69
8
3.7 Entzerrung 71
3.8 Schaltungen 72
3.9 Beispiele 75
4. Verzerrungsfreie Ubertragung 78
4.1 Analoge Ubertragungssysteme 79
4.2 Zeitdiskretes Ubertragungssystem 80
4.3 Erstes Nyquist-Kriterium 83
4.3.1 Zeit bereich 83
4.3.2 Frequenzbereich 84
4.4 Abtasttheorem und Nyquistkriterium 88
4.5 Kontro11ierte Nachbarzeichenbeeinf1ussung 89
4.6 Regenerativverstarker 93
4.7 Beispiel 94
5. Amp1itudenquantisierung 97
5.1 Quantisierungskenn1inie 97
5.2 Wahrschein1ichkeitsdichtefunktion 101
5.3 Quantisierungsverzerrungen 102
5.4 Begrenzungsverzerrungen 106
5.5 Kanaldynamik 107
5.6 Quantisiertes Signal 108
5.7 K1irrfaktor 110
5.8 Kompandierung 110
5.9 Kompandergewinn 116
5.10 Signa1-Gerausch-Abstand 118
5.11 8eispie1e 120
6. Quellencodierung 123
6.1 Ubertragungssystem 123
6.2 Nachrichtenebene 124
6.3 Codes 127
6.4 Verfahren 129
6.4.1 Codierung 129
6.4.2 Differenzcodierung 133
6.4.3 Lauf1angencodierung 135
6.5 Leistungsdichtespektrum 136
9
6.6 Beispie1e 139
7. Kana1codierung 142
7.1 Aufgabe der Kana1codierung 142
7.2 Codierung mit Redundanzerhohung 143
7.2.1 Formung des Leistungsdichtespektrums 143
7.2.1.1 Formatierung 144
7.2.1.2 Korre1ative Codierung 148
7.2.1.3 Spezielle Codes 151
7.2.1.4 Nu11fo1gen 153
7.2.2 Feh1ersicherung 156
7.2.2.1 K1assifikation der Codes 159
7.2.2.2 Systematische Codes 160
7.2.2.3 Matrixverfahren 162
7.2.2.4 Po1ynomverfahren 166
7.3 Codierung ohne Redundanzerhohung 170
7.3.1 Mehrfaehausnutzung 170
7.3.2 Erniedrigung der Schrittfrequenz 172
7.4 Beispiele 172
8. Entzerrung 175
8.1 Entzerrung und Codierung 176
8.2 Entzerrung im Frequenzbereich 178
8.3 Entzerrung im Zeitbereich 182
8.4 Transversa1fi1ter 185
8.5 Quantisierte Rlickkopp1ung 188
8.6 Beispie1e 190
9. Signa1regeneration 191
9.1 Regenerativverstarker 191
9.2 Entscheidung im Signa1bereich 192
9.3 Storbefreiung 195
9.4 Integrationsmethode 200
10
10. Zeitregeneration 202
10.1 Anforderungen an das Signal 202
10.2 Methoden der Taktubertragung 205
10.3 Anforderungen an den Kanal 206
10.3.1 Zweites Nyquist-Kriterium im Zeitbereich 207
10.3.2 Zweites Nyquist-Kriterium im Frequenzbereich 208
10.4 Methoden der Taktruckgewinnung 208
10.4.1 Signalaufbereitung 210
10.4.2 Resonanzverfahren 212
10.4.3 Verfahren mit Phasenregelschleife 216
10.4.3.1 Integral- und Proportionalregelung 216
10.4.3.2 Digitale Phasenregelscnleife 221
10.5 Beispiel 225
11. Fehlerwahrscheinlichkeit 226
11.1 EinfluB des Regenerativverstarkers 228
11.2 Berechnung der Fehlerwahrscheinlichkeit 229
12. Nachrichtenquader 235
12.1 Informationsmenge 235
12.2 Digitale Signale 237
12.3 Kanalkapzitat 238
12.4 Beispiel 240
13. Multiplexverfahren 241
13.1 Prinzip 242
13.2 Zeitmultiplex 245
13.3 Analoge und digit ale Signale 247
13.4 Synchronisation 247
14. Modulation 248
14.1 Amplitudenmodulation 250
14.1.1 Zweiseitenbandamplitudenmodulation 250
14.1.2 Einseitenbandamplitudenmodulation 252
14.1.3 Quadraturamplitudenmodulation 252
14.1.4 Demodulationsverfahren 253
11
14.2 Phasenmodulation 254
14.2.1 Systeme 254
14.2.2 Modulation 255
14.2.3 Demodulation 256
14.3 Frequenzmodulation 258
14.3.1 Modulator 258
14.3.2 Demodulator 259
14.3.3 Spektrum 260
15. MeGtechnik 262
15.1 Signalgeneratoren 262
15.2 Eigenschaften der Obertragungswege 263
15.3 Signaleigenschaften 265
15.4 Regnerativverstarker 268
