Grundlagen der drahtlosen Kommunikation
Von Hans Kummer
Copyright und Verlagsinformationen
© 2021: Elektor Verlag GmbH, Aachen.
1. Auflage 2021
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Umschlaggestaltung: Elektor, Aachen
Satz und Aufmachung: Hans Kummer
Druck: Ipskamp Printing, Enschede, Niederlande
ISBN 978-3-89576-449-3
Ebook 978-3-89576-450-9
Elektor-Verlag GmbH, Aachen www.elektor.de
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Inhalt
1. Geschichte der Kommunikation
- 1.1 Kommunikation im 18. und 19. Jahrhundert
- 1.2 Die Anfänge der drahtgebundenen Kommunikation
- 1.2.1 Übertragung von Zeichen
- 1.2.2 Das Telefon
- 1.3 Drahtlose Kommunikation
- 1.3.1 Entwicklung der theoretischen Grundlagen
- 1.3.2 Erste Nutzung der elektromagnetischen Wellen
- 1.4 Technik der ersten Sender und Empfänger
- 1.4.1 Funkensender
- 1.4.2 Der Durchbruch: die „Radio-Röhre“
- 1.4.3 Anwendungen der „Radio-Röhren“
- 1.5 Die Hochzeit des Rundfunks
- 1.6 Die Zeit des Zweiten Weltkriegs
- 1.7 Fernsehen
- 1.8 Die Entwicklung der Halbleiter
- 1.9 Industrialisierung der Halbleiterproduktion
- 1.10 Signalverarbeitung im Zeitalter der Digitalisierung
2. Technische Kommunikation
- 2.1 Kommunikation, Information, Nachricht, Signal
- 2.2 Das ISO OSI Kommunikationsmodell
- 2.3 Prinzip der drahtlosen Übertragung
- 2.4 Frequenzbereich und dessen Nutzung
- 2.4.1 Frequenz und Wellenlänge
- 2.4.2 Das Spektrum elektromagnetischer Wellen
- 2.4.3 Frequenzbereiche für die drahtlose Kommunikation
- 2.4.4 Wahl der „richtigen“ Trägerfrequenz
- 2.4.4.1 Benötigte Bandbreite
- 2.4.4.2 Benötigte Reichweite
3. Signale und Übertragung
- 3.1 Klassierung von Signalen
- 3.1.1 Zeit- und amplituden-kontinuierliche Signale
- 3.1.2 Periodische Signale
- 3.1.3 Nichtperiodische Signale
- 3.1.3.1 Rauschen
- 3.1.3.2 Bandpass-Rauschen
- 3.1.3.3 Allgemeine analoge Signale
- 3.1.4 Zeit- und amplituden-diskrete Signale
- 3.2 Signalübertragung
- 3.2.1 Lineare Verzerrungen auf dem Übertragungsweg
- 3.2.2 Bandbreite eines Vierpols/Zweitors
- 3.2.3 Nicht lineare Verzerrungen
- 3.2.4 Das drahtlose Kommunikationssystem
- 3.2.5 Pegeldiagramm eines drahtlosen Übertragungssystems
4. Modulation mit analogen Signalen
- 4.1 Übersicht über die Modulationsverfahren
- 4.2 Amplitudenmodulation
- 4.2.1 Grundlagen, Definitionen und Begriffe
- 4.2.2 Zweiseitenband Amplitudenmodulation
- 4.2.2.1 Addition von Träger- und Modulationssignal
- 4.2.2.2 Multiplikation von Träger- und Modulationssignal
- 4.2.2.3 Zweiseitenband Amplitudenmodulation mit Träger
- 4.2.2.4 Erzeugung eines Zweiseitenband AM Signals
- 4.2.2.5 Demodulation eines DSB AM-Signals mit Träger
- 4.2.3 Einseitenband Amplitudenmodulation (ESB)
- 4.2.3.1 Erzeugung eines ESB Signals mit der Filtermethode
- 4.2.3.2 Erzeugung eines ESB-Signals mit der Phasenmethode
- 4.2.3.3 Erzeugung eines ESB-Signals nach der „dritten Methode“
- 4.2.3.4 Demodulation von Einseitenbandsignalen
- 4.2.3.5 Anwendungen der Einseitenbandtechnik
- 4.2.4 Restseitenbandmodulation (Vestigial Sideband)
- 4.2.5 Quadraturamplitudenmodulation
- 4.3 Winkelmodulation
- 4.3.1 Frequenzmodulation
- 4.3.2 Phasenmodulation
- 4.3.3 Vergleich zwischen Frequenz- und Phasenmodulation
- 4.3.4 Spektrum eines winkelmodulierten Signals
- 4.3.5 Bandbreite eines winkelmodulierten Signals
- 4.3.6 Unterdrückung von Störsignalen
- 4.3.7 Erzeugung eines winkelmodulierten Signals
- 4.3.7.1 (Frequenz-) Modulation eines Oszillators
- 4.3.7.2 Phasenmodulator
- 4.3.7.3 Digitale Frequenzsynthese
- 4.3.7.4 Phasenmodulator bei Navigationssendern für die Luftfahrt
- 4.3.8 Demodulation winkelmodulierter Signale
- 4.3.8.1 Einfacher Flankendiskriminator
- 4.3.8.2 Symmetrischer Flankendemodulator
- 4.3.8.3 Phasendiskriminator
- 4.3.8.4 Koinzidenz-Demodulator
- 4.3.8.5 PLL-Demodulator
5. Modulation mit digitalen Signalen
- 5.1 Informationstheorie
- 5.1.1 Informationsgehalt
- 5.1.2 Entropie
- 5.1.3 Redundanz
- 5.1.4 Entropie-Rate
- 5.1.5 Bedingte Entropie
- 5.1.6 Kanalkapazität
- 5.1.6.1 Bandbreite und Übertragungsgeschwindigkeit
- 5.1.6.2 Signal/Rauschabstand
- 5.1.6.3 Übertragungskanal mit Rauschen
- 5.2 Codierung
- 5.2.1 Arten der Codierung
- 5.2.2 Quellencodierung
- 5.2.2.1 Digitalisierung analoger Signale
- 5.2.2.2 Codes im Computerbereich
- 5.2.2.3 Die Huffmann-Codierung
- 5.2.3 Kanalcodierung
- 5.2.3.1 Paritätsprüfung
- 5.2.3.2 Fehlererkennung und Fehlerkorrektur durch Hamming-Codierung
- 5.2.3.3 Fehlererkennung und Fehlerkorrektur durch Reed-Solomon-Codierung
- 5.2.4 Leitungscodierung
- 5.2.4.1 NRZ-Codierung
- 5.2.4.2 NRZ-I
- 5.2.4.3 Manchester-Codierung
- 5.2.4.4 Scrambling
- 5.2.4.5 4B5B-Codierung
- 5.2.4.6 Weitere Leitungs-Codes
- 5.3 Modulation
- 5.3.1 Modulationsarten
- 5.3.2 Amplitudenumtastung, ASK
- 5.3.3 Phasenumtastung, PSK
- 5.3.4 Frequenzumtastung, FSK
- 5.3.5 Leistungsdichtespektren bei zufälliger Bitfolge
- 5.3.6 Übertragung bei begrenzter Bandbreite / Modulation
- 5.3.6.1 Grundsätzliche Überlegungen
- 5.3.6.2 Vermeiden der Intersymbol-Interferenz und Begrenzung der Bandbreite
- 5.3.6.3 Aufteilung der Tiefpass-Filterfunktion zwischen Sender und Empfänger
- 5.3.7 Übertragungsfehler
- 5.3.7.1 Ursachen
- 5.3.7.2 Das „Augendiagramm“
- 5.3.7.3 Berechnung der Übertragungsfehler
- 5.3.7.4 S/N und Eb/NO
- 5.3.7.5 Kanalkapazität und S/N und Eb/NO
- 5.3.8 Kombinierte Modulationsarten
- 5.3.8.1 Quadratur-Amplitudenmodulation, 2bit oder 4QAM
- 5.3.8.2 4 Bit oder 16 QAM
- 5.3.8.3 Bitmapping bei QAM
- 5.3.8.4 Anwendungen von QAM
- 5.3.9 Minimum Shift Keying
- 5.3.9.1 Prinzip von MSK
- 5.3.9.2 Realisierung des MSK-Modulators
- 5.3.9.3 Spektrum eines MSK-modulierten Signals
- 5.3.9.4 Bitfehlerrate bei MSK
- 5.3.10 Gaussian Minimum Shift Keying
- 5.4 Demodulation
- 5.4.1 Nicht kohärente Demodulation
- 5.4.2 Kohärente Demodulation
- 5.4.2.1 Demodulation von ASK-modulierten Signalen
- 5.4.2.2 Demodulation von BPSK-modulierten Signalen
- 5.4.2.3 Demodulation vom MSK-modulierten Signalen
6. Praktische Realisierung
- 6.1 Empfänger
- 6.1.1 Aufgaben eines Empfängers
- 6.1.2 Konventionelle Realisierung der Empfängerfunktionen
- 6.1.2.1 Selektion
- 6.1.2.2 Verstärkung
- 6.1.2.3 Demodulation
- 6.1.2.4 Wahl der Empfangsfrequenz
- 6.1.3 Empfängerparameter
- 6.1.3.1 Empfindlichkeit, Rauschen
- 6.1.3.2 Grosssignalfestigkeit
- 6.1.3.3 Nebenempfangsstellen
- 6.1.3.4 Intermodulation
- 6.1.3.5 Kreuzmodulation
- 6.1.4 Blocking
- 6.1.5 Störstrahlung
- 6.1.6 Alternative Empfängerarchitektur
- 6.2 Sender
- 6.2.1 Grundlegende Anforderungen
- 6.2.2 Erzeugen der Sendefrequenz
- 6.2.3 Modulation
- 6.2.4 Leistungserzeugung
- 6.2.4.1 AM-Zweiseitenband Rundfunksender
- 6.2.4.2 AM Einseitenbandsender
- 6.2.4.3 Sender für winkelmodulierte Signale
- 6.2.5 Unerwünschte Ausstrahlungen
- 6.2.6 Energieversorgung, Klimatisierung
7. Wellenausbreitung und Antennen
- 7.1 Wellenausbreitung
- 7.1.1 Die Leistungsdichte
- 7.1.2 Elektrische und magnetische Feldstärke
- 7.1.3 Wirksame Antennenfläche
- 7.1.4 Freiraumdämpfung
- 7.2 Antennengrundlagen
- 7.2.1 Funktionsweise der Antenne
- 7.2.2 Kenngrössen einer Antenne
- 7.2.3 Strahlungswiderstand und Wirkungsgrad
- 7.2.4 Polarisation
- 7.2.5 Strahlungsdiagramm
- 7.2.6 Antennengewinn
- 7.2.7 Antennenhöhe
- 7.2.8 Antennenfaktor
- 7.2.9 Variationen des Halbwellendipols
- 7.2.9.1 Der Faltdipol
- 7.2.9.2 Monopolantenne / Groundplaneantenne
- 7.2.10 Magnetische Antennen
- 7.2.11 Dielektrische Antennen
- 7.3 Praktische Antennenbauformen
- 7.3.1 Antennen für tiefe Frequenzen
- 7.3.1.1 Sendeantennen für tiefe Frequenzen
- 7.3.1.2 Empfangsantennen für tiefe Frequenzen
- 7.3.2 Antennen für Kurzwellen (RF)
- 7.3.3 Antennen für Ultrakurzwellen (VHF – UHF)
- 7.3.3.1 Ortsfeste Antennen für VHF und UHF – Dipole und Arrays
- 7.3.3.2 Ortsfeste Antennen – /4 Groundplane
- 7.3.3.3 Ortsfeste Antennen – Yagi-Uda-Antenne
- 7.3.3.4 Besondere ortsfeste Antennen
- 7.3.4 Antennen für mobile Anwendungen im VHF/UHF-Bereich
- 7.3.5 Antennen für Mikrowellenanwendungen (ab 1GHz)
- 7.3.5.1 Parabolantennen zum Empfang von Fernsehsatelliten
- 7.3.5.2 Antennen für Richtfunkverbindungen
- 7.3.5.3 Hornantennen
- 7.3.5.4 Radarantennen
- 7.4 Funkstrecke unter realen Bedingungen
- 7.4.1 Lang- und Mittelwellenbereich
- 7.4.2 Kurzwellen, Short-Wave, High-Frequency
- 7.4.3 Ultrakurzwellen, Very High Frequency
- 7.4.3.1 Bedingungen für „Quasi-Freiraum-Bedingungen“
- 7.4.3.2 Warum genügt Sichtverbindung nicht?
- 7.4.3.3 Absorptionsverluste
- 7.4.3.4 Beugungsverluste
- 7.4.3.5 Verluste durch Mehrwegeausbreitung
- 7.4.3.6 Two Ray Ground Reflection Model
- 7.4.3.7 Brechung (Refraktion)
- 7.4.3.8 Path Loss Exponent
- 7.4.4 Mikrowellen
- 7.4.5 Infrarot
- 7.5 Fremdstörungen
- 7.5.1 Atmosphärische Störungen, kosmisches Rauschen
- 7.5.2 Man-Made-Noise
- 7.6 Modelle und Simulationen
- 7.6.1 Programme zur Antennenberechnung
- 7.6.2 Programme zur Berechnung der Wellenausbreitung
- 7.6.2.1 Einfache Berechnung der Freiraumdämpfung
- 7.6.2.2 Komplexere Programme zur Funkplanung
- 7.6.2.3 Geländemodelle
- 7.6.2.4 Beispiel „CANDY Site Finder“
- 7.6.2.5 Innenraummodelle
8. Anhang
- 8.1 Begriffe und Definitionen
- 8.2 Verwendete Abkürzungen und Bezeichnungen
- 8.2.1 Modulationsarten
- 8.2.2 Andere Abkürzungen
- 8.2.3 Verwendete Symbole und Bezeichner
- 8.2.4 Bezeichnungen der Modulationsarten
- 8.3 Konstanten, Größen und Einheiten
- 8.3.1 Physikalische und mathematische Kontanten
- 8.3.2 Physikalische Größen
- 8.3.3 Vorsatzzeichen für dezimale Teile und Vielfache
- 8.4 Umgang mit Dezibel (dB)
- 8.4.1 Das Dezibel als relatives Mass
- 8.4.2 Das Dezibel als absolutes Mass
- 8.5 Trigonometrische Funktionen
- 8.5.1 Elementare trigonometrische Funktionen
- 8.6 Strahlungsbelastung
- 8.6.1 Ionisierende und nicht ionisierende Strahlung
- 8.6.2 Grenzwerte für nicht ionisierende Strahlung
- 8.6.3 Länderspezifische Umsetzung
- 8.6.3.1 Deutschland
- 8.6.3.2 Schweiz
- 8.6.3.3 Übrige EU-Länder
- 8.6.3.4 Andere Standards
- 8.6.4 Grenzwerte für Mobile Geräte
9. Bibliographie
10. Index
