Übung zu Drahtlose Kommunikation · PSK • Phase Shift Keying • Phasenmodulation • Bit=1...

Übung zu Drahtlose Kommunikation

6. Übung 26.11.2012

Aufgabe 1 (Multiplexverfahren) Erläutern Sie mit wenigen Worten die einzelnen Multiplexverfahren und nennen Sie jeweils ein Einsatzgebiet/-möglichkeit, in dem das Multiplexverfahren gegenüber den anderen Verfahren Vorteile bietet. • TDM (Time)

• SDM (Space)

• FDM (Frequency)

• CDM (Code)

6. Übung – Drahtlose Kommunikation 2

Aufgabe 1 (Multiplexverfahren) TDM (Time) • Time Division Multiplex • Zeitraum wird in Time-Slots unterteilt • Bestimmte Time-Slots werden dann jeweils exklusiv einem Sender zugeordnet

• Frequenzkanal kann periodisch abwechselnd mehreren

Kommunikationsbeziehungen zuteilen. • Funkkanal wird in gesamter Bandbreite benutzt • aber in Zeitschlitze (Slots) unterteilt die jeder Station periodisch für die Dauer

der Verbindung fest zugewiesen werden.

• Zeitschlitze können nach Bedarf einzelnen Benutzern zentral oder dezentral zugewiesen werden.

• Es wird eine Schutzzeit benötigt (Guard Time) • -> verhindert beliebig kurze Zeitschlitze und reduziert somit die theoretisch

mögliche Kapazitätsausnutzung

6. Übung – Drahtlose Kommunikation 3

Aufgabe 1 (Multiplexverfahren) TDM (Time) • Time Division Multiplex • Zeitraum wird in Time-Slots unterteilt • Bestimmte Time-Slots werden dann jeweils exklusiv einem Sender zugeordnet

• TDM-Verfahren ist frequenzökonomischer als FDM • Erfordert aber sehr genaue Synchronisation der Teilnehmer • -> höherer technischer Aufwand

• Mobilfunksysteme wenden neben FDM für gewöhnlich auch TDM-Verfahren an.

6. Übung – Drahtlose Kommunikation 4

Aufgabe 1 (Multiplexverfahren) SDM (Space) • Space Division Multiplex

Raummultiplex • Bei drahtgebundenem Raummultiplex werden ganze Übertragungsmedien zu-

und abgeschaltet: Statt eines Kabels werden z.B. mehrere benutzt.

• Beim drahtlosen Raummultiplex werden zu einer bestehenden Funkverbindung weitere Funkstrecken dazugeschaltet.

• Die Anordnung von Funkzellen ist eine Art Raummultiplex, da jede einzelne Funkzelle einen regionalen Bereich mit einer Funkfrequenz ausleuchtet.

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Aufgabe 1 (Multiplexverfahren) SDM (Space) • Space Division Multiplex

Raummultiplex

• Zur Übertragung verwendeten Frequenzen werden in geeigneten geometrischen Abständen erneut verwendet.

• Feldstärke des Funksignals nimmt mit wachsendem Abstand zum Sender ab. (Clusterprinzip)

• Eingeschränkt nur durch Kostenüberlegung, sonst praktisch unbegrenzte Verkehrskapazität.

6. Übung – Drahtlose Kommunikation 6

Aufgabe 1 (Multiplexverfahren) SDM (Space) • Space Division Multiplex

Raummultiplex

• MIMO-Verfahren (Mulitple-Input Multiple Output) werden mehrere Funkstrecken im Raummultiplex betrieben.

• Identische Funkfrequenzen werden gleichzeitig über ein intelligentes Antennen-Array ausgesendet und von einem Mehrantennensystem empfangen.

• Grundkonzept von MIMO Vervielfachung der Funkstrecken durch Mehrwegeausbreitung. Das räumlich verteilte Antennen-Array strahlt von allen Antennen dieselben Frequenzen aus.

• Empfangsseitig treffen die gleichen Funkfrequenzen zu verschiedenen Zeiten ebenfalls auf ein intelligentes Antennen-Array, da sie räumlich verteilt ausgestrahlt und darüber hinaus an Wänden oder anderen Objekten und Gegenständen reflektiert werden.

• Durch diese Streuung wird eine Funkwelle in mehrere schwächere aufgeteilt.

• Die Mehrwegeausbreitung bewirkt, dass am Empfangsort ein komplexes, raum- und zeitabhängiges Muster als Summensignal der einzelnen Sendesignale entsteht.

• Dieses eindeutige Muster nutzt MIMO indem es die in ihrer räumlichen Position charakteristischen Signale erfasst.

• Zwischen den Sendern und Empfängern werden so genannte Air Paths eingerichtet über die unterschiedliche Datenteile übertragen werden

6. Übung – Drahtlose Kommunikation 7

Aufgabe 1 (Multiplexverfahren) FDM (Frequency) • Frequency Division Multiplex • Gesamtes Frequenzband wird in kleinere Frequenzbänder unterteilt • Frequenzbänder können gleichzeitig benutzt werden • Jedem Sender wird exklusiv ein Frequenzband zugeordnet

• Unterschiedliche Trägerfrequenzen werden mit den jweils zu übertragenden

Nachrichten modelliert. • Empfangsseitig erfolgt Trennung der Signale durch Filter. • Es sind Schutzbänder nötig (Guard Band) um Interferenzen (Übersprechen) zu

vermeiden. • Vollständige Nutzung des Frequenzbandes daher nicht möglich.

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Aufgabe 1 (Multiplexverfahren) CDM (Code) • Code Division Multiplex • Jedem Sender wird ein bestimmter Code zugeordnet (Chipcode) • Empfänger können anhand dieses Codes und des empfangenen Signals die

gesendeten Daten dekodieren

• Sender übertragen zeitgleich im gleichen Frequenzband • Codiervorschriften müssen so gewählt werden, dass die Interferenzen bei den

Empfängern tortz zeitgleicher Übertragung minimal bleiben. • -> Bediengungn wird durch orthogonale Pseudo Noise (PN) Codes zur

Trägermodulation erfüllt.

• Signale der anderen Teilnehmer tragen zum Rauschpegel des empfangenen/dekodierten Signals bei.

• Daher ist die Anzahl der Teilnehmer, die denselben Kanal benutzen können begrenzt • SNR-Verhältnis kann die zum Empfang notwendige Signalstärke unterschreiten.

6. Übung – Drahtlose Kommunikation 9

Aufgabe 1 (Multiplexverfahren) CDM (Code) (Direct Sequence) • Ein CDMA-Verfahren arbeitet mit einer Codebreite von 4 Chips. • Station A verwendet dabei die Chip-Sequenz (1,−1,−1, 1),

Station B (1, 1,−1,−1) und Station C (−1, 1,−1, 1). • Alle drei Stationen beginnen nun zeitgleich zu senden.

• Station A sendet die Datensignale high, high d.h. (1, 1), • Station B nur das Datensignal low d.h. (−1) und pausiert dann und • Station C sendet die Datensignale high, low d.h. (1,−1).

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Aufgabe 1 (Multiplexverfahren)

CDM (Code) Kodierung Dekodierung

6. Übung – Drahtlose Kommunikation 11

Aufgabe 1 (Multiplexverfahren) CDM (Code) (Frequency Hopping) • Sender und Empfänger wechseln in schneller Folge synchron die

Übertragungsfrequenz. • Dadurch ergibt sich eine Ausweitung der originalen Bandbreite

• schneller Frequenzsprung -> ein einzelnes Bit wird auf mehreren

Trägerfrequenzen gesendet. (Frequenzsprung erfolgt während einer Bitdauer) • langsamer Frequenzsprung -> mehrere Bits pro Trägerfrequenz

• Es können mehrere Übertragungen gleichzeitig stattfinden • -> dabei kann es zu Kollisionen kommen, falls 2 Sender zufällig die gleiche

Frequenz nutzen. Kollisionen können bei Anwendung von orthogonalen Codes vermieden werden.

• Vorteil: Störungen im Übertragungskanal betreffen in der Regel nur einen kleinen Teil der Nachricht -> kann mit geeignetem Fehlerschutz ausgeglichen werden.

6. Übung – Drahtlose Kommunikation 12

Aufgabe 2 (Modulationstechniken) Erläutern Sie mit wenigen Worten die verschiedenen Modulationstechniken: • ASK

• FSK

• PSK

6. Übung – Drahtlose Kommunikation 13

Aufgabe 2 (Modulationstechniken) ASK • Amplitude Shift Keying (ASK) • Amplitudenmodulation • Bit=1 entspricht hoher Amplitude, Bit=0 entspricht niedriger Amplitude • Frequenz u. Phase bleiben konstant

6. Übung – Drahtlose Kommunikation 14

Aufgabe 2 (Modulationstechniken) FSK • Frequency Shift Keying • Frequenzmodulation • Bit=1 entspricht hoher Frequenz, Bit=0 entspricht niedriger Frequenz • Amplitude u. Phase bleiben konstant

6. Übung – Drahtlose Kommunikation 15

Aufgabe 2 (Modulationstechniken) PSK • Phase Shift Keying • Phasenmodulation • Bit=1 entspricht Phsenverschiebung von 180 Grad, Bit=0 entspricht 0-Phase • Amplitude u. Frequenz bleiben konstant

6. Übung – Drahtlose Kommunikation 16

QAM Quadrature Amplitude Modulation (QAM) • Kombination aus Amplituden- und Phasenmodulation

6. Übung – Drahtlose Kommunikation 17

Aufgabe 3 (MSK-Modulation) a) Erläutern Sie mit wenigen Worten die MSK-Modulationstechnik. Wo findet

dieses Modulationsverfahren häufig Verwendung und welchen Vorteil bietet das Verfahren?

• Minimum Shift Keying (MSK) ist eine Sonderform der Frequenzumtastung (FSK), • arbeitet sehr bandbreiteneffizient • -> effizientere Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Bandbreite.

• Bei der MSK-Umtastung beträgt der Modulationsindex, der aus dem Verhältnis

der Kreisfrequenz des Frequenzhubs zur Kreisfrequenz des Modulationssignals bestimmt wird, 0,5.

• Dadurch, dass mit jeder Bitperiode eine Frequenzänderung garantiert ist, wird Minimum Shift Keying (MSK) auch als Fast Frequency Shift Keying (FFSK) bezeichnet.

• Beim MSK-Verfahren erfolgt die Frequenzumtastung immer bei der gleichen Phasenlage.

6. Übung – Drahtlose Kommunikation 18

1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 Daten

MSK Signal

gerade Bits

ungerade Bits

niedere Frequenz

hohe Frequenz

6. Übung – Drahtlose Kommunikation 19

Aufgabe 3 (MSK-Modulation)

1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 Daten

MSK Signal

gerade Bits

ungerade Bits

niedere Frequenz

hohe Frequenz

6. Übung – Drahtlose Kommunikation 20

Aufgabe 3 (MSK-Modulation)

Aufgabe 4 Bestimmen Sie die Frequenzbandbreite eines Übertragungskanals bei einer gegebenen maximalen Kanalkapazität (Datendurchsatzrate) von 12 kbps und einem Rauschabstand (SNR) von 4095! Geben Sie Ihren Berechnungsweg an und achten Sie auf die Einheiten!!!

6. Übung – Drahtlose Kommunikation 21

Cyclic Redundancy Check

polynomielle Arithmetik modulo 2 • Koeffizienten entweder 0 oder 1 • kein Übertrag zu berücksichtigen • Addition und Subtraktion identisch, XOR

6. Übung – Drahtlose Kommunikation 22

Cyclic Redundancy Check Was wird übertragen, wenn gilt

6. Übung – Drahtlose Kommunikation 23

Cyclic Redundancy Check

6. Übung – Drahtlose Kommunikation 24

Cyclic Redundancy Check

6. Übung – Drahtlose Kommunikation 25