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Über dieses Buch

Dieses Standardlehrbuch der Signalübertragung liegt nunmehr in der 12. Auflage vor. Das didaktisch hervorragend konzipierte und bewährte Lehrbuch vermittelt eine Einführung in die Grundlagen der Signal- und Systemtheorie einschließlich stochastischer Methoden (Teil A), sowie der Prinzipien der Informationsübertragung (Teil B).

Neu in der 12. Auflage sind eine Reihe von Aktualisierungen und Ergänzungen in Teil B. Sie ermöglichen ein noch detaillierteres Verständnis der Übertragungsverfahren aktueller Systeme der Kommunikationstechnik wie z.B. LTE. Insbesondere die Abschnitte zu OFDM und MIMO wurden in diesem Sinne überarbeitet.

Aufgaben zu weiterführenden Problemen einschließlich ausführlicher Lösungen runden das Buch ab. Die Lösungen zu den übrigen Übungsaufgaben sind im Internet verfügbar.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Signale und Systeme

Frontmatter

1. Determinierte Signale in linearen zeitinvarianten Systemen

Zusammenfassung
Die Mehrzahl der in allen folgenden Kapiteln behandelten Themen lässt sich auf die Frage zurückführen, wie sich ein Signal bei der Übertragung über ein System verhält. Im ersten Kapitel wird dieses Problem unter zunächst stark idealisierten Bedingungen betrachtet. Einfache, in ihrem Verlauf vollständig bekannte Signale werden auf einfache Modellsysteme gegeben und der zeitliche Verlauf der Ausgangssignale wird ermittelt.
Jens-Rainer Ohm, Hans Dieter Lüke

2. Laplace-Transformation

Ohne Zusammenfassung
Jens-Rainer Ohm, Hans Dieter Lüke

3. Fourier-Beschreibung von Signalen und Systemen

Zusammenfassung
Das folgende Kapitel beschäftigt sich weiter mit dem Problem der Signalübertragung über LTI-Systeme, benutzt aber einen anderen Weg. In den vorigen Kapiteln erforderte die Berechnung der Signalübertragung zunächst die Lösung eines Faltungsproduktes bzw. von Differentialgleichungen, die sich bei Abbildung auf die Laplace-Ebene in sehr effizienter Form durch algebraische Produkte (Multiplikation) lösen ließen. Keine der genannten Methoden ist der anderen prinzipiell überlegen, es hängt vielmehr von dem jeweiligen Problem ab, ob z.B. die Lösung des Faltungsintegrals oder der bei der Transformation auftauchenden Integrale einfacher ist. Im Folgenden wird ein älmlicher Ansatz verwendet, bei dem das Signal der Fourier-Transformation unterzogen wird, die im Grunde einen Sonderfall der Laplace-Transformation darstellt. Sie erlaubt jedoch zusätzlich eine sehr anschauliche Deutung in Form eines Frequenzverhaltens von Signalen und Systemen.
Jens-Rainer Ohm, Hans Dieter Lüke

4. Diskrete Signale und Systeme

Zusammenfassung
In der Nachrichtentechnik wie auch in vielen anderen Disziplinen sind Methoden der numerischen Verarbeitung von Signalen von großer Bedeutung. Diese Methoden setzen voraus, dass ein Signal in Form einer endlichen oder auch abzählbar unendlichen Folge von Zahlen mit endlicher Stellenzahl beschrieben werden kann. Die Angabe, in welchem Maß ein Signal diese Forderung erfüllt, ist ein wichtiges Klassifizierungsmerkmal.
Jens-Rainer Ohm, Hans Dieter Lüke

5. Systemtheorie der Tiefpass- und Bandpasssysteme

Zusammenfassung
In der Systemtheorie werden die Eigenschaften idealisierter LTI-Systeme mit dem Ziel betrachtet, die Vielfalt der Eigenschaften realer Systeme besser überschauen zu können. Küpfmüller, der diese Methode in die Nachrichtentechnik eingeführt hat, schreibt hierzu „es werden willkürlich bestimmte Wechselstromeigenschaften der Übertragungssysteme angenommen; es wird dann gefragt, wie sich ein so gekennzeichnetes System bei der Übertragung von Nachrichten verhält“ (Küpfmüller, 1949).
Jens-Rainer Ohm, Hans Dieter Lüke

6. Korrelationsfunktionen determinierter Signale

Zusammenfassung
Das Konzept der Korrelation ist von grundlegender Bedeutung für die Nachrichtentechnik. In allen Korrelationsverfahren wird ein Maß für die Ähnlichkeit zweier Signale berechnet. Auf diesem Ähnlichkeitsvergleich lassen sich sowohl wichtige Empfangsverfahren als auch Methoden zur mathematischen Signalanalyse und Synthese aufbauen.
Jens-Rainer Ohm, Hans Dieter Lüke

7. Statistische Signalbeschreibung

Zusammenfassung
In den vorangegangenen Kapiteln wurden Methoden vorgestellt, mit denen determinierte Signale beschrieben und die Übertragung solcher Signale über LTI-Systeme berechnet werden konnten. In diesem Kapitel sollen diese Methoden auf nichtdeterminierte Signale ausgedehnt werden. Nichtdeterminierte oder Zufallssignale können einerseits Nutzsignale sein, deren Information in ihrem dem Empfänger noch unbekannten Verlauf enthalten ist; sie können andererseits Störsignale sein, wie das nichtdeterminierte Rausehen eines Widerstandes, eines Verstärkers oder einer Antenne. Zwar erfolgt im Folgenden vielfach eine Konzentration auf nachrichtentechnische Anwendungen; es sei jedoch erwähnt, dass der Umgang mit Zufallssignalen als Nutz- und Störsignale beispielsweise auch in der Messtechnik, Sensorik und Schaltungstechnik (insbesondere mit Halbleiterbauelementen) eine wichtige Rolle spielt.
Jens-Rainer Ohm, Hans Dieter Lüke

Informationsübertragung

Frontmatter

8. Binärübertragung mit Tiefpasssignalen

Zusammenfassung
In den bisherigen Kapiteln wurden Methoden zur Beschreibung determinierter und nichtdeterminierter SigrIale und ihrer Übertragung über einfache Systeme behandelt. Im Folgenden werden diese Kenntnisse zu einer quantitativen Betrachtung einer Anzahl grundlegender nachrichtentechnischer Übertragungsverfahren benutzt.
Jens-Rainer Ohm, Hans Dieter Lüke

9. Binärübertragung mit Bandpasssignalen

Zusammenfassung
Im vorliegenden Kapitel wird das Problem der Übertragung digitaler Signale auf Bandpasskanäle erweitert. Die Verwendung von Kanälen und Trägersignalen, die nicht von der Frequenz Null aufwärts beginnen, sondern ein bestimmtes Frequenzband mit unterer und oberer Grenzfrequenz verwenden, ist beispielsweise bei jeglicher Art von Funkkanälen notwendig, wird aber auch in Verbindung mit den in Kapitel 11 eingeführten Multiplex-Verfahren verwendet.
Jens-Rainer Ohm, Hans Dieter Lüke

10. Analoge Modulationsverfahren

Zusammenfassung
Die Methoden zur Übertragung digitaler Daten und digitalisierter Sprachund Bildsignale, wie sie im vorangegangenen Kapitel behandelt wurden, werden heute bereits für den größten Teil des insgesamt übertragenen Nachrichtenauflrommens verwendet. Teilweise werden aber Sprach-, Ton- und Bildsignale, insbesondere im Rundfunkbereich, noch in Form analoger Sendesignale übertragen (vgl. Vorwort zu Kap. 8), auch wenn ein Ende dieser Anwendung bereits absehbar ist. Die wichtigsten praktisch benutzten analogen Modulationsverfahren werden in den beiden Abschnitten dieses Kapitels behandelt. Zunächst werden die linearen Modulationsverfahren vorgestellt und ihr Störverhalten untersucht.
Jens-Rainer Ohm, Hans Dieter Lüke

11. Multiplexverfahren

Zusammenfassung
Die bisherigen Betrachtungen gingen davon aus, dass ein Nachrichtenkanal von einem einzelnen Nutzer verwendet wird. Die Binäxübertrangs- und Modulationsverfahren dienten dazu, jeweils ein einziges Quellensignal möglichst fehlerfrei über gestörte Tiefpass- oder Bandpasskanäle zu übertragen. Es wird nun gefordert, gleichzeitig mehr als ein Quellensignal über einen gemeinsa,men Kanal übertragen zu können. Diese Multiplex-Übertragung oder Vielfach-Übertragung ist nicht umgehbar , wenn nur ein einziger Übertragungskanal verfügbar ist, beispielsweise der die Erde umgebende Raum für ungerichtete Funkverbindungen.
Jens-Rainer Ohm, Hans Dieter Lüke

12. Codierung

Zusammenfassung
In den vorhergehenden Kapiteln wurden im Wesentlichen Methoden vorgestellt, mit denen zweiwertige (binäre) Quellensignale über gestörte Kanäle übertragen werden können. Erzeugt eine Quelle mehrwertige Digitalsignale, dann können diese durch Umcodieren stets in die binäre Form gebracht und dann übertragen werden. Einleitend wird hierzu die Pulscooemooulation behandelt, die nach Abtastung mittels einer Quantisierung ein wertkontinuierliches in ein wertdiskretes Signal und anschließend in ein Binärformat umwandelt. Es wird untersucht, wie sich die Quantisierung und gestörte Übertragnng der Binärrepräsentation auf den Rekonstruktionsfehler des Signals auswirken.
Jens-Rainer Ohm, Hans Dieter Lüke

13. Grenzen der Informationsübertragung

Zusammenfassung
Die Konzepte der Informationstheorie erlauben es, systematische Vergleiche der Modulationsverfahren durchzuführen und deren Grenzen zu erkennen; insbesondere aber wird deutlich, dass sich nur durch Kombination von Verfahren der Modulation und Codierung eine Übertragungsqualität nahe an der informationstheoretischen Grenze erreichen lässt. Hierbei wird weiter herausgearbeitet, warum digitale Übertragungsverfahren den analogen Verfahren überlegen sind und es insbesondere erlauben, gegebene Übertragungskanäle effizienter auszunutzen.
Jens-Rainer Ohm, Hans Dieter Lüke

14. Zusatzübungen

Zusammenfassung
Die folgenden Zusatzaufgaben wurden so ausgewählt, dass sie den Stoff dieses Buches in einer Reihe wichtiger Anwendungsfälle ergänzen. Diese Ergänzung in der Form etwas anspruchsvollerer Aufgaben mit Lösungen soll darüber hinaus zur eigenen Weiterarbeit anregen.
Jens-Rainer Ohm, Hans Dieter Lüke

Backmatter

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