Übertragungstechnik

Signale fungieren in sehr unterschiedlicher Form als Träger von Information. Große Datenmengen sind so aufzubereiten, dass diese effizient über einen gegebenen Übertragungskanal übertragen oder auf einem Speichermedium gespeichert werden können. Dazu ist es erforderlich, Signale im Zeit- und Frequenzbereich zu beschreiben. Signale können dabei deterministischen oder zufälligen (bzw. stochastischen) Charakter aufweisen; darüber hinaus können sie analog oder digital sein. Die Verarbeitung und Verknüpfung von Signalen zur Informationsübertragung und -speicherung erfolgt mit Hilfe von geeigneten Systemen. Problemstellungen der Informations- und Signalübertragung können daher zumeist auf Fragen zurückgeführt werden, die die Bewertung und Transformation von Signalen durch Systeme betreffen. Dieses Kapitel gibt einen Überblick über Beschreibungsmöglichkeiten von Signalen und Systemen und stellt die für das Verständnis von nachrichtentechnischen Zusammenhängen, die in den folgenden Kapiteln behandelt werden, notwendigen Grundlagen anhand der Zeit- und Frequenzbereichsdarstellung einschließlich der dafür notwendigen Transformationen dar.

Das Grundproblem bzw. die Kernaufgabe der Nachrichtenübertragungstechnik besteht darin, einen gegebenen Informationsfluss mit minimaler Energie und maximaler Geschwindigkeit über einen gestörten Kanal mit minimaler Fehlerwahrscheinlichkeit zu übertragen. In diesem Kapitel wird dieses Grundproblem der Nachrichtenübertragung – kurz zusammengefasst: die zuverlässige und effiziente Übertragung von Information über gestörte Kanäle – eingeführt. Es wird erläutert, wie bei einer Übertragung im Basisband geeignete Verfahren zu gestalten sind, um zuverlässig Information über gestörte Kanäle übertragen zu können. Dazu wird die Übertragung über verzerrungsfreie Kanäle behandelt, die durch Rauschen gestört werden. Derartige Kanäle werden meist als AWGN-Kanäle (Additive White Gaussian Noise) bezeichnet. Es wird zunächst am Beispiel der Binärübertragung ausführlich dargestellt, wie Nutzsignal und Störung auf dem Übertragungsweg durch die einzelnen Komponenten des Übertragungssystems bewertet werden. Es werden Gütekriterien definiert, die dazu geeignet sind, die Übertragungsqualität zu erfassen. Wesentliche Einflussgrößen, Abhängigkeiten und sich daraus ergebende Optimierungsoptionen werden aufgezeigt und diskutiert. Anschließend werden einige der gewonnenen Erkenntnisse verallgemeinert und wichtige Kriterien abgeleitet, die leistungsfähige Übertragungssysteme auszeichnen. Darauf aufbauend werden einige verbesserte und erweiterte Konzepte dargestellt, die die Optimierung von Übertragungssystemen und damit die Verbesserung von der Leitungsfähigkeit ermöglichen. Ausführliche numerische Beispiele dienen der Illustration der gewonnenen allgemeinen Erkentnisse und der erarbeiteten Prinzipien.

Nachrichtenübertragungskanäle – oder Übertragungskanäle – sind das Herzstück von Übertragungssytemen: Sie stellen eine Verbindung zwischen einem Sender und einem Empfänger her, die es gestattet, auf physikalisch-technischem Wege Informationen zwischen den beiden Endpunkten zu übertragen. Sie stehen deshalb oft im Mittelpunkt nachrichtentechnischer Betrachtungen bzw. sie bilden den Ausgangspunkt für den Entwurf von Übertragungssystemen, mit deren Hilfe Informationen über einen gegebenen Kanal übertragen werden sollen. Nach einer kurzen allgemeinen Einführung zu Übertragungskanälen und deren Klassifizierung liegt der Schwerpunkt dieses Kapitels auf der Beschreibung von Kupferleitungen als Kanal für die Nachrichtenübertragung. Ausgehend von den elektrischen Eigenschaften von Kupferzweidrahtleitungen wird über die Leitungstheorie eine systemtheoretische Beschreibung des Übertragungskanals Kupferkabel erarbeitet, die in einer Kabelübertragungsfunktion resultiert und die für die Analyse und Optimierung von Übertragungssystemen, die über derartige Kanäle zur Informationsübertragung verwendet werden, passfähig und geeignet ist. Abschließend werden spezielle Arten von Kopplungen in Nachrichtenkabeln untersucht und ebenfalls systemtheoretisch beschrieben, die aus dem konstruktiven Aufbau solcher Kabel resultieren und die als Nebensprechen bezeichnet werden.

Verursacht ein Übertragungskanal Verzerrungen des übertragenen Signals, so sind Maßnahmen erforderlich, um diese so zu kompensieren, dass die Übertragungsgüte den Anforderungen, die an das Übertragungssystem gestellt werden, nach Möglichkeit trotzdem entspricht. In diesem Kapitel werden aufbauend auf den in Kap. 2 dargestellten Grundlagen der Basisbandübertragung in Verbindung mit der in Kap. 3 erarbeiteten Beschreibung der Übertragungseigenschaften von Kupferkabeln Möglichkeiten zur Kompensation von Kanalverzerrungen untersucht und diskutiert, wenn eine Kupferzweidrahtleitung als linear verzerrender Kanal für ein Basisbandübertragungssystem zu Grunde gelegt wird. Dabei wird die Vorgehensweise bei der Beschreibung, Analyse und Optimierung solcher Übertragungssysteme aus Kap. 2 prinzipiell beibehalten und auf den nun vorliegenden praktisch relevanten Fall angewendet, bei Bedarf erweitert und auf diese Weise vertieft. Ausführliche numerische Beispiele dienen wieder der Illustration der gewonnenen allgemeinen Erkentnisse und der erarbeiteten Prinzipien.

In einer Zusammenfassung werden Hauptgedanken des Buches zusammenfassend dargestellt und eingeordnet. Ein Ausblick zeigt, wie weitere Schritte bei der Erarbeitung eines tieferen Verständnisses der Nachrichtenübertragungstechnik aussehen können.