Nachrichtentechnik 1

Das Modul „Nachrichtentechnik 1“ vermittelt einen breiten Überblick über die Grundlagen der Nachrichtentechnik und zeigt, wie diese in die Praxis umgesetzt werden, welche Konzepte bei der Entwicklung eine wichtige Rolle spielen und wie deren Performanz analysiert werden kann. Die grundlegenden Konzepte werden dabei anhand praktischer Verfahren (z.B. WLAN, 5G, DSL) illustriert.

Die Vorlesung stellt eine Einführung in die Nachrichtentechnik auf der Basis mathematischer und systemtheoretischer Grundkenntnisse dar. Die Vorlesung beginnt mit einer Einführung in die Grundlagen der Signalaufbereitung und behandelt Quantisierung von Quellensignalen sowie die Quellencodierung zur effizienten Darstellung und Komprimierung der zu übertragenden Signale.

Anschließend lernen die Teilnehmer*innen der Vorlesung die Darstellung von Signalen und Systemen im komplexen Basisband und die äquivalente Beschreibung der Signale im Bandpassbereich. Es werden außerdem Schaltungen besprochen, die zwischen den verschiedenen Signaldarstellungen umwandeln können. Folgende Abbildung zeigt als Beispiel ein Bandpasssignal eines modulierten Rechteckpulses sowie seine Darstellung im Spektrum in der ersten Zeile. In der zweiten Zeile sehen wir einen Zwischenschritt der Demodulation, indem das Bandpasssignal nochmal moduliert wird. Nach Tiefpassfilterung erhalten wir (näherungsweise) den Rechteckpuls in der dritten Zeile.

Im weiteren Verlauf der Vorlesung lernen die Studierenden, wie binäre Datenfolgen auf zeitkontinuierliche, bandbegrenzte Signale moduliert werden können, und wie die Pulsformung, Empfangsfilterung sowie Zuordnung der Bits zu Modulationssymbolen idealerweise erfolgen soll. Folgende Abbildung zeigt ein beispielhaftes Kommunikationssystem, in dem die Bitfolge 10011 mithilfe eines Halteglieds moduliert wird und am Empfänger mittels sogenannter „Matched-Filterung“ und Abtastung bei Vorhandensein von Rauschen rekonstruiert werden kann. Neben einfachen Modulationsverfahren behandelt die Vorlesung auch Grundlagen der Entscheidungstheorie, die Berechnung von Fehlerwahrscheinlichkeiten sowie höherwertige Modulationsverfahren zur Maximierung der Datenrate.

Da bei der Übertragung unweigerlich Fehler auftreten, werden auch einfache Fehlerkorrekturverfahren (sogenannte Kanalcodierverfahren) in der Vorlesung behandelt, insbesondere lineare Blockcodes und Faltungscodes mit Viterbi-Decodierung. Folgende Abbildung illustriert die Kanalcodierung. Zum Schutz gegen Übertragungsfehler werden den binären Daten (hier in Form einer Katze) sogenannte Paritätsbits hinzugefügt (als Pixel unterhalb der Katze sichtbar). Diese werden am Empfänger im Kanaldecoder benutzt um Übertragungsfehler zu korrigieren.

Die Vorlesung behandelt anschließend die Grundlagen der Informationstheorie und das Konzept der Kanalkapazität, die eine Berechnung der maximal möglichen Datenrate über ein gegebenes Übertragungsszenario ermöglicht. Darauffolgend werden Übertragungskanäle sowie deren Einfluss auf die Signalübertragung (z.B. im Mobilfunk) zusammen mit Algorithmen zur Entzerrung und Kompensation dieser Einflüsse betrachtet. Die Vorlesung schließt mit der Beschreibung des OFDM-Modulationsverfahren, welches beispielsweise im Mobilfunk und beim DSL verwendet wird. Dieses besitzt Vorteile bei sogenannten frequenzselektiven Kanälen. In der folgenden Abbildung ist das Grundprinzip der OFDM-Modulation skizziert.

Die Vorlesung endet mit einer kurzen Diskussion von Mehrantennensysteme zur Kapazitätssteigerung im Mobilfunk. Diese Diskussion beinhaltet zum Beispiel auch Algorithmen und Verfahren zur Realisierung der Kapazitätssteigerung.