Nachrichtenübertragung
Allgemeines
Eine Nachricht kann in analoger Form oder in digitaler Form
übertragen werden. Bei der Übertragung von Nachrichten spielt es vor allem eine Rolle,
den eigentlichen Inhalt der Nachricht ohne Verfälschungen zu übertragen. Energieverluste
können durch entsprechende Verstärkung des Signals bis zu einem gewissen Grade wieder
ausgeglichen werden. Wesentlich unangenehmer als Energieverluste sind Störungen, die sich
während der Übertragung dem Nachrichteninhalt überlagern, respektive beimischen. Sie
können in der analogen Technik nicht ohne weiteres wieder von der Nachricht getrennt
werden. Bei einer elektrischen Nachrichtenübertragung gilt allgemein als die wichtigste
Forderung die vollständige Erhaltung des Nachrichtensignals.
Nachrichtensignal und
Nachrichtenträger
Ganz allgemein können Sprache, Musik, Daten u.s.w. als Nachrichtensignale bezeichnet
werden. Um sie zu übertragen, werden sie in der elektrischen Nachrichtentechnik zum
Beispiel durch Verwendung von Mikrofonen und Messwertgebern elektrischer Art
mittels Kontakten oder optoelektrisch in elektrische Nachrichtensignale
umgewandelt. Wie im unter 1.1 bereits geschildert können die Signale eingeteilt werden in
digitale und analoge Signale. Unabhängig davon lassen sich alle Signale durch eine
Vielzahl harmonischer, d.h. sinusförmiger Schwingungen unterschiedlicher
Größe, Frequenz und Phase darstellen. Gewöhnlich liegen die Frequenzen dieser
Nachrichtensignale im Hörbereich, also etwa unter 20 kHz. Diesen Bereich bezeichnet man
als den sogenannten Niederfrequenzbereich (NF-Bereich). Bei Sprache,
insbesondere Musik ist es einleuchtend, dass das Signal aus einer Vielzahl von
Schwingungen unterschiedlicher Frequenzen besteht. Man bezeichnet diese Gesamtzahl der
Schwingungen als Frequenzband. Für eine naturgetreue Musikwiedergabe ist ein Frequenzband
zwischen 30 Hz und 15 kHz zu übertragen, was dem Frequenzband1 beim
UKW-Rundfunk entspricht. Künstlerische Sprachwiedergabe erfordert ein Band von 100 Hz2
bis 6kHz. Der Mittelwellenrundfunk mit einem Frequenzband zwischen 100 Hz
und 4.5 kHz kommt diesem Bereich nahe. Aus Gründen der Frequenzökonomie
(d.h. sparsamer Umgang mit Frequenzen bzw. Frequenzbändern) wird bei der Telefonie
gemäss CCITT-Empfehlung nur ein Frequenzband von 300 Hz bis 3.4 kHz übertragen (siehe
Tab.1).
Messungen haben ergeben, dass dabei eine Silbenverständlichkeit von 91% und eine
Satzverständlichkeit von 99% gewährleistet ist.
Völlig aus dem Rahmen hinsichtlich der Bandbreite fällt da allerdings das
Nachrichtensignal bei der Übertragung von bewegten Fernseh-Bildern. Die Farbkamera
wandelt ja die Hell-Dunkel-Schwankungen des Bildes in ein elektrisches Signal, das
Video-Signal um. Dieses Band reicht von praktisch 0 Hz bis 5.5 MHz. O Hz,
also sozusagen Gleichspannung, liefert die Kamera, wenn das Bild über eine große
Fläche
hinweg konstante Helligkeit bietet. Die obere Frequenzgrenze wird erreicht
bei starken Helligkeitsschwankungen, also z.B. bei der Übertragung eines Gittermusters.
Diese Frequenzgrenze wird bei Heimempfängern meist dann sichtbar, wenn z.B. der Moderator
ein Sakko trägt das sehr fein gestreift ist. Bei solchen Signalen kann nicht mehr von
Niederfrequenz gesprochen werden.
Weniger einleuchtend ist, dass man sich auch Digitalsignale aus sinusförmigen
Schwingungen unterschiedlicher Frequenz, Größe und Phase zusammengesetzt denken kann,
bei denen es sich doch laienhaft gesprochen nur um ‘zerhackte’ Gleichspannung
handelt. Allerdings treten infolge der harten Übergänge im digitalen, allgemein im
pulsförmigen Nachrichtensignal extrem hohe Frequenzen auf. Ob nun die gewöhnlich
niederfrequente Nachricht als analoges oder digitales Signal auftritt, muss sie in jedem
Fall durch Modulation im Sender auf einen geeigneten, im allgemeinen hochfrequenten
sinusförmigen oder pulsförmigen Träger aufgeprägt und im Empfänger durch Demodulation
möglichst originalgetreu wiedergewonnen werden.
Zweck des
Nachrichtenträgers
Alle technischen Einrichtungen auf dem Übertragungsweg bezeichnet man als Teile der Übertragungsstrecke.
Dem Anfang jeder Übertragungsstrecke (siehe Tabelle.2) bildet ein Umsetzer (Wandler), der
akustische oder optische Informationen in elektrische Signale umsetzt.
Die Frequenz der Nachrichtenübertragung muss an das Medium angepasst werden. Als
Medien für die Übertragung werden entweder Leitungen, Lichtwellenleiter
(Glasfaser) oder bei drahtloser Übertragung der freie Raum verwendet. Bei
drahtloser Übertragung wird die Nachricht mit Hilfe eines Senders in den Frequenzbereich
verschoben, den die Antenne abstrahlen kann. Der Empfänger verschiebt die Nachricht
wieder in den ursprünglichen Frequenzbereich. Ein Umsetzter wandelt zum
Schluss die elektrischen Signale wieder in akustische oder optische Informationen um.
Nun stellt sich generell die Frage warum man eigentlich einen Nachrichtenträger
braucht. Im wesentlichen hat das folgenden Grund :
Der Übertragungsweg ist meist nur geeignet zur Übertragung hochfrequenter
Schwingungen. Daher muss das niederfrequente Signal auf eine hochfrequente
Trägerschwingung aufmoduliert werden. Hierzu einige Beispiele :
- Antennen müssten aufgrund ihrer physikalischen Gegebenheiten zur Abstrahlung einer
niederfrequenten elektrischen Schwingung von
1 kHz eine sinnlose Länge von 100 km benötigen. Je höher die Frequenz also, desto
kleiner kann die Antenne gebaut werden.
- Glasfaserkabel erfordern als Nachrichtenträger das Licht. Im Infrarotbereich, also um 1
m m Lichtwellenlänge, liegt die Frequenz der
elektromagnetischen Wellen bei Frequenzen um 300'000 GHz.
- Bei der Hohlleiterübertragung ist die Übertragung überhaupt erst unterhalb einer
bestimmten Grenzwellenlänge möglich. Ein Hohlleiter mit der Breite von 23 mm hat
beispielsweise eine Grenzwellenlänge von 46 mm und überträgt daher erst oberhalb von
6.5 GHz Signale.
Prinzip der Modulation
und Demodulation
Amplitudenmodulation
Das Prinzip eines modulierten Signals soll in Bild.1 gezeigt werden, und zwar stellt
das oberste Liniendiagramm ein einfaches analoges Nachrichtensignal das, das zweite den
hochfrequenten Träger zunächst unmoduliert (Der Träger ist z.B. beim Mittelwellenfunk
zwischen 525 kHz und 1605 kHz). Das dritte Liniendiagramm zeigt nun den in der Amplitude
modulierten Träger.
Bild.1
Die Nachricht ist jetzt nur noch gedanklich
in der Verbindungslinie der Spitzen der Hochfrequenzschwingung vorhanden! Von dem beim
Mittelwellenfunk mit rund 100 kiloWatt abgestrahlten hochfrequenten Signal erhält der
Empfänger je nach Entfernung im allgemeinen weniger als 1 mikroWatt. Doch selbst nach
Verstärkung im Empfänger ist es noch nicht geeignet, den Lautsprecher zu akustischen
Schwingungen anzuregen. Es ist erst eine sogenannte Demodulation erforderlich. Der
Demodulator ist bei diesem Verfahren denkbar einfach, nämlich ein Gleichrichter! Die
Membran des Lautsprechers wird nun durch die hochfrequente Halbschwingung angeregt, macht
aber wegen ihrer mechanischen Trägheit nur die niederfrequente Nachricht mit. Dieses
dargestellte Verfahren nennt man Amplitudenmodulation. Die Größe
der
Hüllkurve (2.Liniendiagramm) ist gleich der Amplitude des ursprünglichen
Niederfrequenzsignals und damit zur Lautstärke (Vergleiche 1.Liniendiagramm). Die
Frequenz der Hüllkurve ist gleich zur Frequenz des niederfrequenten Signals und damit zur
Tonhöhe. Also : Je höher die Lautstärke des NF-Signals, desto höher die Hüllkurve.
Je höher der zu übertragende Ton des NF-Signals, desto höher die Frequenz der
Hüllkurve. Die Amplitudenmodulation, kurz AM genannt, ist allerdings
deshalb auch sehr anfällig gegenüber Störungen, die sich in ihrer Größe
und in ihrer
Frequenz auswirken. Abhilfe schafft hier die unter dem Oberbegriff der Winkelmodulation
bekannte Frequenzmodulation, auch FM genannt.
Quadratur-Amplitudenmodulation
Wie wir bei der Amplitudenmodulation gesehen haben wird bei dieser Art der Modulation
jeweils die Amplitude mit dem Träger moduliert. Eine weitere, in der Nachrichtentechnik
sehr häufig eingesetzte Art der Modulation ist die Quadraturamplitudenmodulation.
Bei dieser Art der Modulation wird die Effektivität der Amplitudenmodulation dadurch
gesteigert, dass neben der Amplitude zusätzlich die Phase moduliert wird. Es werden hier
zwei gleichfrequente, gegeneinander um 90° gegeneinander phasenverschobene
Träger eingesetzt. Die Träger werden von verschiedenen Signalen
amplitudenmoduliert und dann zusammengefügt.
Zur Demodulation eines QAM-Signals ist ein Hilfsträger notwendig, der mit dem
Originalträger in Frequenz und Phase synchronisiert ist. Bei dieser Demodulation kann
erreicht werden, dass das Signal für 0° Phasenverschiebung maximal wird, während es
für 90° gerade verschwindet, d.h. die beiden Signale lassen sich trennen.
Wird ein Digitalsignal quadraturamplitudenmoduliert zeigt nachfolgendes Zeigerdiagramm,
wie man sich die Rückgewinnung des ursprünglichen Codes vorstellen kann.
Je mehr die Zeigerspitzen allerdings zusammenrücken, desto störanfälliger wird das
Signal. Ein auf den jeweiligen Nutzzeiger sitzender Störzeiger (Abweichung von
Soll-Amplitude oder Soll-Phase) überschreitet bereits bei geringem Pegel die
Entscheidungsschwelle zwischen den benachbarten Phasenzuständen.
Pulsmodulation
Bei den bisher behandelten Modulationsverfahren wurde immer ein sinusförmiger
Nachrichtenträger proportional zum Modulationssignal entweder in der Amplitude oder in
der Frequenz moduliert. Bei der Pulsmodulation dient dagegen ein Puls als
Nachrichtenträger, deren Größe, Phase oder Dauer, respektive Frequenz proportional zum
Augenblickswert der Modulationsamplitude geändert wird.
Wir unterscheiden die vier wichtigsten Arten :
- Pulsamplitudenmodulation
- Pulsphasenmodulation
- Pulsdauermodulation
- Pulsfrequenzmodulation
Von diesen vier Arten ist für uns die Pulsamplitudenmodulation vorerst
wichtig.
Pulsamplitudenmodulation
Damit die Nachrichtenübertragung mit der Pulsmodulation möglich ist, muss das
Frequenzspektrum nach oben begrenzt sein. Die Abtastfrequenz muss theoretisch die doppelte
Frequenz des höchsten zu übertragenden Tones sein. Praktisch wird die doppelte Frequenz
der Frequenz des Signals gewählt. Das heißt zum Beispiel in der Technik der
Telefonie,
wo das zu übertragende Frequenzspektrum von 100 Hz bis 3,4 kHz reicht, wird als
Abtastfrequenz 8 kHz gewählt. Das Prinzip ist relativ deutlich in Bild.1 sichtbar.
Bild.1
Der erste Sinus stellt das z.B. das Tonsignal dar. Die zweite Kurve erklärt das pulsamplitudenmodulierte
Signal. Zum einfacheren Verständnis kann man sich das Ganze so vorstellen : Die Höhe der
Pulse ist gleich der Lautstärke. Der Abstand der Pulse ist gleich der Frequenz, also der
Tonhöhe.
Bei der Demodulation, also bei der Rückgewinnung des
ursprünglichen Signals werden
diese Pulse mittels einer Bauteileschaltung einfach ausgedrückt etwas geglättet und
auseinandergezogen, so dass das ursprüngliche Sinussignal (also in unserem Falle der Ton)
wieder zurückgewonnen ist.
Je höher die zu übertragenden Frequenzen sein werden, desto
größer wird die
Abtastrate sein (desto mehr Pulse in einer bestimmten Zeit). In unserem Falle
heißt das :
Je besser die Qualität des Tones sein muss und je mehr Kanäle übertragen werden
müssen, desto mehr Platz (Bandbreite) wird das Signal in Anspruch nehmen werden.
Frequenzmodulation
Im Gegensatz zur Amplitudenmodulation wird bei der Frequenzmodulation die
Frequenz der Trägerspannung im Rhythmus der Niederfrequenzamplitude geändert (Bild.2).
Bild.2
Zu beachten ist dabei, dass die Größe der modulierten Schwingung (also die Amplitude)
konstant bleibt. Die Frequenzabweichung von der Trägerfrequenz ist gleich der der
Niederfrequenzamplitude. Diese Abweichungen bezeichnet man als Hub. Die größte
Abweichung bezeichnet man als maximalen Frequenzhub.
Gleich wie bei der Amplitudenmodulation lässt sich auch hier ein Vergleich zum
NF-Signal finden : Die Größe der Niederfrequenzamplitude und damit die Lautstärke ist
gleich der Frequenzabweichung, also des Hubs.
Die Frequenz des NF-Signals und damit die Höhe des Tones ist gleich der Häufigkeit in
der diese Frequenzabweichung auftritt.
Da sich die Amplitude, also die Größe, des frequenzmodulierten Signals nie ändert
ist es nicht anfällig auf Störungen, denn es können im Empfänger einfacherweise die
oberen Spitzen des FM-Signals ‘abgeschnitten’ werden.
Digitaltechnik
Definition der
Digitalsignal-Übertragung
Jedes Signal, mit dem Informationen übertragen werden soll, muss mindestens zwei
verschiedene Werte annehmen können, denn bei nur einem Wert ist keine
Informationsübertragung möglich. Dieser Mindestanforderung an das Signal hat man eine
‘Masseinheit’ zugeordnet - das Bit. Das Bit ist die Abkürzung von
‘binary digit’ und definiert als Einheit der Entscheidung zwischen
zwei - einander ausschließenden - Möglichkeiten, also z.B. 0 oder 1;an
oder aus High oder Low. Man nennt ein Signal mit diesen Eigenschaften ein
binäres Signal. Die Übertragungsgeschwindigkeit von binären Signalen wird in bit/s
angegeben, was soviel bedeutet wie die Anzahl dieser Zustände, die in einer Sekunde
übertragen werden können. Alle weiteren Digitalsignale lassen sich aus diesem binären
Signal ableiten. In Bild.3 ist zum Beispiel ein Signal mit vier Wertestufen dargestellt,
bei dem während der Symboldauer T zwei binäre Entscheidungen (entspricht also 2 Bit)
möglich sind.
Bild.3
Möchte man 3 Bit pro Element übertragen, sind hierfür mindestens 8 Wertestufen
erforderlich. Eine Steigerung der Bit pro Element zeigt, dass die Anzahl der hierfür
erforderlichen Wertestufen schnell steigt.
Diese mehrwertigen Informationselemente sollen nun über den Übertragungskanal, z.B.
eine Richtfunkverbindung, übertragen werden. Die Kapazität dieses Kanals ist definiert
als die Anzahl von Bit, die in einer Sekunde hierüber übertragen werden, sie ist also
gleich der Übertragungsgeschwindigkeit.
Bei der Analogsignalübertragung ist der Signal-Rausch-Abstand
direkt für die Übertragungsqualität maßgebend. Bei der Digitalsignalübertragung ist
das entscheidende Kriterium, möglichst wenig falsch übertragene Daten zu erhalten.
Störungen des Digitalsignals wirken sich folgendermaßen
aus :
- Bitfehler : Bei einem Bitfehler ist ein Zeichen eines Binärsignals falsch übertragen
worden (1 statt 0 oder umgekehrt)
- Symbolfehler : Ein Zeichen eines mehrwertigen Signals (ein Signalelement) wurde
verfälscht. Ein Symbolfehler kann mehrere Bitfehler verursachen.
- Fehlerhäufigkeit : Das Verhältnis der Anzahl der verfälschten Signalelemente zur
Gesamtzahl der beobachteten Signalelemente.
- Bitfehlerhäufigkeit (BFH) : Die Fehlerhäufigkeit bei Betrachtung eines Binärsignals.
Modulation des
Digitalsignals
Ebenso wie bei der Analogtechnik ist es auch bei der Digitalsignalübertragung
die Hauptaufgabe, mit den zu übertragenden Informationen einen hochfrequenten Träger zu
modulieren. Während bei der Analogtechnik das empfangene Signal ein möglichst
naturgetreues Abbild des gesendeten Signals sein soll, bieten sich bei der Digitaltechnik
Möglichkeiten an, das die Information enthaltende Signal zu verändern und optimal an den
zur Verfügung stehenden Übertragungskanal anzupassen.
Pulscode - Modulation
Im Bestreben, Modulationsverfahren zu finden, die vom Rauschen
und von Nichtlinearitäten weniger abhängig sind erreichte man im Verlaufe
der Zeit Verbesserungen. Die Pulsamplitudenmodulation (siehe unter 1.4.3),
wie sie auf der
Suche nach besseren Verfahren für die Richtfunkübertragung 1936 von einer
Entwicklungsgruppe der ITT in Paris vorgestellt wurde, brachte zwar eine höhere
Sicherheit gegenüber Störungen, jedoch dies zu Lasten der Bandbreite. Zudem wächst bei
dem Verfahren Rauschen, Übersprechen (bei der Übertragung mehrerer Kanäle
nebeneinander) und Intermodulation mit der Länge des Übertragungsweges an.
Im Jahr 1938 brachte ein gebürtiger Engländer
namens Allan H. Reeves der Mitarbeiter
der Firma LCT war, in Paris ein neuartiges Modulationsverfahren für
Sprachübertragung heraus. In der Patentschrift war erstmals ein Verfahren genannt, in den
vorgeschlagen wird, die Sprachsignale abzutasten, zu quantisieren und in kodierter Form zu
übertragen. Daher wird dieses Verfahren mit Pulscodemodulation (PCM)
bezeichnet. Im folgenden werde ich das Prinzip am Einzelkanal erläutern.
Pulscodemodulation im
Einzelkanal
Zur Erläuterung des Grundprinzips und einiger Probleme betrachten wir
die PCM zunächst im Aufbau eines einzelnen Kanals. Ein Pulsamplitudenmoduliertes
Analogsignal wird zuerst kodiert. Das heißt : Das analoge PAM Signal wird zuerst in ein
digitales Signal gewandelt und danach später auf der Empfängerseite wieder ins analoge
konvertiert. Durch eine Bauteileschaltung (siehe 1.4.3) wird schlussendlich das
originale Sprachsignal wiedergewonnen. Also Sprache oder
Originalsignal wird PAM. PAM
wird PCM und PCM wird empfängerseitig wieder PAM und dann Sprache oder Originalsignal.
Bei analogen Systemen sorgen die Aussteuerungsgrenzen von Verstärkern, Modulatoren
u.s.w. für eine Begrenzung der Amplitude bei zu großer Lautstärke, falls nicht
absichtlich am Signaleingang ein Dynamikbegrenzer zu große Signalamplituden
abschneidet. Ähnlich gibt es bei der Pulscodemodulation einen begrenzten Bereich von
Werten, den man hier als Quantisierungsbereich bezeichnet. Der
Quantisierungsbereich wird in Quantisierungsintervalle (Quantisierungsstufen)
eingeteilt (Bild.4).
Bild.4
In der Regel ist die Quantisierung mit einer Kodierung
verbunden. Das bedeutet, das der Analog-Digital-Umsetzer an sich lediglich die Analogwerte
in Binär-Wörter entsprechend dem Dualzahlensystem umwandelt. Erst eine zusätzliche
Kodierung nach gewissen nachrichten- und übertragungstechnischen Anforderungen macht das
Signal zur Übertragung geeignet.
Jedem Intervall wird ein bestimmter Zahlenwert zugeordnet. Es ist klar, dass damit
sämtliche möglichen Analogwerte innerhalb eines Intervalls durch ein und denselben Wert,
üblicherweise den Mittelwert des Intervalls, repräsentiert werden. Die
Quantisierungsintervalle sind voneinander durch Entscheidungsschwellen getrennt (siehe
Bild.4). Überschreitet ein Analogwert nur geringfügig die untere Entscheidungsschwelle
eines Quantisierungsintervalls, so wird ihm der Wert des betreffenden Intervalls
zugeordnet. Er nimmt erst den Wert des nächsthöheren Intervalls an, wenn er die obere
Schwelle des betrachteten Intervalls überschreitet.
Die Zahl der Bits pro Kodewort hängt von der Anzahl der
Quantisierungsstufen an. Nach ihr richtet sich die Taktfrequenz für den
Analog-Digital-Umsetzer und die zu übertragende Bitrate. Im Dualen Zahlensystem bzw. bei
der binären Kodierung braucht man zur Darstellung einer Menge :
- von 2=21 Elementen (0,1):1 bit
- von 4=22 Elementen (0 bis 3)2 bit
- von 8=23 Elementen (0 bis 7)3 bit
- u.s.w.,
- und allgemein von s=2n Elementen (0 bis s-1)n bit
Also bedeutet dass : Mit einem n-stelligen Kodewort können 2n
Quantisierungsintervalle dargestellt werden.
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