Kurzwelle Digital © Liviu Stoicescu1 Kurzwelle - Digital DRM – Digital Radio Mondiale

Kurzwelle Digital

© Liviu Stoicescu 1

Kurzwelle - Digital

DRM – Digital Radio Mondiale

Kurzwelle Digital


Motivation

Kurzwelle Digital


Inhalt

● Frequenzspektrum● Wellenausbreitung● Modulation

– Analog

– Digital

– Frequenzaufteilung● Digital Radio Mondiale

Inhalt

Kurzwelle Digital


FrequenzspektrumFrequenzspektrum● Wellenausbreitung● Modulation

– Analog

– Digital


Inhalt

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Frequenzspektrum

Ultrakurzwellen (UKW)

Kurzwellen (KW)

Mittelwellen (MW)

Langwellen (LW)

Längstwellen

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Frequenzspektrum

WellenausbreitungWellenausbreitung● Modulation

– Analog

– Digital


Inhalt

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Bodenwelle - Raumwelle

Bodenwelle:• Ausbreitung über Erdboden• Relativ kurze Reichweite

Wellenausbreitung

Raumwelle:• Reflexion an Ionosphäre• Kommt um die ganze Erde

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Raumwelle

• Reflexion vornehmlich an der F2-Schicht (stärkste Ionisation) der Ionosphäre

• Reflexion am Boden hauptsächlich abhängig vom Feuchtigkeitsgehalt (Leitfähigkeit)

Wellenausbreitung

Ionosphäre

ErdbodenSender

Empfänger

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Ionosphäre

• Solarer Flux: Von der Sonne einfallende elektromagnetische und korpuskulare Strahlung ionisiert hohe schichten der Erdatmosphäre

• Ionendichte in verschiedenen Höhen nicht konstant

→Ausbildung von Schichten

Analoge Kurzwelle

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Schichtwechsel• Tagsüber Einstrahlung

→Existenz tiefer gelegener Schichten

• Nachts Abbau der tieferen Schichten→F1 und F2 Schichten

verschmelzen zu einer einzigen F-Schicht

Wellenausbreitung

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Schichtwechsel

Ort maximaler

Ionisation wandert

täglich durch die

Erdrotation von Ost

nach West

Wellenausbreitung

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Schichtwechsel

Zusätzlich abhängig von:

• Jahreszeiten

• Sonnenflecken (11 Jahre Zyklus)

→„Funk-Wetterbericht“

Wellenausbreitung

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Stark Ionisiert

Schwach Ionisiert

Reflexion – Im Detail

• Brechungsgesetz von Snellius

→Stärker ionisierte Schichten dienen als „optisch dichteres“ Medium

• Niedrige „Frequenzen“ werden stärker gebrochen aber auch stärker gedämpft

Wellenausbreitung

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Ausbreitung

• Wechselnde Eigenschaften durch sich verändernde Schichten

• SporadicE →Totalausfall• Lowest Usable Frequency• Maximum Usable Frequency

→Tote Zone• Maximal 3000-4000km pro

Sprung

Wellenausbreitung

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Fading (Schwund)

Brechung oder Reflexion an Ionosphäre→Eigeninterferenzen

(Mehrwegeausbreitung)

→Dopplerverschiebung

(bewegte Luftschichten)

Wellenausbreitung

Durch Interferenz verursachte Empfangsschwankungen

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Frequenzspektrum Wellenausbreitung

ModulationModulation

AnalogtechnikAnalogtechnik– Digitaltechnik


Inhalt

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Modulation

Anpassung des Informationssignals an das

Übertragungsmedium (Kanal)– Winken im Dunkeln; Kabel, Satellitenfunk

● Amplitudenmodulation● Winkelmodulation

– Frequenzmodulation

– Phasenmodulation

)()()( tCostAtS

))(()( tCosAtS

))(()( ttCosAtS

))(()( ttCosAtS

Modulation - Analogtechnik

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Amplitudenmodulation (AM)Nutzsignal z.B hier 1+ 0.9 cos(t)

Nutzsignal x Träger

Amplitudenmoduliertes Signal

Trägersignal; z.B hier: cos(10 t)

Modulation - Analogtechnik

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ModulationModulation Analogtechnik

DigitaltechnikDigitaltechnik– Frequenzaufteilung

● Digital Radio Mondiale

Inhalt

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Digitales

→ Diskrete Werte

→ Bitdauer (Symboldauer) T

→ Signalregeneration (raten)

→ Fehlerkorrektur

Modulation - Digitaltechnik

T 2T

A

t→

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2ASK - 2PSK

♦ 2 Diskrete Amplitudenwerte♦ 2 Diskrete Phasenlagen♦ 1Bit/Symbol


0 1

-A A

Amplitude

-A

AA A A

T 2T

-A

A

t→

t→

t→

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4ASK

♦ 4 Diskrete Amplitudenwerte♦ 2 Diskrete Phasenlagen

2 Bit/Symbol:•Symboldauer T gleich → Bitrate verdoppelt•Bitrate gleich → Symboldauer verdoppelt (Störungssicherheit)


00 1001 11-A 3A-3A A

Amplitude

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Vergleich 2ASK-4ASK


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Orthogonale Funktionen

= 0 wenn f(x) ≠ g(x)= Y wenn f(x) = g(x) und beide

orthogonal zueinander sind= 1 wenn f(x) = g(x) und beide

orthonormal zueinander sind

dxxgxf )()(

T

dt0

() Reicht bei periodischen Funktionen aus


f(x), g(x) seien orthonormal/orthogonal

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A-A

4PSKSin- und Cos- Funktionen:

• Leicht zu erzeugende orthonormale Funktionen

• Spannen Funktionsraum auf

• Interpretation als EINE einzige Phasenverschobene Funktion


Cos(t)

Sin(t)

A

-A

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4PSK

♦ Amplitude A♦ 4 Diskrete Phasenlagen♦ 2Bit/Symbol♦ robuster als 4ASK

Gray – Codierung:Im Fall eines Übertragungsfehlers werden mit hoherWahrscheinlichkeit Nachbarsymbole vertauscht. → Spezielle Symbolcodierung: nur 1 Bit unterschied zwischen Nachbarsymbolen

• pro „Symbolfehler“ nur 1 Bitfehler• einfache Fehlerkorrektur reicht aus


Cos(t)

Sin(t)

10

01

11

00A

-A

A-A

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Mischer

g(x)

f(x) f(x)·g(x)


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r(t)

cos(t)

sin(t)

Abtastung bei t=2T

T

dtttr2

0

)sin()(

T

dtttr2

0

)cos()(

Empfang


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8PSK – 16PSK


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16QAM

2ASK → 4PSK

↓4ASK

↓→ 16QAM


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16QAM

4Bit/Symbol:• Bitrate gegenüber 4PSK verdoppelt• Verlust an Robustheit

4 Diskrete Amplitudenwerte4 Diskrete Phasenlagen


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QAM

M=4

M=32

M=16

M=64

M=8


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ModulationModulation Analogtechnik

Digitaltechnik

FrequenzaufteilungFrequenzaufteilung● Digital Radio Mondiale

Inhalt

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Bandbreite

fR: SendefrequenzbK: Bandbreite

Sendefrequenzen so angeordnet, dass sich die einzelnen Frequenzbereiche nicht gegenseitig stören.

Modulation - Frequenzaufteilung

Kurzwelle Digital


f

Zeitbereich - Frequenzbereich

t

A

0

0

f0

Digital: Rechteckige Signale im Basisband im Zeitbereich

Transformation in den Frequenzbereich:Si - förmiges Signal, symmetrisch zu f=0

Modulation: Parallelverschiebung im Frequenzbereich von f=0 zu f=f0

Digitaltechnik

Kurzwelle Digital


f

A

FDM - Frequency Division Multiplexf

t

f1

P

f

bK

T 4T

f

t

f

t

T*=4T

f11

f12

f13

f14

FDM


Kurzwelle Digital


Vorteile FDM

● Normale Modulation:– Ganze Bandbreite für ein Symbol– Kurze Symboldauer T

→Störanfällig● FDM:

– Bandbreite in mehrere gleichgroße Teilbereiche aufgeteilt– Mehrere Symbole werden parallel mit längerer Symboldauer T*

gesendet– Symbol steht länger → Kanalverzerrungen werden minimiert

Besserer Empfang


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FDM - OrthogonalFDMf

t

T*=4T

f11

f12

f13

f14

FDMf

t

T*=4T

f11f12

f13f14

OFDM

f15

f16f17

TG


f

A

f

A

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FDM - OrthogonalFDM


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Vorteile OFDM

● FDM:– Lücke zwischen den einzelnen Frequenzteilen

→ keine optimale Ausnutzung der Bandbreite● OFDM;

– „Orthogonale“ Anordnung der einzelnen Frequenzteilen

→Trotz Überlappung keine gegenseitige Störung● Optimale Ausnutzung vorhandener Bandbreite

– Schutzintervall TG


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Schutzintervall - FadingSymboldauer T:Verspätet eintreffende Symbole stören das (n+x)te Symbol des Signals

FDM: Signaldauer T*:Verlängerte Symboldauer→Interferenz wesentlich gemindert

OFDM: Schutzintervall TG

Fading wird vollständig verhindert, solange das Schutzintervall lang genug ist.


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Frequenzspektrum Wellenausbreitung Modulation

Analogtechnik

Digitaltechnik

Frequenzaufteilung

Digital Radio MondialeDigital Radio Mondiale

Inhalt

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Funktionsschema

Digital Radio Mondiale

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Wellenlänge

Grundlagen - Funk

f

c

/2-Dipol → Antennengröße in der

Größenordnung derWellenlänge

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Grundlagen - Funk

Tropenband:• Geringe Empfindlichkeit

gegenüber Gewitterstörungen

• Reflexion an Ionosphäre Weltweit günstige

Empfangsbedingungen

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Frequenzmodulation

Analogtechnik

Trägersignal; z.B hier: cos(10 t)

Nutzsignal z.B hier: cos(t)

Frequenzmoduliertes Signal

Kurzwelle Digital


Vergleich

● Amplitudenmodulation:– recht störungsanfällig,

– sehr einfache technische Umsetzung v.a. auf Seiten des Empfängers

● Frequenzmodulation: – recht unempfindlich gegenüber atmosphärischen

Störungen

– sehr komplizierte technische Realisierung (analog)

[mit heutigen IC kein Problem mehr]

Analogtechnik

Kurzwelle Digital


2MUFa

cosab

2MUF

2cos

2

*MUFMUF a

a

Analoge Kurzwelle

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Digitaltechnik

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