Digitale Übertragungsverfahren

Analog vs. Digital

Binäres Zahlensystem

• Mit einem Bit sind zwei Werte möglich (0 und 1)
• Mit zwei Bits schon vier (00, 01, 10 und 11) und mit jedem weiteren Bit jeweils doppelt so viele
• Mathematisch ausgedrückt: Mit n Bits lassen sich 2ⁿ verschiedene Zahlen darstellen
• Neben Binärzahl wird auch Dualzahl gesagt

Umwandlung

Binärzahlen in Dezimale Zahlen am Beispiel von 10001110

Morsetelegrafie

• Ein- und Ausschalten eines Trägers
• Einführung eines Morsealphabets 1838 durch Samuel Morse, optimiert durch Friedrich Clemens Gerke
• Morseprüfung lange Zeit Vorschrift für Funkamateure auf Kurzwelle
• Seit Mitte der 1990er legen Länder fest, ob Morseprüfung notwendig ist
• Erst seit 2003 ist die Morseprüfung in Deutschland freiwillig

Computersteuerung

Steuersignale

Datenanschluss

• Hinter dem Mikrofonanschluss im Funkgerät können Verstärker- und Filterstufen für Sprachübertragung liegen → ungeeignet für Datenübertragung
• Eigener Datenanschluss am Transceiver
• Lässt Signale vom Computer unverfälscht passieren

Funkfernschreiben

Funkfernschreiber

Betrieb

In einem Gespräch sieht dieses folgendermaßen aus:

Teil 1 unseres Beispiel-Gesprächs:

Teil 2 unseres Beispiel-Gesprächs:

Teil 3 unseres Beispiel-Gesprächs:

Morsetelegrafie

• Auf die richtige Geschwindigkeit achten
• Schnell gegebene Morsezeichen brauchen viel Übung zum Verstehen
• Gegenstelle nicht mit der Geschwindigkeit überfordern
• Faustregel: Nicht schneller geben, als man selbst aufnehmen kann

Digimode per SSB

Bandbreite von Digimodes

• Im Gegensatz zur Sprache benötigen viele Digimodes weniger Bandbreite
• Z.B. BPSK31 mit 31,25 Hz oder FT8 mit 50 Hz
• Die erzeugten Töne werden mittels Kurzwelle in SSB moduliert
• Die Bandbreite des ausgestrahlten Signals bleibt dabei gleich

Empfang von Digimodes

SSTV

ATV

• Amateur Television ist die Übertragung von Bewegtbildern
• Benötigt mehrere MHz Bandbreite (6 MHz und mehr)
• Deshalb nur ab 70 cm Band aufwärts nutzbar

9600-Port

• Zur Umgehung von Filtern bieten manche FM-Funkgeräte einen separaten Port für Digimodes
• Dieser ist oft mit DATA oder 9600 beschriftet
• 9600 entsprechend der Datenrate in Baud, die damit übertragen werden kann
• Daran wird direkt das TNC (Terminal Node Controller) vom Computer angeschlossen
• Heute oft direkt als USB-Anschluss ausgeführt

Übersteuerung

• Zu Verzerrungen durch Übersteuerung kann es auch im Sendeverstärker kommen
• Um das zu verhindern, verfügen viele Funkgeräte über eine automatische Pegelregelung (englisch: Automatic Level Control, ALC) → regelt Verstärkung automatisch runter
• Bei digitalen Übertragungsverfahren kann die ALC jedoch Problemen führen
• Das Signal könnte je nach Lautstärke oder Frequenz die ALC zu verschiedenen Zeitpunkten unterschiedlich stark auslösen → Amplitude wird unerwünscht verändert

• ALC-Probleme hängen von verschiedenen Faktoren ab
• Übertragungsverfahren
• Umsetzung der ALC im Transceiver (Reaktions- und Haltezeit)
• Anzeige der ALC im Transceiver
• → greift die ALC nicht ein, erzeugt sie keine Probleme

Automatische Empfangsberichte

• Mittels Digimodes empfangene Rufzeichen können an Plattformen geschickt werden
• Diese lassen sich auf einer Karte mit empfangenen Band darstellen
• Zum Testen der eigenen Ausbreitungsbedingungen

WSPR

• Weak Signal Progagation Reporter Network
• QRP-Digimode, der rein zum Testen der eigenen Ausbreitungsbedingungen entwickelt wurde
• Es ist kein 2-Wege-QSO möglich
• Sehr langsame Übertragung mit hoher Fehlerkorrektur
• 1 Minute Senden, mehrere Minuten empfangen
• Ergebnisse werden an Server geschickt und lassen sich auf WSPRnet darstellen

Digital Voice (DV)

• Auch Sprache kann digital übertragen werden
• z. B. mit den Übertragungsverfahren DMR, D-Star, C4FM und M17
• Sprachsignale werden vor der Übertragung in einen Datenstrom umgewandelt

TDMA

Time Division Multiple Access -- Zeitmultiplexverfahren

Einstellungen

Es sind für digitale Sprache oft mehr Einstellungen zu berücksichtigen als zum Beispiel bei einer FM-Verbindung. Zum Beispiel:

• Sprechgruppe (Talkgroup)
• Raum oder Reflektor zum Zusammenschalten von Relaisfunkstellen
• TDMA-Zeitschlitz
• Color-Code

Paketvermittelte Netzwerke

• Das HAMNET, das Netzwerk nur für Funkamateure, basiert auf dem Internet-Protokoll (IP).
• Deswegen kann man das Hamnet mit der gleichen Software, die auch für das Internet verwendet wird, nutzen.
• Im einfachsten Fall ist das ein Webbrowser.

• Das Internet-Protokoll (IP) weist den beteiligten Computern IP-Adressen zu, damit sie sich gegenseitig erreichen können.
• IP-Adressen werden als vier Dezimalzahlen mit einem Punkt dazwischen geschrieben. Beispiel: 141.17.5.18
• Jede Dezimalzahl hat eine Länge von 8 Bit, deswegen ist die größtmögliche Zahl 255 (binär: 11111111).

• IP-Adressen sind in einen Netz- und einen Hostanteil aufgeteilt.
• Bei allen Computern, die sich im selben Netzwerk befinden, ist der Anfang der IP-Adressen gleich, diesen Anfang nennt man Netzanteil.
• Der Netzanteil ist unterschiedlich groß, je nachdem wie viele Computer (Hosts) im Netzwerk verwaltet werden sollen.

Beispiele:

10.100.234.22 (kleiner Netzanteil, großer Hostanteil)

192.168.1.252 (großer Netzanteil, kleiner Hostanteil)

Dieses Prinzip kennt man vom Telefonnetz. Die großen Städte haben kürzere Vorwahlen als kleine Städte.

• Eine Subnetzmaske gibt die Aufteilung einer IP-Adresse in Netz- und Hostanteil an, indem sie alle Bits des Netzanteils als 1 darstellt.

• Es zwei Möglichkeiten dieses niederzuschreiben, Beispiel für einen Netzanteil von 24:
• 255.255.255.0, was binär 11111111.11111111.11111111.00000000 ist.
• Die Schreibweise mit dem Schrägstrich, zum Beispiel 192.168.111.90/24

• Netzwerkgeräte können nur innerhalb ihres eigenen lokalen Netzwerks direkt miteinander kommunizieren.

• Man erkennt sie daran, dass sich aus ihrer eigenen IP-Adresse und Subnetzmaske derselbe Netzanteil ergibt wie beim Partner.

• In allen anderen Fällen schicken sie die Daten an einen Router. Das ist eine Zwischenstation, die zwei oder mehr Netzwerke miteinander verbindet, um die Datenpakete weiterzuleiten.

Amplituden- und Frequenzumtastung (ASK, FSK)

• Genauso wie es verschiedene analoge Modulationsverfahren gibt, gibt es auch verschiedene digitale Modulationsverfahren.
• Die grundlegenden Möglichkeiten ein Signal zu modulieren, also auf einen Hochfrequenzträger aufzuprägen, sind dieselben: Veränderung der Amplitude, der Frequenz oder der Phase des Trägers.
• Beim unmodulierten Träger hingegen bleiben Amplitude, Frequenz und Phasenlage konstant.

• Bei der Amplitudenumtastung (Amplitude Shift Keying, ASK) wird im einfachsten Fall zwischen zwei Amplituden gewechselt.

• Bei der Frequenzumstastung (Frequency Shift Keying, FSK) wechselt der Sender zwischen bestimmten Frequenzen.

• Bei der Phasenumtastung (Phase Shift Keying, PSK) wechselt der Sender zwischen bestimmten Phasenlagen.

Phasenumtastung (PSK)

Symbolumschaltung und Bandbreite

• Als Symbol werden in der Digitaltechnik die verschiedenen Zeicheneinheiten zur Übertragung des Informationsgehaltes bezeichnet.
• Die Anzahl der pro Zeitspanne übertragenen Symbole ist die Symbolrate und wird in der Einheit Baud ausgedrückt.
• Bei jeder Umschaltung zwischen zwei Symbolen wird die Amplitude, Frequenz oder Phase eines Trägers geändert.
• Je schneller Amplitude, Frequenz oder Phase verändert werden, umso breitbandiger wird das erzeugte Signal.

• Von der Morsetelegrafie kennen wir bereits Tastklicks, die breitbandige Störungen darstellen.
• Sie entstehen, wenn beim Drücken bzw. Loslassen der Morsetaste der Träger plötzlich ein- bzw. ausgeschaltet wird.

Mehrwertige Verfahren

• Viele digitale Modulationsverfahren verwenden mehr als zwei Symbole.
• So funktioniert zum Beispiel die 4-Fach-Amplitudenumtastung (4ASK) mit vier unterschiedlichen Amplituden, 25 %, 50 %, 75 %, 100 % des Maximums.
• So lassen sich zwei Bits zu einem Symbol zusammenfassen und gleichzeitig übertragen.

• Dieses Prinzip lässt sich auf die Frequenz- und Phasenumtastung übertragen.
• Eine einfache Phasenumtastung (Binary Phase-Shift Keying, BPSK) verwendet nur zwei verschiedene Phasenlagen und kann daher nur ein Bit gleichzeitig senden.
• Die Quadraturphasenumtastung (Quadrature Phase-Shift Keying, QPSK) hingegen nutzt vier verschiedene Phasenlagen (0 °, 90 °, 180 ° und 270 °) und überträgt somit zwei Bits in jedem Schritt.

• Da bei Verfahren wie QPSK mehr als ein Bit pro Symbol übertragen wird, müssen wir mit den Einheiten aufpassen.
• Werden nur zwei Symbole verwendet und somit jedes Bit einzeln gesendet, entspricht die Symbolrate in Baud der Datenrate in Bit/s.
• Werden jedoch mehr Symbole verwendet und somit mehrere Bits gleichzeitig übertragen, ist die Datenrate höher als die Symbolrate.

• Die Formel $C = R_{ s } \cdot n$ stellt den Zusammenhang dar:

C → Datenübertragungsrate in Bit/s

$R_{ s }$ → Symbolrate in Baud

n → Symbolgröße in Bit/Symbol

Beispiele:

RTTY: Umschaltung zwischen zwei Symbolfrequenzen, so dass pro Symbol ein Bit (0 oder 1) übertragen werden kann.

→ Datenrate = Symbolrate

FT4: Umschaltung zwischen vier Symbolfrequenzen, so dass pro Symbol zwei Bit (00, 01, 10 oder 11) übertragen werden können.

→ Datenrate = 2 $\cdot$ Symbolrate

Quadraturamplitudenmodulation (QAM)

• Es scheint zunächst nahe zu liegen, die Anzahl der Symbole möglichst groß zu wählen, damit pro Symbol möglichst viele Informationen übertragen werden können.
• Doch dann muss ein Empfänger z.B. zwischen vielen unterschiedlichen Amplituden unterscheiden können. Somit wird das Verfahren anfälliger für Störungen.

• Trick: Anstelle der Änderung nur eines Parameters (z.B. der Amplitude) werden pro Symbol zwei Parameter verändert, nämlich die Amplitude und die Phase.
• Ein Symbol entspricht dann einer Kombination einer bestimmten Amplitude mit einer bestimmten Phasenlage.

Orthogonales Frequenzmultiplexverfahren (OFDM)

• Es ist auch möglich, einen Datenstrom auf mehrere Träger zu verteilen, die auf unterschiedlichen, jedoch nahegelegenen Frequenzen liegen.
• Bei der orthogonalen Frequenzmodulation (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM) werden die einzelnen Träger in einem Abstand platziert, wo ein gegenseitiges Stören untereinander (ein sogenanntes „Übersprechen“) vermieden wird.

• Ein Vorteil dieses Vorgehens liegt darin, dass schmalbandige Störungen nur einen oder wenige Träger stören.
• Im Zusammenspiel mit Fehlerkorrekturverfahren mit redundanter Datenübertragung, die wir später kennenlernen werden, ist es so möglich, trotz schmalbandiger Störungen eine fehlerfreie Übertragung zu erreichen.

• Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der geringeren Symbolrate jedes einzelnen Trägers.
• Durch die geringere Symbolrate ist die Dauer eines jeden Symbols länger.
• Im Falle zeitlicher Verschiebungen aufgrund von Mehrwegeausbreitung ist der Anteil der Überlagerung zwischen den Signalen entsprechend geringer.

AFSK

• Eine Sonderform der digitalen Modulation stellt das Audio Frequency Shift Keying (AFSK) dar.
• Im Gegensatz zu ASK steht hier das „A“ nicht für Amplitude, sondern für Audio, also für hörbare Frequenzen (Niederfrequenz).
• Es wird eine Frequenzumtastung (FSK) im Bereich deutlich unter 20 kHz durchgeführt. Oftmals wird der Bereich von ca. 300 Hz bis 2700 Hz genutzt.
• Für eine Aussendung per Funk muss eine weitere Modulation stattfinden, beispielsweise per FM, AM oder SSB.

Datenübertragungsrate

• Die Bandbreite ist der genutzte Frequenzbereich in Hz
• Die Datenübertragungsrate ist die je Zeiteinheit übertragene Datenmenge in Bit/s

• In der Praxis erreichbare Datenübertragungsraten unterscheiden sich je nach Übertragungsverfahren und Funkbedingungen deutlich.
• WLAN und 5G unterstützen bei optimalen Bedingungen Datenübertragungsraten bis in den Bereich von Gigabit pro Sekunde.
• FT8 hingegen kann selbst unter widrigen Bedingungen eingesetzt werden, überträgt aber nur wenige Bit pro Sekunde.

Shannon-Hartley-Gesetz

• Welche Datenübertragungsrate erreichbar ist, hängt von der nutzbaren Bandbreite und dem Signal-Rauschverhältnis ab.
• Aus diesen beiden Größen kann mit dem Shannon-Hartley-Gesetz die theoretisch maximal erreichbare Datenübertragungsrate für einen Übertragungskanal berechnet werden.
• Ein leicht zu merkender Wert stellt sich bei einem Signal-Rausch-Verhältnis von 0 dB ein.
• Hier entspricht die Bandbreite in Hertz genau der maximal erreichbaren Datenrate in Bit/s.

• Schlechtere Signal-Rausch-Verhältnisse ermöglichen entsprechend weniger Datenrate, bessere Signal-Rausch-Verhältnisse größere Datenraten.
• Da die Rechnungen dazu recht komplex sind, wurden die Prüfungsfragen so gestaltet, dass man das Ergebnis leicht abschätzen kann.
• Im Folgenden gibt es Beispiele mit 0 db, -20 db und (+)30 db.

Beispiel 1:

• Ein Übertragungskanal mit einer Bandbreite von 2,7 kHz wird durch additives weißes Gaußsches Rauschen (AWGN) gestört. * Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) beträgt 0 dB.
• Welche Bitrate kann nach dem Shannon-Hartley-Gesetz etwa maximal fehlerfrei übertragen werden?

Durch ein SNR von 0db entspricht die Bandbreite in Hertz genau der maximal erreichbaren Datenrate in Bit/s, also 2,7 kbit/s.

Beispiel 2:

• Ein Übertragungskanal mit einer Bandbreite von 2,7 kHz wird durch additives weißes Gaußsches Rauschen (AWGN) gestört. * Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) beträgt -20 dB.
• Welche Bitrate kann nach dem Shannon-Hartley-Gesetz etwa maximal fehlerfrei übertragen werden?

Durch ein SNR von -20db muss die maximal erreichbare Datenrate kleiner als 2,7 kbit/s sein. Es kann nur 39 Bit/s richtig sein.

Beispiel 3:

• Ein Übertragungskanal mit einer Bandbreite von 10 MHz wird durch additives weißes Gaußsches Rauschen (AWGN) gestört. * Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) beträgt 30 dB.
• Welche Bitrate kann nach dem Shannon-Hartley-Gesetz etwa maximal fehlerfrei übertragen werden?

Durch ein SNR von 30db muss die maximal erreichbare Datenrate größer 10 Mbit/s sein. Es kann nur 100 Mbit/s richtig sein.

Quellencodierung

• Bei der digitalen Übertragung möchte man das Frequenzspektrum möglichst effizient nutzen.
• Dies erreicht man durch die Kompression der Nutzdaten, die sogenannte Quellencodierung.
• Dabei werden Redundanzen (z. B. Wiederholungen) oder Irrelevanzen (weniger wichtige Informationsteile) aus dem Datenstrom entfernt.

Kanalcodierung

• Die Abbildung zeigt einen Sender und einen Empfänger, welche über einen Kanal miteinander verbunden sind.
• Durch atmosphärische Einflüsse oder Aussendungen anderer Stationen kann es zu Störungen auf dem Kanal kommen, welche zu Fehlern bei der Übertragung führen.

Die Kanalcodierung fügt der zu übertragenden Information gezielt Redundanz hinzu, beispielsweise Wiederholungen oder Prüfsummen.

Wir unterscheiden zwei Arten der Kanalcodierung:

• Fehlererkennung: Man kann erkennen, dass bei der Übertragung ein Fehler aufgetreten ist, und dann z. B. eine erneute Übertragung anfordern.
• Vorwärtsfehlerkorrektur: Fehler, die bei der Übertragung entstehen, werden mit Hilfe der Redundanz beim Empfänger korrigiert.

Fehlererkennung

Fehlerkorrektur

Mapping

Sende- und Empfangsketten

Vielfachzugriff

TDMA

CDMA

FDMA

Synchronization

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