Digitale Übertragungsverfahren
Navigationshilfe
Diese Navigationshilfe zeigt die ersten Schritte zur Verwendung der Präsention. Sie kann mit ⟶ (Pfeiltaste rechts) übersprungen werden.
Navigation
Zwischen den Folien und Abschnitten lässt sich mittels der Pfeiltasten hin- und herspringen, dazu lassen sich auch die Pfeiltasten am Computer nutzen.
- Pfeil runter und hoch: Nächste / Vorherige Folie
- Pfeil rechts und links: Nächster / Vorheriger Abschnitt
- Leertaste oder „n“: Der Reihe nach alle Elemente in Folien aufdecken oder zur nächsten Folie blättern
- Shift-Leertaste oder „p“: Der Reihe nach Elemente rückwärts zudecken oder zur vorherigen Folie blättern
Weitere Funktionen
Mit ein paar Tastenkürzeln können weitere Funktionen aufgerufen werden. Die wichtigsten sind:
- F1
- Help / Hilfe
- o
- Overview / Übersicht aller Folien
- s
- Speaker View / Referentenansicht
- f
- Full Screen / Vollbildmodus
- b
- Break, Black, Pause / Ausblenden der Präsentation
- Alt-Click
- In die Folie hin- oder herauszoomen
Übersicht
Die Präsentation ist zweidimensional aufgebaut. Dadurch sind in Spalten die einzelnen Abschnitte eines Kapitels und in den Reihen die Folien zu den Abschnitten.
Tippt man ein „o“ ein, bekommt man eine Übersicht über alle Folien des Foliensatzes. Das hilft, sich zunächst einen Überblick zu verschaffen oder sich zu orientieren, wenn man das Gefüht hat, sich „verlaufen“ zu haben. Die Navigation erfolgt über die Pfeiltasten.
Durch Anklicken einer Folie wird diese präsentiert.
Referentenansicht
Tippt man ein „s“ ein, bekommt man ein neues Fenster, die Referentenansicht.
Indem man „Layout“ auswählt, kann man zwischen verschieden Anordnungen der Elemente auswählen.
Die Referentenansicht bietet folgende Elemente:
- Links sieht man die aktuelle Folie
- Rechts oben sieht man die nächste Folie
- Rechts in der Mitte Hilfsmittel zur Zeiteinteilung
- Rechts unten, die „Notizen für den Vortragenden“
- Unten die Pfeile zur Navigation
Praxistipps zur Referentenansicht
- Wenn man mit einem Projektor arbeitet, stellt man im Betriebssystem die Nutzung von 2 Monitoren ein: Die Referentenansicht wird dann zum Beispiel auf dem Laptop angezeigt, während die Teilnehmer die Präsentation angezeigt bekommen.
- Bei einer Online-Präsentation, wie beispielsweise auf TREFF.darc.de, präsentiert man den Browser-Tab und navigiert im „Speaker View“ Fenster.
- Die Referentenansicht bezieht sich immer auf ein Kapitel. Am Ende des Kapitels muss sie geschlossen werden, um im neuen Kapitel eine neue Referentenansicht zu öffnen.
- Um mit dem Mauszeiger etwas zu markieren oder den Zoom zu verwenden, muss mit der Maus auf den Bildschirm mit der Präsentation gewechselt werden.
Vollbild
Tippt man ein „f“ ein, wird die aktuelle Folie im Vollbild angezeigt. Mit „Esc“ kann man das Vollbild wieder verlassen.
Das ist insbesondere für den Bildschirm mit der Präsentation für das Publikum praktisch.
Ausblenden
Tippt man ein „b“ ein, wird die Präsentation ausgeblendet.
Sie kann wie folgt wieder eingeblendet werden:
- Durch Klicken in das Fenster.
- Durch nochmaliges Drücken von „b“.
- Durch Klicken der Schaltfläche „Resume presentation“.
Zoom
Bei gedrückter Alt-Taste und einem Mausklick in der Präsentation wird in diesen Teil hineingezoomt. Das ist praktisch, um Details von Schaltungen hervorzuheben. Durch einen nochmaligen Mausklick zusammen mit Alt wird wieder herausgezoomt.
Das Zoomen funktioniert nur im ausgewählten Fenster. Die Referentenansicht ist hier nicht mit der Präsenationsansicht gesynct.
Analog vs. Digital
Bei der Informationsübertragung unterscheidet man grundsätzlich zwischen analogen und digitalen Verfahren.
- Digital: in Stufen, nur bestimmte Werte, keine Werte dazwischen
- Analog: kontinuierlich, beliebige Zwischenwerte
- Im Funk z. B. durch feste Amplitudenstufen (25%, 50%, 75%, 100%) erreichbar
- Viele Übertragungsverfahren im Alltag arbeiten mittlerweile digital
- z. B. WLAN, LTE oder DVB
Binäres Zahlensystem
Dezimalsystem
- Menschen sind es gewohnt, die zehn Ziffern von $\num{0}$ bis $\num{9}$ zu benutzen
- Man spricht von einem Zehner- oder Dezimalsystem
Binärsystem
- Für Computer ist es hingegen einfacher mit nur 2 Ziffern zu arbeiten: Der $\num{0}$ und der $\num{1}$
- Dies entspricht zwei Zuständen: Beispielsweise ausgeschaltet und eingeschaltet oder auch $\qty{0}{\volt}$ und $\qty{5}{\volt}$
A: Der Zwischenbereich zwischen 0 und 1 kann von analogen Verstärkerschaltungen mit hoher Genauigkeit abgebildet werden.
B: Je Ziffer kann mehr als ein Bit an Information übertragen werden (1 binäre Ziffer erlaubt die Übertragung von 8 Dezimalziffern).
C: Die binären Ziffern 0 und 1 können als zwei elektrische Zustände dargestellt und dadurch einfach mittels Schaltelementen (z. B. Transistoren) verarbeitet werden.
D: Die Genauigkeit des binären Systems (mit zwei Ziffern) ist um den Faktor 5 höher als die des Dezimalsystems (mit 10 Ziffern).
- Mit einem Bit sind zwei Werte möglich ($\num{0}$ und $\num{1}$)
- Mit zwei Bits schon vier ($\num{00}$, $\num{01}$, $\num{10}$ und $\num{11}$) und mit jedem weiteren Bit jeweils doppelt so viele
- Mathematisch ausgedrückt: Mit $n$ Bits lassen sich $2^n$ verschiedene Zahlen darstellen
- Neben Binärzahl wird auch Dualzahl gesagt
A: 6
B: 16
C: 8
D: 4
A: 16
B: 8
C: 6
D: 4
A: 32
B: 5
C: 64
D: 128
Umwandlung
Binärzahlen in Dezimale Zahlen am Beispiel von $\num{10001110}$
| $2^7$ | $2^6$ | $2^5$ | $2^4$ | $2^3$ | $2^2$ | $2^1$ | $2^0$ |
| $\num{128}$ | $\num{64}$ | $\num{32}$ | $\num{16}$ | $\num{8}$ | $\num{4}$ | $\num{2}$ | $\num{1}$ |
| $\num{1}$ | $\num{0}$ | $\num{0}$ | $\num{0}$ | $\num{1}$ | $\num{1}$ | $\num{1}$ | $\num{0}$ |
A: 78
B: 156
C: 248
D: 142
A: 248
B: 78
C: 142
D: 156
A: 156
B: 78
C: 248
D: 142
A: 142
B: 156
C: 248
D: 78
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
| A | ▄ ▄▄▄ | K | ▄▄▄ ▄ ▄▄▄ | U | ▄ ▄ ▄▄▄ |
| B | ▄▄▄ ▄ ▄ ▄ | L | ▄ ▄▄▄ ▄ ▄ | V | ▄ ▄ ▄ ▄▄▄ |
| C | ▄▄▄ ▄ ▄▄▄ ▄ | M | ▄▄▄ ▄▄▄ | W | ▄ ▄▄▄ ▄▄▄ |
| D | ▄▄▄ ▄ ▄ | N | ▄▄▄ ▄ | X | ▄▄▄ ▄ ▄ ▄▄▄ |
| E | ▄ | O | ▄▄▄ ▄▄▄ ▄▄▄ | Y | ▄▄▄ ▄ ▄▄▄ ▄▄▄ |
| F | ▄ ▄ ▄▄▄ ▄ | P | ▄ ▄▄▄ ▄▄▄ ▄ | Z | ▄▄▄ ▄▄▄ ▄ ▄ |
| G | ▄▄▄ ▄▄▄ ▄ | Q | ▄▄▄ ▄▄▄ ▄ ▄▄▄ | Ä | ▄ ▄▄▄ ▄ ▄▄▄ |
| H | ▄ ▄ ▄ ▄ | R | ▄ ▄▄▄ ▄ | Ö | ▄▄▄ ▄▄▄ ▄▄▄ ▄ |
| I | ▄ ▄ | S | ▄ ▄ ▄ | Ü | ▄ ▄ ▄▄▄ ▄▄▄ |
| J | ▄ ▄▄▄ ▄▄▄ ▄▄▄ | T | ▄▄▄ | ẞ | ▄ ▄ ▄ ▄▄▄ ▄▄▄ ▄ ▄ |
| 0 | ▄▄▄ ▄▄▄ ▄▄▄ ▄▄▄ ▄▄▄ | 5 | ▄ ▄ ▄ ▄ ▄ | / | ▄▄▄ ▄ ▄ ▄▄▄ ▄ |
| 1 | ▄ ▄▄▄ ▄▄▄ ▄▄▄ ▄▄▄ | 6 | ▄▄▄ ▄ ▄ ▄ ▄ | . | ▄ ▄▄▄ ▄ ▄▄▄ ▄ ▄▄▄ |
| 2 | ▄ ▄ ▄▄▄ ▄▄▄ ▄▄▄ | 7 | ▄▄▄ ▄▄▄ ▄ ▄ ▄ | , | ▄▄▄ ▄▄▄ ▄ ▄ ▄▄▄ ▄▄▄ |
| 3 | ▄ ▄ ▄ ▄▄▄ ▄▄▄ | 8 | ▄▄▄ ▄▄▄ ▄▄▄ ▄ ▄ | ? | ▄ ▄ ▄▄▄ ▄▄▄ ▄ ▄ |
| 4 | ▄ ▄ ▄ ▄ ▄▄▄ | 9 | ▄▄▄ ▄▄▄ ▄▄▄ ▄▄▄ ▄ | - | ▄▄▄ ▄ ▄ ▄ ▄ ▄▄▄ |
| @ | ▄ ▄▄▄ ▄▄▄ ▄ ▄▄▄ ▄ |
| Unterbrechung (BK) | ▄▄▄ ▄ ▄ ▄ ▄▄▄ ▄ ▄▄▄ |
| Trennung innerhalb eines Durchgangs (BT, =) | ▄▄▄ ▄ ▄ ▄ ▄▄▄ |
| Ende des Durchgangs (AR) | ▄ ▄▄▄ ▄ ▄▄▄ ▄ |
| Ende der Sendung (SK) | ▄ ▄ ▄ ▄▄▄ ▄ ▄▄▄ |
| Korrektur | ▄ ▄ ▄ ▄ ▄ ▄ ▄ ▄ |
A: Die nationale Verwaltung eines jeden Landes legt eigenständig fest, ob eine Morseprüfung erforderlich ist.
B: Wer Frequenzen unter 30 MHz nutzen will, muss eine Morseprüfung ablegen.
C: Bei einer Sendeleistung von mehr als 100 W benötigt der Funkamateur den Nachweis einer erfolgreich abgelegten Morseprüfung.
D: In den Radio Regulations (RR) werden bezüglich der Morsequalifikation keine Regelungen getroffen.
Geschwindigkeit
- Morsezeichen können unterschiedlich schnell gegeben werden
- Gegenstelle nicht mit der Geschwindigkeit überfordern
- Faustregel: Nicht schneller geben als die Gegenstelle und nicht schneller, als man selbst aufnehmen kann
A: mit meiner gewohnten Geschwindigkeit.
B: mit einem Gebetempo von maximal 60 CPM.
C: genauso schnell oder langsamer als der Anruf.
D: mit dem höchsten Tempo, das ich fehlerfrei geben kann.
A: im international festgelegten Einheitstempo von 12 WPM, um eine automatische Dekodierung zu ermöglichen.
B: in dem Tempo, das mir am besten liegt. Andere müssen sich an mich anpassen.
C: so schnell ich kann, damit es nicht zu unnötigen Verzögerungen im Betriebsablauf kommt.
D: nicht schneller, als ich auch aufnehmen kann, und passe mich an langsamere Stationen an.
Computersteuerung
- Weiterentwicklung der Morsetelegrafie: Fernschreiber per Modem ans Funkgerät angeschlossen
- Dadurch ist der Funkfernschreiber entstanden, um Texte automatisiert per Funk zu senden/empfangen
- Abkürzung RTTY (radio teletype) hat sich bis heute gehalten
- Heute übernimmt meist der Computer diese Aufgabe $\rightarrow$ viele weitere Digimodes möglich
Steuersignale
- Übertragung von Audio- sowie Steuersignalen (CAT) zwischen Computer und Transceiver
- Z. B. Transceiver auf Sendung schalten und Signal vom Computer übertragen
Datenanschluss
- Hinter dem Mikrofonanschluss im Funkgerät können Verstärker- und Filterstufen für Sprachübertragung liegen $\rightarrow$ ungeeignet für Datenübertragung
- Eigener Datenanschluss am Transceiver
- Lässt Signale vom Computer unverfälscht passieren
A: Der ALC-Anschluss des Funkgeräts wird mittels eines Hardware-Modems mit Audio- oder Datenanschlüssen des Computers verbunden.
B: Eine Audioverbindung (NF-Signal oder digital z. B. per USB-Kabel) wird zwischen Computer und Funkgerät hergestellt oder es wird ein Hardware-Modem verwendet.
C: Es wird ein Software-Modem installiert und der ALC-Anschluss des Funkgeräts direkt mit dem Computer verbunden (ggf. auch mittels Adapter).
D: Der HF-Anschluss (z. B. Antennenausgang) des Funkgeräts wird mittels eines Y-Kabels mit einer geeigneten Datenschnittstelle des Computers verbunden.
A: ohne weitere Beschaltung einen Drehwinkelgeber (Encoder) oder ein Potentiometer zur präzisen Frequenzeinstellung anzuschließen.
B: das empfangene HF-Signal möglichst ungefiltert an einen Computer zur Weiterverarbeitung mittels digitaler Signalverarbeitung auszuleiten.
C: mittels eines seriellen Kommunikationsprotokolls den Transceiver z. B. mit einem Computer zu steuern oder Werte abzufragen, z. B. Frequenz, Sendeleistung oder PTT.
D: durch Umgehung von Verstärker- und Filterstufen ein NF-Signal (z. B. für DV oder POCSAG) möglichst verzerrungsfrei abzugreifen oder einzuspeisen.
A: Der Computer kann wie ein Elektrolytkondensator im Antennenkreis wirken und somit die Sendefrequenz verschieben.
B: Das Funkgerät könnte unerwartet auf Sendung schalten und somit unerwünschte Aussendungen verursachen oder Menschen in Gefahr bringen.
C: Die automatische Pegelregelung (ALC) könnte ausgelöst werden und andere digitale Geräte stören.
D: Der Vorverstärker ist außer Funktion, wodurch Nachbarkanäle und Frequenzen in anderen Bändern gestört werden könnten.
A: ohne weitere Beschaltung einen Drehwinkelgeber (Encoder) oder ein Potentiometer zur präzisen Frequenzeinstellung anzuschließen.
B: mittels eines seriellen Kommunikationsprotokolls den Transceiver z. B. mit einem Computer zu steuern und Werte abzufragen, z. B. Frequenz, Sendeleistung oder PTT.
C: das empfangene HF-Signal möglichst ungefiltert an einen Computer auszuleiten und mittels digitaler Signalverarbeitung weiterzuverarbeiten.
D: durch Umgehung von Verstärker- und Filterstufen ein NF-Signal (z. B. für DV oder POCSAG) möglichst verzerrungsfrei abzugreifen oder einzuspeisen.
Funkfernschreiben
Betrieb
- Beide Funkpartner nutzen das gleiche Übertragungsverfahren (z. B. JS8, PSK, RTTY)
- Gleiche Parameter müssen gesetzt sein
- Verwendung von betrieblichen Abkürzungen und Q-Gruppen
- Mehr Informationsgehalt pro Zeiteinheit
A: Sende- und Empfangsstation müssen die gleiche Zeitzoneneinstellung (z. B. Sommerzeit) aufweisen, damit die Übertragung erfolgreich sein kann.
B: Die Übertragung sollte bevorzugt während der Abend- und Nachtstunden stattfinden, da die Frequenzen tagsüber für Sprechverbindungen freigehalten werden.
C: Sende- und Empfangsstation müssen das gleiche Übertragungsverfahren (z. B. JS8, PSK, RTTY) und ggf. die gleichen Verfahrensparameter verwenden.
D: Die Übertragung sollte bevorzugt mit einem schnellen Verfahren stattfinden, damit die Amateurfunkbänder nicht unnötig belastet werden.
In einem Gespräch sieht dieses folgendermaßen aus:
| Abkz. | Bedeutung |
|---|---|
| BK | Unterbrechung der Sendung; Formlose Übergabe |
| CQ | Allgemeiner Anruf (vom Englischen „Seek You“) |
| DE | von |
| K | Aufforderung zum Senden |
| PSE | Bitte (vom Englischen „Please“) |
| QSL | Ich bestätige den Empfang |
| R | Received (Empfangsbestätigung) |
| RPRT | Rapport (vom Englischen „Report“) |
| Abkz. | Bedeutung |
|---|---|
| RST | RST-Rapport |
| SK | Ende der Verbindung (vom Englischen „Silent Key“) |
| TNX | Danke (vom Englischen „Thanks“) |
| UR | du bist (im Sinne von „dein Signal ist“, vom Englischen „you are“) |
| VY | sehr (vom Englischen „very“) |
| 73 | viele Grüße |
| = | Trennzeichen |
Teil 1 unseres Beispiel-Gesprächs:
Allgemeiner Anruf von DL2AB – Bitte Kommen!
DL2AB von DL1PZ – Kommen!
Teil 2 unseres Beispiel-Gesprächs:
DL1PZ von DL2AB. Dein Signal ist mit dem RST-Wert 599, ich wiederhole, 599. DL1PZ von DL2AB – Kommen!
DL2AB von DL1PZ. Danke für den RST-Rapport, dein Signal ist 479, ich wiederhole, 479. Zurück zu dir!
Teil 3 unseres Beispiel-Gesprächs:
Hier bin ich wieder. Ich bestätige den Empfang. Sehr viele Grüße von DL2AB. Ende der Verbindung.
Verstanden. Viele Grüße von DL1PZ. Ende der Verbindung.
Digitale Verfahren wie FT8 oder FT4
- Funktionieren auch bei widrigen Funkbedingungen (niedrige Signalstärke im Vergleich zum Grundrauschen)
- Dafür können nur ganz wenige Zeichen je Sendung übertragen werden
- Abwicklung entsprechend noch kompakter
A: Sie werden bei Verbindungen über Amateurfunksatelliten benutzt, um den Dopplereffekt durch kürzere Durchgänge zu vermeiden.
B: Der Betriebsablauf wird vereinfacht und der zu übertragende Informationsgehalt pro Zeiteinheit optimiert.
C: Der Informationsgehalt einer Aussendung wird verschleiert und ist damit für Unbeteiligte nicht verständlich.
D: Sie werden als Kennung beim Amateurfunkpeilen genutzt, um die Sender zu kennzeichnen.
A: Repeat (wiederhole)
B: Readability (Lesbarkeit)
C: Received (empfangen)
D: Rapport (Bericht)
A: Aufforderung zum Senden
B: Beendigung des Funkverkehrs
C: Unterbrechung der Sendung
D: Bitte warten
A: Bitte warten; wird auch zur schnellen Anforderung eines Rapports genutzt
B: Signal zur Unterbrechung einer laufenden Sendung; wird auch zur formlosen Übergabe genutzt
C: Alles richtig verstanden; wird auch zur schnellen Beendigung eines Funkkontakts genutzt
D: Beendigung des Funkverkehrs; wird auch zur formlosen Begrüßung genutzt
A: CQ CQ CQ DE DL2AB DL2AB DL2AB pse k
B: QRZ QRZ QRZ DE DL2AB DL2AB DL2AB pse k
C: CQ CQ CQ FRM DL2AB DL2AB DL2AB pse k
D: CQ QRZ CQ QRZ CQ QRZ DE DL2AB DL2AB DL2AB pse k
Digimode per SSB
Bandbreite von Digimodes
- Im Gegensatz zur Sprache benötigen viele Digimodes weniger Bandbreite
- Z. B. BPSK31 mit $\qty{31,25}{\hertz}$ oder FT8 mit $\qty{50}{\hertz}$
- Die erzeugten Töne werden in SSB moduliert
- Die Bandbreite des ausgestrahlten Signals bleibt dabei gleich
A: 25 Hz
B: $\sqrt{2} \cdot$ 50 Hz
C: 100 Hz
D: 50 Hz
A: Amplitudenmodulation (AM)
B: Phasenmodulation (PM)
C: Einseitenbandmodulation (SSB)
D: Frequenzmodulation (FM)
Empfang von Digimodes
- Beim Empfang von SSB können in der üblichen Bandbreite von $\qty{2,4}{\kilo\hertz}$ mehrere schmalbandige Digimodes empfangen werden
- FT8: $\frac{\qty{2400}{\hertz}}{\qty{50}{\hertz}}$ = max. $\num{48}$ Signale
- BPSK31: $\frac{\qty{2400}{\hertz}}{\qty{31,25}{\hertz}}$ = max. $\num{76}$ Signale
- Am Computer wird dann das gewünschte Digimode-Signal selektiert
A: Es kann maximal ein Signal empfangen werden, außer das Funkgerät verfügt über doppelte Kanalbandbreite.
B: Es kann maximal ein Signal empfangen werden, da ein Seitenband genutzt wird.
C: Es können maximal zwei Signale empfangen werden (eines pro Seitenband).
D: Es können je nach Art der Signale ein oder mehrere Signale empfangen werden.
SSTV
- Slow-Scan Television ist die Übertragung von Standbildern mittels Digimodes
- Zeilenweise Übertragung von Bildern
- Verschiedene Verfahren mit verschiedenen Auflösungen und Übertragungsgeschwindigkeiten
- Bandbreite unter $\qty{3}{\kilo\hertz}$ und in Kurzwellenbändern nutzbar
ATV
- Amateur Television ist die Übertragung von Bewegtbildern
- Benötigt mehrere MHz Bandbreite ($\qty{6}{\mega\hertz}$ und mehr)
- Deshalb nur ab $\qty{70}{\centi\meter}$-Band aufwärts nutzbar
A: SSTV überträgt Standbilder, ATV bewegte Bilder.
B: SSTV ist schwarzweiß, ATV in Farbe.
C: SSTV wird nur auf Kurzwelle, ATV auf UKW verwendet.
D: SSTV belegt eine größere Bandbreite als ATV.
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 ($\unit{\baud}$), die damit übertragen werden kann
- Daran wird direkt das TNC (Terminal Node Controller) vom Computer angeschlossen
- Heute oft direkt als USB-Anschluss ausgeführt
- Sowohl Senden als auch Empfang findet ohne NF-Filter und NF-Endstufe statt
- Es wird direkt der FM-Modulator oder FM-Demodulator angesprochen
- Signale werden nicht verzerrt
- Wurde früher für Packet Radio verwendet
- Heute für moderne und freie Modi wie M17
A: Punkt 1
B: Punkt 2
C: Punkt 4
D: Punkt 3
A: Punkt 2
B: Punkt 3
C: Punkt 4
D: Punkt 1
Übersteuerung
- Zu starkes Audiosignal am Eingang eines Senders $\rightarrow$ Oberschwingungen
- Links ist in Gelb das erwünschte Signal
- Rechts davon die unerwünschten Oberschwingungen
- 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) $\rightarrow$ 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 $\rightarrow$ 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
- $\rightarrow$ greift die ALC nicht ein, erzeugt sie keine Probleme
A: So niedrig, dass die automatische Pegelregelung (ALC) nicht eingreift.
B: Alle Bedienelemente sind auf das Maximum einzustellen.
C: 18 dB höher als die Lautstärke, bei der die automatische Pegelregelung (ALC) eingreift.
D: Die NF-Lautstärke muss $-\infty$ dB (also Null) betragen.
A: Störungen von Computern oder anderen digitalen Geräten
B: Störungen von Stationen auf anderen Frequenzbändern
C: Störungen von nachfolgenden Sendungen auf derselben Frequenz
D: Störungen von Übertragungen auf Nachbarfrequenzen
A: Der NF-Pegel am Eingang des Funkgerätes sollte reduziert werden.
B: Das Oberwellenfilter sollte abgeschaltet werden.
C: Die Sendeleistung sollte erhöht werden.
D: Es sollte mit der RIT gegengesteuert werden.
Automatische Empfangsberichte
- Mittels Digimodes empfangene Rufzeichen können an Internet-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
A: Durch Aussendung Ihres Rufzeichens mittels Telegrafie (12 WPM) mit dem Zusatz "R" (für Report) und Abhören der 10 kHz tiefer gelegenen Frequenz
B: Durch Aussendung Ihres Rufzeichens mittels Telegrafie (5 WPM) mit dem Zusatz "AUTO RSVP" (vom französischen "répondez s'il vous pla\^it") und Abhören der 10 kHz höher gelegenen Frequenz
C: Durch Aussendung einer Nachricht mittels geeignetem digitalen Verfahren (z. B. CW oder WSPR) unter Angabe Ihrer E-Mail-Adresse und der Anzahl der maximal gewünschten Empfangsberichte
D: Durch Aussendung einer Nachricht mittels geeignetem digitalen Verfahren (z. B. CW oder WSPR) und Suche nach Ihrem Rufzeichen auf passenden Internetplattformen
Digital Voice (DV)
Auch Sprache kann digital übertragen werden
- z. B. mit den Übertragungsverfahren D-STAR, C4FM, DMR oder M17
- Geeignetes Funkgerät dafür notwendig
- Bei Handfunkgeräten üblicherweise DMR und D-STAR
| Abkürzung | Übertragungsverfahren |
|---|---|
| D-STAR | Digital Smart Technologies for Amateur Radio |
| C4FM | Continuous 4-level frequency modulation |
| DMR | Digital Mobile Radio |
| M17 | Open-Source Übertragungsverfahren |
A: DMR, D-STAR, C4FM, M17, FreeDV
B: AM-Sprechfunk, FM-Sprechfunk, SSB-Sprechfunk, Olivia, SSTV
C: SSB-Sprechfunk, FT8, DMR, PSK31, SSTV
D: FM-Sprechfunk, RTTY, D-STAR, JS8, Olivia
A: FM-Sprechfunk, DMR, D-STAR
B: AM-Sprechfunk, C4FM, FT8
C: CW-Morsetelegrafie, FT8, D-STAR
D: SSB-Sprechfunk, DMR, RTTY
Repeaternetzwerk für Digital Voice
- Vernetzte Relaisfunkstellen, z. B. über HAMNET oder Internet $\rightarrow$ weltweit erreichbar
- Zugriff auch von zu Hause über einen Hotspot möglich
- Auf Kurzwelle meist direkt, z. B. mit FreeDV
TDMA
Time Division Multiple Access – Zeitmultiplexverfahren
- Sprachsignale werden vor der Übertragung in einen Datenstrom umgewandelt
- Übertragung mehrerer Datenströme in schnell abwechselnder Folge
- Zwei oder mehr Sprachverbindungen nutzen quasi gleichzeitig dieselbe Frequenz
A: Nein. Sprachübertragungen können nicht in Datenpakete aufgeteilt werden.
B: Ja. Die Sprachdaten werden abwechselnd in periodischen, kurzen Zeitschlitzen übertragen.
C: Nein. Zeitgleich stattfindende digitale Übertragungen stören sich prinzipbedingt gegenseitig.
D: Ja. Die Sendeleistung wird zur Verbesserung der digitalen Fehlerkorrektur erhöht.
Einstellungen
Es sind für digitale Sprache oft mehr Einstellungen zu berücksichtigen als bei einer FM-Verbindung. Zum Beispiel:
- Sprechgruppe (Talkgroup)
- Raum oder Reflektor zum Zusammenschalten von Relaisfunkstellen
- TDMA-Zeitschlitz
- Color-Code
A: Alle Stationen müssen die gleiche Stationskennung, z. B. DMR-ID, einstellen.
B: Sie müssen die gleiche Firmwareversion wie das Repeaternetzwerk verwenden.
C: Sie müssen geeignete Parameter, z. B. Reflektor, Zeitschlitz oder Color-Code, wählen.
D: Alle Stationen müssen sich in Funkreichweite desselben Repeaters befinden.
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.
A: Durch Zusammenfassung von Übertragungen (Paketdefragmentierung)
B: Durch wiederholte Aussendung (Paketwiederholung)
C: Durch Weiterleitung über Zwischenstationen (Paketweiterleitung)
D: Durch Entpacken vor der Sendung (Paketdekompression)
A: Ja, die Kodierung des Amateurfunkrufzeichens erfolgt in der Subnetzmaske.
B: Ja, es ist nicht auf das Internet beschränkt.
C: Nein, Internetnutzern würde so Zugang zum Amateurfunkband ermöglicht.
D: Nein, die benötigte Bandbreite steht im Amateurfunk nicht zur Verfügung.
A: Das Standardgateway und die maximale Anzahl der Zwischenstationen (Hops)
B: Die Protokoll- und Portnummer des über die Schnittstelle verwendeten Protokolls
C: Der direkt (d. h. ohne Router) über die Schnittstelle erreichbare Adressbereich
D: Die Gegenstelle und die durch das Teilnetz verwendete Bandbreite
Datenübertragungsrate
- Die Bandbreite ist der genutzte Frequenzbereich in $\unit{\hertz}$
- Die Datenübertragungsrate ist die je Zeiteinheit übertragene Datenmenge in $\unit{\bit\per\second}$
- 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.
A: Baud (Bd)
B: Dezibel (dB)
C: Hertz (Hz)
D: Bit pro Sekunde (Bit/s)
A: Die Datenübertragungsrate (in Bit/s) entspricht der Symbolrate (in Baud). Die Bandbreite (in Hz) entspricht der maximal möglichen Datenübertragungsrate (in Bit/s).
B: Die Datenübertragungsrate (in Baud) entspricht der Symbolrate (in Bit/s). Die Bandbreite (in Hz) entspricht der minimal möglichen Datenübertragungsrate (in Baud).
C: Als Bandbreite wird die übertragene Datenmenge (in Hz) und als Datenübertragungsrate die je Zeiteinheit übertragenen Symbole (in Baud) bezeichnet.
D: Als Bandbreite wird der genutzte Frequenzbereich (in Hz) und als Datenübertragungsrate die je Zeiteinheit übertragene Datenmenge (in Bit/s) bezeichnet.
Symbole und Symbolrate
Symbol
- Ein Symbol ist ein unterscheidbarer Signalzustand.
- Symbole können sich z. B. durch Amplitude, Frequenz oder Phase unterscheiden.
- Mehr mögliche Symbole ermöglichen mehr Bits pro Symbol.
Symbolrate
- Die Symbolrate gibt die Anzahl der übertragenen Symbole pro Sekunde an, die Einheit der Symbolrate ist Baud
- Datenrate und Symbolrate sind daher nicht immer identisch.
- Werden nur zwei Symbole verwendet und somit jedes Bit einzeln gesendet, entspricht die Symbolrate in Baud der Datenrate in $\unit{\bit\per\second}$.
- Werden jedoch mehr Symbole verwendet und somit mehrere Bits gleichzeitig übertragen, ist die Datenrate höher als die Symbolrate.
Beispiele
- 2 Symbole → 1 Bit/Symbol
- 4 Symbole → 2 Bit/Symbol
- 8 Symbole → 3 Bit/Symbol
- Die Formel $R_\mathrm{D} = R_\mathrm{S} \cdot N$ stellt den Zusammenhang dar:
- $R_\mathrm{D}$ → Datenübertragungsrate in $\unit{\bit\per\second}$
- $R_\mathrm{S}$ → Symbolrate in $\unit{\baud}$
- $N$ → Symbolgröße in $\unit{\bit\per\text{Symbol}}$
A: Baud (Bd)
B: Hertz (Hz)
C: Bit pro Sekunde (Bit/s)
D: Dezibel (dB)
Beispiele:
RTTY: Umschaltung zwischen zwei Symbolfrequenzen, sodass pro Symbol ein Bit ($\num{0}$ oder $\num{1}$) übertragen werden kann. → Datenrate = Symbolrate
FT4: Umschaltung zwischen vier Symbolfrequenzen, so dass pro Symbol zwei Bit ($\num{00}$, $\num{01}$, $\num{10}$ oder $\num{11}$) übertragen werden können. → Datenrate = 2 $\cdot$ Symbolrate
A: 45,45 Bit/s
B: 90,9 Bit/s
C: 181,8 Bit/s
D: 22,725 Bit/s
Lösungsweg
- gegeben: $R_S = \qty{45,45}{\baud}$
- gegeben: $N=\qty{1}{\bit\per\text{Symbol}}$
- gesucht: $R_\mathrm{D}$
A: 93,6 Bit/s
B: 23,4 Bit/s
C: 46,8 Bit/s
D: 11,7 Bit/s
Lösungsweg
- gegeben: $R_S = \qty{23,4}{\baud}$
- gegeben: $N=\qty{2}{\bit\per\text{Symbol}}$
- gesucht: $R_\mathrm{D}$
I/Q-Darstellung und Konstellationsdiagramm
Warum I/Q?
- Symbole können sich durch Amplitude, Frequenz oder Phase unterscheiden.
- Für Amplitude und Phase braucht man eine übersichtliche Darstellung.
- Diese Darstellung heißt I/Q-Darstellung.
- Sie zeigt den Signalzustand eines Symbols als Punkt in einer Ebene.
Bei t = 0 ist die waagerechte Projektion der I-Anteil und die senkrechte Projektion der Q-Anteil.
Symbol als Zeiger
-
Länge des Zeigers: Amplitude $A$
-
Winkel des Zeigers: Phase $\varphi$
-
Der Zeiger kann in zwei Anteile zerlegt werden:
- Konstellationsdiagramm zeigt den Anfangszustand des Zeigers für jedes Symbol.
A: Die erste (I) bzw. die vierte (Q) Harmonische in Bezug auf ein normiertes Rechtecksignal
B: Den Wechselstrom (I) in Abhängigkeit der Güte (Q) eines Schwingkreises bei seiner Resonanzfrequenz
C: Die phasengleichen (I) bzw. die um 90 ° phasenverschobenen (Q) Anteile eines Signals in Bezug auf eine Referenzschwingung
D: Den Stromanteil (I) und den Blindleistungsanteil (Q) eines Signals
Konstellationsdiagramm
Konstellationsdiagramm
- Für die Darstellung der Symbole betrachten wir nicht die fortlaufende Drehung des Trägers.
- Stattdessen betrachten wir den Signalzustand, der zu einem Symbol gehört.
- Jeder mögliche Symbolzustand wird als Punkt in der I/Q-Ebene dargestellt.
- Abstand vom Ursprung: Amplitude
- Winkel zur I-Achse: Phasenlage
Warum brauchen wir das?
- Konstellationsdiagramme zeigen auf einen Blick die möglichen Symbole eines digitalen Übertragungsverfahrens.
- Man erkennt, ob sich Symbole durch Amplitude, Phase oder beides unterscheiden.
- In den nächsten Abschnitten verwenden wir diese Darstellung für Mapping, PSK und QAM.
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 Frequenzumtastung (Frequency Shift Keying, FSK) wechselt der Sender zwischen bestimmten Frequenzen.
Mapping
Mapping
- Bits müssen den möglichen Symbolen zugeordnet werden.
- Diese Zuordnung heißt Mapping.
- Der Baustein dafür heißt Mapper.
- Er wandelt Bitkombinationen in Symbole um.
Beispiel: ASK
- Bei ASK unterscheiden sich die Symbole durch ihre Amplitude.
- Binäre ASK verwendet zwei Amplituden.
- Beispiel:
- kleine Amplitude → $0$
- große Amplitude → $1$
ASK im Konstellationsdiagramm
- Beide Symbole liegen auf der I-Achse.
- Die Phase bleibt gleich.
- Der Abstand vom Ursprung beschreibt die Amplitude.
- Das Mapping ordnet jedem Punkt einen Bitwert zu.
4ASK
- ASK ist nicht auf zwei Amplituden beschränkt.
- Vier Amplituden ergeben vier Symbole.
- Vier Symbole können zwei Bits pro Symbol übertragen: $00$, $01$, $10$, $11$
4ASK im Konstellationsdiagramm
- Auch bei 4ASK liegen alle Punkte auf der I-Achse.
- Die Punkte unterscheiden sich nur im Abstand vom Ursprung.
- Jedem Punkt ist eine Bitkombination zugeordnet.
Phasenumtastung: PSK und QPSK
Phasenumtastung (PSK)
- Digitales Modulationsverfahren zur Datenübertragung
- Die Symbole werden durch unterschiedliche Phasenlagen eines Trägers dargestellt
- Amplitude und Frequenz des Trägers bleiben bei idealer PSK gleich
- Beim Wechsel des Symbols kann sich die Phasenlage ändern
PSK in der Zeitdarstellung
- Die Amplitude bleibt konstant
- Die Information steckt in der Phasenlage
- Beim Wechsel zwischen zwei Symbolen kann sich die Phase sprunghaft ändern
- Wird dasselbe Symbol erneut übertragen, bleibt auch die Phasenlage gleich
Binäre Phasenumtastung (BPSK)
- Zwei verschiedene Phasenlagen
- Zwei mögliche Symbole
- Damit kann $\num{1}$ Bit pro Symbol übertragen werden
- Beispiel: $\qty{0}{\degree}$ → $0$ und $\qty{180}{\degree}$ → $1$
- Die beiden Signalpunkte liegen sich im Konstellationsdiagramm gegenüber
Mehr Phasenlagen – mehr Symbole
- Mit mehr Phasenlagen können mehr unterschiedliche Symbole dargestellt werden
- Dadurch lassen sich mehrere Bits zu einem Symbol zusammenfassen
- BPSK: $\num{2}$ Symbole → $\num{1}$ Bit pro Symbol
- QPSK: $\num{4}$ Symbole → $\num{2}$ Bit pro Symbol
- 8-PSK: $\num{8}$ Symbole → $\num{3}$ Bit pro Symbol
A: Bei QPSK werden der I- und der Q-Anteil eines I/Q-Signals vertauscht, bei BPSK nicht.
B: Mit QPSK wird ein Bit pro Symbol übertragen, mit BPSK zwei Bit pro Symbol.
C: Bei BPSK werden der I- und der Q-Anteil eines I/Q-Signals vertauscht, bei QPSK nicht.
D: Mit BPSK wird ein Bit pro Symbol übertragen, mit QPSK zwei Bit pro Symbol.
Quadraturphasenumtastung (QPSK)
- QPSK verwendet vier verschiedene Phasenlagen
- Damit stehen vier verschiedene Symbole zur Verfügung
- Jeweils zwei Bits werden zu einem Symbol zusammengefasst: $00$, $01$, $10$, $11$
- Mit jedem QPSK-Symbol werden somit $\num{2}$ Bits übertragen
QPSK im Konstellationsdiagramm
In diesem Beispiel gilt:
- $11$ → $\qty{45}{\degree}$
- $01$ → $\qty{135}{\degree}$
- $00$ → $\qty{225}{\degree}$
- $10$ → $\qty{315}{\degree}$
- Alle Signalpunkte besitzen die gleiche Amplitude
- Die Phasenlagen sind jeweils um $\qty{90}{\degree}$ gegeneinander versetzt
- Die vier Punkte liegen auf einem Kreis
Gray-Code bei QPSK
- Benachbarte Symbole unterscheiden sich jeweils nur in einem Bit
- Eine solche Zuordnung nennt man Gray-Code
Beispiel:
$$11 \leftrightarrow 01 \leftrightarrow 00 \leftrightarrow 10$$Wird durch Rauschen versehentlich ein benachbartes Symbol erkannt, entsteht dadurch häufig nur ein einzelner Bitfehler.
QPSK bei Rauschen
- Rauschen verändert Amplitude und Phase des empfangenen Signals
- Empfangswerte streuen um die idealen QPSK-Symbole
- Der Empfänger entscheidet sich für das nächstgelegene Symbol
- Wird eine Entscheidungsgrenze überschritten, entsteht ein Symbolfehler
ASK und PSK im Konstellationsdiagramm
- Bei ASK unterscheiden sich die Symbole hauptsächlich durch ihre Amplitude
- unterschiedlicher Abstand vom Ursprung
- gleiche Phasenlage
- Bei PSK unterscheiden sich die Symbole durch ihre Phasenlage
- gleicher Abstand vom Ursprung
- unterschiedlicher Winkel
- Bei PSK liegen die Signalpunkte daher bei gleicher Amplitude auf einem Kreis.
Quadraturamplitudenmodulation (QAM)
Ausgangslage: ASK und PSK
- Bei ASK und PSK können mehr Symbole verwendet werden, um mehr Bits pro Symbol zu übertragen
- Bei sehr vielen Symbolen liegen die möglichen Signalzustände jedoch immer dichter beieinander
- Der Empfänger muss dadurch kleinere Unterschiede erkennen können
- Das Verfahren wird anfälliger für Störungen
Quadraturamplitudenmodulation (QAM)
- Trick: Es wird nicht nur ein Parameter verändert
- QAM kombiniert unterschiedliche
- Amplituden und
- Phasenlagen
- Ein Symbol entspricht einer bestimmten Kombination aus Amplitude und Phase
Bei gleicher Symbolrate können dadurch mehr Bits pro Sekunde übertragen werden.
Beispiel: 8-QAM
- $\num{8}$ verschiedene Symbole
- Jedes Symbol besitzt eine bestimmte Amplitude und Phasenlage
- $\num{8}$ Symbole → $\num{3}$ Bits pro Symbol
Beispiel: 16-QAM
- $\num{16}$ verschiedene Signalpunkte
- Jeder Punkt entspricht einem Wertepaar $(I,Q)$
- Daraus ergeben sich unterschiedliche Amplituden und Phasenlagen
- $\num{16}$ Symbole → $\num{4}$ Bits pro Symbol
A: nichtlineare Änderung der Amplitude
B: richtungsabhängige Änderung der Frequenz
C: Änderung der Amplitude und der Phase
D: separate Änderung des elektrischen und magnetischen Feldwellenanteils
Wie wird ein QAM-Signal erzeugt?
Nachdem wir das Konstellationsdiagramm kennengelernt haben, stellt sich die Frage:
Wie erzeugt ein Sender einen gewünschten Signalpunkt?
Dazu kann ein I/Q-Modulator verwendet werden.
I/Q-Modulator
- Zwei Träger mit gleicher Frequenz
- Phasenverschiebung von $\qty{90}{\degree}$
- Ein Träger wird mit dem I-Signal gewichtet
- Der andere Träger wird mit dem Q-Signal gewichtet
- Anschließend werden beide Signale addiert
I und Q bestimmen Amplitude und Phase
- Jeder Signalpunkt im Konstellationsdiagramm entspricht einem Wertepaar $(I,Q)$
- Durch Änderung von I und Q ändern sich
- die Amplitude und
- die Phasenlage des resultierenden Signals
Damit kann der I/Q-Modulator jeden gewünschten Punkt des Mappings erzeugen.
I/Q-Modulation ausprobieren
A: 180 °
B: 0 °
C: 45 °
D: 90 °
A: Änderung der Amplituden und Addition zweier um 90 ° phasenverschobener Träger
B: richtungsabhängige Änderung der Frequenz (bzw. richtungsinvariante Änderung der Amplitude)
C: separate Änderung der Amplitude des elektrischen und magnetischen Feldwellenanteils
D: nichtlineare Änderung der Amplitude (Quadratfunktion bzw. Quadratwurzel)
I und Q aus Software
- Ein Mikrocontroller, Signalprozessor oder SDR berechnet die Werte für I und Q
- Für jedes Symbol wird das entsprechende Wertepaar $(I,Q)$ bestimmt
Beispiel 16-QAM:
- $\num{4}$ mögliche I-Werte
- $\num{4}$ mögliche Q-Werte
- $\num{4}\cdot\num{4}=\num{16}$ mögliche Signalpunkte
Vom Zahlenwert zum I/Q-Signal
- I und Q liegen zunächst als digitale Zahlenwerte vor
- DA-Wandler erzeugen daraus analoge I- und Q-Signale
- Diese Signale steuern den I/Q-Modulator
Das gewünschte Mapping kann damit zu einem großen Teil in Software festgelegt werden.
Software Defined Radio
- Bei einem Software Defined Radio (SDR) wird ein großer Teil der Signalverarbeitung in Software ausgeführt
- Die Software berechnet die benötigten I- und Q-Signale
- Die Hochfrequenzhardware kann für viele unterschiedliche Modulationsverfahren gleich bleiben
Das Modulationsverfahren wird damit zu einem großen Teil durch Software bestimmt.
Nicht nur digitale Modulation
Ein I/Q-Modulator kann auch kontinuierlich veränderliche I- und Q-Signale verarbeiten.
Damit lassen sich beispielsweise erzeugen:
- AM
- FM
- PM
- SSB
- PSK
- QAM
Nicht nur digitale Modulation
- Derselbe I/Q-Modulator kann viele unterschiedliche Modulationsverfahren erzeugen
- Lediglich die Verläufe von I und Q müssen anders berechnet werden
- Die HF-Hardware kann weitgehend unverändert bleiben
Der I/Q-Modulator ist damit gewissermaßen das
„Schweizer Taschenmesser der Modulatoren“.
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 ($\unit{\baud}$) 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.
- Je häufiger zwischen verschiedenen Symbolen umgeschaltet wird, um so größer ist die Bandbreite.
A: sinkt.
B: steigt.
C: steigt im oberen und sinkt im unteren Seitenband.
D: bleibt gleich.
- 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.
A: wahrscheinlich Tastklicks erzeugt werden.
B: die ausgesendeten Signale schwierig zu lesen sind.
C: die Stromversorgung überlastet wird.
D: während der Aussetzer Probleme im Leistungsverstärker entstehen könnten.
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 $\qty{20}{\kilo\hertz}$ durchgeführt. Oftmals wird der Bereich von ca. $\qtyrange{300}{2700}{\hertz}$ genutzt.
- Für eine Aussendung per Funk muss eine weitere Modulation stattfinden, beispielsweise per FM, AM oder SSB.
A: Ein hochfrequentes PSK-Signal, das mittels automatischer Umtastung auf zwei NF-Träger übertragen wird, um Bandbreite zu sparen
B: Eine Kombination aus digitaler Amplituden- und Frequenzmodulation, um zwei Informationen gleichzeitig zu übertragen
C: Ein unmodulierter Hochfrequenzträger, bei dem die Frequenzabweichung im hörbaren Bereich liegt
D: Ein durch Frequenzumtastung erzeugtes NF-Signal, mit dem ein Hochfrequenzträger (z. B. mittels FM) moduliert werden kann
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 $\qty{0}{\dB}$ ein.
- Hier entspricht die Bandbreite in Hertz genau der maximal erreichbaren Datenrate in $\unit{\bit\per\second}$.
A: bestimmt die maximale Bandbreite, die durch eine Übertragung mit einer bestimmten Datenübertragungsrate theoretisch belegt werden kann.
B: besagt, dass unabhängig von der Art der vorherrschenden Störungen eines Übertragungskanals theoretisch eine unbegrenzte Datenübertragungsrate erzielt werden kann.
C: bestimmt für einen Übertragungskanal gegebener Bandbreite die höchste theoretisch erzielbare Datenübertragungsrate in Abhängigkeit vom Signal-Rausch-Verhältnis.
D: besagt, dass theoretisch eine unendliche Abtastrate erforderlich ist, um ein bandbegrenztes Signal fehlerfrei zu rekonstruieren.
- 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.
A: ca. 39 Bit/s
B: 0 Bit/s (Übertragung nicht möglich)
C: ca. 2,7 kBit/s
D: ca. 2,7 Bit/s
Lösungsweg
Durch ein SNR von $\qty{0}{\dB}$ entspricht die Bandbreite in $\unit{\hertz}$ genau der maximal erreichbaren Datenrate in $\unit{\bit\per\second}$, also $\qty{2,7}{\kilo\bit\per\second}$.
A: ca. 8 MBit/s
B: ca. 10 MBit/s
C: ca. 100 MBit/s
D: ca. 7 MBit/s
Lösungsweg
Durch ein SNR von $\qty{0}{\dB}$ entspricht die Bandbreite in $\unit{\hertz}$ genau der maximal erreichbaren Datenrate in $\unit{\bit\per\second}$, also $\qty{10}{\mega\bit\per\second}$.
A: 0 Bit/s (Übertragung nicht möglich)
B: ca. 2,7 kBit/s
C: ca. 5,4 kBit/s
D: ca. 39 Bit/s
Lösungsweg
Durch ein SNR von $\qty{-20}{\dB}$ muss die maximal erreichbare Datenrate kleiner als $\qty{2,7}{\kilo\bit\per\second}$ sein. Es kann nur $\qty{39}{\bit\per\second}$ richtig sein.
A: ca. 10 MBit/s
B: ca. 7 MBit/s
C: ca. 8 MBit/s
D: ca. 100 MBit/s
Lösungsweg
Durch ein SNR von $\qty{30}{\dB}$ muss die maximal erreichbare Datenrate größer $\qty{10}{\mega\bit\per\second}$ sein. Es kann nur $\qty{100}{\mega\bit\per\second}$ richtig sein.
Quellencodierung
- Möglichst effiziente Nutzung des Frequenzspektrums.
- $\rightarrow$ Kompression der Nutzdaten, die sogenannte Quellencodierung.
- Entfernung von Redundanzen (z. B. Wiederholungen) oder Irrelevanzen (weniger wichtige Informationsteile) aus dem Datenstrom.
A: Synchronisation
B: Mehrfachzugriff
C: Quellencodierung
D: Kanalcodierung
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.
A: Kompression von Daten vor der Übertragung zur Reduktion der Datenmenge
B: Hinzufügen von Redundanz vor der Übertragung zum Schutz vor Übertragungsfehlern
C: Verschlüsselung des Kanals zum Schutz gegen unbefugtes Abhören
D: Zuordnung von Frequenzen zu Sende- bzw. Empfangskanälen zur häufigen Verwendung
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
Fehlererkennung: Parity Bit
- Zusätzliches Prüfbit (Parity Bit) wird an Daten angehängt
- Zwei Varianten:
- Even Parity: Anzahl der Einsen wird auf gerade Anzahl festgelegt
- Odd Parity: Anzahl der Einsen wird auf ungerade Anzahl festgelegt
- Sender und Empfänger müssen sich über das verwendete Verfahren einigen
Even Parity: Beispiel 1
- Zu übertragendes Byte
- Es werden 5 Einsen gezählt → ungerade Anzahl
- Prüfbit muss auf $\num{1}$ gesetzt werden, um eine gerade Anzahl zu erreichen
- Das Prüfbit wurde auf $\num{1}$ gesetzt
- Das resultierende Byte hat eine gerade Anzahl an Einsen
- Bei einer Fehlerübertragung stimmt das Prüfbit nicht mehr
Even Parity: Beispiel 2
- Ursprüngliches Byte: 4 Einsen (gerade)
- Prüfbit wird auf $\num{0}$ gesetzt
Fehlererkennung bei Bitfehlern
- Bei einem Ein-Bit-Fehler wird die Parität umgekehrt → Fehler erkannt
- Bei zwei Fehlern bleibt die Parität gleich → Fehler unentdeckt
- Bei drei Fehlern ändert sich die Parität wieder → Fehler erkannt
A: Mindestens zwei Bits
B: Eine gerade Anzahl Bits
C: Eine ungerade Anzahl Bits
D: Maximal zwei Bits
A: Die Übertragung war fehlerfrei oder es ist eine ungerade Anzahl an Bitfehlern aufgetreten.
B: Die Übertragung war fehlerfrei.
C: Die Übertragung war fehlerfrei oder es ist eine gerade Anzahl an Bitfehlern aufgetreten.
D: Die Nutzdaten wurden fehlerfrei, das Prüfbit jedoch fehlerhaft übertragen.
Erweiterte Fehlererkennung
- Zusätzliche Prüfbits können Mehrbitfehler erkennen
- Bei variablen Nachrichten werden oft Prüfsummenverfahren wie die zyklische Redundanzprüfung (CRC) eingesetzt
- CRC erkennt Fehler bis auf eine gewisse Restwahrscheinlichkeit
A: Wiederholte (zyklisch redundante) Prüfung der Amateurfunkanlage auf Fehler.
B: Die fortlaufende Prüfung eines zu übertragenden Datenstroms auf Redundanz.
C: Umlaufende (zyklische) Überwachung einer Frequenz durch mehrere Stationen.
D: Ein Prüfsummenverfahren zur Fehlererkennung in Datenblöcken variabler Länge.
Fehlerkorrektur
Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC)
- Erkennt der Empfänger einen Fehler (z. B. mittels Prüfbits), kann er um eine erneute Übertragung bitten
- Bei der Vorwärtsfehlerkorrektur wird zusätzliche Redundanz (z. B. weitere Prüfbits) hinzugefügt
- So wird nicht nur erkannt, dass ein Fehler vorliegt, sondern auch an welcher Stelle $\rightarrow$ das fehlerhafte Bit kann berichtigt werden
- Im Englischen spricht man von Forward Error Correction (FEC)
A: Erneute Übertragung
B: I/Q-Verfahren
C: Duplizieren der Prüfsumme
D: Wiederholte Prüfung
A: Automatische Anpassung der Sendeleistung
B: Erneute Übertragung fehlerhafter Daten
C: Kompression vor der Übertragung
D: Übertragung redundanter Informationen
Hamming-Code – Fehlerkorrektur im Detail
- Der Hamming-Code nutzt mehrere Parity Bits, um nicht nur Fehler zu erkennen, sondern auch zu korrigieren
- Ziel: Ein einzelner Bitfehler soll lokalisiert und berichtigt werden
- Beispiel: Übertragung eines 11-Bit-Datenworts
- Ziel: Fehlererkennung und -korrektur bei einem Bitfehler
- Die Positionen der Bits werden alphabetisch benannt, um die einzelnen Bereiche zu identifizieren
- Anordnung der Datenbits mit zusätzlichen Bit-Positionen für Parity Bits
- Anstelle eines einzelnen Prüfbit werden vier Parity Bits ($p_1$–$p_4$) eingesetzt
- Diese decken unterschiedliche Bereiche der Datenbits ab – ähnlich einem Kreuzworträtsel
- Jedes Parity Bit sichert einen bestimmten Bereich der Daten ab
- Für jeden Bereich wird das Parity Bit mittels Even Parity berechnet
- Tritt ein Fehler auf, können die fehlerhaften Bereiche identifiziert und korrigiert werden
- Durch die Kombination der Parity-Bereiche lässt sich der fehlerhafte Bit-Standort bestimmen
- Beispiel: Wird ein bestimmtes Bit (z. B. Bit $k$) während der Übertragung verändert, schlagen alle zugehörigen Paritätsprüfungen fehl – der Fehler liegt also bei Bit $k$
Sende- und Empfangsketten
Kombination von Quellencodierung und Kanalcodierung
- Effektive Bandbreitennutzung durch intelligente Kombination
- Gleichzeitige Fehlererkennung und -korrektur durch Redundanz
Sender-Prozess
- Quellencodierer: Daten komprimieren
- Kanalcodierer: Redundanz zur Fehlererkennung und -korrektur hinzufügen
- Mapper: Binäre Daten auf Symbole (z. B. Amplitude & Phase bei QAM) abbilden
Empfänger-Prozess
- De-Mapper: Symbole auf binäre Daten abbilden
- Kanaldecodierer: Fehler erkennen und korrigieren
- Quellendecodierer: Daten dekomprimieren
Vielfachzugriff
TDMA
- Time Division Multiple Access – Zeitmultiplexverfahren
- Die digitalen Nutzdaten werden getrennt und nacheinander über die dieselbe Frequenz gesandt
- Am Empfänger wird der Datenstrom wieder zusammengesetzt
A: Zeitgleich auf unterschiedlichen Frequenzen
B: Im schnellen zeitlichen Wechsel auf derselben Frequenz
C: Zeitgleich mit Spreizcodierung im selben Frequenzbereich
D: Zeitgleich auf unterschiedlichen Wegen
CDMA
- Code Division Multiple Access – Codemultiplexverfahren
- Die digitalen Nutzdaten werden mit einem digitalen Code codiert (gemischt)
- Am Empfänger wird derselbe digitale Code zum decodieren verwendet
A: Zeitgleich mit Spreizcodierung im selben Frequenzbereich
B: Im schnellen zeitlichen Wechsel auf derselben Frequenz
C: Zeitgleich auf unterschiedlichen Wegen
D: Zeitgleich auf unterschiedlichen Frequenzen
FDMA
- Frequency Division Multiple Access – Frequenzmultiplexverfahren
- Das digitale Signal wird auf mehrere Frequenzen aufgeteilt
- Dadurch kann mehr Bandbreite verwendet werden
A: Zeitgleich auf unterschiedlichen Wegen
B: Im schnellen zeitlichen Wechsel auf derselben Frequenz
C: Zeitgleich auf unterschiedlichen Frequenzen
D: Zeitgleich mit Spreizcodierung im selben Frequenzbereich
Orthogonales Frequenzmultiplexverfahren (OFDM)
- Es ist auch möglich, einen Datenstrom auf mehrere Träger zu verteilen, die auf unterschiedlichen, jedoch nahegelegenen Frequenzen liegen.
- Bei OFDM werden die einzelnen Träger in einem Abstand platziert, wo ein „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, ist es so möglich, trotz schmalbandiger Störungen eine fehlerfreie Übertragung zu erreichen.
A: breitbandige Störungen, da das Gesamtsignal aus mehreren Einzelträgern besteht.
B: schmalbandige Störungen, da das Gesamtsignal aus mehreren Einzelträgern besteht.
C: schmalbandige Störungen, da es einen Träger mit hoher Bandbreite verwendet.
D: breitbandige Störungen, da es einen Träger mit hoher Bandbreite verwendet.
- 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.
A: Impulse durch Gewitter
B: Mehrwegeausbreitung
C: Breitbandiges Rauschen
D: Überreichweiten anderer OFDM-Sender
Synchronisation
Synchronisierung in der digitalen Übertragung
- Dient dazu, dass der Empfänger den Beginn der Sendung erkennt
- Sender und Empfänger stimmen sich zeitlich ab
- Grundlage für das korrekte Dekodieren des Signals
A: Herstellung der zeitlichen Übereinstimmung zwischen Sender und Empfänger.
B: Asynchrone Frequenzwechsel, bei denen der Empfänger den Sender sucht.
C: Anpassung der Sendeleistung synchron zu den Ausbreitungsbedingungen.
D: Automatischer Abgleich von Datenbeständen von zwei oder mehr Stationen.
Polarmodulation
Polarmodulation: Grundidee
- $I(t)$ und $Q(t)$ werden in Amplitude $A(t)$ und Phase $\varphi(t)$ umgerechnet.
- Die Phase moduliert einen HF-Träger mit konstanter Hüllkurve.
- Die Amplitude wird getrennt über die Versorgung der Endstufe aufgeprägt.
Warum ist das nützlich?
- Das HF-Signal im Phasenpfad hat konstante Amplitude.
- Dadurch ist keine lineare Endstufe nötig.
- Es können effiziente Schaltendstufen verwendet werden, z. B. Klasse E mit $\eta \approx \qtyrange{80}{90}{\percent}$.
Vorteil im Funkgerät
- Weniger Verlustleistung bedeutet weniger Wärme und weniger Stromverbrauch.
- Kühlung und Kühlkörper können kleiner ausfallen das spart Gewicht.
- Besonders attraktiv für QRP-Geräte, aber zunehmend auch für kommerzielle Transceiver.