Drahtlose Übertragungssysteme

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Teil 14 von 71 aus der Serie "Professionelle Datenkommunikation"
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Die meisten Personen, die ein WLAN aufbauen, wissen gar nicht genau, was sie da tun. Solange es denn so funktioniert, wie es soll, ist das ja auch weiter nicht schlimm. Die Funkübertragung an sich ist aber wesentlich komplexer als die Übertragung auf physischen Leitern. Für die Zwecke dieser Einführung können wir nur einen minimalen Einblick in die Thematik geben.

Vielfach werden Wireless LANs einfach aus dem Karton genommen und aufgebaut. Das ist sicherlich in einigen Anwendungsfällen sinnvoll, in der letzten Zeit ist jedoch auch vielfach der Wunsch nach einer mehr systematischen drahtlosen Vernetzung aufgekommen. Außerdem gibt es ja neben den drahtlosen LANs nach IEEE 802.11 auch eine große Anzahl anderer drahtloser Netzwerke und Übertragungssysteme. Ein professioneller Einsatz derartiger Systeme setzt Kenntnisse über die elementaren Grundlagen drahtloser Nachrichtenübertragung voraus, weil sonst viele Dinge unverstanden blieben und Probleme an stellen auftauchen, wo sie vermeidbar wären.

Die drahtlose Übertragungstechnik ist komplexer als die Nachrichtenübertragung über metallische Leiter. Die Grundlage für die drahtlose Übertragung bilden entsprechende Modulationsverfahren, die den eigentlichen Informationsgehalt, den es zu übertragen gilt, auf die so genannte Trägerwelle, die von einem Oszillator erzeugt wird und letztlich die Grundfrequenz darstellt, mit der gesendet wird, aufprägen. Die Ausbreitung von Funkwellen ist sehr unterschiedlich und abhängig von der Wellenlänge.

In WLANs verwendet man Frequenzen um 2,4 GHz und 5 GHz mit entsprechend breiteren Nutzbändern für die drahtlose Datenübertragung. Generell gilt für alle Funksysteme, dass sich ihre Reichweite aus der Senderleistung, den verschiedenen Dämpfungseffekten und der Empfängerempfindlichkeit bestimmt. Im konkreten Fall ist es dann noch wichtig, wie die Sendeleistung an die Umwelt abgegeben wird, was wiederum von den verschiedenen möglichen Bauformen für Antennen abhängt. Viele WLANs arbeiten z.B. mit stabförmigen Antennen, von denen das Sendesignal im Wesentlichen kugelförmig abgeht. Andere Antennenbauformen bündeln die Energie der Sendung in eine bestimmte Richtung und können so bei gleicher Sendeleistung viel größere Entfernungen zurücklegen. Man muss nur wissen, wo der Empfänger ungefähr steht. Ausgeprägt wird das System der Leistungsbündelung in eine Richtung bei Richtantennen genutzt, die z.B. für die drahtlose Verbindung zwischen zwei Gebäuden benutzt werden.

Zusätzliche Komponenten bei Funknetzen sind also Modulatoren und Demodulatoren als Basis für die Transceiver (Sende/Empfänger). Im Folgenden werden wir die Repräsentation unserer Nachricht als primäre Zeichenschwingung und das zu modulierende Signal als Trägerschwingung bezeichnen.

Für die Bewertung einer möglichen Übertragungsleistung ausgedrückt in Bit/s. sollte man wissen, welche Bandbreite ein bestimmtes Modulationsverfahren unter bestimmten Randbedingungen überhaupt erzielen kann.

Der zu übertragende analoge Kanal (auch ein Digitalsignal stellt in diesem Zusammenhang einen analogen Kanal dar) wird mittels des Übertragungsmediums Luft realisiert. Daher muss eine der Übertragung angemessene Radiofrequenz gewählt werden, die bestimmte Ausbreitungseigenschaften hat. Da die Welt voller Radiofrequenzen ist und es mit gutem Grund nationale und internationale Beschränkungen und Regelungen gibt, kann man die Frequenz nicht frei wählen. Aber die Wahl einer Frequenz alleine reicht nicht aus, denn die Regelungen sagen auch aus, wieweit man sich bei einer gegebenen Grundfrequenz nach „links“ und „rechts“ entfernen darf, d.h. es werden von den nationalen und internationalen Regulierungs-Organisationen keine Frequenzen, sondern Frequenzbänder festgelegt. Die bereits angesprochene Bandbegrenzung des analogen Kanals liegt also nicht wie z.B. bei einem Kabel, einzig und allein in der physikalischen Begrenzung der Bandbreite, die z.B. bei einem Kabel durch die Tiefpasseigenschaft gegeben ist, sondern in entsprechenden Regulierungen. Außerdem wird für drahtlose Dienste meist auch noch festgelegt, welche Leistung ein Sender überhaupt haben darf. Beides hat erheblichen Einfluss auf die Darstellungsmöglichkeiten und die überhaupt mit einem Trägersignal erzielbare Nutzdatenrate.

Bei der Besprechung der unterschiedlichen Modulationsarten werden wir sehen, inwieweit ein Modulationsverfahren das ihm zur Verfügung stehende Frequenzband überhaupt ausnutzen kann.

Die Leistung eines Senders ist ebenfalls ein kritischer Punkt. Bei begrenzter Leistung und durch die Kosten für den Empfänger begrenzten Empfindlichkeit eines Empfängers ergeben sich ebenfalls schwerwiegende Implikationen für die mögliche Datenrate.

Um das Nutzsignal auf die Trägerfrequenz zu bringen, benötigt man einen Sender, der aus einem Oszillator besteht, der die Trägerfrequenz erzeugt, einem Modulator, der die Trägerfrequenz im Sinne der primären Zeichenschwingung beeinflusst, einer Senderendstufe, die das Signal nochmals aufbereitet und einer Antenne, die das Signal in das Übertragungsmedium Luft abstrahlt.

Der Empfänger besteht aus einer Antenne für den Empfang des Radiosignals, einer Eingangsstufe, die das gewünschte Signal aus allen anderen Signalen, die so in der Luft herumirren, isoliert, einem Demodulator, der die im Mischsignal aus Trägerschwingung und primärer Zeichenschwingung enthaltene Information aussondert und einem Verstärker/Integrator, der das Nutzsignal wieder in eine Form bringt, die digital weiterverarbeitet werden kann.

In den meisten Geräten der drahtlosen digitalen Nachrichtenübertragung sind gleichermaßen Sender und Empfänger notwendig. Die Empfängertechnik kann man in einem solchen Fall optimieren, wenn man bestimmte Teile des Senders mitbenutzen kann. Eine solche Kombination aus Sender und Empfänger wird auch als Transceiver bezeichnet.

Die Leistung eines Kanals (letztlich die Anzahl der Zeichen, die auf ihn übertragen und anschließend auch wiedererkannt werden können) wird als Bandbreite bezeichnet, zur genaueren Definition siehe weiter unten. Auf den analogen Kanal wirken Störungen ein, z. B. thermisches Rauschen, Nebensprechen, Impulsstörungen und ähnliche Wechselwirkungen mit der Umwelt. Das nun gestörte Signal wird demoduliert und wieder in eine Folge von Binärzeichen umgewandelt. Im Kanaldecoder wird die fehlerbehaftete 0/1-Folge in ein möglichst fehlerfreies binäres Datensignal decodiert.

Bei drahtlosen Übertragungssystemen können noch eine Reihe weiterer Funktionen hinzukommen, die die Übertragung sichern helfen, z.B. solche für die Regelung des wechselseitigen Ausschlusses bei der Übertragung von mehreren Geräten auf einem einzigen Kanal oder einer Gruppe von Kanälen.

Modulationsverfahren

Das Modulationsverfahren dient dazu, der Trägerschwingung die gewünschte Information „mit auf den Weg“ zu geben. Modulationsverfahren unterscheiden sich in vielfältiger Hinsicht und sind im Laufe der Entwicklung der drahtlosen Nachrichtenübertragung immer komplexer geworden. Wir können hier auch nur die wichtigsten Grundzüge der einzelnen Verfahren und der Techniken für Modulation und Demodulation vorstellen. Dabei geht es auch wieder vor allem um eine Vertiefung des allgemeinen Grundverständnisses.

Modulationsverfahren können leicht über den in der meist sinusförmigen Trägerschwingung modifizierten Parameter klassifiziert werden.

Veränderung der Amplitude durch die primäre Zeichenschwingung Amplitudenmodulation/AM

  • direkt proportionale Auslenkung: lineare Modulation
  • Auslenkung proportional um einen Ruhewert: gewöhnliche Amplitudenmodulation

Veränderung der Winkelkomponente durch die primäre Zeichenschwingung: Winkelmodulation

  • Auslenkung des Differentialquotienten dp/dt, p Winkel der Schwingung, t Zeit, um einen Ruhewert herum proportional zur prim. Zeichenschwingung: Frequenzmodulation/FM
  • Auslenkung des Nullphasenwinkels entsprechend der primären Zeichenschwingung: Phasenmodulation/PM

Bei der Übertragung digitaler Signale kommen oft nur zwei alternierende Signalzüge vor, also z. B. nur zwei verschiedene Amplituden bei AM, zwei Frequenzen bei FM. In der angelsächsischen Literatur werden die betreffenden Modulationen für den binären Bereich deshalb auch oft als

ASK/Amplitude Shift Keying,
FSK/Frequency Shift Keying und
PSK/Phase Shift Keying

bezeichnet.

Weitere Modulationsformen bestehen aus Kombinationen der genannten.

Amplitudenmodulation AM

Wir wollen am Beispiel der Amplitudenmodulation zeigen, dass man nicht einfach sagen kann, dass sich die Bandbreite eines modulierten Trägers in simpler Weise aus der Bandbreite der primären Zeichenschwingung im unmodulierten Fall ergibt, was ja ein enorm weit verbreitetes Missverständnis ist.

Bei der Amplitudenmodulation verändern wir die Amplitude durch die primäre Zeichenschwingung. Machen wir das direkt proportional zur primären Zeichenschwingung, so nennt man das lineare Modulation. Lenken wir die Amplitude um einen Ruhewert herum proportional zur primären Zeichenschwingung aus, ist das die gewöhnliche Amplitudenmodulation. Rechnet man das aus, kommt man darauf, dass die lineare Modulation eines Sinusträgers mit einer sinusförmigen Zeichenschwingung ZWEI sinusförmige Schwingungen erzeugt. Wir erhalten bei linearer Modulation zwei Bänder, das untere Seitenband und das obere Seitenband. Es fällt sofort auf, dass durch diese Modulationsform die benötigte Kanalbandbreite für die Übertragung einer Information verdoppelt wird. Das ist ein schwerwiegender Nachteil der linearen Modulation.

Winkelmodulation FM und PM

Die wichtigsten Methoden zur Winkelmodulation sind Frequenzmodulation und Phasenmodulation.

Bei der Frequenzmodulation soll die Momentanfrequenz einer Sinusschwingung proportional dem Momentanwert s(t) der niederfrequenten Zeichenschwingung von der Mittenfrequenz abgelenkt werden. Die Spektren von FM und PM sind schwierig herzuleiten und komplexer als bei AM. Die Spektraldichte (Anzahl der verschiedenen Linien des Linienspektrums) ist höher als bei AM und proportional zum Modulationsgrad. Es existiert wiederum ein Spektrum doppelter Breite. Anschneiden eines Seitenbandes führt allerdings zu untragbaren Verzerrungen, weil die Informationsgehalte der primären Zeichenschwingung auf beide Seitenbänder verteilt sind.

Die technischen Modulatoren sind keine direkten Mischer wie bei AM. Vielmehr wird bei FM ein Oszillator, der in der Trägerfrequenz schwingt, durch Einfluss der primären Zeichenschwingung in seiner Schwingfrequenz verändert. Die kann man z.B. dadurch erreichen, dass man anstelle des Kondensators im Schwingkreis oder parallel zu diesem eine Kapazitätsdiode (Varactor) schaltet, ein Bauelement, welches seine kapazitiven Eigenschaften mit der angelegten Spannung ändert.

Wir fassen zusammen: FM erzeugt ebenfalls ein Spektrum mit der doppelten Breite, jedoch ist die Information nicht mehr trennbar.

PSK und QAM

Die bislang besprochenen Modulationsverfahren haben bei der Übertragung binärer Signale den Nachteil, dass sie ziemlich viel Bandbreite verschwenden, wenn man weiter nichts unternimmt kommen diese Verfahren auf eine Bandbreiteausnutzung von 0,4 … 0,6 Bit/s/Hz. Das ist angesichts der z.B. bei drahtlosen LANs gewünschten Datenraten und den nur schmalen zur Verfügung stehenden Übertragungskanälen ein viel zu schlechtes Verhältnis.

Verbesserte Verfahren basieren zwar alle auf Amplituden- oder Winkelmodulation, sind jedoch gegenüber den einfachen Verfahren wesentlich verfeinert.

Bei der Übertragung einer binären primären Zeichenschwingung gibt es bei PM nur zwei Phasenlagen als Ergebnis der Modulation, nämlich z.B. 0 Grad und 90 Grad oder 90 Grad und 180 Grad. Auch bei einer sehr schnellen Datenrate kann man aber auf einfachste Weise mehr unterschiedliche Phasenverschiebungen erzeugen und decodieren. Dies geschieht bei der sog. Phase Shift Modulation, kurz PSK, Phase Shift Keying. Bei dieser Modulationsart werden die Daten durch verschieden große Phasenwechsel der Trägerwelle übertragen. Eine Zuordnung von Binärsignalen und Phasen kann man durch ein sog. Phasendiagramm verdeutlichen.

Die Sender-Empfänger-Synchronisation wird durch die Detektion von Phasenwechseln erleichtert. Das kennen wir ja bereits seit sehr langer Zeit aus dem Ethernet-Bereich, wo die mangelnde Synchronisation zwischen den angeschlossenen Stationen durch die Präambel und die damit verbundenen Phasenwechsel des Signals auf dem Kabel ausgeglichen wurde. Der dabei verwendete Manchester Code heißt deshalb nicht umsonst selbstsynchronisierend.

Wegen der technisch nicht mehr weiter sinnvollen möglichen Verkleinerung der Differenz der Phasen muss man zu einem weiteren Mittel greifen, um den Informationsgehalt weiter zu verdichten: man kombiniert Phasendifferenz- und Amplitudenmodulation.

Z.B. fasst man vier Bits der primären Zeichenschwingung zusammen. Das erste Bit bestimmt z.B. die Amplitude, die nächsten drei die Phasendifferenz. Diese Verfahren lassen sehr viele Varianten zu. Da im Grunde mit zwei jeweils selbst steuernden, aber im Sinne der binären Übertragung vereinigten primären Zeichenschwingungen gearbeitet wird, heißen sie Quadratur-Amplituden Modulation QAM. Die Abb. zeigt ein mögliches Phasendiagramm. Die Punkte im Phasendiagramm, die die „Koordinaten“ für eine Modulation ausgehend von einem zu übertragenden Symbol der primären Zeichenschwingung angeben, werden auch Konstellationspunkte genannt.

Wir fassen zusammen: PSK-Modulatoren erzeugen zunächst aus einer Schwingung phasenverschobene Schwingungen, die permanent zur Verfügung stehen und in logischer Kombination mit den einlaufenden Bits der primären Zeichenschwingung zum Ausgang geschaltet werden.

Es liegt nahe, zur Übertragung nicht nur zwei verschiedene Phasenverschübe zu wählen, sondern z. B. vier, acht oder sechzehn, so dass mehrere Bits parallel in ein Signalelement gepackt werden können. Der Aufwand zur Decodierung erhöht sich entsprechend. Schließlich kann man die Anzahl der Bits pro Signalelement noch dadurch weiter erhöhen, dass neben, sagen wir acht, verschiedenen Phasenverschüben auch noch z. B. zwei verschiedene Amplituden möglich sind. Eine derartige Modulationsform wird, da eigentlich mindestens zwei primäre Zeichenströme zusammengefasst werden, auch als Quadratur-Amplituden-Modulation/QAM oder als AM-PSK bezeichnet.

Die Anzahl der Konstellationspunkte wird oft vor die Bezeichnung gesetzt, also bedeutet z.B. 16-QAM eine Quadratur Amplitudenmodulation mit 16 Konstellationspunkten. Mit dieser Modulation könnte man den Informationsgehalt von jeweils vier Bits auf einmal übertragen.

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