Digitale Signalverarbeitung in der Nachrichtenübertragung

Elemente, Bausteine, Systeme und ihre Algorithmen
2., erweiterte Auflage 1997
ISBN: 978-3-540-61194-3
Verlag: Springer

Medienkombination, Deutsch, 500 Seiten, Book w. online files/update, Format (B × H): 155 mm x 235 mm, Gewicht: 830 g

Das Buch wendet sich an Ingenieure in der Praxis und auch an Studenten. Die wichtigsten algorithmischen Bausteine werden beschrieben und Systeme der analogen und digitalen Übertragungstechnik sowie der Meßtechnik besprochen. Den Schaltungen der analogen Signalverarbeitung werden die Algorithmen der digitalen Signalverarbeitung gegenübergestellt. Die vorliegende zweite Auflage wurde komplett überarbeitet. Neu in diese Auflage aufgenommen wurden praktische Beispiele mit dem Simulationsprogramm Matlab/Simulink. Hier kann der Leser selbst Nachrichtenübertragungssysteme entwerfen und simulieren. Dem Buch liegt eine Diskette bei, auf der sich alle verwendeten Übungsbeispiele für Matlab/Simulink und eine eigens für die Buchthemen konstruierte Toolbox befinden.

Zielgruppe

Professional/practitioner

Autoren/Hrsg.

Gerdsen, Peter

Kröger, Peter

Fachgebiete

• Technische Wissenschaften Elektronik | Nachrichtentechnik Nachrichten- und Kommunikationstechnik Signalverarbeitung

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung.- 1.1 Prinzip der DSV.- 1.2 Merkmale der DSV.- 1.3 Einsatzgebiete der DSV.- 2 Grundlagen der DSV.- 2.1 Zahlenfolgen.- 2.1.1 Digitalisierung eines analogen Tiefpaßsignals.- 2.1.2 Elementarfolgen.- 2.1.3 Z-Transformation.- 2.1.4 Beschreibung einer DSV.- 2.1.4.1 Differenzengleichung.- 2.1.4.2 Übertragungsfunktion.- 2.1.4.3 Impulsantwortfolge.- 2.1.4.4 Komplexer Frequenzgang.- 2.2 Diskrete Fourier-Transformation (DFT): Analyse von Zahlenfolgen.- 2.2.1 Fourier-Transformation von Zahlenfolgen.- 2.2.1.1 Fourier-Transformation periodischer Zahlenfolgen.- 2.2.1.2 Fourier-Transformation nichtperiodischer Zahlenfolgen.- 2.2.2 Kurzzeit-Fourier-Transformation von Zahlenfolgen.- 2.2.2.1 Herleitung der DFT.- 2.2.2.2 Spektraler Leckeffekt und Lattenzauneffekt.- 2.3 Digitale Filter: Filterung von Zahlenfolgen.- 2.3.1 Entwurf rekursiver Systeme.- 2.3.1.1 Bilineare Transformation.- 2.3.1.2 Impulsinvariante Transformation.- 2.3.2 Entwurf nichtrekursiver Systeme.- 2.3.2.1 Fourier-Approximation.- 2.3.2.2 Fenstertechnik.- 2.4 Veränderung der Abtastfrequenz.- 2.4.1 Interpolation.- 2.4.2 Dezimation.- 3 Algorithmen der DSV.- 3.1 Struktur und Beschreibung algorithmischer Systeme.- 3.1.1 Hierarchischer Systemaufbau.- 3.1.2 Beschreibungsverfahren.- 3.1.2.1 Mathematische Darstellung.- 3.1.2.2 Graphische Darstellung.- 3.1.2.3 Algorithmische Darstellung.- 3.2 Algorithmische Elemente: Mathematische Operationen.- 3.2.1 Zahlendarstellung.- 3.2.1.1 Festkommazahlen.- 3.2.1.2 Zweierkomplementdarstellung.- 3.2.1.3 Wortlängenbegrenzung.- 3.2.1.4 Überlauf.- 3.2.1.5 Gleitkommazahlen.- 3.2.2 Addition.- 3.2.3 Multiplikation.- 3.2.3.1 Multiplikation mit einer Konstanten.- 3.2.3.2 Multiplikation zweier Variabler.- 3.2.4 Division.- 3.2.5 Verzögerung.- 3.3 Algorithmische Bausteine.- 3.3.1 Digitale Filter.- 3.3.1.1 Filternetzwerke.- 3.3.1.2 Grundalgorithmus.- 3.3.1.3 Kanonisches Netzwerk.- 3.3.1.4 Modulo-Adressierung.- 3.3.1.5 Halbband-Tiefpaß mit Dezimation.- 3.3.1.6 Integrator.- 3.3.1.7 Differentiator.- 3.3.1.8 Hilbert-Transformator.- 3.3.2 Nichtlineare Kennlinie.- 3.3.2.1 Prinzip.- 3.3.2.2 Übersicht.- 3.3.2.3 Spektrale Gesichtspunkte.- 3.3.2.4 Polynomapproximation.- 3.3.2.5 Tabellenverfahren.- 3.3.2.6 Gleichrichtung und Begrenzung.- 3.3.2.7 Wurzelkennlinie.- 3.3.3 CORDIC-Algorithmus.- 3.3.3.1 Grundlagen.- 3.3.3.2 Umformung des Gleichungssystems.- 3.3.3.3 Betrag und Winkel.- 3.3.3.4 Sinus und Cosinus.- 3.3.4 Schwingungserzeugung.- 3.3.4.1 Prinzipien.- 3.3.4.2 Relaxationverfahren.- 3.3.4.3 Bandpaßfilterung.- 3.3.4.4 Veränderung der Kurvenform.- 3.3.4.5 Konjugiert komplexes Polpaar.- 3.3.4.6 Sinus-Cosinus-Generator.- 3.3.5 Diskrete Fourier-Transformation (DFT).- 3.3.5.1 Direkte Programmierung.- 3.3.5.2 Schnelle Fourier-Transformation (FFT).- 3.3.5.3 Rekursive Diskrete Fourier-Transformation (RDFT).- 3.3.5.4 Chirp-Z-Transformation.- 3.3.5.5 Goertzel-Algorithmus.- 3.4 Algorithmische Teilsysteme.- 3.4.1 Quadratursignalverarbeitung.- 3.4.1.1 Hilbert-Transformation.- 3.4.1.2 Analytisches Signal.- 3.4.1.3 Komplexe Hüllkurve.- 3.4.1.4 Quadraturmischung.- 3.4.2 Digitalisierung eines Bandpaßsignals.- 3.4.2.1 Unterabtastung eines Bandpaßsignals.- 3.4.2.2 Bildung eines analytischen Signals.- 3.4.2.3 Analytisches Signal durch Quadraturabwärtsmischung.- 3.4.2.4 Zeitversetzte Abtastung.- 3.4.2.5 Zusammenfassung.- 3.4.3 Digitale Phasenregelschleife.- 3.4.3.1 Prinzip.- 3.4.3.2 Trägerfrequente DPLL.- 3.4.3.3 Basisband-DPLL.- 3.5 Algorithmische Systeme in der analogen Übertragungstechnik.- 3.5.1 Empfängerkonzept.- 3.5.2 Amplitudendemodulation.- 3.5.2.1 Produktdemodulation.- 3.5.2.2 Prinzip der Einseitenbanddemodulation.- 3.5.2.3 Reelles Blockschaltbild.- 3.5.3 Frequenzdemodulation.- 3.5.3.1 Problematik digitalisierter FM-Signale.- 3.5.3.2 Überblick über die Demodulationsalgorithmen.- 3.5.3.3 Trägerfrequenter FM/AM-Wandler.- 3.5.3.4 Basisband-Phasenwandler-Demodulator.- 3.5.3.5 Basisband-Verzögerungsdemodulator.- 3.5.4 Stereo-Decoder.- 3.5.4.1 Übertragungsverfahren.- 3.5.4.2 Analoger Decoder.- 3.5.4.3 Digitaler Decoder.- 3.6 Algorithmische Systeme in der digitalen Übertragungstechnik.- 3.6.1 Modulationssysteme.- 3.6.1.1 Bandpaß-Digitalsignal.- 3.6.1.2 Digitale Echomodulation.- 3.6.1.3 Digitales System.- 3.6.2 Demodulationssysteme.- 3.6.2.1 Universaldemodulator.- 3.6.2.2 Trägerrückgewinnung.- 3.6.3 Adaptive Entzerrung eines Basisband-Digitalsignals.- 3.6.3.1 Gesamtsystem.- 3.6.3.2 Entzerrerfilter.- 3.6.3.3 Signalauswertung.- 3.6.3.4 Koeffizienteneinstellung.- 3.7 Algorithmische Systeme in der Meßtechnik.- 3.7.1 Spektralanalysator mit Zooming.- 3.7.1.1 Basistransformation.- 3.7.1.2 Überlagerungsprinzip.- 3.7.1.3 Subtransformation.- 3.7.2 Voltmeter.- 3.7.2.1 Gleichrichtwert und Effektivwert.- 3.7.2.2 Selektives Voltmeter.- 3.7.3 Mehrwegeempfangs-Simulator.- 3.7.3.1 Aufgabenstellung und Realisierungsmöglichkeiten.- 3.7.3.2 Digitales Realisierungskonzept.- 3.7.3.3 FM-Basisband-Signal.- 3.7.3.4 Digitaler FM-Basisband-Modulator.- 3.7.3.5 Mehrwege-FM-Basisband-Modulator.- 4 Realisierung der DSV.- 4.1 Analoge und digitale Signalverarbeitung.- 4.2 Echtzeit- und Stapelverarbeitung.- 4.3 Wortlängeneffekte.- 4.4 Wortlänge der Wandler.- 4.5 Wortlänge im Rechenwerk.- 4.5.1 Frequenzgang.- 4.5.2 Rauschen.- 4.5.3 Instabilität.- 4.5.3.1 Koeffizientenungenauigkeit.- 4.5.3.2 Grenzzyklen.- 4.5.3.3 Überlaufschwingungen.- 5 Entwicklungsmethodik in der DSV.- 5.1 Entwicklungsphasen.- 5.2 Simulation in der Entwurfsphase.- 5.2.1 Funktionssimulation (MATLAB/SIMULINK).- 5.2.1.1 Zeitkontinuierliches System.- 5.2.1.2 Zeitdiskretes System.- 5.2.2 Programmsimulation (DSV_SIM).- 5.3 Implementierung.- 5.3.1 Entwicklungsumgebung.- 5.3.2 Implementierungsschritte.- 5.3.2.1 Programm-Entwurf.- 5.3.2.2 Programmieren, Assemblieren und Linken.- 5.3.2.3 Hex-Format-Konvertierung und Debugging.- 5.3.2.4 Debugging durch Prozessorsimulation.- 6 PC-Übungen mit MATLAB/SIMULINK und DSV_SIM.- 6.1 Übung A: Matlab/Simulink.- 6.1.1 Matlab.- 6.1.1.1 Command Driven Mode.- 6.1.1.2 File Driven Mode.- 6.1.2. Simulink.- 6.1.2.1 Simulationsarten und Simulationsparameter.- 6.1.2.2 Entwurf einfacher Systeme.- 6.1.2.3 Hierarchiebildung.- 6.1.2.4 Dimensionierung und Variation der Modellparameter.- 6.2 Übung B: Filter.- 6.2.1 Grundlagen.- 6.2.2 Dateiübersicht.- 6.2.3 Übertragungsstrecke mit Zeit- und Amplitudenquantisierung.- 6.2.4 Entwurf von Digitalfiltern.- 6.2.5 Untersuchung der Eigenschaften durch Simulation.- 6.2.6 Entwicklung und Untersuchung eines digitalen Netzwerks.- 6.2.7 Untersuchung von Wortlängeneffekten.- 6.3 Übung C: Mischung und Abtastung von Bandpaßsignalen.- 6.3.1 Grundlagen.- 6.3.2 Dateiübersicht.- 6.3.3 Hilbert-Transformator.- 6.3.4 Auf/Abwärtsmischer mit Hilbert-Transformator.- 6.3.5 Quadratur-Abwärtsmischer ohne Hilbert-Transformator.- 6.3.6 Abtastung von Bandpaßsignalen und Herabmischung.- 6.4 Übung D: Modulation.- 6.4.1 Grundlagen.- 6.4.2 Dateiübersicht.- 6.4.3 Zweiseitenband-AM mit Produktdemodulator.- 6.4.4 Einseitenband-AM-System.- 6.4.5 FM-System mit Basisband-Verzögerungsdemodulator.- 6.5 Übung E: Spektral-Meßtechnik.- 6.5.1 Grundlagen.- 6.5.2 Dateiübersicht.- 6.5.3 Diskrete Fourier Transformation.- 6.5.4 Interpolation.- 6.5.5 Leckeffekt und Lattenzauneffekt.- 6.5.6 Zoomverfahren.- 6.5.7 Chirp-Z-Transformation.- 6.6 Übung F: Nichtlineare Kennlinie und Schwingungserzeugung.- 6.6.1 Grundlagen.- 6.6.2 Dateiübersicht.- 6.6.3 Nichtlineare Kennlinie.- 6.6.4 Schwingungserzeugung.- 7 Anhang.- 7.1 Fourier-Transformation.- 7.1.1 Definition.- 7.1.2 Korrespondenzen der Funktionen.- 7.1.3 Korrespondenzen der Rechenoperationen.- 7.2 Z-Transformation.- 7.2.1 Definition.- 7.2.2 Korrespondenzen der Folgen.- 7.2.3 Korrespondenzen der Rechenoperationen.- 7.3 Hilbert –Transformation.- 7.3.1 Definition.- 7.3.2 Korrespondenzen für Funktionen.- 7.3.3 Korrespondenzen für Rechenoperationen.- 7.4 Abtasttheorem für Zeitfunktionen.- 7.5 Einführung in MATLAB.- 7.5.1 Statischer Aufbau.- 7.5.2 Programme.- 7.5.2.1 Script-Files.- 7.5.2.2 Function-Files.- 7.5.3 Programmiersprache.- 7.5.3.1 Operatoren.- 7.5.3.2 Matrizen und Vektoren.- 7.5.3.3 Schleifen.- 7.5.3.4 Ein- und Ausgabe.- 7.5.4 Funktionen zur Signalanalyse.- 7.5.4.1 Oszillogramm: PLOT.- 7.5.4.2 Spektrum: FFT.- 7.5.5 Signalverarbeitung.- 7.5.5.1 Signale.- 7.5.5.2 Systeme: Simulation.- 7.5.5.3 Systeme: Berechnung.- 7.6 Einführung in SIMULINK.- 7.6.1 Statischer Aufbau.- 7.6.1.1 Übersicht.- 7.6.1.2 Simulink Window.- 7.6.1.3 Block Diagram Window.- 7.6.1.4 System Window.- 7.6.1.5 Graphik Editor.- 7.6.2 Starten von Simulink Systemen.- 7.6.2.1 Matlab Command Window.- 7.6.2.2 Simulink Window.- 7.6.2.3 Start der Simulation.- 7.6.3 System-Modellierung.- 7.6.3.1 Block Library.- 7.6.3.2 Vorgehensweise.- 7.6.4 Zusammenwirken von Simulink mit Matlab.- 7.6.4.1 Function Block Fcn.- 7.6.4.2 Matlab Function Block.- 7.6.4.3 S-Function Block.- 7.6.4.4 Initialization Command.- 7.6.5 Parameter modellierter Systeme.- 7.6.5.1 Matlab Command Window.- 7.6.5.2 Script File.- 7.6.5.3 Konstante.- 7.6.5.4 Maske.- 7.6.6 Systemarten.- 7.6.6.1 Simulationsparameter.- 7.6.6.2 Digitale Signalverarbeitung.- 7.6.6.3 Analoge Signalverarbeitung.- 7.6.6.4 Analoge und digitale Signalverarbeitung.- 7.6.7 Hierarchiebildung.- 7.6.7.1 Gruppieren.- 7.6.7.2 Maskieren.- 7.7 Einführung in DSV_SIM.- 7.7.1 Übersicht.- 7.7.2 Bedienung.- 7.7.3 Virtueller Signalprozessor.- 7.7.3.1 Architektur.- 7.7.3.2 Befehlssatz.- 7.7.3.3 Realisierung.- 7.7.3.4 Beispielprogramm.- 7.8 Programme und Dateien auf der Diskette.- 7.8.1 Installation von DSV_SIM.- 7.8.2 Installation von Matlab/Simulink-Dateien (DSV_MATL).- 7.8.3 DSVSIM-Prozeduren.- 7.8.3.1 Signalverarbeitungsalgorithmen.- 7.8.3.2 Signalgeneratoren.- 7.8.3.3 Prozeduren für den virtuellen Signalprozessor.- 7.8.3.4 DSV_SIM-Werkbank-Prozeduren für die Übungen des Abschnittes 6.- 7.8.4 Simulink-Werkbänke für die Übungen des Abschnittes 6.- 7.8.5 Matlab/Simulink-Toolbox DsvCom.- 7.8.5.1 Simulink-Bibliothek SIMU_S.M.- 7.8.5.2 DsvCom Script- und Function-Files.- 7.9 Lösungen zu den Übungsaufgaben.- 7.9.1 Übung A: Matlab/Simulink.- 7.9.2 Übung B: Filter.- 7.9.3 Übung C: Mischung und Abtastung von Bandpaßsignalen.- 7.9.4 Übung D: Modulation.- 7.9.5 Übung E: Spektralmeßtechnik.- 7.9.6 Übung F: Nichtlineare Kennlinie und Schwingungserzeugung.- Fachaufsätze.- Bücher.- Firmenschriften.- Diplomarbeiten.