Veranstaltung: Nachrichtentechnik

Nummer:
141203
Lehrform:
Vorlesung und Übungen
Medienform:
e-learning, rechnerbasierte Präsentation, Tafelanschrieb
Verantwortlicher:
Prof. Dr.-Ing. Aydin Sezgin
Dozent:
Prof. Dr.-Ing. Aydin Sezgin (ETIT)
Sprache:
Deutsch
SWS:
4
LP:
5
Angeboten im:
Wintersemester

Termine im Wintersemester

  • Beginn: Dienstag den 10.10.2017
  • Vorlesung Dienstags: ab 10:15 bis 11.45 Uhr im ID 03/445
  • Übung Freitags: ab 08:15 bis 09.45 Uhr im ID 04/413

Prüfung

Schriftliche Prüfung am 12.02.2018

Dauer: 120min
Prüfungsanmeldung: FlexNow
Beginn: 11:30

Raum:

HIC : Alle Studierenden

Ziele

Die Studierenden kennen die Methoden, die bei:

  • ZIP, RAR
  • JPEG, MPEG
  • 3G, LTE
  • WLAN
  • DVB, DAB

zum Einsatz kommen. Die Studierenden beherrschen essentielle Methoden und Werkzeuge der Nachrichtentechnik, so dass sie in der Lage sind, fundamentale Schranken in der Nachrichtentechnik zu bestimmen und diese bei der Umsetzung, also dem Entwurf von Übertragungssystemen, als Richtlinien und Maßstab zu benutzen.

Die Studierenden haben Einblick in die grundlegenden Zusammenhänge, die bei der Übertragung von Nachrichtensignalen von Bedeutung sind.

Inhalt

Die Entwicklung von Zivilisationen hängt auch von der Fähigkeit des Menschens, Informationen bzw. Nachrichten zu speichern, zu versenden und zu rekonstruieren. Dies kann in vielfaeltiger From geschehen, angefangen von Wandmalereien, Keilschriften, Signalhäusern bis zum Buchdruck und den digitalen Medien. In der heutigen Gesellschaft, die als Informationsgesellschaft bezeichnet wird, ist der Zugang zu Informationen beinahe zu an allen Orten und Zeiten möglich und erwünscht.

Die rasante Geschwindigkeit, mit der die Entwicklung neuer Methoden und Applikationen für die Kommunikation, wie z.B.:

  • Internet der Dinge (IoT)
  • Cyber-Physical Systems, Industrie 4.0
  • Autonome Fahrzeuge
  • Connected Cars
  • Cloud Computing
  • Near-Field Communication
  • Visible Light Communication
  • Smart Grid, Smart City

vorangeht, erfordert von heutigen System-Designern die Kenntnis von Methoden, die unabhängig von jeweiligen Systemen sind und ihre Gültigkeit trotz dieser Veränderungen behalten und damit fundamentaler Natur sind.

Der Erwerb dieser fundamentaler Methoden ist der Ansatz, der in dieser Vorlesung verfolgt wird. Dabei sollen folgende Fragen beantwortet werden:

  • ZIP, RAR & Co.: Wie weit kann ich meine Textdateien verlustfrei komprimieren?
  • JPEG, MPEG & Co.: Wie weit kann ich meine Multimedia-Dateien bei vorgegebener Güte komprimieren?
  • 3G, LTE & Co.: Mit welcher Datenrate kann ich höchstens mit meinem Smartphone zuverlässig Daten übertragen?
  • WLAN & Co.: Warum hat mein WLAN-Router mehrere Antennen?
  • WLAN & Co.: Warum dauert der Verbindungsaufbau zum WLAN-Netz der Uni deutlich länger als zuhause?
  • 4G & Co.: Warum bezahle ich für 4G, wenn ich nur 2G bekomme?

Zur Einführung der Vorlesung behandeln wir das komplexe Basisbandmodell, welches eine einheitliche Behandlung von verschiedenen Modulationsverfahren (Basisband- und Passbandmodulation) und Systemen erlaubt.

Dem folgt die Besprechung des Quellencodierungstheorems von Shannon mit einer Diskussion zu einigen Quelllencodes wie z.B. Huffmann-Codierung, Lempel-Ziv etc. Der Zusammenhang zu bekannten Medien- und Speicherformaten wie z.B. zip, rar, mp3, jpeg wird hergestellt.

Anschließend werden wir die Themen Modulation, Demodulation und Fehlerratenbestimmung basierend auf dem geometrischen Konzept des Signalraums besprechen. Im Anschluß wird das Kanalcodierungstheorem von Shannon besprochen. Der Fokus der Vorlesung liegt in der digitalen Übertragung und daher wird die analoge Kommunikation nicht explizit behandelt. Des Weiteren liegt der Fokus der Vorlesung bei den theoretischen Aspekten der Nachrichtentechnik. Die Schwerpunkte der Vorlesung liegen in den Bereichen komplexes Basisbandmodell, Quellencodierung, Signal-Raum Konzept und Kanalcodierung aus informationstheoretischer Sicht:

  • Signale in der Kommunikation
  • Wahrscheinlichkeitstheorie/Zufallsvariablen/Zufallsprozesse
  • Kanäle in der Kommunikation
  • Informationsmaße und ihre Eigenschaften
  • Datenkompression(Kraft-Ungleichung, Markov-Quellen, Ratenverzerrungstheorem)
  • Quantisierung
  • Konzept der Freiheitsgrade
  • Detektion (MAP, ML, Typische-Menge-Decodierung)
  • Entzerrung
  • Datenübertragung
  • Kapazität
  • Differentielle Entropie/Gauss-Kanäle/MMSE-Schätzung
  • Bandlimitierte Kanäle
  • Mehrfachzugriff
  • Praktische Umsetzung (Raten typischer Modulationsalphabete M-QAM, Shaping Loss, Minimum E_b/N_0, Band- bzw. Leistungsbegrenzte Regime, Quantisierung)

Optional werden die Kenntnise über die theoretischen Konzepte durch die Bearbeitung von praktischen Projekten basierend auf Raspberry-Pi-Modulen vertieft. Im Vordergrund steht bei den Projekten die Informationserfassung und -verarbeitung mit den Raspberry-Pi-Modulen.

Bei den Raspberry-Pi-Modulen handelt es sich um komplette Einplatinen-PCs von der Größe einer Kreditkarte. Es hat verschiedene Schnittstellen wie z.B. HDMI, USB, LAN und Sound. Zur Anwendung kommen verschiedene Programmiersprachen wie Matlab, Simulink, aber auch C, C++, oder Python sind möglich. Die Projekte können in Gruppen von 2-3 Studierenden bearbeitet werden. Die Projektthemen sind:

  • Cloud based sensor processing
  • Sensor based secret key generation

Nach Absprache können alternativ folgende Projekte bearbeitet werden

  • Caching, Raspberry Pi als LAN-Proxy
  • Netzwerk-Codierung
  • Kooperative Indoor-Lokalisierung
  • Bildverarbeitung
  • Fluid-level detection
  • Gesichtserkennung
  • Accelerometer
  • Temperaturüberwachung
  • Home automation
  • Erfassung von EEG Signalen und Darstellung
  • Morse coding

Alternativ können die Studierenden auch eigene Projektvorschläge machen. Dazu ist eine zweiseitige Projektbeschreibung notwendig. Einzige Bedingung ist, dass das Projekt einen Bezug zur Nachrichtentechnik haben muss.

Zum Abschluss sollen die Ergebnisse der Projekte im Rahmen eines mündlichen Vortrags vorgeführt werden. Zudem ist eine schriftliche Ausarbeitung von mind. 4 Seiten (LaTeX, article, twocolumns, 11pt) notwendig.

Voraussetzungen

keine

Empfohlene Vorkenntnisse

Teilnahme an den Lehrveranstaltungen

  • Systemtheorie 1-3
  • Mathematik 1-4
  • Grundlegende Programmierkenntnisse
  • Grundkenntnisse über das Betriebssystem Linux

Literatur

  1. Haykin, Simon, Moher, Michael "Communication Systems", Wiley & Sons, 2009
  2. Proakis, John, Salehi, Masoud "Digital Communications", Mcgraw Hill Higher Education, 2007
  3. Cover, T., Thomas, J. "Elements of Information Theory", Wiley & Sons, 2006
  4. Hoeher, Peter "Grundlagen der digitalen Informationsübertragung: Von der Theorie zu Mobilfunkanwendungen", Springer Verlag, 2013
  5. Proakis, John G., Salehi, Masoud "Grundlagen der Kommunikationstechnik", Pearson Studium, 2003

Sonstiges

Der fol­gen­de Link führt zum Kurs­ka­ta­log. Dort sind Folien etc. der Vorlesung erhaeltlich. Zur An­mel­dung wird ein Ac­count be­nö­tigt. http://moodle.rub.de/

Die Durchführung der Raspberry-Pi-Projekte (optional) kann mit bis zu 15% der Endnote angerechnet werden.