Nachrichtentechnik, Signal- und Informationsübertragung

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Kurzbeschreibung

Schematische Darstellung eines Augendiagramms

Die Veranstaltung Nachrichtentechnik gibt einen Einblick in das weite Feld der Informationstechnik. Sie beschäftigt sich mit der Codierung und dem Senden, Übertragen und Empfangen von Information. Übertragungssysteme werden mit den Techniken der Signal- und Systemtheorie und der statistischen Signalbeschreibung behandelt. Während analoge Übertragungsverfahren nur kurz diskutiert werden, liegt der Schwerpunkt bei der Behandlung digitaler Übertragungsverfahren, deren Elemente am Beispiel der Pulsamplitudenmodulation diskutiert werden. Die Vorlesung schließt mit einer Einführung in die Informationstheorie, welche die Grundlage der modernen Nachrichtentechnik bildet. Die Lehrveranstaltung ist die Basis für weitergehende Lehrveranstaltungen aus dem Bereich der Informationstechnik.

Vorlesungsinhalte

Signale und Systeme: Zeitkontinuierliche Signale und Systeme, Fouriertransformation, Korrelationsfunktionen, Zeitdiskrete Signale und Systeme, Abtasttheorem, Tiefpass und Bandpass, Hilberttransformation
Übertragung analoger Signale: Amplitudenmodulationsverfahren, Winkelmodulationsverfahren
Zufallsvariablen und Zufallsprozesse: Wahrscheinlichkeit und Zufallsexperiment, Verteilungsfunktionen und Verteilungsdichtefunktionen, Gauß'sche Zufallsvariablen, Diskrete Zufallsvariablen, Erwartungswerte, Momente und Korrelationen
Übertragung digitaler Signale: PAM-Übertragungssysteme, Impulsformung, Augendiagramme, Matched Filter, Symbolfehlerraten
Informationstheorie: Entropie, Optimalcodes, Huffman-Codierung, Kanalkapazität zeitdiskreter Kanäle

Lernergebnisse & Fachliche Kompetenzen

Die Studierenden sind nach dem Besuch der Lehrveranstaltung in der Lage,

Nachrichtentechnische Systeme mit Methoden der Signal- und Systemtheorie zu beschreiben und zu analysieren,
die Vorteile einer Beschreibung von Signalen als stochastische Prozesse zu erkennen und Nutz- und Störsignale als Zufallsprozesse zu beschreiben und zu analysieren,
die wesentlichen Komponenten eines digitalen Übertragunssystems zu verstehen,
sinnvolle Entwurfsentscheidungen für die Elemente eines Übertragungssystems für vorgegebene Übertragungsverhältnisse zu treffen,
die Leistungsfähigkeit eines Kommunikationssystems zu bewerten und Kenngrößen für Bandbreiten- und Leistungseffizienz zu berechnen,
Die überragende Bedeutung der Shannon'schen Informationstheorie für die moderne Nachrichtentechnik zu erkennen, Entropie und Kanalkapazität von einfachen Quellen und Kanälen zu berechnen.

Die Studierenden

können die Kenntnisse und Fertigkeiten der Modellierung von Signalen als stochastische Prozesse disziplinübergreifend einsetzen,
können die Methoden und Techniken der Signal- und Systemtheorie auf vielfältige Bereiche der Signalverarbeitung anwenden,
können methodenorientiertes Vorgehen bei der systematischen Analyse von Kommunikationssystemen einsetzen,
sind durch die abstrakte und präzise Behandlung der Inhalte in der Lage, sich selbst weiterzubilden.

Methodische Umsetzung

Vorlesungen mit überwiegendem Tafeleinsatz, vereinzelt Folien-Präsentationen,
Präsenzübungen mit Übungsblättern und Demonstrationen am Rechner,
Hausaufgaben zum selbständigen Einüben der Vorlesungsinhalte durch die Studierenden und als Rückkoppelung des erworbenen Wissensstandes und der Transferkompetenz,
Demonstration von Vorlesungsinhalten anhand realer Systeme im Hörsaal

Empfohlene Literatur

E. A. Lee, D. G. Messerschmitt: Digital Communication : Sehr gute Übersicht, viele anschauliche Beispiele. Die Vorlesung orientiert sich zum Teil an diesem Buch.
J. G. Proakis: Digital Communications : Ebenfalls sehr gutes Buch zum Lernen
H. D. Lüke: Signalübertragung : Hervorragendes Lehrbuch, ausführliche Darstellung von Signalen und Systemen
K. D. Kammeyer: Nachrichtenübertragung : Enthält auch ausführliche Erläuterung analoger Modulationsverfahren
C. Shannon: A mathematical theory of communication : Die klassischen Papers, die die moderne Nachrichtentechnik begründeten. Immer empfehlenswert!

Python Notebooks

Zur Ergänzung einiger Themen und Übungsaufgaben werden jupyter-Notebooks zur Verfügung gestellt, die neben den Formeln und Herleitungen mit Python erstellte Plots und Animationen enthalten. Die Notebooks können auf der github-Seite des Fachgebiets (ohne Installation) betrachtet und heruntergeladen werden:

Python Notebooks

Einfach dem angegebene Link folgen und dort auf die entsprechende Notebook-Datei klicken. Auf github funktionieren allerdings die Animationen nicht. Zum Selbstausführen der Notebooks wird Anaconda (Python 3.8 oder neuer) oder eine der in der jupyter-Dokumentation erwähnten Alternativen benötigt.
Dadurch wird Python3 mit einigen zusätzlichen Paketen installiert, durch die ein ähnlicher Funktionsumfang bereitgestellt wird, wie er von Matlab gewohnt ist. Nach der Installation kann in einem Terminal mit "jupyter notebook" ein Notebook-Server gestartet werden. Im geöffneten Browser-Tab kann dann die entsprechende Notebook-Datei geöffnet werden.

Bedingungen Bonusaufgaben

Es werden im aktuellen WS Bonusaufgaben angeboten, die für die anschließende Nachrichtentechnik-Klausur angerechnet werden können. Zu jedem der 4 Hauptkapitel der Vorlesung (Signale und Systeme, Zufallsprozesse, Digitale Systeme, Informationstheorie) gibt es eine Aufgabe.

Zeitlicher Ablauf:

Die jeweilige Bonusaufgabe werden am Dienstag nach der Vorlesung ins Internet gestellt
Die Bearbeitungszeit beträgt eine Woche
Abgabe ist unmittelbar vor der Vorlesung der darauf folgenden Woche
Die korrigierten Übungszettel werden in einer Donnerstags-Übung ausgeteilt
Es wird keine Musterlösung zu den Bonusaufgaben geben

Randbedingungen:

Jede Bonusaufgabe hat die gleiche Maximalpunktzahl.
Es müssen nicht alle Übungen abgegeben werden.
Die Bearbeitung kann in Gruppen erfolgen. Jedes Mitglied der Gruppe muss eine eigene Lösung abgeben. Auf dem Zettel haben die Namen aller Gruppenmitglieder zu stehen.
Einige Aufgaben beinhalten einen praktischen Anteil, der mit der Programmiersprache Python gelöst werden soll.
Die Bonusaufgaben werden eventuell in der Übung von den Studenten vorgerechnet.
Die Bonuspunkte zählen erst, wenn die Klausur bestanden wurde.
Das Punktekonto wird erst mit dem Beginn der Vorlesung/Übung im Wintersemester gelöscht. Die Bonuspunkte sind also auch für die Klausur im Sommersemester gültig.

Anrechnung der Bonuspunkte:

Bei einer Prüfung durch eine Klausur zählen die Bonuspunkte erst, wenn die Klausur bestanden wurde. In diesem Fall sollen die gesammelten Bonuspunkte durch 10 geteilt, gerundet und auf die erreichten Klausurpunkte aufaddiert werden. Ein Notensprung bei einer Klausur kostet in der Regel 5-6 Klausurpunkte. Also kann man mit Bonuspunkten die Klausurnote um bis zu zwei Notenstufen (z.B. von 2.3 auf 1.7) verbessern.
Bei einer mündlichen Prüfung gibt es eine feste Abbildung der gesammelten Bonuspunkte auf die Prüfungsnote: 0-49 Bonuspunkte - keine Verbesserung; 50-84 Punkte - Verbesserung um eine Notenstufe; 85-100 Bonuspunkte - Verbesserung um zwei Notenstufen.