Fachhochschule Kaiserslautern, Fachbereich Elektrotechnik
Landesanstalt für Medien und Kommunikation (LMK) Rheinland-Pfalz
 

Diplomarbeit im Fach Nachrichtentechnik zum Thema:

Untersuchung zur Implementierung eines digitalen Übertragungssystems auf OFDM-Basis
im UKW-Frequenzbereich
 

Frank Bernhardt

1 Inhalt

2 Überblick...5

3 Ergebnis - Technischer Abschlußbericht ...6

3.1 Einleitung...6

3.2 Auswahl verschiedener System-Modi...7
3.2.1 Technische Anforderungen an das System...7
3.2.2 Betrachtete Empfangssituationen...8
3.2.3 Modulation der Unterträger...9

3.3 Berechnung der System-Parameter ...10
3.3.1 Wahl des Unterträgerabstands...10
3.3.2 Berechnung der übrigen Systemparameter...15

3.4 Mindestfeldstärken...18
3.4.1 Die eigentliche Mindestfeldstärke...18
3.4.2 Die Mindestfeldstärke für die Funknetzplanung ...20

3.5 Spektrumsmasken...21

3.6 Schutzabstände für die Funknetzplanung ...23
3.6.1 Benötigte Leistungsdichtespektren...24
3.6.2 Schutzabstände...28
3.6.3 Beispiele für die Versorgungsprognose...38

3.7 Fazit...43

4 Beschreibung der Modulationsverfahren ...45

4.1 Frequenzmodulation im UKW-Band II ...45
4.1.1 Frequenzmodulation allgemein am Beispiel eines Kosinussignals ...45
4.1.2 System und Kennwerte der FM-Audioübertragung im UKW Band II...53

4.2 Allgemeine Beschreibung eines OFDM-Systems...61
4.2.1 Probleme der digitalen Signalübertragung ...61
4.2.2 Eigenschaften von OFDM-Signalen ...62

5 Bestimmung der OFDM-Parameter und des Kanalmodells...73

5.1 Der Mobilfunkkanal...73

5.2 Modellierung und stochastische Beschreibung des Mobilfunkkanals...74
5.2.1 Das Doppler-Spektrum...75
5.2.2 Verzögerungs-Leistungsdichte-Spektrum und Kohärenzbandbreite ...78
5.2.3 Benutzte Verzögerungs-Leistungsdichte-Spektren ...80
5.2.4 Fading im Mobilfunkkanal...85

5.3 Das OFDM-Signal...86
5.3.1 Störung durch Intersymbolinterferenz ...87
5.3.2 Störung durch IntercarrierInterferenz ...88
5.3.3 Spektrale Formung des OFDM-Signals...91
5.3.4 Zeitliche Formung des OFDM-Signals ...92
5.3.5 Crestfaktor von OFDM-Signalen ...93
5.3.6 Kanalschätzung...94
5.3.7 Kanalcodierung und daraus resultierende Bitfehlerraten ...96
5.3.8 Empfängermodell und Mindestempfangsleistung...100

6 Funknetzplanung ...103

6.1 Nutzbetrachtung des Systems...103
6.1.1 Ausbreitung des Signals und resultierende Feldstärken ...103
6.1.2 Antennengewinn...104
6.1.3 Die Sendeleistung ...105
6.1.4 Die entfernungsabhängige Dämpfung...106
6.1.5 Langsamer Schwund...107
6.1.6 Schneller Schwund...109
6.1.7 Inhouse-Versorgung...110
6.1.8 Der maximale Senderabstand...110
6.1.9 Zusammenfassung der Nutzbetrachtung durch ein stochastisches Modell
6.1.10 Wellenausbreitungskurven nach CCIR für die Funknetzplanung...112

6.2 Störbetrachtung des Systems...114
6.2.1 Rauschen durch Intersymbolinterferenz...115
6.2.2 Das thermische Rauschen ...115
6.2.3 Rauschen durch Intercarrierinterferenz ...116
6.2.4 Störung durch Man-Made-Noise ...117
6.2.5 Mindestfeldstärke für die Funknetzplanung...117
6.2.6 Mindestleistung aus der Berechnung der mobilen Empfangssituation..119
6.2.7 Frequenzmasken für den OFDM-Rundfunk ...120
6.2.8 Berechnung der Schutzabstände ...121
6.2.9 Versorgungsprognosen ...123

7 Multiplexbildung und weiteres Vorgehen ...124

7.1 Multiplexbildung ...124

7.2 Weiteres Vorgehen...124

8 Verzeichnisse ...125

8.1 Abbildungsverzeichnis...125

8.2 Tabellenverzeichnis ...127

8.3 Formelzeichen ...128
8.3.1 Frequenzmodulation...128
8.3.2 OFDM...129
8.3.3 System-Parameter...130
8.3.4 Funknetzplanung...133

8.4 Literatur...136

2 Überblick

In der folgenden Arbeit wird die Möglichkeit untersucht, eine Digitalisierung der Tonrundfunkfrequenzen im Band II (88-108 MHz) durchzuführen. Die Schwerpunkte bestehen dabei aus der allgemeinen Betrachtung des OFDM-Systems sowie der Funknetz-Planungsparameter eines solchen digitalen Rundfunksystems.

Kapitel 3 zeigt die Ergebnisse der Untersuchung. Es wird bewiesen, dass mindestens ein Audio-Signal in CD-Qualität in einer Nutzbandbreite von 100 kHz digital übertragen werden kann. Zusätzlich wird gezeigt, dass eine schrittweise Ersetzung analoger Sender durch digitale Sender, ähnlich wie bei Chester 97 ohne Störungen der derzeitigen Rundfunklandschaft durchgeführt werden kann.

Die nachfolgenden Kapitel zeigen die benötigen Grundlagen der Untersuchung. Zunächst werden in Kapitel 4 kurz die Modulationsverfahren erklärt. Danach erfolgt eine genaue Betrachtung des Mobilfunkkanals. Mit Hilfe der Kenntnis des Mobilfunkkanals werden grundlegende Attribute des OFDM-Signals hinsichtlich der Anforderungen des Mobilfunkkanals und der bestehenden Infrastruktur in Kapitel 5 diskutiert und bewertet. Die Betrachtung des OFDM-Signals alleine ist allerdings nicht ausreichend. Es ist nötig, eine Bewertung für die Funknetzplanung durchzuführen. Die Grundlagen dafür werden in Kapitel 6 dargestellt.
 

3 Ergebnis - Technischer Abschlußbericht

3.1 Einleitung

Inhalt des vorliegenden technischen Berichts ist die Dimensionierung und Bewertung eines OFDM-Systems ähnlich dem DRM-Standard im UKW-Band. Zunächst wird geklärt, welche Anforderungen an ein solches System gestellt werden müssen. Nachdem die Voraussetzungen geklärt sind, werden wichtige Systemparameter eines solchen Systems bestimmt. Die gewählte Vorgehensweise zur Bestimmung der Parameter ist im vorliegenden Bericht vollständig dargestellt. Um die Einsatzmöglichkeiten abschätzen zu können und Versorgungsprognosen durchführen zu können, werden die Mindestfeldstärken verschiedener Empfangssituationen berechnet. Mit den Frequenzmasken der verschiedenen Sendemodi und mit den typischen Leistungsdichtespektren werden Vorschläge für die gegenseitigen Schutzabstandkurven der verschiedenen Systeme einschließlich UKW-FM definiert. Abschließend wird in Kapitel 3.7 eine allgemeine und umfassende Analyse des Systems bezüglich der Anforderungen durchgeführt.

Die detaillierten Herleitungen zu den im vorliegenden technischen Bericht angegebenen Zusammenhänge können der Diplomarbeit “Untersuchung zur Implementierung eines digitalen Übertragungssystem auf OFDM-Basis im UKW-Frequenzbereich“ entnommen werden.

3.2 Auswahl verschiedener System-Modi

3.2.1 Technische Anforderungen an das System

Für die technische Untersuchung relevante Voraussetzungen für das digitale System sind:

• Das System sollte die Möglichkeit zum Aufbau von Gleichwellennetzen besitzen.
• Das System sollte für den mobilen Empfang vorbereitet sein. Die maximale Empfängergeschwindigkeit wird auf 300 km/h festgesetzt.
• Die Nutzbandbreite sollte 100 kHz betragen.
• Die Datenrate sollte für ein Programm in hörbar besserer Audioqualität als beim UKW-FM-Rundfunk ausreichen.
• Bestehende UKW-FM-Versorgungen dürfen nicht gestört werden.
 

3.2.2 Betrachtete Empfangssituationen

Bei der Ermittlung der Mindestfeldstärken für die Funknetzplanung werden verschiedene Empfangssituationen berücksichtigt:

• Stationärer Empfang (SE):
- Feste Antenne mit 6dB Antennengewinn auf dem Dach in 10m Höhe.
- 50% Ortswahrscheinlichkeit

• Portabler Empfang Outdoor (PEO):
- Antennenhöhe 1,5 m über dem Erdboden.
- 95% Ortswahrscheinlichkeit.
- Im Freien mit Fußgängergeschwindigkeit.

• Portabler Empfang Indoor (PEI):
- Antennenhöhe 1,5m über dem Erdboden.
- 70% Ortswahrscheinlichkeit.
- Innerhalb eines Gebäudes.

• Mobiler Empfang (ME):
- Antennenhöhe 1,5m über dem Erdboden.
- 99% Ortswahrscheinlichkeit.
- Störung durch ICI.

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