Dipl.-Ing. Youssef Dhibi :

Impulsive Kanalstörungen und deren Einfluss in der ultrabreitbandigen Übertragung

Dissertation angenommen durch: Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fachbereich Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik und Informationstechnik, 2005-07-04

BetreuerIn: Priv.-Doz. Dr.-Ing. Thomas Kaiser , Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fachbereich Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik und Informationstechnik

GutachterIn: Priv.-Doz. Dr.-Ing. Thomas Kaiser , Universität Duisburg-Essen, Campus Duisburg, Fachbereich Ingenieurwissenschaften, Abteilung Elektrotechnik und Informationstechnik
GutachterIn: Prof. Dr.-Ing Ludwig Kittel , FernUniversität Gesamthochschule in Hagen, FB Elektrotechnik und Informationstechnik, Lehrgebiet Nachrichtentechnik

Schlüsselwörter in Deutsch: impulsives Rauschen, impulsive Störungen, Ultrabreitbandige Übertragung, UWB, IR-UWB, UWB-OFDM
Schlüsselwörter in Englisch: impulsive noise, ultra wideband, UWB, IR-UWB, UWB-OFDM

  
   
 Klassifikation     
    Sachgruppe der DNB: 620 Ingenieurwissenschaften
  
   
 Abstrakt     
   

Abstrakt in Deutsch

Moderne nachrichtentechnische Übertragungssysteme werden üblicherweise unter Annahme einer additiven GAUSSschen Störung entworfen. Diese Art der Störung wird durch den zentralen Grenzwertsatz begründet und ihre mathematische Handhabbarkeit ermöglicht u. U. geschlossene Formeln zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit eines Übertragungssystems. So ergibt sich die Kanalkapazität von gedächtnislosen gestörten Übertragungsstrecken als beeindruckend einfache Formel, die damit selbst in der modernen Nachrichtentechnik weiterhin durch besondere Nachhaltigkeit gekennzeichnet ist. Auch wurden zahlreiche Theorien, beispielsweise zur Lösung von Schätz- oder Detektionsaufgaben, durch die GAUSS-Annahme erst möglich. Diesen vorteilhaften Eigenschaften steht jedoch der wesentliche Nachteil einer zu stark vereinfachten Modellierung der Realität gegenüber. Nicht selten sind Störungen auch impulsiver Natur, hervorgerufen durch Schaltvorgänge oder andere kurzzeitige Ereignisse, wie sie in der Datenübertragung über Energieversorgungsleitungen, in der Ethernetübertragung, in der Unterwassersignalübertragung oder auch, wie in dieser Arbeit aufgezeigt wird, bei ultrabreitbandigen Übertragungssystemen anzutreffen sind. Eine weitergehende Analyse erfordert die GAUSSsche Annahme der additiven Störung fallenzulassen und deren impulsive Eigenschaften in den Vordergrund zu stellen. Vorteilhaft dabei ist, dass sich durch geeignete Parameterwahl die GAUSS-Verteilung häufig als Spezialfall ergibt und damit als hilfreicher Vergleichsmaßstab dient. Das im Mittelpunkt dieser Arbeit stehende Ziel einer Beurteilung der Leistungsfähigkeit moderner Übertragungssysteme in impulsiv gestörten Umgebungen führt auf folgende nahe liegende Strukturierung. Nach einer Einführung in impulsive Modelle mitsamt der Diskussion von Vor- und Nachteilen gilt das Hauptaugenmerk deren Eignung zur Lösung ausgewählter nachrichtentechnischer Problemstellungen. Beispielsweise ist einschlägig bekannt, dass die Kanalkapazität mit dem Tausch einer GAUSSschen durch eine impulsive Störung trotz gleichbleibender Varianz tendenziell anwächst. Im Rahmen dieser Arbeit wird versucht, dieses Maß genauer zu quantifizieren. Ein weiteres Beispiel besteht in der Vermeidung eines einfachen Amplitudenbegrenzers, der häufig zur Impulsunterdrückung -- jedoch auf Kosten der Leistungsfähigkeit -- eingesetzt wird. In dieser Arbeit wird eine alternative Methode ohne Amplitudenbegrenzung vorgeschlagen und diskutiert. Auch wird gezeigt, dass bei einer konventionellen ultrabreitbandigen Übertragung die durch weitere Nutzer verursachten Störungen grundsätzlich impulsiver Natur sind. Darauf aufbauend wird die Dichte der Störungen explizit abgeleitet, so dass im letzten Kapitel neue, auf impulsive Störungen angepasste Empfängerstrukturen aufgezeigt und analysiert werden.

Abstrakt in Englisch

Historically, the Gaussian assumption for noise and interferences has dominated signal processing. The justification for this assumption is usually given by the well known central limit theorem which allows an elegant, manageable, and meaningful mathematical description of noise. Nevertheless, some communication scenarios are characterized by impulsive properties on behalf of Gaussian noise, so they are non-Gaussian distributed. Channels which are corrupted with impulsive noise can be found in several domains like for example powerline communications, ethernet traffic, underwater signal processing, or as proven in this project also the multiuser interferences of ultra wideband (UWB) communication systems. After describing and discussing impulsive noise models in detail, a comparison of their distributions has been carried out showing the suitability of the different models for solving selected problems. For example, it is well known that the channel capacity with additive impulsive noise channels is always greater than the one of additive white Gaussian noise (AWGN) channels supposed that the signal to noise ratio (SNR) remains unchanged. In this project the capacity of channels corrupted by impulsive noise has been investigated. An example shows the negative effect of the widely used hard limiter (for impulsive noise clipping) and suggests the use of an alternative one called soft limiter allowing no loss of information. Furthermore, UWB systems have been investigated regarding multiuser interferences. It is proven that the multiuser interferences of impulse radio systems are impulsive. Their probability density function is determined analytically and confirmed by simulation results. Taking this result into account a new receiver structure has been developed allowing the suppression of impulsive noise without use of a limiter. The performance of this receiver is proven by simulation.