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Analoge und digitale Signale – Übertragung über einen verrauschten Kanal

PhysikSchwingungen und WellenAlter 16–17

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Senden Sie eine Wellenform oder eine kurze Textnachricht über einen verrauschten Kanal mit mehreren Zwischenstationen. Die analoge Kopie wird samt Rauschen verstärkt und wird mit jedem Abschnitt schlechter, während Regeneratoren die digitalen Bits exakt wiederherstellen, bis das Rauschen die Schwelle überschreitet. Ein Reiter zur Abtastung stellt Abtastrate und Bittiefe ein und zeigt Quantisierungsfehler und Dateigröße; ein weiterer codiert Text als Lichtpulse in einer Glasfaser oder Schallpulse in Luft.

Lektion: Analoge und digitale Signale; Rauschen, Repeater und Signalregeneration; Abtastung und Quantisierung; Informationsübertragung mit Licht- und Schallpulsen

Was sie zeigt

Jede Übertragungsstrecke fügt Rauschen hinzu. Ein analoges Signal kann jeden Wert annehmen, daher kann eine Zwischenstation nur verstärken, was ankommt, einschließlich des Rauschens, und das Rauschen sammelt sich von Strecke zu Strecke an. Ein digitales Signal kennt nur zwei Pegel: Ein Regenerator entscheidet, ob ein Puls über oder unter einer Schwelle liegt, und sendet einen sauberen Puls weiter, sodass die Nachricht erhalten bleibt, bis das Rauschen die Schwelle überschreitet. Zum Digitalisieren wird ein Signal abgetastet und quantisiert; mehr Abtastwerte und mehr Bits pro Wert bedeuten weniger Fehler, aber größere Dateien.

So funktioniert es

Wählen Sie im Reiter Verrauschter Kanal Wellenform oder Textnachricht, stellen Sie Rauschen pro Strecke und Zwischenstationen ein, drücken Sie Senden und ziehen Sie Ansehen bei, um analoge und digitale Kopie nach jeder Strecke zu vergleichen. Im Reiter Abtastung verändern Sie Abtastrate und Bittiefe und beobachten Fehler und Dateigröße. Im Reiter Licht- & Schallpulse geben Sie eine Nachricht ein, wählen das Medium und drücken Senden; Neues Rauschen liefert ein anderes Rauschmuster.

Einstellbare Parameter

  • Ansicht Verrauschter Kanal mit Zwischenstationen, Abtastung und Quantisierung, Text als Licht- oder Schallpulse
  • Gesendetes Signal Wellenform, Textnachricht
  • Nachricht (bis zu 8 ASCII-Zeichen)
  • Rauschen pro Strecke (σ bezogen auf die Signalamplitude) 0–100 %
  • Anzahl der Zwischenstationen auf dem Weg 0–8 Stationen
  • Abtastrate 1000–48000 Hz
  • Bittiefe 1–16 Bit
  • Aufnahmedauer (für die Dateigröße) 1–600 s
  • Medium für die Pulse Lichtpulse in einer Glasfaser, Schallpulse in Luft
  • Entfernung 1–1000 m

Fragen zum Erkunden

  1. Warum wird die analoge Kopie an jeder Zwischenstation schlechter, während die digitale bei wenig Rauschen perfekt bleibt?
  2. Wie ändert sich die Dateigröße, wenn Sie Abtastrate und Bittiefe beide verdoppeln?
  3. Warum kann ein einziges gekipptes Bit ein ganzes empfangenes Zeichen verändern?

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