Verarbeitung von Signalen, die unter dem Rauschpegel liegen

Sinus schrieb:
> Hallo Leute,
>
> ich würde gerne wissen, ob es prinzipiell möglich ist ein Funksignal
> (egal ob digital oder analog) dessen Pegel unterhalb des Rauschpegels
> liegt (SNR ist negativ) noch verarbeiten/detektieren zu können?
>
> Nach allem was ich weiß hat man da sehr schlechte Karten.
>
> Sinus

Nach allem, was andere wissen, ist das z.B. bei GPS die Regel. Dort sind 
die Signale prinzipiell unter dem Rauschen.

Anmerkung: Ich gehe bei meinem Beispiel davon aus, bereits alle 
Möglichkeiten zur Verbesserung des SNRs ausgeschöpft zu haben.

@Hanno:

Das mit dem GPS war mir z.B.: noch nicht bekannt. Ich werde da mal 
weiter suchen.

Danke für die schnellen Antworten.

Wenn ich das richtig sehe, geht das wohl nur mit vergleichsweise kleinen 
Symbolraten.

Sinus schrieb:
> @Hanno:
>
> Das mit dem GPS war mir z.B.: noch nicht bekannt. Ich werde da mal
> weiter suchen.

Da gebe ich dir mal noch paar Suchbegriffe:
WSJT
QRSS
Korrelation
PSK31
Lock-in-Verstärker
spread-spektrum-modulation

Da hast du erstmal bissel was durchzuarbeiten :-)

Hanno schrieb:
> Da gebe ich dir mal noch paar Suchbegriffe:
> WSJT
> QRSS
> Korrelation
> PSK31
> Lock-in-Verstärker
> spread-spektrum-modulation
>
> Da hast du erstmal bissel was durchzuarbeiten :-)

Vielen Dank, ackere ich durch!

Um noch etwas Kontext zu meiner Frage zu liefern und weil euch 
vielleicht auch meine Beweggründe interessieren.

In meiner Diplomarbeit, in der ich ein Funksystem für Amateurfunk über 
Satelliten im 13 cm Band entwickeln. Die zu übertragende Datenrate 
sollte 1 MBit betrage am Boden hatte ich eine Antenne von (ich glaube) 
14 dBi und auf dem Amateurfunksatelliten eine Antenne von -3 dBi.

Der Satellit sollte nur 10x10x10 cm groß sein, so dass er keine 
Lageregelung und keine ordentlich Antenne an Bord hatte.

Die Entfernung wurde mit (ich glaube) 600 km angegeben.

Leider hatte sich schon beim überschlägigem Erstellen des Link-Budgets 
ergeben, dass mein SNR am Boden ca -20 dB betragen würden. Leider fand 
ich damals keine geeignete Methode um die anfangs gewünschte Datenrate 
doch noch zu erreichen.

Sicher fragt ihr euch jetzt warum ich immer noch auf dieser 
Fragestellung herumkaue, die Sache ist schließlich Jahre her und an 
meiner DA wird die Antwort auch nichts mehr ändern.

Die Antwort ist ganz einfach: Ich kann einfach nicht anders. Ich suche 
so lange nach einer Antwort auf eine Frage, bis ich eine 
zufriedenstellende Antwort gefunden habe. So bin ich halt.

Da bei mir in kürze die Amateurfunkprüfung Klasse A ansteht, ist das ein 
Anlass mich noch einmal mit dieser Frage zu befassen.

Sinus schrieb:
> Danke für die schnellen Antworten.
>
> Wenn ich das richtig sehe, geht das wohl nur mit vergleichsweise kleinen
> Symbolraten.

TANSTAAFL

Sinus schrieb:
> Die zu übertragende Datenrate sollte 1 MBit betrage

20dB unter dem Rauschen und 1MBit -
Da wirst du aber eine ziemlich grosse Bandbreite brauchen...

Hanno schrieb:
> Sinus schrieb:
>> Die zu übertragende Datenrate sollte 1 MBit betrage
>
> 20dB unter dem Rauschen und 1MBit -
> Da wirst du aber eine ziemlich grosse Bandbreite brauchen...

Wie sich das mit der Bandbreite verhielt weiß ich leider nicht mehr 
genau. Modulationsart war glaube ich QPSK oder BFSK.

Das Endergebnis war, dass es sich nicht so umsetze ließ wie 
beabsichtigt.

Puck der Gnom schrieb:
> TANSTAAFL
IFLORTR!

Ich finde das schon ok, wenn da einer an sowas dranbleibt!

Zur Erklärung: Ohne großartige Signalverarbeitung verstanden zu haben, 
ist sicher klar, dass man einfach dadurch, dass man das Rauschen 
wegmittelt, jedes Signal rekonstruieren kann, wenn es mit entsprechender 
Redundanz gesendet wird.

Also einfach einfach einen Sinus einer bekannten Frequenz von z.B. 1kHz 
eine Minute lang senden und  ein Filter drauf ansetzen und er wird sich 
durchsetzen.

Gerhard H. schrieb:
> Die GPS-Signale liegen selbstverständlich über dem Rauschen.

... dann drehe mal mit einem Empfänger, der die Gold-Codes nicht kennt, 
über die Frequenz...

Welche Signal- und welche Rauschleistungsdichte misst du da?
Es geht um das SNR im Empfangsband am Antenneneingang des Empfängers.
Mit dem Entspreizen hast du doch schon einen erheblichen Teil geleistet, 
um das Rauschen aus dem Empfangsband vom Signal zu trennen.

Wie hiess der Kerl noch - Cannon ? ---
(Wo ist Fränk ? - Fränk hatte keine Zeit ...)
---
https://de.wikipedia.org/wiki/Shannon-Hartley-Gesetz

Sinus schrieb:
> Das mit dem GPS war mir z.B.: noch nicht bekannt. Ich werde da mal
> weiter suchen.

Das mit dem GPS stimmt jedoch nicht wirklich.

Richtig ist, daß die Satelliten alle auf der gleichen Frequenz senden 
UND daß sie mit niedriger Baudrate senden.

Aber damit sie sich nicht gegenseitig ins Gehege kommen, verwürfeln 
(verXORen)sie ihr Sendesignal selbst und künstlich und zwar mit einem 
Bitmuster, das spezifisch für den betreffenden Satelliten ist. Das 
ergibt dann ein Quasi-Rauschen.

Im Empfänger muß man nun eben dieses Rauschen empfangen und mit der 
Bitfolge des Satelliten "entwürfeln", dessen Signal man lesen will. 
Dadurch taucht dessen Signal nach Mittelung bzw. Filterung aus dem 
Quasirauschen wieder auf.

Das Ganze hat also nichts mit dem Empfangen von Signalen unter echtem 
Rauschen zu tun.

In solchem Falle kann man die Sendung lediglich mehrfach in bekanntem 
Zeitraster wiederholen, um auf Empfängerseite diese Wiederholungen zu 
überlagern und so umso mehr Rauschen herauszumitteln, je mehr 
Überlagerungen man macht. Dadurch kommt man theoretisch beliebig tief 
unter den Rauschpegel - aber zu dem Preis von ebenso beliebig vielen 
Wiederholungen und entsprechend zusammengeschrumpfter Nutz-Bandbreite.

W.S.

Sapperlot W. schrieb:
> Signale aus dem Rauschen zu holen bedeutet immer : Bandbreite
> verkleinern.

Das andere "immer" wäre z.B. noch die Korrelation oder, oder, oder...

Ralph B. schrieb:
> Doch hat sie schon.

Ach nö. Das, was man im Bandscope bei den GPS-Satelliten sieht, steht 
eindeutig über dem natürlichen Rauschen (sonst findet der RX nicht 
einen einzigen Sat) und es ist im Grunde eben kein Rauschen, sondern nur 
ein Quasi-Rauschen. Es ist was Bekanntes, das man schon vorher weiß und 
deshalb herausrechnen kann.

Bei einem Signal, was unter echtem Rauschen liegt, kannst du garnichts 
außer Überlagern - und damit Bandbreite reduzieren - machen. Das geht 
aber nur, wenn du die Struktur des Signals bereits kennst und wenn 
sendeseitig für sowas die entsprechenden Vorkehrungen getroffen wurden.

W.S.

So ganz nebenbei ist die Funktion von Korrelation auch die Bandbreite zu 
verkleinern...

Korrelation = Signal mit Referenz multiplizieren & Filter drueber

Hp M. schrieb:
> Solange, bis nur noch der Träger übrig ist...

Dann hast du aufs falsche Pferd gesetzt.
Nimm Einseitenbandmodulation, da wird der Träger erst gar nicht auf den 
Sender gegeben, sondern nur eines der Seitenbänder.

>> Solange, bis nur noch der Träger übrig ist...

> Dann hast du aufs falsche Pferd gesetzt.

Der Träger ist (im nachrichtentechnischen Sinn) "bekannt", er ist 
redundant, d.h. "überträgt" keine Information.
Überträgt man ihn trotzdem (AM-Rundfunk) entfernt sich die 
Leistungsfähigkeit des Informationskanals noch weiter vom theoretischen 
Maximum.