LNTwww:About LNTwww

Welcome to the English version of LNTwww

$\text{https://en.lntwww.de}$  is an e-learning tutorial for Communications Engineering with nine didactic multimedia textbooks including exercises with solutions, learning videos, and interactive applets.  It is offered by the  Institute for Communications Engineering  $\rm (LNT)$  of the  Technical University of Munich  $\rm (TUM)$. 

⇒   It is freely accessible,  registration is not necessary and no system requirements are needed.

The German-language version   $\text{https://www.lntwww.de}$   ⇒   "$\rm L$erntutorial für $\rm N$achrichten$\rm T$echnik im $\rm w$orld $\rm w$ide $\rm w$eb"  was created between 2001 – 2021 by members of our Institute.  The toolbar entry  "Deutsch"  takes you to the German original.

In spring 2020, we started the English translation.  The interim status in October 2021 is:

• The books  "Signal Representation",   "Information Theory"  and  "Mobile Communications"  are completed  (Book & Exercises).
• The books  "Linear and Time-Invariant Systems",   "Theory of Stochastic Signals"  and  "Modulation Methods"  are in progress.
• The other three textbooks have not yet been started.

$\rm LNTwww$  is based on the management software  MediaWiki,  known by the encyclopedia "WIKIPEDIA".  In the following you can find a kind of  "User Manual"  about our e-learning tutorial.  Corresponding links to the file "About LNTwww" are provided at the bottom of each page between  Privacy policy  and  Disclaimers.

Since we have only translated part of the German version so far, there are still some limitations regarding the already finished books.  You can find this via the link  $\text{Information}$.  If you notice any deficiencies regarding content, presentation or handling, please send us a detailed report by e-mail to  "LNTwww (at) LNT.ei.tum.de".

$\text{Have fun and good luck!}$   We would be pleased if we could arouse your interest in our  $\rm LNTwww$.  We wish you a good learning success.

Munich, October 2021           $\text{Gerhard Kramer}$,   $\text{Javier Garcia Gomez}$,   $\text{Günter Söder}$,   $\text{Tasnád Kernetzky}$

Content

(A)   The didactic concept of LNTwww

Zu Beginn der Arbeiten zu  $\rm LNTwww$  im Jahre 2001 haben wir uns selbst die folgenden „Zehn Gebote” vorgegeben. Diese gelten auch heute noch:

(1)   Das Lehrgebiet „Informationstechnik und Kommunikationstechnik“  $\text{(I&K)}$  inklusive zugehöriger Grundlagenfächer wird in didaktisch und multimedial aufbereiteter Form präsentiert.

(2)   Ausgewählt wurden neun Fachgebiete, die jeweils durch ein in sich abgeschlossenes Buch im Umfang einer einsemestrigen Lehrveranstaltung mit drei bis fünf Semesterwochenstunden behandelt werden.

(3)   Die Zielgruppe unseres Online-Angebotes sind Studierende der Informations- und Kommunikationstechnik, speziell der Nachrichtentechnik, sowie praktizierende Ingenieure („Berufliche Weiterbildung”).

(4)   Es sollen insbesondere auch die Zusammenhänge zwischen verschiedenen Teilgebieten aufgezeigt werden, was durch eine in allen Büchern weitgehend konsistente Nomenklatur gefördert wird.

(5)   $\rm LNTwww$  bietet zwei Lernmodi an:   Anfänger sollten sequenziell vorgehen  –   für Fortgeschrittene eignet sich die Nutzung als Tutorial (zunächst Aufgaben bearbeiten, bei bei erkannten Defiziten Sprung zur Theorie).

(6)   Die Theorie wird wie in einem herkömmlichen Lehrbuch für Ingenieure durch Texte, Grafiken und mathematische Herleitungen erläutert.  Zusätzlich beinhaltet jedes Kapitel mindestens ein multimediales Modul.

(7)   $\rm LNTwww$  soll dem Benutzer vielfältige Interaktionsmöglichkeiten bezüglich der Auswahl und Darstellung von Theorieleilen,  Aufgaben,  Lernvideos sowie Multimedia- und Berechnungsmodulen bieten.

(8)   Die Methodik der für das „world wide web” typischen Hyperlinks wird ausgiebig genutzt, innerhalb des  $\rm LNTwww$  und nach außen.  Damit sollen auch Zusammenhänge zwischen verschiedenen Lehrgebieten aufgezeigt werden.

(9)   Um zu verhindern, dass sich ein Nutzer in seiner Lernumgebung verirrt und er  $\rm LNTwww$  nur zum „Surfen” nutzt, muss für ihn jederzeit trotz gewisser Freiheiten ein zielgerichteter Weg erkennbar sein.

(10)  Aus Gründen der Nachhaltigkeit des Lernerfolgs gibt es Ausdruckmöglichkeiten, dabei ignorierend, dass die heutige Studentengeneration dies oft als „Rückfall in das Analogzeitalter“ abwertet.

(B)   Content and scope of LNTwww

$\rm LNTwww$  is a virtual course totaling  $\text{36 SWS}$  (semester hours per week) 

• with  $\text{23 SWS}$  (quasi-)lectures
• and  $\text{13 SWS}$  exercises. 

It is organized in book form.  Each book contains a one-semester course.

1. Signal Representation   ⇒   More Information,
2. Linear and Time Invariant Systems   ⇒  More Information,
3. Theory of Stochastic Signals   ⇒  More Information,
4. Information Theory   ⇒  More Information,
5. Modulation Methods   ⇒  More Information,
6. Digital Signal Transmission   ⇒  More Information,
7. Mobile_Communications   ⇒  More Information,
8. Channel Coding   ⇒  More Information,
9. Examples of Communication Systems   ⇒  More Information.

• The theory pages of all books result in the print version in approx.  $1500$  pages (DIN A4) and contain on average one and a half graphics per page. 
• In addition, LNTwww provides via the link  "Biographies & Bibliography"  a subject-specific bibliography with approx.  $400$  entries, plus links to the WIKIPEDIA biographies of important scientists.

(C)   Design and structure of LNTwww

Man erreicht die neun Fachbücher und „Biografien & Bibliografie”  über den Link „Zur Büchersammlung”.  Von dieser Oberfläche gelangt man zu den einzelnen Büchern.  Jedes Buch ist in verschiedene  $\rm Hauptkapitel$  unterteilt, jedes Hauptkapitel in mehrere  $\rm Kapitel$  und jedes Kapitel umfasst mehrere  $\rm Seiten$.

$\text{Beispiel 1:}$  Wir betrachten das Buch  „Signaldarstellung”.  Dieses beinhaltet fünf  "Hauptkapitel", unter anderem  „Grundbegriffe der Nachrichtentechnik”.

• Durch Anklicken des ersten Hauptkapitels kann man zu drei  "Kapiteln"  gelangen, u. a. zum ersten Kapitel  „Prinzip der Nachrichtenübertragung”.  Ein solches Kapitel entspricht einer abgespeicherten MediaWiki–Datei.
• Das beispielhafte Kapitel „Prinzip der Nachrichtenübertragung” beinhaltet zehn  "Seiten".  Die beiden letzten Seiten sind nahezu in allen Kapiteln gleich, nämlich  „Aufgaben zum Kapitel”  sowie  „Quellenverzeichnis”.

(D)   Content overviews for LNTwww

Eine Kurzübersicht über alle Bücher gibt es auf der Auswahloberfläche  „Büchersammlung”. 

• Mehr Informationen liefern die „Titelseiten” der einzelnen Bücher.
• Den jeweiligen Hauptkapitelinhalt findet man im jeweils ersten Kapitel auf der jeweils ersten Seite.

$\text{Beispiel 2:}$  Die Titelseite des Buches  „Mobile Kommunikation”  liefert folgende Informationen:

• Eine kurze Zusammenfassung,
• Umfang des Lernangebots:  $3{\rm V} + 2{\rm Ü}$,  vier Hauptkapitel; sechzehn Kapitel,
• Links zu den vier Hauptkapiteln,
• Links zu den Aufgaben, Lernvideos und interaktiven Applets des Buches „Mobile Kommunikation”,
• Literaturempfehlungen zum Buch,
• Weitere Hinweise zum Buch  (Autoren, Weitere Beteiligte, Materialien als Ausgangspunkt des Buches, Quellenverzeichnis).

Den Inhalt des ersten Hauptkapitels „Zeitvariante Übertragungskanäle” findet man auf der Seite  # ÜBERBLICK ZUM ERSTEN HAUPTKAPITEL #.

(E)   LNTwww exercises

Sie finden die Aufgabenübersicht für alle Bücher  ( ca.  $640$  Aufgaben, ca.  $3100$  Teilaufgaben)  auf der Startseite über den Link  „Aufgaben”.  Bitte beachten Sie:

• Jede Aufgabe besteht aus mehreren „Teilaufgaben”.  Eine Aufgabe ist nur dann richtig gelöst, wenn alle Teilaufgaben richtig sind.
• Zu jeder Aufgabe gibt es eine ausführliche  "Musterlösung", manchmal auch mit der Angabe mehrerer Wege zum Ziel.
• Als Aufgabentypen werden verwendet:

1. "Single Choice"   ⇒   nur eine der  $n$  vorgegebenen Antworten ist richtig;
2. "Multiple Choice"   ⇒   von den  $n$  vorgegebenen Antworten können zwischen Null und  $n$  Antworten richtig sein;
3. "Rechenaufgabe"   ⇒   Zahlenwertabfrage, eventuell mit Vorzeichen;
       bei der Überprüfung reellwertiger Ergebnisse werden geringe Abweichungen  $($meist  $\pm 3\%)$  zugelassen.

• Wir unterscheiden zwischen  "Aufgaben"  (zum Beispiel „Aufgabe 1.1”) und  "Zusatzaufgaben"  (zum Beispiel „Aufgabe 1.1Z”).
• Konnten Sie alle Aufgaben eines Kapitels problemlos lösen, so sind Sie nach unserer Einschätzung mit dem Kapitelinhalt vertraut.  Haben Sie eine Aufgabe falsch gelöst, so sollten Sie auch die folgende, meist etwas einfachere Zusatzaufgabe bearbeiten.

$\text{Beispiel 3:}$  Zu den  $93$  Aufgaben/Zusatzaufgaben des Buches „Signaldarstellung” gelangt man über den Link  „Aufgaben zu Stochastische Signaltheorie”. 

• Von dort aus geht es dann weiter zu den einzelnen Aufgaben,  zum Beispiel zu  Aufgabe 1.1: „Würfelspiel”.  Diese relativ einfache Aufgabe besteht aus einer "Multiple Choice" und einer Rechenaufgabe.  Sie erkennen, dass die Musterlösung sehr ausführlich ist und sogar ein Kurzvideo beinhaltet.

• Aber es gibt auch deutlich schwierigere Aufgaben in  $\rm LNTwww$.  Obwohl MediaWiki auch Rechenaufgaben als „Quiz” bezeichnet, ist deren Beantwortung meist deutlich schwieriger als bei „Jauch”.   Weil:  Bei einer Rechenaufgabe gibt es keine vorgegebenen Antworten, und zudem müssen oft vorher Integrale gelöst werden wie beispielsweise in der  Aufgabe 4.4: Gaußsche 2D-WDF.
• Wir empfehlen Ihnen:  Drucken Sie die Aufgabe zunächst aus   ⇒   $\rm Druckversion$  und lösen Sie die Aufgabe „offline”, bevor Sie die Kontrolle „online” vornehmen.

(F)   LNTwww learning videos

Zu den circa  $30$  Lernvideos gelangen Sie über den gleichnamigen Link auf der Startseite.  Die Realisierung eines Lernvideos erforderte folgenden Einzelschritte:  Drehbuch und Texte schreiben   –   Foliensatz erstellen mit nur geringen Unterschieden zwischen aufeinanderfolgenden Folien   –   Texte sprechen, schneiden und Audiobearbeitung   –   Zusammenfügen von Texten und Bildern zu einem zusammenhängenden Video-Stream.

• Klickt man diesen an, so erscheint eine  "Liste"  aller Lernvideos, gruppiert nach Fachbüchern. Manche Videos erscheinen bei mehreren Büchern.
• Nach Auswahl des gewünschten Lernvideos erscheint eine Wiki-Beschreibungsseite mit kurzer Inhaltsangabe und Bedienoberfläche.
• Von hier aus kann man das Video im mp4– und ogv–Format starten.  Der Browser sucht sich das passende Format.
• Die Videos können von vielen Browsern  (Firefox, Chrome, Safari, ...)  sowie Smartphones und Tablets wiedergegeben werden.
• Der unterste Link liefert alle verfügbaren Lernvideos in alphabetischer Reihenfolge.

$\text{Beispiel 4:}$  Wir betrachten beispielhaft unser Angebot  „Analoge und digitale Signale”.  Dieses stellt ein zweiteiliges Video im mp4– und ogv–Format bereit.

• Jeder Videoteil kann durch Einfach-Klick gestartet werden und durch einen weiteren Klick angehalten werden.

• Die Wiedergabegeschwindigkeit der Videos kann verändert werden:
  • Firefox bietet nach einem Rechtsklick aufs Video ein Untermenü an.
  • Für Google Chrome kann man z.B. das Plugin „Video Speed Controller„ installieren.

(G)   LNTwww applets

Zu den bereitgestellten „interaktiven Applets” gelangen Sie über den gleichnamigen Link auf der Startseite.

• Klickt man diesen an, so erscheint eine "Liste" aller Applets, gruppiert nach Fachbüchern.  Wir unterscheiden zwischen den neueren  $\text{HTML 5/JavaScript}$–Applets  (in den jeweiligen Listen oben)  und den älteren  $\text{SWF}$–Applets  (darunter).  Letztere funktionieren leider nicht auf Smartphones und Tablets.
• Nach Auswahl eines $\text{HTML 5/JS}$–Applets  erscheint eine Wiki-Beschreibungsseite mit Inhaltsangabe, einem oft längeren Theorieteil und anschießend der Versuchsdurchführung mit Musterlösungen.  Am Anfang und Ende dieser Seite gibt es jeweils Links zum eigentlichen HTML5–Applet in deutscher und englischer Sprache.

$\text{Beispiel 5:}$  Die didaktische Bedeutung der Applets soll anhand von  „Augendiagramm und ungünstigste Fehlerwahrscheinlichkeit”  belegt werden.  Das Augendiagramm ist ein bewährtes Tool der Übertragungstechnik, um den Einfluss von Leitungsdispersionen auf das Qualitätsmerkmal „Fehlerwahrscheinlichkeit“ zu erfassen.  Dieses dient der Verdeutlichung schwierigerer Sachverhalte, im Beispiel der schrittweisen Kon-struktion des Augendiagramms aus der Symbolfolge.

Das Programm bietet sehr viele Einstellungsmöglichkeiten.  Nicht jede Einstellung bringt aber dem Nutzer einen relevanten Lernerfolg und noch weniger führen zu einem so genannten „Aha-Effekt“.  Deshalb führen wir den Nutzer anhand der Versuchsdurchführung gezielt durch das Programm.  Er muss verschiedene Aufgabe lösen:  Ergebnisse vorhersagen und bewerten, Parameter optimieren, usw.

Applets haben eine ähnliche Funktion wie Praktika in mathematisch-naturwissenschaftlichen Studiengängen:  Ergänzung von Vorlesung/Übung durch selbständiges Arbeiten des Studenten zur behandelten Thematik.  Ein „Top 10%“-Student hat natürlich die Möglichkeit, sich mit Hilfe des Applets über die Versuchsdurchführung hinausgehende Aufgaben zu stellen und so sehr tief in den dargelegten Lehrstoff einzudringen.

Neben diesen rund  $30$  HTML 5/JS–Applets  bieten wir weiterhin noch einige unserer  $50$  SWF-Applets  (Shock Wave Flash)  an.  Diese wurden für "Adobe Flash" programmiert.  Da das Flashplayer Browser Plugin aus Sichheitsgründen nicht mehr unterstützt wird, müssen diese Applets mit der „Projektor–Version” geöffnet werden.

Die Projektor–Version müssen Sie nicht installieren und es wird nicht in Ihren Browser integriert.  Es gibt also dahingehend keine Sicherheitsbedenken, sofern Sie unserem  $\rm LNTwww$  vertrauen.  Auf den entsprechenden Wiki–Seiten finden Sie die Projektorversion des Flashplayers und natürlich das Applet selber.

(H)     The download area of LNTwww

Alle Texte zu LNTwww finden Sie als PDF unter dem Link   Zum Download-Verzeichnis

! Noch überarbeiten !

(I)   History of LNTwww

Am  Lehrstuhl für Nachrichtentechnik  $\rm (LNT)$  der  Technischen Universität München  $\rm (TUM)$  wurden von 1984 bis 1996 zwei  Lehrsoftwarepakete  $\text{(LNTsim, LNTwin)}$  realisiert, die in unseren Praktika eingesetzt wurden.  Auch verschiedene andere Universitäten haben diese Programme in der Lehre benutzt.

Zu Beginn der ersten Internet-Euphorie gab es Anfragen von Studierenden, ob wir solche Simulations- und Demonstrationsprogramme auch online bereitstellen könnten.  Nach reiflicher Überlegung  („Lohnt sich der zu erwartende große Aufwand?“)  begann Günter Söder  mit der Planung von von „LNTwww.v1“  (2001).  Co-Verantwortlicher war  Klaus Eichin, der schon in den 1970er Jahren beim „Computerunterstützten Unterricht“ sehr aktiv war – so hieß „E-Learning“ damals.  2011 sollte das Projekt spätestens beendet sein.

Inhaltlich wurde von den Unterrichtsmaterialien von Klaus Eichin und Günter Söder sowie von  Norbert Hanik  (Professur „Leitungsgebundene Übertragungstechnik”) ausgegangen. Berücksichtigt wurden auch andere Vorlesungsunterlagen, die am Lehrstuhl für Nachrichtentechnik unter den letzten vier Lehrstuhlinhabern entstanden sind:

• Professor Hans Marko  (1962– 1993),
• Professor Joachim Hagenauer  (1993– 2006),
• Professor Ralf Kötter  (2007–2009) und
• Professor Gerhard Kramer  (seit 2010).

Bevor mit der Umsetzung unserer Ideen begonnen werden konnte, musste von mehreren engagierten und IT-affinen Studenten im Rahmen von Abschlussarbeiten noch die Plattform „LNTwww“ entwickelt werden.  Das Autorensystem basierte auf dem http-Server „Apache“, der Datenbank „MySQL“ und der Scriptsprache „Perl“.  In die für die damalige Zeit riesengroße Datenbank wurden alle eingegebenen Entitäten  (Texte und Textfragmente, Gleichungen, Grafiken, Hyperlinks, multimediale Elemente, etc.)  abgelegt, dazu verschiedene Darstellungsmerkmale zur farblichen Hinterlegung von Definitionen, Beispielen, etc.

• Als technische Basis für die Multimedia-Anwendungen entschieden wir uns für Shock Wave Flash (SWF).  Die Entscheidung war einfach, denn dieses Tool war damals anerkanntermaßen am besten geeignet.

• Die anstehenden Arbeiten der folgenden Jahre waren die Anpassung der Manuskripte an Online-Betrieb, die Eingabe in die Datenbank mit der recht komplizierten LNTwww-Syntax, die Erstellung der Grafiken sowie die Konzipierung und Realisierung multimedialer Elemente.

Aber erst 2016 – nach fünfzehn Jahren und fünf Jahre nach der geplanten Fertigstellung - war der gewünschte Endzustand von „LNTwww.v2“ erreicht.  Gleichzeitig wurde bekannt, dass die Basis „SWF“ unserer Multimedia-Anwendungen zukünftig von relevanten Herstellern nicht mehr unterstützt werden wird.

Diese Tatsache und die von einigen Nutzern hörbare Kritik am inzwischen zu biederen Design  (unser Autorensystem war auf dem Stand von 2003)  waren ausschlaggebend für einen Neustart mit „LNTwww.v3“, basierend auf MediaWiki (bekannt durch WIKIPEDIA).

• Die Umsetzung auf „LNTwww.v3“ dauerte mehr als vier arbeitsintensive Jahre.  Bei mathematisch-naturwissenschaftlichen Inhalten ist die Portierung in eine andere E-Learning-Basis  (wie hier von „LNTwww“ nach „MediaWiki“)  aufgrund vieler Sonderzeichen, Kursiv-, Hoch- und Tiefstellungen nur manuell möglich.
• Die Umsetzung der Lernvideos  (von „swf“ nach „mp4“ bzw. „ogv“ )  konnte weitgehend automatisiert erfolgen.  Dagegen erforderte die Umsetzung der interaktiven Applets  (von „swf“ nach „HTML5/JS“)  eine Neuprogrammierung, an der wie schon in den Jahren zuvor viele unserer Studentinnen und Studenten beteiligt waren.

Nach einigen Kontroll– und Korrektur–Iterationen wird nun im März 2021 unser e-Learning-Angebot  $\text{https://www.LNTwww.de}$  endgültig freigegeben, ziemlich genau zwanzig Jahre nach der ersten Planung und zehn Jahre nach der geplanten Fertigstellung. 

Inhaltlich unterscheidet sich diese dritte Version nicht nur unwesentlich von der zweiten, doch insbesondere die multimedialen Elemente wurden hierdurch wesentlich verbessert.  Wir gehen davon aus, dass „MediaWiki“ für einige Jahre der Quasi-Standard für Internet-Anwendungen bleibt.  Dann hätte sich dieser Aufwand gelohnt.

(J)   Acknowledgement

Der noch immer  $\rm LNTwww$–Verantwortliche Günter Söder bedankt sich auch im Namen des Lehrstuhls für Nachrichtentechnik der TU München und dessen Leiter Gerhard Kramer bei den vielen an der Entstehung von  $\rm LNTwww$ Beteiligten,

• an erster Stelle bei den zwei Co-Verantwortlichen  Dr. Klaus Eichin  (bis 2011, neben der Planung auch Co–Autor) und  Tasnád Kernetzky (seit 2016, verantwortlich für die Systemkonfiguration und –administration sowie die Umsetzung auf MediaWiki, HTML5/JS, MP4);

• bei  Martin Winkler  und  Yven Winter,  die mit ihren Diplomarbeiten Anfang der 2000er Jahre die technischen Grundlagen geschaffen haben; letzterer war noch bis 2016 ehrenamtlicher Systemadministrator;

• bei Prof.  Norbert Hanik (Professur „Leitungsgebundene Übertragungstechnik” – Co–Autor einiger Bücher und eifriger Weiterverbreiter unserer Lernangebote in seinen Vorlesungen)  sowie  bei seinen Doktoranden  Dr. Bernhard Göbel  und  Benedikt Leible;

• bei den ehemaligen  LNT-Kollegen Dr. Ronald Böhnke,  Dr. Joschi Brauchle,  Dr. Thomas Hindelang,  Prof. Gianluigi Liva,  Dr. Tobias Lutz,  Dr. Michael Mecking,  Dr. Markus Stinner,  Dr. Thomas Stockhammer,  Dr. Johannes Zangl  und  Dr. Georg Zeitler, die als Co–Autoren oder Experten mitwirkten oder studentische Arbeiten betreuten;

• bei allen Kolleginnen und Kollegen des LNT, die uns bei vielen oft langwierigen und nervtötenden Arbeiten tatkräftig unterstützt haben:  Doris Dorn (hat unzählige Texte und Gleichungen in der kompliziertenLNTwww–Syntax eingegeben), Manfred Jürgens, Martin Kontny, Winfried Kretzinger, Robert Schetterer und Christin Wizemann;

• bei vielen  an LNTwww beteiligten Studierenden – hinter diesem Link verbergen sich fast fünfzig Studentinnen und Studenten, die zwischen 2001 und 2021 im Rahmern von Ingenieurspraxis, Zulassungs–, Diplom–, Bachelor– und Masterarbeiten oder im Rahmen einer Werkstudententätigkeit Teilgebiete selbständig bearbeitet, Lernvideos und interaktive Applets Elemente gestaltet oder die Portierung zur MediaWiki–Version umgesetzt haben;

• bei der  Fakultät für Elektrotechnik und Infomationstechnik  und der  Technischen Universität München  für die Finanzierung von Werkstudenten im Rahmen der Förderprogramme  „MoliTUM”  bzw.  „EXIni”  in den Jahren seit 2016.