VIT 2-2014

Vernetzte IT-Systeme2. Übertragungstechnische Grundlagen

Prof. Dr. Volkmar Langer

Florian Schimanke

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http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/




2.1 Betriebs- und Übertragungsarten


Florian Schimanke

Prinzipieller Übertragungsablauf

Übertragungstechnische Grundlagen

Analog-quelle

Digital-quelle

A/D Wandler

Digital-senke

D/A Wandler

Analog-senke

Digital-Kanal

Quellenkodierungggf. Komprimierung

Rahmenbildung

KanalcodierungFehlererkennungFehlerkorrektur

Leitungskodierung

Übertragungskanal

Leitungsdekodierung

Quellendekodierung ggf. Dekomprimierung

Entpacken

Demodulation

Entwürfler(Descrambler)

Modulation

Verwürfler(Scrambler)

Fehlersicherung Fehlererkennung Fehlerkorrektur

Daten der Anwendung(ASCII Zeichen, …)in Binärformat

optional

Zerlegung in Datenblöcke

Hinzufügen von Synchronisations-informationen

Hinzufügen von Redundanz

4

Betriebsarten


Betriebsarten

Übertragungstechnische Grundlagen Seite 6

Simplexbetrieb sx (Richtungsbetrieb):

Halbduplexbetrieb hx (Wechselbetrieb):

Duplex- od. Vollduplexbetrieb dx (Gegenbetrieb):

Sender Empfänger

Empfänger

Sender Sender

Empfänger

Sender/Empfänger

Sender/Empfänger

6

nur eine Richtungz.B. TV; Radio

abwechselnd beide Richtungen z.B. Funksprechverkehr

gleichzeitig beide Richtungenz.B. IT-Netzwerke

Übertragungsarten


Asynchron Synchron

Grundsätzlich ist eine Synchronisationzwischen Sender und Empfänger notwendig!

Seite 8

asynchrone Übertragung

synchroneÜbertragung

paralleleÜbertragung

Handshake-Betrieb

gemeinsame Taktleitung

serielleÜbertragung

Start-Stop-Verfahren

geeigneter Leitungscode oder Scrambler

(gemeinsame Taktleitung)

Übertragungsarten


Unterscheidung asynchron/synchron: wie diese Synchronisation, d.h. die Erzeugung eines Gleichlaufs zwischen

Sender und Empfänger hergestellt wird

wie lange dieser Gleichlauf gesichert ist, bzw. in welchen Abständen neu synchronisiert werden muss

9

Asynchrone Übertragung


Ein System arbeitet asynchron, wenn die zeitliche Folge der einzelnen Operationen …

gesteuert wird!

Start-Stop-Betriebgetrennte Taktgeneratoren bei Sender und Empfänger jedes Zeichen beginnt mit einem Startbit und endet mit einem oder

mehreren StoppbitsStartschritt Stoppschritte

Pause Nächstes Zeichen

Nutzschritte

Zeichenrahmen

Zeit

10

unabhängig von einem zentralen Takt

Synchrone Übertragung


Blockorientiertes Verfahren: Informationen werden in Blöcken übertragen, d.h. es …

Die eigentliche Synchronisation erfolgt …

Übertragung erfolgt auch hier innerhalb eines Steuerrahmens

Blocksynchronisation (Synchronbetrieb)

Zeit

Zeichen des Blocks

Block

Block-start-muster 1. 2. n.

Block-ende-muster

Zeichen

…

11

besteht eine Synchronisation über einen längeren Zeitraum

zu Beginn durch spezielle Sync-Zeichen

Block-/Paketgröße

Kritische Parameter:– mit zunehmender Blocklänge steigen die Anforderungen an den …


[1] Kap.4

12

- Gleichlauf zwischen Sender und Empfänger

Gleichlaufschwankungen

- Fehlerkorrektur wird zunehmend aufwendiger

- Zwischenspeicherung/Puffergröße


2.2.1 Übertragungsmedien und -strategien


Florian Schimanke

Klassifikation der Medien


Funk

Richtfunk terrestrischer Rundfunk

Satelliten-Direktfunk Satelliten-Rundfunk

„Medien“

leitungsgebunden nicht leitungsgebunden

Stromleiter Wellenleiter gerichtet ungerichtet

verdrillte Kupfer Doppellader

geschirmt(shielded)

ungeschirmt (unshielded)

Koaxialkabel

Hohlleiter

Lichtwellenleiter(Glasfaser)

Laserstrecke

15

Medien im elektromagnetischen Spektrum


leitungsgebundene Übertragungstechniken

verdrillte Adern Koaxialkabel

10³

nicht-leitungsgebundene Übertragungstechniken

Hohlleiter

optische Fasern

Langwellen- Radio

Mittelwellen- Radio

KurzwellenFernsehen

Mikrowellen Infrarotsichtbares Licht

105 107 109 1011 1013 1015

Hz

17

Kupfer-Doppelader (DA)

• vielfältiger Einsatz in Telefon- und Datennetzen

• Leiterdurchmesser: 0,4 - 0,9 mm• Bandbreite: einige 100 kHz bis ca. 600 MHz• Fachbezeichnung:

Unshielded Twisted Pair (UTP)• verschiedene Qualitätsklassen, z. B. UTP 3,

4, 5, 6 bis zu 2,5 Gbit/s• vollduplex (z.B. CAT 5)• unterschiedliche Bauformen


KupferleiterKunststoffisolation

verdrillt

18

Warum verdrillt?

Kompensation der Induktion

Bauformen Twisted Pair im Querschnitt


Twisted-pair-Kabel

UTP S/UTPSTP/FTP

S/STP/S/FTP

Kupferader

Kunststoff-isolation

UTP-Kabel

Kunststoff- aussenmantel

S/UTP-Kabel

Kupferader



Gesamtschirm (Metallgeflecht)

Kupferader



Metallfolien-schirm

FTP-Kabel

Kupferader


Metallfolien-schirm


Gesamtschirm (Metallgeflecht)

S/FTP-Kabel

19

Warum Abschirmung?

Kompensation elektromagn. Einflüsse von außen!

CAT 7 S/FTP Kabel


Kupferleiter

MetallFolienschirm

Metallgeflecht „Screened“

20

Koaxialkabel

Außenleiter umgibt Innenleiter koaxial

Isolation dient als Dielektrikum (aus Kunststoff oder Gasen)

Signalausbreitung erfolgt im Dielektrikum zwischen den beiden Leitern (Wellenleitung)

Bandbreite: bis ca. 900 MHz


Bild von Tkgd2007, http://bit.ly/17JAcdn , 21.08.2013

21

http://bit.ly/17JAcdn

Lichtwellenleiter (Glasfaser)

• dünne Faser aus Glas (halber Ø eines menschlichen Haares)• Kabel bestehen aus bis zu 2000 Fasern• Wellenlängen 850nm, 1300 nm oder 1550nm• hoher Durchsatz 40 Gbit/s (bis zu 160 Gbit/s)• Repeaterabstand 10 – 100 km


Faserkern (core)

Fasermantel (cladding)

Primäre Kunststoffisolierung

22

Prinzip der LWL


Bild von Gringer (talk), http://bit.ly/1av8I08, 21.08.2013

Totalreflexion

Brechung

23

Verlust

verlustfrei

α

α: Akzeptanzwinkel

http://bit.ly/1av8I08

LWL-TypenPulsverformung durch Dispersion


Monomode – Faser

Multimode – Faser (Stufenindex)

Multimode – Faser (Gradientenindex)

Ein

gan

gssi

gnal

Aus

gan

gssi

gna

l

24

optische Dispersion

LWL-Steckverbinder im LAN


ST Connector

LC Connector

25

Funk- und Satellitentechnik

• Funk: elektromagn.Welle• Frequenzbereich: 104 – 109 Hz• eingeschränkte Reichweite, je nach

Ausgangsleistung der Sender und örtlichen Gegebenheiten

• Datenrate: einige 10…100.000 kbit/s


• Satellitenfunk: elektromagn. Welle• Frequenzbereich: 109 – 1011 Hz• Transponder im Satellit empfängt auf

einem Kanal, sendet auf einem anderen

• mehrere Transponder pro Satellit• hohe Bandbreite (>500 MHz/Kanal)

uplin

k

downlink

26


2.2.2 Übertragungsmedien und -strategien


Florian Schimanke

Strukturierte Verkabelung




DIN EN 50173-1:2011-09

Anwendungsneutrale Kommunikationskabelanlagen

Deutsche Fassung EN 50173-1:2011

Strukturierung in Form von Hierarchieebenen

Ebenen gehören topologisch oder administrativ zusammen!



By Guml1966 (Own work) [CC-BY-SA-3.0 (www.creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons

Drei Bereiche:

Primär = Gebäude zu Gebäude

Sekundär = Etagen zu Etagen

Tertiär = Verteiler zu Endgeräten

900 – 1500m

≤ 500m

100m

Strukturierte Verkabelung - Medien


By Alexander Stohr [CC-BY-SA-3.0 (www.creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) or GFDL (www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], via Wikimedia Commons

x


2.3.1 Signalübertragung und Codierung


Florian Schimanke

A(z)

Daten und Signal

Ein Signal ist die physikalische Darstellung durch räumliche und zeitliche Veränderung physikalischer Größen (elektromagnetische Welle).

Übertragungstechnische Grundlagen 36

t

A(t)

Zeitdiskrete Quantisierung

Betrachtung an einem bestimmten Ort zu bestimmten Zeiten


t

A(t)

zeitdiskrete Abtastung = äquidistante Zeitintervalle

Wertdiskrete Quantisierung


t

A(t)

Betrachtung an einem bestimmten Ort mit bestimmten Werten

wertdiskrete Abtastung = äquidistante Wertintervalle

Signalklassen


zeitdiskretzeitkontinuierlich

wer

tko

nti

nu

ierl

ich

wer

tdis

kret

Analogsignal

Digitalsignal

Kenngrößen periodischer Signale

• Amplitude A(t)• Periodendauer T• Frequenz f = 1/T• Phase


t

A(t)

t

A(t)

T

ᵠ

A(t) = A0 sin(2πf t)

A(t) = A0 sin(2πf t + )

= 2 πf : Kreisfrequenz

W(t, x) = W0 sin (t - x/c) + : Wellenfunktion

Wellengeschw. c

Ortskomponente x

Prinzip der DatenübertragungCodierung und Dekodierung


Störeinflüsse, Rauschen, Burst usw.

Transmit T(t) Receive R(t)

Wichtige Eigenschaften von Codierungsverfahren

• Gleichstromanteil …möglichst gering, wg. R[]

• Übertragungsreichweite …frequenzabhängige Dämpfung D = D()

• Taktrückgewinnung …R(t) sollte Taktrückgewinnung ermöglichen

• Packungsdichte: Anzahl simultan codierter Zeichen …in einem „Schritt“ > 1 Zeichen übertragen

(Baudrate erhöhen)• Fehlererkennung

…möglichst auf Signalebene – schnell!





Florian Schimanke

Signalübertragung und Codierung

48Übertragungstechnische Grundlagen

Transmit T(t) Receive R(t)

Return-to-Zero

• Funktion/Eigenschaften: – Rechteckimpuls nur für „1“ in 1. Hälfte des Bit-/Taktintervalls– Rückkehr in den Grundzustand=Nullsignal

• Bewertung:

– …hoher Gleichstromanteil!

– …keine Taktrückgewinnung bei R(t)


t

T(t) Bit-intervall

1 1 0 1 0 1 0Daten

Non-Return-to Zero

• Funktion/Eigenschaften: – „1“=hoher Pegel; „0“=niedriger Pegel ≠ 0– Signalwechsel an Intervallgrenzen– NRZ ist Standard innerhalb digitaler Systeme

• Bewertung:– …einfach– …keine Taktrückgewinnung– …hoher Gleichstromanteil


t

T´(t) Bit-intervall

1 1 0 1 0 1 0Daten

Manchester Codierung

• Funktion/Eigenschaften: – Mindestens ein Signalwechsel/Bitintervall– einfache Realisierung: XOR-Verknüpfung zwischen Taktsignal und NRZ-

codierten Daten• Bewertung:

– …Gleichstromanteil gering– …einfache Taktrückgewinnung aus R(t)– …Signalwechsel einfach zu verarbeiten


XORNRZ-codierteDaten

Taktsignal Manchester-codiertes Signal

Manchester Codierung


1 0 1 1 1 0 0 1 0 1Daten

Taktsignal

Manchestervgl. G.E. Thomas

Manchestervgl. IEEE 802.3




Florian Schimanke

Basisband- vs Breitbandübertragung

• Basisbandübertragung– digitale Übertragung– gesamtes Frequenzspektrum wird für eine

Übertragung benutzt– Zeitmultiplex– einfache Technik– Beispiel: Ethernet (variable Zuteilung)

• Breitbandübertragung– analoge Übertragung– Unterteilung in mehrere Frequenzkanäle– Frequenzmultiplex– große Distanzen können überbrückt werden

(>10km)– Beispiel: Kabelfernsehen


Ban

dbre

ite

t

Kanal 1

Kanal 2

Kanal 3

Kanal n

…

Ban

dbre

ite

t

Basisband

Prinzip der Modulation


Modulator

Digitalsignal

Trägersignal

Amplituden-moduliertesSignal

Modulationsarten


1 0 1 1 1 0 0 1 0 1Daten

AM

FM

PM

∆ = = 180o

Digitale Signalübertragung – Schritt- vs Übertragungsgeschwindigkeit

• Schrittgeschwindigkeit: Zahl der Signalparameter-Zustandswechsel• Einheit: baud (1/s) …• Übertragungsgeschwindigkeit: Anzahl der übertragenen

Bitstellen/Zeiteinheit• Einheit: bit/s …

Achtung!! Nur für binäre Signale gilt:Schrittgeschwindigkeit=Übertragungsgeschwindigkei

t 60Übertragungstechnische Grundlagen

t

T(t) Bit-intervall

1 1 0 1 0 1 0Daten

Beispiel: 1s

Baudrate

Übertragungsrate

6 bit/s = 6 baud

Mehrwertiges Digitalsignal

Quaternäres Signal


t

T(t)

2Bit-intervall

10 00 11 10 01 11 00Daten

2

1

-1

-2

Schritt

1 baud = 2 bit/s

Modem/DSL - QAM

• QAM: Quadratur-Amplituden-Modulation• Signalparameter: Amplitude A(t) + Phase

ᵠ • abhängig vom Signal/Rausch-Abstand!• QAM bei DSL:

– QAM-16: 1baud = 4bit/s– QAM-64: 1baud = 6bit/s

• QAM bei DVB-C– QAM-256: 1 baud = 8bit/s


ᵠ

A(t)

II

III IV

I


2.4 Erzeugung von Frames


Florian Schimanke

Übertragung in Datenblöcken (frames)

Zur Erinnerung: kritische Länge der Übertragung!


vgl. Kap. 2.1

Gleichlaufschwankungen

Fehlerkorrektur

Zwischenspeicherung

Bestandteile von Datenblöcken (frames)

• Festlegung eines Rahmenformats (PDU = Packet Data Unit oder einfach frame)

• Festlegung von Kontrollinformationen, die von der Sicherungsschicht benötigt werden.– Adressen– Fehlererkennung und -korrektur


Kopf Nutzdaten Nachspann

66

…werden eingerahmt!

Byte-Count-Methode

• Frame-Header enthält Länge des Datenteils– Beispiel: Frame im DDCMP-Protokoll, DECNET:

• Problem: was passiert, wenn Byte-Count fehlerhaft übertragen wird?


8 88

SY

N

SY

N

Cla

ss14 42

Count Header Body

16

CRC

68

Frame-Ende wird nicht erkannt!

Bsp. erstes Ethernetprotokoll

Sentinel-Methode

• Frame-Ende wird durch spezielles Zeichen markiert– Beispiel: Frame im BISYNC-Protokoll (IBM):

• Problem: Das ETX-Zeichen kann auch im Datenteil (Body) vorkommen


SY

N

SY

N

SO

H

Header ST

X

Body ET

X CRC

88888 16

69

!

Bsp.: aktuelles Ethernetprotokoll

Bitstopfen

• Beispiel (HDLC-Protokoll):

• Anfangs- und Endesequenz ist 0 1 1 1 1 1 1 0– wenn z.B. 01111110 im Datenteil erscheint, dann wird grundsätzlich nach 5

aufeinanderfolgenden 1-Bits vom Sender ein 0-Bit eingeschoben (gestopft)!


01111110 Adress 8 Bit Control 8 Bit Daten =>0 01111110

71

STX ETX

011111100111110001111110….01111110 Übertragungsrichtung

... 010111110 000111110 01111110

Flag

StopfbitSender Empfänger

wie ETX

01111110….011111100111110001111110

Bitstopfen, engl. Bitstuffing


2.5.1 Fehlererkennung und Reaktion


Florian Schimanke

Typische Fehlerarten bei der Übertragung

• Physikalische Grenzen des Mediums

– verschiedene Arten der Dämpfung

– Bandbreitenbegrenzung

– thermisches Rauschen

– Übersprechen

– …

• Fehler in Vermittlungseinrichtung• Sabotage von Daten• …


Dämpfung

• Amplitude des gesendeten Signals T(t) wird reduziert• gedämpftes Signal R(t)< T(t)• Verhältnis R(t)/T(t) ist abhängig von Eigenschaften des

Mediums und der Distanz


t

T(t)

t

R(t)

Dämpfungswiderstände

R = U/I

Z = R2+X2

X = XL – XC = L – 1/(C)

Verstärkung und Dämpfung

• Verstärkung:

• Dämpfung:

[5] S.211


Ua

Pa

Ia

>Ue

Pe

Ie

Ua

Pa

Ia

<Ue

Pe

Ie

Verstärkung und Dämpfung

• P/U/I-Verstärkung/Dämpfung


bei – 20 dB: Ua = 10% Ue

Bandbreitenbegrenzung

Signaldämpfung ist abhängig von der Frequenz


t

T(t)

t

R(t)

f

A0

f

A (f)

Bandbreite

∆f = fo - fu

Thermisches Rauschen

• „Hintergrund“-Rauschen = additives Störsignal S(t)• zufällige Verformung des ursprünglichen Signals T(t)• weitere Signalverformung neben Bandbreitenbegrenzung


t

S(t)

t

T(t)

t

R(t)

79

Impulsrauschen - Bursts

• Bursts = additives Störsignal mit ggf. hohen Pegeln und/oder hoher Frequenz

• Signal wird zufällig verformt, neben Bandbreitenbegrenzung


t

S(t)

t

T(t)

t

R(t)

Impuls, EMP

kritisch

Theoretische Kapazität des Übertragungsmediums

Wie hängen Bandbreite und Übertragungsrate zusammen?

Nyquist-Theorem– die max. Datenrate eines rauschfreien Mediums mit dem

Kodierungslevel n und der Bandbreite B ist begrenzt:

C = 2·B·log2(n) [bit/s]

– Bsp.: Telefonleitung B = 3kHz; höherwertiges Signal n=16;


C = 2 3 kHz log2(16) bit = 24000 bit/s

Reale Kapazität des Übertragungsmediums

Durch welchen Faktor wird die Bandbreite in realen Medien begrenzt?

Shannon-Theorem– die max. Datenrate eines realen Mediums ist durch Bandbreite B

und Signal-/Rauschverhältnis S/N begrenzt:

» C = B·log2(1+S/N) [bit/s]

– Bsp.: Telefonleitung B = 3kHz; S/N=30dB; mit S/N=10·log10(S/N) [dB]


[1] Kap. 4.1

82

S/N = 1000/1

C = 3 kHz log2(1+1000/1) bit = 29.900 bit/s


2.5.2 Fehlererkennung und Reaktion


Florian Schimanke

Fehlererkennung


Datenverfälschung

zeichenorientierte Sicherungsverfahren

z.B. Paritätsprüfung

blockorientierte Sicherungsverfahren

z.B. CRC

Datenverlust

eigenständige Quittierung

integrierte Quittierung

Maßnahmen – Reaktion auf erkannte Fehler

Ignorieren:– Echtzeitübertragung z.B. Video-/Audiostream– Bsp.: natürlich sprachliche Texte (ohne Zahlen) mit hoher

Redundanz; Empfänger kann ohne Schwierigkeiten korrigieren (Bitfehlerrate 10-6 3 falschen Buchstaben im 600-Seiten-Buch)

Fehlerkorrektur:1. fehlererkennende Kodierung: Bsp: Hamming-Verfahren

2. Korrektur durch Wiederholung: Bsp: nach CRC-Prüfung

Fehlererkennung: Grundsätzlich durch Redundanz in den übertragenen Nutzdaten


Prinzip der CRC-Blocksicherung

• CRC: „cyclical (oder cyclic) redundancy check“, „zyklische

Redundanz-Überprüfung“. • nach einem „zyklischen“ (od. Polynom-Code) Verfahren wird eine

Prüfsumme gebildet, die an die eigentlichen Nutzdaten angehängt u. zusammen mit diesen verschickt wird.

• Sender u. Empfänger einigen sich auf ein sog. Generatorpolynom G(x), mit dessen Hilfe die Prüfsumme codiert und decodiert werden kann.

• die Qualität des Verfahrens hängt entscheidend von der Wahl des Generatorpolynoms ab.



CRC-Kontrolle beim Empfänger:Sei R(x) die empfangene Bitfolge, dann gilt:

R(x) = T(x), wenn rem{ R(x)/G(x) } = 0 (fehlerfrei!)

R(x) ¹ T(x), wenn rem{ R(x)/G(x) } ¹ 0 (Fehler!)

R(x) = T(x), wenn rem{ R(x)/G(x) } = 0 (fehlerfrei!)

R(x) ¹ T(x), wenn rem{ R(x)/G(x) } ¹ 0 (Fehler!)

Bekannte CRC-Standards:

CRC-16: x16+x15+x2+x+1 (Bsp. XMODEM)CRC-CCITT: x16+x12+x5+x+1 (Bsp: Harddisks)CRC-32: x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11

+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1 (LAN: Ethernet IEEE 802)



Qualität der Fehlersicherung - Restfehlerrate

Grundlegendes Problem: Störungen durch Fehler können sowohl Nutzdaten

als auch Kontrolldaten betreffen!

Es verbleibt immer eine

Restfehlerrate (rer: residual error rate) ist definiert als das Verhältnis der

Anzahl fehlerhaft empfangener Bits, deren Fehler nicht festgestellt wurden, zur

Gesamtzahl der gesendeten Bits!

Typische Restfehlerraten:– Übertragungstechnik: Deutsche Telekom: rer 10-7

durchschnittlich kann ca. alle 10 MBit übertragener Daten ein fehlerhaftes Bit auftreten

– DATEX-P (HDLC-Deutsche Telekom): rer 10-12

• durchschnittlich kann ca. alle 1 TBit übertragener Daten ein fehlerhaftes Bit auftreten

– CRC-32 (Ethernetprotokoll): rer 10-18

durchschnittlich kann ca. alle 106 TBit übertragener Daten ein fehlerhaftes Bit auftreten


Restfehlerwahrscheinlichkeit

Sicherungsmechanismen gegen Datenverlust

Zur Sicherung gegen Datenverlust muß grundsätzlich eine Quittierung (acknowledgement) der einzelnenKommunikationsschritte durchgeführt werden.

Sender Empfänger

Zeitdiagramm

Zei

t

Daten

Quittung

Stop- and WaitVerfahren


Erkennung durch Quittierung

Sender Empfänger

separate Quittung

Zei

t

Daten

NAKNAK

Daten

ACK

Blockprüfung

Wiederholung

NAK: negativeacknowledgementACK: positivacknowledgement

Problem: Verlust der Quittung!


Quittierung mit Zeitüberwachung

Sender Empfänger

Zei

tüb

erw

ach

un

g

DB1

ACK1

DB3

ACK2

DB2

Fehlerfreie Übertragung

Sender Empfänger

Zei

tüb

erw

ach

un

g

DB1

ACK1

DB2

ACK1

DB1

Fehlererkennung


time out

Zeitüberwachung und Nummerierung

ACK1

ACK1

Sender Empfänger

Zei

tüb

erw

ach

un

g

DB1

DB1

DB1

Fehlererkennung

Abbruch-bedingungdurchNummerierung ! Sequenznummer

prüfen: DB1 vor-handen?


Education

VIT 2-2014