Inhalt der Vorlesung Rechnerkommunikation

Transkript

1 Inhal der Vorlesung Rechnerkommunikaion Einführung Anwendungsschich Transporschich Nezwerkschich Sicherungsschich Physikalische Schich Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 1

2 Physikalische Schich Signale und Überragungssyseme Maximale Daenrae Modulaion Überragung über elekrische Leier Überragung über Lichwellenleier Srukuriere Verkabelung Funküberragung zusäzliches Maerial aus Bernd Schürmann. Grundlagen der Rechnerkommunikaion, Vieweg Verlag, 24, Kapiel 1, Physikalische Grundlagen und aus J. Scherff: Grundkurs Compuerneze, Vieweg Verlag, 26, Kapiel 4, Nachrichenüberragung Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 2

3 Signale und Überragungssyseme Signale Signal = Darsellung von Informaionen durch physikalische Größen, z.b. Srom, Spannung, Lichwellen, elekromagneische Feldsärke Signalkaegorien - Signalwere sind koninuierlich (beliebige Were) oder diskre (endlich viele Were, idealisier) - Zeiverlauf is koninuierlich oder diskre - ergib 4 mögliche Signalkaegorien, besondere Bedeuung haben: analoge Signale (wer- und zeikoninuierlich) S() analoges Signal digiale Signale (wer- und zeidiskre) digiales Signal binäre Signale (digial mi zwei Weren) S() 2 Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 3

4 Signale und Überragungssyseme Leiungskodierung binärer Signale Zuordnung von Signalweren zu Nullen und Einsen einer Bisequenz bei der Überragung im Basisband Basisbandüberragung: Signale werden direk auf das Medium gesende mögliche Eigenschafen: (1) selbsakend: Empfänger kann Senderak aus Signal gewinnen (2) gleichsromfrei: kein Gleichaneil im elekrischen Signal (3) Bandbreienbedarf: Breie des Frequenzbands, um Signal zu überragen im Folgenden einige Verfahren zur Leiungskodierung anschließend erfolg Berachung des Signals im Frequenzbereich und Analyse miels Fourierreihe und Fourierransformaion Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 4

5 Signale und Überragungssyseme Leiungskodierung - Non-Reurn-To-Zero (NRZ): 1 = High, = Low, (1), unipolar: (2), polar: (2) - NRZ-invered (NRZI): 1 = Wechsel, = kein Wechsel, (1), (2) - Bipolar: = Nullpegel, 1 = alernierend Low und High, (1), (2) - Mancheser-Kodierung: Pegelwechsel in Takmie, 1 = High Low, = Low High, (1), (2), benöig doppele Bandbreie, Verwendung bei Eherne - Differenielle Mancheser-Kodierung: Pegelwechsel in Takmie und zusäzliche Takwechsel am Flankenanfang, 1 = kein Wechsel, = Wechsel, (1), (2), nochmal höhere Bandbreie, Verwendung bei Token Ring - 4B/5B-Kodierung: 4-Bi-Blöcke werden durch 5 Bi-Wörer kodier, diese durch NRZI, (1), (2), benöig 1,25-fache Bandbreie, Verwendung bei FDDI, 8B/1B bei Gigabi Eherne, 64B/66B bei 1 Gigabi Eherne Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 5

6 Signale und Überragungssyseme Bisequenz Unipolares NRZ Polares NRZ NRZI Bipolar Mancheser- Kodierung Differenielle Mancheser- Kodierung Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 6

7 Signale und Überragungssyseme Fourierreihe die Fourierreihe beschreib ein periodisches Signal s() mi Periodendauer T als Summe von Sinus- und Kosinusschwingungen verschiedener Frequenzen: 1 s( ) c 2 Koeffizienen a n, b n sind Sinus- und Kosinus-Ampliuden der n-en harmonischen Schwingung Koeffizien c is konsaner Aneil des Signals f=1/t is Frequenz der 1. harmonischen Schwingung n 1 a sin( 2 nf ) Besimmung der Koeffizienen aus Signal s() is möglich durch n n 1 b n cos( 2 nf ) a n 2 T T s( )sin( 2 nf ) d, b n 2 T T s( )cos( 2 nf ) d, 2 c T T s( ) d äquivalene Darsellung durch Ampliuden- und Phasenkoeffizienen: d n a 2 n b 2 n, arcan( b n n / a n ) Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 7

8 Signale und Überragungssyseme Bsp.: Näherung einer Bifolge durch Sinussignale binäres Signal f 1 1 Harmonische f 1 2 Harmonische f 1 6 Harmonische f Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 8

9 Signale und Überragungssyseme Spekrum ein periodisches Signal s() wird eindeuig durch ein diskrees Ampliudenspekrum d n und Phasenspekrum ϕ n beschrieben: Zeibereich s() T p Frequenzbereich d n j n n n Ampliudenspekrum Phasenspekrum Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 9

10 Signale und Überragungssyseme Fourierreihe zur Darsellung periodischer Signale Signale der Informaionsechnik sind jedoch i. a. aperiodisch, endlich und beginnen zu einem besimmen Zeipunk Fourierransformaion Bei aperiodischen Signalen verwende man die Fourierransformaion als Grenzfall der Fourierreihe mi T. Für T gil: aus dem Linienspekrum wird ein koninuierliches Spekrum, Summaion geh in eine Inegraion über Ampliudenspekrum S(f) Phasenspekrum j (f) f f Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 1

11 Signale und Überragungssyseme einige Beispiele für Signale s() im Zeibereich und ihr Ampliudenspekrum S(f) im Frequenzbereich s() konsanes Signal s() Dirac-Soß Sprungfunkion Recheckimpuls si-funkion Exponenialimpuls s() s() s() s() s() (unendlich brei) S(f) S(f) S(f) S(f) S(f) S(f) S(f) f f f f f f Signale mi Impulsen und diskreen Sprüngen besizen unendlich breies Spekrum! Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 11

12 Signale und Überragungssyseme Überragungssysem Sysemheorie: mahemaisches Modell zur Beschreibung des Überragungsverhalens einer komplexen Anordnung Transformaion eines Eingangssignals s 1 () in ein Ausgangssignal s 2 () Eingangssignal s 1 () Überragungssysem Ausgangssignal s 2 () Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 12

13 Signale und Überragungssyseme Bandbreienbeschränkung jedes Überragungssysem benöig zur Signalüberragung Energie ideale Überragungssyseme dämpfen alle Frequenzen gleichermaßen s 1 () ideales Überragungssysem s 2 () reale Überragungssyseme dämpfen Frequenzen unerschiedlich Verzerrung des Signals meis werden Frequenzen.. f c (mehr oder weniger) unveränder überragen und höhere Frequenzen sark abgeschwäch ( Tiefpass) Gründe: Eigenschafen des Überragungsmediums (z.b. Kupferleiung) oder Filer zur Bandbreienbegrenzung bei Frequenzmuliplex Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 13

14 Signale und Überragungssyseme Beispiel: Telefonnez Bandbreienbeschränkung ca. f c = 3. Hz (Frequenz der höchsen harmonischen Schwingung ) Birae B Bis/s Annahme: 1 Bye sell periodisches Signal dar also is T = 8/B Zei um 1 Bye zu senden also is Frequenz der 1. harmonischen Schwingung f = 1/T = B/8 Hz alle harmonischen Schwingungen sind Vielfache von f, also is die Anzahl der harmonischen Schwingungen 3./f = 3./(B/8) = 24./B Überragung eines Byes T s 1 () Telefonnez f c = 3 khz s 2 () Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 14

15 Signale und Überragungssyseme Beziehung zwischen Daenrae und Anzahl der harmonischen Schwingungen: bps T [ms] f [Hz] (1. Harmonische) überragene Harmonische ewaiges Aussehen des Ausgangssignals 3 26,67 37, , , , , ,21 48 je höher die Birae bei gegebener Bandbreie, deso weniger Frequenzen werden überragen und deso größer is die Verzerrung Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 15

16 Überragungssyseme Falungsinegral Ausgangssignal kann durch Überlagerung der Transformaionen der Komponenen des Eingangssignals berechne werden diese Operaion ensprich im Zeibereich dem Falungsinegral: 1 s 1 () 2( 1 s ) s ( ) h( ) d 1 s 2 () T T dabei is h() die Impulsanwor, die Form des Ausgangssignals für einen Impuls der Länge (Dirac-Soß): d () A h() Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 16

17 Physikalische Schich Signale und Überragungssyseme Maximale Daenrae Modulaion Überragung über elekrische Leier Überragung über Lichwellenleier Srukuriere Verkabelung Funküberragung Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 17

18 Maximale Daenrae Abasung gegeben sei ein analoges Signal s 1 (), alle Schwingungen liegen innerhalb einer Frequenzbandbreie f dieses Signal wird mi Abasfrequenz f a periodisch abgease, ensprich Abassignal s 2 () abgeasees Signal ergib sich aus Muliplikaion s 3 () = s 1 () s 2 () s 1 () s 3 () = s 1 () x s 2 () T a s 2 () Analogeingang Abaseinhei abgeasees Signal T a s 1 () Abassignal s 2 () s 3 () Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 18

19 Maximale Daenrae Signale im Zei- und Frequenzbereich s 1 () S 1 (f) s 2 () S 2 (f) f g f T = 1 f a a f a 2f a f s 3 () = s 1 x s 2 S 3 (f) f a 2f a f f g f a -f g f a +f g 2f a -f g 2f a +f g aus dem koninuierlichen, bandbegrenzen Signal s() wird im Frequenzbereich durch Abasung ein unendlich breies, in f a periodisches Spekrum! Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 19

20 Maximale Daenrae Abasheorem Frage: Wie groß muss die Abasfrequenz sein, dami das (koninuierliche) Originalsignal eindeuig (rück-)konsruier werden kann? Abasheorem: Das analoge Signal s 1 () mi einem Spekrum von bis f g wird durch abgeasees Signal s 2 () vollsändig beschrieben, wenn f a 2 f g is also: Abasfrequenz f a muss mindesens doppele Signalfrequenz f g sein Bsp.: Abasheorem wird genau eingehalen Zeibereich Frequenzbereich s() T a = 1 2f g seiler Tiefpass S(f) idealer Tiefpass 5T a T a 2T a 3T a 4T a Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 2-1 T a -f g +f g 1 f T a

21 Maximale Daenrae je größer die Abasfrequenz, deso größer die Absände der Ampliudenspekren: s() T a < 1 2f g flacher Tiefpass S(f) T 1 2T 1 4T 1 6T 1 8T 1 1T 1 -f g +f g Abasfrequenz zu niedrig Ausgangsspekren überlappen sich und sind nich mehr zu rennen (Alias-Effek) - 1 T 1 1 T 1 f s() T a > 1 2f g Aliasing Aneile S(f) T 2 2T 2 1 -f f - g +f g 1 T 2 T 2 Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 21

22 Maximale Daenrae Maximale Daenrae eines Kanals Telefonbeispiel zeig, dass Mindesbandbreie erforderlich is, dami Empfänger das binäre Signal erkennen kann durch Umkehrung des Abasheorems kann heoreische Obergrenze für Daenrae eines Kanals abgeleie werden Nyquis-Theorem (1924) Abasheorem: Signal der Bandbreie B kann durch Abaswere der Frequenz 2B wiederhergesell werden, mehr Abaswere sind unnöig Umkehrung: Signal der Bandbreie B kann nur Abaswere der Frequenz 2B repräsenieren ein Signal mi V diskreen Weren repräsenier log 2 V Bis also ergib sich für einen Kanal mi Bandbreie B eine maximale Daenrae = 2B log 2 V [Bi/s] Bsp.: Telefon 3 khz, 6. Abasungen/s, V = 1, also 6 kbps Bsp.: ISDN 4 khz, 8. Abasungen/s, V = 256, also 64 kbps Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 22

23 Maximale Daenrae Shannon-Theorem (1948) in Wirklichkei kann heoreische maximale Daenrae nich erreich werden, da durch Rauschen Sörsignale ensehen Rauschabsand: Verhälnis von Signal- und Rauschleisung S/N (Signal-o- Noise-Raio) übliche logarihmische Einhei: 1 log 1 S/N = Dezibel (db) z.b. S/N = 1 /,1 = 1 ensprich 3 db Shannon erweiere das Nyquis-Theorem für rauschbehafee Kanäle: für einen Kanal mi Bandbreie B und Rauschabsand S/N ergib sich maximale Daenrae = B log 2 (1 + S/N) [Bi/s] Bsp.: B = 3,4 khz, S/N = 4 db, maximale Birae 45,2 kbps Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 23

24 Physikalische Schich Signale und Überragungssyseme Maximale Daenrae Modulaion Überragung über elekrische Leier Überragung über Lichwellenleier Srukuriere Verkabelung Funküberragung Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 24

25 Modulaion Modulaion Modulaion: Änderung von Parameern (Ampliude, Frequenz, Phase,...) eines Trägersignals durch ein modulierendes/aufgepräges Signal Demodulaion: Rückgewinnung des modulierenden Signals aus dem modulieren Informaionsräger Modem: Modulaion und Demodulaion in einer Einhei Wichige Modulaionsaren Analog-Analog-Wandlung: analoges modulierendes, analoges Trägersignal, erlaub Breibandüberragung mi Frequenzmuliplex (z.b. Fernsehsignal) Digial-Analog-Wandlung: digiales modulierendes, analoges Trägersignal (z.b. Daen über Funkkanal) Analog-Digial-Wandlung: analoges modulierendes über digiales Trägersignal (z.b. Sprache) Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 25

26 Modulaion Verfahren zur Analog-Analog-Wandlung Ampliudenmodulaion - Trägersignal s T () is hochfrequene Sinusschwingung S M () v M - wird mi modulierendem Signal muliplizier: s AM () = s M () s T () Frequenzmodulaion - Trägersignal wieder Sinusschwingung S T () v T - Frequenz wird modulier Phasenmodulaion - Trägersignal wieder Sinusschwingung - Phase wird modulier S AM () A T Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 26

27 Modulaion Verfahren zur Digial-Analog-Wandlung Ampliudenasung (Ampliude Shif Keying, ASK) - 1 = hohe Ampliude - = niedrige Ampliude - Verwendung für digiale Daen über Glasfaser Binäre Frequenzumasung (Binary Frequency Shif Keying, BFSK): - 1 = hohe Frequenz - = niedrige Frequenz - geeigne für hohe Trägerfrequenzen Binäre Phasenumasung (Binary Phase Shif Keying, PSK) - 1 = Phase, = Phase 18 - robus gegenüber Rauschen (a) ASK (b) BFSK (c) BPSK Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 27

28 Modulaion Muliple FSK (MFSK): mehrere Frequenzen, Signalwer repräsenier mehr als ein Bi Differenial BPSK (DBPSK): 1 = Phasenwechsel, = kein Wechsel, benöig keine genaue Synchronisierung Quadraure PSK (QPSK) - Phasen 1 = 45, 2 = 135, 3 = 225, 4 = Signalwer repräsenier 2 Bis - im Phasenraum ensprich jeder Punk einer Ampliude und Phase 1 4 Mulilevel PSK (MPSK) - Verallgemeinerung zu n Phasen - Signal enhäl log 2 n Bis Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 28

29 Modulaion Quadraurampliudenmodulaion (Quadraure Ampliude Modulaion, QAM) - Kombinaion von ASK und PSK - Signal kann zwischen verschiedenen Phasen und Ampliuden wechseln: Schri n Schri n+1 11 a φ 1 - Punke werden in gleichen Absänden im Phasenraum vereil - Konsellaionen mi 16, 64, 256 Punken - verbreiee Verwendung Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 29

30 BER Modulaion mi Anzahl von Signalweren seig neben Birae auch die Fehlerwahrscheinlichkei: SNR(dB) QAM256 (8 Mbps) QAM16 (4 Mbps) BPSK (1 Mbps) Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 3

31 Modulaion Mehrrägerverfahren: Discree Mulione Transmission (DMT), Orhogonal Frequency Division Muliplexing (OFDM) - Frequenzband wird in Subkanäle zereil - zu überragendes Signal wird in Symbole aufgeeil, die in den Subkanälen parallel überragen werden - Modulaion in jedem Subkanal, z.b. QAM, jeweils angepass an Rauschabsand in Subkanal - z.b. ADSL mi 255 Subkanälen: - Überlappung der Subkanäle durch orhogonale Schwingungen möglich - Verwendung u.a. in g, Blueooh 3., WiMAX - große Leisungsseigerung Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 31

32 Modulaion Verfahren zur Analog-Digial-Wandlung Pulscodemodulaion - Abasung: analoges Signal wird zu diskreen Zeipunken gemessen - Quanisierung der Messwere: analoge Messwere werde in diskree Messwere abgebilde - Codierung der quanisieren Were: diskree Messwere werden in digiale Signale umgewandel und überragen (Pulse Codes) - z.b. ISDN: 8 Bis alle 125 µs, also 256 Quanisierungssufen, 8 Abasungen/s, 64 kbps Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 32

33 Modulaion - Quanisierung mi linearer oder nich-linearer Skala: Quanizing levels Srong signal Weak signal (a) Wihou nonlinear encoding (b) Wih nonlinear encoding Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 33

34 Modulaion Delamodulaion - analoges Signal wird durch Treppenfunkion approximier - Kodierung durch binäres Signal: 1 = Ansieg, = Abfall Signal Ampliude Analog inpu Saircase funcion sep size d Slope overload noice Quanizing noice Dela modulaion oupu 1 T s sampling ime Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 34 Time

35 Physikalische Schich Signale und Überragungssyseme Maximale Daenrae Modulaion Überragung über elekrische Leier Überragung über Lichwellenleier Srukuriere Verkabelung Funküberragung Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 35

36 Signalüberragung über elekrische Leiungen Eigenschafen elekrischer Leier Bandbreie (Bandwidh) Wellenwidersand (Impedance): frequenzabhängig, komplex, für Hochfrequenzverhalen müssen alle Komponenen gleichen Wellenwidersand besizen, um Reflexionen zu vermeiden Dämpfung (Aenuaion): Signalabschwächung durch Kabel, Differenz zwischen Sendeund Empfangspegel Nebensprechen (Crossalk): Dämpfung durch andere Leier 2 Aren Koaxialkabel: Kupfer-Innenleier, Kupfergeflech-Außenleier - Dämpfung ca.,15 db/m bei 1 MHz - Wellenwidersand ca. 5, Abschlußwidersände nowendig - absrahlungsarm, Audio-/Video, klassisches Eherne Twised-Pair-Kabel (TP): verdrille Kupferleierpaare - Dämpfung ca.,5 db/m bei 1 MHz - Wellenwidersand 1-3, Abschlußwidersände nowendig - Verdrillung und Schirmung reduzier Söranfälligkei - preiswer, verbreie Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 36

37 Signalüberragung über elekrische Leiungen Bauaren von Twised-Pair-Kabeln Sernvierer: 2 Adernpaare, alle 4 Adern sind zu Spiralform verseil, keine Schirmung, klassische Telefonkabel UTP (Unshielded TP): ungeschirm, meis 4 einzeln verseile Adernpaare S/UTP (Screened/Unshielded TP): Gesamschirm, meis 4 einzeln verseile Adernpaare STP (Shielded TP): ungeschirm, meis 4 einzeln verseile Adernpaare mi Einzelschirm S/STP (Screened/Shielded TP): Gesamschirm, meis 4 einzeln verseile Adernpaare mi Einzelschirm FTP (Foilded TP) bzw. S/FTP (Screened/Foiled TP): Schirmung aus Meallfolie Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 37

38 Signalüberragung über elekrische Leiungen Bauaren von Sernvierer- und TP-Kabeln im Querschni: UTP-Kabel S/UTP-Kabel Sernvierer- Telefonkabel 2a Leier Isolierung Außenmanel STP-Kabel Zusäzliche Gesam- Schirmung S/STP-Kabel 1a 1b Paar 2 Paar 1 2b Zusäzliche Paarschirmung Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 38

39 Signalüberragung über elekrische Leiungen TP-Kabelsandards Normen: amerik.: TIA/EIA 568, europ.: CENELEC EN 5173, inerna.: ISO/IEC 1181 Kaegorie 1: UTP, bis 1 KHz, Telefon und ISDN-Hausanschluss, Daenrae R < 1Mbps Ka 2: UTP, bis 1 MHz, ISDN-Primärmuliplexanschluss, R 4Mbps Ka 3: UTP, bis 16 MHz, Eherne, Token Ring, R 4Mbps Ka 4: UTP, bis 2 MHz, Eherne, Token Ring, R 16Mbps Ka 5: UTP, bis 1 MHz, ATM 155 Mbps, Fas Eherne, R 1 Mbps Ka 5e: UTP, bis 1 MHz, ATM 155 Mbps, Gigabi Eherne Ka 6/6e: UTP, bis 25 MHz, Gigabi Eherne Ka 7: S/STP, bis 6 MHz, 1-Gigabi Eherne, ATM 622 Mbps Ka 8: bis 1,2 GHz, in Diskussion (wg. Videokompression ec.) Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 39

40 Signalüberragung über elekrische Leiungen TP-Seckverbindungen RJ45 (Regisered Jack Connecors, TIA/EIA 568) Paarbelegung unerschiedlich (z.b. Eherne Paare 2 und 3) - Sraigh-Through-Kabel: durchgeschleif, z.b. für Anschluss an Swich - Crossover-Kabel: Paare 2 und 3 gekreuz, z.b. für Verbindung von Rechnern - Rollover-Kabel: alle Paare paarweise gekreuz, z.b. für Rouer-Konsole für Ka-7 und Ka-8 TP neue Seckverbindungen wg. Frequenzen Paar 3 Paar 4 P.1 Paar RJ45-Secker Paar 3 Paar2 P.1 Paar RJ45-Buchse TX+ 1 TX- 2 RX RX RX+ 2 RX- 3 TX TX- 7 8 Sraigh-Through-Kabel TX+ 1 TX- 2 RX RX TX+ 2 TX- 3 RX RX- 7 8 Crossover-Kabel Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 4

41 Physikalische Schich Signale und Überragungssyseme Maximale Daenrae Modulaion Überragung über elekrische Leier Überragung über Lichwellenleier Srukuriere Verkabelung Funküberragung Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 41

42 Signalüberragung über Lichwellenleier Eigenschafen von Lichwellenleiern hohe Daenüberragungsrae (Gbps) geringe Dämpfung (z.b.,5 db/km möglich), daher große Enfernungen (mehrere 1 km) möglich keine Sörung durch elekromagneische Felder, kein Nebensprechen geringe Bifehlerrae Abhörsicherhei? Einsaz heue überall außer im Anschlußbereich Prinzip Kunssoffmanel Kevlar Sender wandel elekrisches Signal mi LED/Laserdiode in opisches Signal (Ampliudenmodulaion: 1 = Puls, Frequenzmuliplex möglich) Empfänger wandel opisches Signal mi Foodiode in elekrisches Signal Faser Lichwellenleier Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 42

43 Signalüberragung über Lichwellenleier Führung des Lichsrahls Kern is opisch dicheres, Manel opisch dünneres Medium Brechung zum opisch dicheren Medium Toalreflexion bei Einfallswinkel < Grenzwinkel kein Lich ri aus, Leier führ Lichsrahl opisch dünneres Medium opisch dicheres Medium n 2 Brechungswinkel a a G a a G Brechungswinkel n 1 a Einfallswinkel Einfallswinkel Einfallswinkel a Brechungswinkel Lichsrahl Lo Lo Lo Manelglas Kernglas Lichsrahl Manelglas Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 43

44 Signalüberragung über Lichwellenleier Dämpfungsverhalen von Lichwellenleiern drei opische Fenser werden zur Signalüberragung genuz Dämpfung (db/km) 2, 1,8 1,6 Opisches Fenser: 85 nm Opisches Fenser: 13 nm Opisches Fenser: 155 nm 1,4 1,2 1,,8,6,4, Wellenlänge (nm) Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 44

45 Signalüberragung über Lichwellenleier Moden in Lichwellenleiern Modus: Ausbreiungsweg eines Lichimpulses, niedrig: fas parallel, hoch: zickzackförmig Dispersion: Lichimpuls eil sich in verschiedene Moden auf, Verschlecherung des Empfangssignals Bandbreienlängenproduk B l: max. Impulsfrequenz bei Leierlänge - z.b. bei 1 GHz km sind möglich: 2 GHz bei 5 m, 1 GHz bei 1 km, 5 MHz bei 2 km Glasfaserypen - Mulimode-Sufenindexfaser: großer Durchmesser, sprunghafer Ansieg des Brechungsindex, 1 MHz km - Mulimode-Gradienenindexfaser: koninuierlich anseigender Brechungsindex, ca. 1 GHz km - Monomode-Sufenindexfaser: kleiner Kerndurchmesser, sufenförmig anseigender Brechungsindex, geringe Dispersion durch nur ein Modus, 1 GHz km Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 45

46 Signalüberragung über Lichwellenleier Überblick über die Glasfaserypen: 2 6 mm r Mulimode-Sufenindexfaser A E A A n 1 4 mm 125 mm r Mulimode-Gradienenindexfaser A E A A 5 65 mm n 125 mm r Monomode-Sufenindexfaser A E A A n 9 mm Querschni Indexprofil Eingangsimpuls Längsschni Ausgangsimpuls Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 46

47 Signalüberragung über Lichwellenleier Verbindungsechnik und Secker Spleißechnik: punkgenaue Verbindung von Glasfasern - Fusions-Spleiß (Lichbogen) - Klebe-Spleiß - Crimp-Spleiß (klemmen) Seckerechnik - Glasfasern sind am Faserende in Adernhülse (Ferrule) eingebee, um punkgenaue Jusierung beim Seckvorgang zu ermöglichen - Verspleißung - Breakoukabel zur einfachen Monage - größere Vielfal an sandardisieren Seckern, z.b. FSMA (Field Insallable Subminiaure Assembly), runder Schraubsecker, früher Sandard SC (Subscriber Connnecor), EN 5173, Anschluß Endgeräe, wei verbreie MT-RJ: soll SC ersezen, ähnlich zu RJ45 Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 47

48 Physikalische Schich Signale und Überragungssyseme Maximale Daenrae Modulaion Überragung über elekrische Leier Überragung über Lichwellenleier Srukuriere Verkabelung Funküberragung Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 48

49 Srukuriere Verkabelung Verkabelungssandards bedarfsorieniere Verkabelung führ zu unüberschaubarer Komplexiä Sandards für srukuriere Verkabelung: TIA/EIA 568 (1991), ISO/IEC 1181 (1995, 22), CENELEC EN 5173 (22) Hierarchische Verkabelungsbereiche Primärbereich (max. 15 m, Glasfaser) - Geländeverkabelung zwischen Gebäuden - Anbindung an WAN über Sandorvereiler (Campus Disribuor, CD) Sekundärbereich (max. 5 m, Glasfaser empfohlen, alernaiv TP) - Gebäudeverkabelung mi zenralem Gebäudevereiler (Building Disribuor, BD) - Eagen über Seigleiungen Teriärbereich (max. 9 m + 1 m, TP empfohlen, Glasfaser möglich) - Eagenverkabelung von Eagenvereiler an Anschlußdosen (Telecommunicaion Oule, TO) - Geräeanschlußkabel (max. 1 m, TP) - Pachkabel zwischen Nezwerkomponenen (max. 1 m, TP) Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 49

50 Srukuriere Verkabelung Verkabelungsbereiche und max. Kabellängen: Sandorvereiler Gebäudevereiler Eagenvereiler Anschlussdose G F E LWL LWL (TP) TP (LWL) 15 m 5 m 9 m Primärbereich: Geländeverkabelung Sekundärbereich: Gebäudeverkabelung Teriärbereich: Eagenverkabelung D C B A A, E, F und G sind Geräeanschlusskabel. B, C und D sind Pachkabel. A + B + E <-- 1 m, C <-- 2 m, D <-- 2 m, F <-- 3 m, G <-- 3 m Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 5

51 Physikalische Schich Signale und Überragungssyseme Maximale Daenrae Modulaion Überragung über elekrische Leier Überragung über Lichwellenleier Srukuriere Verkabelung Funküberragung Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 51

52 Funküberragung Grundlegende Eigenschafen kabellose Signalüberragung durch elekromagneische Wellen Frequenz f, Wellenlänge l, Lichgeschwindigkei c = 3. km/s Zusammenhang: c = l f z.b. 5 Hz u. 6. km, 1 MHz u. 3 m, 3 MHz u. 1m, 1 GHz u. 3 cm reguliere Zueilung der Funkfrequenzen (inerna. ITU-R, USA FCC, Deuschland Bundesnezagenur) Indusrial, Scienific, Medical (ISM): 3 Bänder, die mi allgemeiner Zulassung verwende werden können, bei 433 MHz, 2,4 GHz, 5 GHz elekromagneisches Spekrum: verdrille Drähe Koaxialkabel Hohlleier opische Überragung 1 Mm 3 Hz 1 km 3 khz 1 m 3 MHz 1 m 3 MHz 1 mm 3 GHz 1 m 3 THz 1 m 3 THz VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF Infraro Sichbares UV Lich Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 52

53 Funküberragung Für Daenkommunikaion relevan Radiowellen - f 1 khz.. 1 MHz - omnidirekionale Ausbreiung, Mbps möglich - große Enfernungen, Durchdringung von Hindernissen, söranfällig (z.b. Regen) Mikrowellen - f 1 MHz.. 1 GHz: omnidirekionale Ausbreiung, Einsaz für PANs und LANs - f 1 GHz.. 1 GHz: geradlinige Ausbreiung möglich, Einsaz im Nahbereich und für Richfunksrecken und Saellienüberragung, Gbps möglich Infraro - f Hz Hz, geradlinige Ausbreiung, Gbps möglich, bis ca. 1 km, Einsaz im Nahbereich und für opische Richfunksrecken, benöig Sichverbindung Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 53

54 Funküberragung Funksyseme erresrischer Funk: auf Erdoberfläche - Rundfunk (Radio + Fernsehen): Broadcas, Radiowellen, Sendereichweie 5 km bis zu Erdumrundung - Mobilfunk (Telefonie, Daen): Funksyseme mi Zellen und mobilen Teilnehmern, Anbindung an Vermilungssysem über Basissaionen - Richfunk: Verbindung von Gebäuden durch Richfunksrecken, opisch oder durch Mikrowellen Saellienfunk - als Fernmelde- (Daen, Sprache, Video) oder Fernsehsaellien - Nuzung von Mikrowellen, höhere Frequenzbereiche - geosaionär (ca. 36. km Höhe, 27 ms Laenz), MEO (medium earh orbi), LEO (low earh orbi) Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 54

55 Funküberragung Anennen Absrahlung und Aufnahme elekromagneischer Felder isoroper Punksrahler (heoreische Bezugsanenne) - srahl Wellen kugelförmig aus - Leisung auf konzenrischen Kugeln gleich - Dämpfung: Oberfläche 4 r 2, Leisungsdiche S nimm also mi 1/r 2 ab reale Anennen - z.b. Dipol, Parabol - besizen Haupsrahlrichungen - Anennengewinn G: Verhälnis Leisungsdiche in Haupsrahlrichung zu isoropem Punksrahler /4 /2 gerichee Anenne Ansich von oben Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 55

56 Funküberragung Rauschen Summe aller Söreffeke, die nur mi saisischen Mehoden beschreibbar sind z.b. amosphärische Srahlung, hermisches Rauschen in Empfängerelekronik, Ungenauigkeien bei Analog-/Digialwandlung verbreiees Modell: Addiive Whie Gaussian Noise (AWGN) Varianz der Gauß-Vereilung ergib Rauschleisungsdiche N verbreiees Maß: Signal-o-Noise-Raio SNR = S/R Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 56

57 Funküberragung Inerferenz Signale, die aufgrund nich perfeker räumlicher, zeilicher oder spekraler Trennung das Nuzsignal sörend überlagern - Inersyseminerferenz: von anderen Sysemen - Inersymbolinerferenz (ISI): durch Verschiebung aufeinanderfolgender Symbole beim Empfänger Ursachen - Abschaung durch Hindernisse - Spiegelung (Reflexion) an Flächen größer als Wellenlänge - Beugung (Diffracion) an scharfen Kanen - Sreuung (Scaering) an kleinen Hindernissen - Brechung (Refracion) in Abhängigkei der Diche eines Mediums - Dopplereffek bei mobilem Sender/Empfänger Abhilfe: Diversiäsechnologien (Zei, Frequenz, Raum) Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 57

58 Funküberragung Ausbreiung über Sichverbindung (Line-of-Sigh, LOS) ypisch bei Richfunküberragung Dämpfung i.w. gleich der Freiraumausbreiungsdämpfung, andere Inerferenzen nich signifikan Fresnelzone: Ellipsoid um direke Verbindung zwischen Sender und Empfänger mi Absand d, breieser Durchmesser D Fresnel d Bedingung für LOS-Verbindung: Ellipsoid mi Durchmesser D =,6 D Fresnel is frei von Hindernissen Dämpfung der Empfangsleisung: P Rx P x quadraisch in Absand und Frequenz 2 4 d G Tx G Rx P x 4 c df 2 G Tx G Rx Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 58

59 Funküberragung Ohne Sichverbindung (Non-Line-of-Sigh, NLOS) ypisch bei Mobilkommunikaion mi Benuzermobiliä milere Überragungsdämpfung durch Hindernisse größer als bei Freiraumüberragung, proporional d g mi 2 g 5 Abschaungdämpfung - zusäzliche variable Dämpfung durch Hindernisse wie Gebäude, Berge - langsamer Schwund (Slow Fading) Mehrwegausbreiung - durch Reflexion, Beugung und Sreuung ensehen unerschiedliche Ausbreiungswege zum Sender - diese sind phasenverschoben und überlagern sich beim Empfänger - hierdurch kann Signal zeiweise sark abgeschwäch werden - schneller Schwund (Fas Fading) Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 59

60 Funküberragung Mehrwegausbreiung: ypischer Verlauf der Signalsärke bei einem Empfänger in Bewegung: Leisung langsamer Schwund schneller Schwund Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 6

61 Funküberragung Mehrrägerverfahren: Orhogonal Frequency Division Muliplexing (OFDM) zu überragendes Signal wird wie bei QAM in Symbole aufgeeil je N Symbole werden so auf höhere Frequenzen modulier, daß die Signale orhogonal zueinander sind (Inegral des Produks gleich ) diese N Signale werden in parallelen Subkanälen überragen Frequenz durch Orhogonaliä können Subkanäle enger liegen als bei FDM dami verringer sich Birae pro Subkanal und dami ISI realisier durch forgeschriene Signalverarbeiung (Fas Fourier Transformaion und Inverse FFT) Adapiviä an Sörverhälnisse im Subkanal möglich insgesam große Leisungsseigerung bei kleiner Fehlerrae auch als Muliplexechnik: Kombinaion von Signalen, OFDMA Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 61

62 Funküberragung Muli-Anennenechnik Verwendung eines Anennenfelds für Raumdiversiä - Ausbreiungspfade für einzelne Anennen mi unerschiedlichen Inerferenzeigenschafen - Überlagerung der einzelnen Signale - höhere Biraen bei kleiner Fehlerrae möglich Single Inpu Muliple Oupu (SIMO) - räumliche Redundanz, z.b. bei Access Poin - Empfänger wähl Anenne mi besen Eigenschafen Muliple Inpu Muliple Oupu (MIMO) - räumliches Muliplex Adapive Anennensyseme - Beamforming: geziele Auswahl der Haupsrahl- bzw. Haupeinfallsrichung, dami winkelabhängiger Anennengewinn Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 62

63 Funküberragung Ulrabreiband (Ulra-Wideband, UWB) Überragung von sehr kurzen Impulsen (z.b. 1 ns) mi sehr großer Bandbreie (> 5 MHz) z.b. im 2,4-GHz-ISM-Band diese erreichen fas Rechecksignal und benöigen deswegen großes Spekrum, für das aber kleine Leisung reich (ähnlich wie Rauschen) ermöglich große Daenraen (> 5 Mbps) über kurze Enfernungen, Hindernisse (wie Wände) können durchdrungen werden Enfernungsmessung auch möglich Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 63

64 Funküberragung Beispiele für die Verwendung von Funkechnologie GSM - FDMA+TDMA, GMSK (Gauss-Filer+FSK), 9 MHz, 13 kbps/kanal - EDGE: 8PSK 69,2 kbps/kanal UMTS, Release 99: CDMA-DSSS, QPSK, bis 384 Kbps/Kanal WLAN : DSSS, DQPSK, 2,4 GHz, bis 2 Mbps - 11g-23: DSSS, OFDM, 2,4 GHz, bis 54 Mbps - 11n: OFDM bis 1 Mbps, MIMO bis 6 Mbps Blueooh : FHSS, GFSK, 2,4 GHz, bis 723,2/57,6 kbps im Up-/Downlink WiMAX : u.a. OFDM, 2 11 GHz, bis 75 Mbps e-25: Fixed and Mobile WiMAX, auch MIMO ZigBee : DSSS, BPSK bei 868 MHz (2 Kbps) und 915 MHz (4 Kbps), QPSK bei 2,4 GHz (25 Kbps) Rechnerkommunikaion, Physikalische Schich 64