Kommunikation und Datenhaltung

Transkript

1 Kapielüberich Kommunikaion und Daenhalung 2. Phyikaliche Grundlagen Prof. Dr. Marina Zierbar Dipl.-Inform. Marin Röhrich [zi 1. Einführung 2. Phyikaliche Grundlagen 3. Prookollmechanimen 4. Gechichee Archiekuren 5. Sicherungchich: HDLC 6. Bechreibungmehoden 7. Sicherungchich: Lokale Neze 8. Nezkopplung und Vermilung 9. Die Tranporchich 1. Anwendungyeme 11. Middleware Grundlagen und Begriffe Signalüberragung Digialiierung Abaheorem Überragungmedien Digiale Signalüberragung Kanalkapaziä Überragungzei Modulaion // Demodulaion Serielle und parallele Überragung 2.1 Synchroniaion 2.11 Mehrfachnuzung // Muliplexing 1 Sender 2. Phyikaliche Grundlagen Empfänger 2.1 Überragungyem, Grundlagen, Begriffe Grundlage jeder Kommunikaion i die Signalüberragung Tranpor von Signalen über ein geeignee Medium, da diee Signale über eine räumliche Dianz weierleie Signalübergabe Signalannahme Server zur Namenauflöung 1111 Medium 1111 Signalgeber Signalempfänger From local@localho Tue Jan 19 13:33:41 26 Reurn-pah: <local@localho> Envelope-o: receiver@remoe-ho.example Delivery-dae: Tue, 19 Jan 26 13:33:41 +2 Received: from [ ] (helo=[ ]) by mxinern.example.example wih emp (Exim 4.34) id 1EHgNN-58X-9T; Tue, 19 Jan 26 13:33:29 +2 Meage-ID: <432FF @example.example> Dae: Tue, 19 Jan 26 13:33:28 +2 From: <local@localho> Uer-Agen: Debian Thunderbird 1..2 (X11) MIME-Verion: 1. To: receiver@remoe-ho.example Subjec: Conen-Type: mulipar; Conen-Lengh: Line: 2198 Thi i a muli-par meage in MIME forma Conen-Type: ex/plain; chare=iso Conen-Tranfer-Encoding: quoed-prinable Hello Goodbye Conen-Type: applicaion/jpg; name="kud.jpg" Conen-Tranfer-Encoding: bae64 Conen-Dipoiion: inline; JVBERixLjIKJcDIzNINCjEgMCBvYmoKPDwKL1RpdGxlIChNaWNyb3NvZ dcaieludgvyzg9ywluifjvdxrpbmcgu2vjdxjpdhkpci9bdxrob3igk b3ipci9dcmvhdg9yichwzgzgywnb3j5ihd3dy5wzgzmywnb3j5lmnvb IChwZGZGYWNb3J5IDEuNjQgXChXaW5kb3dzIFhQIEdlcm1hblwpKQovQ IChEOjIwMDUwOTE2MTQNzU3KQo+PgplbmRvYmoKNCAwIG9iago8PAovR Server example.com? viruelle Ende-zu-Ende- Verbindung Auhenifizierung, Verchlüelung neue ? ! Speicher Überragungignale Verkürzender Sprachgebrauch Überragungignal = Signal Signalranpormedium/Überragungmedium = (phyikaliche) Medium Signalgeber, Signalquelle = Sender Signalempfänger, Signalenke = Empfänger phyikalich-echniche Tranporyem für Signale = Überragungweg 2 Sendender -Server Zwichenyem (Vermilungyem) Daeneinhei Empfang- -Server 3 Signalüberragung wird in der Nachrichenechnik mei al Nachrichenüberragung bezeichne

2 Phyikaliche Medium Beipiel Fernprechnez Verwendung eine phyikalichen Medium zur Überragung von Daen. Quelle Modulaor Phyikaliche Medium Demodulaor Senke 4 Quelle Daen Senke x() y() Modulaor x'() Demodulaor y'() Medium z'() Sörquelle nachrichenechnicher Kanal / Überragungkanal Primärignale x(), y(): quellen-/enkenbezogene phyikaliche Größen Signale x'(), y'(), z'(): leiungbezogene phyikaliche Größen Phyikaliche Medium, z.b. elekriche Leiung: y'() = F(x'(); z'()) 5 Primärignal Mikrofon Überragungignal Lauprecher Primärignal Primärignal (hier akuich) wird durch Modulaor in ein elekriche oder opiche Signal umgewandel Da Überragungignal kann analog oder auch digial ein 2.2 Signalüberragung Eineilung der Signale in Signalklaen Quelle Nachrich Senke koninuierlich Zei- dikre x() Modulaor Modulaor x'() Medium y'() z'() Sörquelle y() Demodulaor Demodulaor nachrichenechnicher Kanal / Überragungkanal Abchni 2.2 (Signal-) Wer- dikre koninuierlich Analoge Signal Digiale Signal 6 7

3 Signalmuer wiederhol ich: ( + T) = ( ) < < Beipiel: Sinuchwingung Kenngrößen: Periode T, Frequenz 1/T, Aulenkung (), Phae ϕ Sinu-Schwingung (zeikoninuierlich) Beipiel von Phaendifferenz ϕ () () Τ Periodiche Signale Recheck-Schwingung (zeidikre idealiier ) () ϕ 2π Sinuchwingung Frequenz f [Herz] Schwingungen pro Sekunde, T = 1/f Kreifrequenz (Winkelgechwindigkei) ω = 2π*f = Anzahl der Kreiumläufe (Winkel 2π) pro Sekunde Innerhalb einer Zeidauer wird ein Winkel φ durchlaufen Dann gil ϕ = ω = 2πf Allgemein () = in ( ω + ϕ) Aulenkung () Ampliude Periodendauer T 8 Τ 9 T 2 () T Zeidarellung/Frequenzdarellung Zeifunkion (Zeidarellung) Zuordnung von Signalwer und Zei Frequenzfunkion (Frequenzgang, Spekrum) Zuordnung von Weren inuförmiger Signale und der Frequenz 2.3 Digialiierung analoger Daen Pule Code Modulaion (PCM) Wandlung analoger Signale in digiale Signale (z.b. bei digialen Fernprechkanälen) Abaung zeidikree Signal Quaniierung zei- und werdikree Signal () T=1/f π/2 f=1/t 2π Übergang zwichen Zei- und Frequenzfunkion 1 S(f) f Frequenz Ampliuden-Frequenzgang ϕ π π/2 π/2 f Frequenz π Phaen-Frequenzgang 11 z.b. Digialiierung von Sprache Vorgaben Frequenzpekrum der menchlichen Simme Fähigkeien eine Fernprechkanal Abaheorem von Shannon und Raabe Die Abafrequenz f A mu größer al die doppele obere Grenzfrequenz f Grenz ein, alo f A > 2 f Grenz

4 Exkur zur Informaionheorie Frequenzpekrum eine Signal 12 C.E. Shannon ( ) Begründer der Informaionheorie olle beer Kommunikaionheorie heißen, da die Semanik der zu überragenden Daen nich inerpreier wird : Bell Lab 1949: The Mahemaical Theory of Communicaion Ab 1956: MIT Abaheorem Wie häufig mu ein analoge Signal abgeae werden, um e ohne Verlue rekonruieren zu können? Kanalkapaziä man kann Rauchen durch erhöhe Bandbreie bekämpfen Informaiongehal Empfänger weiß über den Zuand de Syem weniger al der Sender In jedem Tachenelefon Handy genann geh ein Sück Shannon durch die Sraße. H. Zemanek; Claude E. Shannon, i+i, 4/21 Ineniä [db] 4 13 Signale können ein naürlich begrenze koninuierliche Frequenzpekrum umfaen oder durch echniche Miel auf einen Auchni ihre Spekrum begrenz werden Beipiel: ITU-Sandardelefonkanal Koninuierliche Frequenzpekrum der menchlichen Simme Hz 3 Hz 3.4 Hz Frequenz [Hz] Bandbegrenze Medium Digialiierung analoger Daen (Forezung) 14 Augangiuaion phyikaliche Medien überragen e nur ein endliche Frequenzband Dämpfung [db] Abchneidefrequenzen Bandbreie Frequenz [khz] Signale müen an die Überragungcharakeriik de Medium angepa werden Bandbreie von Überragungkanälen Bandbreie in Hz: Frequenzbereich, der über ein Medium (einchließlich der im Überragungkanal enhalenen Filer, Verärker uw.) überragen werden kann Bandbreie ergib ich au der Differenz der höchen und niedrigen Frequenzen Felegung von Abchneidefrequenzen 15 Pule Code Modulaion (PCM) für digiale Fernprechüberragung Grenzfrequenz 3.4 Hz Abafrequenz 8. Hz (> 6.8 Hz) Abaperiode: T A = 1/f A = 1/8 Hz = 125 µ Kodierung der Signalwere 8 bi 256 Quaniierunginervalle Bei binärer Codierung 8 Bi erforderlich Die Daenrae für einen digialiieren Fernprechkanal Daenrae = Abafrequenz * Codeworlänge 8/ * 8 bi = 64 kbi/

5 2.3.1 Abaheorem Bewei Abaheorem 16 Problem Wie häufig mu ein analoge Signal periodich abgeae werden, um e verlufrei in ein digiale Signal umzuwandeln? Abaheorem nach Shannon Wird da Signal x() periodich mi einer Frequenz abgeae, die höher al die doppele höche im Signal aufreende Frequenz f Grenz i, enhalen die o erfaen Were alle Informaionen de urprünglichen Signal. Die folgenden Signale werden verwende x() i bandbegrenze Signal mi Grenzfrequenz f Grenz p() i Abaignal mi einer Abafrequenz von f A und dami Inervallen zwichen den Abazeipunken T = 1 / f A x () = x() p() i da abgeaee Signal Dami gil x() kann au x () exak wiedergewonnen werden, wenn f A >2 f Grenz In dieem Fall eneh keine Beeinrächigung aufeinanderfolgender Symbole (Inerymbol Inerference, ISI) 17 Da Signal p() i ein periodiche Signal und kann dami folgendermaßen dargeell werden n n= j2πnf p( ) = P e j2πnf x( ) = x( ) p( ) = Pn x( ) e n= Fourierranformiere von x () X ( f ) = x ( ) e Einezen von x () Au der Definiion der Fourierranformieren Wobei X(f) die Fourierranformiere von x() i X( f nf ) = x( ) e Durch Einezen in die obige Gleichung ergib ich X ( ) = P X( f nf ) n n= X ( f ) = X ( f ) = j2π ( f nf = n n= j2πf P x( ) e Pn n= ) d d x( ) e e j2πnf j2πf j2π ( f nf [Sal6] d ) d Inerpreaion der lezen Gleichung Annahme: Bandbreie von x() i im Bereich von bi f Grenz Spekrum von x() Bandbegrenze Spekrum Da Spekrum von x () ez ich au zwei Komponenen zuammen: Zum einen dem Spekrum von x(); zum Anderen dem zu den enprechenden Harmonichen der Abafrequenz überezen Spekrum von x(). Dabei wird da jeweilige Spekrum mi dem enprechenden Koeffizienen der Fourier-Reihe von p() muliplizier. Spekrum von x() erchein in X (f) Spekrum von x () Unendliche Spekrum Bewei Abaheorem... X(f) 1 f Grenz f Grenz X (f) P P 1 P 1 P f A f Grenz 2... f P 2 Bewei Abaheorem Für f A >2 f Grenz ergib ich bei den Harmonichen keine Überlappung f A f < f < A 2 2 X (f) = P X(f) Da Spekrum von x() kann z.b. durch die Verwendung eine Tiefpafiler rec( f ) mi 2 fgrenz < f < 2( fa fgrenz) wieder gewonnen werden... X (f) P P 1 P 1 P f 2 A f Grenz... P f A f A f Grenz f Grenz f A 2f A f 19 2f A f A f Grenz f Grenz f A 2f A f

6 2.4 Überragungmedien Klaifikaion Aufgabe Phyikaliche Verbindung benachbarer Kommunikaionyeme Medium Randbedingungen Überbrückbare Dianz Verlängerung durch Einaz ogenanner Repeaer Arbeien al Signalverärker Sromleier verdrille Kupfer Doppelader drahgebunden Wellenleier Hohlleier geriche Laer-Srecke drahlo ungeriche Mobilfunk Überragungmedium Repeaer Neze Sezen verchiedene Überragungmedien ein, z.b. Lichwellenleier inern im Nez Drahloer Anchlu an Nez (z.b. Handy) bzw. im Nez gechirm (hielded) ungechirm (unhielded) Koaxialkabel Lichwellenleier (Glafaer) Richfunk Saellien-Direkfunk Terrericher Rundfunk Saellien-Rundfunk 2 21 Elekromagneiche Spekrum Drahgebundene Medien drahgebundene Überragungmedien verdrille Drähe Koaxialkabel Hohlleier opiche Faern Hz Verdrille Adernpaar Kupferader Iolaion Koaxialkabel Kupferader 22 Langwellen- Radio Mielwellen -Radio UKW Radio Mikrowellen Fernehen drahloe Überragungmedien Infraro ichbare Lich 23 Lichwellenleier (Glafaer) LED Laerdiode Iolaion Abchirmung Glakern Iolaion und mechaniche Schuzhülle Ummanelung

7 Verdrille Adernpaar Exkur: Dezibel Dämpfung, Verärkung 24 Überragungeigenchafen Kaegorie 3 UTP (Unhielded Twied Pair) Kaegorie 3 Kabel ind in öffenlichen (und privaen) Gebäuden mei chon vorhanden Telefonverkabelung. Daenraen bi 16 Mbi/. Dämpfung [db pro 1m]: 1 MHz, 2,6 / 4 MHz, 5,6 / 16 MHz, 13,1 Kaegorie 5 UTP Kaegorie 5 wird al neue Sandardverkabelung in öffenlichen Gebäuden verwende Daenraen bi 1 Mbi/ Dämpfung [db pro 1m]: 1 MHz, 2, / 4 MHz, 4,1 / 16 MHz, 8,2 / 25 MHz, 1,4 / 1 MHz, 22, Unerchiede Kaegorie 3 und 5 UTP Die Anzahl der Drehungen ind bei Kaegorie 5 deulich höher (eine Drehung pro,6,85cm), al bei Kaegorie 3 (eine Drehung pro 7,5 1cm) Kaegorie 5 ha eine geringere Dämpfung al Kaegorie 3 Kaegorie 6 UTP Typiche Leiung: 1 3 MHz Daenraen bi 2,4 Gbi/ möglich Dämpfung [db pro 1m]: 1 MHz, 2, / 4 MHz, 3,8 / 16 MHz, 7,6 / 1 MHz, 19,8 / 2 MHz, 29, / 3 MHz, 36,4 Kaegorie 7 (Shielded Screen Twied Pair) Vier einzeln abgechirme Adernpaare führ zu hervorragendem Dämpfung-Überprech-Verhälni Daenraen bi 1 Gbi/ möglich Beriebfrequenzen bi 6 MHz 25 Häufig aufauchende Größe zur Bewerung der Ineniä i da Dezibel (db) Gib dimenionloe Verhälni an, z.b. zweier Pegel, wie ewa Spannung, Leiung, Srom, Lauärke, ec. keine phyikaliche Einhei (eher eine Hilfgröße ) Herkunf: Einhei Bel (B), benann nach Alexander Graham Bell, 1 db = 1/1 B Finde inbeondere Anwendung beim Audruck von Gewinn (Verärkung) oder Verlu (Dämpfung) eine Signal z.b. durch eine Bearbeiung, eine Überragung, eine Leiung, Sörungen, beim Durchlaufen einer Schalung, ec. Exkur: Dezibel Dämpfung, Verärkung Koaxialkabel Zwei Bezugaren möglich relaive Pegel: Bezug auf Vergleichwer abolue Pegel: Bezug auf Referenzwer, z.b. dbv mi Bezug auf Spannung von 1V Voreile der Größe db: logarihmiche Darellung einfache Berechnungen mi Pegeln (mei Summen a Muliplikaionen) Aufbau Dicke Kupferader, innere Iolierung, Meallgeflech, äußere Iolierung Außenleier umchließ Innenleier zylindrich Dazwichen befinde ich ein Dielekrikum au Kunoffen oder Gaen Signalaubreiung erfolg im Dielekrikum Kupferader (Innenleier) 26 Bei Pegelberechnungen wird unerchieden quadraiche Größen: Energie, Leiung, Ineniä lineare Größen: Schalldruck/Lauärke, Spannung, Sromärke, dann gil für den relaiven Pegel L U zweier Spannungen U 1 und U 2 : U1 L U = 2 lg db U 2 Überragungechnik arbeie mei mi (linearen) Ampliuden, e gil dann beipielweie +6dB enprich einer Verdopplung, -6dB einer Halbierung der Augang- im Vergleich zur Eingangpannung +2dB enprich einer Verzehnfachung 27 Iolaion Eigenchafen Rauchen wird gu von der inneren Leiung fern gehalen Abchirmung (Außenleier) Frequenz bi zu 5 MHz, auf kurzen Dianzen auch 75 MHz und mehr (Kabelfernehneze) Bandbreie: bi 1 GHz (für kurze Srecken) bi zu 5 Mbi/; Repeaeraband ca. 1-1 km Fehlerwahrcheinlichkei ca. 1-7 Beipiele Telefonnez (nezinern), Kabelfernehen, früher: lokale Neze Iolaion und mechaniche Schuzhülle

8 Lichwellenleier Typen von Lichwellenleiern 28 Aufbau Faer Innen: dünne Gla oder Plaik (2 1 μm) Dünne Faer: ewa halbe Größe eine menchlichen Haar Kabel Beeh in der Regel au mehreren Faern (z.b. bi ca. 2) Überragungprinzip: Toalreflexion de Lich Plaikaußenhülle Ummanelung de Kern Glakern Single core Eigenchafen Wellenlängen (85 nm, 13 nm, 155 nm, 161 nm) Bandbreien im Bereich mehrerer THz verfügbar Repeaeraband ca. 1 1 km Mulicore [Haaß97] Video: Herellung eine Lichwellenleier Mulimode-Faer mi Sufenindex 29 Opicher Sender Mulimode-Faer mi Gradienenindex Elekriche Eingabeignal Monomode-Faer Opicher Empfänger (i) Mulimode-Faer mi Sufenindex (ii) Mulimode-Faer mi Gradienenindex (iii) Monomode-Faer Elekriche Augabeignal Vergleich der Überragungmedien Vergleich der Überragungmedien bzgl. Dämpfung Frequenzbereich Typiche Dämpfung Twied Pair 3,5 khz,2 db/km (bei 1kHz) Typiche Verzögerung Repeaer Aband 5 µ/km 2 km Twied Pair,5 mm Dämpfung [db/km] Twied Pair (mehrere Paare pro Kabel) 1 MHz,7 db/km (bei 1kHz) Koaxial Kabel 5 MHz 7 db/km (bei 1 MHz) 5 µ/km 2 km 4 µ/km 1 9 km Koax 9,5 mm Glafaer Glafaer THz,2,5 db/km 5 µ/km 4 km 3 [Sal6] 31 Frequenz [Hz] [Sal6]

9 Robuhei drahgebundener Medien Dez. 26: Kabelbruch in Aien Biher näher berache Verdrille Adernpaar, Koaxialkabel, Lichwellenleier Verbinden benachbare Kommunikaionyeme Können große Dianzen überbrücken (Repeaer) Noch nich berache Zuverläigkei und Robuhei olcher Verbindungen Auwirkungen eine Kabelbruch auf da geame Nez Wie kann e zu einem Kabelbruch kommen? Rouen zwichen zwei Endyemen nich mehr gülig Auomaiche Adapion de Neze möglich? Adäquae Rouingverfahren nöig (iehe Kapiel 8 Nezkopplung und Vermilung ) Kabelbruch 15 km vor der Küe Taiwan nach einem Seebeben der Särke 6,7 Mindeen 6 Kabel von China Telecom bechädig Inerneverbindung nach Aien ark eingechränk Nokapaziäen der Provider zugechale Neue Rouen ollen bechädigen Abchni meiden Reparaur de Unereekabel wird 2-3 Wochen dauern Einige Zahlen Ca. 1 Millionen Inernenuzer ind beroffen Anworzeien zum Teil verdreifach, fall Verbindung überhaup hergeell werden kann Inerne-Telefonae zwichen Video: Verlegung de Taiwan und USA gingen auf ca. 4% zurück eren Tiefeekabel China/Japan und USA gingen auf ca. 1% zurück Inerneverkehr in Vienam auf ca. 3% zurückgegangen TAT-14 Akuelle: Glafaer durch Bodenee Tran Alanic Telephonecable Number 14 Verbinde ei 21 Europa mi Nordamerika Geamkoen: 1,2 Milliarden Euro 15 Kilomeer, ca. 5 cm dick Befinde ich 1 Meer ief im Meereboden Verärker alle 5-7 Kilomeer erforderlich Doppele Kabelraen Am 19.November 27 wurde ein neue Glafaer-Kabel im Bodenee verleg Verbeerung de Daenranfer zwichen Nord- und Südufer Zwichen Konanz und Friedrichhafen Länge: 26 km Lieg in Tiefen bi 2m abei der Ankerlinien 192 einzelne Glafaern im ca. 2,5 cm dicken Kabel Hioriche 1856: Ere Telegrafenverbindung zwichen Deuchland und der Schweiz durch Seekabel im Bodenee 1892: Neue Kabel kann Telegramme und Telefongepräche überragen 196: Ere Pupin-Kabel der Wel zur Verbeerung der Sprachqualiä : Weiere Kupfer- und ere Glafaerkabel für Telefonverkehr 34 hp:// 35 [Hei8a]

10 Akuelle: Seekabel Akuelle: Seekabel : Zwei Glafaer-Backbone im Mielmeer bechädig Ägypen nur noch mi 3 Prozen Bandbreie angechloen Indien nur noch mi 4 Prozen Bandbreie Flag Telecom Group Bereiberin de FEA-Kabel (Flag Europe Aia) Reich von Großbriannien bi Japan (rund 27. km) Beide Kabel Kapaziä von fa 62 Gigabi pro Sekunde [Hei8b] : Ri de FALCON-Kabel um Arabiche Halbinel 56 km vor Dubai Verbindungen nach Ägypen, Vereinige Arabiche Emirae (VAE), Kaar, Kuwei, Bahrain, Iran, Irak und Oman geör Veranworlich war ankernde Schiff [Hei8c,Hei8e] Bergung eine fünf Tonnen chweren Anker : Aufall Glafaer-Backbone zwichen Kaar und VAE Probleme mi Sromverorgung [Hei8d] [Flag8] : Aufall der Seekabel SEA-ME-WE 4, SEA-ME-WE 3 und FLAG-FEA im Mielmeer Vermulich durch ankernde Schiff zwichen [Hei9] Sizilien und Ägypen Umrouen de meien Verkehr zw. Europa und Aien über USA Tranibiriche Überlandleiung zwichen Europa und Aien in Planung Soll Daenleiungen per Seekabel oder über Nordamerika verkürzen [Hei8f] Laufzeiverkürzung Daeneinhei von >3 m auf ewa 16 m Aber: Auch Fehler bei der Überragung möglich Signalüberragung über ein Medium Überragungörung durch Rauchen 38 y'() = F(x'(), z'()) x () Dämpfung nuzbare Frequenzband x'(): Eingabeignal y'(): Augabeignal z'(): Söreinfluß Dämpfung y () Laufzei Frequenz Bandbreie Dämpfungverzerrung (Lauf-)Zeiverzerrung x () 39 Neben der yemaichen Beeinfluung de Signal durch Dämpfung Laufzeiverzerrung können Signalörungen durch raniene, ochaiche Prozee weiße Rauchen Echobildung (durch zeiverchobene Eingabeignal) Nebenprechen (gegeneiige Medienbeeinfluung) Brummignale (niederfrequene Sörignale) Sörimpule (kurzzeiig mi hoher Ampliude) aufreen Lange anhalende Sörungen: Bündelfehler Echobildung, Nebenprechen, (hermiche) Rauchen, Anchalen von indukiven Laen (Moor), 5Hz, Nezbrummen e auf einer Leiung,...

11 Beipiel: Auwirkung von Sörungen 2.5 Digiale Signalüberragung Daen Signal Sörung Signal mi Sörung Abazeipunk empfangene Daen Originaldaen Schri Charakeriich für zeidikree Signale i die Exienz eine minimalen Zeiinervall T Min zwichen aufeinanderfolgenden möglichen Änderungen der Signalkoordinae (Schridauer, kurz: Schri al Signal definierer Dauer) Wichig: Digiale Signal mi feer Schridauer T (Schri-Tak) Iochrone (iochronou) Digialignal Ein Digialignal i iochron, wenn eine Kennzeipunke, d.h. die Zeipunke de Übergang von einem Signalelemen zum nächen, in einem feen Zeiraer liegen Aniochrone (aniochronou) Digialignal Ein nich-iochrone Digialignal 4 Fehler 41 Überragung- v. Schrigechwindigkei Schrigechwindigkei (Baudrae) Zahl der Signalparameer-Zuandwechel Einhei: baud (1/) (nach Jean Maurice Baudo) bei iochronen Digialignalen Kehrwer der Schridauer 1/T auch al Baudrae bezeichne Überragunggechwindigkei (Birae, Daenrae) Anzahl der überragbaren Biellen pro Zeieinhei Einhei: bi/ Schrigechwindigkei Beipiel Schrifolge: S() T Tak Schrigechwindigkei = Überragunggechwindigkei Nur für binäre Signale, bei denen jeder Schri al Signalelemen genau ein Bi al Codeelemen darell. Beipiel: 1 Schrigechwindigkei 5 baud 42 43

12 Digiale Signal: Begriffe Bandbreie und digiale Signal Wor Block Takraer Signalchri Signal Wor Gruppe kleiner feer Anzahl von Schrien (5 bi 8) bei binärer Überragung Oke = 8 Schrie Block logich zuammenhängende größere Einhei Bicode: Schrifrequenz 2 Schrie/ 45 Bandbreie 5 Hz Bandbreie 9 Hz Bandbreie 13 Hz Bandbreie 17 Hz Bandbreie 21 Hz 1 1 1/4 Ideal, würde aber unendliche Bandbreie benöigen! nur 1. Harmoniche (+ Gleichromaneil=Hz) Harmoniche (+ Gleichromaneil) Harmoniche (+ Gleichromaneil) Harmoniche (+ Gleichromaneil) Harmoniche (+ Gleichromaneil) Min. Bandbreie für Überragung einer bel. Bifolge mi beimmer Schrifrequenz nöig genaue Berechnung der min. Bandbreie nach den Formeln von Shannon/Nyqui Zwei- und mehrwerige Digialignale Zweiwerige Digialignal (Binärignal) Digiale Signal mi nur zwei Weren de Signalparameer (Digiale Signal, bei dem die Signalelemene binär ind) zugeordnee quaernäre Codeelemen Mehrwerige Digialignal Beipiel Signalufen (Ampliudenwere) 46 Mehrwerige (mehrufige) Digialignal Die (dikree) Signalkoordinae kann mehr al zwei Were annehmen Beipiel: DIBIT = zwei Bi pro Koordinaenwer (quaernäre Signalelemen) Die Anzahl n der dikreen Were (Kennwere, Sufen), die ein Signalelemen annehmen kann, wird wie folg gekennzeichne: n = 2 binär (binary) n = 3 ernär (ernary) n = 4 quaernär (quarernary)... n = 8 okonär (oconary) n = 1 denär (denary) quaernäre Codefolge Schri

13 2.6 Kanalkapaziä 2.7 Überragungdauer 48 Problem Wa für eine Daenrae kann auf einer Daenleiung (Kanal) uner den exiierenden Bedingungen erziel werden? Daenrae Größe zur Beimmung der Kapaziä eine Überragungyem Mei gemeen in überragenen Bi pro Sekunde (bi/) Fehlerfreier Kanal Daenrae i nur durch die Bandbreie limiier Nach Nyqui gil Für eine Schrirae von 2B i ein Signal der Frequenz B aureichend Max. Schrigechwindigkei [baud] = 2 * Bandbreie [Hz] Umkehrung gil auch Bei binären Signalen: Daenrae = 2B bi/ C = 2B ld M M: Anzahl der Signalwere Erhöhung von M führ zu Erhöhung der erzielbaren Daenrae 49 Allgemeine Verändni von Überragungdauer Wie lange dauer e, Daen vom Sender zum Empfänger zu ranporieren? Achung: Sez ich au verchiedenen Komponenen zuammen Diee hängen jeweil von unerchiedlichen Eigenchafen ab Wichige Komponenen Sendezei T S Dauer, um Daen auf da Medium zu legen Aubreiungverzögerung T A Dauer, bi Daen über da Medium beim Empfänger einreffen of auch al Verzögerung oder Laufzei bezeichne Sendezei Sendezei T S : Zei zwichen Beginn und Abchlu der Sendung Nur auf Sendereie berache L Abhängig von T S = d Daenmenge L Daenrae d de Medium (Leiung/Verbindung) Anzahl der pro Zeieinhei überragenen Daen (z.b. bi/) Achung: Nach Abchlu der Sendung ind die Daen noch nich beim Empfänger! Aubreiungverzögerung Aubreiungverzögerung Aubreiungverzögerung T A : Zeipanne zwichen Abenden eine Signal und deen Einreffen am anderen Ende de Medium Abhängig von Aubreiunggechwindigkei v phyikaliche Signalgechwindigkei in üblichen Medien (Kabel, Glafaer) ewa 2/3 der Lichgechwindigkei Länge de Medium m Signal enden Medium Signal empfangen m T A = v 5 Daen enden Medium Daen empfangen 51 Einbezug der Aubreiunggechwindigkei Enfernung in Meer Aubreiungverzögerung in Sekunden

14 Welche Länge ha ein Bi auf der Leiung? Inereane Frageellung nach phyikalicher Länge (in Meern) eine Bi auf der Leiung Abhängig von Daenrae d und Aubreiunggechwindigkei v Wie wei ind die eren Signalchwingungen de Bi chon gewander, bevor da Bi volländig auf da Medium geleg wurde? phy. Länge 1Bi = 1Bi d v Bi enden Bi empfangen Bandbreien-Verzögerung-Produk Welche Daenmenge kann ich gleichzeiig auf dem Medium befinden? Überragungmedium al Daenpeicher! Abhängig von Daenrae d und Aubreiungverzögerung T A (lezere wiederum abhängig von Länge de Medium m und Aubreiunggechwindigkei v) Wie lange brauch da ere Bi, bevor e am anderen Ende der Leiung ankomm und wie viel Daen können bi dahin noch zuäzlich auf die Leiung gegeben werden? Auch al Bandbreien-Verzögerung-Produk bezeichne Daenrae wird häufig auch (ungenau) al Bandbreie bezeichne Daen mi Daenrae d enden Medium Daen empfangen Aubreiungverzögerung T A in Sekunden Medium Bandbreien-Verzögerung-Produk = d * T A Daenraen Daenraen in LAN, MAN & WAN 54 Typicherweie gemeen in Einhei Bezeichnung bi/ bi pro Sekunde / bi per econd kbi/ 1 bi/ Kilo bi p.. Mbi/ 1 6 bi/ Mega bi p.. Gbi/ 1 9 bi/ Giga bi p.. Tbi/ 1 12 bi/ Tera bi p.. Pbi/ 1 15 bi/ Pea bi p.. Achung: Se Muliplikaor (1 v. 124) beachen In der Überragungechnik i 1 Kbi/ mei 1 bi/ Siehe auch [Kro91] 55 um 196: Ere Modem, wenige hunder bi/ Nur von Telco zugelaene Geräe erlaub. Download 1 MBye: 1968: Akuikkoppler, 3 bi/ 1 Mona Alle erlaub, da keine direke Verbindung mi Leiung. 1981: Smarmodem (von Haye Communicaion), 3 bi/ 1996: Modem mi 56 kbi/ (K56flex/X2, ab 1998 V.9) 1989: Deuchland-Einführung ISDN, 64 kbi/ B-Kanal 1995: LAN: Fa Eherne, 1 Mbi/ 1998: LAN: Gigabi Eherne, 1 Gbi/ 1999: Deuchland-Sar von DSL, 768 kbi/ 22: LAN: Ere 1 Gigabi Eherne Typen, 1 Gbi/ 26: Aymmeric DSL2+, bi zu 16 Mbi/ 26: 6,4 TBi/ über 1 km Glafaer DWDM mi 16 verchiedenen Wellenlängen ~ 21 (gechäz): LAN: 1 Gigabi Eherne, 1 Gbi/ Download 1 MBye: < 4 h owieo chwierig: ~ 1 MBye Feplaen Download 1 MBye: <1 min Download 1 MBye: 1/8 m

15 Beipiel: Bandbreien-Verzögerung-Produk Überragungdauer (2) Mobilfunk AMPS d = 13 kbi/ m = 3 km T A = 1µ,13 bi PCS, GSM d = 3 kbi/ m = 3 km T A = 1µ 3 bi UMTS d = 14,4 Mbi/ m = 3 km T A = 1µ 144 bi Wirele Local Area Nework (WLAN) Infraro d = 4 Mbi/m = 1 m T A = 33n,2 bi Blueooh d = 2,1 Mbi/ m = 1 m T A = 333n,1 bi 82.11g d = 54 Mbi/ m = 15 m T A = 5n,4 bi 82.11n d = 248 Mbi/ m = 25 m T A = 833n 3,2 bi (WiMax) d = 134 MBi/ m = 75 km T A = 25µ 511 bi Saellien und Inerplanear Geoaionär (GEO) d = 5 Mbi/ m = km T A = 27 m 2 kbi Mar d = 1 Mbi/ m = 45 Mio. km bi 4 Mio. km T A = 2,5 min bi 22 min 3 Mbi bi 22 Mbi Jupier d = 1 Mbi/ m = 59 Mio. km bi 97 Mio. km T A = 33 min bi 54 min 32 Mbi bi 53 Mbi Pluo d = 1 Mbi/ m = Mio. km bi Mio km T A = 237 min bi 418 min 237 Mbi bi 418 Mbi Unerchiedliche Rahmenbedingungen erfordern ganz unerchiedliche Prookolle Je nach Berachungweie pielen noch weiere Komponenen bei der Überragungzei eine Rolle Zei für Prookollbearbeiung Daen codieren, mi Prüfummen verehen, ec. Dauer der Bearbeiung in Zwichenyemen inbeondere bei Pake-baierer Überragung Daen aupacken, prüfen, näche Ziel uchen (Wegewahl) anpaen, neue Prüfummen berechnen, ec. Warezei in Warechlangen ec. Se beachen, wa genau im Konex geuch/berache wird Kanalkapaziä bei Sörungen 2.8 Modulaion / Demodulaion Beobachung Bei höherer Daenrae werden Bi kürzer und dami verfälchen Sörungen mehr Bi al bei niedriger Daenrae Wichig i hier der Signal-Rauch-Aband (Signal-Noie-Raio, SNR) SNR [db] = 1 log 1 (Signalenergie / Rauchenergie) Energie eine Signal i proporional zum Quadra der Ampliude Shannon-Harley-Geez Gib eine obere Grenze für die auf einer Daenleiung erzielbare Daenrae in Abhängigkei de Signal-Rauch-Abande C = B ld (1 + S/R) C i die Daenrae in bi/ B i die Bandbreie (gemeen in Hz) de Kanal S i Energie de Signal R i Energie der Sörquelle Quelle Nachrich Senke x() y() Modulaor x'() Demodulaor y'() Medium z'() Sörquelle nachrichenechnicher Kanal / Überragungkanal Zur Überragung erforderlich Umformung de primären Quellignal in da Eingabeignal de Medium Modulaion Rückformung de Augabeignal in da primäre Senkenignal Demodulaion Bei digialen Kanälen wird im weenlichen unerchieden zwichen direker Weiergabe de Quellignal: Umformung digial digial Aufprägung de Quellignal auf harmoniche Trägerchwingung d.h. Quellenignale werden einer Trägerfrequenz aufmodulier: Umformung digial analog 58 59

16 Baibandüberragung Ampliudenmodulaion Primäre Signal Modulaor Verärker Regeneraor Überragungignal (z.b. Mancheer-Kodierung) Primäre Signal Ozillaor Überragungignal Einfache Verfahren Primäre Signal mu an Mediencharakeriik angepa werden Umformung digial digial Trägerfrequenz (TF) Primäre Signal wird durch Ampliudenveränderung auf Trägerignal modulier Ampliudenmodulaion i ehr öranfällig 6 61 Frequenzmodulaion Phaenmodulaion Verzögerung Primäre Signal Ozillaor 1 Ozillaor 2 Überragungignal Primäre Signal Ozillaor Überragungignal 62 Trägerfrequenz 1 (TF 1 ) Trägerfrequenz 2 (TF 2 ) Primäre Signal wird durch geziele Änderung der Trägerfrequenz modulier Frequenzmodulaion i da uner anderem auch bei UKW- Rundfunk eingeeze Modulaionverfahren 63 Trägerfrequenz (TF) Primäre Signal wird miel gezieler Phaenprünge de Trägerignal modulier Phae modulaion wih reference phae = Phaendrehung de Referenzignal um 18 1 = keine Phaendrehung (Referenzignal) Differenial wo-phae modulaion = keine Phaendrehung [am Takbeginn] 1 = Phaendrehung [am Takbeginn] Phaenmodulaion i da bee, aber auch aufwendige Verfahren

17 Modulaion: Zuammenfaung 2.9 Serielle und parallele Überragung Ampliudenmodulaion echnich einfach benöig wenig Bandbreie öranfällig A 1 1 Seriell A Frequenzmodulaion größere Bandbreie A für Telefonüberragung mi oder ohne Phaenprünge Binary Frequency Shif Keying (BFSK) Zwei Frequenzen : f 1, 1: f 2 A Phaenmodulaion komplexe Demodulaion mi Trägerrückgewinnung relaiv örungicher 65 Parallel A 1 1 Zeichen 2.1 Synchroniaion Grundlegend für eine erfolgreiche Daenüberragung Beimmung de Abazeipunk Synchroniaion Formen der Synchroniaion Sende- und Empfangak unerliegen gemeinamen Konvenionen und werden dieen folgend von Quelle und Senke unabhängig voneinander uner Nuzung eine Takgeneraor beimm äußer abile Takgeneraoren erforderlich Überragung de Takraer auf eigenem parallelen Kanal bechränk auf Nahbereich Überragung de Takraer mi dem Signal Ableiung de Takraer au dem Signalverlauf Punkuelle Synchroniaion eine weigehend unabhängigen Takgeneraor bei der Senke durch da Signal nur bechränke Frequenzkonanz erforderlich Zeichenweie Synchroniaion (Sar/Sopp-Berieb) Sarchri Zeichenweie Synchroniaion und Blockynchroniaion Synchroniaion (nur) für jeden Block Nuzchrie Soppchrie Zeichenrahmen 1. Zeichen 2. Zeichen Zeichen de Block näche Zeichen n. Zeichen Blockarmuer Blockendemuer Block

18 2.11 Mehrfachnuzung von Medien 1111 Medium 1111 Dedizierer Kanal Kanal verbinde genau eine Quelle mi genau einer Senke Beriebaren implex duplex halbduplex Zeiache A B A B A B Medium Medium Medium Muliplexechniken Mehrfach genuzer Kanal, Sammelkanal Ziel: Mehrfachnuzung de gemeinamen Medium Mehr al zwei Diennehmer greifen auf daelbe Medium zu Hierfür ind Muliplexechniken nowendig Muliplexen i in vier Dimenionen möglich Raum (r), Zei (), Frequenz (f) und Code (c) Wichig: Genügend große Schuzabände nöig! 68 Komm. nur in eine Richung Telex, Feuermelder Komm. gleichzeiig in beide Richungen Telefon Komm.richung wechel Aber jeweil nur in eine Richung genuz Wechelprechen (häufig beim Sprechfunk, z.b. Walkie-Talkie) 69 Raummuliplex (SDMA) Frequenzmuliplex (FDMA) 7 Eineilung de Raum in Sekoren, gerichee Anennen Space Diviion Muliple Acce (SDMA) Kupfermuliplex Zuordnung dedizierer Leiungen Vgl. Zellenrukur von Mobilfunknezen Kanäle k i k 1 k 2 k 3 r 1 c f r 2 c f r 3 c f 71 Geame verfügbare Bandbreie wird in einzelne Frequenzabchnie aufgeeil Überragungkanal beleg Frequenzabchni über geamen Zeiraum Frequency Diviion Muliple Acce (FDMA) Voreile Keine dynamiche Koordinaion nöig Auch für analoge Signale Nacheile Bandbreienverchwendung bei ungleichmäßiger Belaung Unflexibel c k 1 k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 f

19 Zeimuliplex (TDMA) Codemuliplex (CDMA) 72 Kanal beleg geamen Frequenzraum für einen gewien Zeiabchni Time Diviion Muliple Acce (TDMA) Voreile In einem Zeiabchni nur ein Träger auf dem Medium Durchaz bleib auch bei großer Teilnehmerzahl hoch Nacheile Genaue Synchroniaion nöig c k 1 k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 f 73 Vorgehenweie Alle Saionen operieren zur gleichen Zei auf derelben Frequenz Signal wird vom Sender mi einer für ihn eindeuigen Peudozufallzahl verknüpf Empfänger kann miel bekanner Sender-Peudozufallfolge und Korrelaionfunkion da Originalignal reaurieren Nacheil Höhere Komplexiä wegen Signalregenerierung Alle Signale müen beim Empfänger gleich ark ankommen Voreile Keine Frequenzplanung erforderlich Sehr großer Coderaum (z.b ) im Vergleich zum Frequenzraum Vorwärkorrekur und Verchlüelung leich inegrierbar Realiierung: Spreizpekrumechnik k 1 k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 c f Zuammenfaung Syemblick auf Überragungkanal Signalüberragung Signalklaen Abaheorem Repräenaion eine analogen bandbechränken Signal al zeidikree Signal Kanalkapaziä örungfreier owie geörer Kanal Modulaion Mehrfachnuzung Kapiel oll Einichen zu folgenden Fragen geben Wa wird aächlich überragen? Welche Daenraen ind möglich? Wie abil i die Kommunikaion im Überragungkanal? Übungen 2.1 Erläuern Sie die Funkionweie der Digialiierung analoger Daen 2.2 Welche Rolle piel in dieem Konex da Abaheorem? 2.3 Wie groß i die Sandard-Daenrae eine Sprachkanal und au welchen Zuammenhängen leie ie ich ab? 2.4 Erläuen Sie den Unerchied zwichen Überragung- und Schrigechwindigkei und nennen Sie deren Einheien 2.5 Au welchen Einzelkomponenen ez ich die Überragungzei zuammen und wovon hängen diee jeweil ab? 2.6 Wie lang i eine Daeneinhei von 85 bi bei einer Daenrae von 1 Mbi/? 2.7 Wieviele bi befinden ich gleichzeiig auf einer 1 Mbi/ chnellen Glafaerverbindung mi 1 Kilomeern Länge? 2.8 Nennen Sie unerchiedliche Modulaionechniken und erklären Sie deren Arbeiweie 2.9 Erläuern Sie verchiedene Muliplex-Techniken und geben Sie Beipiele für deren Anwendung 74 75

20 Lieraur I [Flag8] Flag Telecom; hp:// [Haaß97] W. Haaß; Handbuch der Kommunikaionneze; Springer Verlag, 1997 Gue knappe Zuammenfaung zu Überragungmedien und Muliplexverfahren [Hal5] F. Halall; Compuer Neworking and he Inerne; Addion- Weley, 25 Kapiel 1 [Hei8a] heie Newicker; hp:// [Hei8b] heie Newicker; hp:// [Hei8c] heie Newicker; hp:// [Hei8d] heie Newicker; hp:// [Hei8e] heie Newicker; hp:// [Hei8f] heie Newicker; hp:// [Hei9] heie Newicker, hp:// Lieraur II [KlPi96] Kliman, Piorachke, Schönfeld; Informaion- und Kodierungheorie; Teubner Verlag, 1996 [Kro91] K. Krochel; Daenüberragung, Springer-Verlag, 1991 Fundiere Dikuion von Apeken der Daenüberragung Geh wei über da in der Vorleung angeprochene hinau [KrRe4] G. Krüger, D. Rechke; Lehr- und Übungbuch Telemaik; Haner Fachbuchverlag, 24 Kapiel 3 & Abaheorem, Weierführende Behandlung von Code [NIST98] NIST Ref., Prefixe for binary muliple, hp://phyic.ni.gov/cuu/uni/binary.hml [Spie8] Spiegel Online; hp:// [Sal6] W. Salling; Daa & Compuer Communicaion; Prenice Hall, 26 Kapiel 3 bi