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1 Basisbandübertragung © Roland Küng, 2013. 2 Intro Datenübertragung Wo ist der Anfang? Wieviele Daten sind es? Wieviel Filterung erlaubt ? Welches Spektralband.

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1 1 Basisbandübertragung © Roland Küng, 2013

2 2 Intro Datenübertragung Wo ist der Anfang? Wieviele Daten sind es? Wieviel Filterung erlaubt ? Welches Spektralband belegt?

3 3 Blockbild DEE - DÜE

4 4 Rahmen strukturiert Datenstrom Bsp.: Der Ethernet-Datenrahmen (Frame) besteht aus drei Teilen: Header (Kopf) Daten Trailer (Abschluss) Allg.

5 5 Rahmen-Synchronwort Präambel zur Synchronisation z.B.: Codeworte mit Codierverletzung wie beim Biphase-Mark Code mit den Eigenschaften: max. 2 gleiche Symbole nacheinander Anwendung: Magnetstreifen auf EC Karte Bitwechsel … gefolgt von Start of Frame Delimiter Anwendung: Ethernet, POCSAG Pager Pseudo Random Bitfolgen mit guter Autokorrelationsfunktion (AKF) wie Barkercode, m-Sequenzen Anwendung: Barker Code L = 11 wird genutzt als Rahmensynchronisation in der ISDN U-Schnittstelle und im b WLAN als Bit-Code

6 6 Rahmen-Synchronwort Bekannte Barker Codes RN For k = -N to +N do: Shift RN k bit Plot AKF(k) Aperiodische Autokorrelationsfunktion (AKF) Zeitverlauf R  AKF(-2) = -1 Note: „0“ Pegel zu klein für Entscheider Komparatoren R7

7 7 Empfänger Taktrückgewinnung Problem wenn: Signal nicht digital vorliegt Signal verrauscht ist keine Taktleitung vom Sender vorhanden ist Lange “1” oder “0” Sequenzen gesendet werden  Frage: wann Empfangssignal abtasten ? Einfach, wenn Taktleitung vorhanden ist: Flanke

8 8 DC oder AC Verbindung Differentielle Übertragung, Zwischentrafo, AC-Kopplungen: Hat die Leitung Bandpass Charakter oder sind DC-Transienten im Signal unerlaubt/unerwünscht  Wahl eines Signalspektrum mit Nullstelle bei DC Frage: wie spektral formen? z.B. Sub-Carrier modulieren

9 9 Signal: Zeit - Spektrum Wichtigste Beispiele: Cosinussignal und das allg. Rechtecksignal Darstellung als 2-seitiges Linienspektrum (nur rechte Hälfte gezeichnet) Beides ist gleich wichtig !

10 10 Digitale Daten Problem: Synchronisation ohne separate Verbindung für Taktsignal erschwert  Spektralanteil bei Taktfrequenz R fehlt und damit jede Information darüber ! R=1/T Bitrate R = Taktfrequenz Zufällige binäre Daten: Bitrate R = Daten Rate Symbolrate S = Zeichenrate auf Leitung T Def:

11 11 Spektrale Resourcen Bandbreite spielt eine Rolle: bei Systemen mit Frequenzkanal Raster bei ‘hohen’ Datenraten  Grenze durch den Kabelfrequenzgang gegeben  X verschiedene Leitungscodes haben sich etabliert T = const

12 12 Unipolar / NRZ (NRZ-L) Nicht Mittelwert frei Keine Taktflanken bei langen “1” oder “0” Folgen NRZ = Non Return to Zero Mark Space Beispiel: TTL Bitdauer T = 1/Bitrate RSymbolrate S = Bitrate R

13 13 Polar / NRZ Nicht Mittelwert frei, ausser “1” und “0” gleich häufig vorkommend Keine Taktflanken bei langen “1” oder “0” Folgen Note 1: Polar Prinzip ist bei praktisch allen Codes anwendbar Note 2: Polar ist nicht gleich Bipolar (siehe ternäre Codes) Beispiel: RS-232

14 14 NRZ Mark Code (NRZ-M) Differentielle Leitungen bergen Gefahr der Adernvertauschung  Ansatz: IF Mark THEN Change Aber Taktkomponente (auch bei “1” Folge) fehlt im Spektrum immer noch Beispiel: USB, FDDI Vorschrift: Bei „1“ Wechsel Analog dazu gibt es den NRZ Space Code (NRZ-S) M: Mark = 1

15 15 Spektrum NRZ Code NRZ-L: Non Return to Zero-Level (z.B. RS-232) NRZ-I: Non Return to Zero Inverted Encoded: NRZ-M und NRZ-S eliminiert Vorzeichen Unsicherheit bei differentiellen Ltg. (z.B. USB) Nicht geeignet für z.B. Telefonkanäle: 300 Hz – 3400 Hz Data Rate = R = S Man kann zeigen, dass folgende Bandbreite ausreicht: B min = R/2 f/R

16 16 RZ Mark Code (RZ-M) Lösung für das Taktrückgewinnungsproblem (Präambel mit “1” Folge) Pulsdauer ist nun T/2  Spektrum sinx/x hat Nullstelle somit bei 2/T = 2R Nachteile: Mehr Spektrum benötigt und Problem langer Nullfolgen ungelöst Return to Zero

17 17 BiPhase, Manchester Code Zur Übertragung einer logischen Eins wird der Pegel 1 während der ersten Hälfte des Bits gesendet und der Pegel 0 während der zweiten Hälfte, bei einer logischen Null ist es gerade umgekehrt Signal weist Phasenmodulation auf (Shift ½ Bit)  Jitter Immer eine Flanke vorhanden: Taktrückgewinnung (Frequenz und Phase) möglich z.B. PLL Technik auf doppelter Bittakt-Frequenz Beispiel: Ethernet S = 2 R B min = R

18 18 Spektrum RZ Codes ist selbst-synchronisierend R = Data Rate S = 2 R B min = R f/R Bsp: Bipolar RZ Familien: Polar-RZ, Bipolar-RZ, (Manchester)

19 Takt 19 Clock Recovery Möglichkeiten: Periodisch Sync Sequenzen einfügen und damit stabile Takt-Quellen (VCXO) regeln Überabtasten und periodisch AKF Präambel bestimmen (Bit- und Byte-Takt) Laufende Regelung (Tracking) mit PLL Technik auf Spektralanteil bei Taktfrequenz Problematik: Bandbreite, Noise, Jitter Gewinnung Spektralanteil Takt mit Flankendetektor Takt

20 20 Clock Recovery Taktregeneration mit sehr schmalem Bandass zur Jitter Reduktion: NRZ: Problematisch.  Scrambler vorteilhaft gegen lange 0 bzw. 1 Sequenzen RZ: Einfach.  Extrahierter Clock durch 2 teilen, auch für Manchester geeignet Puls auf jeder Flanke BP eliminiert Jitter und überbrückt fehlende Flanken PLL Taktregeneration mit PLL zur Jitter Reduktion: Multiplier: EXOR Short Puls aus jeder Flanke LF eliminiert Jitter und überbrückt fehlende Flanken

21 21 Bipolar: AMI-NRZ Code Alternate Mark Inversion  Ziel: Gleichspannungsfreiheit Pseudo Ternärer Code: 1, 0, -1 sind mögliche Zustände Für Space wird nichts gesendet, für Mark abwechselnd 1 und -1 Taktrückgewinnung nur falls AMI RZ verwendet wird Beispiel: Erste Generation PCM Netzwerke

22 22 Multi-Level: Ternäre Codes Abbildung von n Bit auf m Symbole  Ziel: Verminderte Bandbreite Binärb1b n = 3b2b b3b Ternärt1t m = 2t2t Vorschrift für 3B2T Code ISDN, DSL Kandidat S = 2 / 3 R 3 Bit 2 Symbole

23 23 Multi-Level: Quarternäre Codes 2B1Q: ISDN Basisanschluss Teilnehmer  Halbe Schrittgeschwindigkeit, weniger Spektrum, geringere Dämpfung Abbildung von n Bit auf m Symbole  Ziel: Verminderte Bandbreite Input Output S = ½ R Hier beginnt die Familie der PAM Pulse Amplitude Modulation

24 24 Spektrum Bipolar / Multilevel Codes Hilfreiche Codes bei bandbegrenzten Übertragungsleitungen: ISDN, DSL, TF Data Rate R  S B min < R f/R Leitung darf Trafo oder kapaz. Kopplung haben Note: AMI: 0 = no line signal, 1 = alternating Pseudoternary: 1 = no line signal, 0 = alternating

25 25 Spektraler Vergleich Bsp. ISDN Vergleich 2B1Q für ISDN Basisanschluss Teilnehmer mit anderen Codes 144 kBit/s Manchester

26 26 Bsp. Fast Ethernet NRZI: NRZ invert on “1” 4 Bit  5 Bit Symbol Nulllänge begrenzt, DC frei 100 Mb/s 3 Level Codierung MLT3  Bandbreite vermindern (see next slide) Wie man 100 Mbit/s mit MHz Bandbreite DC frei übertragen kann Note: NRZI (USB, Ethernet, FDDI) 100BASE-FX 100BASE-TX Nibble = 4 Bit

27 27 MLT-3 im Fast Ethernet MLT-3 durchläuft die Spannungslevel -1, 0, +1 Um eine “1” zu übertragen wird die State Machine weiter geschaltet Für eine Null bleibt sie im selben Zustand Worst case: simulated as an analog signal with period = 4 times the bit duration ( frequency = ¼ bit rate) Data Rate = R = S B = R/4…R/3

28 28 Systematik

29 29 Systematik: Beispiel

30 30 Summary of line coding schemes R = Datenrate bzw. Bitrate B = R/2 B = R B = R/4 B = 3R/4 B = R/3 B = R/8, RZ Polar


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