Basisbandübertragung © Roland Küng, 2013

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

Blockbild DEE - DÜE

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

Rahmen-Synchronwort Präambel zur Synchronisation z.B.: Codeworte mit Codierverletzung wie 11101000 beim Biphase-Mark Code mit den Eigenschaften: max. 2 gleiche Symbole nacheinander Anwendung: Magnetstreifen auf EC Karte Bitwechsel 0101010101… 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 802.11b WLAN als Bit-Code

Rahmen-Synchronwort Zeitverlauf R7 Bekannte Barker Codes RN R7 -1 -7 0 7 For k = -N to +N do: Shift RN k bit Plot AKF(k) 1 -1 AKF(-2) = -1 Aperiodische Autokorrelationsfunktion (AKF) Note: „0“ Pegel zu klein für Entscheider Komparatoren

Empfänger Taktrückgewinnung Einfach, wenn Taktleitung vorhanden ist: Flanke 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 ?

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

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

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

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

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

Polar / NRZ Beispiel: RS-232 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)

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

Spektrum NRZ Code Data Rate = R = S Man kann zeigen, dass folgende Bandbreite ausreicht: Bmin = R/2 f/R 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

RZ Mark Code (RZ-M) Return to Zero 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

BiPhase, Manchester Code S = 2 R Bmin = R Beispiel: Ethernet 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

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

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 Takt

Clock Recovery Taktregeneration mit PLL zur Jitter Reduktion: PLL Puls aus jeder Flanke LF eliminiert Jitter und überbrückt fehlende Flanken PLL 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 Multiplier: EXOR Short Puls auf jeder Flanke BP eliminiert Jitter und überbrückt fehlende Flanken

Bipolar: AMI-NRZ Code Alternate Mark Inversion  Ziel: Gleichspannungsfreiheit Beispiel: Erste Generation PCM Netzwerke 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

Multi-Level: Ternäre Codes Abbildung von n Bit auf m Symbole  Ziel: Verminderte Bandbreite Binär b1 1 n = 3 b2 b3 Ternär t1 - + m = 2 t2 S = 2/3 R Vorschrift für 3B2T Code 3 Bit 2 Symbole ISDN, DSL Kandidat

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

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

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

Bsp. Fast Ethernet 4 Bit  5 Bit Symbol Nulllänge begrenzt, DC frei Nibble = 4 Bit 100 Mb/s 4 Bit  5 Bit Symbol Nulllänge begrenzt, DC frei 100BASE-FX NRZI: NRZ invert on “1” 3 Level Codierung MLT3  Bandbreite vermindern (see next slide) 100BASE-TX Note: NRZI (USB, Ethernet, FDDI) Wie man 100 Mbit/s mit 31.25 MHz Bandbreite DC frei übertragen kann

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 Data Rate = R = S B = R/4…R/3 Worst case: simulated as an analog signal with period = 4 times the bit duration ( frequency = ¼ bit rate)

Systematik

Systematik: Beispiel

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