Vernetzte IT-Systeme 
2. Übertragungstechnische Grundlagen 
Prof. Dr. Volkmar Langer 
Florian Schimanke 
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2. Übertragungstechnische Grundlagen 
2.1 Betriebs- und Übertragungsarten 
Prof. Dr. Volkmar Langer ...
Prinzipieller Übertragungsablauf 
Verwürfler 
(Scrambler) 
Übertragungstechnische Grundlagen 
Analog-quelle 
Digital-quell...
Betriebsarten 
Simplexbetrieb sx (Richtungsbetrieb): 
nur eine Richtung 
z.B. TV; Radio 
Halbduplexbetrieb hx (Wechselbetr...
Übertragungsarten 
Grundsätzlich ist eine Synchronisation 
zwischen Sender und Empfänger notwendig! 
Asynchron Synchron 
Ü...
Übertragungsarten 
 Unterscheidung asynchron/synchron: 
 wie diese Synchronisation, d.h. die Erzeugung eines Gleichlaufs...
Asynchrone Übertragung 
Ein System arbeitet asynchron, wenn die zeitliche Folge der einzelnen 
Operationen … 
Übertragungs...
Synchrone Übertragung 
Blockorientiertes Verfahren: 
 Informationen werden in Blöcken übertragen, d.h. es … 
besteht eine...
Block-/Paketgröße 
Kritische Parameter: 
– mit zunehmender Blocklänge steigen die Anforderungen an den … 
Übertragungstech...
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2. Übertragungstechnische Grundlagen 
2.2.1 Übertragungsmedien und -strategien 
Prof. Dr. Volkmar La...
Klassifikation der Medien 
„Medien“ 
leitungsgebunden nicht leitungsgebunden 
Stromleiter Wellenleiter gerichtet ungericht...
Medien im elektromagnetischen Spektrum 
leitungsgebundene Übertragungstechniken 
verdrillte Adern Koaxialkabel 
Hohlleiter...
Kupfer-Doppelader (DA) 
• vielfältiger Einsatz in Telefon- und 
Datennetzen 
• Leiterdurchmesser: 0,4 - 0,9 mm 
• Bandbrei...
Bauformen Twisted Pair im Querschnitt 
Twisted-pair- 
Kabel 
UTP S/UTP 
STP/ 
FTP 
FTP-Kabel 
Übertragungstechnische Grund...
CAT 7 S/FTP Kabel 
Übertragungstechnische Grundlagen 
Kupferleiter 
MetallFolienschirm 
Metallgeflecht 
„Screened“ 
20
Koaxialkabel 
 Außenleiter umgibt Innenleiter 
koaxial 
 Isolation dient als Dielektrikum (aus 
Kunststoff oder Gasen) 
...
Lichtwellenleiter (Glasfaser) 
• dünne Faser aus Glas (halber Ø eines menschlichen Haares) 
• Kabel bestehen aus bis zu 20...
Prinzip der LWL 
Übertragungstechnische Grundlagen 
Bild von Gringer (talk), http://bit.ly/1av8I08, 21.08.2013 
Totalrefle...
LWL-Typen 
Pulsverformung durch Dispersion 
Monomode – Faser 
Multimode – Faser 
(Stufenindex) 
Multimode – Faser 
(Gradie...
LWL-Steckverbinder im LAN 
ST Connector 
LC Connector 
Übertragungstechnische Grundlagen 
25
Funk- und Satellitentechnik 
• Funk: elektromagn.Welle 
• Frequenzbereich: 104 – 109 Hz 
• eingeschränkte Reichweite, je n...
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2. Übertragungstechnische Grundlagen 
2.2.2 Übertragungsmedien und -strategien 
Prof. Dr. Volkmar La...
Strukturierte Verkabelung 
Übertragungstechnische Grundlagen
Strukturierte Verkabelung 
DIN EN 50173-1:2011-09 
Anwendungsneutrale Kommunikationskabelanlagen 
Deutsche Fassung EN 5017...
Strukturierte Verkabelung 
Drei Bereiche: 
Primär = Gebäude zu Gebäude 
 900 – 1500m 
Sekundär = Etagen zu Etagen 
 ≤ 50...
Strukturierte Verkabelung - Medien 
By Alexander Stohr [CC-BY-SA-3.0 
(www.creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) or 
GFD...
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2. Übertragungstechnische Grundlagen 
2.3.1 Signalübertragung und Codierung 
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A(z) 
Daten und Signal 
Ein Signal ist die physikalische Darstellung durch räumliche und zeitliche 
Veränderung physikalis...
Zeitdiskrete Quantisierung 
Betrachtung an einem bestimmten Ort zu bestimmten Zeiten 
zeitdiskrete Abtastung = äquidistant...
Wertdiskrete Quantisierung 
Betrachtung an einem bestimmten Ort mit bestimmten Werten 
wertdiskrete Abtastung = äquidistan...
Signalklassen 
zeitkontinuierlich zeitdiskret 
Übertragungstechnische Grundlagen 41 
wertdiskret wertkontinuierlich 
Analo...
Kenngrößen periodischer Signale 
• Amplitude A(t) 
• Periodendauer T 
• Frequenz f = 1/T 
• Phase  
t 
Wellengeschw. c 
Ü...
Prinzip der Datenübertragung 
Codierung und Dekodierung 
Störeinflüsse, Rauschen, Burst usw. 
Transmit T(t) Receive R(t) 
...
Wichtige Eigenschaften von Codierungsverfahren 
• Gleichstromanteil 
 …möglichst gering, wg. R[] 
• Übertragungsreichwei...
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2. Übertragungstechnische Grundlagen 
2.3.2 Signalübertragung und Codierung 
Prof. Dr. Volkmar Lange...
Signalübertragung und Codierung 
Übertragungstechnische Grundlagen 48 
Transmit T(t) 
Receive R(t)
Return-to-Zero 
• Funktion/Eigenschaften: 
– Rechteckimpuls nur für „1“ in 1. Hälfte des Bit-/Taktintervalls 
– Rückkehr i...
Non-Return-to Zero 
• Funktion/Eigenschaften: 
– „1“=hoher Pegel; „0“=niedriger Pegel ≠ 0 
– Signalwechsel an Intervallgre...
Manchester Codierung 
• Funktion/Eigenschaften: 
– Mindestens ein Signalwechsel/Bitintervall 
– einfache Realisierung: XOR...
Manchester Codierung 
Daten 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 
Übertragungstechnische Grundlagen 52 
Taktsignal 
Manchester 
vgl. G.E. T...
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2. Übertragungstechnische Grundlagen 
2.3.3 Signalübertragung und Codierung 
Prof. Dr. Volkmar Lange...
Basisband- vs Breitbandübertragung 
• Basisbandübertragung 
– digitale Übertragung 
– gesamtes Frequenzspektrum wird für e...
Prinzip der Modulation 
Modulator 
Übertragungstechnische Grundlagen 57 
Digitalsignal 
Trägersignal 
Amplituden-moduliert...
Modulationsarten 
Daten 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 
Übertragungstechnische Grundlagen 58 
AM 
FM 
PM 
Δ =  = 180o
Digitale Signalübertragung – 
Schritt- vs Übertragungsgeschwindigkeit 
• Schrittgeschwindigkeit: Zahl der Signalparameter-...
Mehrwertiges Digitalsignal 
Daten 10 00 11 10 01 11 00 
Quaternäres Signal 
t 
Übertragungstechnische Grundlagen 61 
T(t) ...
Modem/DSL - QAM 
• QAM: Quadratur-Amplituden-Modulation 
• Signalparameter: Amplitude A(t) + Phase ᵠ 
• abhängig vom Signa...
Vernetzte IT-Systeme 
2. Übertragungstechnische Grundlagen 
2.4 Erzeugung von Frames 
Prof. Dr. Volkmar Langer 
Florian Sc...
Übertragung in Datenblöcken (frames) 
Zur Erinnerung: kritische Länge der Übertragung! 
 vgl. Kap. 2.1 
 Gleichlaufschwa...
Bestandteile von Datenblöcken (frames) 
• Festlegung eines Rahmenformats (PDU = Packet Data 
Unit oder einfach frame) 
• F...
Byte-Count-Methode 
• Frame-Header enthält Länge des Datenteils 
– Beispiel: Frame im DDCMP-Protokoll, DECNET: 
• Problem:...
Sentinel-Methode 
• Frame-Ende wird durch spezielles Zeichen markiert 
– Beispiel: Frame im BISYNC-Protokoll (IBM): 
8 8 8...
Bitstopfen 
• Beispiel (HDLC-Protokoll): 
01111110 Adress 8 Bit Control 8 Bit Daten =>0 01111110 
• Anfangs- und Endeseque...
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2. Übertragungstechnische Grundlagen 
2.5.1 Fehlererkennung und Reaktion 
Prof. Dr. Volkmar Langer 
...
Typische Fehlerarten bei der Übertragung 
• Physikalische Grenzen des Mediums 
– verschiedene Arten der Dämpfung 
–Bandbre...
Dämpfung 
• Amplitude des gesendeten Signals T(t) wird reduziert 
• gedämpftes Signal R(t)< T(t) 
• Verhältnis R(t)/T(t) i...
Verstärkung und Dämpfung 
• Verstärkung: 
• Dämpfung: 
[5] S.211 
Ua 
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Ua 
Pa 
Ia 
< 
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Pe 
Ie 
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Verstärkung und Dämpfung 
• P/U/I-Verstärkung/Dämpfung 
bei – 20 dB: Ua = 10% Ue 
Übertragungstechnische Grundlagen 77
Bandbreitenbegrenzung 
Signaldämpfung ist abhängig von der Frequenz 
t 
Δf = fo - fu 
Übertragungstechnische Grundlagen 78...
Thermisches Rauschen 
• „Hintergrund“-Rauschen = additives Störsignal S(t) 
• zufällige Verformung des ursprünglichen Sign...
Impulsrauschen - Bursts 
• Bursts = additives Störsignal mit ggf. hohen Pegeln und/oder hoher 
Frequenz 
• Signal wird zuf...
Theoretische Kapazität des Übertragungsmediums 
Wie hängen Bandbreite und Übertragungsrate zusammen? 
 Nyquist-Theorem 
–...
Reale Kapazität des Übertragungsmediums 
Durch welchen Faktor wird die Bandbreite in realen Medien 
begrenzt? 
 Shannon-T...
Vernetzte IT-Systeme 
2. Übertragungstechnische Grundlagen 
2.5.2 Fehlererkennung und Reaktion 
Prof. Dr. Volkmar Langer 
...
Fehlererkennung 
Datenverfälschung 
zeichenorientierte 
Sicherungsverfahren 
z.B. Paritätsprüfung 
blockorientierte 
Siche...
Maßnahmen – Reaktion auf erkannte Fehler 
 Ignorieren: 
– Echtzeitübertragung z.B. Video-/Audiostream 
– Bsp.: natürlich ...
Prinzip der CRC-Blocksicherung 
• CRC: „cyclical (oder cyclic) redundancy check“, „zyklische 
Redundanz-Überprüfung“. 
• n...
Prinzip der CRC-Blocksicherung 
Prinzip der CRC-Blocksicherung 
CRC-Kontrolle beim Empfänger: 
Sei R(x) die empfangene Bit...
Qualität der Fehlersicherung - Restfehlerrate 
 Grundlegendes Problem: Störungen durch Fehler können sowohl Nutzdaten 
al...
Sicherungsmechanismen gegen Datenverlust 
Zur Sicherung gegen Datenverlust 
muß grundsätzlich eine Quittierung 
(acknowled...
Erkennung durch Quittierung 
Sender Empfänger 
separate Quittung 
Zeit 
Blockprüfung 
Wiederholung 
NAK: negative 
acknowl...
Quittierung mit Zeitüberwachung 
Sender Empfänger 
Zeitüberwachung 
Fehlerfreie Übertragung 
Sender Empfänger 
Zeitüberwac...
Zeitüberwachung und Nummerierung 
Sender Empfänger 
Zeitüberwachung 
Fehlererkennung 
Abbruch-bedingung 
durch 
Nummerieru...
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  1. 1. Vernetzte IT-Systeme 2. Übertragungstechnische Grundlagen Prof. Dr. Volkmar Langer Florian Schimanke Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz.
  2. 2. Vernetzte IT-Systeme 2. Übertragungstechnische Grundlagen 2.1 Betriebs- und Übertragungsarten Prof. Dr. Volkmar Langer Florian Schimanke
  3. 3. Prinzipieller Übertragungsablauf Verwürfler (Scrambler) Übertragungstechnische Grundlagen Analog-quelle Digital-quelle A/D Wandler Digital-senke D/A Wandler Analog-senke Digital- Kanal Quellenkodierung ggf. Komprimierung Rahmenbildung Kanalcodierung Fehlererkennung Fehlerkorrektur Leitungskodierung Übertragungskanal Quellendekodierung ggf. Dekomprimierung Entpacken Entwürfler (Descrambler) Leitungsdekodierung Demodulation Modulation Fehlersicherung Fehlererkennung Fehlerkorrektur Daten der Anwendung (ASCII Zeichen, …) in Binärformat optional Zerlegung in Datenblöcke Hinzufügen von Synchronisations-informationen Hinzufügen von Redundanz 4
  4. 4. Betriebsarten Simplexbetrieb sx (Richtungsbetrieb): nur eine Richtung z.B. TV; Radio Halbduplexbetrieb hx (Wechselbetrieb): abwechselnd beide Richtungen z.B. Funksprechverkehr Duplex- od. Vollduplexbetrieb dx (Gegenbetrieb): Sender Empfänger Sender Sender Empfänger Empfänger Sender/ Empfänger Sender/ Empfänger gleichzeitig beide Richtungen z.B. IT-Netzwerke Übertragungstechnische Grundlagen Seite 6
  5. 5. Übertragungsarten Grundsätzlich ist eine Synchronisation zwischen Sender und Empfänger notwendig! Asynchron Synchron Übertragungstechnische Grundlagen Seite 8
  6. 6. 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 asynchrone Übertragung synchrone Übertragung parallele Übertragung Handshake- Betrieb gemeinsame Taktleitung serielle Übertragung Start-Stop- Verfahren geeigneter Leitungscode oder Scrambler (gemeinsame Taktleitung) Übertragungstechnische Grundlagen 9
  7. 7. Asynchrone Übertragung Ein System arbeitet asynchron, wenn die zeitliche Folge der einzelnen Operationen … Übertragungstechnische Grundlagen gesteuert wird!  Start-Stop-Betrieb  getrennte Taktgeneratoren bei Sender und Empfänger  jedes Zeichen beginnt mit einem Startbit und endet mit einem oder mehreren Stoppbits Startschritt Stoppschritte Pause Nächstes Zeichen Nutzschritte Zeichenrahmen Zeit 10 unabhängig von einem zentralen Takt
  8. 8. Synchrone Übertragung Blockorientiertes Verfahren:  Informationen werden in Blöcken übertragen, d.h. es … besteht eine Synchronisation über einen längeren Zeitraum  Die eigentliche Synchronisation erfolgt …  Übertragung erfolgt auch hier innerhalb eines Steuerrahmens Blocksynchronisation (Synchronbetrieb) Block-ende-muster Zeit Zeichen 1. 2. n. … Zeichen des Blocks Block Block-start-muster Übertragungstechnische Grundlagen 11 zu Beginn durch spezielle Sync-Zeichen
  9. 9. Block-/Paketgröße Kritische Parameter: – mit zunehmender Blocklänge steigen die Anforderungen an den … Übertragungstechnische Grundlagen [1] Kap.4 12 - Gleichlauf zwischen Sender und Empfänger Gleichlaufschwankungen - Fehlerkorrektur wird zunehmend aufwendiger - Zwischenspeicherung/Puffergröße
  10. 10. Vernetzte IT-Systeme 2. Übertragungstechnische Grundlagen 2.2.1 Übertragungsmedien und -strategien Prof. Dr. Volkmar Langer Florian Schimanke
  11. 11. Klassifikation der Medien „Medien“ leitungsgebunden nicht leitungsgebunden Stromleiter Wellenleiter gerichtet ungerichtet Übertragungstechnische Grundlagen Funk Richtfunk terrestrischer Rundfunk Satelliten-Direktfunk Satelliten-Rundfunk verdrillte Kupfer Doppellader geschirmt (shielded) ungeschirmt (unshielded) Koaxialkabel Hohlleiter Lichtwellenleiter (Glasfaser) Laserstrecke 15
  12. 12. Medien im elektromagnetischen Spektrum leitungsgebundene Übertragungstechniken verdrillte Adern Koaxialkabel Hohlleiter 105 107 109 1011 1013 1015 Übertragungstechnische Grundlagen 10³ nicht-leitungsgebundene Übertragungstechniken optische Fasern Langwellen- Radio Mittelwellen- Radio Kurzwellen Fernsehen Mikrowellen Infrarot sichtbares Licht Hz 17
  13. 13. 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 Kupferleiter Übertragungstechnische Grundlagen Kunststoffisolation verdrillt 18 Warum verdrillt?  Kompensation der Induktion
  14. 14. Bauformen Twisted Pair im Querschnitt Twisted-pair- Kabel UTP S/UTP STP/ FTP FTP-Kabel Übertragungstechnische Grundlagen S/STP/ S/FTP Kupferader Kunststoff-isolation UTP-Kabel Kunststoff-aussenmantel S/UTP-Kabel Kupferader Kunststoff-isolation Kunststoff-aussenmantel Gesamtschirm (Metallgeflecht) Kupferader Kunststoff-isolation Metallfolien-schirm Kunststoff-aussenmantel S/FTP-Kabel Kupferader Kunststoff-isolation Metallfolien-schirm Kunststoff-aussenmantel Gesamtschirm (Metallgeflecht) 19 Warum Abschirmung?  Kompensation elektromagn. Einflüsse von außen!
  15. 15. CAT 7 S/FTP Kabel Übertragungstechnische Grundlagen Kupferleiter MetallFolienschirm Metallgeflecht „Screened“ 20
  16. 16. 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 Übertragungstechnische Grundlagen Bild von Tkgd2007, http://bit.ly/17JAcdn , 21.08.2013 21
  17. 17. 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 Übertragungstechnische Grundlagen 22
  18. 18. Prinzip der LWL Übertragungstechnische Grundlagen Bild von Gringer (talk), http://bit.ly/1av8I08, 21.08.2013 Totalreflexion Brechung 23  Verlust  verlustfrei α α: Akzeptanzwinkel
  19. 19. LWL-Typen Pulsverformung durch Dispersion Monomode – Faser Multimode – Faser (Stufenindex) Multimode – Faser (Gradientenindex) Übertragungstechnische Grundlagen Eingangssignal Ausgangssignal 24  optische Dispersion
  20. 20. LWL-Steckverbinder im LAN ST Connector LC Connector Übertragungstechnische Grundlagen 25
  21. 21. 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) Übertragungstechnische Grundlagen 26
  22. 22. Vernetzte IT-Systeme 2. Übertragungstechnische Grundlagen 2.2.2 Übertragungsmedien und -strategien Prof. Dr. Volkmar Langer Florian Schimanke
  23. 23. Strukturierte Verkabelung Übertragungstechnische Grundlagen
  24. 24. 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! Übertragungstechnische Grundlagen
  25. 25. Strukturierte Verkabelung Drei Bereiche: Primär = Gebäude zu Gebäude  900 – 1500m Sekundär = Etagen zu Etagen  ≤ 500m Tertiär = Verteiler zu Endgeräten  100m By Guml1966 (Own work) [CC-BY-SA-3.0 (www.creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons Übertragungstechnische Grundlagen
  26. 26. 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 Übertragungstechnische Grundlagen
  27. 27. Vernetzte IT-Systeme 2. Übertragungstechnische Grundlagen 2.3.1 Signalübertragung und Codierung Prof. Dr. Volkmar Langer Florian Schimanke
  28. 28. A(z) Daten und Signal Ein Signal ist die physikalische Darstellung durch räumliche und zeitliche Veränderung physikalischer Größen (elektromagnetische Welle). t Übertragungstechnische Grundlagen 36 A(t)
  29. 29. Zeitdiskrete Quantisierung Betrachtung an einem bestimmten Ort zu bestimmten Zeiten zeitdiskrete Abtastung = äquidistante Zeitintervalle t Übertragungstechnische Grundlagen 38 A(t)
  30. 30. Wertdiskrete Quantisierung Betrachtung an einem bestimmten Ort mit bestimmten Werten wertdiskrete Abtastung = äquidistante Wertintervalle t Übertragungstechnische Grundlagen 39 A(t)
  31. 31. Signalklassen zeitkontinuierlich zeitdiskret Übertragungstechnische Grundlagen 41 wertdiskret wertkontinuierlich Analogsignal Digitalsignal
  32. 32. Kenngrößen periodischer Signale • Amplitude A(t) • Periodendauer T • Frequenz f = 1/T • Phase  t Wellengeschw. c Übertragungstechnische Grundlagen 43 A(t) t A(t) T ᵠ A(t) = A0  sin(2πf  t) A(t) = A0 sin(2πf  t +  )  = 2 πf : Kreisfrequenz W(t, x) = W0 sin (t - x/c) +   : Wellenfunktion Ortskomponente x
  33. 33. Prinzip der Datenübertragung Codierung und Dekodierung Störeinflüsse, Rauschen, Burst usw. Transmit T(t) Receive R(t) Übertragungstechnische Grundlagen 45
  34. 34. 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! Übertragungstechnische Grundlagen 46
  35. 35. Vernetzte IT-Systeme 2. Übertragungstechnische Grundlagen 2.3.2 Signalübertragung und Codierung Prof. Dr. Volkmar Langer Florian Schimanke
  36. 36. Signalübertragung und Codierung Übertragungstechnische Grundlagen 48 Transmit T(t) Receive R(t)
  37. 37. 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 Daten 1 1 0 1 0 1 0 T(t) Bit-intervall Übertragungstechnische Grundlagen 49
  38. 38. 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 Daten 1 1 0 1 0 1 0 T´(t) Bit-intervall Übertragungstechnische Grundlagen 50
  39. 39. 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 Taktsignal Manchester-codiertes Übertragungstechnische Grundlagen 51 XOR NRZ-codierte Daten Signal
  40. 40. Manchester Codierung Daten 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 Übertragungstechnische Grundlagen 52 Taktsignal Manchester vgl. G.E. Thomas Manchester vgl. IEEE 802.3
  41. 41. Vernetzte IT-Systeme 2. Übertragungstechnische Grundlagen 2.3.3 Signalübertragung und Codierung Prof. Dr. Volkmar Langer Florian Schimanke
  42. 42. 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 Bandbreite Kanal n … Kanal 3 Kanal 2 Übertragungstechnische Grundlagen 56 t Kanal 1 Bandbreite t Basisband
  43. 43. Prinzip der Modulation Modulator Übertragungstechnische Grundlagen 57 Digitalsignal Trägersignal Amplituden-moduliertes Signal
  44. 44. Modulationsarten Daten 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 Übertragungstechnische Grundlagen 58 AM FM PM Δ =  = 180o
  45. 45. Digitale Signalübertragung – Schritt- vs Übertragungsgeschwindigkeit • Schrittgeschwindigkeit: Zahl der Signalparameter-Zustandswechsel • Einheit: baud (1/s)  … • Übertragungsgeschwindigkeit: Anzahl der übertragenen Bitstellen/Zeiteinheit • Einheit: bit/s  … t Baudrate Übertragungsrate Daten 1 1 0 1 0 1 0 Beispiel: 1s 6 bit/s = 6 baud Achtung!! Nur für binäre Signale gilt: Schrittgeschwindigkeit=Übertragungsgeschwindigkeit T(t) Bit-intervall Übertragungstechnische Grundlagen 60
  46. 46. Mehrwertiges Digitalsignal Daten 10 00 11 10 01 11 00 Quaternäres Signal t Übertragungstechnische Grundlagen 61 T(t) 2Bit-intervall 2 1 -1 -2 Schritt 1 baud = 2 bit/s
  47. 47. 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 I III IV Übertragungstechnische Grundlagen 62
  48. 48. Vernetzte IT-Systeme 2. Übertragungstechnische Grundlagen 2.4 Erzeugung von Frames Prof. Dr. Volkmar Langer Florian Schimanke
  49. 49. Übertragung in Datenblöcken (frames) Zur Erinnerung: kritische Länge der Übertragung!  vgl. Kap. 2.1  Gleichlaufschwankungen  Fehlerkorrektur  Zwischenspeicherung Übertragungstechnische Grundlagen 65
  50. 50. 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 Übertragungstechnische Grundlagen 66 …werden eingerahmt!
  51. 51. Byte-Count-Methode • Frame-Header enthält Länge des Datenteils – Beispiel: Frame im DDCMP-Protokoll, DECNET: • Problem: was passiert, wenn Byte-Count fehlerhaft übertragen wird? Übertragungstechnische Grundlagen 8 8 8 SYN SYN Class 14 42 Count Header Body 16 CRC 68 Frame-Ende wird nicht erkannt! Bsp. erstes Ethernetprotokoll
  52. 52. Sentinel-Methode • Frame-Ende wird durch spezielles Zeichen markiert – Beispiel: Frame im BISYNC-Protokoll (IBM): 8 8 8 8 8 16 • Problem: Das ETX-Zeichen kann auch im Datenteil (Body) vorkommen Übertragungstechnische Grundlagen SYN SYN SOH Header STX Body ETX CRC 69 ! Bsp.: aktuelles Ethernetprotokoll
  53. 53. Bitstopfen • Beispiel (HDLC-Protokoll): 01111110 Adress 8 Bit Control 8 Bit Daten =>0 01111110 • 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)! Sender Stopfbit Empfänger Flag Übertragungstechnische Grundlagen 71 STX ETX 01111110 01111100 01111110 …. 01111110 Übertragungsrichtung ... 010111110 000111110 01111110 wie ETX 01111110 …. 01111110 01111100 01111110 Bitstopfen, engl. Bitstuffing
  54. 54. Vernetzte IT-Systeme 2. Übertragungstechnische Grundlagen 2.5.1 Fehlererkennung und Reaktion Prof. Dr. Volkmar Langer Florian Schimanke
  55. 55. Typische Fehlerarten bei der Übertragung • Physikalische Grenzen des Mediums – verschiedene Arten der Dämpfung –Bandbreitenbegrenzung –thermisches Rauschen –Übersprechen – … • Fehler in Vermittlungseinrichtung • Sabotage von Daten • … Übertragungstechnische Grundlagen 74
  56. 56. 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 Z = R2+X2 Übertragungstechnische Grundlagen 75 T(t) t R(t) Dämpfungswiderstände R = U/I X = XL – XC =  L – 1/(C)
  57. 57. Verstärkung und Dämpfung • Verstärkung: • Dämpfung: [5] S.211 Ua Pa Ia > Ue Pe Ie Ua Pa Ia < Ue Pe Ie Übertragungstechnische Grundlagen 76
  58. 58. Verstärkung und Dämpfung • P/U/I-Verstärkung/Dämpfung bei – 20 dB: Ua = 10% Ue Übertragungstechnische Grundlagen 77
  59. 59. Bandbreitenbegrenzung Signaldämpfung ist abhängig von der Frequenz t Δf = fo - fu Übertragungstechnische Grundlagen 78 T(t) t R(t) f A0 f A(f) Bandbreite
  60. 60. Thermisches Rauschen • „Hintergrund“-Rauschen = additives Störsignal S(t) • zufällige Verformung des ursprünglichen Signals T(t) • weitere Signalverformung neben Bandbreitenbegrenzung t Übertragungstechnische Grundlagen S(t) t T(t) t R(t) 79
  61. 61. Impulsrauschen - Bursts • Bursts = additives Störsignal mit ggf. hohen Pegeln und/oder hoher Frequenz • Signal wird zufällig verformt, neben Bandbreitenbegrenzung t Übertragungstechnische Grundlagen 80 S(t) t T(t) t R(t) Impuls, EMP kritisch
  62. 62. 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 Übertragungstechnische Grundlagen 81
  63. 63. 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] Übertragungstechnische Grundlagen [1] Kap. 4.1 82 S/N = 1000/1 C = 3 kHz  log2(1+1000/1) bit = 29.900 bit/s
  64. 64. Vernetzte IT-Systeme 2. Übertragungstechnische Grundlagen 2.5.2 Fehlererkennung und Reaktion Prof. Dr. Volkmar Langer Florian Schimanke
  65. 65. Fehlererkennung Datenverfälschung zeichenorientierte Sicherungsverfahren z.B. Paritätsprüfung blockorientierte Sicherungsverfahren z.B. CRC Datenverlust eigenständige Quittierung integrierte Quittierung Übertragungstechnische Grundlagen 85
  66. 66. 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 Übertragungstechnische Grundlagen 86
  67. 67. 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. Übertragungstechnische Grundlagen 87
  68. 68. Prinzip der CRC-Blocksicherung Prinzip der CRC-Blocksicherung 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)  T(x), wenn rem{ R(x)/G(x) } 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) Übertragungstechnische Grundlagen Seite 88
  69. 69. Qualität der Fehlersicherung - Restfehlerrate  Grundlegendes Problem: Störungen durch Fehler können sowohl Nutzdaten als auch Kontrolldaten betreffen!  Es verbleibt immer eine Restfehlerwahrscheinlichkeit  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 Übertragungstechnische Grundlagen 89
  70. 70. Sicherungsmechanismen gegen Datenverlust Zur Sicherung gegen Datenverlust muß grundsätzlich eine Quittierung (acknowledgement) der einzelnen Kommunikationsschritte durchgeführt werden. Sender Empfänger Zeitdiagramm Zeit Stop- and Wait Verfahren Übertragungstechnische Grundlagen Seite 90
  71. 71. Erkennung durch Quittierung Sender Empfänger separate Quittung Zeit Blockprüfung Wiederholung NAK: negative acknowledgement ACK: positiv acknowledgement  Problem: Verlust der Quittung! Übertragungstechnische Grundlagen Seite 91
  72. 72. Quittierung mit Zeitüberwachung Sender Empfänger Zeitüberwachung Fehlerfreie Übertragung Sender Empfänger Zeitüberwachung Fehlererkennung Übertragungstechnische Grundlagen Seite 92 time out
  73. 73. Zeitüberwachung und Nummerierung Sender Empfänger Zeitüberwachung Fehlererkennung Abbruch-bedingung durch Nummerierung ! Sequenznummer prüfen: DB1 vor-handen? Übertragungstechnische Grundlagen Seite 93

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