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![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](https://image.slidesharecdn.com/vit-2-2014-141005114659-conversion-gate02/85/VIT-2-2014-9-320.jpg)
![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](https://image.slidesharecdn.com/vit-2-2014-141005114659-conversion-gate02/85/VIT-2-2014-25-320.jpg)
![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](https://image.slidesharecdn.com/vit-2-2014-141005114659-conversion-gate02/85/VIT-2-2014-26-320.jpg)
![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](https://image.slidesharecdn.com/vit-2-2014-141005114659-conversion-gate02/85/VIT-2-2014-34-320.jpg)
![Verstärkung und Dämpfung
• Verstärkung:
• Dämpfung:
[5] S.211
Ua
Pa
Ia
>
Ue
Pe
Ie
Ua
Pa
Ia
<
Ue
Pe
Ie
Übertragungstechnische Grundlagen 76](https://image.slidesharecdn.com/vit-2-2014-141005114659-conversion-gate02/85/VIT-2-2014-57-320.jpg)
![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](https://image.slidesharecdn.com/vit-2-2014-141005114659-conversion-gate02/85/VIT-2-2014-62-320.jpg)
![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](https://image.slidesharecdn.com/vit-2-2014-141005114659-conversion-gate02/85/VIT-2-2014-63-320.jpg)
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VIT 2-2014
Das Dokument behandelt übertragungstechnische Grundlagen vernetzter IT-Systeme, einschließlich Betriebs- und Übertragungsarten sowie der Klassifikation und Eigenschaften von Übertragungsmedien wie Kupfer- und Lichtwellenleitern. Es beschreibt verschiedene Übertragungsmethoden, darunter synchron und asynchron, und erläutert Signalübertragung und -codierung mit einem Fokus auf Fehlererkennung und -korrektur. Zudem wird die strukturierte Verkabelung als Teil der Kommunikationskabelanlagen behandelt.
VIT 2-2014
- 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. Vernetzte IT-Systeme 2.Übertragungstechnische Grundlagen 2.1 Betriebs- und Übertragungsarten Prof. Dr. Volkmar Langer Florian Schimanke
- 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. 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. Übertragungsarten Grundsätzlich isteine Synchronisation zwischen Sender und Empfänger notwendig! Asynchron Synchron Übertragungstechnische Grundlagen Seite 8
- 6. Übertragungsarten Unterscheidungasynchron/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. Asynchrone Übertragung EinSystem 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. Synchrone Übertragung BlockorientiertesVerfahren: 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. 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. Vernetzte IT-Systeme 2.Übertragungstechnische Grundlagen 2.2.1 Übertragungsmedien und -strategien Prof. Dr. Volkmar Langer Florian Schimanke
- 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. Medien im elektromagnetischenSpektrum 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. 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. Bauformen Twisted Pairim 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. CAT 7 S/FTPKabel Übertragungstechnische Grundlagen Kupferleiter MetallFolienschirm Metallgeflecht „Screened“ 20
- 16. Koaxialkabel Außenleiterumgibt 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. 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. 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. LWL-Typen Pulsverformung durchDispersion Monomode – Faser Multimode – Faser (Stufenindex) Multimode – Faser (Gradientenindex) Übertragungstechnische Grundlagen Eingangssignal Ausgangssignal 24 optische Dispersion
- 20. LWL-Steckverbinder im LAN ST Connector LC Connector Übertragungstechnische Grundlagen 25
- 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. Vernetzte IT-Systeme 2.Übertragungstechnische Grundlagen 2.2.2 Übertragungsmedien und -strategien Prof. Dr. Volkmar Langer Florian Schimanke
- 23.
- 24. Strukturierte Verkabelung DINEN 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. Strukturierte Verkabelung DreiBereiche: 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. 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. Vernetzte IT-Systeme 2.Übertragungstechnische Grundlagen 2.3.1 Signalübertragung und Codierung Prof. Dr. Volkmar Langer Florian Schimanke
- 28. A(z) Daten undSignal Ein Signal ist die physikalische Darstellung durch räumliche und zeitliche Veränderung physikalischer Größen (elektromagnetische Welle). t Übertragungstechnische Grundlagen 36 A(t)
- 29. Zeitdiskrete Quantisierung Betrachtungan einem bestimmten Ort zu bestimmten Zeiten zeitdiskrete Abtastung = äquidistante Zeitintervalle t Übertragungstechnische Grundlagen 38 A(t)
- 30. Wertdiskrete Quantisierung Betrachtungan einem bestimmten Ort mit bestimmten Werten wertdiskrete Abtastung = äquidistante Wertintervalle t Übertragungstechnische Grundlagen 39 A(t)
- 31. Signalklassen zeitkontinuierlich zeitdiskret Übertragungstechnische Grundlagen 41 wertdiskret wertkontinuierlich Analogsignal Digitalsignal
- 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(2πf t) A(t) = A0 sin(2πf t + ) = 2 πf : Kreisfrequenz W(t, x) = W0 sin (t - x/c) + : Wellenfunktion Ortskomponente x
- 33. Prinzip der Datenübertragung Codierung und Dekodierung Störeinflüsse, Rauschen, Burst usw. Transmit T(t) Receive R(t) Übertragungstechnische Grundlagen 45
- 34. Wichtige Eigenschaften vonCodierungsverfahren • 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. Vernetzte IT-Systeme 2.Übertragungstechnische Grundlagen 2.3.2 Signalübertragung und Codierung Prof. Dr. Volkmar Langer Florian Schimanke
- 36. Signalübertragung und Codierung Übertragungstechnische Grundlagen 48 Transmit T(t) Receive R(t)
- 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. 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. 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. Manchester Codierung Daten1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 Übertragungstechnische Grundlagen 52 Taktsignal Manchester vgl. G.E. Thomas Manchester vgl. IEEE 802.3
- 41. Vernetzte IT-Systeme 2.Übertragungstechnische Grundlagen 2.3.3 Signalübertragung und Codierung Prof. Dr. Volkmar Langer Florian Schimanke
- 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. Prinzip der Modulation Modulator Übertragungstechnische Grundlagen 57 Digitalsignal Trägersignal Amplituden-moduliertes Signal
- 44. Modulationsarten Daten 10 1 1 1 0 0 1 0 1 Übertragungstechnische Grundlagen 58 AM FM PM Δ = = 180o
- 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. Mehrwertiges Digitalsignal Daten10 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. 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. Vernetzte IT-Systeme 2.Übertragungstechnische Grundlagen 2.4 Erzeugung von Frames Prof. Dr. Volkmar Langer Florian Schimanke
- 49. Übertragung in Datenblöcken(frames) Zur Erinnerung: kritische Länge der Übertragung! vgl. Kap. 2.1 Gleichlaufschwankungen Fehlerkorrektur Zwischenspeicherung Übertragungstechnische Grundlagen 65
- 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. Byte-Count-Methode • Frame-Headerenthält 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. Sentinel-Methode • Frame-Endewird 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. 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. Vernetzte IT-Systeme 2.Übertragungstechnische Grundlagen 2.5.1 Fehlererkennung und Reaktion Prof. Dr. Volkmar Langer Florian Schimanke
- 55. Typische Fehlerarten beider Übertragung • Physikalische Grenzen des Mediums – verschiedene Arten der Dämpfung –Bandbreitenbegrenzung –thermisches Rauschen –Übersprechen – … • Fehler in Vermittlungseinrichtung • Sabotage von Daten • … Übertragungstechnische Grundlagen 74
- 56. Dämpfung • Amplitudedes 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. Verstärkung und Dämpfung • Verstärkung: • Dämpfung: [5] S.211 Ua Pa Ia > Ue Pe Ie Ua Pa Ia < Ue Pe Ie Übertragungstechnische Grundlagen 76
- 58. Verstärkung und Dämpfung • P/U/I-Verstärkung/Dämpfung bei – 20 dB: Ua = 10% Ue Übertragungstechnische Grundlagen 77
- 59. Bandbreitenbegrenzung Signaldämpfung istabhängig von der Frequenz t Δf = fo - fu Übertragungstechnische Grundlagen 78 T(t) t R(t) f A0 f A(f) Bandbreite
- 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. 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. Theoretische Kapazität desÜbertragungsmediums 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. Reale Kapazität desÜbertragungsmediums 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. Vernetzte IT-Systeme 2.Übertragungstechnische Grundlagen 2.5.2 Fehlererkennung und Reaktion Prof. Dr. Volkmar Langer Florian Schimanke
- 65. Fehlererkennung Datenverfälschung zeichenorientierte Sicherungsverfahren z.B. Paritätsprüfung blockorientierte Sicherungsverfahren z.B. CRC Datenverlust eigenständige Quittierung integrierte Quittierung Übertragungstechnische Grundlagen 85
- 66. Maßnahmen – Reaktionauf 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. 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. 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. 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. 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. 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. Quittierung mit Zeitüberwachung Sender Empfänger Zeitüberwachung Fehlerfreie Übertragung Sender Empfänger Zeitüberwachung Fehlererkennung Übertragungstechnische Grundlagen Seite 92 time out
- 73. Zeitüberwachung und Nummerierung Sender Empfänger Zeitüberwachung Fehlererkennung Abbruch-bedingung durch Nummerierung ! Sequenznummer prüfen: DB1 vor-handen? Übertragungstechnische Grundlagen Seite 93