Grundlagen der Datenübertragung

Technische Informatik II
Manfred Sommer
Sommersemester 2009
Kapitel 11:
Grundlagen der Datenübertragung

Inhalt (1)
ÜÜbertragungsmedien.
Einfache Kabel, Koaxialkabel, Lichtwellenleiter.
Bandbreite, db i Kapazität i
Rauschabstand, Hintergrundrauschen
Sampling Sampling, Digitalisierung
Nyquist
Signalübertragung
Serielle/parallele Übertragung
Synchronisation
Asynchrone Datenübertragung
Synchrone Datenübertragung
Zeit/Takt Codierung
RZ, NRZ, Manchester‐Codierung
Differential Encoding, NRZI
RLE
Folie 11-2

Inhalt (2)
Fehlererkennung
MMultiplex l i l VVerfahren f h
Modulations Verfahren
Datenübertragung über Telefonleitungen
ISDN
DSL
Folie 11-3

Die Übertragung binärer Daten
Folie 11-4
Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten, Daten bitweise zu übertragen:
als Strom (verschiedene Stromstärken)
als Spannung (verschiedene Spannungsniveaus )
als Lichtsignal g in einem Lichtwellenleiter
als elektromagnetische Welle im freien Raum
In elektrischen Kabeln ist die Übertragung als Spannungssignal am weitesten
verbreitet.
Im einfachsten Fall sind die Bits durch Spannungs‐Niveaus codiert.
Die Codierung durch konstante Spannungsniveaus hat aber Nachteile:
bei längeren Folgen von einem Wert wird es schwierig, die genaue Anzahl zu
erkennen.
Man verwendet daher meist Bitcodierungen mit unterschiedlichen
Spannungsniveaus . Z.B.:
1:
0:

Übertragung in elektrischen Kabeln (1)
Die einfachste Form der Datenübertragung ist die über zwei einfache
Leitungen:
Folie 11-5
Die Übertragung von elektrischen Signalen in Kabeln wird beeinträchtigt durch:
Dämpfung (d.h. die übertragenen Spannungsniveaus werden proportional
zur Entfernung geringer)
Störung (d.h. ein Kabel wirkt als Antenne und gibt Störsignale ab und
empfängt solche).

Übertragung in elektrischen Kabeln (2)
Folie 11-6
Die einfachste Verbesserung besteht darin, darin die beiden Leitungen zu verdrillen:
Die Verdrillung verringert die Störanfälligkeit.
UTP = Unshielded twisted Pair
Nicht isolierte verdrillte Kabel sind die billigste und einfachste
Verdrahtungsmöglichkeit. Sie sind heute das Universalkabel.
Weniger weit verbreitet sind isolierte verdrillte Kabel.
STP = Shielded twisted Pair
UTP wird d eingesetzt in:
lokalen Netzen (LAN) –heute bis hin zu 10 GBit/s.
Telephonnetzen – ISDN bis 150 kBit/s
bei Verwendung von DSL‐Technik bis zu 6, 16 oder sogar 50 Mbit/s
Die letzteren Übertragungsgeschwindigkeiten setzen kurze bzw. sehr kurze
g g g g
Distanzen voraus (maximal wenige km bzw. maximal 100m).

Koaxialkabel
Folie 11-7
Koaxialkabel haben einen leitenden Kupferkern p und sind mit einer ggeflochtenen
Abschirmung umgeben.
Lokale Rechnernetzwerke (LAN) werden oft mit Koaxialkabeln verbunden.
Standardbeispiel: Das historische Ethernet.
innere Isolierschicht
äußere Isolierschicht
innerer Kupferdraht
äußerer Leiter aus
geflochtenem Kupferdraht
Für historische Koaxial‐Verkabelungen gilt:
Fügt man eine neue Station ins Netz ein, so muss man den Kupferkern des Koaxialkabels anbohren.
Alternativ gibt es Verkabelungssysteme mit T‐Steckern etc.
Anschlüsse
Terminatoren
T‐ Stecker

Basisband‐ und Breitbandübertragung
Folie 11-8
Mit Kupferkoaxialkabeln lassen sich Übertragungsraten von 100 MBit/s im
Basisbandverfahren erzielen.
Di Dieser BBegriff iffbbezeichnet i h die di direkte di k Übertragung Üb von Bits Bi durch d hverschiedene hi d
Spannungsniveaus, bzw. durch verschiedene optische Niveaus im Falle der gleich zu
besprechenden Glasfaserkabel.
Im Gegensatz dazu wird bei einer Breitbandübertragung das eigentliche Signal
auf eine hochfrequente elektrische Welle aufmoduliert.
Durch die Definition verschiedener Frequenzbereiche lassen sich mehrere
unabhängige Übertragungskanäle einrichten, so dass sich die Datenübertragungsrate
entsprechend vervielfacht.
Dieses Verfahren wird FDM (= Frequency Division Multiplexing) genannt genannt.
Während bei verdrillten Kupferdrähten und Koaxialkabeln in lokalen Netzen die
Basisbandübertragung vorherrscht, wird bei Funkverbindungen und vermehrt
auch bei optischen Verbindungen die Breitbandübertragung eingesetzt.

Der “Skin‐Effect”
Der begrenzende Faktor von einfachen Leitern entsteht durch den
"Skin‐Effect" Skin Effect ( = "Hauteffekt") Hauteffekt )
Mit hoher Bitrate (also hoher Frequenz) tendieren die Elektronen zur
Oberfläche des Leiters.
Folie 11-9
Sie fließen dann nur noch in einem eingeschränkten Bereich an der Oberfläche des
Leiters.
Der elektrische Widerstand steigt. steigt
Man verwendete Kupferkoaxialkabel, um diesem “Skin‐Effect”
entgegenzuwirken
gg
Mittlerweile ist es gelungen, durch verbesserte Übertragungstechnik und durch
erheblich mehr Elektronik den nachteiligen Effekt des Skin‐Effektes weitgehend
zu überwinden.

Glasfaserkabel (1)
Glasfaserkabel zeichnen sich durch Unempfindlichkeit gegen äußere
Störungen und höchstmögliche Übertragungsraten aus aus.
Folie 11-10
Nachteilig sind der hohe Aufwand für Sender und Empfänger sowie die relativ
hohen Kosten des Mediums.
Bei einer Multimode Glasfaser reflektiert das übertragene Licht am inneren
Rand der Glasfaser. Auf diese Weise folgt es auch den Biegungen der Faser.
Allerdings werden die von einer Lichtquelle ausgehenden Strahlen, je nach
Eintrittswinkel in die Faser, verschieden oft reflektiert, so dass sich
unterschiedliche Weglängen ergeben ergeben.
Ein Strahl entlang des Zentrums kommt früher an als einer, der oft reflektiert wird.
Ein eintretender kurzer Lichtpuls wird auf diese Weise zeitlich „verschmiert“, was
wiederum eine verringerte Datenübertragungsrate zur Folge hat.

Glasfaserkabel (2)
Folie 11-11
Man kann diesem Effekt entgegenwirken, indem man den Brechungsindex
der Faser vom Zentrum zum äußeren Rand verringert.
Ein höherer Brechungsindex bedeutet gleichzeitig eine geringere
Ein höherer Brechungsindex bedeutet gleichzeitig eine geringere
Fortpflanzungsgeschwindigkeit, so dass ein Strahl entlang des Zentrums
zwar seltener reflektiert wird, aufgrund des höheren Brechungsindexes in
der Mitte aber verlangsamt wird.

Glasfaserkabel (3)
Folie 11-12
Eine bessere Lösung besteht darin, die Dicke der Faser auf eine
Größenordnung G öße o d u g zu u reduzieren, edu e e , die dede der Wellenlänge ee ägedes des verwendeten e e dete Lichtes c tes
nahe kommt.
In einer solchen Singlemode Glasfaser wandert das Signal weitgehend
unreflektiert fl kti t auf f einem i einzigen i i Pf Pfad d durch d hdi die Faser. F
Singlemode Glasfasern erlauben die höchsten Übertragungsraten.
Heute sind 622 MBit/s im Basisband üblich, in einigen Fällen sogar schon
2,5 GBit/s.
Durch die gleichzeitige Nutzung mehrerer Wellenlängen sind heute bereits
problemlos bl l GGesamtdatenraten td t t von 2,5 25GBit/ GBit/s pro FFaser übli üblich. h
Dieses Verfahren wird WDM genannt (= Wavelength Division Multiplexing).
Im Testbetrieb verwendet man bereits 32 Wellenlängen gleichzeitig in einer Faser
g g g
und erreicht eine entsprechende Vervielfachung der Datenrate.

Funkübertragung
Folie 11-13
Bei der Funkübertragung, über Richtfunkstrecken oder über Satellit,
können atmosphärische Bedingungen zu Signalstörungen führen. Diese
versucht man durch geeignete Kodierungen abzufangen abzufangen.
Bei einer Breitbandübertragung im Mikrowellenbereich stehen in jedem
Kanal ca. 500 MBit/s zur Verfügung.

Satelliten
Folie 11-14
Bei Weitverkehrsnetzen werden auch Satelliten zur Datenübertragung
genutzt.
Jeder Satellit stellt eine Reihe von Übertragungskanälen mit zum Beispiel
jeweils ca. 500 MBit/s zur Verfügung.

Funkübertragung im Nahbereich
Funkübertragung erlaubt im Nahbereich den Aufbau von kabellosen
Netzen.
Folie 11-15
Im Bereich von bis zu 100 Metern hat sich die WLAN‐Technologie etabliert.
Im Bereich von wenigen Metern kann man mit kabellosen Mäusen,
Tastaturen, Druckern etc. arbeiten.
Meist wird dabei Infrarot‐Übertragung, bei der das Signal auf infrarotes Licht
aufmoduliert wird wird, angewandt angewandt.
Manchmal wird dabei bereits der Bluetooth‐Standard verwendet.
Dieser definiert ein Protokoll für die kabellose Kommunikation zwischen
Geräten im Nahbereich bis zu 10 Metern.
Bluetooth wird die Infrarot‐Übertragung vermutlich mehr und mehr
verdrängen verdrängen.

Dämpfung, Repeater, Bandbreite
Folie 11-16
Die Dämpfung eines Signals kann "bekämpft" werden durch Verstärker.
Diese werden oft auch Repeater p genannt. g
Bei der Übertragung eines Signals über verdrillte Leitungen ist der
Widerstand des Mediums proportional zur Frequenz des Signals.
Wenn Signale unterschiedlicher Frequenz übertragen werden, werden die
hochfrequenten stärker gedämpft.
Die Bandbreite eines Übertragungsmediums ist der Frequenzbereich Frequenzbereich, in
dem die Signale ohne "störende" frequenzbedingte Dämpfung übertragen
werden kann.
Die Bandbreite kann gesteigert werden, wenn Verstärker verwendet
werden, die hochfrequente Signale stärker verstärken als niederfrequente.

Bandbreite
Folie 11-17
Jeder Kanal (Kabel, Faser oder Funkstrecke) kann nur Wellen in einem
gewissen Frequenzbereich verlässlich übertragen.
Dieser Frequenzbereich heißt die Bandbreite.
Ist dieser Frequenzbereich sehr groß, so spricht man von einer
hohen Bandbreite Bandbreite.
Kupferkabel
verdrillte Kupferkabel
Koaxialkabel
Funkstrecke
Glasfaserkabel
gering
hoch
Band‐
breite

Datenübertragungsrate, Kapazität
Folie 11-18
Die Datenübertragungsrate oder Kapazität misst die Datenmenge, die
pro Zeiteinheit übertragen werden kann. Sie wird in Bit/Sekunde
angegeben.
Die Datenübertragungsrate wächst mit der Bandbreite.
Häufig vorkommende Datenraten in Bit/sec sind:
(300, 1200,) 2400, 9600, und mehr (MODEMe)
64 k, 128k, 144k (ISDN)
1 MM, 10M 10M, 50M 50M, 100M 100M, 1G 1G, 10G (diverse Netze)
Kupferkabel
verdrillte Kupferkabel
Koaxialkabel
Funkstrecke
Glasfaserkabel
2400 Bit/sec
10 GBit/sec

Signalübertragung (1)
Si Signale l sind i delektrische lktihoder d optische ti h RRepräsentationen ä t ti von Dt Daten.
Auf der untersten Ebene verstehen wir Daten als Bitfolgen.
Folie 11-19
Angenommen wir wollen das ASCII‐Zeichen ASCII Zeichen „b b“ , also die Bitfolge 01100010 01100010,
übertragen.
Wir stellen diese durch einen Spannungsverlauf mit fester Amplitude
ddar, indem d wir dem d Bit 0 ddie Spannung 0 V zuordnen d und d dem d Bit 1 die d
Spannung 1 V.
Der Spannungsverlauf p g ist eine Rechteckkurve und müsste idealerweise
so aussehen:
0 1 1 0 0 0 1 0
Ampli‐
tude
T
Zeit
Weniger ideal wären die Flanken nicht genau senkrecht und die
Übergange abgerundet …

Signalübertragung (2)
Folie 11-20
Bid Bei der Übertragung Üb t durch d helektromagnetische lkt tih Wellen Wll setzt ttsich ihjd jedes
Signal g(t) als unendliche Summe von harmonischen Schwingungen
zusammen.
Der n‐te Summand ist dabei jeweils eine harmonische Schwingung.
Die Amplituden an und bn des Cosinus‐ und Sinusanteils heißen auch die
„Fourierkoeffizienten Fourierkoeffizienten“ .
Die Fourier‐Darstellung der kompletten Signalfunktion g(t) ist dann die
unendliche Summe
g(t) c
2 2nt
a sin( n
T )
b
n
n1 n 1 n1 n 1
mit der Grundfrequenz: f = 1/T
cos( 2nt
T )
Jean Baptiste Joseph Fourier (* 21. März 1768 bei Auxerre; † 16. Mai 1830 in Paris)
war ein französischer Mathematiker und Physiker.

Signalübertragung (3)
Folie 11-21
Bricht man diese Summation nach endlich vielen Schritten ab, so erhält man
eine Approximation an das wahre Signal.
Je früher man abbricht, desto ungenauer die Approximation.
DDas Bild zeigt itsukzessiv k i bbessere AApproximationen i ti an ddas wahre h Si Signal: l
Die relativ flache Funktion in der Mitte zeigt die Approximation nach einem Schritt.
Nach k = 3 Schritten sind bereits zwei peaks zu erkennen, aber noch nicht, ob das Bitmuster
01100110 oder 01100010 herauskommen wird.
Nach k = 10 Schritten ist das Bitmuster bereits klar ersichtlich.
Nach k = 100 Schritten hat man fast die perfekte Rechteckkurve, nur an den scharfen Ecken
gibt es noch leichte Verzerrungen so genannte „Überschwinger“.

Effektive Bandbreite
Der für die approximative Darstellung eines Signals verwendete
Frequenzbereich ist die effektive Bandbreite des Signals.
Folie 11-22
Allgemein verstehen wir unter dem Begriff Bandbreite einen Frequenzbereich
oder die Differenz zwischen der höchsten und niedrigsten Frequenz eines
solchen Bereiches.
Wenn wir also unser Signal bei einer Grundfrequenz f durch die ersten k
Fouriersummanden approximieren, so nutzen wir eine Bandbreite von
k f –f = (k –1) f aus.
Bei f = 1 MHz = 106 Hz und k = 10 benötigen g wir eine Bandbreite von 9 MHz.
Dabei wird das Signal, hier ein Byte, in der Zeit T = 1/f = 10 –6 s = 1s übertragen.
Wollen wir die Datenrate verdoppeln, so heißt das, dass wir T halbieren. In der
Zeit 1s würden d dann d 2 Bytes übertragen. b
Wir wählen also 2 f als Grundfrequenz.
Jetzt benötigen wir aber die doppelte Bandbreite, nämlich
k (2f) –(2f) = 2 (k –1) f
Für k = 10 und f = 1 MHz wären dies 18 MHz.

Baud
Folie 11-23
Bisher sind wir von zwei Signalzuständen ausgegangen, die die Werte 0 und 1
repräsentieren.
Am einfachsten zwei Spannungsniveaus: z.B. 0 oder 1 V
Aber auch „bessere bessere Signalzustände Signalzustände“ wie und
Moderne Übertragungssysteme verwenden weitaus komplexere Signalformen
mit mehreren Signalzuständen. Jeder Signalzustand repräsentiert dann eine
Bitfolge.
Beispiel: p Bei Gigabit g Ethernet wird die Amplitudenmodulation p
5‐PAM mit zwei Bit
pro Symbol verwendet
Mit Baud wird die Anzahl der Signaländerungen pro Sekunde bezeichnet
Andere Bezeichnung: Symbolrate Symbolrate.
Beispiel: Bei Gigabit Ethernet ist die Symbolrate 125 MBaud. Pro verdrilltem
Kabelpaar sind das also 125 2 = 250 Mbit/s.
Verwendet werden 4 Kabelpaare. Kabelpaare Das ergibt 1000 Mbit/s
Der Name kommt von Jean‐Maurice‐Émile Baudot,
der 1874 den Baudot‐Code erfand.

Bandbreite vs. Kapazität
Folie 11-24
Harry Nyquist leitete 1924 folgende Gleichung für die maximale Kapazität C
einer Datenübertragung auf einem rauschfreien Kanal mit eingeschränkter
Bandbreite B
und d M unterschiedlichen hi dli h Signalniveaus i l i hher:
C = 2 B log 2 M
Das übertragene Signal muss mit Tiefpass‐ und Hochpassfiltern von
niederfrequenten bzw. hochfrequenten Störfrequenzen befreit werden.
Nyquist bewies das das gefilterte Signal durch 2 B exakte Abtastwerte pro
Sekunde vollständig rekonstruiert werden kann.
Mehr als 2 B Abtastwerte sind nutzlos, da Anteile mit höherer Frequenz, die
durch eine höhere Abtastrate entdeckt werden könnten, bereits ausgefiltert
wurden.
Beispiele:
Analoge Telefonie – Bandbreite 4 kHz: C = 2 4000 log 2 2 = 2 4000 1 = 8000 Bit/s
Audio CD – Bandbreite 22 kHz: C = 2 22000 log 2 2 = 2 22000 1 = 44 kBit/s
Breitband (DSL etc) – Bandbreite 1 MHz: C = 2 10 6 log 2 8 = 6 MBit/s
Harry Nyquist

Hintergrundrauschen (1)
Ohne Signal sollte eine Übertragungsleitung elektrisch neutral sein.
De facto ist ein Hintergrundrauschen messbar.....
Folie 11-25
Sei N die Leistung dieses Hintergrundrauschens (Noise)
und S die Leistung des Signals an der Empfängerseite (Signal), dann
interessiert eesseman a sc sich für ü das Sg Signal/Rausch‐Verhältnis: a/ ausc e ä s S/N S/
Meistens wird aber nicht das Verhältnis S/N angegeben sondern der Wert
Dieser Wert wird Dezibel (dB) genannt.
Ein S/N‐Verhältnis von 10 ergibt 10 dB
Ein S/N‐Verhältnis / von 100 ergibt g 20 dB
Ein S/N‐Verhältnis von 1000 ergibt 30 dB
usw.
10 log log10(S/N) (S/N)
Shannon‐Hartley Shannon Hartley geben die theoretische maximale Übertragungskapazität
Cmax einer Datenübertragung mit der Bandbreite B an als :
Dies ist die maximal erreichbare Übertragungsrate, C max = B log 2(1 + S/N)
egal wie viele Signalniveaus verwendet werden.

Hintergrundrauschen (2)
Beispiel: Analoge Telefonie:
Bandbreite 4000 Hz
S/N‐Verhältnis 30 dB also S/N = 1000
C max
Folie 11-26
= 4000 log 2(1 + 1000)
4000 10
= 40000 Bit/s
Claude Elwood Shannon (* 30. April 1916 in Petoskey, Michigan; † 24. Februar 2001
in Medford, Massachusetts) war ein amerikanischer Mathematiker.
Er gilt als Begründer der Informationstheorie.
Ralph Vinton Lyon Hartley (* 30. November 1888 in Spruce, Nevada; † 1. Mai 1970)
war ein US‐amerikanischer Elektroingenieur und Mitbegründer der Informationstheorie.
Shannon
HHartley tl

Analoge/Digitale Übertragung
Folie 11-27
Als Analogsignal wird ein Signal bezeichnet bezeichnet, dessen Wert jeden beliebigen
Wert zwischen einem Minimum und einem Maximum annehmen kann.
Typische Audioübertragung von einem Mikrofon zu einem Verstärker.
Ebenso bei der analogen Telefonie von Telefon zu Telefon.
Hier spielt das Hintergrundrauschen eine größere Rolle, es wird jbei jedem
Verstärkungsvorgang mit verstärkt. verstärkt
Dabei sinkt also jedesmal das S/N‐Verhältnis.
Ein analoges g Signal g kann man digitalisieren. g
Dabei wird das Signal in zeitlich festen Abständen abgetastet. D.h. es wird
jeweils ein digitaler Wert in dem jeweiligen Intervall ermittelt.
Die zeitlichen Abstände nennt man Abtastrate oder Samplingfrequenz
Samplingfrequenz.
Das Abtasten, nennt man auch Sampling d.h. „Entnahme einer Stichprobe“
Das Ermitteln eines (binären) Wertes nennt man auch Quantisieung
Änderungen des Quellsignals innerhalb des Abtastintervalls können nicht
erfasst werden, sie können aber z.B. gemittelt werden.

Digitalisierung eines Audiosignals: Beispiel
(A) ist das Eingangssignal.
(B) ist das Signal nach der
Filterung mit Hoch‐ und
Tiefpassfilter.
(C) ist die Samplingrate
(D) das abgelesene Signal
(E) … quantisiert.
Folie 11-28
Bilder aus dem Buch von Halsall

Nyquist Sampling Theorem
Folie 11-29
Wenn ein Signal, dessen Bandbreite durch eine obere Frequenz von f H
begrenzt ist, digitalisiert werden soll, muss die Anzahl der Stichproben pro
Sekunde (Samples per Second sps) mindestens 2x f H sein.
Diese Rate nennt man auch Nyquistrate.
Vereinfacht wird sps meist auch in Hz angegeben. angegeben
Um sicher zu gehen (bzw. wegen möglicherweise ungenau arbeitenden
Filtern) wird die tatsächliche Samplingrate meist aufgerundet.

Nyquist Sampling Theorem ‐ Beispiele
– Beispiel Audio für Zwecke des Telefonierens:
• Historisch angenommene Bandbreite: 200 Hz .. 3,4 kHz.
• Nyquistrate: 6,8 kHz. Tatsächliche Samplingrate: 8 kHz.
• Bei 8 Bit pro Sample ergibt das 64 kBit/Sekunde
kBit/Sekunde.
– Beispiel Audio in guter Qualität:
• Bandbreite: 50 Hz .. 10 kHz.
• NNyquistrate: i t t 20 kH kHz. TTatsächliche t ä hli h SSamplingrate: li t 22 kH kHz.
• Bei 12 Bit pro Sample ergibt das 264 kBit/Sekunde.
– Beispiel Musik in CD‐Audio Qualität:
• Bandbreite: 15 Hz .. 20 kHz.
• Nyquistrate: 40 kHz. Tatsächliche Samplingrate: 44,1 kHz.
• Bei 16 Bit pro Sample ergibt das 705,6 kBit/Sekunde.
• Es werden 2 Kanäle aufgezeichnet (Stereo!). Das ergibt: 1411,2 kBit/s.
– Beispiel Musik in DVD‐Audio Qualität:
• Bandbreite: 0 Hz .. (max) 96 kHz.
• Vorgesehene Samplingraten: 44,1 / 48 / 88,2 / 96 / 176,4 / 192 kHz
• Quantisierung: 16 / 20 / 24 Bit pro Sample
• Es werden 2 Kanäle oder 6 Kanäle aufgezeichnet. g
• Erlaubte maximale Datenrate: 9,6 MBit/s
Folie 11-30
Achtung: hier wird mit k=1000 gerechnet!

Digitale Übertragung mit Repeatern
Folie 11-31
Bei einer Übertragung digitaler Signale spielt das Hintergrundrauschen eine
geringere Rolle.
Statt Verstärkern werden sogenannte Repeater verwendet.
Repeater erkennen das ankommende Signal : SE Sie können das abgehende Signal SA rauschfrei neu generieren, ohne das
RRauschen h mit it zu verstärken. tä k
S E
Repeater p
Di Dies ist i nur bei bieiner i digitalen di i l Üb Übertragung möglich! ölih!
Vorteil: Der Empfänger sieht höchstens das Rauschen der letzten Teilstrecke:
Sender Empfänger
Repeater
S A

Vorteile digitaler Übertragung
niedrigere Fehlerquote
höhere Übertragungsraten
effizientere Kanalausnutzung
einfaches Multiplexen vielfältiger Informationen wie
Sprache,
Bilder,
Fax etc
Folie 11-32

Grundbegriffe: *cast
Unicast:
Folie 11-33
Eine gerichtete Verbindung zwischen zwei Endgeräten. A B
Broadcast:
Eine Übertragung von einem Sender an alle
Empfänger.
Multicast:
Eine Übertragung von einem Sender an eine
Gruppe von Empfängern –z.B. an die
Multicastgruppe l { {B, D} }
Anycast:
A
A
B
C
D
E
B
Eine Übertragung von einem Sender an einen Empfänger aus einer Gruppe
potenzieller Empfänger –z.B. an einen von vielen physikalischen Mailservern
auf die ein logischer Mailservice aufgeteilt ist ist.
C
D
E

Folie 11-34
Grundbegriffe: Kontinuierlich, diskret (blockorientiert)
Es gibt b kkontinuierliche l h Üb Übertragungen:
Z.B. erzeugt eine Videokamera kontinuierlich Daten.
Man spricht auch von Real‐Time Real Time Medien.
Bei der Übertragung von Real‐Time Medien wird oft Streaming angewendet: Die
Daten werden zum Teil gepuffert, um Schwankungen in der Übertragungsrate
auszugleichen
auszugleichen.
Es gibt diskrete (blockorientierte) Übertragungen:
Die Daten fallen nicht kontinuierlich an: In unregelmäßigen Zeitabständen steht ein
Block von Daten zur Übertragung an.
Beispiel: interaktive Benutzereingaben.
Oder: Eine Datei wird in Blöcke aufgeteilt aufgeteilt, die so bald wie möglich übertragen
werden sollen. Der zeitliche Abstand zwischen der Übertragung der einzelnen Blöcke
ist aber unkritisch.
Beispiel: Übertragung von Dateien per FTP im Internet. Internet
Die Datenblöcke werden unabhängig voneinander in Paketen nach dem Best‐Effort‐
Prinzip übertragen.

Grundbegriffe: Konstante und variable Bitrate.
Folie 11-35
Bei einer kontinuierliche Übertragung kann die zu übertragende Datenrate
konstant oder variabel sein:
Konstant ist z.B. der von einer Videokamera erzeugte Rohdatenstrom: Die Pixel
die der CCD‐Chip bereitstellt, werden ständig mit einer festen
Bildwiederholfrequenz ausgelesen. ausgelesen
Variabel ist z.B. der von einer Videokamera erzeugte Datenstrom, wenn der
Rohdatenstrom von einem Encoder komprimiert wird:
Je nach Gehalt des Bildes / einer Szene fallen mehr oder weniger Daten an.

Daten‐Strom‐Eigenschaften (1)
Folie 11-36
Di Die in i den d letzten ltt beiden bid Folien F li genannten t Eigenschaften Ei h ft einer i Üb Übertragung t
kann man auch wie folgt klassifizieren:
Eine Übertragung ist entweder periodisch, nicht periodisch oder schwach periodisch.
Dabei gehen wir realistisch davon aus, dass digitalisierte Daten nicht wirklich
kontinuierlich übertragen werden, sondern in jedem Fall in Dateneinheiten
(Blöcken) zusammengefasst sind sind.
1:
Nicht periodische Datenströme:
Die Dateneinheiten folgen in zufälligen zeitlichen Abständen aufeinander.
Es handelt sich also um die bereits genannten diskreten/blockweisen
Übertragungen. g g
Dateien, Grafiken, Texte, interaktive Benutzereingaben, etc.
Die Größe der Dateneinheiten ist variabel.
Zeit

Daten‐Strom‐Eigenschaften (2)
22:
3:
Periodische Datenströme:
Konstante Zeitintervalle zwischen den Dateneinheiten.
Unkomprimierte p Audio‐ und Videoübertragungen. g g
Die Größe der Dateneinheiten ist konstant.
Schwach periodische Datenströme:
Folie 11-37
Durch Kompression schrumpfen die Dateneinheiten ggf. Dadurch sind
die Lücken ggf. unterschiedlich lang. Der Beginn der Dateneinheiten
ist jedoch immer zu einem fixen Zeitpunkt. Zeitpunkt
Komprimierte Audio‐ und Videoübertragungen.
Die Größe der Dateneinheiten ist variabel.
Zeit
Zeit

Grundbegriffe: Kommunikationsarten
Folie 11-38
MMan unterscheidet t h id tbi bei einer i VVerbindung bi d zwischen i h zwei i St Stationen ti di die
Betriebsarten simplex, halbduplex und duplex.
Sender
Sender
Empfänger
Sender
Empfänger
simplex
halbduplex
duplex p
Empfänger p g
Sender
Empfänger
SSender d
Empfänger
Ein Teilnehmer kann
nur senden, der an‐
dere nur empfangen.
(Bsp.: Radio)
Beide Teilnehmer
können im Wechsel
senden u. empfangen.
(Bsp.: ( sp.:Walkie Walkie‐Talkie) Talkie)
Beide Teilnehmer
kö können gleichzeitig lih iti
senden u. empfangen.
(Bsp.: Telefon)

Grundbegriffe: synchron, asynchron
AAsynchron h (a‐syn‐chronos) ( h ) " "nicht i h mit i der d Zeit": Zi"
Nicht mit der gleichen Uhr getaktet.
Folie 11-39
Eine Übertragung, bei der Sender und Empfänger unterschiedliche Zeitgeber
benutzen.
Die Signale müssen selbstsynchronisierend sein, um decodiert werden zu können.
SSynchron: h
Eine Übertragung, bei der Sender und Empfänger im Gleichtakt arbeiten.
Sie benutzen z.B. einen gemeinsamen g Zeitgeber. g
Leistungsfähigste Art, Daten zu übertragen.
Plesiochron:
Eine Übertragung, bei der Sender und Empfänger fast im Gleichtakt arbeiten.
Mit Hilfe von (z.B.) Übertragungslücken und Extrasignalen werden die Sendungen
nachträglich g synchronisiert.
y

Parallele Bitübertragung
Zur Übertragung von Daten über kurze Entfernungen kann es
vorteilhaft sein, viele Leitungen parallel zur Bitübertragung zu nutzen.
Beispiel: 8 Leitungen für die 8 Bits eines Bytes
Sender
8 Datenleitungen
Steuerleitungen
Folie 11-40
Empfänger
Diese Art der ÜÜbertragung
war lange Zeit üblich z.B. zum Anschluss von
Druckern an PC's.
Erreicht wurden über die sogenannte „parallele parallele Schnittstelle“ Schnittstelle maximal
8 MBit/Sekunde.
Problem: Parallele Bitsynchronisation.
y
....

Serielle Bitübertragung
Folie 11-41
Falls die Kommunikationspartner weiter auseinander sind als ein paar
Meter oder aber, wenn die Synchronisation zwischen den Partnern nicht
offensichtlich ff h l h ist, wird d ddie Bit‐serielle ll Übertragung Üb benutzt. b
Dazu sind mindestens zwei Leitungen erforderlich:
Sender
.. 1 ... 1 0 0 1 1 ..
...
Signalleitung
Empfänger p g
Null‐Leiter Null Leiter
Heute sehr weit verbreitet durch USB und Firewire.
USB verwendet vier‐adrige Leitungen: zwei für Daten und zwei für eine
Stromversorgung von einem zu dem anderen Gerät.

Synchronisation
Übertragen werden Folgen von Bits.
Der Empfänger p g muss die empfangenen p g Bits voneinander
unterscheiden können.
Bit‐Synchronisation: Die Erkennung einzelner Bits.
Zellen‐Synchronisation:
Frame‐Synchronisation:
a e Sy c o sat o
Folie 11-42
Die Erkennung von Bitfolgen als Folgen von Bytes oder
Wörtern (Beispiel: ASCII ASCII‐Chars). Chars).
Die Erkennung einer umfangreicheren Nachricht.
(Beispiele: „Blöcke“ oder „Pakete“)

Asynchrone Datenübertragung (1)
Folie 11-43
Um einzelne Folgen von Bytes zu übertragen, die "selten" und zufällig
gesendet werden, verwendet man häufig die asynchrone
Datenübertragung
Datenübertragung.
Beispiel: Kommunikation mit der Tastatur eines Rechners.
Die e Nachricht ac c besteht bes e typischerweise yp sc e e se aus genau ge au 10 0 Bits: s
1 Startbit 8 Datenbits 1 Stoppbit pp
Wenn das Signal im Ruhezustand das Niveau "0" hat und im Sendezustand
das Niveau "1", dann muss man "1" als Startbit verwenden.
l k h h l b b
Für unzuverlässige Leitungen kann auch mehr als 1 Stoppbit vereinbart
werden.

Asynchrone Datenübertragung (2)
Die Zeit für die Übertragung einer Bit‐Zelle muss bekannt sein.
Folie 11-44
Durch Übertragungsfehler g g darf bei der Übertragung g g von 10 Bits, , bei einem
Stoppbit, kein kumulierter Zeitfehler entstehen, der 1 Bit‐Zelle oder länger ist.
1
0
...
Ruhezustand Start
Bit
0 1 1 1 0 0 1 0
8 Datenbits
Angezeigt ist jeweils der
"Ablesezeitpunkt"
. .
. Stopp.
. Bit .
. .
Ruhezustand

Asynchrone Datenübertraung (3)
Folie 11-45
Bei 1200 Bits/Sekunde / werden über eine asynchrone Datenleitung
bei einer Nutzung von 10 Bits pro Byte also 120 Bytes pro Sekunde übertragen.
Um den Anfang und das Ende der Übertragung eines Blockes von Daten
("Frame") zu kennzeichnen, hat man in ASCII Sonderzeichen definiert:
STX: Start of Text
ETX: End d off Text
Um die erfolgreiche/fehlerhafte f l h /f hl h f Übertragung Üb zu quittieren
ACK: Acknowledge
NAK: Negative Acknowledge
Es gibt noch weitere "Control Character" wie
Es gibt noch weitere Control Character wie
DEL, ESC, SOH, SYN, ...

Synchrone Datenübertragung (1)
Für die ÜÜbertragung
größerer Datenmengen
mit hoher Geschwindigkeit
beliebiger Bytes (d.h. ohne ASCII‐Sonderbedeutung)
werden synchrone Datenübertragungsverfahren angewendet.
Ein Block wird als "Frame" übertragen
Sync‐
Bytes
Frame‐
Header
Bytes
Daten‐Bytes
...
End of
Frame‐
Trailer
Bytes
Sync‐
Bytes
Folie 11-46
Mit zunehmendem Inhalt von Header und End of Frame wird ein
"Frame" mehr und mehr zu einem Paket im Sinne des letzten Kapitels.

Synchrone Datenübertragung (2)
Folie 11-47
Bei der synchronen Datenübertragung wird eine große Folge von Bits seriell
und ohne Unterbrechung gesendet.
Einfachste Methode:
Sender
Uhr
. . . .
1 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 . . . . 0 1 0
Sender und Empfänger verwenden jeweils (hochfrequente) Uhren.
Beide Uhren müssen im Gleichtakt und mit gleicher Frequenz laufen.
Zifhl Zeitfehler dü dürfen f bid bei der Üb Übertragung "f "fast" " nicht ih auftreten.
f
Empfänger
Uhr

Synchrone Datenübertragung (3)
Folie 11-48
PProblem: bl WWenn lä längere Folgen F l gleicher lih Bits Bit (1000 (1000x1) 1) etc. t üb übertragen t
werden, hat der Empfänger auch bei kleinen Zeitfehlern Schwierigkeiten,
zu erkennen, ob 1000 (? 1) Bits übertragen wurden.
Einfachste Lösung: Man spendiert eine dritte Leitung und überträgt das
Zeitsignal des Senders:
Sendeer
1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0
Daten
Uhr‐Synchronisation
Null‐Leiter
Problem: Verhalten sich beide Leitungen gleich ???
Empfänger

Andere Zeit‐Codierungen
Folie 11-49
Um die dritte Leitung zu sparen (und um das Problem zu umgehen), werden
die verschiedensten Alternativen verwendet.
In allen Fällen wird ein Uhren‐Signal und ein Bitstrom "gemischt".
1. Beispiel: Bipolare Codierung:
+
Bits:
Uhr:
+
0
‐
1 0 0 1 1 1 0 1 0 0

Noch Bipolare Codierung:
Bei der bipolaren Codierung
wird eine 1 codiert als:
wird eine 0 codiert als:
Man benötigt g 3 unterscheidbare Leitungszustände g +, , 0, , ‐ .
Bei jedem Bit erfolgt in der "Zellenmitte" ein Übergang nach 0.
+
0
0
‐
Folie 11-50
Dieser wirkt als Bit‐Trenner. Der Empfänger p g braucht keine eigene g Uhr.
Er braucht nur Zustandsübergänge zu decodieren.
Der entstehende Signal‐Typ wird auch RZ genannt.
0 + = 1
RZ = Return to Zero. 0 ‐ = 0

Manchester‐Codierung
Folie 11-51
Die 3 Leitungen werden auch bei der Manchester Codierung vermieden.
Der verwendete Signal‐Typ wird NRZ genannt.
NRZ: Non‐Return To Zero
Vorteile: Im Gegensatz zu RZ werden aber nur 2 Signalzustände benötigt.
DDer Phasenübergang Ph üb in i jeder jd Zelle Zllwird idzur SSynchronisation h i i von SSender d
und Empfänger genutzt.
Beispiel:
Bei der Manchester Codierung
wird ideine i 0 codiert di t als: l
wird eine 1 codiert als:
1 0 0 1 0 1 1 1 0

Differential Manchester Encoding
Bei e dieser deseVariante a a ewird d wie e folgt og codiert: cod e
0 : am Anfang der Bitzelle erfolgt ein Phasenübergang
1 : am Anfang g der Bitzelle erfolgt g kein Phasenübergang g g
Zu jeder Bitfolge gibt es daher 2 symmetrische Codierungen; je nachdem,
in welchem Zustand der Codierer sich zu Beginn befindet.
Beachte: In der Mitte jeder Bitzelle erfolgt immer ein Phasenübergang.
Mit einem Codierer im
Anfangszustand : oben
Mit einem Codierer im
Anfangszustand : unten
Folie 11-52
1 0 0 1 1 1 0 1 0 0
Vorteil bei Zweidrahtleitungen: Beide Leitungen können beliebig gepolt werden werden.

Andere Codierungen ‐ NRZI
Folie 11-53
Die Manchester Codierung benötigt für jedes Bit einen Phasenübergang:
Hierin steckt Redundanz.
oder
Man begnügt sich oft mit einer "halben halben Lösung" Lösung genannt NRZI. NRZI
NRZI = NRZ Inverted.
Bei dieser Variante wird wie folgt codiert:
0 : am AAnfang f der d Bi Bitzelleerfolgt ll f l ein i Phasenübergang
Ph üb
1 : am Anfang der Bitzelle erfolgt kein Phasenübergang
Auch bei NRZI gibt es daher 2 symmetrische Codierungen Codierungen; je nachdem nachdem,
in welchem Zustand der Codierer sich zu Beginn befindet.
Beachte: In der Mitte jeder j Bitzelle erfolgt g kein Phasenübergang. g g

Noch NRZI
Wie bei Differential Manchester hat jede Bitfolge zwei Codierungen:
Mit einem Codierer im
Anfangszustand : oben
Mit einem Codierer im
Anfangszustand : unten
Vorteil im Vergleich zur Manchester‐Codierung:
Folie 11-54
1 0 0 1 1 1 0 1 0 0
Insgesamt benötigt man wesentlich weniger Phasenübergänge,
Schnellere Datenübertragung ist möglich (Faktor: 2)
Nachteil im Vergleich zur Manchester‐Codierung:
Sofern nicht genügend häufig Nullen vorkommen, hat man alle
PProbleme bl wieder, id die di man vermeiden id wollte.
llt

NRZI mit Einstreuung von Nullen
Wenn nicht genügend häufig Nullen vorkommen,
vorkommen
muss man eben Nullen einstreuen !!!!
Eine Möglichkeit der Nulleneinstreuung ist
eine 4B/5B Umcodierung.
Eine andere Möglichkeit ist Bit‐Stuffing.
Folie 11-55

4B/5B Umcodierung
Vom Sender wird der Datenstrom in 4‐Bit‐Folgen zerlegt.
Diese werden in 5‐Bit‐Folgen umcodiert.
Folie 11-56
Es gibt 16 verschiedene 4‐Bit‐Folgen und 32 verschiedene 5‐Bit‐Folgen.
Man benötigt also nicht alle möglichen 5‐Bit‐Folgen.
Man kann die Umcodierung so machen, das gilt:
NNach hdder UUmcodierung di ffolgen l höchstens hö h t zwei i NNullen ll iin einem i
Codewort aufeinander.
In einer Folge von Codewörtern können höchstens drei Nullen
hintereinander auftreten.
Kombiniert man einen 4B/5B‐Codierer mit einem NRZI‐Codierer, erhält man zwar
einen etwas längeren Bitstrom, der aber schneller übertragen werden kann.

4B/5B Tabelle
4 B 5 B
Nibble Codon
0 0000 11110
1 0001 01001
2 0010 10100
3 0011 10101
4 0100 01010
5 0101 01011
6 0110 01110
7 0111 01111
8 1000 10010
9 1001 10011
1 0 1010 10110
1 1 1011 10111
1 2 1100 11010
1 3 1101 11011
1 4 1110 11100
1 5 1111 11101
Diese Codes sind so gewählt, das
Folie 11-57
nicht mehr als eine Null am Anfang
nicht mehr als zwei Nullen am Ende
vorkommen.
Es gibt noch fünf bisher ungenutzte
5‐Bit Codes, die der obigen Regel genügen:
01100
01101
10001
11001
11111
Diese können als Steuerzeichen genutzt
werden.

NRZI: Wertung
NRZI mit 4 B/5 B Umcodierung ergibt:
einen Vorteil von 50 % bei der ÜÜbertragungszeit
einen Nachteil von 25 % hinsichtlich der Datenlänge
GGesamteinsparung: i 62,5 62 5 %
NRZI mit 4 B/5 B Umcodierung wird häufig verwendet, da es weitere
Vorteile hat:
Die genannten Zusatz‐Codes können z.B. verwendet werden:
Zur Markierung g eines Paketanfangs. g
Zur Markierung eines Paketendes.
Zur Kennzeichnung g eines Fehlerabbruches.
etc....
Folie 11-58

Alternativen (1)
Folie 11-59
Ein i anderes d Schema h ist i die di Null‐Einfügung: ll i f "Bit‐Stuffing„ " i ffi ( (Bit‐Stopfen). i f )
Jede Sequenz von x‐Nullen wird durch eine Sequenz mit einer
nachfolgenden 1 ersetzt. ersetzt
Für x=2 würde man ein schlechteres Ergebnis erhalten.
Für größere x erhält man bessere Ergebnisse:
Je nach Datenstrom erhält man dann je nach Wahl des x deutlich
bessere Werte.
Der Datenstrom wird nur geringfügig länger...
Für größere x bekommt der NRZI Codierer aber ggf. Schwierigkeiten!

Alternativen (2)
Folie 11-60
Allgemein geht es darum, eine Bitfolge in Gruppen von m Bits aufzuteilen
und diese durch verschiedene Signalfolgen zu codieren.
Diese werden jeweils durch n Signalniveaus ("Levels") codiert.
Das Ziel ist
m B n L
m Bits
n Levels
eine Übertragung von möglichst vielen Bits pro Zeiteinheit
eine möglichst sichere Übertragung der Bits
dh d.h. ohne Synchronisationsfehler etc.
etc

RLE
Es gibt alternative Codierverfahren zu den bisher besprochenen.
Eine weitverbreitete Klasse von Codierverfahren werden als
Lauflängencodierung fl d bbezeichnet. h
RLE: Run Length Encoding.
Bei einem k‐Bit RLE Verfahren hat man einen k‐Bit Code.
Gezählt wird jeweils die Anzahl der Nullen bis zur nächsten 1.
Folie 11-61
Di Diese Anzahl A hlwird idmit i einem i oder d mehreren h kk‐Bit Bi CCodes d codiert. di
Der Code "alles 1" wird interpretiert als "es folgen weitere Codes".
Man kann auch abwechselnd 0‐Folgen und 1‐Folgen codieren codieren.
Dies wird z.B. bei der Codierung von Faxen so gemacht.
Man spricht p dann von weißen und schwarzen Lauflängen. g
Per Definition fängt jede Zeile mit einer weißen Lauflänge an
(und endet mit einem „Fluchtsymbol“ als Wiederaufsetzpunkt).

Fehlererkennung: Parity‐Bits
Folie 11-62
Bei der asynchronen Übertragung von Gruppen von 8 Bits ist die häufigste
angewandte Methode zur Fehlererkennung die der zusätzlichen
Übertragung eines Parity‐Bit.
Das Parity‐Bit ist 1 genau dann, wenn dadurch die Anzahl der Einsen von
Dt Daten‐Bits Bit und d PParity‐Bit it Bit iinsgesamt tgerade d wird. id
Dies definiert: „even parity“. (Analog : „odd parity“.)
Mit Hilfe des Parity Parity‐Bits Bits können 1‐Bit 1 Bit Fehler erkannt werden werden.
Start‐Bit
Daten‐Bits
Parity‐Bit y
Stop‐Bit

Fehlererkennung: Polynom‐Codes
Diese sind bekannt als „Frame Check Sequence“ (FCS)
oder als „Cyclic Redundancy Check“ (CRC)
Die Anzahl der zu übertragenden Bits sei k.
Mit Hilfe einer Folge von n+1 Bits wird eine Art "Polynom‐Division"
durchgeführt durchgeführt. Diese kommt ausschließlich mit XOR Operationen aus. aus
Die Folge von n+1 Bits wird Generator (G) genannt "
Es muss (n+1) ( ) < k gelten g
Folie 11-63
Das Ergebnis der Polynom Division ist ein (uninteressanter) Quotient und ein
n‐Bit Rest R. Dieser wird mit übertragen:
Botschaft Rest
+
k‐Bits n Bits
Der Empfänger muss den Generator G kennen, die gleiche Rechnung
durchführen und den berechneten Rest mit dem empfangenen Rest
vergleichen.

Beispiel CRCs
CRC‐CCITT (CRC‐16) x16 + x12 + x5 + 1 = 10001000000100001
IBM‐CRC‐16 x16 + x15 + x2 + 1 = 11000000000000101
Folie 11-64
CRC‐32 32 x32 26 23 22 16 12 11 10 8 7 5 4 2
32 + x26 + x23 + x22 + x16 + x12 + x11 + x10 + x8 + x7 + x5 + x4 + x2 + x + 1
= 100000100110000010001110110110111
Bluetooth x5 + x4 + x2 + 1 = 110101
Ein Generator‐Bitmuster mit r = n + 1 Bits erkennt alle
1 Bit Fehler
2 Bit Fehler
alle Fehler mit ungerader g Fehler‐Bit‐Zahl
alle korrupten Bitgruppen mit weniger als r Bits

Basisband‐Übertragung
Bei der Basisband‐Übertragung unterhalten sich normalerweise zwei
Kommunikationspartner p über ein Kabel und nutzen die verfügbare g
Bandbreite möglichst gut.
Folie 11-65
Aber auch bei der Basisband‐Übertragung können mehrere Partner beteiligt
sein.
Man muss das Medium dann aufteilen.
MMan spricht ihtvon MMultiplex‐Verfahren. lti l V f h
Bei Basisband‐Übertragung wird ausschließlich TDM angewandt.
TDM: Time Division Multiplex p

Time Division Multiplex
Synchrones TDM:
Folie 11-66
Es gibt eine "globale Uhr" und jeder Benutzer bekommt das Medium zu
bestimmten Zeitpunkten jeweils eine bestimmte Zeit lang zugeteilt:
ähnlich wie Timesharing bei Betriebssystemen.
Asynchrones TDM:
Benutzer können sich bei Bedarf Zugriff zum Medium verschaffen und es
dann eine bestimmte maximale Zeit nutzen.
Es muss feststellbar sein, ob das Medium zur Zeit frei ist.
Kollisionen mit anderen gleichzeitig Zugriff suchenden Teilnehmern müssen
erkannt und behandelt werden.
Asynchrones TDM ist weit verbreitet und wird z. B. in praktisch allen
Ethernet‐Netzwerken eingesetzt.

Breitband‐Übertragung
Folie 11-67
Breitband‐Übertragung wird praktisch ausschließlich angewandt, wenn
man ein breitbandiges g Medium unter mehreren Nutzern aufteilen will.
Das Medium wird häufig über FDM auf die Benutzer aufgeteilt.
FDM : Frequency Division Multiplex
FDMA: Frequency Division Multiple Access
Alternativ kann z.B. CDMA verwendet werden. Beispiel: UMTS
CDMA: Code Division Multiple Access

Trägermodulation
Voraussetzung g für Breitbandübertragung g gist die Trägermodulation.
g
Dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten:
Amplitudenmodulation
Folie 11-68
Während Einsen gesendet werden, wird die Trägerfrequenz gesendet,
sonst nichts. nichts
Frequenzmodulation
Codiert wird durch eine Veränderung g der Frequenz q bei gleicher g Amplitude p und
Phase.
Im Falle der Übertragung von Bits benötigt man 2 unterscheidbare
Frequenzen F 0 und F 1
Phasenmodulation

Frequency‐Division‐Multiplexing
Folie 11-69
Meist wird die Frequenzmodulation verwendet verwendet. In diesem Fall bietet sich
eine Verallgemeinerung an, um mehrere Teilnehmer zu bedienen:
Die Teilnehmer sind über „Radio‐Modems“ mit dem Medium verbunden.
Diese können senden und empfangen.
Die Radio‐Modems können jeweils ungestört auf dem Medium in m
unterscheidbaren Frequenzen senden und empfangen: F F F
unterscheidbaren Frequenzen senden und empfangen: F 1, F 2, . . . . F m
Dann kann man zur Übertragung von Bits jeweils m / 2 Teilnehmern
Frequenzpaare (F1, F2) .... zuweisen, über die sich diese Teilnehmer
jeweils mit einem Partner unabhängig unterhalten können.
Radio Radio
Modem
. . .
Modem
Teilnehmer 1 Teilnehmer n

Datenübertragung mit Telefonleitungen
Folie 11-70
Bei einem klassischen Telefongespräch wurden – bis zur Einführung von ISDN
–
Wählimpulse und Sprache als analoge Signale übertragen.
POTS = Plain Old Telephone Service
ZZur Üb Übertragung von DDaten kann k man diese di einfach i f hT Tonsignalen i l aufprägen f ä
(modulieren) und diese Tonsignale über die analoge Telefonleitung übertragen.
Beim Empfänger p g müssen die ankommenden Töne wieder in Bitsignale g
umgesetzt (demoduliert) werden.
Geräte zur Modulation und Demodulation werden MODEM genannt.
Modem ( (= Modulator / Demodulator)
Mit raffinierten Kodierungs‐ und Kompressionsverfahren erreichen moderne
Modems Übertragungsraten bis zu ca. 56000 Bit/s.
Öffentliches
Telefonnetz

ISDN (1)
Folie 11-71
Seit 1989 wurde in der Bundesrepublik Deutschland, Deutschland wie in anderen Ländern
bereits üblich, schrittweise ein digitales Telefonsystem eingeführt.
Dieses diensteintegrierende Netz wird ISDN genannt.
ISDN = Integrated Services Digital Network
Ein ISDN‐Anschluss ermöglicht einen schnellen Verbindungsaufbau und bietet
einem Teilnehmer neben einem Signalisierungskanal mit 16 kBit/s zwei
Nutzkanäle mit je 64 kBit/s zur Übertragung von Gesprächen, Daten, Texten und
Bildern etc.
Drei Telefonnummern erhält man zur freien Verfügung und kann jederzeit zwei
davon gleichzeitig benutzen.
ISDN stellt eine durchgehende digitale Verbindung zwischen den Endgeräten zur
Verfügung. g g
Modems sind nicht mehr erforderlich, da die Daten nicht mehr vertont werden
müssen.
Stattdessen benötigt ein Computer zum direkten Anschluss an eine ISDN‐Leitung
eine entsprechende ISDN‐Karte oder eine Anschlussbox, die z.B. an den USB‐Port
angeschlossen werden kann.

ISDN (2)
Folie 11-72
Im einfachsten Fall wird das zu Hause ankommende Telefonkabel an ein
Netzabschlussgerät angeschlossen.
NTBA=Network Termination Basic Access)
Dieses stellt dann einen ISDN ISDN‐Basisanschluss Basisanschluss in Form eines so genannten S 0‐Bus Bus
zur Verfügung.
An ihn lassen sich bis zu acht Endgeräte anschließen, von denen jeweils nur zwei
gleichzeitig lih itibetrieben btib werden d können: kö
Telefonnetz
NTBA
S 0-Bus

ISDN (3)
Folie 11-73
Der Verbindungsaufbau zwischen zwei ISDN‐Anschlüssen ISDN Anschlüssen erfolgt nicht mehr
durch Simulation einer Wählscheibe, wie dies bei analogen Tastentelefonen
früher üblich war.
Nach der Wahl der letzten Ziffer ist die Verbindung praktisch sofort da da.
Dies ermöglicht einem Netz von Computern, die über ISDN mithilfe
entsprechender Karten kommunizieren, folgende Vorgehensweise:
WWenn ein i Pk Paket von DDaten zur Üb Übertragung ansteht, h wird ideine i VVerbindung bi d
aufgebaut.
Nach der Übertragung wird nur bis zum Ende des aktuellen Zeittaktes gewartet, ob
eine i weitere it Übertragung Üb t ansteht, thtandernfalls d f ll wird iddi die VVerbindung bi d abgebrochen.
b b h
Nur wenn einer der gewünschten Anschlüsse auf beiden Nutzkanälen besetzt
ist, führt diese Methode zu zeitlichen Nachteilen gegenüber einer ständigen
VVerbindung. bi d
Die Übertragung von Daten kann über einen oder, falls beide Kommunikations‐
partner sich darauf verständigen, sogar über beide Nutzkanäle erfolgen.
Di Die Üb Übertragung t erfolgt f l tddann mit it maximal i l64 64 + 64 = 128 kBit/ kBit/s.

DSL, ADSL und T‐DSL
Folie 11-74
DSL steht für Digital Subscriber Line
DSL ist eine Technologie, die dem Anwender eine vergleichsweise hohe
Datenübertragungsrate über eine ganz normale Telefonleitung zur Verfügung
stellt stellt.
Der Begriff xDSL steht für verschiedene Varianten der DSL‐Technologie, wie z.B.
ADSL (Asymmetric DSL),
HDSL (High Data Rate DSL), DSL)
VDSL (Very HDSL)
T‐DSL (die von der deutschen Telekom angebotene ADSL‐Version).
Die DSL‐Technologie DSL Technologie wurde bereits Ende der 80er Jahre in den Bellcore
Laboratorien in den USA entwickelt.
Physikalisch werden schlichtweg freie Bandbreiten im existierenden Telefonnetz
nutzbar tb gemacht. ht
Während bei der Sprachübertragung nur ein Frequenzbereich bis 4 Kilohertz
(kHz) ausgelastet wird, können Kupferkabel theoretisch einen Bereich bis 1,1
Megahertz (MHz) abdecken.
Aufgrund der enormen Verluste in hohen Frequenzbereichen wurden in der
Praxis bisher nur Frequenzen bis 120 kHz verwendet. Höhere Frequenzen
wurden durch Filter im Telefonnetz blockiert.

ADSL und VDSL
Folie 11-75
ADSL: Asymmetric Digital Subscriber Line
VDSL: Very High Speed Digital Subscriber Line
Asymmetric y bedeutet, , dass die Datenübertragungsraten g g in Sende‐ und
Empfangsrichtung unterschiedlich sind, und zwar fast ausschließlich vom
Teilnehmer aus gesehen in Empfangsrichtung (downlink) erheblich
größer als in Senderichtung (uplink).
VDSL ist eine DSL‐Technik, die wesentlich höhere Datenübertragungs‐
raten über gebräuchliche Telefonleitungen liefert als beispielsweise ADSL
oder ADSL2+ ADSL2+.
ADSL und VDSL benutzen herkömmliche Twisted‐Pair Kabel.
Bei VDSL ist der nutzbare Frequenzbereich nochmals auf 2,2 MHz erhöht
worden.
d

DSL Technologie (1)
Folie 11-76
Mit der DSL‐Technologie DSL Technologie wird ein größerer Frequenzbereich genutzt
und zwar bis 1,1 MHz bzw. 2,2 MHz
Mit dieser Bandbreite ist theoretisch eine Gesamtdatenrate im Bereich von
10 bis 50 MBit/s erreichbar. erreichbar
Bei der ADSL Norm ist diese auf 8 MBit/s begrenzt. Kommerzielle Varianten
nutzen bis zu 6 MBit/s.
JJe höh höher die di erzielte iltDatenrate Dt t ist, itddesto t kü kürzer muss di die Lit Leitung zwischen i h dder
Vermittlungsstelle und dem Übergabepunkt zum Nutzer sein (unter 1000 m bei
sehr hohen Datenraten).
Außerdem steigen die Kosten für die verwendeten elektronischen
Komponenten.
Um die Gesamtdatenrate niedrig zu halten, wird die Bandbreite eines ADSL‐
Anschlusses asymmetrisch für die Übertragung vom Anwender zum Provider
(upstream) bzw. in der anderen Richtung (downstream) aufgeteilt.
Dies folgt den Nutzungsanalysen, die zeigen, dass das Datenvolumen zum
upload nur 10 % dessen ausmacht, was für das download aufgewendet wird.

DSL Technologie (2)
Folie 11-77
Die von der Deutschen Telekom bis Anfang 2004 angebotene Standardversion
T‐DSL ist ein asymmetrisches Verfahren mit einer Downstream‐Kapazität von
768 kBit/s und einer Upstream‐Kapazität von 128 kBit/s.
Im Vergleich zu den theoretischen Werten ist die angebotene Bandbreite relativ
niedrig, dafür sind auch die Restriktionen hinsichtlich der Entfernung zur
Vermittlungsstelle minimal.
Seit 2002 wurden schnellere Varianten angeboten.
2004 war die schnellste angebote Variante zunächst T‐DSL‐3000 (Downstream 3072
kBit/s und Upstream 512 kBit/s) kBit/s),
ab 2005 dann T‐DSL‐6000 (Downstream 6016 kBit/s und Upstream 576 kBit/s)
seit 2006 T‐DSL‐16000 (Downstream 16000 kBit/s und Upstream 1024 kBit/s).
Je nach Entfernung zur nächsten Vermittlungsstelle steht ggf. nur ein Teil der
maximalen Datenrate zur Verfügung.

DSL Technologie (3)
Anschluss von T‐DSL T DSL
ADSL ADSL-MODEM MODEM Telefonnetz
(NTBBA)
Ethernet
Kabel
zz.B. B 6016 kbit/s
ADSL-Splitter
(BBAE)
z.B. 576 kbit/s
PC mit Ethernet
Anschluss
und ISDN-Karte
S 0-Bus
Folie 11-78
ISDN Anschlusseinheit
(NTBA)

ADSL: Übertragung
Folie 11-79
Ein Digital Subscriber Line Access Multiplexer (DSLAM) ist ein Teil der für den
Betrieb von DSL benötigten Infrastruktur.
DSLAMs stehen an einem Ort, an dem Teilnehmeranschlussleitungen
zusammenlaufen. Meist handelt es sich dabei um eine Vermittlungsstelle, teils
vorgelagerte Verteilpunkte (Outdoor‐DSLAMs).
Teilnehmer ‐ Infrastruktur Infrastruktur des Service Provider
NTBA
SSplitter litt DSLAM
Telephonnetz
LAN
DSL
MODEM
Gateway
Teilnehmeranschlussleitung
DSL Backbone: Internet
WLAN
Etc.

ADSL Normen
ADSL‐Normen ADSL Normen und maximale Nutzdatenraten (laut Wikipedia)
Norm Name
Empfangsrate
(Downstream)
ANSI T1.413 Issue 2 ADSL 8 Mbit/s / 0,6 Mbit/s /
ITU‐T G.992.1[7] ADSL (G.dmt) 8 Mbit/s 1,0 Mbit/s
ITU‐T G.992.1 Annex A ADSL over POTS 10 Mbit/s 1,0 Mbit/s
ITU‐T G.992.1 Annex B ADSL over ISDN 10 Mbit/s 1,0 Mbit/s
ITU‐T G.992.2[8] ADSL Lite (G.lite) 1,5 Mbit/s 0,5 Mbit/s
ITU‐T G.992.2[9] ADSL2 (G.bis) 12 Mbit/s 1,2 Mbit/s
ITU‐T G.992.3 Annex J ADSL2 12 Mbit/s 3,5 Mbit/s
ITU‐T G.992.3 Annex L RE‐ADSL2 6 Mbit/s 1,2 Mbit/s
ITU‐T G.992.4[10] ADSL2 (G.bis.lite) 12 Mbit/s 1,0 Mbit/s
ITU‐T G.992.4 Annex J ADSL2 12 Mbit/s 3,5 Mbit/s
ITU‐T G.992.4 Annex L RE‐ADSL2 6 Mbit/s / 1,2 , Mbit/s /
ITU‐T G.992.5[11] ADSL2 + 24 Mbit/s 1,0 Mbit/s
ITU‐T G.992.5 Annex L RE‐ADSL2 + 24 Mbit/s 1,0 Mbit/s
ITU‐T G.992.5 Annex M ADSL2 +M 24 Mbit/s 3,5 Mbit/s
Folie 11-80
Senderate (Upstream)

VDSL (1) laut Wikipedia
Folie 11-81
VDSL2 basiert b i auf f dem d Übertragungsverfahren Üb f h Di Discrete MMultitone l i (DMT) und d
bietet bei einer Grenzfrequenz von 30 MHz theoretisch erreichbare
Datenübertragungsraten von bis zu je 100 Mbit/s im Up‐ und Downstream bei
einer im Vergleich zu VDSL1 wesentlich vergrößerten Reichweite.
Der VDSL2‐Standard wurde erst im Frühjahr 2005 von der Internationalen
Fernmeldeunion verabschiedet verabschiedet. Der Standard selbst basiert auf dem
bewährten ADSL2+‐Standard und ist zu diesem vollständig abwärtskompatibel.
Zusätzlich wurden Möglichkeiten implementiert, gleichzeitig mehrere virtuelle
Verbindungen über eine physische Verbindung zu realisieren realisieren, um so etwa IPTV IPTV‐
Daten priorisieren zu können.
VDSL sowie dessen Nachfolgestandard VDSL2 wurden mit dem Ziel entwickelt,
sogenannte „Triple‐Play‐Dienste“ anbieten zu können. Darunter zu verstehen
ist die Zusammenführung von klassischen Telefoniediensten in Form von
Analog‐/ISDN‐ g / beziehungsweise g IP‐Telefonie, , breitbandigem g Internet sowie
IPTV.

VDSL (2) laut Wikipedia
Folie 11-82
Basierend auf dem VDSL2‐Chipsatz Vinax von Infineon baut T‐Home, vormals T‐
Com, seit dem Frühjahr 2006 ein VDSL2‐basiertes Verteilernetz auf.
Der Fortschritt und die Erfahrungen mit einem Netz dieser Größenordnung
werden von vielen ausländischen Netzbetreibern mit großem Interesse
beobachtet, da diese ebenfalls den Aufbau VDSL2‐basierter Netze planen.
Die durch VDSL2 bereitgestellte Datenübertragungsrate reicht aus, um Triple‐
Play‐Angebote bereitzustellen. Diese ermöglichen es, mit Hilfe von VDSL2 als
Übertragungsverfahren sowohl Internetdaten, Internettelefonie als auch
Fernsehprogramme (IPTV) in HDTV‐Qualität zu übertragen.
Die klassische Festnetztelefonie wird, wie auch bei ADSL‐Anschlüssen, auf
derselben Leitung in einem anderen Frequenzbereich übertragen übertragen.
Um gegenseitige Störungen der Festnetz‐Telefonie‐ und VDSL‐Signale zu
verhindern, werden VDSL2‐Splitter auf Kunden‐ und Netzbetreiberseite
eingesetzt.

VDSL (3) laut Wikipedia
Folie 11-83
Seit dem 17. Oktober 2006 [2] bietet die Deutsche Telekom AG in Ihrem
Festnetz‐Geschäftsbereich T‐Home VDSL2‐Anschlüsse in den zwölf größten
deutschen Ballungszentren an, an wobei ursprünglich bis Ende 2007 etwa 35
weitere Städte folgen sollten[3].
Darüber hinaus sind VDSL2‐basierende Produkte mittlerweile auch in vielen
kleineren Städten und Gemeinden nutzbar.
In diesen Ausbaugebieten entfällt jedoch bis auf weiteres der kostspielige
FTTN‐Ausbau FTTN Ausbau mit Outdoor‐DSLAMs.
Outdoor DSLAMs.
Es werden lediglich die Hauptverteiler‐Standorte mit Indoor‐VDSL2‐DSLAMs
ausgestattet und an das IPTV‐Konzentrationsnetz angebunden, so dass dort ein
erheblicher hblihTild Teil der Til Teilnehmer h aufgrund f ddder hhohen h Lit Leitungsdämpfungen
dä f
längerer Anschlussleitungen nicht mit den derzeit von der Telekom
vermarkteten VDSL2‐ und ADSL2+‐Profilen und den darauf basierenden Triple‐
Play‐Angeboten erreicht werden kann.

VDSL (4) laut Wikipedia
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Im Rahmen der neuen Strategie von T‐Home, seit dem 6. August 2007 IPTV‐
Dienste auch in städtischen Gebieten ohne Outdoor‐DSLAM‐Ausbau anzubieten,
werden derzeit in vielen weiteren Städten die Hauptverteiler
(Ortsvermittlungsstellen) mit IPTV‐DSLAM‐Linecards ausgestattet und an das
IPTV‐Konzentrationsnetz angebunden („Indoor‐VDSL2‐DSLAM‐Ausbau“) In einem
Umkreis von bis zu 1 km um die Hauptverteiler können Teilnehmer in diesen
Städten IPTV‐Pakete von T‐Home auf VDSL2‐Basis buchen, in einem Umkreis von
etwas über 1,5 km um die ans IPTV‐Netz angebundenen Hauptverteiler werden
IPTV‐Pakete k auf f ADSL2+‐Basis vermarktet. k
Ein weitreichender VDSL2‐Flächenausbau im gesamten Stadtgebiet mittels
Outdoor‐DSLAMs ist derzeit nicht vorgesehen. g

Zusammenfassung
Üb Übertragungsmedien. d
Bandbreite, Kapazität
Si Signalübertragung
lüb
Übertragungsmodi
Bitcodierung
Modulation
Datenübertragung über Telefonleitungen
ISDN
DSL
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