1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0

Basisbandübertragung
© Roland Küng, 2013
1
Intro Datenübertragung
Wo ist der Anfang?
Wieviele Daten sind es?
Wieviel Filterung erlaubt ?
Welches Spektralband belegt?
2
Blockbild DEE - DÜE
Sender
Takt
Taktgenerator
Quelle
Daten
z.B. Computer
Leitung
Verstärker
Zusatzbits
für Rahmen,
Sicherung etc.
Leitungscodierung
Pulsformung
Verstärker/
Leitungsanpassung
Empfänger
Takt
Taktableitung
Senke
Leitung
Daten
AGCVerstärker
Entzerrer
Filter
Entscheider
Leitungsdecodierung
Rahmen- und
Sicherungsbits
auswerten
Schnittstelle
zur Senke
z.B. Terminal
3
Rahmen strukturiert Datenstrom
1
1
1
0
1
0
0
0
.........
2.Byte
1. Byte
Allg.
.........
(n-1).Byte
n. Byte
1
1
1
0
1
0
0
0
1. Byte ...
Rahmensynchronwort
Jedes Byte besteht aus k Nutzbits und m Sicherungsbits
Der Rahmen ist die Gesamtheit aller Bits von einem Rahmensynchronwort bis zum nächsten
Bsp.: Der Ethernet-Datenrahmen (Frame) besteht aus drei Teilen: Header (Kopf)
Daten
Trailer (Abschluss)
4
Rahmen-Synchronwort
Präambel zur Synchronisation z.B.:
• Codeworte mit Codierverletzung wie 11101000 beim Biphase-Mark Code
mit den Eigenschaften: max. 2 gleiche Symbole nacheinander
Anwendung: Magnetstreifen auf EC Karte
• Bitwechsel 0101010101… gefolgt von Start of Frame Delimiter
Anwendung: Ethernet, POCSAG Pager
• Pseudo Random Bitfolgen mit guter Autokorrelationsfunktion (AKF)
wie Barkercode, m-Sequenzen
Anwendung: Barker Code L = 11 wird genutzt
als Rahmensynchronisation in der ISDN U-Schnittstelle
und im 802.11b WLAN als Bit-Code
5
Rahmen-Synchronwort
R7
Bekannte
Barker Codes
RN
R7
7
Zeitverlauf
For k = -N to +N do:
• Shift RN k bit
• Plot AKF(k)
0
-1
-7
0
AKF(k ) =
0
1
1
1
-1 -1 1
0
0
0
0
1
1
Aperiodische Autokorrelationsfunktion (AKF)
∑x x
i
i=0
0
7
N−k −1
1
-1 0
-1 -1 1
0
j+ k
0
0
-1 0
0
AKF(-2) = -1
Note: „0“ Pegel zu klein für Entscheider Komparatoren
6
Empfänger Taktrückgewinnung
Einfach, wenn Taktleitung vorhanden ist: Flanke
u
t
u
gefiltertes Empfangssignal
zurückgewonnener Takt
t
u
t
regeneriertes digitales Signal
Problem wenn:
• Signal nicht digital vorliegt
• Signal verrauscht ist
• keine Taktleitung vom Sender vorhanden ist
• Lange “1” oder “0” Sequenzen gesendet werden
Frage: wann Empfangssignal abtasten ?
7
DC oder AC Verbindung
l, ZW
l, Z W
Differentielle Übertragung, Zwischentrafo, AC-Kopplungen:
Hat die Leitung Bandpass Charakter oder
sind DC-Transienten im Signal unerlaubt/unerwünscht
Wahl eines Signalspektrum mit Nullstelle bei DC
Frage: wie spektral formen?
z.B. Sub-Carrier modulieren
8
Signal: Zeit - Spektrum
Beides ist gleich wichtig !
Wichtigste Beispiele: Cosinussignal und das allg. Rechtecksignal
Darstellung als 2-seitiges Linienspektrum
(nur rechte Hälfte gezeichnet)
9
Digitale Daten
Def:
Zufällige binäre Daten:
Bitrate R = Daten Rate
Symbolrate S = Zeichenrate auf Leitung
Bitrate R = Taktfrequenz
R=1/T
T
Problem:
Synchronisation ohne separate Verbindung für Taktsignal erschwert
Spektralanteil bei Taktfrequenz R fehlt und damit jede Information darüber ! 10
Spektrale Resourcen
T = const
Bandbreite spielt eine Rolle:
• bei Systemen mit Frequenzkanal Raster
• bei ‘hohen’ Datenraten Grenze durch den Kabelfrequenzgang gegeben
X verschiedene Leitungscodes haben sich etabliert
11
Unipolar / NRZ (NRZ-L)
Mark
1
Datenfolge
0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0
Space
1
0
Einsfolge
t
Nullfolge
1
0
1
0
Beispiel: TTL
NRZ = Non Return to Zero
• Nicht Mittelwert frei
• Keine Taktflanken bei langen “1” oder “0” Folgen
Bitdauer T = 1/Bitrate R
Symbolrate S = Bitrate R
12
Polar / NRZ
1
Datenfolge
0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0
1
-1
1
Einsfolge
t
-1
Nullfolge
1
-1
Beispiel: RS-232
• Nicht Mittelwert frei, ausser “1” und “0” gleich häufig vorkommend
• Keine Taktflanken bei langen “1” oder “0” Folgen
Note 1: Polar Prinzip ist bei praktisch allen Codes anwendbar
Note 2: Polar ist nicht gleich Bipolar (siehe ternäre Codes)
13
NRZ Mark Code (NRZ-M)
M: Mark = 1
1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0
Datenfolge
1
0
Einsfolge
t
Nullfolge
Vorschrift:
Bei „1“ Wechsel
1
0
1
0
Beispiel: USB, FDDI
• Differentielle Leitungen bergen Gefahr der Adernvertauschung
Ansatz: IF Mark THEN Change
• Analog dazu gibt es den NRZ Space Code (NRZ-S)
• Aber Taktkomponente (auch bei “1” Folge) fehlt im Spektrum immer noch
14
Spektrum NRZ Code
f/R
Data Rate = R = S
Man kann zeigen, dass folgende Bandbreite ausreicht:
Bmin = R/2
NRZ-L: Non Return to Zero-Level (z.B. RS-232)
NRZ-I: Non Return to Zero Inverted Encoded: NRZ-M und NRZ-S
eliminiert Vorzeichen Unsicherheit bei differentiellen Ltg. (z.B. USB)
Nicht geeignet für z.B. Telefonkanäle: 300 Hz – 3400 Hz
15
RZ Mark Code (RZ-M)
Return to Zero
1
Datenfolge
0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0
1
0
Einsfolge
t
Nullfolge
1
0
1
0
• Lösung für das Taktrückgewinnungsproblem (Präambel mit “1” Folge)
• Pulsdauer ist nun T/2 Spektrum sinx/x hat Nullstelle somit bei 2/T = 2R
• Nachteile: Mehr Spektrum benötigt und Problem langer Nullfolgen ungelöst
16
BiPhase, Manchester Code
1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0
Datenfolge
1
0
Einsfolge
t
Nullfolge
1
0
1
0
Beispiel: Ethernet
S=2R
Bmin = R
• Zur Übertragung einer logischen Eins wird der Pegel 1 während der
ersten Hälfte des Bits gesendet und der Pegel 0 während der
zweiten Hälfte, bei einer logischen Null ist es gerade umgekehrt
• Signal weist Phasenmodulation auf (Shift ½ Bit) Jitter
• Immer eine Flanke vorhanden:
Taktrückgewinnung (Frequenz und Phase) möglich
z.B. PLL Technik auf doppelter Bittakt-Frequenz
17
Spektrum RZ Codes
Familien: Polar-RZ, Bipolar-RZ, (Manchester)
f/R
Bsp: Bipolar RZ
R = Data Rate
S=2R
Bmin = R
ist selbst-synchronisierend
18
Clock Recovery
Möglichkeiten:
• Periodisch Sync Sequenzen einfügen und damit stabile Takt-Quellen (VCXO) regeln
• Überabtasten und periodisch AKF Präambel bestimmen (Bit- und Byte-Takt)
• Laufende Regelung (Tracking) mit PLL Technik auf Spektralanteil bei Taktfrequenz
Problematik: Bandbreite, Noise, Jitter
Gewinnung Spektralanteil Takt mit Flankendetektor
Takt
Takt
19
Clock Recovery
Taktregeneration mit PLL zur Jitter Reduktion:
PLL
• Puls aus jeder Flanke
• LF eliminiert Jitter und
überbrückt fehlende Flanken
Taktregeneration mit sehr schmalem Bandass zur Jitter Reduktion:
Short
• Puls auf jeder Flanke
• BP eliminiert Jitter und
überbrückt fehlende Flanken
Multiplier: EXOR
NRZ: Problematisch. Scrambler vorteilhaft gegen lange 0 bzw. 1 Sequenzen
RZ: Einfach. Extrahierter Clock durch 2 teilen, auch für Manchester geeignet
20
Bipolar: AMI-NRZ Code
Alternate Mark Inversion Ziel: Gleichspannungsfreiheit
1
0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0
1
Datenfolge 0
-1
Einsfolge
t
1
0
-1
Nullfolge
1
0
-1
Beispiel: Erste Generation PCM Netzwerke
Pseudo Ternärer Code: 1, 0, -1 sind mögliche Zustände
• Für Space wird nichts gesendet, für Mark abwechselnd 1 und -1
• Taktrückgewinnung nur falls AMI RZ verwendet wird
21
Multi-Level: Ternäre Codes
Abbildung von n Bit auf m Symbole Ziel: Verminderte Bandbreite
1
Datenfolge
+
0
-
Einsfolge
t
+
0
-
Nullfolge
+
0
-
0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1
Vorschrift für
3B2T Code
Binär
b
0
0
0
0
1
1
1
1
n=3
1
b
0
0
1
1
0
0
1
1
2
0
1
0
1
0
1
0
1
b
3 Bit
3
ISDN, DSL Kandidat
S = 2/3 R
Ternär
t1
-
0
-
-
+
+
0
+
m=2
t2
-
-
0
+
-
0
+
+
2 Symbole
22
Multi-Level: Quarternäre Codes
Abbildung von n Bit auf m Symbole Ziel: Verminderte Bandbreite
Input
Hier beginnt
die Familie der
PAM
Pulse Amplitude
Modulation
Output
S=½R
2B1Q: ISDN Basisanschluss Teilnehmer
Halbe Schrittgeschwindigkeit, weniger Spektrum, geringere Dämpfung
23
Spektrum Bipolar / Multilevel Codes
f/R
Data Rate R ≥ S
Bmin < R
Leitung darf Trafo
oder kapaz. Kopplung haben
Note:
AMI: 0 = no line signal, 1 = alternating
Pseudoternary: 1 = no line signal, 0 = alternating
Hilfreiche Codes bei bandbegrenzten Übertragungsleitungen:
ISDN, DSL, TF
24
Spektraler Vergleich Bsp. ISDN
Manchester
Vergleich 2B1Q für ISDN Basisanschluss Teilnehmer mit anderen Codes
144 kBit/s
25
Bsp. Fast Ethernet
Nibble = 4 Bit
100 Mb/s
25 MNibbles/s
4B/5B-Decoding
4B/5B-Encoding
NRZ-to-NRZI
100BASE-FX
NRZI-to-NRZ
NRZI-to-NRZ
NRZ-to-NRZI
125 Mb/s
Scrambling
Descrambling
MLT3-Encoding
MLT3-Decoding
B < 31.25 MHz
pseudoternär
Treiber
4 Bit 5 Bit Symbol
Nulllänge begrenzt, DC frei
NRZI: NRZ invert on “1”
3 Level Codierung MLT3
Bandbreite vermindern
(see next slide)
Empfänger
100BASE-TX
typ. -1V, 0V, 1V
Note: NRZI (USB, Ethernet, FDDI)
Wie man 100 Mbit/s mit 31.25 MHz Bandbreite DC frei übertragen kann
26
MLT-3 im Fast Ethernet
MLT-3 durchläuft die Spannungslevel -1, 0, +1
Um eine “1” zu übertragen wird die State Machine weiter geschaltet
Für eine Null bleibt sie im selben Zustand
Data Rate = R = S
B = R/4…R/3
Worst case: simulated as an analog signal with period = 4 times
the bit duration ( frequency = ¼ bit rate)
27
Systematik
28
Systematik: Beispiel
29
Summary of line coding schemes
B = R/2
B = R/2
B = R/2
Polar
, RZ
B=R
B = R/2
B = R/4
B = 3R/4
B = R/8
B = R/3
R = Datenrate bzw. Bitrate
30