Date post: | 06-Apr-2015 |
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Basisbandübertragung
© Roland Küng, 2013
2
Intro Datenübertragung
Wo ist der Anfang?Wieviele Daten sind es?Wieviel Filterung erlaubt ?Welches Spektralband belegt?
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Blockbild DEE - DÜESender
Empfänger
z.B. Computer
Taktgenerator
Verstärker Zusatzbitsfür Rahmen,Sicherung etc.
Puls-formung
Verstärker/Leitungs-anpassung
Quelle
Taktableitung
EntzerrerAGC-Verstärker
Filter Entscheider Leitungs-decodie-rung
Rahmen- undSicherungs-bitsauswerten
Schnittstellezur Senke
Senke
z.B. Terminal
Takt
Daten
Daten
Takt
Leitung
Leitung
Fig. 6.2 Blockschema eines digitalen Übertragungssystems
Leitungs-codierung
4
Rahmen strukturiert Datenstrom
1 01 1 1 0 0 0 1. Byte 2.Byte
1 01 1 1 0 0 0n. Byte(n-1).Byte.........
.........
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)
Allg.
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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
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Rahmen-Synchronwort
BekannteBarker CodesRN
For k = -N to +N do:• Shift RN k bit• Plot AKF(k)
Aperiodische Autokorrelationsfunktion (AKF)
ZeitverlaufR7
0 0 1 1 1 -1 -1 1 -1 0 0 0 0
0 0 0 0 1 1 1 -1 -1 1 -1 0 0
AKF(-2) = -1
Note: „0“ Pegel zu klein für Entscheider Komparatoren
7
0-1
-7 0 7
1kN
0ikjixx)k(AKF
R7
7
Empfänger Taktrückgewinnung
t
u
u
u
regeneriertes digitales Signal
zurückgewonnener Takt
gefiltertes Empfangssignal
t
t
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 ?
Einfach, wenn Taktleitung vorhanden ist: Flanke
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DC oder AC Verbindung
, ZW , ZW
Differentielle Übertragung, Zwischentrafo, AC-Kopplungen:
Hat die Leitung Bandpass Charakter odersind DC-Transienten im Signal unerlaubt/unerwünscht
Wahl eines Signalspektrum mit Nullstelle bei DC
Frage: wie spektral formen?
z.B. Sub-Carrier modulieren
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Signal: Zeit - Spektrum
Wichtigste Beispiele: Cosinussignal und das allg. Rechtecksignal
Darstellung als 2-seitiges Linienspektrum(nur rechte Hälfte gezeichnet)
Beides ist gleich wichtig !
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Digitale Daten
Problem: Synchronisation ohne separate Verbindung für Taktsignal erschwert Spektralanteil bei Taktfrequenz R fehlt und damit jede Information darüber !
R=1/T
Bitrate R = Taktfrequenz
Zufällige binäre Daten: Bitrate R = Daten Rate Symbolrate S = Zeichenrate auf Leitung
T
Def:
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Spektrale Resourcen
Bandbreite spielt eine Rolle: • bei Systemen mit Frequenzkanal Raster • bei ‘hohen’ Datenraten Grenze durch den Kabelfrequenzgang gegeben
X verschiedene Leitungscodes haben sich etabliert
T = const
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Unipolar / NRZ (NRZ-L)
1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0
Datenfolge
Einsfolget
Nullfolge
0
1
0
1
0
1
• Nicht Mittelwert frei• Keine Taktflanken bei langen “1” oder “0” Folgen
NRZ = Non Return to Zero
Mark
Space
Beispiel: TTL
Bitdauer T = 1/Bitrate R Symbolrate S = Bitrate R
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Polar / NRZ
• 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 anwendbarNote 2: Polar ist nicht gleich Bipolar (siehe ternäre Codes)
1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0
Datenfolge
Einsfolget
Nullfolge
-1
1
-1
1
-1
1
Beispiel: RS-232
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NRZ Mark Code (NRZ-M)
• Differentielle Leitungen bergen Gefahr der Adernvertauschung Ansatz: IF Mark THEN Change
• Aber Taktkomponente (auch bei “1” Folge) fehlt im Spektrum immer noch
1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0
0
1
0
1
0
1
Datenfolge
Einsfolget
Nullfolge
Beispiel: USB, FDDI
Vorschrift:Bei „1“ Wechsel
• Analog dazu gibt es den NRZ Space Code (NRZ-S)
M: Mark = 1
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Spektrum NRZ Code
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
Data Rate = R = SMan kann zeigen, dass folgende Bandbreite ausreicht:Bmin = R/2
f/R
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RZ Mark Code (RZ-M)
• 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
1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0
0
1
0
1
0
1
Datenfolge
Einsfolget
Nullfolge
Return to Zero
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BiPhase, Manchester Code
1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0
0
1
0
1
0
1
Datenfolge
Einsfolget
Nullfolge
• 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
Beispiel: Ethernet
S = 2 R Bmin = R
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Spektrum RZ Codes
ist selbst-synchronisierend
R = Data RateS = 2 RBmin = R
f/R
Bsp: Bipolar RZ
Familien: Polar-RZ, Bipolar-RZ, (Manchester)
Takt
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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
20
Clock Recovery
Taktregeneration mit sehr schmalem Bandass zur Jitter Reduktion:
NRZ: Problematisch. Scrambler vorteilhaft gegen lange 0 bzw. 1 Sequenzen RZ: Einfach. Extrahierter Clock durch 2 teilen, auch für Manchester geeignet
• Puls auf jeder Flanke• BP eliminiert Jitter und überbrückt fehlende Flanken
PLL
Taktregeneration mit PLL zur Jitter Reduktion:
Multiplier: EXOR
Short
• Puls aus jeder Flanke• LF eliminiert Jitter und überbrückt fehlende Flanken
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Bipolar: AMI-NRZ Code
1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0
Datenfolge
Einsfolget
Nullfolge
-1
1
-1
1
-1
1
0
0
0
Alternate Mark Inversion Ziel: Gleichspannungsfreiheit
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
Beispiel: Erste Generation PCM Netzwerke
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Multi-Level: Ternäre Codes
Abbildung von n Bit auf m Symbole Ziel: Verminderte Bandbreite
1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0
Datenfolge
Einsfolget
Nullfolge
-
+
-
+
-
+
0
0
0
1
Binär b1 0 0 0 0 1 1 1 1
n = 3 b2 0 0 1 1 0 0 1 1
b3 0 1 0 1 0 1 0 1
Ternär t1 - 0 - - + + 0 +
m = 2 t2 - - 0 + - 0 + +
Vorschrift für3B2T Code
ISDN, DSL Kandidat
S = 2/3 R
3 Bit
2 Symbole
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Multi-Level: Quarternäre Codes
2B1Q: ISDN Basisanschluss Teilnehmer Halbe Schrittgeschwindigkeit, weniger Spektrum, geringere Dämpfung
Abbildung von n Bit auf m Symbole Ziel: Verminderte Bandbreite
Input Output
S = ½ R
Hier beginnt die Familie der PAMPulse AmplitudeModulation
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Spektrum Bipolar / Multilevel Codes
Hilfreiche Codes bei bandbegrenzten Übertragungsleitungen:ISDN, DSL, TF
Data Rate R SBmin < R
f/R
Leitung darf Trafooder kapaz. Kopplung haben
Note:AMI: 0 = no line signal, 1 = alternatingPseudoternary: 1 = no line signal, 0 = alternating
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Spektraler Vergleich Bsp. ISDN
Vergleich 2B1Q für ISDN Basisanschluss Teilnehmer mit anderen Codes144 kBit/s
Manchester
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NRZ-to-NRZI
NRZI-to-NRZ
4B/5B-Encoding
Scrambling
MLT3-Encoding
Treiber
NRZI-to-NRZ
NRZ-to-NRZI
4B/5B-Decoding
Descrambling
MLT3-Decoding
Empfänger
25 MNibbles/s
125 Mb/s
typ. -1V, 0V, 1V
B < 31.25 MHzpseudoternär
Bsp. Fast Ethernet
NRZI: NRZ invert on “1”
4 Bit 5 Bit SymbolNulllänge begrenzt, DC frei
100 Mb/s
3 Level Codierung MLT3 Bandbreite vermindern (see next slide)
Wie man 100 Mbit/s mit 31.25 MHz Bandbreite DC frei übertragen kann
Note: NRZI (USB, Ethernet, FDDI)
100BASE-FX
100BASE-TX
Nibble = 4 Bit
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MLT-3 im Fast Ethernet
MLT-3 durchläuft die Spannungslevel -1, 0, +1Um eine “1” zu übertragen wird die State Machine weiter geschaltetFür eine Null bleibt sie im selben Zustand
Worst case: simulated as an analog signal with period = 4 times the bit duration ( frequency = ¼ bit rate)
Data Rate = R = SB = R/4…R/3
28
Systematik
29
Systematik: Beispiel
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Summary of line coding schemes
R = Datenrate bzw. Bitrate
B = R/2
B = R/2
B = R/2
B = R/2
B = R
B = R/4
B = 3R/4
B = R/3
B = R/8
, RZPolar