Datenübertragung und Modem-Technologien: Ein umfassender Leitfaden

Grundlagen der Datenübertragung

Daten müssen in einem speziellen Code für die Übertragung über das gewählte Medium umgesetzt werden, um eine optimale Übertragung zu gewährleisten. Es muss ein Weg gefunden werden, um die Daten so zu verschlüsseln, dass die enthaltenen Informationen nicht von Unbefugten interpretiert werden können.

Daten sind eine Abfolge von Zeichen und Symbolen, während Informationen aussagekräftige Daten für Sender und Empfänger darstellen.

Analoge und Digitale Signale

Ein Computer ist ein System, das mit digitalen Signalen arbeitet, während über eine Standard-Telefonleitung nur analoge Signale gesendet werden können. Ein analoges Signal hat mehrere Werte, ist stetig und weist keine plötzlichen Sprünge auf. Ein digitales Signal hingegen hat spezifische Werte und keine Zwischenwerte.

Modem: Brücke zwischen Analog und Digital

Ein Modem (Modulator-Demodulator) ist eine Brücke zwischen der analogen und digitalen Welt. Es ist ein Gerät, das digitale Signale von einem Endgerät in analoge Signale umwandelt, die über das Telefonnetz übertragen werden können.

• Der Modulator wandelt digitale Signale vom Computer in analoge Signale um, die vom Telefonnetz erkannt und gesendet werden können.
• Der Demodulator wandelt analoge Signale aus dem Telefonnetz zurück in digitale Signale für den Computer.

Geschwindigkeit und Modulation

Die maximale Anzahl von Zustandsänderungen pro Sekunde auf einer Übertragungsleitung wird als Baudrate gemessen. Jede Signaländerung kann ein oder mehrere Bits repräsentieren, abhängig von der verwendeten Modulationsart. Diese Modulationen können Amplituden-, Frequenz- oder Phasenmodulation sein.

Betriebsarten der Datenübertragung

Off-Line-Systeme

Ein Off-Line-System bezeichnet die Datenübertragung, die keine sofortige Antwort oder Bestätigung erfordert.

On-Line-Systeme

Bei einem On-Line-System sind Geräte direkt an den Computer angeschlossen, und die Daten fließen direkt zwischen dem Endgerät und dem Computer. Dies kann in Echtzeit erfolgen oder nicht.

Kommunikationsmodi

Simplex-Modus

Der Simplex-Modus erlaubt die Datenübertragung nur in eine Richtung.

Half-Duplex-Modus

Im Half-Duplex-Modus erfolgt die Datenübertragung in die eine oder andere Richtung, aber nicht gleichzeitig in beide Richtungen.

Duplex-Modus

Der Duplex-Modus nutzt zwei getrennte Kommunikationswege für eine gleichzeitige bidirektionale Kommunikation. Diese Technik wird in 2-Draht-Modems und modernsten Telefonanlagen verwendet.

Sender und Empfänger

Der Sender/Empfänger ist das Element, das für das Senden und Empfangen von Informationen verantwortlich ist und diese korrekt verarbeitet. Diese Informationen müssen an das Medium angepasst werden, über das analoge Daten gesendet werden.

Übertragungsmedien und Interferenzen

Analoge Übertragung über Telefonleitungen

Da Telefonleitungen oft lange Kupferkabel sind, müssen wir ein analoges Signal zur Informationsübertragung nutzen. Dieses Signal wird als Träger bezeichnet.

Digitale Datenübertragung und Synchronisation

Für die Übertragung digitaler Daten müssen sowohl der Sender als auch der Empfänger synchronisiert sein, um zu wissen, wann ein Datenpaket beginnt und endet.

Asynchrone Kommunikation

Bei der asynchronen Kommunikation werden Daten zeichenweise übertragen, mit Pausen zwischen den Zeichen, die durch ein Startbit eingeleitet werden.

Synchrone Kommunikation

Bei der synchronen Kommunikation werden Daten in Blöcken als gepackte Bit-Strings gesendet und durch ein Taktsignal synchronisiert.

Isochrone Kommunikation

Die isochrone Kommunikation ist eine Mischung aus den vorherigen Modi. Zeichen sind mit einem Start- und Stoppbit strukturiert, und das Zeitintervall wird kontrolliert.

Modem-Parameter und Medien

Die drei Parameter, die einen Modentyp bestimmen, sind: die Art der Übertragungsleitung, die Übertragungsbandbreite und die Modulation.

Übertragungsmedien:

• Kupferkabel
• Funk
• Glasfaser

Kupferkabel

Die Geschwindigkeit über Kupferkabel wird meist durch das Modem bestimmt.

Funkverbindungen

Funkverbindungen werden in Zukunft eine größere Rolle spielen.

Glasfaser

Glasfaser wird derzeit hauptsächlich für lokale Verbindungen in Städten eingesetzt. Sie bietet mehrere Vorteile gegenüber Kupferkabeln:

• Optische Signale haben weniger Dämpfung und sind immun gegen Interferenzen.
• Die Kabel sind weniger schwerfällig, flexibler und handlicher.
• Sie korrodieren nicht.
• Sie übertragen digitale Signale, was hohe Geschwindigkeiten ermöglicht.

Interferenzen

Wenn ein Signal gesendet wird, erfährt es auf seinem Weg Verzerrungen durch die Umgebung und andere Signale, die sich mit dem gewünschten Signal vermischen. Es ist wünschenswert, dass diese Störungen auf dem Übertragungsweg minimal oder vernachlässigbar sind.

Modem-Funktionsweise und Aufbau

Ablauf der Modem-Kommunikation

Das sendende Modem sendet ein Signal an das Modem, das den Anruf empfängt. Das empfangende Modem signalisiert dem Sender, dass es bereit ist, sich zu verbinden. Sie tauschen Informationen über ihre Fähigkeiten aus und einigen sich auf gemeinsame Parameter. Danach beginnt die Datenübertragung, gefolgt von einem abschließenden Datenaustausch und dem Ende der Kommunikation.

Modem-Komponenten

Chip- und Mikrocontroller-System

Chip- und Mikrocontroller-Systeme erfüllen die Kernfunktionen des Modems.

Leitungsschnittstelle

Die Leitungsschnittstelle ist zuständig für den Schutz des Systems und die Impedanzanpassung.

Schnittstelle für die Verbindung

Die Schnittstelle für die Verbindung erfüllt die Definitionen der physikalischen und elektrischen Schaltungen zwischen Terminal und Modem.

Stromversorgung und Anschluss

Die Stromversorgung und der Anschluss für mobile Geräte (z.B. über RJ-11-Stecker) dienen der Verbindung mit dem Telefonnetz.

Bedienfeld und Anzeige

Das Bedienfeld und die Anzeige ermöglichen die Steuerung und Überwachung des Modems.

Modulationsarten im Detail

Amplitudenumtastung (ASK)

Die Amplitudenumtastung (ASK) ordnet jedem Wert des modulierenden Signals eine bestimmte Amplitude des Trägers zu, während Frequenz und Phase konstant bleiben.

Frequenzumtastung (FSK)

Die Frequenzumtastung (FSK) ordnet jedem Wert des modulierenden Signals eine bestimmte Trägerfrequenz zu, während Amplitude und Phase konstant bleiben.

Phasenumtastung (PSK)

Die Phasenumtastung (PSK) ordnet jedem Wert des modulierenden Signals einen anderen Phasenwinkel zu, während Amplitude und Frequenz konstant bleiben. Basierend auf der PSK-Modulation sind weitere Subsysteme entstanden:

Fortgeschrittene PSK-Varianten

Differential Phase Shift Keying (DPSK)

Bei Differential Phase Shift Keying (DPSK) wird jeder Zustand durch eine Phasenänderung verschlüsselt, die in der Signalleitung auftritt, wenn das nächste Bit geändert wird. Die Phasenänderung hängt vom vorherigen Zustand des Signals ab.

Quadratur-Phasenumtastung (QPSK)

Die Quadratur-Phasenumtastung (QPSK) teilt die Daten in Zweiergruppen (Dibits) auf, wobei jedes Dibit als eine Änderung der Trägerphase im Verhältnis zur Phase des vorherigen Symbols kodiert wird.

Mehrstufige Phasenverschiebung (M-PSK)

Bei der mehrstufigen Phasenverschiebung (M-PSK) werden Daten in Gruppen von drei (Tribits) oder mehr Bits aufgeteilt, wobei jede Gruppe als eine Änderung der Trägerphase im Verhältnis zur Phase des vorherigen Symbols kodiert wird.

Quadratur-Amplituden-Modulation (QAM)

Die Quadratur-Amplituden-Modulation (QAM) ist eine Kombination aus Phasen- und Amplitudenmodulation (z.B. DPSK und ASK), die die Effizienz von Übertragungssystemen verbessert.

Interleaved Coded Modulation (ICM)

Bei der Interleaved Coded Modulation (ICM) enthält jedes übertragene Symbol Informationen über sich selbst sowie über frühere und nachfolgende Symbole. Dies ermöglicht eine Selbstkorrektur von Fehlern, sodass das System Rauschen und daraus resultierende Fehler korrigieren kann.