Grundlagen der Datenkommunikation und Netzwerkprotokolle

1. DTE und DCE: Definition und Beispiele

• DTE: Data Terminal Equipment
  Es erfüllt die Funktionen der Datenquelle oder des Datensammlers und der Kommunikationssteuerung. Dazu gehören Terminals und Computer.
• DCE: Data Circuit-terminating Equipment
  Es entspricht der Einheit, die das digitale Signal an die Merkmale des Datenübertragungsmodells anpasst. Beispiele: Router, Modem.

2. Parallele und Serielle Übertragung: Vor- und Nachteile

Parallele Übertragung

Der Vorteil der parallelen Übertragung ist die Geschwindigkeit. Unter sonst gleichen Bedingungen kann die Übertragung die Datenrate um den Faktor n erhöhen. Es gibt jedoch einen erheblichen Nachteil: die Kosten. Die parallele Übertragung erfordert n Kommunikationswege (Leitungen) zur Übertragung des Datenstroms. Die Verwendung der parallelen Übertragung ist in der Regel auf kurze Entfernungen begrenzt.

Serielle Übertragung

Der Vorteil der seriellen Übertragung gegenüber der parallelen Übertragung ist, dass durch die Nutzung eines einzigen Kommunikationskanals die Kosten im Vergleich zur parallelen Übertragung um den Faktor n reduziert werden. Da Kommunikationsgeräte oft parallel arbeiten, ist es notwendig, Konverter an der Schnittstelle zwischen Sender und Leitung (Parallel-Seriell) und zwischen Leitung und Empfänger (Seriell-Parallel) zu verwenden.

3. Was bedeutet ASCII?

ASCII: American Standard Code for Information Interchange. Dies ist ein 7-Bit-Code, der aus 128 alphanumerischen Zeichen besteht. Im ASCII-Code wird das Bit mit dem geringsten Gewicht (LSB) als b0 bezeichnet und das mit dem höchsten Gewicht als b6. Bit b0 wird als erstes in der seriellen Übertragung übertragen.

Generell wird dieser Code auf 8 Bit erweitert, indem ein zusätzliches Bit b7 zur Paritätsfehlererkennung hinzugefügt wird. Dies ist der Code, der bei der Datenübertragung verwendet wird.

4. Wie wird der ASCII-Code unterteilt?

Die Unterteilung erfolgt in Vierergruppen (Nibbles).

Beispiel: 16_hex = 0001 0110_bin = 22_dec

6. Was ist Quellcode?

Es ist eine Reihe von Textzeilen, die Anweisungen für Computerprogramme enthalten.

7. Wofür wird Quellcode verwendet?

Diese Anweisungen müssen Computer befolgen, um ein Programm auszuführen.

8. Kommunikationsarten: Simplex, Halbduplex, Vollduplex

Simplex

In diesem Fall sind Sender und Empfänger klar definiert, und die Kommunikation ist einseitig. Diese Art der Kommunikation wird typischerweise in Broadcast-Netzwerken verwendet, wo die Empfänger keine Daten an den Sender zurücksenden müssen.

Halbduplex

In diesem Fall können beide Enden des Kommunikationssystems als Sender und Empfänger agieren, und Daten bewegen sich in beide Richtungen, jedoch nicht gleichzeitig. Diese Art der Kommunikation wird häufig bei der Interaktion zwischen Terminals und einem zentralen Rechner verwendet.

Vollduplex

Das System ist vergleichbar mit Halbduplex, aber die Daten bewegen sich gleichzeitig in beide Richtungen. Dies erfordert entweder, dass beide Sender unterschiedliche Sendefrequenzen nutzen, oder zwei getrennte Kommunikationswege, während Halbduplex-Kommunikation in der Regel nur einen erfordert.

9. Synchron vs. Asynchron: Übertragungsarten im Vergleich

Asynchrone Übertragung

Auch bekannt als Start/Stopp-Übertragung. Sie erfordert ein Signal, das den Beginn eines Zeichens identifiziert und als Startbit dient. Sie erfordert auch ein weiteres Signal, das als Stoppbit das Ende des Zeichens oder Blocks anzeigt.

Synchrone Übertragung

Bei dieser Art der Übertragung ist es für Sender und Empfänger notwendig, den gleichen Takt zu verwenden. Die Übertragung erfolgt in Blöcken, wobei zwei Gruppen von Bits, sogenannte Trennzeichen, den Start und das Ende jedes Blocks markieren.

10. Zusätzliche Daten bei asynchroner Übertragung

Ein Startbit und ein Stoppbit.

11. Punkt-zu-Punkt- und Mehrpunkt-Übertragung: Beispiele

Punkt-zu-Punkt

Ein Computer, der direkt mit einem Drucker verbunden ist.

Mehrpunkt-Übertragung

Ein lokales Netzwerk (LAN), in dem mehrere Computer über einen Router verbunden sind.

12. Was ist Modulation?

Es ist der Prozess, Informationen von einem Signal, typischerweise niedriger Frequenz, auf ein hochfrequentes Signal zu übertragen. Dabei dient das hochfrequente Signal als Träger, dessen Parameter (z.B. Amplitude, Frequenz oder Phase) proportional zur Amplitude des niederfrequenten Informationssignals (Modulator) verändert werden.

13. Trägersignal und Modulatorsignal: Definitionen

• Trägersignal: Ein Hochfrequenzsignal, das das modulierte Signal trägt.
• Modulatorsignal: Ein Niederfrequenzsignal, das die Informationen oder Daten enthält.

14. FSK-Modulation (Frequency Shift Keying)

FSK (Frequency Shift Keying) ist eine Frequenzmodulation, die angewendet wird, wenn das modulierende Signal (Daten) digital ist. Die beiden binären Werte werden durch zwei verschiedene Frequenzen (F₁ und F₂) dargestellt, die nahe der Trägerfrequenz f_S liegen.

15. Vorteile von AM- und FM-Modulation

AM-Modulation

Bei AM-Modulation führt ein schwächerer Signalempfang nicht zu übermäßigem Rauschen, weshalb sie in einigen Fällen im Mobilfunk, wie z.B. in der Luft-Boden-Kommunikation oder zwischen Pilot und Tower, eingesetzt wird.

FM-Modulation

FM-Modulation bietet eine höhere Bild- und Audioqualität. Sie wird von vielen Fernseh- und Radiosendern sowie in der Boden-Boden-Kommunikation verwendet.

16. Was ist das HART-Protokoll?

Es ermöglicht eine gleichzeitige bidirektionale digitale Kommunikation mit intelligenten Instrumenten, ohne das analoge 4-20 mA Signal zu stören.

17. Vorteile des HART-Protokolls gegenüber 4-20 mA

Das digitale Signal nutzt zwei einzelne Frequenzen von 1200 Hz und 2200 Hz, die den binären Werten 1 und 0 entsprechen. Diese überlagern sich als Sinuswelle auf dem analogen 4-20 mA Stromschleifensignal. Da das Sinussignal einen Nulldurchgang hat, beeinflusst es den analogen Signalanteil nicht.

18. Pulsweitenmodulation (PWM): Diagramm (Konzept)

(Hinweis: Ein Diagramm kann hier nicht dargestellt werden, aber die Funktionsweise wird im nächsten Abschnitt erläutert.)

19. Was ist Pulsweitenmodulation (PWM)?

Pulsweitenmodulation (PWM) ist eine Technik, die die Einschaltdauer eines periodischen Signals (z.B. Sinus- oder Rechteckwelle) variiert, um Informationen über einen Kommunikationskanal zu übertragen oder die an eine Last gelieferte Energiemenge zu steuern.

Die Einschaltdauer eines periodischen Signals ist das Verhältnis der positiven Impulsbreite zur Periodendauer. Mathematisch ausgedrückt:

• D ist die Einschaltdauer
• τ ist der Zeitraum, in dem die Funktion positiv ist (Impulsbreite)
• T ist die Periode der Funktion

Der typische Aufbau einer PWM-Schaltung erfolgt durch einen Komparator mit zwei Eingängen und einem Ausgang. Einer der Eingänge ist mit einem Dreieckwellen-Oszillator verbunden, während der andere das modulierende Signal empfängt. Am Ausgang entspricht die Frequenz in der Regel der des Dreiecksignals, und der Tastgrad (Duty Cycle) variiert in Bezug auf das Trägersignal.

Der größte Nachteil von PWM-Schaltungen ist die Möglichkeit von hochfrequenten Störungen (EMI/RFI). Diese können durch die Platzierung des Controllers nahe der Last und durch Filterung der Stromversorgung minimiert werden.

20. Wozu dienen Leitungscodes (Line Codes)?

Leitungscodes entstanden aus der Notwendigkeit, digitale Signale über verschiedene Übertragungswege zu übermitteln. Ein digitales Signal ist eine Folge von diskreten und diskontinuierlichen Spannungsimpulsen, wobei jeder Impuls ein Datenelement darstellt. Binäre Daten werden übertragen, indem jedes Datenbit in ein einzelnes Signalelement kodiert wird.

21. Manchester- und NRZ-Kodierung: Erläuterung

Manchester-Kodierung

Eine Methode zur Kodierung binärer Signale, bei der in jeder Bitzeit ein Übergang zwischen zwei Pegeln stattfindet. Es ist eine selbstsynchronisierende Kodierung, da jedes Bit das Taktsignal enthält, was eine präzise Synchronisation des Datenflusses ermöglicht.

NRZ-Kodierung

Sie wird so genannt, weil die Spannung zwischen aufeinanderfolgenden Bits des Wertes 1 nicht auf Null zurückkehrt. Durch die Zuordnung einer Spannung zu jedem Symbol wird die Aufgabe der Nachrichtenverschlüsselung vereinfacht.

22. Unterschiede zwischen RS232 und RS422

RS232

• Logik High: -3V bis -15V
• Logik Low: +3V bis +15V
• Maximale Kabellänge: 15 Meter
• Höchstgeschwindigkeit: 9600 bps

RS422

• Logik 0: +1.5V bis +5V
• Logik 1: -1.5V bis -5V
• Maximale Kabellänge: 1200 Meter
• Höchstgeschwindigkeit: 10 Mbps

23. RS232, RS422, RS485: Merkmale im Überblick

RS232

• Höchstgeschwindigkeit: 9600 bps
• Impedanz: 7 kOhm
• Spannung (Logik High): -3V bis -15V; (Logik Low): +3V bis +15V
• Maximale Entfernung: 15 Meter

RS422

• Höchstgeschwindigkeit: 10 Mbps
• Impedanz: 4 kOhm
• Spannung (Logik 0): +1.5V bis +5V; (Logik 1): -1.5V bis -5V
• Maximale Entfernung: 1200 Meter

RS485

• Höchstgeschwindigkeit: 10 Mbps
• Impedanz: 12 kOhm
• Spannungsbereich: -7V bis +12V (differenziell)
• Maximale Entfernung: 1200 Meter

24. Was bedeutet 'symmetrisch' (Balanced)?

Symmetrische Übertragung (wie bei RS422 und RS485) verwendet zwei Leitungen pro Signal. Das Signal wird als Spannungsdifferenz zwischen diesen beiden Leitungen übertragen. Eine positive Differenz kann eine logische '1' darstellen, eine negative Differenz eine logische '0'.

25. RS232: Charakteristische Geschwindigkeit

Die charakteristische Höchstgeschwindigkeit für RS232 beträgt 9600 bps.