Signale, Übertragung und Netzwerktechnik: Grundlagen verständlich erklärt

Eigenschaften periodischer Signale

Signale haben charakteristische Größen:

• Amplitude: der maximale Wert eines Signals, gemessen in Volt.
• Periode: die Zeit, die zwischen zwei Wiederholungen eines Zyklus vergeht.
• Frequenz: die Anzahl der Wiederholungen pro Sekunde, gemessen in Hz. Sie ist der Kehrwert der Periode.
• Phase: die Verschiebung eines Signals gegenüber dem Beginn der Periode.
• Geschwindigkeit: die zurückgelegte Strecke pro Zeiteinheit.
• Wellenlänge: der Raum, den ein Zyklus während der Übertragung einnimmt.

Fourier-Reihen

Jedes periodische Signal lässt sich als unendliche Summe von Sinusfunktionen darstellen.

Störungen und Beeinträchtigungen von Signalen

Rauschen: Ein Signal, das nicht erwünscht ist, überlagert das Original. Das Verhältnis von Signal zu Rauschen (S/N) in dB gibt die Qualität an. Arten:

• Übersprechen (Crosstalk): Kopplung zweier Signale.
• Impulsrauschen: unregelmäßige Impulse hoher Energie und kurzer Dauer, die Hauptquelle digitaler Übertragungsfehler.
• Weißes Rauschen (thermisches Rauschen): unabhängig von der Zeit, begrenzt die Leistung der Kommunikation.

Dämpfung: Verlust der Signalleistung abhängig vom Medium. Die Energie eines Signals nimmt mit der Entfernung ab.

Überlegungen:

1. Das empfangene Signal muss genügend Energie besitzen, damit der Empfänger es erkennen und richtig interpretieren kann.
2. Damit der Empfang fehlerfrei ist, muss das Signal deutlich stärker sein als das Rauschen.
3. Die Dämpfung steigt mit der Frequenz.

Verzerrung durch Laufzeit: Die Ausbreitungsgeschwindigkeit in Übertragungsmedien hängt von der Frequenz ab. Bei begrenzter Bandbreite erreichen die Frequenzkomponenten eines Signals den Empfänger zu unterschiedlichen Zeitpunkten.

Bandbegrenzung: Ein Signal mit begrenzter Bandbreite hat eine begrenzte Anzahl von Harmonischen.

Vermeidung von Verlusten

• Bei analoger Übertragung: Verstärker.
• Bei digitaler Übertragung: Repeater.

Physische Übertragungsmedien

Leitungsgebundene Medien

Twisted Pair: Zwei isolierte, verdrillte Kupferdrähte, die gemeinsam in einem Kabel verlaufen. Die Verdrillung verringert elektromagnetische Störungen (Crosstalk) zwischen benachbarten Paaren. Anwendung in Telefonie und LAN. Analoge Signale benötigen Verstärker (ca. 5 km), digitale Repeater (ca. 3 km). Kategorien: 3, 4, 5, 6, 7; Varianten UTP, STP, FTP, SSTP. Vorteile: günstig, leicht zu handhaben, niedrige Geschwindigkeit, kurze Distanzen.

Koaxialkabel: anfällig für Störungen und Übersprechen, bietet aber verbesserte elektrische Eigenschaften. Verwendung zum Verbinden von zwei oder mehr Stationen über eine gemeinsame Leitung. Anwendungen: Fernsprechnetze über lange Strecken, TV-Verteilung, LAN. Signale: Basisband (digital) und Breitband (analog, FDM).

Glasfaser: Flexible Medien, die Lichtenergie leiten. Zylindrische Form mit drei konzentrischen Schichten: Kern, Mantel und Schutzhülle, aus Glas oder Kunststoff. Vorteile: große Bandbreite (Geschwindigkeiten bis 2 Gbps), geringe Größe und Gewicht, geringe Dämpfung über große Abstände, weniger Verstärker nötig, elektromagnetische Isolation, unempfindlich gegen Störungen, hohe Privatsphäre. Anwendung: Langstrecken-, Metropolitan- und ländliche Netze, LANs. Lichtquellen: LEDs und Laserdioden (ILD). Multiplexing über Wellenlänge (WDM); DWDM ist die Weiterentwicklung.

Drahtlose Medien

Mikrowelle: benötigt Antennen, Frequenzen zwischen 2 und 40 GHz. Einsatz für Fernsprechdienste über lange Strecken (weniger Repeater nötig) und in Gebäudeverbindungen. Satellitenkommunikation und Fernsehverteilung über kurze Distanzen. Eigenschaften: gerichtete Wellen, Sender und Empfänger müssen ausgerichtet sein; Hindernisse zwischen Sender und Empfänger sind nicht erlaubt; Parabolantennen werden verwendet.

Radiowellen: 30 MHz bis 1 GHz, Reichweite begrenzt, geeignet für die gleichzeitige Verbreitung an mehrere Ziele. Eigenschaften: multidirektionale Wellen, ideal für Verbreitung (keine Parabolantennen nötig). Verwendung: UKW-Radio, TV UHF und VHF.

Infrarot: keine Genehmigung erforderlich. Kommunikation über Sender und Empfänger, die kohärentes, moduliertes Infrarotlicht verwenden. Eigenschaften: Nicht durch Hindernisse übertragbar; Sender und Empfänger müssen ausgerichtet sein und dürfen sich nicht kreuzen. Einsatz: Infrarot-Netzwerke (in Räumen ohne Wände), Fernbedienungen für Elektronikgeräte.

Übertragung von Daten

Es werden Daten zwischen Sender und Empfänger übertragen. Der Sender muss mit dem Empfänger synchronisiert sein. Wichtig ist die Unterscheidung zwischen dem Beginn der Information und dem Synchronismus.

Synchronisationsebenen: Zwei Uhren laufen zeitlich auseinander; nach mehreren Proben können Fehler entstehen. Zwei Lösungen:

Asynchrone Übertragung

Daten werden ununterbrochen in kurzen Blöcken gesendet. Jedes Zeichen besteht aus 5 bis 8 Bits. Der Empfänger muss sich bei jedem Zeichen neu synchronisieren. Ein Startbit (1 Bit) kennzeichnet den Beginn, danach folgen die Datenbits, ein Paritätsbit und das Stoppbit. Der Takt wird nur innerhalb des Zeichens benötigt. Um den Beginn und das Ende eines Blocks zu erkennen, gibt es spezielle Zeichen. Synchronisation auf Zeichenebene und Bitebene ist nötig.

Synchrone Übertragung

Ein Block von Bits wird als kontinuierliche Kette ohne Start- oder Stoppzeichen übertragen. Sender und Empfänger müssen über ein Taktsignal verfügen, das getrennt oder im Datenstrom übertragen wird. Wiedersynchronisation erfolgt über Übergänge (Empfänger erkennt Wechsel von 1 auf 0). Probleme entstehen bei langen Folgen von 1ern und 0ern. Lösung: Bitmischung (Scrambling), z. B. B8ZS oder HDB3. Leitungscodes sorgen für Selbstsynchronisation, sodass der Takt des Empfängers aus dem Signal gewonnen werden kann.

Codierung

Bei der Übertragung digitaler Daten werden Polarität, Spektrum und Synchronisation berücksichtigt. Das Spektrum des Signals bestimmt die benötigte Bandbreite. Die Codierung sollte Fehler erkennen und Störungen widerstehen können.

• NRZ (Non Return to Zero): 0 = hoher Pegel, 1 = niedriger Pegel.
• NRZI: Wechsel am Beginn des Intervalls bei 0 oder kein Wechsel bei 1.
• Bipolar AMI: 0 = kein Signal, 1 = positiver oder negativer Pegel, abwechselnd.
• Pseudoternär: 0 = positiver oder negativer Pegel, abwechselnd; 1 = kein Signal.
• Manchester: 0 = absteigender Übergang in der Intervallmitte; 1 = aufsteigender Übergang in der Intervallmitte.
• Differentielle Manchester: 0 = Übergang am Intervallbeginn; 1 = kein Übergang am Intervallbeginn.

Modulation

Analoge Modulation verbindet ein modulierendes Signal mit einem Trägersignal, um ein moduliertes Signal zu erzeugen. Digitale Modulation erfolgt über Umtastung:

• Amplitudenumtastung (ASK): Die beiden binären Zustände werden durch zwei Amplituden dargestellt. Einsatz in Glasfaser. Anfällig für Übertragungsfehler.
• Frequenzumtastung (FSK): Die Werte werden durch zwei Frequenzen dargestellt. Einsatz bei Funk und Koaxialkabel.
• Phasenumtastung (PSK, DPSK): Die Werte werden durch Phasenwechsel dargestellt.

Typen: direkte Modulation: ein Element des Signals stellt ein Bit dar. Mehrstufige Modulation: ein Element stellt mehr als ein Bit dar, z. B. QPSK mit Phasenverschiebungen von 90°, QAM als Kombination aus Amplitude und Phase. Die Modulationsgeschwindigkeit wird in Baud angegeben (Signalwechsel pro Sekunde).

Digital-Analog- und Analog-Digital-Umwandlung

Ein Codec wandelt analoge Daten in digitale um und zurück. Abtasttheorem: Wenn ein Signal s(t) in regelmäßigen Intervallen mit einer Frequenz abgetastet wird, die mehr als doppelt so hoch ist wie die höchste Frequenz des Signals, enthalten die Proben alle Informationen des ursprünglichen Signals.

Schritte: 1. Das Signal s(t) wird durch einen Tiefpassfilter begrenzt. 2. Das Signal wird mit einer Frequenz von 2B abgetastet, wobei B die Bandbreite ist. 3. Die Proben werden als Impulse dargestellt, deren Amplitude proportional zum Original ist (PAM, Pulsamplitudenmodulation). 4. Die PAM-Werte werden quantisiert und in PCM (Pulscodemodulation) codiert.

Analoge Übertragung digitaler Daten

Digitale Daten können über analoge Medien übertragen werden. Verfahren: Amplitudenmodulation (AM), Frequenzmodulation (FM) und Phasenmodulation (PM), bei denen sich die Amplitude, Frequenz bzw. Phase proportional zum modulierenden Signal ändert.

Telekommunikationsnetze

1) Basis-Telefonnetz (RTB)

Ursprünglich für Sprache, heute auch für Daten, mit niedriger Geschwindigkeit, hohem Fehleraufkommen und hierarchischer Struktur. Beispiel: AT&T.

Teilnehmeranschlussleitung: Verbindung zwischen Teilnehmer und Netz über verdrillte Kupferkabel, analog oder digital, mit lokalen Vermittlungsstellen. Die Teilnehmer sind mit Vermittlungsstellen verbunden. Heute überwiegend digital. Es werden Koaxial-, Mikrowellen-, Glasfaser- und Satellitenkabel verwendet, wobei viele Gespräche gebündelt werden (Multiplex).

Vermittlungsanlagen: Leitungsvermittlung. Dafür wird ein dedizierter Kanal zwischen zwei Stationen während der gesamten Verbindung aufgebaut. Drei Phasen: Aufbau der Verbindung, Datenübertragung, Abbau der Verbindung.

2) Entwicklung des RTB

Der aktuelle Trend ist die Digitalisierung. Die digitale Signalisierung ist effizienter als die analoge. Repeater verstärken das Signal und senden es neu, wodurch Rauschen entfernt wird. Multiplexer führen die Umwandlung von Analog zu Digital durch.

Multiplexverfahren:

1. Zeitmultiplex (TDM): Synchrones TDM weist jedem Eingang einen festen Zeitschlitz zu. Die Summe der Eingangsgeschwindigkeiten ist gleich oder kleiner der Ausgangsgeschwindigkeit. Verwendung bei verzögerungsempfindlichen Anwendungen wie Sprache und Video. Statistisches TDM weist Zeitschlitze dynamisch zu, wenn Daten anliegen; zusätzliche Informationen zur Identifikation sind nötig. Die Eingangsgeschwindigkeit kann größer sein als die Ausgangsgeschwindigkeit. Verwendung bei Daten, z. B. Kabelmodem.
2. Frequenzmultiplex (FDM): Sinnvoll, wenn die verfügbare Bandbreite des Mediums größer ist als die Bandbreite der übertragenen Signale. Jedes Signal moduliert einen eigenen Träger mit unterschiedlicher Frequenz, sodass mehrere Signale gleichzeitig übertragen werden können. Jeder Kanal benötigt eine Bandbreite, die als Kanal bezeichnet wird.

Plesiochrone digitale Hierarchie (PDH): Das Multiplexen auf höhere Ebenen führte zu Problemen, da Betreiber unterschiedliche Systeme verwendeten. Die Lösung war die Standardisierung, die den Zusammenschluss der Betreiber ermöglicht.

3) Netzzugang (DTE, DCE): Das DTE (Datenendeinrichtung, Endgerät) ist über das DCE (Datenübertragungseinrichtung) mit dem Netz verbunden. Das DCE ist für die Übertragung und den Empfang der Bits über das Medium verantwortlich. Der Zugang zum Netz erfordert eine spezifische Einrichtung (DCE). Die Schnittstelle zwischen DTE und DCE wird von der Norm definiert.

Schnittstellen

• Mechanisch: Metallische Kontakte, Steckverbinder mit 25 Pins, nach ISO 2110 festgelegt. Das Kabel verbindet DTE und DCE.
• Elektrisch: Signalisierung zwischen DTE und DCE. Digitale Signale werden als binäre Kontrollsignale ausgetauscht. Spannung und Pegel werden festgelegt; DTE und DCE verwenden die gleichen Spannungspegel und Signalelemente.
• Funktional: Definiert die Funktion der Leitungen, z. B. Datenübertragung, Steuerung und Takt.
• Verfahren: Beschreibt die Abfolge der Ereignisse zur Übertragung von Daten und die Kontrolle der Verbindung zwischen DTE und DCE.

Zugang zum Netz über Gerätetypen

Der Zugang zum Netz erfolgt über PSTN (Modem, xDSL, ISDN, vollständig digitales RDSI) oder neue Infrastrukturen (HFC, PLC, Satellit, WiMAX).

• Modems: notwendig für die Übertragung über das analoge RTB. Digitale Daten werden über Modulation in analoge Signale umgewandelt. Geschwindigkeit: 33,6 bis 56 kbit/s, Kompression über Hardware.
• ISDN: digitales Netz mit integrierter Vermittlung, das bestehende Leitungen des RTB nutzt. Es gibt zwei Kanaltypen: D-Kanal (16 kbps) für die Signalisierung zur Steuerung der Verbindungen und B-Kanäle (je 64 kbps) für digitale Nutzdaten, Sprache oder Mischungen. Problem: Die Kapazität ist unzureichend; Lösung: ATM (Breitband-ISDN). Ziele: Normung, Transparenz, Trennung von Funktionen, vermietete und geschaltete Dienste.
• xDSL: nutzt das Kupferpaar des Teilnehmers mit hoher Bandbreite und beseitigt die Schleifen der Vermittlung. Die gebräuchlichste Form ist ADSL: Verwendung des Telefonpaars, Download bis 6 Mbps und Upload bis 640 kbit/s. Probleme: Die Geschwindigkeit hängt von der Entfernung ab; gute Leitungsqualität ist nötig.
• HFC (Hybrid Fiber-Coax): Zugang über das Fernseh-Kabelnetz, das Glasfaser und Koaxialkabel kombiniert. Bis 30 Mbps geteilt beim Download und 2,5 Mbps geteilt beim Upload.
• PLC (Powerline Communication): Zugang über das Stromnetz. Nutzt Leitungen für Energie, Frequenzen werden für Datenübertragung genutzt. Befindet sich in der Testphase.
• Satelliten- und Kabelzugang: interessant in Gebieten ohne Kabelanschluss. Benötigt spezifische Empfänger (Parabolantenne) und Sender. Bietet viele Dienste (Internet, TV usw.), hat große Latenzzeiten und geteilte Geschwindigkeiten von bis zu 155 Mbps im Downlink und 2 Mbit/s im Uplink pro Träger.
• WiMAX: Standard für drahtlosen Zugang. Die Verbindung zur »letzten Meile« basiert auf einem Funknetz mit Sendestationen (Zentren) und Clients (mit Empfangsantennen).