Analoge und digitale Signale

Analoge Signale

• Sie sind wellenförmig.

• Ihr Spannung-Zeit-Diagramm ändert sich fortlaufend

• Sie kommen normalerweise in der Natur vor

• Sie werden seit über 100 Jahren in in der Telekommunikation eingesetzt

Digitales Signal

• Ihr Spannung-Zeit-Diagramm ist unstetig bzw. sprunghaft

• Sie kommen vorwiegend in der Technik und kaum in der Natur vor

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Die Frequenz

• Lat. frequentia „Häufigkeit“

• Synonym in der Technik für die Häufigkeit bei regelmäßig ablaufenden Prozessen, wie Schwingungen, Blutkreislauf, CPU-Takte,....

• Anzahl der in der Sekunde auftretenden Vorkommnisse

• Die Einheit der Frequenz ist Hertz (Hz)

Die Bandbreite

Analoge Kommunikationssysteme, wie Radio, Telefon, Funk:

• Abstand zwischen der Minimal- und der Maximalfrequenz

• Frequenzbereich, in dem elektrische Signale mit ausreichender Qualität übertragen werden können

• Die Dämpfung der Signale darf nicht mehr als 30% des Ausgangswerts betragen

• Je höher die Bandbreite, desto mehr Informationen können theoretisch pro Zeiteinheit übertragen werden

• Die Einheit der (analogen) Bandbreite ist Hertz (Hz)

Die Bandbreite

Digitale Datenübertragung

• Synonym für die Datenübertragungsrate

• Die Einheit der (digitalen) Bandbreite ist bit/s

• Zwischen analoger und digitaler Bandbreite besteht ein enger Zusammenhang: Die Datenübertragungsrate ist proportional zur analogen Bandbreite

• Es können mehrer binäre Signale pro Hz Bandbreite übertragen werden (codierte Übertragung)

Messungen am Netzwerk unter verschiedenen Frequenzen

Frequenz 1

Frequenz 2

Frequenz 3

Messungen am Netzwerk - Fourierzerlegung/Synthese

Messungen am Netzwerk - Fourierzerlegung/Synthese

Messungen am Netzwerk - heute

• Der Dirac-Impuls enthält alle Frequenzen

• Messung mit einem Impuls möglich

Störsignale oder Rauschen

• Unerwünschter Nebeneffekt bei der Übertragung von Impulsen

• Signal-Rausch-Verhältnis (Signal-to- Noise-Ratio, SNR) muss so hoch wie möglich sein

• Zu starkes Rauschen kann eine Information verfälschen

Störsignale: Thermisches Rauschen

• Thermisches Rauschen

• Durch Elektronenbewegung erzeugt

• Nicht vermeidbar

• Gegenüber dem Signalpegel sehr gering

Störsignale: Das 230-V-Wechselspannungsnetz

• Wechselstromrauschen

• Verursacht durch 230V-Leitungen

• Zu lange 230V-Leitungen werden zu Antennen für Rauschen - Unterverteilungen setzen

• Schwerwiegendes Problem im Netzwerk

• Idealerweise sollte Signalbezugserde und Schutzerde getrennt sein

• Realität: Gehäuse des Computers ist mit dem Schutzleiter verbunden und wird auch

als Signalmasse verwendet

Störsignale: Gegenmaßnahmen

• EMI (Electromagnetic Interference) elektromagnetische Störsignale

• Störungen durch Leuchtstofflampen, Elektromotoren und Funksignale

• RFI (Radio Frequency Interference) Funkfrequenzstörungen

• LAN-Frequenzen liegen von 1 .. 100 MHz - UKW-Funksignale, Fernsehsignale, drahtlose Systeme auch

• Gegenmaßnahmen:

• Elektromotoren,.. sinnvoll platzieren

• Länge der Stromleitungen reduzieren

• Höherer Querschnitt der Stromleitungen

• Schirmung der Datenleitungen

• Verdrillte Datenleitungen

Störsignale: Dispersion, Jitter und Latenz

• Drei Probleme, die bei der Signalübertragung auftreten können

• Drei Probleme, die mit der Synchronisation bei der Datenübertragung zu tun haben

Störsignale: Dispersion, Jitter und Latenz

Dispersion (Delay Distortion):

• Liegt vor, wenn ein Signal zeitlich auseinandergezogen wird.

• Wird durch verwendeten Mediantyp verursacht

• Bei Kupfer: hochwertige Leitungsmaterialien verwenden, Leitungslängen einhalten, auf korrekten Wellenwiderstand achten.

• Bei LWL: Einsatz der richtigen Wellenlänge des Laserlichts.

• Bei WLAN: Einhaltung der Übertragungsfrequenzen

• Kann zur Verfälschung nachfolgender Bits führen.

Störsignale: Dispersion, Jitter und Latenz

Jitter:

• Liegt vor, wenn ein Bit einmal etwas früher, manchmal etwas später beim Empfänger ankommt

• Dieses Synchronisationsproblem kann durch Hardware (Leitungsmedien, Terminierung, Reflektionen,...) Software oder durch das Übertragungs- protokoll entstehen.

Störsignale: Dispersion, Jitter und Latenz

Latenz (Verzögerung):

• Einsteins Relativitätstheorie legt fest, dass es nichts gibt, was sich schneller bewegen kann als Licht im Vakuum (300 000 km/s)

• Da ein Bit immer eine Strecke zurücklegt, braucht es hierfür immer Zeit

• Elektrische Bauteile, wie z. B. Transistoren benötigen zusätzlich Zeit

• Daher: Sinnvoller Einsatz von Netzwerkkomponenten, Codierte Übertragungsprotokolle (z. B. Manchestercode), Verwendung der Protokolle

des OSI-Modells

Dämpfung (Attenuation)

• Dämpfung Verlust der Signalstärke über die Distanz hinweg

• Spannung, die Bit präsentiert wird immer geringer

• Je nach eingesetztem Material und Materialgeometrie lässt sich Dämpfung reduzieren

z. B.: TP-Kabel-QualitätSingle- oder Multimode-LWL

Dämpfung (Attenuation)• Dämpfung ist der Signalverlust im Link• Messverfahren:

– Einspeisung eines Impulses definierter Amplitude (Pegelsender)

– Remote-Einheit misst ankommendes Signal (Pegelmesser)

– aus der Differenz errechnet das Gerät die Dämpfung

– Wird bis zur max. Frequenz gemessen

• gemessen in Dezibel (dB)

Signalverlust in dB

Dämpfung (Attenuation)

• Quellen und Ursachen:– Ohmscher Widerstand der Kupferleiter– Umpolarisationsverluste des Isoliermaterials und Wirbelströme im Schirm

der Leitung– Verluste und Reflexionen durch unsachgemäßen Anschluss der

Kabelenden– Reflexion aufgrund von Inhomogenität der Impedanz auf der Länge der

Leitung

• Folge zu hoher Dämpfung:– Netzwerkdaten können ab einer gewissen Grenze nicht mehr sicher

übertragen werden

Dämpfung (Attenuation)

Dezibel: Das Verhältnis der Spannungen im logarithmischen Maßstab

Verhältnis Dezibel

1 / 1 0 dB

1 / 2 - 6 dB

1 / 5 - 14 dB

1 / 10 - 20 dB

Dämpfung

Dämpfung (Attenuation)

Dämpfung ist abhängig von:– Frequenz

• Skineffekt• Umpolarisationsverluste

– Temperatur• 0,4% Dämpfungsänderung/°C

– Länge des Kabels• proportionale Abhängigkeit

– Verlegung• Kabel-Biegungen• Metall-/Kunststoff-Kabelkanäle

– Luftfeuchtigkeit• Anstieg von 40% auf 90%:

2% Dämpfungszuwachs

Dämpfung (Attenuation)

Maximal zulässige Dämpfung auf 100 Meter

Alle Werte entsprechen wie beim Nahnebensprechen der Normung EN 50173. Die Einteilungen für die Kategorie 7 wurde als DIN 44312-5 der IEC zur Standardisierung vorgeschlagen

Frequenz Cat3 Cat4 Cat5 Cat6 Cat7

1 MHz 2,6 dB 2,1 dB 2,1 dB 2,1 dB 2,0 dB

16 MHz 13,1 dB 8,9 dB 8,1 dB 8,0 dB 7,6 dB

20 MHz - 10,2 dB 9,1 dB 8,9 dB 8,5 dB

62,5 MHz - - 17,1 dB 16,4 dB 15 dB

100 MHz - - 22 dB 21 dB 19 dB

200 MHz - - - 23 dB 25 dB

300 MHz - - - - 33 dB

600 MHz - - - - 50 dB

Störsignale: Nebensprechen (Crosstalk)

• Stromfluss erzeugt Magnetfelder um den Leiter

• Richtung der Magnetfeldlinien wird durch Stromflussrichtung bestimmt

• Verdrillung der Hin- und Rückleiter als Selbstabschirmung innerhalb eines Leitungsmediums (Aufhebung des Störsignals)

NEXT

• Der Nahnebensprech- oder NEXT-Verlust (Near End Crosstalk) ist ein Maß für die elektrische und magnetische Signalkopplung zwischen zwei Aderpaaren

• Nahnebensprechen ist ein kritischer Störfaktor für die Übertragungsleis-tung von Verbindungen

NEXT• Der Kabeltester speist ein Signal in ein

Leiterpaar ein und misst die Größe des Signals, das in einem anderen Leiterpaar als Folge des Nebensprechens erzeugt wird

• NEXT – ist die Differenz zwischen dem

eingespeisten und dem gemessenen Signal

– wird als Nahnebensprechen bezeichnet, weil an der gleichen Seite gemessen wird, an der auch eingespeist wird

– ändert sich nur unwesentlich in Bezug auf Temperatur oder Feuchtigkeit

NEXT

• Nahnebensprechen wird in Dezibel (dB) ausgedrückt. Der Wert sollte möglicht hoch sein

• Im Display werden sowohl die gemessene Werte, als auch die Grenzwertkurve angezeigt

NEXT• Misst man das Nebensprechen am fernen Ende, so kommt die

Leitungsdämpfung hinzu. Daher könnten defekte Anschlüsse nicht erkannt werden

• 10 dB + 25 dB + 10 dB = 45 dB - in CAT5-Spezifikation (> 44dB)

• Es muss das Nebensprechen an beiden Enden geprüft werden !

25 dB Neben-sprechen

10 dB Leitungsdämpfung

10 dB Leitungsdämpfung

NEXT @ Remote

25 dB Neben-sprechen

10 dB Leitungsdämpfung

10 dB Leitungsdämpfung

Misst man das Nebensprechen am fernen Ende mit Hilfe

der Remote-Einheit, so entfällt die Leitungsdämpfung.

Der defekte Anschluss wird erkannt !

FEXT

• FEXT (Far End Crosstalk) ist die Differenz in dB zwischen dem eingespeisten Signal am fernen Ende und dem gemessenen Signal in einem anderen Leiterpaar am nahen Ende - es ist das unerwünschte Nebensprechen, gemessen an der anderen Seite der Verbindung

• FEXT-Wert sollte möglichst hoch sein

Power Sum NEXT• Power-Sum-Werte zeigen, wie stark ein Leitungspaar durch kombinierte

Interferenz der anderen Paare beeinträchtigt wird

• Gute Power-Sum-Leistung ist für Netzwerke höherer Geschwindigkeit wichtig, wo Daten parallel über mehrere Leitungen übertragen werden

Leitungsfehler

Leitungsfehler

TIA/EIA-568-B

• Der TIA/EIA-568-B Standard fordert folgende Tests:

• Wire map

• Insertion loss

• Near-end crosstalk Power sum near-end crosstalk

• Equal-level far-end crosstalk

• Power sum equal-level far-end crosstalk

• Return loss

• Propagation delay

• Cable length

• Delay skew