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Forschungszentrum Karlsruhe Technik und Umwelt Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt Dipl.-Inform. Torsten Neck K744: K744: B B ü ü roautomation, Datenkommunikation, Netze roautomation, Datenkommunikation, Netze “ – WS-1999/2000 — K03.0 (01/03/08) K744.03 K744.03 B B ü ü roautomation, Datenkommunikation, Netze roautomation, Datenkommunikation, Netze Kapitel 3: Nachrichtentechnische Grundlagen Kapitel 3: Nachrichtentechnische Grundlagen R R Ü Ü bertragungstechnik bertragungstechnik R R Signalbegriff Signalbegriff R R Ü Ü bertragungssysteme und ihre Eigenschaften bertragungssysteme und ihre Eigenschaften R R Ü Ü bertragungsmedien bertragungsmedien R R Digitale Signal Digitale Signal ü ü bertragung bertragung R R Leitungscodierung Leitungscodierung R R Modulation Modulation R R Multiplex Multiplex

Kapitel 3: Nachrichtentechnische Grundlagen · Modulation R Multiplex. Forschungszentrum Karlsruhe Technik und Umwelt Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt K744: „Büroautomation,

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K744.03 K744.03 ——

„„BBüüroautomation, Datenkommunikation, Netzeroautomation, Datenkommunikation, Netze““

Kapitel 3: Nachrichtentechnische GrundlagenKapitel 3: Nachrichtentechnische Grundlagen

ÜÜbertragungstechnikbertragungstechnikSignalbegriffSignalbegriffÜÜbertragungssysteme und ihre Eigenschaftenbertragungssysteme und ihre EigenschaftenÜÜbertragungsmedienbertragungsmedienDigitale SignalDigitale SignalüübertragungbertragungLeitungscodierungLeitungscodierungModulationModulationMultiplexMultiplex

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ÜÜbertragungstechnikbertragungstechnik

Die Übertragungstechnik von Signalenbildet den Schwerpunkt der klassischen Nachrichtentechnik. Keine Verarbeitungs- oder Speicherprozesse im Übertragungssystem. Ziel in vielen Fällen:Möglichst formgetreuer (unverzerrter) Transport der Signale von der Signalquelle zum Signalempfänger trotz technischer Unvollkommenheiten und Störungen auf dem Übertragungsweg.In bestimmten Anwendungsgebieten der Nachrichtentechnik wird der Begriff

ÜÜbertragungstechnikbertragungstechnikzusätzlich in engerer Bedeutung gebraucht.

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Klassifizierung der traditionellen NachrichtenKlassifizierung der traditionellen Nachrichtenüübertragungstechnikbertragungstechnik1. 1. FernmeldetechnikFernmeldetechnik

1.1 Fernsprechtechnik (1.1 Fernsprechtechnik (TelefonieTelefonie))1.2 Fernschreibtechnik (Telegrafie)1.2 Fernschreibtechnik (Telegrafie)1.3 Daten1.3 Datenüübertragungstechnikbertragungstechnik1.4 Integrierte Fernmeldenetze1.4 Integrierte Fernmeldenetze

2. 2. TonrundfunkTonrundfunk3. 3. FernsehrundfunkFernsehrundfunk

3.1 Schwarz/Wei3.1 Schwarz/Weißß--FernsehenFernsehen3.2 Farbfernsehen3.2 Farbfernsehen

4. 4. SatellitenfunkSatellitenfunk5. 5. Ortung und Navigation (z.B. Radar)Ortung und Navigation (z.B. Radar)6. 6. Spezielle FunkdiensteSpezielle Funkdienste

6.1 Beweglicher Seefunk, Flugfunk6.1 Beweglicher Seefunk, Flugfunk6.2 Beweglicher Landfunk, Autotelefon, Zugfunk, CB6.2 Beweglicher Landfunk, Autotelefon, Zugfunk, CB--Funk Funk

7. 7. FernwirktechnikFernwirktechnik8. 8. VerkehrssignaltechnikVerkehrssignaltechnik

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Technologieorientiertes Modell eines Kommunikationssystems Technologieorientiertes Modell eines Kommunikationssystems

vermittelter Übertragungsweg

Endgerätetechnik Übertragungstechnik Vermittlungstechnik

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Aufgaben der TechnikbereicheAufgaben der Technikbereiche

ÜÜbertragungstechnikbertragungstechnik:Transport von Signalen über Übertragungsmedien.

VermittlungstechnikVermittlungstechnik: Bereitstellung eines Übertragungsweges zwischen Endgeräten durch variable Kopplung übertragungstechnischer Einrichtungen.

EndgerEndgeräätetechniktetechnik:Technische Einrichtungen beim Telekommunikations-

Teilnehmer: Eingabe, daten-

und signaltechnische Aufbereitung zum Zwecke der Übertragung und Vermittlung und -möglichst unverfälschter-

Wiedergabe der

eingegebenen Daten.

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Netzstruktur: Beispiel Netzstruktur: Beispiel ÖÖffentliches Netzffentliches Netz

ÖffentlichesVermittlungsnetz

Basis-station

Basis-station

Neben-stellen-anlage

Neben-stellen-anlage

Endsystem

Rechnermit

Komm.-subsystem

Rechnermit

Komm.-subsystem

PeripherieKommunikations-subsystem (HW/SW)

Schnittstellenstandard

Multimedia-Endgerät

Funkzelle

End-systemEnd-

system

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Wiederholung: Der Begriff "Signal"Wiederholung: Der Begriff "Signal"

SignalSignal

Ein Signal ist die physikalische Darstellung (Repräsentation) von Daten durch charakteristische räumliche und/oder zeitliche Veränderungen der Werte physikalischer Größen.

Signale sind somit die reale physikalische Repräsentation abstrakter Darstellungen:der Daten.

Gegenstände unseres DenkensGegenstände unseres Denkens

Daten als formalisierte DarstellungDaten als formalisierte Darstellung

Signale als reale Darstellung von DatenSignale als reale Darstellung von Daten

abstrakteWelt

physikalischeWelt

Konventionen zurDarstellung vonDenkinhalten

Konventionen zurDarstellung vonDaten

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OrtsabhOrtsabhäängige vs. zeitabhngige vs. zeitabhäängige Signalengige SignaleSignalausprSignalauspräägungen:gungen:

OrtsabhOrtsabhäängige, rngige, rääumliche Signaleumliche Signalebevorzugt für Speichern von Daten.Speichern von Daten.

Optischer Speicher: beschriebenes/bedrucktes PapierOptische Platten, z.B. CD-R, DVDMagnetischer Speicher

ZeitabhZeitabhäängige Signalengige Signalebevorzugt für Verarbeiten und Verarbeiten und ÜÜbertragen von Signalen. bertragen von Signalen.

GrundsatzGrundsatz::Jedes ortsabhJedes ortsabhäängige Signal ist ngige Signal ist in ein zeitabhin ein zeitabhäängiges Signal ngiges Signal üüberfberfüührbar ("Lesen", Abtasten) hrbar ("Lesen", Abtasten) und umgekehrt ("Schreiben", Aufzeichnen).und umgekehrt ("Schreiben", Aufzeichnen).Vorlesung behandelt ausschließlich zeitabhängige Signale.

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Signale und ihre ParameterSignale und ihre Parameter

Signalparameter:diejenigen physikalischen Kenngrößen eines Signals, deren Wert oder Werteverlauf die Daten repräsentieren.

Bei räumlichen Signalen sind Werte des Signalparameters Funktion des Ortes.Bei zeitabhängigen Signalen sind Werte des Signalparameters S Funktion der Zeit S=S(t).

Generische Einteilung zeitabhängiger Signale in Klassen:zeitkontinuierliche, signalwertkontinuierliche Signalezeitdiskrete, signalwertkontinuierliche Signalezeitkontinuierliche, signalwertdiskrete Signalezeitdiskrete, signalwertdiskrete Signale

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Signale: kontinuierlich vs. diskretSignale: kontinuierlich vs. diskretZeitZeit--

kontinuierlichkontinuierlich diskretdiskretSi

gnal

wer

tSi

gnal

wer

t -- kont

inui

erlic

hko

ntin

uier

lich

disk

ret

disk

ret

s

t

s

t

s

t

s

t

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Periodische SignalePeriodische Signale

Kenngrößen periodischer Signale: Periode T, Frequenz 1/T, Amplitude S(t), Phase ϕ

S(t)

Τ

Sinus-Schwingung (zeitkontinuierlich) Beispiel von Phasendifferenz ϕ

S(t)

t

Rechteck-Schwingung (zeitdiskret „idealisiert“)

S(t)

t

ϕt

Τ

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Zusammengesetzte SignaleZusammengesetzte Signale

Zeit

Zeit

Zeit

Komponente mitniedriger Frequenz(feste Amplitude)

Komponente mithoher Frequenz(feste Amplitude)

ZusammengesetztesSprachsignal mit ge-mischten Frequenzenund Amplituden

T = Periodef = Frequenz = 1/T

T1

Tn

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Periodische Signale: Periodische Signale: FourierFourier

AnalyseAnalyse

Jede periodische Funktion kann durch die Summe von SinusJede periodische Funktion kann durch die Summe von Sinus-- und und Kosinusfunktionen dargestellt werden (Kosinusfunktionen dargestellt werden (FourierFourier--ReiheReihe).).

mit f Grundfrequenz, an und bn Amplituden von Sinus bzw. Kosinus der n-ten Harmonischenalle Signale kann man sich so zerlegt in der Übertragung vorstellen

)2cos()2sin(21)(

11

nftbnftactgn

nn

n ππ ∑∑∞

=

=

++=

1

0

1

0t t

ideales Signal reale Zerlegung

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Frequenzspektrum eines SignalsFrequenzspektrum eines SignalsBandbegrenztes SignalBandbegrenztes Signal: : Signale kSignale köönnen ein "natnnen ein "natüürlich" begrenztes rlich" begrenztes —— meist kontinuierliches meist kontinuierliches ——Frequenzspektrum umfassen oder durch technische Mittel auf einenFrequenzspektrum umfassen oder durch technische Mittel auf einenAusschnitt ihres Spektrums begrenzt werden (Bandbreite).Ausschnitt ihres Spektrums begrenzt werden (Bandbreite).

Kontinuierliches — akustisches — Frequenzspektrum der menschlichen Stimme und Brandbreite des analogen ITU-Standardtelefonkanals

Energie (dB)

Frequenz (Hz)

40

30

20

10

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

300 Hz 3400 Hz3100 Hz ITU-Standard-Telefonkanal

dB: Dezibel

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Signalumformung akustisch Signalumformung akustisch --

elektrisch: Beispiel Telefonelektrisch: Beispiel Telefon

Signal : physikalische GrSignal : physikalische Größöße, zeitlicher Verlaufe, zeitlicher Verlauf

MediumUmformer Rückformer

Modell des Übertragungssystems Telefon

analoges akustisches Signal analoges elektrisches Signal analoges akustisches Signal

LautsprecherMikrofon

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Einsatz technischer Mittel Einsatz technischer Mittel --

TelekommunikationTelekommunikationDie klassische NachrichtenDie klassische Nachrichten--/Telekommunikationstechnik ist von der /Telekommunikationstechnik ist von der Sprachkommunikation (Telefon) geprSprachkommunikation (Telefon) gepräägt (technisch und wirtschaftlich).gt (technisch und wirtschaftlich).Menschen als Kommunikationspartner:Menschen als Kommunikationspartner:

MenschMensch MenschMensch

akus

tisch

e Sch

nitts

telle

akus

tisch

e Sch

nitts

telle

Kom

m.-

Schn

ittst

elle

Kom

m.-

Schn

ittst

elle

eingefügtes technisches System

Telefon-apparat

Telefon-apparat TelefonnetzTelefonnetz Telefon-

apparatTelefon-apparat

Modell einer Telekommunikation

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ÜÜbertragungssystem: Grundlagen, Begriffebertragungssystem: Grundlagen, Begriffe

Grundlage jeder Kommunikation:Grundlage jeder Kommunikation:SignalSignalüübertragung:bertragung:

Transport von Signalen Transport von Signalen üüber ein geeignetes Medium, ber ein geeignetes Medium, das diese Signale das diese Signale üüber eine rber eine rääumliche Distanz weiterleitet.umliche Distanz weiterleitet.

Verkürzender Sprachgebrauch:Übertragungssignal = SignalSignaltransportmedium/Übertragungsmedium = (physikalisches) MediumSignalgeber, Signalquelle = SenderSignalempfänger, Signalsenke = Empfängerphysikalisch-technisches Transportsystem für Signale = Übertragungsweg

Signalübertragung wird in der Nachrichtentechnik meist alsNachrichtenübertragung bezeichnet.

Signal-geber

Signal-geber

Signalübergabe Signalannahme

Übertragungssignale

Signaltransportmedium Signal-empfängerSignal-

empfänger

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ÜÜbertragungskanal und Medium bertragungskanal und Medium

Sender Empfänger

Medium

Übertragungskanal

ZugangspunktZugangspunkt

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ÜÜbertragungssystem: physikalisches Mediumbertragungssystem: physikalisches MediumVerwendung eines physikalischen Mediums zur Verwendung eines physikalischen Mediums zur ÜÜbertragung von bertragung von Nachrichten.Nachrichten.

Quelle Senke

UmformerUmformer

Medium

~~

nachrichtentechnischer Kanal / Übertragungskanal

Nachricht

x(t) y(t)

x´(t) y´(t)

z´(t)

PrimPrimäärsignale x(t), y(t):rsignale x(t), y(t):quellen-/senkenbezogenephysikalische Größen.

Signale xSignale x´́(t), y(t), y´́(t), z(t), z´́(t):(t):leitungsbezogene physikalische Größen.

Physikalisches Medium,Physikalisches Medium,z.B. elektrische Leitung:y´(t) = F(x´(t);z´(t))

Störquelle

RückformerRückformer

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VOIP VOIP ——

GrundlagenGrundlagen

Prinzip der digitalen SprachkommunikationPrinzip der digitalen Sprachkommunikation

GeneratorDiskretisierung

nach PCM

SegmentiererPaketgenerierung (A-SDU)

Kom-pression

AusgangspufferLeaky

Bucket: Isochronität!

UDPIP

Coder

ParserDiskretisierung

nach PCM

ReassembliererPaketgenerierung (A-SDU)

Dekom-pression

UDPIP

Decoder

L A N

EingangspufferLeaky

Bucket: Isochronität!

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Bandbegrenztes MediumBandbegrenztes Medium

Bandbreite eines Mediums:Bandbreite eines Mediums:Signaltransportmedien bzw. Signaltransportmedien bzw. ÜÜbertragungssysteme bertragungssysteme üübertragen stets bertragen stets nur ein endliches Frequenzband.nur ein endliches Frequenzband.

Dämpfung (dB)

Frequenz (kHz)1,2 2,4 3,60

1

0

-1

-2

-3

-4

-5Bandbreite

Abschneidefrequenzen

Bandbreite von Bandbreite von ÜÜbertragungswegen:bertragungswegen:Bandbreite in Hz: Frequenzbereich, derBandbreite in Hz: Frequenzbereich, derüüber ein Medium (einschlieber ein Medium (einschließßlich der im lich der im ÜÜbertragungssystem enthaltenen Filter,bertragungssystem enthaltenen Filter,VerstVerstäärker usw.) rker usw.) üübertragen werden kann.bertragen werden kann.

Bandbreite ergibt sich aus der Differenz derhöchsten und niedrigsten übertragbarenFrequenzen.

Wegen nicht-idealer BandbegrenzungenFestlegung von Abschneidefrequenzen.

Signale müssen an die Übertragungs-charakteristik des Mediums angepaßtwerden.

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EinfluEinflußß: Bandbreite eines : Bandbreite eines ÜÜbertragungssystems auf digitales Signalbertragungssystems auf digitales Signal00 11 00 00 00 00 11 00 00 00

t

Bandbreite 500 Hz

Bandbreite 900 Hz

Bandbreite 1300 Hz

Bandbreite 1700 Hz

Bandbreite 2500 Hz

Bandbreite 4000 Hz

Signalrate 2000 Sig./s

Bitcode:Ideal, würde aberunendliche Band-breite benötigen!nur 1. Harmonische

1.+2. Harmonische

1.-3. Harmonische

1.-4. Harmonische

1.-5. Harmonische

1.-6. Harmonische

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Fortpflanzungsgeschwindigkeit von SignalenFortpflanzungsgeschwindigkeit von SignalenOptimum: Lichtgeschwindigkeit (c = 3•108m/s) im VakuumAusbreitungsgeschwindigkeit auf Leitungen < LichtgeschwindigkeitNäherungsweise 0,6•cDurch die begrenzte Fortpflanzungsgeschwindigkeit hat das Medium eine Speicherkapazität.Beispiel: DatenBeispiel: Datenüübertragung von MIT nach Berkeley:bertragung von MIT nach Berkeley:

Strecke: 5000 km; Signallaufzeit: ca. 25 ms (5000 km / 2Strecke: 5000 km; Signallaufzeit: ca. 25 ms (5000 km / 2••101088m/s)m/s)Bei Bei ÜÜbertragungsrate von 64 bertragungsrate von 64 kbit/skbit/s: : 1600 1600 bitbit SpeicherkapazitSpeicherkapazitäättBei Bei ÜÜbertragungsrate von 2 bertragungsrate von 2 Mbit/sMbit/s: : 50000 50000 bitbit SpeicherkapazitSpeicherkapazitäätt

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ÜÜbertragungssystem: Dbertragungssystem: Däämpfung/Verzerrungmpfung/Verzerrung

Dämpfung

Laufzeit

Dämpfungnutzbares

Frequenzband

FrequenzBandbreite Dämpfungsverzerrung (Lauf-)Zeitverzerrung

x’(t) x’(t)

y’(t)t t

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Digitale SignalDigitale SignalüübertragungbertragungSchrittSchritt::

Charakteristisch für zeitdiskrete Signale ist die Existenz eines minimalen Zeitintervalls TMin zwischen aufeinanderfolgenden -möglichen - Änderungen der Signalkoordinate (Schrittdauer, kurz: Schritt als Signal definierter Dauer)Wichtig: Digitales Signal mit fester Schrittdauer T (Schritt-Takt)

Isochrones (Isochrones (isochronousisochronous) Digitalsignal:) Digitalsignal:Ein Digitalsignal ist isochron, wenn seine Kennzeitpunkte, d.h. die Zeitpunkte des Übergangs von einem Signalelement zum nächsten, in einem festen Zeitraster liegen.

AnisochronesAnisochrones ((anisochronousanisochronous) Digitalsignal:) Digitalsignal:Ein nicht-isochrones Digitalsignal

SchrittgeschwindigkeitSchrittgeschwindigkeitbei isochronen Digitalsignalen: Kehrwert der Schrittdauer: 1/TEinheit: baud = 1/s

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Schrittgeschwindigkeit Schrittgeschwindigkeit --

BeispielBeispiel

S(t)

t

1 2 3 4 5 6 7 8

Schrittfolge:

TTakt

Beispiel:1s

Schrittgeschwindigkeit 5 baud

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ZweiZwei--

und mehrwertige Digitalsignaleund mehrwertige Digitalsignale

BinBinäärsignal:rsignal:Digitales Signal mit nur zwei Werten des Signalparameters.

Zweiwertiges Digitalsignal:Zweiwertiges Digitalsignal:Digitales Signal, bei dem die Signalelemente binär sind.

Mehrwertige (mehrstufige) Digitalsignal:Mehrwertige (mehrstufige) Digitalsignal:Die (diskrete) Signalkoordinate kann mehr als zwei Werte annehmen; Beispiel: DIBIT = zwei Bit pro Koordinatenwert (quaternäres Signalelement)Die Anzahl n der diskreten Werte (Kennwerte, Stufen), die ein Signalelement annehmen kann, wird wie folgt gekennzeichnet:n = 2 binär (binary)n = 3 ternär (ternary)n = 4 quaternär (quarternary)...n = 8 oktonär (octonary)n = 10 denär (denary)

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Mehrwertiges Digitalsignal Mehrwertiges Digitalsignal --

BeispielBeispiel

t

1111

1010

0101

0000

11 1010 01010101 00 0000000000

+2

+1

-1

-2

zugeordnetesquaternäresCodeelement Signalstufen (Amplitudenwerte)

SchrittquaternäreCodefolge

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SchrittSchritt--

versus versus ÜÜbertragungsgeschwindigkeitbertragungsgeschwindigkeitSchrittgeschwindigkeit Schrittgeschwindigkeit vvSS ((symbolsymbol rate, rate, modulationmodulation rate, rate, digitdigit rate)rate)

Gibt - anschaulich - die Zahl der ggf. nur potentiellen Signalparameter-Zustandswechsel an (Schrittumschläge).Für isochrone Digitalsignale gilt: vS = 1/T Einheit: 1/s baud (Abk. bd)

ÜÜbertragungsgeschwindigkeitbertragungsgeschwindigkeitFür zweiwertige Signale (binäre Signale)Jeder Schrittumschlag codiert ein Bit. Deshalb gilt in diesem Fall: Schrittgeschwindigkeit in baud = Übertragungsgeschwindigkeit in bit/sDie Übertragungsgeschwindigkeit wird in diesem Fall als Bitrate (bit rate) bezeichnet.Für mehrstufige Signale (mit n möglichen Wertestufen)Übertragungsgeschwindigkeit Φ (in bit/s): Φ = vS • ld(n)Bei DIBITBei DIBIT--Codierung: Codierung: 1 1 baudbaud = 2 = 2 bit/sbit/s (quatern(quaternääres Signal)res Signal)Bei TRIBITBei TRIBIT--Codierung: Codierung: 1 1 baudbaud = 3 = 3 bit/sbit/s ((oktonoktonääresres Signal)Signal)Bei mehrstufigen Bei mehrstufigen nn--nnäärenren Signalen: Signalen: ääquivalente quivalente Bitrate Bitrate vvBB = = ld(nld(n) ) •• vvSS

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Synchronisation bzgl. AbtastzeitpunktenSynchronisation bzgl. AbtastzeitpunktenBestimmung der Abtastzeitpunkte Bestimmung der Abtastzeitpunkte

Zeitpunkte, an denen die Senke den Signalverlauf y’(t) für das aktuelle Zeitintervall zur Ermittlung des Signalwertes abtastet.Verfahren zur Erzielung von Gleichlauf (Synchronisation)

Sende- und Empfangstakt unterliegen gemeinsam Konventionen und werden diesen folgend von Quelle und Senke unabhängig voneinander bestimmt.⇒ äußerst stabile Taktgeneratoren erforderlichÜbertragung des Taktrasters auf eigenem parallelen Kanal. ⇒ beschränkt auf Nahbereich Übertragung des Taktrasters mit dem Signal. ⇒ Ableitung des Taktrasters aus dem SignalverlaufPunktuelle Synchronisation eines weitgehend unabhängigen Taktgenerators bei der Senke durch das Signal. ⇒ nur beschränkte Frequenzkonstanz erforderlich, Synchronisation

bei Schrittgruppen oder Blöcken

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Zeichenweiser Start/StopZeichenweiser Start/Stop--Betrieb (Asynchronbetrieb)Betrieb (Asynchronbetrieb)

Synchronisation durch TaktrasterSynchronisation durch Taktrasterüübertragungbertragung

Voraussetzung:Ruhepegelfeste Zahl von NutzschritteNachteil:3-aus-11 Overhead(8 Nutzbits bei 11 zu übertragenden Bits)

Voraussetzung:Blockstart-/-endemuster eindeutigMaßnahme:Modifikation / Rückgängig-machen entsprechenderMuster im Block (Bitstopfen)

Nutzschritte

Stoppschritte

Zeichenrahmen

Startschritt

nächstesZeichen

Block-ende-muster

Block-start-

musterZeichen

n. 2. 1.......

Zeichen des BlocksBlock

Blocksynchronisation (Synchronbetrieb)Blocksynchronisation (Synchronbetrieb)

Pause

Zeit

Übertragungs-richtung

Über-tragungs-richtung

Zeit

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Beispiel: Bitfehler durch fehlerhafte SynchronisationBeispiel: Bitfehler durch fehlerhafte Synchronisation

Signalausbreitung

01 1 1 1 10 0 0 0 1 01 1 1 0 1 0

SignalTaktraster

Abtastzeitpunkt

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ÜÜbertragungsstbertragungsstöörung durch Rauschenrung durch RauschenNeben der systematischen Beeinflussung des Signals durchNeben der systematischen Beeinflussung des Signals durch

DämpfungLaufzeitverzerrungen

kköönnen Signalstnnen Signalstöörungen durch rungen durch transiente, stochastische Prozesseweißes RauschenImpulsstörungen

auftreten.auftreten.

Lange anhaltende StLange anhaltende Stöörungen: Brungen: BüündelfehlerndelfehlerEchobildung, Nebensprechen,(thermisches) Rauschen, Anschalten von induktiven Lasten (Motor), 50 Hz Netzbrummen stets auf einer Leitung, ...

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Beispiel: Bitfehler durch Beispiel: Bitfehler durch transientetransiente

StStöörungenrungen

Fehler

Daten

Originaldaten

empfangeneDaten

Abtastzeit-punkt

Signal mit Störung

Störung

Signal

00 11 00 11 11 00 00 11 11 00 00 11 00 11 00

01

00 11 00 11 11 00 11 11 11 00 00 00 00 11 0000 11 00 11 11 00 00 11 11 00 00 11 00 11 00

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NyquistNyquist--

und Shannonund Shannon--TheoremTheorem

1924, H. 1924, H. NyquistNyquist::maximale Datenrate fmaximale Datenrate füür einen rauschfreien r einen rauschfreien Kanal mit eingeschrKanal mit eingeschräänkter Bandbreite.nkter Bandbreite.maximale Datenrate = 2 maximale Datenrate = 2 BB ldld nn bit/sbit/smit mit BB = Bandbreite des Kanals= Bandbreite des Kanals

nn = diskrete Signalstufen= diskrete SignalstufenBeispiel:Beispiel:gegeben:gegeben: Kanal mit 3.000 Hz, Kanal mit 3.000 Hz,

binbinääres Signalres Signal max. Datenrate:max. Datenrate: 6.000 6.000 bit/sbit/s

1948, C. Shannon:1948, C. Shannon:Erweiterung auf Kanal mit zufErweiterung auf Kanal mit zufäälligemlligem(thermischen) Rauschen.(thermischen) Rauschen.

max. Anzahl von max. Anzahl von bit/sbit/s = B = B ldld (1+S/N)(1+S/N)mitmit B B = Bandbreite des Kanals = Bandbreite des Kanals

S/N = SignalS/N = Signal--RauschabstandRauschabstand

Beispiel:Beispiel:gegeben:gegeben: Kanal mit 3.000 Hz,Kanal mit 3.000 Hz,

SignalSignal--Rauschabstand von Rauschabstand von 30 dB = 10 log30 dB = 10 log1010 (S/N) dB(S/N) dB

max. max. ÜÜbertragungsrate:bertragungsrate:30.000 30.000 bit/sbit/s

Achtung: Bei der Berechnung muß

anschließend stets das Minimum der beiden Ergebnisse genommen werden!

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Medien: KlassifikationMedien: Klassifikation

geschirmt(shielded)

ungeschirmt(unshielded)

verdrillte Kupfer-Doppelader(symmetrische)

Koaxial-/Twinaxialkabel(asymmetrische)

Stromleiter

Hohlleiter

MultimodeStufenprofil

MultimodeGradientenprofil

Singlemode/Monomode

Lichtwellenleiter (LWL)Glasfaser

Wellenleiter

leitungsgebunden

Laser-Strecke

Richtfunk

Satelliten-Direktfunk

gerichtet

MobilfunkZellfunk

terrestrischer Rundfunk

Satelliten-Rundfunk

ungerichtet

nicht leitungsgebunden

Medien

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Nutzung des elektromagnetischen Spektrums fNutzung des elektromagnetischen Spektrums füür Signaltransport r Signaltransport

Hz

103 105 107 109 1011 1013 1015

leitungsgebundene Übertragungstechniken

verdrillte Drähte Koaxialkabel Hohlleiter optischeFasern

sichtbaresLicht

InfrarotMikrowellenFernsehen

KurzwelleMittelwellen

-Radio

Langwellen-Radio

nicht-leitungsgebundene Übertragungstechniken

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KupferKupfer--DoppeladernDoppeladernKupferKupfer--Doppeladern (DA)Doppeladern (DA)

Verwendung z.B. im Teilnehmer-Anschlußnetz (Ortsnetz) des öffentlichen Telefonnetzes.Leiterdurchmesser: 0,4 - 0,9 mmBandbreite: einige 100 kHz bis derzeit 600 MHzinternationaler Begriff: Unshielded Twisted Pair (UTP)verschiedene Qualitätsklassen, z. B. UTP 3, 4, 5, 6, 7 bis zu 1Gbit/s vollduplex

Kupferader

IsolationSchlagzahl!

Konnektoren: SUB-D-9 und RJ45•

Pinbelegung und Paarbelegung für Ethernet, ATM, TR und ISDN!

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KoaxialkabelKoaxialkabelKoaxialkabel (englisch auch Koaxialkabel (englisch auch tubetube))

Gehören zur Kupferkabeltechnik, da Innenleiter aus Kupfer besteht. Außenleiter umschließt Innenleiter zylindrisch. Dazwischen befindet sich ein Dielektrikum aus Kunststoffen oder Gasen.Die Signalausbreitung erfolgt im Dielektrikum zwischen den beiden Leitern.Unterscheidung durch Angabe des Verhältnisses Innenleiter zu Außenleiter, z.B.

ITU 2,6/9,5 mmBandbreite: bis 800 MHz

Kupferader (Innenleiter)

Isolation Abschirmung(Außenleiter)

Isolation undmechanischeSchutzhülle

•• 10Base5 10Base5 —— „„YellowCableYellowCable““ —— 50 50 ΩΩ•• 10Base2 10Base2 —— „„CheapernetCheapernet““ —— RG58 RG58 —— 50 50 ΩΩ•• A/VA/V--Kabel Kabel —— RG59 RG59 —— 75 75 ΩΩ

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HohlleiterHohlleiter

HohlleiterHohlleiter sindsindmit Luft gefüllte, gestreckte metallische Hohlkörpermit runden, elliptischen oder rechteckigen Querschnitten.Sie bewirken eine geführte Ausbreitung höchstfrequenterelektromagnetischer Wellen (Mikrowellen) im Inneren des Hohlkörpers durch fortlaufende Reflexion.Sie sind allerdings heutzutage teilweise von Lichtwellenleitern abgelöst.Einsatzorte noch in der Richtfunktechnik.

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Lichtwellenleiter (Glasfaser)Lichtwellenleiter (Glasfaser)

LaserLaserEingangs-signal

Ausgangs-signal

elektrischesSignal

elektrischesSignal

optischesSignal

optischesSignal

Lichtwellenleiter

ca. 100 μm Ø.

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Glasfaser Glasfaser --

TypenTypen

(iii) Monomode-Faser

(ii) Multimode-Faser mit Gradientenindex

(i) Multimode-Faser mit Stufenindex

Elek

trisc

hes

Elek

trisc

hes

Eing

abes

ignal

Eing

abes

ignal

Optischer Sender Optischer Empfänger

ElektrischesElektrisches

AusgabesignalAusgabesignal

Single core Multicore

Ummantelung des KernsPlastikaußenhülle

Glaskern

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Kostentrend bei der GlasfaserKostentrend bei der Glasfaserüübertragungbertragung

10.000

1.000

100

10

1

0,1

Übertragungskosten je Mbit/s x km (relativ)

1975

1980

1985

1990

1995

2000Jahr

45 Mbit/s90/135 Mbit/s

400 Mbit/s1,2/1,7 Gbit/s

2,5 Gbit/s10 Gbit/s

40 Gbit/s

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DDäämpfungsvergleich unterschiedlicher physikalischer Medienmpfungsvergleich unterschiedlicher physikalischer MedienDämpfung(dB/km)

Frequenz(MHz)

102

10

10 102 103 1040

Cu 0,9 symmetrisch

Cu 1,2/4,4 koaxial

Cu 2,6/9,5 koaxial

Stufenindex(Multimode)

Lichtwellenleiter

Gradientenindex(Multimode)

Stufenindex(Monomode)

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FunkFunk--

und Satellitentechnikund Satellitentechnik

Up link Down link

Erdstationen

Satellit

Basisstation (BS)Festnetz

Medium: Elektromagnetische Welle (104 - 108 Hz)Daten werden aufmoduliertEingeschränkte Reichweite, je nach Ausgangsleistung der BS und örtlichen GegebenheitenDatenrate: Einige 10 kbit/s pro Benutzer

Medium: Elektromagnetische Welle (109 - 1011 Hz)Transponder im Satellit empfängt auf einem Kanal, sendet auf einem anderen.Mehrere Transponder pro SatellitHohe Bandbreite (500MHz) pro Kanal

Funkreichweite

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ÜÜbertragungssystem: bertragungssystem: Begriff 'digital'Begriff 'digital'Digitale Daten (Beispiele)Digitale Daten (Beispiele)

Zahlen, Schriftzeichenalphabet, Binärcodes usw.

Digitale SignaleDigitale SignaleZeit- und wertdiskrete Signale

Digitale Digitale ÜÜbertragungssystemebertragungssystemeÜbertragungssysteme, die nur für digitale Daten geeignet sind. Sie verstärken nicht — wie im Analogfall — Signalverläufe (einschließlich Störungen), sondern detektieren die den Signalstrom bildenden Digitaldaten (in der Regel Folgen von ‚0‘ und ‚1‘) und regenerieren die ursprünglichen Daten in neu erzeugte "perfekte" Signalformen.Rauscheinflüsse und Störungen werden eliminiert.

Im folgenden: Betrachtung Im folgenden: Betrachtung digitalerdigitaler ÜÜbertragungssystemebertragungssysteme..

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Digitale Regeneration Digitale Regeneration üüber abstrakte Datenreprber abstrakte Datenreprääsentationsentation

Daten Daten

Signal SignalÜbertragung Übertragung

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BasisbandBasisbandüübertragungsverfahrenbertragungsverfahren

BasisbandBasisbandunterschiedlicher Wortgebrauch in der Nachrichtentechnik:z.B. Bandbereich eines primären Signals in der "ursprünglichen"Frequenzlage. Hier: Frequenzband mit Tiefpass-Charakter, d.h. auch sehr niedrige Frequenzen bis zum Gleichstrom sind über ein Basisband-Übertragungssystem übertragbar.Übertragung digitaler Signale mit „rechteckförmigem“Signalverlauf erfordert die Übertragung sehr niedriger Frequenzen!(und theoretisch unendlich hoher Frequenzen nach Fourier, daher kann Rechteckform nie erreicht werden!)Bei Gleichstromanteil (z.B. Einfachstromsignale) Übertragung ab Frequenz 0.Älteste und einfachste Verfahren aus der Telegrafentechnik (z.B. Morsetelegrafie).

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Einfachstrom/DoppelstromEinfachstrom/Doppelstrom--VerfahrenVerfahren

1 0 1 1 0 0 1 1Daten:Strom

kein Stromt

t

Doppelstrom

+A

0-A

Doppelstromkein Strom

positive Polarität negative PolaritätEinfachstrom

Binärzeichen

Strom1 0

Einfachstrom

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Moderne BasisbandverfahrenModerne Basisbandverfahren

Moderne digitale Moderne digitale ÜÜbertragungstechnik verwendet Basisbandverfahren bertragungstechnik verwendet Basisbandverfahren bis zu sehr hohen Bitraten im bis zu sehr hohen Bitraten im MultiMulti--MegaMega--bit/sbit/s--BereichBereich(PCM(PCM--Technik, lokale Netze LAN, ISDN usw.).Technik, lokale Netze LAN, ISDN usw.).Dabei erwDabei erwüünscht bzw. erforderlich:nscht bzw. erforderlich:

kein GleichstromanteilWiedergewinnung des Takts aus ankommender Signalfolge (selbsttaktende Signalcodes)Erkennung von Signalfehlern auf Signalebene

Leitungscodes, Leitungscodes, ÜÜbertragungscodes:bertragungscodes:Die Zuordnungsvorschrift 'digitales Datenelement 'digitales Datenelement ⇔⇔ digitales Signalelement' digitales Signalelement' wird als Signal- oder Leitungscodierung bezeichnet.Die sich ergebenden zeit- und wertdiskreten Signalverläufe heißen:Leitungscodes oder Übertragungscodes

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Wiederholung: Wiederholung: Der Begriff "Signal"Der Begriff "Signal"

SignalSignal

Ein Signal ist die physikalische Darstellung (Repräsentation) von Daten durch charakteristische räumliche und/oder zeitliche Veränderungen der Werte physikalischer Größen.

Signale sind somit die reale physikalische Repräsentation abstrakter Darstellungen:der Daten.

Gegenstände unseres DenkensGegenstände unseres Denkens

Daten als formalisierte DarstellungDaten als formalisierte Darstellung

Signale als reale Darstellung von DatenSignale als reale Darstellung von Daten

abstrakteWelt

physikalischeWelt

Konventionen zurDarstellung vonDenkinhalten

Konventionen zurDarstellung vonDaten

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11 00 11 11 00 00 00 11 11 00 11

Moderne Basisbandverfahren Moderne Basisbandverfahren --

BeispieleBeispieleDaten:

NRZ-L

NRZ-M

NRZ-S

RZ

Biphase-L(Manchester)

Biphase-M

Biphase-S

DifferentialManchester

Bipolar

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ÜÜbertragungsverfahren mit Trbertragungsverfahren mit Trääger: Begriffeger: Begriffe

TrTräägerfrequenzgerfrequenz--ÜÜbertragungsverfahren:bertragungsverfahren:Modulation digitaler Daten auf analoge Signalträger

Modulation allgemeinModulation allgemeinÜbertragung eines Signals in seiner "ursprünglichen" Signalform und Frequenzlage aus technischen und wirtschaftlichen Gründen oft nicht sinnvoll.Als Modulation allgemein wird Verschiebung der Frequenzlage, Anpassung an Übertragungscharakteristik des Übertragungsmediums (auch Übertragungskanal) usw. bezeichnet.

Modulation (engere Bedeutung)Modulation (engere Bedeutung)Modulation ist die planmäßige Beeinflussung eines Trägersignals durch das modulierende Signal (Modulationssignal)

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Fortbildungszentrum Technik u. UmweltDipl.-Inform. Torsten NeckK744: K744: „„BBüüroautomation, Datenkommunikation, Netzeroautomation, Datenkommunikation, Netze““ – WS-1999/2000 — K03.55 (01/03/08)

Schwingungsmodulation: PrinzipSchwingungsmodulation: Prinzip

zu modulierendes(Digital-)Signal

ModulatorModulator

Modulationssignal

S(t) = A sin

t + ϕ0

)S(t) = A S(t) = A sinsin

((ωω

t t + ϕ+ ϕ

00

))

PhaseFrequenzAmplitude

moduliertes Signal

SchwingungsmodulationSchwingungsmodulation: analoger Signalträger ist Sinusschwingung

Trägerschwingung(Trägerfrequenz)

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Arten der SchwingungsmodulationArten der Schwingungsmodulation

0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0Daten

NRZ-L

AmplitudenAmplituden--modulationmodulation

FrequenzFrequenz--modulationmodulation

PhasenPhasen--modulationmodulation

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AmplitudenmodulationAmplitudenmodulation

Amplitudenmodulation (ASK: Amplitudenmodulation (ASK: AmplitudeAmplitude--ShiftShift

KeyingKeying))

Nachteil: Sehr störanfällig

OszillatorTrägerfrequenz (TF)

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FrequenzmodulationFrequenzmodulationFrequenzmodulation (FSK: Frequenzmodulation (FSK: FrequencyFrequency--ShiftShift

KeyingKeying))

Oszillator 1 Oszillator 2

Trägerfrequenz 1 Trägerfrequenz 2

üblich für Übertragung über Telefonleitung

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PhasenmodulationPhasenmodulationPhasenmodulation (PSK: Phasenmodulation (PSK: PhasePhase--ShiftShift

KeyingKeying))

Oszillator

Verzögerung

Trägerfrequenz

Bestes, aber auch aufwendigstes Verfahren

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ÄÄquivalenzliste nach ITU V.1quivalenzliste nach ITU V.1

Binärzeichen 0 Binärzeichen 1„Anlauf“-Schritt

im Start-Stop-Code

Start-Bit

„Sperr“-Schrittim Start-Stop-

CodeStopp-Bit

„Zeichenschritt“(Space)

„Trennschritt“(Mark)

Zustand A Zustand ZDoppelstrom negativ positivEinfachstrom kein Strom StromAmplituden-modulation

kein Ton Ton

Frequenz-modulation

hohe Frequenz tiefe Frequenz

Phasendifferenz-modulation

keinePhasendrehung

Phasendrehungum 180º

Phasenmodulationmit Bezugsphase

Gegenphase Bezugsphase

Gleichstrom-betrieb

Wechsel-strom-betrieb

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Zeichenweiser Start/StopZeichenweiser Start/Stop--Betrieb (Asynchronbetrieb)Betrieb (Asynchronbetrieb)

Wiederholung: Wiederholung: Synchronisation durch TaktrasterSynchronisation durch Taktrasterüübertragungbertragung

Voraussetzung:Ruhepegelfeste Zahl von NutzschritteNachteil:3-aus-11 Overhead(8 Nutzbits bei 11 zu übertragenden Bits)

Voraussetzung:Blockstart-/-endemuster

eindeutigMaßnahme:Modifikation / Rückgängig-machen entsprechenderMuster im Block (Bitstopfen)

Nutzschritte

Stoppschritte

Zeichenrahmen

Startschritt

nächstesZeichen

Block-ende-muster

Block-start-

muster

Zeichen

n. 2. 1....

Zeichen des Blocks

Block

Blocksynchronisation (Synchronbetrieb)Blocksynchronisation (Synchronbetrieb)

Pause

Zeit

Übertragungs-richtung

Über-tragungs-richtung

Zeit

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Mehrfachnutzung von Mehrfachnutzung von ÜÜbertragungswegen:bertragungswegen:

MultiplexMultiplex

ÜÜbertragungswegbertragungsweg::physikalisch-technisches Transportsystem für Signale

ÜÜbertragungskanalbertragungskanal::Abstraktion eines Übertragungsweges für einen SignalstromAuf einem Übertragungsweg können oft mehrere (viele) Über-tragungskanäle parallel unterhalten werden, so ist beispiels-weise eine Aufspaltung der totalen Übertragungskapazität eines Übertragungsweges auf verschiedene Sender-Empfänger-Paaremöglich.Die Zusammenfassung von Die Zusammenfassung von ÜÜbertragungskanbertragungskanäälen auf einemlen auf einemÜÜbertragungsweg heibertragungsweg heißßtt

BBüündelung oder Multiplex, auch Verschachtelungndelung oder Multiplex, auch VerschachtelungNutzung des Übertragungskanals in beide Richtungen: Richtungsmultiplex

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Medium

ÜÜbertragungskanal und Mediumbertragungskanal und Medium

Sender Empfänger EmpfängerEmpfänger

. . .

Übertragungskanal

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ÜÜbertragungskapazitbertragungskapazitäät eines Nachrichtent eines Nachrichtenüübertragungssystemsbertragungssystems

Zeitgesetz der NachrichtenZeitgesetz der Nachrichten--ÜÜbertragungstechnik:bertragungstechnik:integrale Übertragungskapazität eines Systems = Produkt der Bandbreite (Frequenzbereich) und der

zur Verfügung stehenden Zeit.Nachrichtenquader (idealer Fall ohne Störungen):

Frequenz

Zeit

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RaummultiplexRaummultiplexBBüündelung vieler Einzelndelung vieler Einzelüübertragungswege heibertragungswege heißßt:t:

RaummultiplexRaummultiplexööffentliche Telekom. Leitungsnetze, mehrspurige Autobahnffentliche Telekom. Leitungsnetze, mehrspurige AutobahnBeispiel: parallele Schnittstelle eines RechnersBeispiel: parallele Schnittstelle eines Rechners

Teilnehmeranschlußleitung: Kupfer-Doppelader (DA) mit exklusiver Nutzung durch den Teilnehmer übertragungstechnisch im Duplexbetrieb (zweidrahtige Verbindung)Verbindungsleitung (zwischen Vermittlungsstellen): Gebündelte DA für viele parallele Übertragungen zwischen zwei Vermittlungsstellen.

Jede DA Jede DA üübertrberträägt einen gt einen ÜÜbertragungskanal in einer bertragungskanal in einer ÜÜbertragungsrichtung.bertragungsrichtung.FFüür eine Dialogkommunikation sind auf Verbindungsleitungsebene zwer eine Dialogkommunikation sind auf Verbindungsleitungsebene zwei DA i DA erforderlich (vierdrahtige Verbindung).erforderlich (vierdrahtige Verbindung).Achtung: Die Verwendung einer Doppelader ist aus elektrischen GrAchtung: Die Verwendung einer Doppelader ist aus elektrischen Grüünden nden notwendig. Hinnotwendig. Hin-- und Rund Rüückleiter im elektrischen Stromkreis!ckleiter im elektrischen Stromkreis!

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FrequenzmultiplexFrequenzmultiplexBreitbandigeBreitbandige ÜÜbertragungswege ermbertragungswege ermööglichen glichen die Unterbringung vieler die Unterbringung vieler ÜÜbertragungskanbertragungskanääle in unterschiedlichen le in unterschiedlichen Frequenzbereichen (FrequenzbFrequenzbereichen (Frequenzbäänder), nder), d.h. man teilt die verfd.h. man teilt die verfüügbare Bandbreite gbare Bandbreite in eine Reihe von in eine Reihe von -- nicht notwendig gleichbreite nicht notwendig gleichbreite -- FrequenzbFrequenzbäändernderund ordnet jedem Frequenzband einen und ordnet jedem Frequenzband einen ÜÜbertragungskanal zu.bertragungskanal zu.

Nutzung der Übertragungskapazität eines Übertragungsweges im Frequenzmultiplex

Frequenz

ZeitÜbertragungskanal 1

Übertragungskanal 2

Übertragungskanal 3

Übertragungskanal 4

Übertragungskanal 5

Schutzbänder

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Eignung des FrequenzmultiplexEignung des Frequenzmultiplex

Modulatoren Demodulatoren

Frequenzgemisch

Modulationen von f1, f2, f3

BST1

BST2

BST3

Träger f1

Träger f2

Träger f3

Filter f2

Filter f3

Filter f1 BST1

BST2

BST3

Schema der technischen Realisierung eines Frequenz-MultiplexsystemsBSTx = Bitstrom x

Das FrequenzmultiplexverfahrenFrequenzmultiplexverfahren (FDM= (FDM= FrequencyFrequency

Division Division MultiplexingMultiplexing)) ist für analoge Daten und schwingungsmodulierte digitale Daten geeignet.

Anwendung z. B. Funk-/Satellitentechnik

(überlagert)

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Über

tragu

ngsk

anal

1

Über

tragu

ngsk

anal

2

Über

tragu

ngsk

anal

3

Über

tragu

ngsk

anal

4

Über

tragu

ngsk

anal

1

Starres ZeitmultiplexStarres ZeitmultiplexDie gesamte Die gesamte ÜÜbertragungskapazitbertragungskapazitäät (die ganze verft (die ganze verfüügbare Bandbreite) gbare Bandbreite) wird kurzzeitig (Zeitschlitz, Zeitscheibe) einer Senderwird kurzzeitig (Zeitschlitz, Zeitscheibe) einer Sender--EmpfEmpfäängernger--Kombination zur VerfKombination zur Verfüügung gestellt.gung gestellt.Nach einer Schutzzeit wird dann die KapazitNach einer Schutzzeit wird dann die Kapazitäät des t des ÜÜbertragungsweges bertragungsweges dem ndem näächsten Kanal zugeteilt.chsten Kanal zugeteilt.Diese zeitlich gestaffelte Diese zeitlich gestaffelte ÜÜbertragung mehrerer Signalstrbertragung mehrerer Signalströömemewird als Zeitmultiplex (TDM = wird als Zeitmultiplex (TDM = TTime ime DDivision ivision MMultiplexingultiplexing) bezeichnet.) bezeichnet.

Nutzung der Übertragungskapazität im Zeitmultiplex

Frequenz

Zeit

Schutzzeiten

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Zeitmultiplex nur fZeitmultiplex nur füür zeitdiskrete Signale einsetzbar r zeitdiskrete Signale einsetzbar (bevorzugt zeit(bevorzugt zeit-- und wertdiskrete Signale = Digitalsignale)und wertdiskrete Signale = Digitalsignale)

Festes Zeitmultiplex mit starrer Zeitscheibenzuteilung. Festes Zeitmultiplex mit starrer Zeitscheibenzuteilung. ÜÜbertragungseinheit z. B. ein Bit, ein Byte (Oktett).bertragungseinheit z. B. ein Bit, ein Byte (Oktett).Jedem Sender wird periodisch eine Jedem Sender wird periodisch eine Zeitscheibe (time Zeitscheibe (time slotslot, time , time sliceslice))TC1, TC2....TCn zugeteilt. TC1, TC2....TCn zugeteilt. Sender, Abtaster und Sender, Abtaster und DetektionsmechanismusDetektionsmechanismus beim Empfbeim Empfäänger laufen im nger laufen im gleichen Takt: synchrone Zeittaktgleichen Takt: synchrone Zeittakt--StabilitStabilitäät wichtig!t wichtig!

Eignung des starren ZeitmultiplexEignung des starren Zeitmultiplex

Sender Empfänger

Bitstrom 1

Bitstrom 2

Bitstrom 3

1

2

3

t 2

Bitstrom 1

Bitstrom 2

Bitstrom 3

t 2TCTC11 TCTC33 TCTC22 TCTC11 2

3

1

Zeitgleich (synchron) laufende Abtaster

t 1

t 3

t 1

t 3

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Anforderungsgesteuertes ZeitmultiplexAnforderungsgesteuertes Zeitmultiplex

Zeitscheiben werden nicht fest, sondern bei Bedarf dem Sender zuZeitscheiben werden nicht fest, sondern bei Bedarf dem Sender zugeteilt.geteilt.EmpfEmpfäänger kann nicht mehr aus der Zeitlage der Zeitscheiben die Herkunger kann nicht mehr aus der Zeitlage der Zeitscheiben die Herkunft nft (Zuordnung zu unterschiedlichen Sendern) identifizieren!(Zuordnung zu unterschiedlichen Sendern) identifizieren!Somit wird eine Kennung erforderlich (Adresse, Kennzahl, usw.).Somit wird eine Kennung erforderlich (Adresse, Kennzahl, usw.).

Schematischer Aufbau eines Schematischer Aufbau eines ÜÜbertragungsblocks mit Kennungbertragungsblocks mit Kennung

Das anforderungsgesteuerte Zeitmultiplex (Das anforderungsgesteuerte Zeitmultiplex (demanddemand multiplexingmultiplexing) wird ) wird auch als auch als statistisches Zeitmultiplex (STDM = statistisches Zeitmultiplex (STDM = SStatisticaltatistical TTime ime DDivision ivision MMultiplexingultiplexing) ) bezeichnet.bezeichnet.Durch die Notwendigkeit der Kennung wird STDM als (Durch die Notwendigkeit der Kennung wird STDM als (ÜÜbertragungsbertragungs--) ) Blockmultiplexverfahren eingesetzt.Blockmultiplexverfahren eingesetzt.

ÜbertragungAdresseAdresseInhaltInhalt

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Schema des anforderungsgesteuerten ZeitmultiplexSchema des anforderungsgesteuerten Zeitmultiplex

Schema der technischen Realisierung des statistischen BlockmultiplexSehr unterschiedliche Zuteilungsstrategien für den gemeinsam genutzten Übertragungsweg

Bitstrom 1

Bitstrom 2

Pufferxxxxx

Ü-Block an

Ü-Block bn

Pufferxxxxx

Pufferxxxxx

Pufferxxxxx

Bitstrom 1

Bitstrom 2

Ü-Block a2

Ü-Block a1

Ü-Block b1

Übertragungskanal (Bus)

SenderA

EmpfängerC

B DD C C

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CDMA CDMA --

Code Division Multiple Access Code Division Multiple Access --

PrinzipPrinzipPrinzipPrinzip::

alle Sender nutzen das gleiche Frequenzband und senden gleichzeitig;Signal wird auf der Senderseite mit einer für den Sender eindeutigen Pseudozufallszahl verknüpft (XOR);Empfänger kann mittels bekannter Sender-Pseudozufallsfolge und einerKorrelationsfunktion das Originalsignal restaurieren.

NachteilNachteil: : höhere Komplexität der Implementierung wg. Signalregenerierung

VorteileVorteile: : ☺

alle können auf der gleichen Frequenz senden

keine Frequenz-/Zeitscheibenplanung nötig

sehr großer Coderaum (z.B. 232) im Vergleich zum Frequenzraum

Störungen (weißes Rauschen) nicht kodiert

Vorwärtsfehlerkorrektur und Verschlüsselung leicht integrierbar

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CDMA CDMA --

Code Division Multiple AccessCode Division Multiple Access

A/D x HF-Modulator

Pseudozufalls-zahlengeneratorpersönliche,

eindeutige Kennung

(rückgekoppeltesSchieberegister)

Analog-Digital-Wandler

HF-Demodulator A/D x

Pseudozufalls-zahlengenerator

D/AAnalog-Digital-Wandler

Digital-Analog-Wandler

Sender

Empfänger

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Digitale Digitale ÜÜbertragung analoger Datenbertragung analoger DatenÜÜbertragung analoger Daten (dargestellt durch analoge Signale)bertragung analoger Daten (dargestellt durch analoge Signale)üüber digitale ber digitale ÜÜbertragungssysteme erfordert:bertragungssysteme erfordert:

Digitalisierung der analogen Daten/SignaleDigitalisierung der analogen Daten/Signale

A/DA/D--

und D/Aund D/A--Umsetzungen zur Umsetzungen zur ÜÜbertragung analoger Signalebertragung analoger Signaleauf digitalen auf digitalen ÜÜbertragungssystemenbertragungssystemen

analog analog digitaldigitalwertkontinuierlich wertkontinuierlich →→

wertdiskretwertdiskret

==

QuantisierungQuantisierung

zeitkontinuierlich zeitkontinuierlich →→

zeitdiskretzeitdiskret

==

Abtastung Abtastung

Sender Empfängerdigitales Übertragungssystem

Analog-signal Digitalsignal

Analog-signalAnalog-

Digital-Umsetzung

Digital-Analog-

Umsetzung

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QuantisierungQuantisierung

Der gesamte Wertebereich des Analogsignals wird in eine endlicheDer gesamte Wertebereich des Analogsignals wird in eine endliche

Anzahl Anzahl von Intervallen (von Intervallen (QuantisierungsintervallenQuantisierungsintervallen) eingeteilt, denen jeweils ein ) eingeteilt, denen jeweils ein fester diskreter Wert zugeordnet wird.fester diskreter Wert zugeordnet wird.

QuantisierungsfehlerQuantisierungsfehler: : Da alle in ein Da alle in ein QuantisierungsintervallQuantisierungsintervall

fallenden fallenden Analogwerte nur Analogwerte nur einemeinem

diskreten Wert zugeordnet werden, entsteht ein diskreten Wert zugeordnet werden, entsteht ein

QuantisierungsfehlerQuantisierungsfehler..

QuantisierungsintervallQuantisierungsintervall

ffüür die Zuordnung eines diskreten Wertes zu allen r die Zuordnung eines diskreten Wertes zu allen z.B. zwischen + a/2 und z.B. zwischen + a/2 und --

a/2 liegenden Werten einer a/2 liegenden Werten einer

Analogdarstellung (andere Zuordnungen denkbar)Analogdarstellung (andere Zuordnungen denkbar)RRüückwandlung: Beim Empfckwandlung: Beim Empfäänger wird ein Analogwert rnger wird ein Analogwert rüückgewandelt ckgewandelt

(Digital(Digital--Analog Umsetzung), der dem in der Mitte des Analog Umsetzung), der dem in der Mitte des QuantisierungsintervallsQuantisierungsintervalls

liegenden Analogwert entspricht (maximaler liegenden Analogwert entspricht (maximaler

QuantisierungsfehlerQuantisierungsfehler

==

a/2a/2))

obere Entscheidungsgrenze

untere Entscheidungsgrenze

Quantisierungs-intervallgröße a

a/2

a/2a

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CodierungCodierungDie Die QuantisierungsintervalleQuantisierungsintervalle

werden durch die Zuordnung eineswerden durch die Zuordnung eines

--

im Prinzip frei wim Prinzip frei wäählbaren hlbaren --

(Bin(Binäärr--) Codes gekennzeichnet) Codes gekennzeichnetund unterschieden.und unterschieden.

GrundideeGrundidee: : Anstelle des ursprAnstelle des ursprüünglichen Analogsignals wirdnglichen Analogsignals wirddie die --

mit dem mit dem QuantisierungsfehlerQuantisierungsfehler

behaftete behaftete --

digitale Dardigitale Dar--

stellungstellung

üübertragen.bertragen.

Beim PCM (siehe weiter hinten) wird ein reiner BinBeim PCM (siehe weiter hinten) wird ein reiner Binäärcode (Darstellung rcode (Darstellung als Binals Binäärzahl) als Codierung des Digitalwertes gewrzahl) als Codierung des Digitalwertes gewäählt.hlt.

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AbtastungAbtastung

FFüür die r die ZeitdiskretisierungZeitdiskretisierung mumußß eine Abtastung der eine Abtastung der AnalogverlAnalogverlääufe erfolgen. Praktisch wichtig ist die periodische ufe erfolgen. Praktisch wichtig ist die periodische Abtastung. Der zum Abtastzeitpunkt vorliegende MomentanAbtastung. Der zum Abtastzeitpunkt vorliegende Momentan--Wert des Analogsignals wird der AnalogWert des Analogsignals wird der Analog--DigitalDigital--Umsetzung Umsetzung unterworfen.unterworfen.

Abtastung und Abtastung und QuantisierungQuantisierung sind voneinander unabhsind voneinander unabhäängig ngig zu betrachten. Eine exakte Rekonstruktion des Zeitverlaufs zu betrachten. Eine exakte Rekonstruktion des Zeitverlaufs (bzw. des Frequenzspektrums) sagt nichts (bzw. des Frequenzspektrums) sagt nichts üüber den ber den Fehlergrad bei der Fehlergrad bei der SignalwertdiskretisierungSignalwertdiskretisierung. .

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AbtasttheoremAbtasttheorem

Abtasttheorem von Shannon und Raabe (1939)Abtasttheorem von Shannon und Raabe (1939)

Zur fehlerfreien Rekonstruktion des Signalverlaufs der abgetasteten Analogsignale ist eine Mindestabtasthäufigkeit (Abtastfrequenz fA

) erforderlich (bei periodischem Abtastzyklus).

Abtasttheorem: Eine Signalfunktion, die nur Frequenzen im Frequenzband B (bandbegrenztes Signal) enthält, wobei B gleichzeitig die höchste Signalfrequenz ist, wird durch ihre diskreten Amplitudenwerte im Zeitabstand t0 = B/2 vollständig bestimmt.

Andere Formulierung: Die Abtastfrequenz fA

muß

mindestens doppelt so hoch sein wie die höchste im abzutastenden Signal vorkommende Frequenz fS

.

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PulsePulse--CodeCode--ModulationsModulations--TechnikTechnikDie Zusammenfassung der SchritteDie Zusammenfassung der Schritte

Abtastung Abtastung --

QuantisierungQuantisierung

--

CodierungCodierungund die Darstellung der gewonnenen Codewund die Darstellung der gewonnenen Codewöörter als digitale rter als digitale Basisbandsignale am Ausgang des PCMBasisbandsignale am Ausgang des PCM--A/DA/D--Umsetzers und Umsetzers und CodierersCodierers

ist Grundlage der im groist Grundlage der im großßen Umfang eingesetzten en Umfang eingesetzten

digitalendigitalenPCMPCM--Technik.Technik.

Die A/DDie A/D--Umsetzung (Umsetzung (Abtastung/QuantisierungAbtastung/Quantisierung) und Codierung ) und Codierung sowie die Rsowie die Rüückkonvertierung erfolgt im sogenanntenckkonvertierung erfolgt im sogenannten

CODEC (CODEC (CoCodierer/dierer/DecDecodiererodierer).).

Umsetzung von Analogsignalen in PCMUmsetzung von Analogsignalen in PCM--Signale und RSignale und Rüückkonvertierung durch CODECckkonvertierung durch CODEC´́s.s.

Analog-signale PCM-Signale Analog-

signaleCODEC CODEC

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PCMPCM--Fernsprechkanal Fernsprechkanal --

AbtastungAbtastung

AusgangspunktAusgangspunktAnaloger ITU-Fernsprechkanal, Frequenzlage 300 –

3400 Hz,

Bandbreite 3100 Hz, höchste vorkommende Frequenz 3400 HzAbtastfrequenzAbtastfrequenz

ITU-empfohlene Abtastfrequenz für PCM-Fernsprech-DigitalisierungffAA

= 8 kHz= 8 kHzAbtastperiodeAbtastperiode

TA = 1/fA

= 1/8000Hz = 125 μs

Die ITU gewählte Abtastfrequenz ist höher als nach Shannon-Abtasttheorem erforderlich (3400 Hz obere Bandgrenze ergibt 6800 Hz Abtastfrequenz).Für die höhere Abtastfrequenz sprechen technische Gründe (Filtereinfluß, Kanaltrennung usw.).

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Wiederholung: Frequenzspektrum eines SignalsWiederholung: Frequenzspektrum eines SignalsBandbegrenztes SignalBandbegrenztes Signal: Signale k: Signale köönnen ein "natnnen ein "natüürlich" begrenztes rlich" begrenztes -- meist meist kontinuierlicheskontinuierliches-- Frequenzspektrum umfassen oder durch technische Frequenzspektrum umfassen oder durch technische Mittel auf einen Ausschnitt ihres Spektrums begrenzt werden (BanMittel auf einen Ausschnitt ihres Spektrums begrenzt werden (Bandbreite).dbreite).

Kontinuierliches - akustisches - Frequenzspektrum der menschlichen Stimme und Brandbreite des analogen ITU-Standardtelefonkanals

Energie (dB)

Frequenz (Hz)

40

30

20

10

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000

300 Hz 3400 Hz3100 Hz ITU-Standard-Telefonkanal

dB: Dezibel

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PCMPCM--Fernsprechkanal Fernsprechkanal --

QuantisierungQuantisierung

AmplitudenquantisierungAmplitudenquantisierungZahl der benötigten Quantisierungsintervalle wird bei der akustischen Sprachkommunikation (Fernsprechen) durch den Grad der Silben-verständlichkeit beim Empfänger bestimmt.Mit "Sicherheitszuschlag" wurden 256 Quantisierungsintervallegenormt.Bei binärer Codierung reichen dafür 8 Bit Codwortlänge aus:

2288

= 256= 256Die Übertragungsgeschwindigkeit (Bitrate) für einen digitalisierten Fernsprechkanal ergibt sich somit wie folgt

BitrateBitrate

==

AbtastfrequenzAbtastfrequenz

••

CodewortlCodewortläänge nge kbit/skbit/s

==

8000/s8000/s

••

8 8 bitbit

64kbit/s64kbit/sk(kilok(kilo) = 1000 !) = 1000 !

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UngleichfUngleichföörmige rmige QuantisierungQuantisierungBei gleichfBei gleichföörmiger rmiger QuantisierungQuantisierung sind alle Intervalle gleich grosind alle Intervalle gleich großß und von und von der Grder Größöße des Momentanwerts des Signals unabhe des Momentanwerts des Signals unabhäängig.ngig.QuantisierungsfehlerQuantisierungsfehler machen sich bei gleichfmachen sich bei gleichföörmiger rmiger QuantisierungQuantisierung bei bei kleinen Signalwerten sehr stark bemerkbar (kleinen Signalwerten sehr stark bemerkbar (QuantisierungsrauschenQuantisierungsrauschen). ). Bei ungleichfBei ungleichföörmiger rmiger QuantisierungQuantisierung sind die sind die QuantisierungsintervalleQuantisierungsintervalle bei bei grogroßßer Signalamplitude grer Signalamplitude größößer und bei kleiner Amplitude kleiner als im er und bei kleiner Amplitude kleiner als im gleichfgleichföörmigen Fall.rmigen Fall.

Kompressor: Die ungleichförmige Intervallgröße wird durch einen dem Quantisierer vorgeschalteten (Signal-) Kompressor erzielt.Expander: Auf der Empfangsseite wird in inverser Funktion ein Expander eingesetzt. Wiederherstellung der ursprünglichen Größenverteilung der Signale (Dynamik der Signale).Kompander: Kombination von Kompressor und Expander.

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13 Segment13 Segment--KompressorkennlinieKompressorkennlinie

11/2-1 -1/2

17…32

33…48

49…64

65…80

113…128

1

16

Nummer des Quantisierungs-

intervalls

1/41/81/161/32

Normierte Amplitude des Eingangssignals

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Normierte Amplitude des Eingangssignals

Normierte Amplitude des AusgangssignalsKompressorkennlinie

1 -1

1

-1

Kompressorkennlinie Kompressorkennlinie --

PrinzipPrinzip

1101110Kompre

ssor

0

0

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Zusammenhang Zusammenhang zwischen zwischen Abtastung, nicht Abtastung, nicht gleichfgleichföörmiger rmiger AmplitudenAmplituden--

quantisierungquantisierung und und

BinBinäärcodierung rcodierung der der QuantisierungsQuantisierungs--

intervalleintervalle

Zusammenhang bei der PCMZusammenhang bei der PCM--TechnikTechnik

U

4096

2048

1024

5122560512

1024

2048

4095

t1 t2t3

t

Probenentnahme(Zeitquantisierung)

Codierung

27 26 25 24 23 22 21 20

0 1 1 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0

1 1 0 1 1 1 0 1

0 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1

Amplituden-quantisierung

0 1 1 1 0 0 0 0

P S Q

1 1 1 1 0 0 0 0

P: PolaritätS: SegmentcodeQ: Quantisierungscode

Rahmen = 125 µs Rahmen = 125 µs

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PCMPCM--SystemeSysteme

Die praktische Gestaltung technischer PCM-Systeme wird durch das Fernsprechen bestimmt (obwohl grundsätzlich jede Art analoger - nach Digitalisierung - und digitaler Daten unter Verwendung digitaler PCM Übertragungssysteme übertragbar ist).

Praktisch eingesetzte PCM-Systeme bauen im Übertragungsbereich auf der Mehrfachnutzung der Übertragungswege durch Zeitmultiplexverfahren auf.

Doppelbedeutung von PCM:

Spezielles Umsetzverfahren für analoge Signale

Starres Zeitmultiplexverfahren für Fernübertragung

Aus historischen Gründen hat ITU zwei PCM-Übertragungssysteme genormt.

Behandelt wird das für die deutsche Telekom AG verbindliche CEPT-System.

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PCMPCM--Multiplexsysteme Multiplexsysteme --

ParameterParameterFFüür jedes System sind Systemparameter festzulegen, z.B.:r jedes System sind Systemparameter festzulegen, z.B.:kleinste Übertragungseinheit pro Zeitabschnitt (Bit, Byte, n-bit-Wort, Block)Häufigkeit der Zeitscheibenzuteilung an einen ÜbertragungskanalSynchronisierhilfenMelde- und Signalisierdaten

Struktur des genormten PCMStruktur des genormten PCM--30 Kanalgrundsystems der Deutschen 30 Kanalgrundsystems der Deutschen Telekom AG:Telekom AG:pro Zeitscheibe: 8 bitÜbertragungszeit pro Kanal: ca. 3,9µsVerschachtelungsgrad ( die Periode ): 32 Kanäle

Als Als ÜÜbertragungseinheit der Multiplexstruktur ist die 32 Kanalstruktubertragungseinheit der Multiplexstruktur ist die 32 Kanalstruktur r aufzufassen, sie wird aufzufassen, sie wird Pulsrahmen (pulse Pulsrahmen (pulse frameframe, , frameframe) ) genannt.genannt.

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PCMPCM--Multiplexsysteme Multiplexsysteme --

RahmenstrukturRahmenstruktur

Die 32 Zeitabschnitte sind mit 0 bis 31 numeriert. Ein Abschnitt ist ca. 3,9 μs lang. Die gesamte Rahmendauer ist bei PCM30 mit 125 Mikrosekunden genormt.Im Zeitabschnitt 0 werden abwechselnd Rahmenkennworte (u.a. zur Rahmenidentifizierung, Synchronisierung) und Meldeworte (u.a. zur Überwachung der Digitalsignalleitung) übertragen.Der Kennzeichenabschnitt 16 dient zur Übertragung vermittlungstechnischer Daten, wie Wählzeichen usw.Die 30 übrigen Zeitabschnitte nehmen jeweils 8 bit (einen Abtastwert) eines 64kbit/s digitalen Fernsprechsignals auf; daher der Name PCM30.Feste Zuordnung des Platzes im Rahmen für eine 64kbit/s Fernsprechverbindung. Reservierung beim Verbindungsaufbau (“Wählverbindung”).

HinweisHinweis: Anstelle von Fernsprechsignalen k: Anstelle von Fernsprechsignalen köönnen beliebige andere nnen beliebige andere digitalisierte analoge und digitale Daten in Einheiten von 8 digitalisierte analoge und digitale Daten in Einheiten von 8 bitbit üüber ein ber ein digitales PCMdigitales PCM--System System üübertragen werden! bertragen werden!

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Pulsrahmen des Systems PCM 30Pulsrahmen des Systems PCM 30

ZeitabschnittNummer

0 1 2 15 16 17 30 31

X 0 0 1 1 0 1 1

X 1 D N Y Y Y Y

0,49µs

Rahmenkennungswortin den Rahmen Nr. 1, 3, 5, ...

Meldewortin den Rahmen Nr. 2, 4, 6, ...

D Meldebit für dringenden AlarmN Meldebit für nicht dringenden AlarmX für internationale Verwendung reservierte BitsY für nationale Verwendung reservierte Bits

Kennzeichenübertragung

8 Bit

Codierte Fernsprech-signale 1 bis 15

Codierte Fernsprech-signale 16 bis 30

3,9µs

125µs

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ÜÜber PCM 30 hinausfber PCM 30 hinausfüührende Systemehrende SystemeZeitmultiplex wie in PCM 30 kann auch für mehr Kanäle genutzt werden (z.B. PCM 120)Plesiochrone Digitale Hierarchie (PDH)

hierarchisches ZeitmultiplexSchwankungen der Rate werden durch Stopfbits kompensiert

Synchrone Digitale Hierarchie (SDH)synchrone 125µs RahmenGrundrate von 155,52 Mbit/s, Vielfache hiervon werden unterstützt

MUX MUX MUX32x64 kbit/s= 2,048 Mbit/s

8,448 Mbit/s 34,368 Mbit/s 139,264 Mbit/s

MUX = Multiplexer

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Zusammenfassung: SignalkonversionenZusammenfassung: SignalkonversionenAnalog Analog Analog:Analog:

“Dampf”-Telefon ( englisch: POT = Plain Old Telephone )Heutiger (analoger) Rundfunk

Analog Analog Digital:Digital:PCM-KonversionDigitale Telefonie

Digital Digital Analog:Analog:Digitaldatenübertragung über analoges Fernsprechnetz (MODEM-Technik)Übertragung digitaler Daten mittels Funk-/Satellitentechnik

Digital Digital Digital:Digital:Leitungscodierung im Basisbandverfahren

Mehrere Signalkonversionen kMehrere Signalkonversionen köönnen hintereinander ausgefnnen hintereinander ausgefüührt werdenhrt werden(wobei Analog(wobei Analog Analog und AnalogAnalog und Analog Digital nie verlustfrei ist).Digital nie verlustfrei ist).