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Basisbandübertragung

© Roland Küng, 2013

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Intro Datenübertragung

Wo ist der Anfang?Wieviele Daten sind es?Wieviel Filterung erlaubt ?Welches Spektralband belegt?

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Blockbild DEE - DÜESender

Empfänger

z.B. Computer

Taktgenerator

Verstärker Zusatzbitsfür Rahmen,Sicherung etc.

Puls-formung

Verstärker/Leitungs-anpassung

Quelle

Taktableitung

EntzerrerAGC-Verstärker

Filter Entscheider Leitungs-decodie-rung

Rahmen- undSicherungs-bitsauswerten

Schnittstellezur Senke

Senke

z.B. Terminal

Takt

Daten

Daten

Takt

Leitung

Leitung

Fig. 6.2 Blockschema eines digitalen Übertragungssystems

Leitungs-codierung

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Rahmen strukturiert Datenstrom

1 01 1 1 0 0 0 1. Byte 2.Byte

1 01 1 1 0 0 0n. Byte(n-1).Byte.........

.........

1. Byte ...

Rahmensynchronwort

Jedes Byte besteht aus k Nutzbits und m Sicherungsbits

Der Rahmen ist die Gesamtheit aller Bits von einem Rahmensynchronwort bis zum nächsten

Bsp.: Der Ethernet-Datenrahmen (Frame) besteht aus drei Teilen: Header (Kopf) Daten Trailer (Abschluss)

Allg.

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Rahmen-Synchronwort

Präambel zur Synchronisation z.B.:

• Codeworte mit Codierverletzung wie 11101000 beim Biphase-Mark Code mit den Eigenschaften: max. 2 gleiche Symbole nacheinander Anwendung: Magnetstreifen auf EC Karte

• Bitwechsel 0101010101… gefolgt von Start of Frame Delimiter Anwendung: Ethernet, POCSAG Pager

• Pseudo Random Bitfolgen mit guter Autokorrelationsfunktion (AKF) wie Barkercode, m-Sequenzen Anwendung: Barker Code L = 11 wird genutzt als Rahmensynchronisation in der ISDN U-Schnittstelle und im 802.11b WLAN als Bit-Code

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Rahmen-Synchronwort

BekannteBarker CodesRN

For k = -N to +N do:• Shift RN k bit• Plot AKF(k)

Aperiodische Autokorrelationsfunktion (AKF)

ZeitverlaufR7

0 0 1 1 1 -1 -1 1 -1 0 0 0 0

0 0 0 0 1 1 1 -1 -1 1 -1 0 0

AKF(-2) = -1

Note: „0“ Pegel zu klein für Entscheider Komparatoren

7

0-1

-7 0 7

1kN

0ikjixx)k(AKF

R7

7

Empfänger Taktrückgewinnung

t

u

u

u

regeneriertes digitales Signal

zurückgewonnener Takt

gefiltertes Empfangssignal

t

t

Problem wenn:• Signal nicht digital vorliegt• Signal verrauscht ist• keine Taktleitung vom Sender vorhanden ist• Lange “1” oder “0” Sequenzen gesendet werden

Frage: wann Empfangssignal abtasten ?

Einfach, wenn Taktleitung vorhanden ist: Flanke

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DC oder AC Verbindung

, ZW , ZW

Differentielle Übertragung, Zwischentrafo, AC-Kopplungen:

Hat die Leitung Bandpass Charakter odersind DC-Transienten im Signal unerlaubt/unerwünscht

Wahl eines Signalspektrum mit Nullstelle bei DC

Frage: wie spektral formen?

z.B. Sub-Carrier modulieren

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Signal: Zeit - Spektrum

Wichtigste Beispiele: Cosinussignal und das allg. Rechtecksignal

Darstellung als 2-seitiges Linienspektrum(nur rechte Hälfte gezeichnet)

Beides ist gleich wichtig !

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Digitale Daten

Problem: Synchronisation ohne separate Verbindung für Taktsignal erschwert Spektralanteil bei Taktfrequenz R fehlt und damit jede Information darüber !

R=1/T

Bitrate R = Taktfrequenz

Zufällige binäre Daten: Bitrate R = Daten Rate Symbolrate S = Zeichenrate auf Leitung

T

Def:

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Spektrale Resourcen

Bandbreite spielt eine Rolle: • bei Systemen mit Frequenzkanal Raster • bei ‘hohen’ Datenraten Grenze durch den Kabelfrequenzgang gegeben

X verschiedene Leitungscodes haben sich etabliert

T = const

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Unipolar / NRZ (NRZ-L)

1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0

Datenfolge

Einsfolget

Nullfolge

0

1

0

1

0

1

• Nicht Mittelwert frei• Keine Taktflanken bei langen “1” oder “0” Folgen

NRZ = Non Return to Zero

Mark

Space

Beispiel: TTL

Bitdauer T = 1/Bitrate R Symbolrate S = Bitrate R

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Polar / NRZ

• Nicht Mittelwert frei, ausser “1” und “0” gleich häufig vorkommend• Keine Taktflanken bei langen “1” oder “0” Folgen

Note 1: Polar Prinzip ist bei praktisch allen Codes anwendbarNote 2: Polar ist nicht gleich Bipolar (siehe ternäre Codes)

1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0

Datenfolge

Einsfolget

Nullfolge

-1

1

-1

1

-1

1

Beispiel: RS-232

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NRZ Mark Code (NRZ-M)

• Differentielle Leitungen bergen Gefahr der Adernvertauschung Ansatz: IF Mark THEN Change

• Aber Taktkomponente (auch bei “1” Folge) fehlt im Spektrum immer noch

1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0

0

1

0

1

0

1

Datenfolge

Einsfolget

Nullfolge

Beispiel: USB, FDDI

Vorschrift:Bei „1“ Wechsel

• Analog dazu gibt es den NRZ Space Code (NRZ-S)

M: Mark = 1

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Spektrum NRZ Code

NRZ-L: Non Return to Zero-Level (z.B. RS-232)NRZ-I: Non Return to Zero Inverted Encoded: NRZ-M und NRZ-S eliminiert Vorzeichen Unsicherheit bei differentiellen Ltg. (z.B. USB)

Nicht geeignet für z.B. Telefonkanäle: 300 Hz – 3400 Hz

Data Rate = R = SMan kann zeigen, dass folgende Bandbreite ausreicht:Bmin = R/2

f/R

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RZ Mark Code (RZ-M)

• Lösung für das Taktrückgewinnungsproblem (Präambel mit “1” Folge)

• Pulsdauer ist nun T/2 Spektrum sinx/x hat Nullstelle somit bei 2/T = 2R

• Nachteile: Mehr Spektrum benötigt und Problem langer Nullfolgen ungelöst

1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0

0

1

0

1

0

1

Datenfolge

Einsfolget

Nullfolge

Return to Zero

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BiPhase, Manchester Code

1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0

0

1

0

1

0

1

Datenfolge

Einsfolget

Nullfolge

• Zur Übertragung einer logischen Eins wird der Pegel 1 während der ersten Hälfte des Bits gesendet und der Pegel 0 während der zweiten Hälfte, bei einer logischen Null ist es gerade umgekehrt

• Signal weist Phasenmodulation auf (Shift ½ Bit) Jitter

• Immer eine Flanke vorhanden: Taktrückgewinnung (Frequenz und Phase) möglich z.B. PLL Technik auf doppelter Bittakt-Frequenz

Beispiel: Ethernet

S = 2 R Bmin = R

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Spektrum RZ Codes

ist selbst-synchronisierend

R = Data RateS = 2 RBmin = R

f/R

Bsp: Bipolar RZ

Familien: Polar-RZ, Bipolar-RZ, (Manchester)

Takt

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Clock Recovery

Möglichkeiten: • Periodisch Sync Sequenzen einfügen und damit stabile Takt-Quellen (VCXO) regeln• Überabtasten und periodisch AKF Präambel bestimmen (Bit- und Byte-Takt)• Laufende Regelung (Tracking) mit PLL Technik auf Spektralanteil bei Taktfrequenz

Problematik: Bandbreite, Noise, Jitter

Gewinnung Spektralanteil Takt mit Flankendetektor

Takt

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Clock Recovery

Taktregeneration mit sehr schmalem Bandass zur Jitter Reduktion:

NRZ: Problematisch. Scrambler vorteilhaft gegen lange 0 bzw. 1 Sequenzen RZ: Einfach. Extrahierter Clock durch 2 teilen, auch für Manchester geeignet

• Puls auf jeder Flanke• BP eliminiert Jitter und überbrückt fehlende Flanken

PLL

Taktregeneration mit PLL zur Jitter Reduktion:

Multiplier: EXOR

Short

• Puls aus jeder Flanke• LF eliminiert Jitter und überbrückt fehlende Flanken

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Bipolar: AMI-NRZ Code

1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0

Datenfolge

Einsfolget

Nullfolge

-1

1

-1

1

-1

1

0

0

0

Alternate Mark Inversion Ziel: Gleichspannungsfreiheit

Pseudo Ternärer Code: 1, 0, -1 sind mögliche Zustände• Für Space wird nichts gesendet, für Mark abwechselnd 1 und -1• Taktrückgewinnung nur falls AMI RZ verwendet wird

Beispiel: Erste Generation PCM Netzwerke

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Multi-Level: Ternäre Codes

Abbildung von n Bit auf m Symbole Ziel: Verminderte Bandbreite

1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0

Datenfolge

Einsfolget

Nullfolge

-

+

-

+

-

+

0

0

0

1

Binär b1 0 0 0 0 1 1 1 1

n = 3 b2 0 0 1 1 0 0 1 1

b3 0 1 0 1 0 1 0 1

Ternär t1 - 0 - - + + 0 +

m = 2 t2 - - 0 + - 0 + +

Vorschrift für3B2T Code

ISDN, DSL Kandidat

S = 2/3 R

3 Bit

2 Symbole

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Multi-Level: Quarternäre Codes

2B1Q: ISDN Basisanschluss Teilnehmer Halbe Schrittgeschwindigkeit, weniger Spektrum, geringere Dämpfung

Abbildung von n Bit auf m Symbole Ziel: Verminderte Bandbreite

Input Output

S = ½ R

Hier beginnt die Familie der PAMPulse AmplitudeModulation

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Spektrum Bipolar / Multilevel Codes

Hilfreiche Codes bei bandbegrenzten Übertragungsleitungen:ISDN, DSL, TF

Data Rate R SBmin < R

f/R

Leitung darf Trafooder kapaz. Kopplung haben

Note:AMI: 0 = no line signal, 1 = alternatingPseudoternary: 1 = no line signal, 0 = alternating

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Spektraler Vergleich Bsp. ISDN

Vergleich 2B1Q für ISDN Basisanschluss Teilnehmer mit anderen Codes144 kBit/s

Manchester

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NRZ-to-NRZI

NRZI-to-NRZ

4B/5B-Encoding

Scrambling

MLT3-Encoding

Treiber

NRZI-to-NRZ

NRZ-to-NRZI

4B/5B-Decoding

Descrambling

MLT3-Decoding

Empfänger

25 MNibbles/s

125 Mb/s

typ. -1V, 0V, 1V

B < 31.25 MHzpseudoternär

Bsp. Fast Ethernet

NRZI: NRZ invert on “1”

4 Bit 5 Bit SymbolNulllänge begrenzt, DC frei

100 Mb/s

3 Level Codierung MLT3 Bandbreite vermindern (see next slide)

Wie man 100 Mbit/s mit 31.25 MHz Bandbreite DC frei übertragen kann

Note: NRZI (USB, Ethernet, FDDI)

100BASE-FX

100BASE-TX

Nibble = 4 Bit

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MLT-3 im Fast Ethernet

MLT-3 durchläuft die Spannungslevel -1, 0, +1Um eine “1” zu übertragen wird die State Machine weiter geschaltetFür eine Null bleibt sie im selben Zustand

Worst case: simulated as an analog signal with period = 4 times the bit duration ( frequency = ¼ bit rate)

Data Rate = R = SB = R/4…R/3

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Systematik

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Systematik: Beispiel

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Summary of line coding schemes

R = Datenrate bzw. Bitrate

B = R/2

B = R/2

B = R/2

B = R/2

B = R

B = R/4

B = 3R/4

B = R/3

B = R/8

, RZPolar