Basisbandbertragung Roland Kng 2013 1 Intro Datenbertragung Wo

Basisbandübertragung © Roland Küng, 2013 1

Intro Datenübertragung Wo ist der Anfang? Wieviele Daten sind es? Wieviel Filterung erlaubt ? Welches Spektralband belegt? 2

Blockbild DEE - DÜE 3

Rahmen strukturiert Datenstrom Allg. Bsp. : Der Ethernet-Datenrahmen (Frame) besteht aus drei Teilen: Header (Kopf) Daten Trailer (Abschluss) 4

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 010101… 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. 11 b WLAN als Bit-Code 5

Rahmen-Synchronwort R 7 Bekannte Barker Codes RN R 7 7 Zeitverlauf For k = -N to +N do: • Shift RN k bit • Plot AKF(k) 0 -1 -7 0 0 0 1 1 1 -1 -1 1 0 0 1 1 1 -1 0 -1 -1 1 0 0 0 -1 0 0 AKF(-2) = -1 7 Aperiodische Autokorrelationsfunktion (AKF) Note: „ 0“ Pegel zu klein für Entscheider Komparatoren 6

Empfänger Taktrückgewinnung Einfach, wenn Taktleitung vorhanden ist: Flanke 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 ? 7

DC oder AC Verbindung Differentielle Übertragung, Zwischentrafo, AC-Kopplungen: Hat die Leitung Bandpass Charakter oder sind DC-Transienten im Signal unerlaubt/unerwünscht Wahl eines Signalspektrums mit Nullstelle bei DC Frage: wie spektral formen? z. B. Sub-Carrier modulieren 8

Signal: Zeit - Spektrum Beides ist gleich wichtig ! Wichtigste Beispiele: Cosinussignal und das allg. Rechtecksignal Darstellung als 2 -seitiges Linienspektrum (nur rechte Hälfte gezeichnet) 9

Digitale Daten Def: Zufällige binäre Daten: Bitrate R = Daten Rate Symbolrate S = Zeichenrate auf Leitung Bitrate R = Taktfrequenz R=1/T Bit T Symbol Problem: Synchronisation ohne separate Verbindung für Taktsignal erschwert Spektralanteil bei Taktfrequenz R fehlt und damit jede Information darüber ! 10

Spektrale Resourcen T = const Bandbreite spielt eine Rolle: • bei Systemen mit Frequenzkanal Raster • bei ‘hohen’ Datenraten Grenze durch den Kabelfrequenzgang gegeben X verschiedene Leitungscodes haben sich etabliert 11

Unipolar / NRZ (NRZ-L) Mark Space Beispiel: TTL NRZ = Non Return to Zero • Nicht Mittelwert frei • Keine Taktflanken bei langen “ 1” oder “ 0” Folgen Bitdauer T = 1/Bitrate R Symbolrate S = Bitrate R 12

Polar / NRZ Beispiel: RS-232 • 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 anwendbar Note 2: Polar ist nicht gleich Bipolar (siehe ternäre Codes) 13

NRZ Mark Code (NRZ-M) M: Mark = 1 Vorschrift: Bei „ 1“ Wechsel Beispiel: USB, FDDI • Differentielle Leitungen bergen Gefahr der Adernvertauschung Ansatz: IF Mark THEN Change • Analog dazu gibt es den NRZ Space Code (NRZ-S) • Aber Taktkomponente (auch bei “ 1” Folge) fehlt im Spektrum immer noch 14

Spektrum NRZ Code f/R Data Rate = R = S Man kann zeigen, dass folgende Bandbreite ausreicht: Bmin = R/2 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 15

RZ Mark Code (RZ-M) Return to Zero • Lösung für das Taktrückgewinnungsproblem (Präambel mit “ 1” Folge) • Pulsdauer ist nun T/2 Spektrum sinx/x hat Nullstelle somit bei 2/T = 2 R • Nachteile: Mehr Spektrum benötigt und Problem langer Nullfolgen ungelöst 16

Bi. Phase, Manchester Code Beispiel: Ethernet S=2 R Bmin = R • 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 i. A. Phasenmodulation auf (Shift ½ Bit) Jitter • Immer eine Flanke vorhanden: Taktrückgewinnung (Frequenz und Phase) möglich z. B. PLL Technik auf doppelter Bittakt-Frequenz 17

Spektrum RZ Codes Familien: Polar-RZ, Bipolar-RZ, (Manchester) f/R Bsp: Bipolar RZ R = Data Rate S=2 R Bmin = R ist selbst-synchronisierend 18

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 19

Clock Recovery Taktregeneration mit PLL zur Jitter Reduktion: PLL • Puls aus jeder Flanke • LF eliminiert Jitter und überbrückt fehlende Flanken Taktregeneration mit sehr schmalem Bandass zur Jitter Reduktion: Short • Puls auf jeder Flanke • BP eliminiert Jitter und überbrückt fehlende Flanken Multiplier: EXOR NRZ: Problematisch. Scrambler vorteilhaft gegen lange 0 bzw. 1 Sequenzen RZ: Einfach. Extrahierter Clock durch 2 teilen, auch für Manchester geeignet 20

Bipolar: AMI-NRZ Code Alternate Mark Inversion Ziel: Gleichspannungsfreiheit Beispiel: Erste Generation PCM Netzwerke 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 21

Multi-Level: Ternäre Codes Abbildung von n Bit auf m Symbole Ziel: Verminderte Bandbreite Vorschrift für 3 B 2 T Code Binär b 1 0 0 1 1 n=3 b 2 0 0 1 1 b 3 0 1 0 1 S = 2 /3 R 3 Bit ISDN, DSL Kandidat Ternär t 1 - 0 - - + + 0 + m=2 t 2 - - 0 + + 2 Symbole 22

Multi-Level: Quarternäre Codes Abbildung von n Bit auf m Symbole Ziel: Verminderte Bandbreite Input Hier beginnt die Familie der PAM Pulse Amplitude Modulation Output S=½R 2 B 1 Q: ISDN Basisanschluss Teilnehmer Halbe Schrittgeschwindigkeit, weniger Spektrum, geringere Dämpfung 23

Spektrum Bipolar / Multilevel Codes f/R Data Rate R S Bmin < R Leitung darf Trafo oder kapaz. Kopplung haben Note: AMI: 0 = no line signal, 1 = alternating Pseudoternary: 1 = no line signal, 0 = alternating Hilfreiche Codes bei bandbegrenzten Übertragungsleitungen: ISDN, DSL, TF 24

Spektraler Vergleich Bsp. ISDN Manchester Vergleich 2 B 1 Q für ISDN Basisanschluss Teilnehmer mit anderen Codes 144 k. Bit/s 25

Bsp. Fast Ethernet Nibble = 4 Bit 100 Mb/s 4 Bit 5 Bit Symbol Nulllänge begrenzt, DC frei 100 BASE-FX NRZI: NRZ invert on “ 1” 3 Level Codierung MLT 3 Bandbreite vermindern (see next slide) 100 BASE-TX Note: NRZI (USB, Ethernet, FDDI) Wie man 100 Mbit/s mit 31. 25 MHz Bandbreite DC frei übertragen kann 26

MLT-3 im Fast Ethernet MLT-3 durchläuft die Spannungslevel -1, 0, +1 Um eine “ 1” zu übertragen wird die State Machine weiter geschaltet Für eine Null bleibt sie im selben Zustand Data Rate = R = S B = R/4…R/3 Worst case: simulated as an analog signal with period = 4 times the bit duration ( frequency = ¼ bit rate) 27

Systematik 28

Systematik: Beispiel 29

Summary of line coding schemes B = R/2 Polar , RZ B = R/2 B = R/4 B = 3 R/4 B = R/8 B = R/3 R = Datenrate bzw. Bitrate 30