17. Physikalische Übertragung 17.1 Übertragungsmedien 17.1.1 Glasfaserkabel / Lichtleiter Glas oder Kunststoff als Lichtleiter. Kein Übersprechen zu Nachbarfasern. Wellenlängenmultiplex möglich. Meist mehrere Fasern in äusserer Ummantelung: - Schutz vor Beschädigung, - Absorption durch Mantel, - Schutz gegen Streulicht. 1 Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.1.2 Brechungsgesetz nach Snellius: Am schnellsten läuft ein Lichtstrahl im Vakuum (300 000 km/sec). An Trennfläche zwischen Materialien ändert der Strahl seine Richtung. Dichtes Material, hoher Brechungsindex, niedrige Geschwindigkeit. Die Wellenfront ist "durchgängig": Material B Formel: R sin A ; R sin B A B sin sin o BrechungsI ndex R sin Br . IndexA B sin A Br . IndexB 2 B R Material A A Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.1.3 Lichtstrahl in einer Faser: Hülle mit niedrigem Brechungsindex. Br - Index A sin sin Br - Index B Totalreflexion beim Übergang Kern/Hülle falls sin >= 1 . Beispiel sin β =1: - BrechungsindexA = 1.5 - BrechungsindexB = 1.2 - sin = 0.8 - sin = 1.0 Oder sin α > 0,8 Material B ======> Material A 3 Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.1.4 Multimode Faser mit Stufenindex: Zwei verschiedene Glassorten: - Einzelne Faser in Luft würde keine Hülle brauchen, - Im Bündel jedoch, dichterer Kern, leichtere Hülle, "Multimode": - Kern 50–125 µ, Hülle 125–500 µ. Unterschiedliche Pfadlänge für verschiedene Einstrahlwinkel (Modi), Für lange Übertragungsstrecken ergibt sich eine Pulsverbreiterung, Pulsverbreiterung bestimmt die möglichen Datenrate. elektrisches Signal an Laserdiode oder LED optisches Signal Mantel Hülle Photodiode liefert ein elektrisches Signal Kern 4 Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.1.5 Single Mode Glasfaser Enger Einstrahlungswinkel bewirkt gleiche Pfadlänge für alle Strahlen. Diese enge Einstrahlung ist nur mit kohärentem Laserlicht möglich. Kernradius in der Grössenordnung einer Wellenlänge, 2–8 µ. Kleinere Pulsverbreiterung, Kleinere Dämpfung. Wellenlängen 850, 1300 oder 1500 nm. Modulation mit bis zu 100 GHz. - Erbium dotiertes Glas ermöglicht eine Verstärkerwirkung, - Laser als kohärente Sender erforderlich, - Photodioden als Empfänger. Hülle Kern 5 Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.1.6 Koaxialkabel Vorzugsweise für LANs & CATV, mittlere Datenraten und Distanzen. Metallische Ummantelung gegen Störungen und Abstrahlungen. Verluste wachsen mit derWurzel der Frequenz => 2 bis 10 GHz. Signalausbreitung im Dielektrikum zwischen den Leitern. Wellenwiderstand 50/75 , praktisch kein Feld ausserhalb: 6 Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.1.7 Hohlleiter (Waveguide) Heute noch als Zuleitung für Richtfunkanlagen. Metallischer Hohlkörper: - gefüllt mit Luft oder Stickstoff, rund, elliptisch oder rechteckig - Abzweigungen und Resonanzkörper integrieren. Geführte Ausbreitung: - 7 vgl. 'Gartenschlauch-Telefon', sehr hohe Frequenzen (Mikrowellen) möglich, 2GHz - 110 GHz. fortlaufende Reflektion der elektromagnetische Wellen, hohe Sendeleistungen Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.1.8 Telefonkabel (Twisted Pairs) Wenig Abschirmung nötig für kurze Distanzen und kleine Datenraten. Mehradrig, verdrillt & abgeschirmt für hohe Anforderungen (SAN). Vieladrig für grössere (Telefon-)Installationen. Relativ hoher Wellenwiderstand: - Vorteilhaft für den Leitungstreiber, Twisted Pair 120 Ω, FM Bandkabel 300 Ω Telefonfreileitung 600 Ω Paarweise Verdrillung reduziert die Abstrahlung: - Feld der Doppelader nimmt ab mit 1/R2: - Verdrillungslänge << Wellenlänge, 8 Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.1.9 Funkübertragung Einsatzbereiche: - Satelliten als Relaisstationen (Iridium, Inmarsat, GPS …), Öffentliche Mobilfunknetze (GSM-Netze …), Mikrowellenrichtfunk im Fernmeldenetz, Paketfunknetze (Modacom), Betriebs- & Bündelfunk, Wireless LANs, (IR-Strecken). Bluetooth. Reduzierte Zuverlässigkeit: - 9 Behinderung durch Schnee & Regen, Abschattungen und Überlagerung, Atmosphärische Störungen, Mehrwegausbreitung: Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.2 Signalausbreitung 17.2.1 Wellenwiderstand & Reflexionen Unendlich lange Leitung bietet den Wellenwiderstand ZW=Uin/Iin . Es handelt sich nicht um einen um einen Ohmschen Widerstand, sondern um eine elektromagnetische Leitungseigenschaft ... Uin, Iin Es wird ein bestimmtes Verhältnis von Strom und Spannung gemessen, die eingespeiste Energie ist jedoch elektromagnetischer Natur, baut ein Feld auf und wird nicht in Wärme umgewandelt. Bei nicht-idealer Leitung entstehen Ohmsche Verluste, die aber nichts mit dem Wellenwiderstand zu tun haben. 10 Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.2.2 Abschlusswiderstand: Gedankenexperiment: - Leitung aufschneiden und abgeschnittenen Teil ersetzen durch einen Widerstand ZT ("Termination", Abschluss): ... Z Uin / Iin=ZW W ZT - Falls ZT=ZW keine Änderung der Verhältnisse am Eingang. Leitung muss mit passendem Abschlusswiderstand versehen werden: - Sonst Rückwirkungen auf den Eingang, sogenannte Reflexionen. - Abschlußwiderstand ZT absorbiert die gesamte Energie, wenn ZT=ZW. Extremfälle: - Fernes Ende kurzgeschl.: Reflektierte Spannung negativ überlagert (Uin/Iin = 0). - Fernes Ende offen: Reflektierter Strom negativ überlagert (Iin/Uin = 0), 11 Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.2.3 Laufzeit Lichtgeschwindigkeit setzt eine obere Grenze von 300.000 km/sec. Kommunikation zwischen Rechnern erträgt oft keine Verzögerung. Eventuell zusätzliche Verzögerungen im Vermittlungsrechner. Maßnahmen zum Abgleichen der Laufzeiten auf parallelen Leitungen. Frequenzabhängige Laufzeit und deren Kompensierung (Equalisation). Signalverzögerung beim Telefonieren über Satelliten: 12 Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.2.4 Wellengleichung: Signalamplitude a zur Zeit t am Ort d: a(t,d) = Acos 2π( f t - d ) = Acos() Phase für ein bestimmtes t und d auf einer Übertragungsleitung: = Phase = 2π ( f t - d ) =(f,t,d) c = Ausbreitungsgeschwindigkeit = Wellenlänge c f = Frequenz = Amplitude a Distanz d Phase 13 Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.2.5 Linearität des Phasenganges Der Phasengang ist linear, wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit c und die Wellenlänge von der Frequenz f unabhängig ist, also: Linear in f: f f Oder nichtlinearer Phasengang in f: f f Wenn nicht alle Frequenzkomponenten gleichzeitig ankommen, ergeben sich Verformungen und Schwierigkeiten bei der Signalerkennung und bei der Taktgewinnung im Empfänger. 14 Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.2.6 Verzerrungen Lineare Verzerrungen: - keine neuen Frequenzen, Frequenzabhängige Dämpfung. Frequenzabhängige Laufzeiten. Nichtlinearer Phasengang. Nichtlineare Verzerrungen: - Leitungsverstärker übersteuert, - Nichtlineare Verstärkerkennlinie => - Mischprodukte. 10 Volt 1 Volt Störspannungen - 15 Störpegel in dBmV. Thermisches Rauschen (--> kühlen). "Elektrische Umweltverschmutzung". Halbleiterrauschen. Einschaltspitzen. Übersprechen. Reflexionen. Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.3 Frequenzspektrum eines Signals Joseph Fourier, 1822: Jedes periodische Signal kann als Summe von äquidistanten Sinus und Cosinustermen dargestellt werden: 1 s( t ) a 0 a n cos( n t ) b n sin( n t ) 2 n 1 n 1 a0, an, bn sind die Fourierkoeffizienten. a0 ist der Gleichstromanteil. Berechnung mittels Fourieranalyse: T a n s( t ) cos( n t ) dt 0 T b n s( t ) sin( n t ) dt 0 16 1 T=1/f t -1 Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.3.1 Signal & Frequenzspektren: periodische Sinusschwingung: - eine Frequenzkomponente, - diskretes Spektrum: a t A f f0 periodisches Rechtecksignal: - mehrere Frequenzkomponenten, a - diskretes Spektrum: t A f f 0 3f 0 5f 0 7f0 aperiodisches Signal: - unendlich viele Frequenzkomponenten, - kontinuierliches Spektrum: a 17 t A f Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.3.2 Unmodulierte Sinusschwingung: Leider überträgt ein unmodulierter Dauerton keine Information (0 Bit/s). Dauerton, sinusförmig: - einfachster Fall, eine diskrete Spektrallinie, z.B. Navigation, Frequenznormal, plazieren, wo minimale Dämpfung: Frequenzumtastung: Dauerton Übertragungsfunktion des Kanales opt - suboptimale Plazierung der F.-Anteile, - Verbreiterung der einzelnen Linien: Das Leistungsspektrum ergibt sich aus der Fourierzerlegung des Signales. 18 Übertragungsfunktion des Kanales Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.3.3 Filterung z.B. Übertragungsleitung als Filter - Hochpass, Tiefpass, Bandpass,. dämpft unterschiedliche Frequenzen verschieden, Verzögerungswirkung auf Frequenzen, Reaktion auf Phasen. Lineare Schaltkreise und Sinuswellen - verändern Frequenzen nicht, - können relative Amplituden ändern, - können relative Phase verschieben. 2 Phasenverschiebung um 2 4 6 sin(x) + 1/3 sin(3x) + 1/5 sin(5x) => sin(x+π/4) + 1/3 sin(3x) + 1/5 sin(5x) -2 Unterschiedliche Laufzeit verschiedener Frequenzanteile wird als Dispersion bezeichnet. 19 Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess t 17.3.4 Effekte bei der Übertragung: (Keine Zackige Kurve) 0 1 0 0 0 0 1 0 0 Originalsignal Dämpfung Bandbreitenbeschränkung Verzögerung Rauschen Übertragungsfehler! 0 20 1 1 0 0 0 1 0 0 Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.4 Dämpfung Abschwächung des Signals. - Abstrahlungsverluste in den Raum. Ohmsche Verluste als Wärme. Dielektrische Verluste. Reflexionen. Skineffekt. Skin Effekt: - höhere Frequenz => Selbstinduktion, höhere Impedanz im Drahtzentrum, Strom fließt an der Oberfläche, erhöhte Abstrahlung. I Dielektrische Verluste: - Energieverlust im Isolator, - isolierte Drähte oder Platten bilden 'Kondensator' - Umpolarisierung geht nicht ohne Verluste. 21 Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.4.1 Masseinheit für Dämpfung Abschwächung des Signals aus physikalischen Gründen. Dezibel als Maßeinheit der Dämpfung G: G = 10 log( Pin / Pout ) [dB] = 20 log( Uin / Uout ) [dB] Unabhängig davon ob wir Leistung oder Spannung vergleichen, ergibt sich dasselbe Dämpfungsmass. Dämpfung in dB ist additive Eigenschaft einzelner Leitungsabschnitte. Dezibel-Millivolt (dBmV) ist eine Pegelangabe, bezogen auf den Referenzpegel von 1mV. 22 Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.4.2 Bandbreite Z.B. Telephonfernleitung: Dazwischen einigermaßen gleichmäßige Dämpfung und linearer Phasengang gewünscht. Dämpfung [db] Intervall zwischen unterer oberer Grenzfrequenz. 20 und 10 5 300 3000 Frequenz [Hz] Bandbreite eines Signals umfasst alle Frequenzkomponenten des Signals. Übertragungsfunktion eines Kanals: A() = |A()| ej 23 Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.4.3 Einschränkung der Bandbreite Signal mit 2000 bit/s: Bandbreite 500 Hz Bandbreite 900 Hz Bandbreite 1300 Hz Bandbreite 1700 Hz Bandbreite 2500 Hz Bandbreite 4000 Hz 24 Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.5 Signaldimensionierung 17.5.1 Problemstellung Jeder Übertragungskanal hat nur eine beschränkte Bandbreite: - Hi-Fi Stereo Anlage 2 * 30 Hz .. 20 000 Hz. - Telefonleitung z.B. 300 .. 3400 Hz, - Fernsehkanal 7 MHz, Auf einem vorgegebenen Kanal sollen möglichst viele Datenbits bzw. Codesymbole übertragen werden. Energie auf Frequenzen außerhalb des übertragenen Bandes ist verloren. Das Energiespektrum des übertragenen Signals muß also dem Übertragungskanal angepaßt werden. Die ausgestrahlte Leistung sollte wesentlich größer sein, als das Grundrauschen im Kanal. 25 Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.5.2 Abtasttheorem von Nyquist Problemstellung: - Wie oft müssen wir abtasten, um ein frequenzbeschränktes Signal aus den Abtastwerten eindeutig rekonstruieren zu können? Signal(t) 0 t Antwort für Abtast-Rate: R = 2 * fmax Abtastwerte pro Sekunde (obere Frequenzgrenze fmax) Plausible Begründung, kein Beweis: 26 Betrachte Signal mit Periode 1 sec, =>Spektrallinienabstand 1 Hz, fmax =10 Hz, ~fmax Sinus- und fmax Cosinus-Koeffizienten genügen zur Signal-Rekonstruktion, N-fache Bandbreite verlangt N-mal mehr Abtastwerte im gleichen Zeitraum, N-fache Periode verlangt N mal mehr Abtastwerte im N-fachen Zeitraum, Keine Änderung für sehr lange Periode. Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.5.3 Inverse Fragestellung beim Datentransfer: Wieviele Symbole können pro Sekunde über einen nach oben frequenzbeschränkten Kanal übertragen werden ? X(f) Der Kanal überträgt alle durch fmax beschränkten Fourierspektren. 0 f max Diese werden je durch einen Satz von Fourierkoeffizienten beschrieben: - endliche Menge bei periodischer Funktion., - unendliche Menge bei aperiod. Fkt. Mehr Spektren können nicht übertragen werden. Mehr Koeffizienten können nicht übertragen werden. => Eine Signalquelle kann maximal 2*fmax Symbole pro Sekunde übertragen (wenn sie auch in der Lage ist, alle Fourierspektren zu fmax erzeugen). 27 Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess f 17.5.4 Shannon Limit Das Abtasttheorem (Nyquist) spricht von Symbolen, bzw. Abtastwerten. Diese können mehrwertig sein (1 Byte, 12 Bit …): 0100, 0011, 0101, 1010, 1000, 0010, 0000, 0101, 1000 ... t Shannon spricht ueber die Anzahl Bits pro Symbol. Eine Abtastrate misst sich in Baud bzw. Symbolen/sec, nicht Bits/sec. Enthält ein Symbol mehrere Bits, so erhöht sich die Informationsmenge. Das Signal/Rauschverhältnis S/R bestimmt die Anzahl Bits pro Symbol. 28 Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.5.5 Verrauschtes Signal: Verrauschte Symbole sind nicht mehr sicher erkennbar. Original(t) Verrauschtes Signal Kanalrauschen(t) t t t Übertragbare Bits pro Sekunde: Shannon Limit = 2 * f max *log 2 (1 + S/R ) z.B. f max = 1: - S/R = 0 : keine Information - S/R = 1 : ~2 Bit/sec - Faktor 2 ist unscharf. … 29 Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.5.6 Bandbegrenzte Pulsformen Für jedes Symbol einen Impuls schicken. Welche Impulsform füllt das Übertragungsband (max= o) gleichmässig? Spektrum des gesuchten Impulses: Amplitude() o Fläche = 1 o Frequenz Integration über alle spektralen Anteile: 1 sin( t ) 0 sin( 0 t ) s( t ) cos( t ) d 0 0 0 0 t 0 t 0 0 [ ] Kurvendiskussion: s(t)=1: s(t)=0: sin() / = 1 ( fuer t=0 für t ={ , 2 bzw. t = { o , 2o o bzw. 30 t n T n = Abtastzeitpunkte = 2 2f 0 Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.5.7 Impulsform (sin x) / x : Viele Impulse bzw. Symbole überlagern. Keine Symbolinterferenz: - In einem bestimmten Abtastzeitpunkt liefert immer nur ein Impuls einen Beitrag. Beiträge anderer Impulse sind jeweils null: - aber nur wenn die Abtastzeitpunkte exakt sind, - oder sich positive und negative Restamplituden ausmitteln. T/2 t t=0 Konvergiert also nicht bei Abtastzeit-Fehlern. Es gibt also im Prinzip eine Signalform, welche die Nyquist-Grenze im frequenzbeschränkten Kanal erreicht. Das Herstellen optimaler Pulsformen ist aber schwierig. 31 Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.5.8 Impulsform mit Cosinusspektrum: "Raised cosine spectrum": Konvergiert auch bei ungenauen Abtastzeiten. Spektrale Verteilung: Amplitude( ) 20 A() 1 (cos 1) 20 20 Impulsform (ähnlich oben): A() sin( 20 t ) A() t2 20 t (1 2 ) T Frequenz F=1 1 20 2 0 (cos 0 1) cos(t )d 20 sin( 2) A() 2(1 2 ) bzw. T = 1/ 2fo; = t/T (normiert) Doppelte Bandbreite für gleiche Symbolrate! 32 Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess 17.6 Übersprechen Meist symmetrische Beeinflussung (z.B. twisted Pairs): - Unerwünschte Signale vom Nachbarkanal: - parallel verlaufende Kabeladern, - Nachbarfrequenzen ... Übersprechen und Signaldämpfung: - Fern-Nebensprechen ("Far-End Crosstalk"), - Nah-Nebensprechen ("Near-End Xross-Talk", "NEXT"): 33 Rechnernetze II, So 2006, ©VS Informatik, Uni Ulm, P. Schulthess