kapitel 4

4.1 Elektrizität
4.2 Das digitale Multimeter
4.3 Signale und Rauschen im Kommunikationssystemen
4.4 Kodierung von Netzwerksignalen
4.1
Grundlagen der Elektrizität
4.1.1
Die gesamte Materie besteht aus Atomen. "Das Periodensystem der Elemente"
Atomarten und ihre Eigenschaften. Ein Atom besteht aus folgenden Teilen:




Ein
Heliumatom
enthält alle bekannten
Atomkern - der Mittelpunkt des Atoms, bestehend aus Protonen und Neutronen
Protonen - positiv geladene Elementarteilchen, die zusammen mit den Neutronen den Atomkern
bilden
Neutronen - neutrale Elementarteilchen ohne Ladung, die zusammen mit den Protonen den
Atomkern bilden
Elektronen - negativ geladene Elementarteilchen, die den Atomkern umkreisen
Gehen Sie zum leichteren Verständnis der elektrischen Eigenschaften von Elementen/Materialien im
Periodensystem zum Element "Helium". Helium besitzt die Ordnungszahl 2 und enthält somit zwei
Protonen und zwei Elektronen. Die Atommasse ist 4. Die Anzahl der Neutronen wird aus der Subtraktion
der Atomzahl (2) von der Atommasse (4) ermittelt. Helium besitzt somit zwei Neutronen .
Der dänische Physiker Niels Bohr entwickelte ein vereinfachtes Modell zur Darstellung von Atomen. Diese
Abbildung zeigt das Modell für ein Heliumatom. Beachten Sie die Größenverhältnisse der Teile. Wenn die
Protonen und Neutronen dieses Atoms die Größe eines Fußballes in der Mitte eines Fußballfelds hätten,
dann wären nur die Elektronen kleiner als der Ball. Sie hätten die Größe von Kirschen und würden
ungefähr im Bereich der äußersten Sitzreihen des Stadions kreisen. Der einzige größere Teil wäre der
Platz im Atom. Er besäße die Größe eines Fußballfelds.
4.1.2
Erzeugen stabiler Atome
Einem der Naturgesetze, nämlich dem Coulombschen Gesetz, zufolge wirkt bei ungleichnamigen
Ladungen eine Kraft, die zu einer Anziehung führt. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab. Eine Kraft
wirkt als Druck- oder Zugbewegung. Im Fall von ungleichnamigen oder gleichnamigen Ladungen
vergrößert sich die Kraft, wenn sich die Ladungen aufeinander zu bewegen.
Betrachten Sie das Bohrsche Modell des Heliumatoms. Wenn das Coulombsche Gesetz zutrifft und das
Bohrsche Modell Heliumatome als stabil beschreibt, müssen weitere Naturgesetze im Spiel sein. Wie
können beide Gesetze richtig sein?
1. Coulombsches Gesetz - Ungleichnamige Ladungen ziehen sich an.
2. Bohrsches Modell - Protonen besitzen eine positive Ladung und Elektronen eine negative
Ladung.
Frage 1: Warum werden die Elektronen nicht von den Protonen angezogen?
1. Coulombsches Gesetz - Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab.
2. Bohrsches Modell - Protonen besitzen eine positive Ladung. Der Atomkern enthält mehr als ein
Proton.
Frage 2: Warum bewegen sich die Protonen nicht voneinander weg?
Die Antwort auf diese Fragen lautet, dass es noch andere Naturgesetze gibt, die dabei eine Rolle spielen.
Es folgen die Antworten zu den oben gestellten Fragen.
Antwort 1: Die Elektronen umkreisen den Atomkern trotz der Anziehungskraft durch die Protonen. Sie
besitzen eine Geschwindigkeit, die gerade ausreicht, um auf den Elektronenbahnen zu bleiben und nicht
vom Kern angezogen zu werden.
Antwort 2: Die Protonen bewegen sich nicht voneinander weg, da sie von einer nuklearen Kraft
zusammengehalten werden, die in Verbindung mit den Neutronen steht. Die nukleare Kraft ist eine
außerordentlich starke Kraft, die als eine Art Klebstoff dient, der die Protonen zusammenhält.
Die Protonen und Neutronen sind durch eine sehr starke Kraft miteinander verbunden. Die Elektronen
werden jedoch durch eine schwächere Kraft auf den Elektronenbahnen um den Atomkern gehalten.
Elektronen in bestimmten Atomen können vom Atom getrennt und zum Fließen gebracht werden. Dies
bezeichnet man als Elektrizität - den "freien Elektronenfluss".
4.1.3
Statische Elektrizität
Freie Elektronen, die eine negative Ladung besitzen und an einer Stelle bleiben, ohne sich zu bewegen,
werden als statische Elektrizität bezeichnet. Wenn diese statischen Elektronen die Möglichkeit erhalten,
zu einem Leiter zu springen, kann dies zu einer elektrostatischen Entladung führen. Die elektrostatische
Entladung ist zwar in der Regel nicht gesundheitsschädlich, kann aber bei unsachgemäßer Handhabung
schwerwiegende Schäden an elektronischen Geräten verursachen.
Wenn Sie in einem kühlen, trockenen Raum über einen synthetischen Teppich gehen und einen
Gegenstand berühren, könnte von Ihren Fingerspitzen ein Funke auf diesen Gegenstand überspringen.
Sie würden dabei einen kleinen elektrischen Schlag spüren. Aus Erfahrung wissen Sie, dass eine
elektrostatische Entladung unangenehm sein kann, aber ziemlich harmlos ist. Wenn jedoch bei einem
Computer eine elektrostatische Entladung auftritt, kann dies verheerende Folgen haben. Durch eine
statische Entladung können Computer-Chips und/oder Daten in unvorhersehbarer Weise beschädigt
werden.
4.1.4
Elektrischer Strom und Isolatoren, Leiter und Halbleiter
Atome oder Atomgruppen, genannt Moleküle, können als Werkstoffe bezeichnet werden. Werkstoffe
werden in drei Gruppen eingeteilt, je nachdem, mit welchem Widerstand Elektrizität oder freie Elektronen
durch sie hindurchfließen.
Elektrische Isolatoren
In elektrischen Isolatoren oder einfach nur Isolatoren können Elektronen nur mit großem Widerstand oder
gar nicht fließen. Zu den elektrischen Isolatoren gehören Kunststoff, Glas, Luft, trockenes Holz, Papier,
Gummi und Heliumgas. Diese Materialien zeichnen sich durch sehr stabile chemische Strukturen aus.
Die kreisenden Elektronen in den Atomen sind sehr fest gebunden.
Elektrische Leiter
In elektrischen Leitern oder einfach nur Leitern können Elektronen mit sehr geringem Widerstand fließen.
Der Grund dafür liegt darin, dass die Elektronen auf den äußersten Bahnen sehr lose mit dem Atomkern
verbunden sind und sich dadurch leicht abtrennen lassen. Bei Zimmertemperatur besitzen diese
Materialien eine große Anzahl freier Elektronen, die die Ursache für die Leitfähigkeit sind. Durch das
Anlegen einer Spannung werden die freien Elektronen in Bewegung versetzt, und es fließt Strom.
Die Periodentabelle teilt einige Gruppen von Atomen in Kategorien ein, indem es sie in Form von Spalten
auflistet. Die Atome einer Spalte gehören zu bestimmten chemischen Familien. Obwohl die Anzahl der
Protonen, Neutronen und Elektronen unterschiedlich ist, besitzen die äußersten Elektronen die gleiche
Elektronenbahn und verhalten sich ähnlich, wenn sie mit anderen Atomen und Molekülen reagieren. Die
besten Leiter sind Metalle, wie beispielsweise Kupfer (Cu), Silber (Ag) und Gold (Au). Alle diese Metalle
befinden sich in derselben Spalte des Periodensystems und besitzen leicht abtrennbare Elektronen,
wodurch sie sich hervorragend zum Leiten von Strom eignen.
Weitere Leiter sind unter anderem Lötzinn (ein Gemisch aus Blei [Pb] und Zinn [Sn]) sowie mit Ionen
angereichertes Wasser. Ein Ion ist ein Atom, das eine größere oder kleinere Anzahl von Elektronen als
ein neutrales Atom besitzt. Der menschliche Körper besteht in etwa zu 70 % aus ionisiertem Wasser. Aus
diesem Grund ist auch er ein Leiter.
Elektrische Halbleiter
Halbleiter sind Materialien, deren Leitfähigkeit beim Herstellungsvorgang präzise eingestellt werden kann.
Diese Materialien sind in einer Spalte des Periodensystems zusammengefasst. Zu den Halbleitern
gehören unter anderem Kohlenstoff (C), Germanium (Ge) sowie die Legierung Galliumarsenid (GaAs).
Der wichtigste Halbleiter jedoch, der sich am besten für mikroskopisch kleine Schaltkreise eignet, ist
Silizium (Si).
Silizium ist ein weit verbreitetes Material, das in Sand, Glas und vielen Gesteinsarten enthalten ist. Die
Region um San Jose (Kalifornien) wird "Silicon Valley" ("Siliziumtal") genannt, da dort die ComputerIndustrie, die von den Silizium-Mikrochips abhängig ist, entstanden ist.
Unabhängig davon, ob Materialien als Isolatoren, Leiter oder Halbleiter klassifiziert werden, beruht die
Basis aller elektronischen Geräte auf dem Wissen, wie die einzelnen Materialien den Elektronenfluss
steuern und wie sie in verschiedenen Kombinationen zusammenarbeiten.
4.1.5
Begriffe der elektrischen Messung
Die folgenden Begriffe beschreiben Netzmedien.
Spannung
Spannung ist eine elektrische Kraft oder ein Druck, die bzw. der bei der Trennung von Elektronen und
Protonen auftritt. Die erzeugte Kraft drückt die Ladung zur ungleichnamigen Ladung hin und von der
gleichnamigen Ladung weg. Dieser Prozess findet in Batterien statt. Dort setzt eine chemische Reaktion
Elektronen am negativen Pol der Batterie frei, die dann zum entgegengesetzten oder positiven Pol
wandern - über einen EXTERNEN Stromkreis, nicht über die Batterie selbst. Diese Ladungstrennung
führt zu einer Spannung. Spannung kann auch durch Reibung (statische Elektrizität), Magnetismus
(elektrische Generatoren) oder Licht (Solarzellen) erzeugt werden.
Spannung wird mit dem Buchstaben "U" dargestellt. Die Maßeinheit für die elektrische Spannung ist das
Volt (V). Sie ist als die Arbeit definiert, die pro Ladungseinheit notwendig ist, um die Ladungen zu
trennen.
Stromstärke
Elektrischer Strom oder einfach nur Strom ist der Ladungsfluss, der bei der Bewegung von Elektronen
erzeugt wird. In elektrischen Stromkreisen entsteht Strom durch einen Fluss freier Elektronen. Wenn
Spannung (elektrischer Druck) angelegt wird und ein Pfad für den Strom vorhanden ist, bewegen sich die
Elektronen vom negativen Pol (der sie abstößt) auf dem Pfad zum positiven Pol (der sie anzieht).
Strom bzw. die Stromstärke wird mit dem Buchstaben "I" dargestellt. Die Maßeinheit für die Stromstärke
ist das Ampère (A). Sie wird als die Anzahl von Ladungen definiert, die pro Sekunde einen
Beobachtungspunkt an einem Strompfad passieren.
Widerstand
Materialien, durch die Strom fließt, setzen der Bewegung der Elektronen einen unterschiedlich starken
Widerstand entgegen. Materialien mit sehr geringem oder gar keinem Widerstand werden als Leiter
bezeichnet. Materialien, die keinen Stromfluss zulassen oder den Stromfluss stark beschränken, werden
Isolatoren genannt. Die Stärke des Widerstands hängt von der chemischen Zusammensetzung der
Materialien ab.
Der Widerstand wird mit dem Buchstaben "R" (für "Resistance") dargestellt. Die Maßeinheit für den
Widerstand ist das Ohm (Ω). Das Symbol stammt vom griechischen Großbuchstaben "Ω" für "Omega".
Wechselstrom (AC)
Dies ist eine der beiden Arten, wie Strom fließen kann. Wechselstrom (AC) und Wechselspannungen
variieren im Zeitverlauf, wobei sie ihre Polarität oder Richtung ändern. Wechselstrom fließt wiederholt
erst in die eine und dann in die entgegengesetzte Richtung. Wechselspannung ist an einem Pol positiv
und am anderen negativ und kehrt dann ihre Polarität um, so dass der positive Pol negativ und der
negative Pol positiv wird. Dieser Vorgang wiederholt sich fortlaufend.
Gleichstrom (DC)
Dies ist die zweite der beiden Arten, wie Strom fließen kann. Gleichstrom (DC) fließt immer in dieselbe
Richtung, und Gleichspannungen besitzen immer dieselbe Polarität. Einer der beiden Pole ist immer
positiv, der andere immer negativ. Die Polarität kehrt sich weder um, noch ändert sie sich.
Impedanz
Impedanz ist der Gesamtwiderstand, der dem durch Wechsel- und Gleichspannungen erzeugten
Stromfluss entgegengesetzt wird. Der Begriff Widerstand wird generell in Bezug auf Gleichspannungen
verwendet. Impedanz ist der allgemeine Begriff, der das Maß angibt, in dem der Elektronenfluss
behindert wird.
Die Impedanz wird mit dem Buchstaben "Z" dargestellt. Die Maßeinheit ist wie für den Widerstand das
Ohm (Ω).
Zusammenhang zwischen Spannung, Stromstärke und Widerstand
Strom fließt nur in geschlossenen Schleifen, den sogenannten Stromkreisen. Diese Stromkreise müssen
aus leitfähigen Materialien bestehen und über eine Spannungsquelle verfügen. Spannung verursacht
einen Stromfluss, während Widerstand und Impedanz ihn behindern. Aufgrund dieser Tatsachen lässt
sich der Stromfluss präzise festlegen.
Erde
Der Begriff Erde kann unter Umständen zu Verwirrung führen, da er für viele verschiedene Zwecke
verwendet wird.


Erde kann sich auf die Stelle beziehen, an der Ihr Haus das Erdreich berührt (wahrscheinlich
über unterirdisch verlegte Wasserleitungen) und so indirekt eine Verbindung zu den Steckdosen
hergestellt wird. Wenn Sie ein elektrisches Gerät verwenden, dessen Stecker drei Stifte besitzt,
ist der dritte Stift die Erde, Schutzerde oder der Schutzleiter. Auf diese Weise erhalten die
Elektronen eine zusätzliche Leitung, über die sie zur Erde fließen können, anstatt durch Ihren
Körper zu fließen.
Erde oder Signalmasse oder Bezugserde kann auch den Bezugspunkt oder die 0-Volt-Ebene bei
elektrischen Messungen bezeichnen. Spannung wird durch die Trennung von Ladungen erzeugt.
Spannungsmessungen müssen daher zwischen zwei Punkten durchgeführt werden. Multimeter
(zur Messung von Spannung, Stromstärke und Widerstand) besitzen aus diesem Grund zwei
Messleitungen. Die schwarze Messleitung wird als Masse oder Bezugserde bezeichnet. Der
negative Pol einer Batterie wird auch oft als Bezugspunkt gewählt.
Hinweis: Ein Multimeter ist ein Testgerät für die Messung der Spannung, der Stromstärke und des
Widerstands sowie möglicherweise weiterer elektrischer Einheiten, das den Messwert in numerischer
Form anzeigt.
4.1.6
Vergleiche zu Spannung, Widerstand und Stromstärke
Am Beispiel eines Wasserbehälters lässt sich Elektrizität leicht erklären. Je höher der Wasserstand ist,
desto größer ist der Druck und desto mehr Wasser fließt. Der Wasserstrom hängt davon ab, wie weit der
Wasserhahn (das Ventil) aufgedreht wurde. Das gleiche gilt für den Strom. Je höher die Spannung ist,
desto größer ist der elektrische Druck und desto mehr Strom wird erzeugt. Dem elektrischen Strom wird
dann ein Widerstand entgegengesetzt, der wie der Wasserhahn den Fluss verringert. Handelt es sich um
einen Wechselstromkreis, hängt die Strommenge von der vorhandenen Impedanz
(Wechselstromwiderstand) ab. Die Wasserpumpe gleicht einer Batterie. Sie erzeugt Druck, um den Fluss
in Bewegung zu halten.
4.1.7
Grafisches Darstellen der Wechselspannung und der
Gleichspannung
Ein Oszilloskop ist ein wichtiges und hochentwickeltes elektronisches Gerät zur Analyse elektrischer
Signale. Da es möglich ist, Elektrizität genau zu steuern, können bestimmte elektrische Muster,
sogenannte Wellen, erstellt werden. Ein Oszilloskop stellt die elektrischen Wellen, Impulse und Muster
grafisch dar. Es besitzt eine X-Achse, die für die Zeit steht, und eine Y-Achse für die Spannung. In der
Regel sind zwei Spannungseingänge an der Y-Achse vorhanden, so dass sich gleichzeitig zwei Signale
beobachten und messen lassen.
Elektrizität wird über Stromversorgungsleitungen zu Ihnen nach Hause, in Schulen und Büros
transportiert. Die Stromversorgungsleitungen transportieren Elektrizität in Form von Wechselstrom (AC).
Eine andere Art von Strom, der Gleichstrom (DC), wird in Blitzlichtbatterien, Autobatterien und als
Stromversorgung für die Mikrochips auf der Hauptplatine eines Computers verwendet. Es ist wichtig, den
Unterschied zwischen diesen beiden Stromarten zu verstehen.
4.1.8
Aufbauen eines einfachen seriellen Stromkreises
Elektronen fließen nur in geschlossenen Stromkreisen. Das Diagramm in der Hauptgrafik zeigt einen
einfachen Stromkreis, wie er normalerweise in einer Taschenlampe vorkommt. Aufgrund der chemischen
Prozesse in der Batterie werden Ladungen getrennt, wodurch Spannung bzw. elektrischer Druck entsteht
und Elektronen durch verschiedene Geräte fließen können. Die Linien stellen den Leiter, normalerweise
Kupferdraht, dar.
Den Schalter können Sie sich als die beiden Enden eines Drahts vorstellen, die voneinander getrennt
und dann wieder zusammengefügt werden können (letzteres wird auch als kurzgeschlossen bezeichnet),
um den Elektronenfluss zu verhindern oder zuzulassen. Schließlich setzt die Glühlampe dem
Elektronenfluss Widerstand entgegen, wodurch die Elektronen Energie in Form von Licht freisetzen. Die
in Netzen vorhandenen Stromkreise arbeiten nach demselben Prinzip wie dieser einfache Stromkreis,
sind allerdings viel komplexer
4.1.9
Gründe für das Erden von Netzkopplungselementen
In elektrischen Wechselstrom (AC)- und Gleichstrom (DC)-Systemen fließen die Elektronen immer
von der negativ geladenen Quelle zur positiv geladenen Quelle. Damit jedoch ein gesteuerter
Elektronenfluss stattfinden kann, muss ein geschlossener Stromkreis vorhanden sein. Elektrischer
Strom fließt immer auf dem Weg mit dem geringsten Widerstand. Da Metalle wie beispielsweise
Kupfer einen geringen Widerstand bieten, werden sie häufig als Leiter für elektrischen Strom
eingesetzt. Werkstoffe wie Glas, Gummi oder Kunststoff bieten hingegen mehr Widerstand. Daher
eignen sie sich nicht als elektrische Leiter. Diese Materialien werden statt dessen häufig als
Isolatoren verwendet Sie werden zur Ummantelung von Leitern eingesetzt, um vor Stromschlag,
Feuer und Kurzschlüssen zu schützen.
Normalerweise wird elektrischer Strom zu einem Transformatorenhäuschen geführt. Der
Transformator reduziert die für die Übertragung verwendete Hochspannung auf eine Spannung von
230 Volt, die von herkömmlichen elektrischen Geräten verwendet wird.
Die Abbildung zeigt ein vertrautes Objekt, nämlich über Steckdosen gelieferte Elektrizität. (Hier
sehen Sie eine in den USA übliche Steckdose. In anderen Ländern gibt es anders konstruierte
Netzsteckdosen.) Die beiden oberen Kontakte dienen zur Stromversorgung. Der runde untere Kontakt
schützt Personen und Geräte vor Stromschlägen und Kurzschlüssen. Diese Kontakte werden als
Schutzkontakte bezeichnet. Bei Elektrogeräten, die einen Schutzleiter verwenden, ist dieser mit allen
berührbaren Metallteilen des Geräts verbunden. Die Hauptplatinen und Schaltkreise in Computern
sind über elektrische Leiter mit dem Gehäuse verbunden. Auf diese Weise sind sie gleichzeitig mit
dem Schutzleiter verbunden, der zum Abführen von statischer Elektrizität dient.
Der Schutzleiter wird mit allen ungeschützten Metallteilen des Computers verbunden, um bei
Verdrahtungsfehlern im Gerät zu verhindern, dass diese Metallteile unter lebensgefährlicher
Spannung stehen.
Ein Beispiel für einen Verdrahtungsfehler, der in einem Gerät auftreten könnte, ist eine versehentliche
Verbindung zwischen einem spannungsführenden Draht und dem Gehäuse. In einem solchen Fall
würde der mit dem Gerät verbundene Schutzleiter als Pfad mit geringem Widerstand zur Schutzerde
dienen. Die Schutzleiterverbindung bietet einen geringeren Widerstand als der menschliche Körper.
Wenn der Schutzleiter, der den Pfad mit geringem Widerstand bildet, richtig installiert ist, bietet er
einen ausreichend geringen Widerstand und eine ausreichende Stromtransportkapazität, um zu
verhindern, dass sich lebensgefährliche Spannungen bilden. Der Schutzleiter stellt im Fehlerfall eine
direkte Verbindung zur Erdung her.
4.2
Grundlagen digitaler Multimeter
4.2.1 Sicherer Umgang mit dem Multimeter
In dieser Übung lernen Sie die Verwendung eines Multimeters kennen. Mit dem Multimeter können Sie
die Spannung, den Widerstand und den Durchgang messen. Diese Messungen sind im Netzbetrieb
wichtig. Informationen zu diesem Messgerät finden Sie in zwei verschiedenen Quellen, nämlich im
gedruckten Handbuch und in der Online-Version des Handbuchs auf der Website des Herstellers.
4.2.2
Widerstandsmessungen mit dem Multimeter
In dieser Übung messen Sie mithilfe eines Multimeters den Widerstand und führen eine
Durchgangsprüfung durch. Die Maßeinheit für beide Größen ist das Ohm (Ω). Der
Durchgang bezieht sich auf den elektrischen Widerstand des Pfads. Wenn ein Pfad
absichtlich zu einem Pfad mit geringem Widerstand gemacht wurde, um auf diese
Weise zwei Bauelemente zu verbinden, besitzt der Pfad Durchgang. Wurde ein Pfad
unabsichtlich zu einem Leiter mit geringem Widerstand gemacht, wird dies als
Kurzschluss bezeichnet.
Das Multimeter gibt bei beiden Messungen einen hohen Signalton aus, wenn es einen
Pfad mit geringem Widerstand erkennt. Führen Sie an den folgenden Objekten
Messungen durch:







Kabel der Kategorie 5
Terminiertes Kabel der Kategorie 5
Terminiertes Koaxialkabel
Telefonleitung
Buchsen der Kategorie 5
Switches
Steckdosen
4.2.3 Spannungsmessungen mit dem Multimeter
In dieser Übung messen Sie die Spannung mithilfe des Multimeters. Es gibt zwei Arten von
Spannungsmessungen. Zu Ihrer eigenen Sicherheit und zum Schutz des Messgeräts ist es
wichtig, dass Sie den Unterschied verstehen. Die beiden Arten sind Gleichspannungs(DC) und Wechselspannungsmessungen (AC).
Gleichspannung
Das Messgerät muss beim Messen von Gleichspannungen auf Gleichspannung eingestellt
sein. Gleichspannungen misst man unter anderem bei folgenden Komponenten:




Batterien
Netzteile von Computern
Solarzellen
Gleichspannungs-Generatoren
Wechselspannung
Das Messgerät muss beim Messen von Wechselspannungen auf Wechselspannung
eingestellt sein. Wenn Sie an einer Steckdose messen, müssen Sie davon ausgehen, dass
Netzspannung vorhanden ist. Die Netzspannung beträgt in den USA 120 V AC und in den
meisten anderen Ländern auf der Welt 220 - 240 V. Netzspannungen können
lebensgefährlich sein! Sie müssen daher unbedingt darauf achten, dass das
Multimeter richtig eingestellt ist
4.2.5
Aufbau eines einfachen elektrischen Kommunikationssystems
Dieses Diagramm zeigt einen Teil der Baugruppen, über die Ethernet-Netzkarten (Network Interface
Card, NIC) miteinander kommunizieren können. Es soll Ihnen bei der Lösung der in dieser Übung
gestellten Aufgabe helfen, bei der Sie ein einfaches elektrisches Kommunikationssystem entwerfen,
aufbauen und einsetzen.
4.3
Grundlagen zu Signalen und Rauschen in Kommunikationssystemen
4.3.1
Vergleich analoger u
Ein Signal kann eine bestimmte elektrische Spannung, ein Lichtmuster oder eine modulierte elektromagnetische Welle sein. All d
Eine Signalart ist das analoge Signal.




Analoge Signale besitzen folgende Eigenschaften:
Sie sind wellenförmig.
Ihr Spannung-Zeit-Diagramm ändert sich fortlaufend.
Sie kommen normalerweise in der Natur vor.
Sie werden seit über 100 Jahren in großem Umfang in der Telekommunikation eingesetzt.
Die Hauptgrafik zeigt eine reine Sinuswelle. Die beiden Hauptmerkmale einer Sinuswelle sind ihre Amplitude (A), also ihre Höhe
einen Zyklus benötigt. Sie können die Frequenz (f) mit der Formel f = 1/T berechnen.
Eine andere Signalart ist das digitale Signal. Digitale Signale besitzen folgende Eigenschaften:


Ihr Spannung-Zeit-Diagramm ist unstetig bzw. sprunghaft.
Sie kommen vorwiegend in der Technik und kaum in der Natur vor.
Die Grafik zeigt ein digitales Netzsignal. Digitale Signale besitzen eine feste Amplitude, aber ihre Impulsbreite und Frequenz kön
können annähernd durch eine Rechteckwelle dargestellt werden, die scheinbar sofortige Wechsel von niedrigen zu hohen Spann
handelt sich hierbei zwar um eine Annäherung, die aber so annehmbar ist, dass sie in allen zukünftigen Diagrammen verwendet
4.3.2
Erzeugung von digitalen Signalen aus analogen Signalen
Jean Baptiste Fourier zeichnet für eine der größten mathematischen Entdeckungen verantwortlich.
Er bewies, dass eine bestimmte Summe von Sinuswellen harmonisierender Frequenzen, die
Vielfache einer Basisfrequenz sind, zu einem beliebigen Wellenmuster zusammengefügt werden
können. Auf diese Weise funktionieren Spracherkennungsgeräte und Herzschrittmacher. Komplexe
Wellen können aus einfachen Wellen aufgebaut werden.
Eine Rechteckwelle oder ein Rechteckimpuls kann durch die richtige Kombination von Sinuswellen
erzeugt werden. Die Hauptgrafik zeigt, wie sich Rechteckwellen (digitale Signale) mit Sinuswellen
(analogen Signalen) erzeugen lassen. Es ist wichtig, dass Sie dies im Hinterkopf behalten, wenn Sie
untersuchen, was mit einem digitalen Impuls geschieht, während er in Netzmedien übertragen wird.
4.3.3 Darstellung eines Bits in einem Übertragungsmedium
Datennetze sind in zunehmendem Maße von digitalen (binären, Zweizustands-) Systemen
abhängig. Der Grundbaustein von Daten ist eine binäre Ziffer, die als Bit oder Impuls bezeichnet
wird. Ein Bit in einem elektrischen Medium ist das elektrische Signal, das der binären Ziffer 0 oder 1
entspricht. Dabei kann es sich bei der binären 0 einfach um 0 Volt und bei der binären 1 um + 5 Volt
oder aber eine komplexere Kodierung handeln. Die Signalbezugserde ist ein wichtiges Konzept, das
sich auf alle Netzmedien bezieht, die Nachrichten mithilfe von Spannungen transportieren.
Um richtig funktionieren zu können, muss sich eine Signalbezugserde in der Nähe der digitalen
Schaltkreise eines Computers befinden. Techniker haben zu diesem Zweck Masseleiter in
Leiterplatten eingebaut. Die Computer-Gehäuse werden als gemeinsamer Verbindungspunkt für die
Masseleiter von Leiterplatten verwendet, um die Signalbezugserde einzurichten. Die
Signalbezugserde stellt in Signalgrafiken die 0 V-Leitung dar.
Bei optischen Signalen würde die binäre 0 mit niedriger Lichtintensität oder gar keinem Licht
(Dunkelheit) kodiert werden. Die binäre 1 würde als höhere Lichtintensität (Helligkeit) oder andere
komplexere Muster kodiert werden.
Bei Funksignalen könnte die binäre 0 ein kurzes Wellenbündel sein, während die binäre 1 ein
längeres Wellenbündel oder ein anderes komplexeres Muster wäre.
Sie werden sechs Aspekte untersuchen, die bei einem Bit auftreten können:






Ausbreitung
Dämpfung
Reflexion
Rauschen
Taktverlust
Kollisionen
4.3.4 Übertragung von Netzsignalen
Ausbreitung bedeutet Bewegung. Wenn eine Netzkarte eine Spannung oder einen Lichtpuls an ein
Übertragungsmedium ausgibt, breitet sich dieser Rechteckimpuls, der aus Wellen besteht, entlang
des Mediums aus. Ausbreitung bedeutet, dass sich ein Paket Energie, das ein Bit darstellt, von A
nach B bewegt. Die Geschwindigkeit, mit der es übertragen wird, hängt vom tatsächlich im Medium
verwendeten Material, der Geometrie (Struktur) des Mediums sowie der Frequenz ab. Die Zeit, die ein
Bit benötigt, um von einem Ende des Mediums zum anderen Ende und wieder zum Ausgangspunkt
zurück zu gelangen, wird als Rundreisezeit (Round Trip Time, RTT) bezeichnet. Vorausgesetzt, es
finden keine anderen Verzögerungen statt, beträgt die Zeit, die das Bit benötigt, um zum anderen
Ende des Mediums zu gelangen, RTT/2.
Die Tatsache, dass das Bit etwas Zeit für den Weg im Medium benötigt, verursacht normalerweise
keine Probleme. Die Übertragung in den modernen Netzen findet jedoch mit immer höheren
Datenübertragungsraten statt, so dass Sie gelegentlich die Zeit berücksichtigen müssen, die ein
Signal für die Übertragung benötigt. Dabei sind zwei Extremsituationen zu beachten. Entweder
benötigt das Bit gar keine Zeit für die Übertragung, d. h., die Übertragung findet sofort statt, oder die
Übertragung dauert "ewig". Albert Einstein zufolge ist der erste Fall unmöglich, da sich gemäß seiner
"Relativitätstheorie" Informationen nicht schneller als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ausbreiten
können. Dies bedeutet, dass das Bit zumindest einen kurzen Zeitabschnitt für die Übertragung
benötigt. Der zweite Fall ist falsch, da Sie den Impuls mit der richtigen Ausrüstung tatsächlich zeitlich
steuern können. Wenn Sie die Übertragungszeit nicht kennen, kann dies ein Problem darstellen, da
Sie möglicherweise annehmen, dass das Bit entweder früher oder später an einem Ziel ankommt, als
es tatsächlich der Fall ist. Falls die Übertragungszeit zu lange dauert, sollten Sie erneut auswerten,
wie sich die Verzögerung auf das restliche Netz auswirkt. Falls die Übertragungsverzögerung zu kurz
ist, müssen Sie unter Umständen die Geschwindigkeit der Bits reduzieren oder sie vorübergehend
speichern (puffern), so dass die restlichen Netzkopplungselemente den Zeitunterschied zu den Bits
aufholen können.
4.3.5 Dämpfung in Netzen
Dämpfung ist der Signalstärkeverlust, der beispielsweise auftritt, wenn ein Kabel länger als maximal zulässig
ist. Dies bedeutet, dass das 1-Bit-Spannungssignal an Amplitude verliert, während Energie vom Signal an
das Kabel abgegeben wird. Obwohl eine sorgfältige Materialauswahl, wie beispielsweise Kupfer anstelle von
Kohlenstoff, sowie die Geometrie, Form und Anordnung der Drähte, die elektrische Dämpfung reduzieren
können, lässt sich ein gewisser Verlust aufgrund des vorhandenen elektrischen Widerstands nicht vermeiden.
Dämpfung tritt auch bei optischen Signalen auf, wobei die Glasfaser einen Teil der Lichtenergie absorbiert
und streut, während sich der Lichtimpuls, ein Bit, entlang der Glasfaser bewegt. Diese Dämpfung lässt sich
durch die Wahl der Wellenlänge bzw. Farbe des Lichts minimieren. Die Stärke der Dämpfung hängt auch
davon ab, ob Einmoden- oder Multimode-Glasfasern verwendet werden und aus welcher Glasart die Fasern
bestehen. Selbst bei Beachtung dieser Aspekte lässt sich ein gewisser Signalverlust nicht vermeiden.
Dämpfung tritt auch bei Radio- und Mikrowellen auf, wenn sie von bestimmten Molekülen in der Atmosphäre
absorbiert und gestreut werden. Dämpfung kann sich auf das Netz auswirken, da sie die Länge der
Netzkabel begrenzt, über die eine Nachricht gesendet werden kann. Wenn das Kabel zu lang ist oder zu
stark dämpft, kann ein an der Quelle abgesendetes 1-Bit-Signal am Ziel wie ein 0-Bit-Signal erscheinen.
Dieses Problem lässt sich durch die Auswahl eines geeigneten Netzmediums und durch Strukturen
umgehen, die nur eine geringe Dämpfung auftreten lassen. Zur Behebung des Problems können Sie zum
einen ein anderes Medium verwenden. Die zweite Möglichkeit besteht in der Platzierung eines Repeaters
nach einer bestimmten Strecke im Medium. Es gibt Repeater für elektrisch, optisch und drahtlos übertragene
Signale.
4.3.6
Netzreflexion
Um den Begriff Reflexion zu verstehen, stellen Sie sich vor, Sie halten zwischen sich und einer zweiten
Person ein Springseil gespannt. Stellen Sie sich jetzt vor, Sie senden dieser Person einen Impuls bzw. eine
1-Bit-Nachricht. Wenn Sie genau aufpassen,werden Sie feststellen, dass eine kleine Welle (Impuls) zu Ihnen
zurückkehrt (reflektiert wird).
Reflexion tritt bei elektrischen Signalen auf. Wenn Spannungsimpulse bzw. Bits auf eine Unstetigkeit treffen,
wird ein Teil der Energie reflektiert. Wenn diese Energie nicht sorgfältig gesteuert wird, kann sie
nachfolgende Bits stören. Während Sie sich hier momentan lediglich mit einem einzigen Bit beschäftigen,
müssen Sie in echten Netzen daran denken, dass Millionen und Milliarden von Bits in jeder Sekunde
gesendet werden und es dabei unbedingt erforderlich ist, diese Energie der reflektierten Impulse genau zu
verfolgen. Ob Probleme durch die Reflexion auftreten, hängt von der im Netz verwendeten Verkabelungsund Verbindungstechnik ab.
Reflexion tritt auch bei optischen Signalen auf. Optische Signale werden immer reflektiert, wenn sie auf eine
Unstetigkeit in den Glasfasern treffen, beispielsweise, wenn ein Stecker in ein Gerät eingesteckt wird. Sie
können diesen Effekt beobachten, wenn Sie nachts aus dem Fenster sehen. Dann sehen Sie Ihr eigenes
Spiegelbild, obwohl das Fenster kein echter Spiegel ist. Ein Teil des von Ihrem Körper reflektierten Lichtes
wird im Fenster noch einmal reflektiert. Dieses Phänomen tritt auch bei Radio- und Mikrowellen auf, wenn sie
auf unterschiedliche Schichten in der Atmosphäre treffen.
Dies kann zu Netzproblemen führen. Für eine optimale Netzleistung müssen die Netzmedien eine bestimmte
Impedanz aufweisen, um mit den elektrischen Komponenten in den Netzkarten zusammenarbeiten zu
können. Wenn die Netzmedien die falsche Impedanz besitzen, können Signale eine gewisse Reflexion
erfahren. Dann sind Interferenzen möglich, wodurch mehrere reflektierende Impulse auftreten können.
Ungeachtet dessen, ob es sich um ein elektrisches, optisches oder drahtloses System handelt, führen
ungleiche Impedanzen zu Reflexionen. Wenn dabei ausreichend Energie reflektiert wird, kann aufgrund
dieser zusätzlichen Energie, die sich im Leiter bewegt, das binäre System durcheinander gebracht werden.
Sie können dieses Problem lösen, indem sichergestellt wird, dass die Impedanzen aller Netzkomponenten
sorgfältig angepasst werden.
4.3.7
Störungen
Rauschen ist ein unerwünschter Nebeneffekt bei Spannungsimpulsen, optischen Impulsen oder Impulsen
elektromagnetischer Wellen. Elektrische Signale werden immer von Rauschen begleitet, es ist dabei jedoch
wichtig, das Signal-Rausch-Verhältnis (Signal-to-Noise-Ratio, SNR) so hoch wie möglich zu halten. Das
Signal-Rausch-Verhältnis ist eine technische Berechnung und Messung, bei der die Signalstärke durch die
Stärke des Rauschens geteilt wird. Mit ihm lässt sich messen, wie leicht das gewünschte und beabsichtigte
Signal aus dem nicht gewünschten, aber unvermeidbaren Rauschen entschlüsselt werden kann. Mit
anderen Worten, jedes Bit empfängt zusätzliche unerwünschte Signale von verschiedenen Quellen. Ein zu
starkes Rauschen kann ein Bit beschädigen, wenn eine binäre 1 in eine binäre 0 geändert wird und
umgekehrt, wodurch die Nachricht verfälscht wird. Die Abbildung zeigt fünf Rauschquellen, die ein
Bitsignal in einer Leitung beeinflussen können.
NEXT-A und NEXT-B
Wenn ein elektrisches Rauschen in einem Kabel von Signalen in anderen Drähten im Kabel stammt, wird
dies als Nebensprechen oder Cross Talk bezeichnet. NEXT steht für Near End Cross Talk (Nebensprechen
am Leitungsanfang, daher Nahnebensprechen). Wenn sich zwei nicht verdrillte Drähte nebeneinander
befinden, kann Energie von einem Draht zum anderen überspringen. Dies kann an beiden Enden eines
terminierten Kabels Rauschen verursachen. Tatsächlich gibt es viele Formen von Nebensprechen, die beim
Aufbau eines Netzes berücksichtigt werden müssen.
Das NEXT-Problem kann durch die sachgerechte Terminierung, strikte Befolgung der vorgeschriebenen
Vorgehensweisen und die Verwendung von hochwertigen paarweise verdrillten Adernpaaren behoben
werden.
NEXT-A ist Nahnebensprechen bei Computer A, und NEXT-B ist Nahnebensprechen bei Computer B.
Thermisches Rauschen
Thermisches Rauschen, das durch die zufällige Bewegung von Elektronen verursacht wird, lässt sich nicht
vermeiden, ist aber in der Regel gegenüber den Signalen verhältnismäßig gering.
Wechselstromrauschen aus der Bezugserde
Das Rauschen in Wechselstromleitungen und der Bezugserde stellt schwerwiegende Probleme im
Netzbetrieb dar. Das Rauschen von Wechselstromleitungen verursacht Probleme in Wohnungen, Schulen
und Büros. Elektrizität wird über in Mauern, Böden und Decken verlegte Stromkabel zu Geräten und
Maschinen transportiert. Als Folge sind wir in diesen Gebäuden überall vom Rauschen der
Wechselstromleitungen umgeben. Wenn man es nicht richtig unterbindet, kann Rauschen aus der
Elektrizitätsversorgung zu Netzproblemen führen.
Idealerweise sollte die Signalbezugserde vollständig von der Schutzerde isoliert sein. Die Isolation
verhindert, dass Kriechströme und Spannungsspitzen zur Signalbezugserde übergehen. Doch das Gehäuse
des Computers, das bereits mit dem Schutzleiter verbunden ist, wird auch als Signalbezugserde verwendet.
Aufgrund der Verbindung zwischen der Signalbezugserde und der Schutzerde können sich Probleme mit
der Erdung negativ auf das Datensystem auswirken. Diese Störungen lassen sich unter Umständen nur
schwer erkennen und zurückverfolgen. Sie werden in der Regel dadurch verursacht, dass
Elektroinstallateure nicht auf die Länge der Nullleiter und Schutzleiter achten, die zu den einzelnen
Netzanschlüssen führen. Leider können diese Drähte, wenn sie lang sind, zu Antennen für elektrisches
Rauschen werden. Eben dieses Rauschen stört dann die digitalen Signale (Bits), die ein Computer
erkennen und verarbeiten können muss.
Sie werden feststellen, dass bereits das Wechselstrom-Leitungsrauschen eines sich in der Nähe
befindenden Monitors oder Festplattenlaufwerks ausreichen kann, um Fehler in einem Computer-System zu
verursachen. Das Rauschen stört dabei die gewünschten Signale (verändert die Form und den
Spannungspegel) und verhindert so, dass die Logikgatter eines Computers den Anfang und das Ende der
Rechteckwellen erkennen können. Dieses Problem kann sich verstärken, wenn ein Computer schlecht
geerdet ist.
EMI/RFI
Zu den externen Quellen elektrischer Impulse, die sich negativ auf die Qualität von elektrischen Signalen im
Kabel auswirken können, gehören Neonleuchten, Elektromotoren und Funksysteme. Diese Arten von
Störungen werden als elektromagnetische Störsignale (EMI = Electromagnetic Interference) und
Funkfrequenzstörungen (RFI = Radio Frequency Interference) bezeichnet.
Jeder Draht eines Kabels kann wie eine Antenne wirken. Wenn dies passiert, absorbiert der Draht
tatsächlich elektrische Signale von anderen Drähten im Kabel sowie von externen elektrischen Quellen.
Wenn das daraus resultierende elektrische Rauschen sehr stark wird, kann es für Netzkarten schwierig
werden, das Rauschen von den Datensignalen zu unterscheiden. Dies stellt insbesondere deswegen ein
Problem dar, weil die meisten LANs Frequenzen im Bereich von 1 - 100 MHz verwenden, die auch von
UKW-Funksignalen, TV-Signalen und vielen anderen drahtlosen Geräten benutzt werden.
Befassen Sie sich nun damit, wie sich elektrisches Rauschen, ungeachtet der Quelle, auf digitale Signale
auswirkt. Stellen Sie sich vor, Sie möchten Daten in Form der binären Zahl 1011001001101 über das Netz
senden. Der Computer wandelt die binäre Zahl in ein digitales Signal um. Die Abbildung zeigt, wie das
digitale Signal für 1011001001101 aussieht. Das digitale Signal wandert durch das Netzmedium zu seinem
Ziel. Das Ziel befindet sich zufällig neben einer Netzsteckdose, die an lange Neutral- und Schutzleiter
angeschlossen ist. Diese Drähte wirken als potentielle Antennen für elektrisches Rauschen. Die Abbildung
zeigt, wie elektrisches Rauschen aussieht.
Da das Gehäuse des Ziel-Computers sowohl für die Schutzerde als auch die Signalbezugserde verwendet
wird, wirkt sich das erzeugte Rauschen auf das digitale Signal aus, das der Computer empfängt. Die
Abbildung zeigt, was mit dem Signal geschieht, wenn es mit elektrischem Rauschen kombiniert wird. Der
Computer liest das Signal nicht als 1011001001101, sondern als 1011000101101, und beeinträchtig so die
Verlässlichkeit der Daten. (Sie werden beschädigt.)
Im Gegensatz zu Kupferdraht wirken sich einige dieser Rauscharten auf optische und drahtlose Systeme
aus, während die Systeme gegenüber anderen Rauscharten immun sind. Glasfasern sind beispielsweise
immun gegenüber NEXT und Wechselstromrauschen der Bezugserde, während drahtlose Systeme
besonders empfindlich gegenüber EMI/RFI sind. Wir haben uns hier auf das Rauschen in Systemen mit
Kupferverdrahtung konzentriert. Das NEXT-Problem kann durch die sachgerechte Terminierung, strikte
Befolgung der vorgeschriebenen Vorgehensweisen und die Verwendung von hochwertigen paarweise
verdrillten Adernpaaren behoben werden.
Thermisches Rauschen lässt sich nicht verhindern. Sie können nur den Signalen eine ausreichend große
Amplitude geben, damit das Rauschen nicht ins Gewicht fällt. Um das bereits erwähnte Problem des
Rauschens der Signalbezugserde zu vermeiden, sollten Sie unbedingt eng mit ihrem Elektrounternehmen
und dem Stromversorgungsunternehmen zusammenarbeiten. Auf diese Weise können Sie die beste und
kürzeste elektrische Erdung erhalten. Eine Möglichkeit besteht darin, in einen separaten Transformator für
die Energieversorgung für Ihr LAN zu investieren. Wenn die Option für Sie rentabel ist, haben Sie die
Möglichkeit, den Anschluss anderer Geräte an Ihren Stromkreis zu beeinflussen. Indem Sie einschränken,
wie und wo Geräte, wie beispielsweise Elektromotoren oder Starkstromheizöfen, platziert werden, können
Sie einen Großteil des davon erzeugten elektrischen Rauschens eliminieren.
Weisen Sie das Elektrounternehmen, mit dem Sie zusammenarbeiten, an, für jeden Bürobereich einen
eigenen Stromkreisverteiler, einen sogenannten Sicherungskasten, zu installieren. Da die Neutral- und
Schutzleiter aller Netzanschlüsse im Sicherungskasten zusammenlaufen, verbessern Sie auf diese Weise
die Möglichkeiten, die Länge der Signalerde zu reduzieren. Während sich zwar durch die Installation von
separaten Stromkreisverteilern für die einzelnen Computer-Gruppen die Anschaffungskosten für die
Verkabelung erhöhen, werden auf diese Weise die Länge der Erdleitungen verkürzt und mehrere Formen
von signalüberlagerndem elektrischem Rauschen eingeschränkt.
Es gibt mehrere Methoden, EMI und RFI einzuschränken. Eine Möglichkeit besteht darin, den Durchmesser
der Leiterkabel zu vergrößern. Sie können auch ein besseres Isolationsmaterial verwenden. Derartige
Änderungen erhöhen jedoch den Durchmesser und die Kosten des Kabels stärker als sie die Qualität
verbessern. Aus diesem Grund verwenden Netzkonstrukteure in der Regel eher hochwertige Kabel und
machen Angaben bezüglich der empfohlenen maximalen Kabellänge zwischen Knoten.
Zwei erfolgreich von Kabelkonstrukteuren verwendete Techniken zur Reduzierung von EMI und RFI sind die
Abschirmung und die Aufhebung. Bei abgeschirmten Kabeln ist jedes Drahtpaar oder jede Gruppe von
Drahtpaaren mit einem Metallgeflecht oder einer Metallfolie umhüllt. Diese Abschirmung dient als Barriere
für beliebige Störungssignale. Durch die Verwendung eines Geflechts oder einer Folie vergrößert sich
jedoch nicht nur der Durchmesser des Leiters, sondern auch der des Kabels, was zu höheren Kosten führt.
Aus diesem Grund wird die Aufhebung häufiger zum Schutz des Leiters vor unerwünschten Störungen
eingesetzt.
Wenn elektrischer Strom durch einen Draht fließt, erzeugt er kleine, kreisförmige Magnetfelder um den
Draht. Die Richtung der Magnetfeldlinien wird durch die Flussrichtung des Stroms im Draht bestimmt.
Wenn zwei Drähte Bestandteil des gleichen Stromkreises sind, fließen die Elektronen in einem Draht von
der negativen Spannungsquelle zum Ziel. Von dort fließen sie im anderen Draht vom Ziel zur positiven
Spannungsquelle. Wenn zwei Drähte in einem Stromkreis dicht nebeneinander angeordnet werden, weisen
die Magnetfelder eine genau entgegengesetzte Richtung auf. Auf diese Weise heben sich die beiden
Magnetfelder auf. Dies gilt auch für externe Magnetfelder. Dieser Aufhebungseffekt kann durch das
Verdrillen der Drähte noch verstärkt werden. Indem Kabelkonstrukteure die Aufhebung zusammen mit einer
Verdrillung der Drähte verwenden, schaffen sie eine effektive Methode zur Selbstabschirmung von
Drahtpaaren innerhalb des Netzmediums.
4.3.8
Dispersion, Jitter und Latenzzeit
Dispersion, Jitter und Latenzzeit sind drei verschiedene Aspekte, die ein Bit beeinflussen können. Sie sind
in einer Gruppe zusammengefasst, da sich alle drei auf die zeitliche Abstimmung dieses einen Bits
auswirken. Für das Verständnis, welche Probleme auftreten könnten, wenn Millionen und Milliarden von
Bits sich in einer Sekunde im Medium bewegen, spielt die zeitliche Abstimmung eine große Rolle.
Man spricht von Dispersion, wenn sich der Impuls zeitlich verbreitert. Sie wird durch den Typ der beteiligten
Medien verursacht. In schwerwiegenden Fällen kann ein Bit beginnen, das nächste Bit zu überlagern und
mit den vorhergehenden und nachfolgenden Bits zu verschmelzen. Da Milliarden von Bits pro Sekunde
gesendet werden sollen, müssen Sie darauf achten, dass sich die Signale nicht zu stark verbreitern.
Dispersion lässt sich durch geeignetes Kabeldesign, Begrenzung der Kabellängen und Verwenden der
geeigneten Impedanz beheben. In Glasfasern kann die Dispersion in Grenzen gehalten werden, indem Sie
Laserlicht einer ganz bestimmten Wellenlänge verwenden. Bei der drahtlosen Kommunikation haben Sie
die Möglichkeit, die Dispersion über die verwendeten Übertragungsfrequenzen zu minimieren.
Alle digitalen Systeme arbeiten mit einem Takt, d. h., alle Aktionen werden durch Taktimpulse ausgelöst.
Taktimpulse bewirken, dass eine CPU Berechnungen durchführt, Daten in den Speicher geschrieben und
Bits von der Netzkarte gesendet werden. Wenn der Taktgeber auf dem Quell-Host nicht mit dem Ziel
synchronisiert ist, was gelegentlich vorkommt, kann dies zu einem Timing-Jitter führen. Dies bedeutet, dass
Bits etwas früher oder später als erwartet ankommen. Jitter können Sie durch eine Reihe komplizierter
Taktsynchronisationen, einschließlich Hardware-, Software- oder Protokollsynchronisationen, beheben.
Die Latenzzeit, die auch als Verzögerung bezeichnet wird, hat zwei Hauptursachen. Zum einen besagt
Einsteins Relativitätstheorie, dass "sich nichts schneller bewegen kann, als das Licht im Vakuum (3,0 x 108
Meter/Sekunde)". Funksignale bewegen sich etwas langsamer als das Licht im Vakuum Netzsignale in
Kupferdrähten bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von 1,9 x 108 m/s bis 2,4 x 108 m/s, Netzsignale in
Glasfaserkabeln mit ca. 2,0 x 108 m/s. Das Bit benötigt in jedem Fall also eine gewisse Zeit, um die Strecke
zu seinem Ziel zurückzulegen. Zum anderen verlängern die Transistoren und elektronischen Bauelemente
eines Geräts, die das Bit durchläuft, die Latenzzeit. Das Problem der Latenzzeit lässt sich durch den
sorgfältigen Einsatz von Internetworking-Geräten, anderen Kodierungsstrategien und verschiedenen
Schichtprotokollen lösen.
Moderne Netze arbeiten in der Regel mit Datenübertragungsraten von 1 Mbit/s bis 1000 Mbit/s (1 Gbit/s - 1
Milliarde Bits pro Sekunde!). Wenn Bits durch Dispersion verbreitert werden, können Einsen versehentlich
als Nullen angesehen werden und umgekehrt. Wenn die Gruppe von Bits anders geroutet wird und Sie die
zeitliche Abstimmung nicht berücksichtigen, kann der Jitter Fehler verursachen, wenn der empfangende
Computer versucht, Pakete wieder zu einer Nachricht zusammenzufassen. Wenn sich Bitgruppen
verspäten, werden die Netzkopplungselemente und andere Ziel-Computer von den Milliarden von Bits pro
Sekunde heillos überfordert.
4.3.9
Kollision
Eine Kollision tritt auf, wenn sich zwei Bits aus zwei verschiedenen kommunizierenden Computern
gleichzeitig am gleichen Ort in einem gemeinsamen Medium befinden. Im Fall eines Kupfermediums
addieren sich die Spannungen der beiden binären Stellen und erzeugen einen dritten Spannungspegel.
In einem binären System, das nur zwei Spannungspegel verarbeiten kann, ist diese Spannungsvariation
nicht zulässig. Die Bits werden "zerstört".
Einige Technologien, wie beispielsweise Ethernet, können mit einer bestimmten Menge von Kollisionen
umgehen, um auszuhandeln, wer bei der Kommunikation zwischen Hosts über ein gemeinsames
Medium mit der Übertragung an der Reihe ist. In einigen Fällen sind Kollisionen ein natürlicher
Bestandteil des Netzbetriebs. Übermäßige Kollisionen können das Netz jedoch verlangsamen oder zum
Stillstand bringen. Daher spielt die Minimierung und Lokalisierung von Kollisionen beim Netzdesign eine
wichtige Rolle.
Es gibt viele Methoden, um Kollisionen zu handhaben. Eine Möglichkeit besteht darin, sie zu erkennen
und einfach wie in Ethernet ein paar Regeln zu ihrer Handhabung bereitzuhalten. Eine andere
Möglichkeit ist, Kollisionen zu vermeiden, indem jeweils nur einem Computer in einer gemeinsam
genutzten Medienumgebung die Übertragung gestattet wird. Dazu ist es erforderlich, dass ein Computer
wie in Token Ring- und FDDI-Netzen für die Übertragung über ein spezielles Bitmuster, ein sogenanntes
Token, verfügen muss
4.3.10
Nachrichten und Bits
Sobald ein Bit zur Übertragung ein Medium erreicht, bewegt es sich fort, wobei Dämpfung,
Reflexion, Dispersion, Kollision oder Rauschen auftreten können. Es sollen aber viel mehr als nur
ein Bit übertragen werden. Tatsächlich sollen Milliarden von Bits innerhalb einer Sekunde
übertragen werden. Alle bisher beschriebenen Effekte, die bei einem Bit auftreten können, gelten für
die verschiedenen Protokolldateneinheiten (Protocol Data Units, PDUs) des OSI-Modells. Acht Bits
entsprechen einem Byte. Mehrere Bytes entsprechen einem Frame. Frames enthalten Pakete.
Pakete enthalten die Nachricht, die Sie übertragen möchten. Netzexperten sprechen häufig von
gedämpften, reflektierten, rauschenden, gestreuten und kollidierten Frames und Paketen.
4.4
Grundlagen der Kodierung von Netzsignalen
4.4.1
Historische Beispiele der Kodierung
Immer wenn Sie eine Nachricht über eine lange Distanz senden möchten, müssen Sie zwei Probleme
lösen: Wie soll die Nachricht dargestellt werden (Kodierung oder Modulation), und welches
Übertragungsverfahren (Träger) soll verwendet werden.
In der Geschichte hat es eine Vielzahl von Wegen gegeben, auf denen das Problem der
Kommunikation über lange Distanzen gelöst wurde: Laufboten, Reiter, Kutschen, optische Teleskope,
Brieftauben und Rauchsignale. Jede Übertragungsmethode erforderte eine Form der Kodierung. Erst
kürzlich wurde beispielsweise herausgefunden, dass Rauchsignale, die eine erfolgreiche Jagd
verkündeten, aus drei kurzen Rauchschwaden bestanden. Die von Brieftauben überbrachten
Nachrichten der glücklichen Ankunft eines Reisenden an seinem Ziel könnten ein Bild mit einem
lächelnden Gesicht sein. Später revolutionierte die Entwicklung des Morsealphabets die
Kommunikation. Für die Kodierung des Alphabets wurden dabei zwei Symbole, nämlich der Punkt und
der Strich, verwendet. × × × - - - × × × bedeutet zum Beispiel SOS, das internationale Notrufsignal. In
modernen Telefonen, Faxgeräten, Mittelwellen-, UKW- und Kurzwellenradios und Fernsehgeräten
werden alle Signale elektronisch kodiert. In der Regel werden verschiedene Wellen aus
unterschiedlichen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums moduliert.
Kodierung bedeutet die Konvertierung binärer Daten in eine Form, die auf einer physikalischen
Kommunikationsverbindung übertragen werden kann. Unter Modulation versteht man die Verwendung
der binären Daten, um eine Welle zu beeinflussen. Computer verwenden drei bestimmte Verfahren, die
alle bereits in der Geschichte vorgekommen sind. Diese Verfahren sind: Das Kodieren von Nachrichten
als Spannungen in verschiedenen Arten von Kupferdrähten, als Lichtimpulse in Glasfasern und als
modulierte, ausgestrahlte elektromagnetische Wellen
4.4.2 Modulation und Kodierung
Unter Kodieren versteht man das Konvertieren von Einsen und Nullen in eine echte, physikalische
Form, wie beispielsweise:



Einen elektrischen Impuls in einem Draht
Einen Lichtimpuls in einer Glasfaser
Einen Impuls aus elektromagnetischen Wellen im Raum.
Zwei dafür zur Verfügung stehende Methoden sind die TTL-Kodierung und die Manchester-Kodierung.
Die TTL-Kodierung (Transistor-Transistor Logic) ist die einfachste. Sie ist durch ein hohes und ein
niedriges Signal gekennzeichnet, wobei für die binäre 1 häufig der Wert +5 oder +3,3 Volt und für die
binäre 0 der Wert 0 Volt steht. In Glasfasern kann die binäre 1 eine helle LED oder ein Laserstrahl
sein und die binäre 0 für eine dunkle LED oder kein Licht stehen. In drahtlosen Netzen kann die binäre
1 bedeuten, dass eine Trägerwelle vorhanden ist und die binäre 0, dass keine Trägerwelle existiert.
Die Manchester-Kodierung ist komplexer, aber auch rauschresistenter, und die Synchronisierung
bleibt besser erhalten. Bei der Manchester-Kodierung sind die Bits für die Spannung in einem
Kupferdraht, die Helligkeit von LEDs oder Laserstrahlen in der Glasfaser oder die Leistung der EMWelle in drahtlosen Systemen als Übergänge kodiert. Beachten Sie, dass bei der ManchesterKodierung die 1 als Übergang von niedrig zu hoch und die 0 als Übergang von hoch zu niedrig kodiert
wird. Da sowohl Nullen als auch Einsen zu einem Signalübergang führen, kann der Takt im
empfangenden Gerät effektiv wiederhergestellt werden.
Die Modulation ist nahe mit der Kodierung verwandt, wobei eine Welle so geändert bzw. moduliert
wird, dass sie Daten trägt. Um Ihnen eine Vorstellung davon zu vermitteln, was Modulation ist,
untersuchen wir drei Methoden zum Ändern bzw. Modulieren einer Trägerwelle, um Bits zu kodieren:



Amplitudenmodulation (AM) - Die Modulation bzw. Höhe der Sinus-Trägerwelle variiert, um die
Nachricht zu transportieren.
Frequenzmodulation (FM) - Die Frequenz bzw. Wellenform der Trägerwelle variiert, um die
Nachricht zu transportieren.
Phasenmodulation (PM) - Die Phase bzw. der Anfangs- und Endpunkt eines gegebenen
Zyklus der Welle variiert, um die Nachricht zu übertragen.
Es gibt noch andere komplexere Formen der Modulation. Die Abbildung zeigt drei Möglichkeiten, wie
die binären Daten mithilfe von Modulation auf eine Trägerwelle kodiert werden können. Die binäre
Folge 11 (Lies: Eins Eins, nicht Elf!) kann entweder über AM (Welle ein/Welle aus), FM (starker
Wellenausschlag bei Einsen, schwacher Ausschlag bei Nullen) oder PM (ein Phasenänderungstyp für
Nullen, ein anderer für Einsen) übertragen werden.
Nachrichten können auf verschiedene Weise kodiert werden:
1. Als Spannungen in Kupferleitern. Die Manchester- und MLT3-Kodierung sind gebräuchliche
Verfahren in Netzen auf Kupferbasis.
2. Als gelenkte Lichtimpulse. Die Manchester- und 4B/5B-Kodierung sind gebräuchliche
Verfahren in Glasfasernetzen.
3. Als ausgestrahlte elektromagnetische Wellen. In drahtlosen Netzen wird eine Vielzahl von
Kodierungsverfahren (Varianten von AM, FM und PM) verwendet.