Analoge und digitale Signale

1. Fragen: • webmaster@munz-udo.de Analoge und digitale Signale Analoge Signale • Sie sind wellenförmig. • Ihr Spannung-Zeit-Diagramm ändert sich fortlaufend • Sie kommen normalerweise in der Natur vor • Sie werden seit über 100 Jahren in in der Telekommunikation eingesetzt Digitales Signal • Ihr Spannung-Zeit-Diagramm ist unstetig bzw. sprunghaft • Sie kommen vorwiegend in der Technik und kaum in der Natur vor

2. Die Frequenz Lat. frequentia „Häufigkeit“ Synonym in der Technik für die Häufigkeit bei regelmäßig ablaufenden Prozessen, wie Schwingungen, Blutkreislauf, CPU-Takte,.... Anzahl der in der Sekunde auftretenden Vorkommnisse Die Einheit der Frequenz ist Hertz (Hz)

3. Die Bandbreite Analoge Kommunikationssysteme, wie Radio, Telefon, Funk: • Abstand zwischen der Minimal- und der Maximalfrequenz • Frequenzbereich, in dem elektrische Signale mit ausreichender Qualität übertragen werden können • Die Dämpfung der Signale darf nicht mehr als 30% des Ausgangswerts betragen • Je höher die Bandbreite, desto mehr Informationen können theoretisch pro Zeiteinheit übertragen werden • Die Einheit der (analogen) Bandbreite ist Hertz (Hz)

4. Die Bandbreite Digitale Datenübertragung • Synonym für die Datenübertragungsrate • Die Einheit der (digitalen) Bandbreite ist bit/s • Zwischen analoger und digitaler Bandbreite besteht ein enger Zusammenhang: Die Datenübertragungsrate ist proportional zur analogen Bandbreite • Es können mehrer binäre Signale pro Hz Bandbreite übertragen werden (codierte Übertragung)

5. Frequenz 1 Frequenz 2 Frequenz 3 Messungen am Netzwerk unter verschiedenen Frequenzen

6. Messungen am Netzwerk - Fourierzerlegung/Synthese

7. Messungen am Netzwerk - Fourierzerlegung/Synthese

8. Der Dirac-Impuls enthält alle Frequenzen Messung mit einem Impuls möglich Messungen am Netzwerk - heute

9. Störsignale oder Rauschen Unerwünschter Nebeneffekt bei der Übertragung von Impulsen Signal-Rausch-Verhältnis (Signal-to- Noise-Ratio, SNR) muss so hoch wie möglich sein Zu starkes Rauschen kann eine Information verfälschen

10. Störsignale: Thermisches Rauschen • Thermisches Rauschen • Durch Elektronenbewegung erzeugt • Nicht vermeidbar • Gegenüber dem Signalpegel sehr gering

11. Störsignale: Das 230-V-Wechselspannungsnetz • Wechselstromrauschen • Verursacht durch 230V-Leitungen • Zu lange 230V-Leitungen werden zu Antennen für Rauschen - Unterverteilungen setzen • Schwerwiegendes Problem im Netzwerk • Idealerweise sollte Signalbezugserde und Schutzerde getrennt sein • Realität: Gehäuse des Computers ist mit dem Schutzleiter verbunden und wird auch als Signalmasse verwendet

12. Störsignale: Gegenmaßnahmen • EMI (Electromagnetic Interference) elektromagnetische Störsignale • Störungen durch Leuchtstofflampen, Elektromotoren und Funksignale • RFI (Radio Frequency Interference) Funkfrequenzstörungen • LAN-Frequenzen liegen von 1 .. 100 MHz - UKW-Funksignale, Fernsehsignale, drahtlose Systeme auch • Gegenmaßnahmen: • Elektromotoren,.. sinnvoll platzieren • Länge der Stromleitungen reduzieren • Höherer Querschnitt der Stromleitungen • Schirmung der Datenleitungen • Verdrillte Datenleitungen

13. Störsignale: Dispersion, Jitter und Latenz Drei Probleme, die bei der Signalübertragung auftreten können Drei Probleme, die mit der Synchronisation bei der Datenübertragung zu tun haben

14. Störsignale: Dispersion, Jitter und Latenz Dispersion (Delay Distortion): • Liegt vor, wenn ein Signal zeitlich auseinandergezogen wird. • Wird durch verwendeten Mediantyp verursacht • Bei Kupfer: hochwertige Leitungsmaterialien verwenden, Leitungslängen einhalten, auf korrekten Wellenwiderstand achten. • Bei LWL: Einsatz der richtigen Wellenlänge des Laserlichts. • Bei WLAN: Einhaltung der Übertragungsfrequenzen • Kann zur Verfälschung nachfolgender Bits führen.

15. Störsignale: Dispersion, Jitter und Latenz Jitter: • Liegt vor, wenn ein Bit einmal etwas früher, manchmal etwas später beim Empfänger ankommt • Dieses Synchronisationsproblem kann durch Hardware (Leitungsmedien, Terminierung, Reflektionen,...) Software oder durch das Übertragungs- protokoll entstehen.

16. Störsignale: Dispersion, Jitter und Latenz Latenz (Verzögerung): • Einsteins Relativitätstheorie legt fest, dass es nichts gibt, was sich schneller bewegen kann als Licht im Vakuum (300 000 km/s) • Da ein Bit immer eine Strecke zurücklegt, braucht es hierfür immer Zeit • Elektrische Bauteile, wie z. B. Transistoren benötigen zusätzlich Zeit • Daher: Sinnvoller Einsatz von Netzwerkkomponenten, Codierte Übertragungsprotokolle (z. B. Manchestercode), Verwendung der Protokolle des OSI-Modells

17. Dämpfung (Attenuation) Dämpfung Verlust der Signalstärke über die Distanz hinweg Spannung, die Bit präsentiert wird immer geringer Je nach eingesetztem Material und Materialgeometrie lässt sich Dämpfung reduzieren z. B.: TP-Kabel-Qualität Single- oder Multimode-LWL

18. Signalverlust in dB Dämpfung (Attenuation) • Dämpfung ist der Signalverlust im Link • Messverfahren: • Einspeisung eines Impulses definierter Amplitude (Pegelsender) • Remote-Einheit misst ankommendes Signal (Pegelmesser) • aus der Differenz errechnet das Gerät die Dämpfung • Wird bis zur max. Frequenz gemessen • gemessen in Dezibel (dB)

19. Dämpfung (Attenuation) • Quellen und Ursachen: • Ohmscher Widerstand der Kupferleiter • Umpolarisationsverluste des Isoliermaterials und Wirbelströme im Schirm der Leitung • Verluste und Reflexionen durch unsachgemäßen Anschluss der Kabelenden • Reflexion aufgrund von Inhomogenität der Impedanz auf der Länge der Leitung • Folge zu hoher Dämpfung: • Netzwerkdaten können ab einer gewissen Grenze nicht mehr sicher übertragen werden

20. Dämpfung (Attenuation) Dezibel: Das Verhältnis der Spannungen im logarithmischen Maßstab

21. Dämpfung (Attenuation) Dämpfung ist abhängig von: • Frequenz • Skineffekt • Umpolarisationsverluste • Temperatur • 0,4% Dämpfungsänderung/°C • Länge des Kabels • proportionale Abhängigkeit • Verlegung • Kabel-Biegungen • Metall-/Kunststoff-Kabelkanäle • Luftfeuchtigkeit • Anstieg von 40% auf 90%: 2% Dämpfungszuwachs

22. Dämpfung (Attenuation) Maximal zulässige Dämpfung auf 100 Meter Alle Werte entsprechen wie beim Nahnebensprechen der Normung EN 50173. Die Einteilungen für die Kategorie 7 wurde als DIN 44312-5 der IEC zur Standardisierung vorgeschlagen

23. Störsignale: Nebensprechen (Crosstalk) Stromfluss erzeugt Magnetfelder um den Leiter Richtung der Magnetfeldlinien wird durch Stromflussrichtung bestimmt Verdrillung der Hin- und Rückleiter als Selbstabschirmung innerhalb eines Leitungsmediums (Aufhebung des Störsignals)

24. NEXT • Der Nahnebensprech- oder NEXT-Verlust (Near End Crosstalk) ist ein Maß für die elektrische und magnetische Signalkopplung zwischen zwei Aderpaaren • Nahnebensprechen ist ein kritischer Störfaktor für die Übertragungsleis-tung von Verbindungen

25. NEXT • Der Kabeltester speist ein Signal in ein Leiterpaar ein und misst die Größe des Signals, das in einem anderen Leiterpaar als Folge des Nebensprechens erzeugt wird • NEXT • ist die Differenz zwischen dem eingespeisten und dem gemessenen Signal • wird als Nahnebensprechen bezeichnet, weil an der gleichen Seite gemessen wird, an der auch eingespeist wird • ändert sich nur unwesentlich in Bezug auf Temperatur oder Feuchtigkeit

26. NEXT • Nahnebensprechen wird in Dezibel (dB) ausgedrückt. Der Wert sollte möglicht hoch sein • Im Display werden sowohl die gemessene Werte, als auch die Grenzwertkurve angezeigt

27. NEXT • Misst man das Nebensprechen am fernen Ende, so kommt die Leitungsdämpfung hinzu. Daher könnten defekte Anschlüsse nicht erkannt werden • 10 dB + 25 dB + 10 dB = 45 dB - in CAT5-Spezifikation (> 44dB) • Es muss das Nebensprechen an beiden Enden geprüft werden ! 25 dB Neben-sprechen 10 dB Leitungsdämpfung 10 dB Leitungsdämpfung

28. 10 dB Leitungsdämpfung 25 dB Neben-sprechen 10 dB Leitungsdämpfung NEXT @ Remote Misst man das Nebensprechen am fernen Ende mit Hilfe der Remote-Einheit, so entfällt die Leitungsdämpfung. Der defekte Anschluss wird erkannt !

29. FEXT • FEXT (Far End Crosstalk) ist die Differenz in dB zwischen dem eingespeisten Signal am fernen Ende und dem gemessenen Signal in einem anderen Leiterpaar am nahen Ende - es ist das unerwünschte Nebensprechen, gemessen an der anderen Seite der Verbindung • FEXT-Wert sollte möglichst hoch sein

30. Power Sum NEXT • Power-Sum-Werte zeigen, wie stark ein Leitungspaar durch kombinierte Interferenz der anderen Paare beeinträchtigt wird • Gute Power-Sum-Leistung ist für Netzwerke höherer Geschwindigkeit wichtig, wo Daten parallel über mehrere Leitungen übertragen werden

31. Leitungsfehler

32. Leitungsfehler

33. TIA/EIA-568-B • Der TIA/EIA-568-B Standard fordert folgende Tests: • Wire map • Insertion loss • Near-end crosstalk Power sum near- end crosstalk • Equal-level far-end crosstalk • Power sum equal-level far-end crosstalk • Return loss • Propagation delay • Cable length • Delay skew