Übertragung von Information

charakterisierbar durch:

• Wellenwiderstand (Verhältnis Hinlaufender Spannungs- zu Rücklaufender Stromwelle)

• Laufzeit (c / sqrt(e_r))

• Dämpfung

• Dispersion (Bedingt durch Verluste werden Eigenschaften Frequenzabhängig, bspw. Rechtecksignal wird zu Kurve

Übertragung höherer Signalfrequenzen: Abschlüsse beachten !

Übertragung nacheinander -> Seriell -> typisch CAN, SATA, ETHERNET

Parallele Übertragung (schneller aber mehr leiter und dickere Kabel)

unsymmetrisch, schlechter EMV (kap und ind Felder) früher

symmetrisch besser und heute

Prinzip: dielektrische Leiter, Licht wird an Grenzfläche gebrochen und reflektiert

Wenn unterschied zwischen Medien und Lichtstrahl flach genug -> Totalreflektion

Da Lichtquelle in unterschiedliche Richtungen abstrahlt, kommt es zu unterschiedlichen Laufzeiten der Lichtrahlen

Abhängig von der Dicke des LWL sind ein Wellenmodus (Monomode) oder viele Wellenmodi (Multimode) ausbreitungsfähig.

Monomode: Lichleiter so dünne das nur axialer Strahl durchgeht, gut für weite Verbindungen, aufwändiger, Abprupte änderung der Brechzahl, 5um Kern, 125um Mantel

Multimode: kleinere Entfernungen, kontinuierliche Änderung der Brechzahl, almälicher Vorgang der Brechung, in der mitte höchste Brechzahl und nach außen immer weniger daurch wird strahl in der mitte immer langsamer sein als außen, leichtere einkopplung, 50um kern, 125 um Mantel

Grenzfläche: Um Kern (höhere Brechzahl) wird Mantel (gleiches Material mit geringerer Brechzahl um mechanische Spannungen zu verhindern ) gelegt um Brechung

Betriebswellenlängen: 1310, 1550nm

Sender: LED mit kleinem Abstrahlquerschnitt

Empfänger: Photodiode

Mit Lichtwellenleitern lassen sich praktisch nur Punkt-zu-Punkt-Verbindungen aufbauen. Endpunkte sind direkt die optischen Aktivelemente:

• Sender: LED: spezielle Bauformen mit kleinem Abstrahlungsquerschnitt Laser

• Empfänger: Photodiode, oft mit integriertem Verstärker und Schmitt-Trigger

Abstimmung Antenne auf Wellenlänge -> Lamda Halbe

je geringer Wellenlänge desto größer Antenne

Schmalbandig: Lambda/4 oder Lambda/2

Breitbandig: Bikonische Antenne, Logarithmische Antenne

Empfänger muss wissen mit welcher Frequenz er das Signal multiplizieren muss um das Signal zu bekommen -> Trägerfunktion wird dazu addiert -> gewöhnliche Amplitudenmodulation

Amplitude von träger Signal wird ersetzt duch Funktion des Signals (bspw.: sinus)

Wenn Omega oder Phaselage verändert wird von Singal

Frequenzmodulation Bei digitalen Signalen -> FSK

Phasenmodulation Bei digitalen Signalen -> BPSK -> Binary für immer gleiche änderung der Phasenlage

Pro übertragung lassen sich dadurch mehrere Bits übertragen

Amplitude und Phase wird geändert

zwei Trägersignale mit gleicher Trägerfrequenz eingesetzt, die in ihrer Phasenlage um 90° versetzt sind

y = Q

x = I

Aufgrund von reflexionen kann es zur auslöschung gewisser Frequenzen kommen -> Informationsverlust

Lösung: Informationen werden nicht in großem Kanal sondern in vielen kleinen Kanälen übertragen -> OFDM

Signal wird aufgeteilt auf verschiedene Frequenzen um Spektrum effizienter zu nutzen

Rechteckfunktion im Zeitbereich -> Sin(x)/x im Frequenzbereich

Zweites Rechteck ist Zeitlich verschoben -> Frequenzeverschoben um Frequenzbereich

O steht für orthogonal -> Sin(x)/x Funktionen stehen Orthogonal aufeinander und die Nebeneträger löschen sich aus und die Nullstellen der anderen befinden sich bei Maximum von anderer Funktion

Digitales Signal im Zeitbereich ist Sin(x)/x Funktion im Frequenzbereich

Wenn man weiß wie die Frequenzen des einzelnen Signal sein sollen (Über Zuordnung der Bitfolge und Mapping IQ-Matrix) kann Inverse Fourier Trans gemacht werden udn dann über QAM kann img und re teil bestimmt werden und auf träger signal gegeben werden

Nachbarkanal kann direkt neben Kamm (beinahe rechteck) gesetzt werden

Falls trotzdem Auslöschung vorhanden:

• Empfänger und Sender verhandeln vorher Testdaten um Charakterisitk zu bestimmen. Träger bestimmen welche funktionieren oder nicht

• Forward error correction -> durch geschickte codierung werden mehr bits übertragen als benötigt werden

-> Die meisten Übertragungen basieren auf diesem Prinzip

DVBT, DAB, neueres WLAN, LTE, DSL

Wird heute weniger verwendet

Gegen Interferenzen oder um genaues Signal nicht abhören zu können

Sendeenergie wird verteilt

Durch Pseudorandom wird Spektrum vergrößert um Bandbreite ausnutzen zu können, einzelne Auslöschungen haben keinen großen Einfluss

Durch Code wird eine Art verschlüsselung gemacht

Bei GPS arbeiten alle mit gleicher Frequenz aber Code ist unterschiedlich

• zunächst PSK, FSK oder andere Schmalbandmodulation

• anschließend zweiten Modulation mit

• Gespreizte

• Spektren durch Multiplikation des primär modulierten Signals mit Rechteckfolge

Maximale Datenrate eines Kanals DR = 2 * B * ld(N) [bit/s]

Bandbreite B -> Mehr Spektrum -> mehr Datenraten

Anzahl diskreter Stufen im Signal N -> Bei 1024 QAM ist N = 1024

Bei Anzahl der Stufen muss SNR noch beachtet werden da bei zu gerinem SNR das Rauschen von Signal nicht mehr unterschieden werden kann wenn zu viele Stufen vorhanden sind

Rauschen durch Eigenrauschen des Empfängers, natürliches Rauschen, Störungen durch andere technische Systeme

Näherung für frequenzunabhängiges SNR:

DR = B * ld(1+SNR)

Im realen:

• Frequenzabhängige auslöschungen in realität deswegen wird duch Shannon-Hartley nur theoretisches max angegeben

• Informationen kommt durch reale Verhältnisse abhanden

• System muss auch bei ungünstigstem SNR noch funktionieren -> Informationsverlust bei guten SNR

• Bei OFDM kann über Trägerbreite jede einzelne Linie des Frequenzspektrum anschauen und dadurch an Kanaleigenschaften angleichen

Paritätsbit gibt Anzahl von 1 zurück -> Wenn gerade dann auf eins wenn ungerade dann auf 0 -> nur 1-Bit Fehlererkennung

Problem bei NRZ:

• Durch Start und Stopbit verliert man Datenrate

• Uhren von Empfänger und Sender könnten auseinander laufen und start und stop bit können falsch interpretiert werden bei zu langer Information

Abhilfe -> zwischen Synchronisaton, bei jedem Bit soll mind. ein Pegelwechsel erfolgen:

-> Manchester: Information wird durch Pegelwechsel übertragen -> dadurch kann erneut Synchronisiert werden

-> Problem: Frequenzanteil doppelt so hoch als bei NRZ -> Basisband benötigt doppelt so viele Bandbreite -> zu viele Ressourcen

-> Abhilfe: nicht nach jedem Bit synchro sondern nach bestimmter Anzahl von Bits

-> 4B5B -> 5 Bit ergeben ein packet das übertragen wird und in 4 Bit übersetzt wird. Bei jedem 5 Bit Code gibt es mindestens ein Pegelwechsel

Bandbreitenerhöhung durch Anzahl an möglichen Zuständen

In SNR steckt drin wie viel Stufen des Signals aufgrund von Rauschen erkennbar ist

Durch Art der Codierung wird Bandbreite eingespart. Wenn immer auf 1 dann ungefährt ein Sinus

-> Gbit/s -> 5 Logiken

Wenn nur ein Kanal wie bspw. Luft zur Verfügung wie schafft man das keine Störung und beeinflussung gibt

Jedes Endgerät bekommt Zeitschlitz, darf nur da Senden

Lücke = Guard wegen Lichtgeschwindigkeit

Wird von GSM (2G) verwendet

Bei Bluetooth könnne beide Geräte Master oder Slave sein, je nachdem welches Gerät zuerst eingeschaltet wurde

Bei Bluetooth wird bei jedem Senden unterschiedliche Frequenz verwendet

Bandbreit wird in Unterkanäle unterteilt

Wenn man Spread Spektrum mit mehrere Codes verwendet

Code wird verwendet um gezielten Teilnehmer zu adressieren

Sender und Empfänger benötigen gleiches Rauschen um Signal zu übertragen

Gleichzeit auf gleicher Frequenz mit unterschiedlichen Codes

GPS

Gleichberechtigte Teilnehmer auf Kanal (Kabel)

1. Station sendet

2. Wir als Teilnehmer erkennen das Medium belegt ist und mache nichts

3. Nach bestimmter Wartezeit wird geprüft ob Medium frei ist

Wartet nach „Frei“-Erkennung zufällige Zeit und prüft erneut

Wenn hohe belastung des Bussystems ist das System besser

Sendet und wartet ggf. nach Erkennung einer Kollision zufällige Zeit

Bsp.: Telefonkonferenz online wenn mehrere anfangen zu reden

Wenn Bus nicht ausgelastet ist dann schneller und wenn man schnelle Datenübetragung benötigt

Wird von Ethernet verwendet

S = Schirm

TP = Twisted Pair

LON = Local Operation Network, Feldbussystem

• Vernetzung vieler Gewerke

Standardisierte vernetzung zwischen einzelnen Aktoren

Übertragung ist dem Anwender überlassen

Vorteil gegenüber LON ist das wenn verkabelt auch gleich die Versorgung gewährleistet ist (Sensoren)

Alle Teilnehmer haben gleiches Medium

Flexible Steuerung und Automatisierung

1. Infrakstrukur-Netzwerke (mit Basisstation)

Master/Slave Struktur, hirarchische Struktur, Sendeanlagen, WLAN-Basisstation

1. Ad-hoc-Netzwerke

Ohne Zentrale, ISM-Frequenzen, Punkt zu Punkt Verbindung

DSSS: Sendefrequenz wird mit Schema durchgeführt

QPSK: 4 Zustände -> pro Symbol zwei Bit

CSMA/CA: Schauen in Luft ob was geschickt wird, dann Zeit warten und dann senden

Erster Teilnehmer ist Coordinator, mehrere ZigBee-Netze unterscheidung die Codewort haben, Coordinator verwaltet Codword

Router erhöhen die Reichweite

Kein Koordinator,

Teilnehmer nehmen alle Rollen ein

Home-Automation

möglichst wenig Energiebedarf

Energy-Harvesting: Energie des zu messenden prozesses wird für senden verwendet