9. Signalübertragung: Übertragungsgüte und
Störgrößen
9.1.
Die Übertragungsstrecke
Signalübertragung
findet immer zwischen einem Sender und einem oder mehreren
Empfängern
statt. Ganz allgemein kann gesagt werden, dass Signale vom Sender
über ein Transportmedium an den Empfänger
übertragen
werden. Auf jedes Transportmedium wirken Störungen ein, die
die
übertragenen Signale verändern.
Die
Qualität der
Signale wird dadurch verschlechtert. Das Transportmedium kann aus den
unterschiedlichsten Materialien hergestellt sein, neben Kabeln sind
elektromagnetische Felder die hauptsächlichsten
Übertragungsmedien.
9.2. Das
Signal
9.2.1. Wie sieht ein Digitalsignal
aus?
Um beurteilen zu können, mit welcher
Qualität Signale
übertragen werden, muss man zunächst die Frage
stellen, wie
diese Signale im Idealfall aussehen sollen. Danach muss man
ermitteln, welche Veränderungen und/oder Störungen
des
Signals noch toleriert werden können, ohne dass der
Signalinhalt
verloren geht.
Bei der Übertragung von digitalen Daten gibt es
im Regelfall
nur zwei Zustände: 0 und 1.
Diese Zustände werden z. B. bei elektrischer
Signalübertragung durch zwei Spannungspegel (im Bild V+ und
V-)
repräsentiert, die Werte für diese Pegel sind
unterschiedlich bei den einzelnen Systemen.
Die
Datenübertragung besteht für Digitalsignale also aus
der
Übertragung von Folgen der Werte 0 und 1. Wenn man den
zeitlichen Signalverlauf grafisch darstellt, erhält man (im
Idealfall) eine Kurve, die aus Rechtecken besteht. Deshalb spricht
man in der Digitaltechnik auch von Rechteckimpulsen.
Die
mathematisch-theoretische Behandlung der Rechteckimpulse ist sehr
schwierig. Für die Praxis genügt es aber in den
meisten
Fällen zu wissen, dass ein Rechtecksignal aus einer
großen
Anzahl von Sinussignalen unterschiedlicher Frequenzen zusammengesetzt
ist.
Je schärfer die „Ecken“
eines Rechteckimpulses
sind, desto höhere Frequenzen sind in dem Gemisch der
Sinussignale enthalten.
9.2.2. Wann wird ein Signal noch als solches erkannt?
Grundsätzlich gilt für alle
Störbeeinflussungen:
Ein Signal wird auf der Empfängerseite nur dann
erkannt, wenn
deutlich zwischen 0 und 1 unterschieden werden kann. Solange die
Rechteckform des Signals erhalten bleibt, macht das keine
Schwierigkeiten. Durch verschiedene Störbeeinflussungen wird
jedoch die Rechteckform des Signals mitunter bis zur Unkenntlichkeit
verzerrt. Beim Datenempfänger muss deshalb u. U. die
Rechteckform der Signale wieder regeneriert werden. Ab einer
bestimmten Verformung ist das Rechtecksignal nicht mehr zu
regenerieren, d. h., es kann nicht mehr in jedem Fall zwischen 0 und
1 unterschieden werden. Damit ist die Information verloren. Bei
vielen Übertragungsstrecken fordert in diesem Fall der
Empfänger
den Sender auf, die Übertragung erneut durchzuführen.
Deshalb erscheinen stark gestörte
Übertragungsstrecken
deutlich langsamer.
9.2.3. Wie erkennt man Übertragungsfehler?
Das Problem tritt bei jeder Übertragung von
digitalen Daten
auf: Der Sender sendet eine Folge von Nullen und Einsen, der
Empfänger empfängt eine Folge von Nullen und Einsen.
Woher
weiß jedoch der Empfänger, dass er, nachdem er ein
verzerrtes und von ihm regeneriertes Signal ausgewertet hat,
tatsächlich die originale Folge von Nullen und Einsen empfing?
Hierzu gibt es eine große Anzahl von
Prüfverfahren, die
alle auf dem Prinzip beruhen, dass zusätzlich zum eigentlichen
Dateninhalt noch Daten übertragen werden, die eine
Prüfung
ermöglichen. Zusätzliche Daten, die die
Übertragungssicherheit erhöhen, nennt man
„redundant“ (lat. redundare = im Überfluss vorhanden sein).
Hierzu ein einfaches Bespiel:
Es sollen in jeweils einem Byte die Zahlen 5, 7 und 9
übertragen
werden. Zur Sicherheit sendet der Sender ein viertes Byte mit der
Summe der drei Zahlen (21). Aus dem verwendeten
Übertragungsprotokoll
weiß der Empfänger, dass es sich beim vierten Byte
um die
Summe der drei vorhergehenden Bytes handelt. Diese Summe bildet er
jetzt ebenfalls. Weicht sie von der empfangenen Summenzahl 21 ab, so
liegt ein Übertragungsfehler vor, d. h., dass eines der vier
empfangenen Bytes durch Störung verändert wurde. Der
Empfänger fordert jetzt den Sender auf, alle vier Bytes noch
einmal zu übertragen.
Eine häufig verwendete Prüfmethode ist
das
Prüfsummenverfahren CRC (Cyclic Redundancy Check). CRC wird
benutzt, um Übertragungsfehler bei Datenübertragungen
zu
erkennen und zu beseitigen. Die Überprüfung erfolgt
sowohl
vom sendenden als auch vom empfangenden Gerät aus. CRC ist
Bestandteil von einigen Übertragungsprotokollen.
9.3. Störquellen, die die Signalausbreitung begrenzen
9.3.1. Begrenzung der Bandbreite
Jeder
Übertragungskanal
besitzt eine Grenzfrequenz, d.h., Schwingungen mit höheren
Frequenzen werden nicht mehr übertragen. Diese Frequenz
heißt
auch die Bandbreite.
-
Frequenzen
werden gemessen in Hz (Hertz): 1 Hz = 1/sec (Schwingung pro Sekunde)
-
Die
Bandbreite eines Übertragungskanals ist maßgeblich
für die Menge der zu übertragenden Informationen.
-
Je
höher die Bandbreite, desto größere
Datenmengen können übertragen werden.
Man
kann sich ein
Digitalsignal (Rechteckimpuls) zusammengesetzt aus einer
größeren
Anzahl von Sinussignalen unterschiedlicher Frequenzen vorstellen. Je
schärfer die „Ecken“ eines
Rechteckimpulses sind,
desto höhere Frequenzen werden übertragen, d. h.,
desto
höher ist die Bandbreite. Umgekehrt: Je geringer die
Bandbreite
des Mediums ist, desto mehr wird das Rechtecksignal "verschliffen".
9.3.2.
Dämpfung
Bei der Übertragung von Signalen treten bei
zunehmender
Entfernung zwischen Sender und Empfänger Verluste auf (z. B.
bei
Kabeln durch den elektrischen Leitungswiderstand). Dies verringert
den Rauschabstand, d.h. das Verhältnis
zwischen
Signalstärke und Störungen wird immer geringer.
Abhängig
vom Übertragungsmedium und von der maximal verwendeten
Datenrate
gibt es eine maximale nutzbare Übertragungsweglänge.
Allgemein
gesagt ist die Dämpfung das Verhältnis des
Ausgangs-Signalpegels zum Eingangs-Signalpegel. Die Dämpfung
wird in Dezibel (dB) angegeben.
Bei
einem Kupferkabel z. B. ist die Dämpfung das
Verhältnis von
Aus- zu Eingangsspannung. Dieses Kabel kann aus einer
Zusammenschaltung von Widerständen, Induktivitäten
und
Kapazitäten angesehen werden (s. nebenstehendes
Ersatzschaltbild). Je höher die Frequenz, desto
größer
ist die Dämpfung durch Leitungsinduktivität und
Kapazität.
Durch in den Übertragungsweg eingeschaltete
Verstärker
(Repeater) kann die Dämpfung z. T. ausgeglichen werden.
9.3.3. Verzerrungen durch Laufzeitunterschiede
Die Geschwindigkeit, mit der ein Signal in einem Medium
transportiert wird, ist auch abhängig von der Frequenz. Wenn
also ein Rechtecksignal übertragen wird, das wir uns als
Gemisch
von Sinussignalen unterschiedlicher Frequenz vorstellen, dann kommen
die einzelnen Frequenzanteile zu verschiedenen Zeiten beim
Empfänger
an. Die sich daraus ergebenden Signaländerungen nennt man
Laufzeitverzerrungen. Die Verzerrungen nehmen
mit steigender
Datenrate zu.
Die Laufzeitverzerrungen sind auch der Grund
dafür, dass
nicht beliebig viele Verstärker (Repeater)
hintereinandergeschaltet werden können, um das Signal
über
sehr lange Strecken zu übertragen.
9.3.4. Rauschen
In einem idealen Übertragungskanal sind in
Übertragungspausen
außer dem Ruhepegel keinerlei Signale festzustellen. In der
Praxis beeinflussen jedoch diverse elektromagnetische
Störsignale
die Übertragung. Quellen solcher Störsignale sind
elektrische Geräte und Maschinen in der Umgebung der Leitung
und
nicht zuletzt auch die natürliche Strahlung von Erde und
Atmosphäre.
Die Frequenzen und Feldstärken dieser
Störungen sind von
zufälligen Faktoren abhängig. Alle diese auf das
Übertragungsmedium einwirkenden zufälligen Signale
nennt
man „Rauschen“.
Das Rauschen lässt sich durch keinerlei
Maßnahmen
vollständig beseitigen, sondern nur mildern, z. B. durch
abgeschirmte Kabel.
In den Übertragungsweg geschaltete
Verstärker (Repeater)
verstärken natürlich nicht nur das Nutzsignal,
sondern auch
den Rauschanteil.
9.4. Kriterien zu Beurteilung von Übertragungsmedien
Die rein technischen Eigenschaften einer
Signalübertragungsanlage
sind nicht die einzigen Kriterien, nach denen
Übertragungsanlagen
beurteilt werden müssen. Wie bei allen von Menschen genutzten
Systemen spielen weitaus mehr Kriterien eine Rolle.
Übertragungsmedien können u. a. nach folgenden
Gesichtspunkten beurteilt werden:
-
Übertragungseigenschaften
-
Kosten
-
Welcher
finanzielle Aufwand ist zur Installation der
Übertragungsanlage, zur Datenübertragung und
für die Wartung der Anlage notwendig?
-
Welche
Schulungen müssen durchgeführt werden?
-
Mechanische
und chemisch- physikalische Eigenschaften
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Zug-
und Abriebfestigkeit, Flexibilität (Knickradius),
Temperaturbeständigkeit, Flammwidrigkeit, Alterung,
Korrosion...
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Gesundheits-
und Umweltschutz
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Sicherheit
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