Digital
Digitale Modulation
OSI-Modell
Protokolle
An dieser Stelle sollen zunächst die Grundlagen der
digitalen Übertragungstechnik erläutert werden, die nicht nur
für den digitalen BOS-Funk, sondern auch für zahlreiche andere
Anwendungen (z.B. Datenübertragung, ISDN, DSL, DAB, DVB usw.) von
Bedeutung sind.
Digital
Der
Begriff digital stammt von dem lateinischen digitus
(Finger). In der Technik sind mit "digital" diskrete, d.h. feste
Signalzustände gemeint, im Gegensatz zu analogen Signalen, die beliebige
Werte/Zustände annehmen können. Entgegen der weit verbreiteten
Ansicht bedeutet "digital" nicht nur "0" und "1"!
Diese zwei Zustände werden dual genannt. Auf dem So-Bus
(ISDN) treten z.B. drei diskrete Signalzustände auf ("0",
"1" und "-1"; Vss = 1,5 V).
Digitale
Modulation
Modulation
- sowohl analog als auch digital - ist wie folgt definiert:
Modulation ist die Änderung eines Parameters (z.B. Amplitude,
Frequenz, Phase, usw.) eines hochfrequenten Trägersignals in
zeitlicher Abhängigkeit eines angelegten Nachrichtensignals.
In der digitalen Übertragunstechnik finden Modulationsverfahren
Anwendung, bei denen ein Wechsel zwischen diskreten, definierten Zuständen
erfolgt. Kontinuierliche Übergänge gehören in den Bereich
der Analogtechnik. Bei der digitalen Modulation unterscheidet man grundsätzlich
zwischen zwei Typen:
- Modulation eines Pulsträgers
- Modulation eines Sinusträgers
Zur
Modulation eines Pulsträgers zählen z.B. Pulscodemodulation
(PCM), welche zur Analog-Digital-Wandlung eingesetzt wird, aber auch Pulsdauermodulaion
(PDM, die Dauer eines Impulses verändert sich in Abhängigkeit
der Information) oder Pulsamplitudenmodulation (PAM; die Höhe eines
Impulses verändert sich in Abhängigkeit der Information).
Die Grundtypen der digitialen Modulationsverfahren mit sinusförmigem
Trägersignal sind Amplitudenumtastung (Amplitude Shift Keying,
ASK), Frequenzumtastung (Frequency Shift Keying, FSK) und Phasenumtastung
(Phase Shift Keying, PSK).
Das folgende Bild zeigt einen digitalen Datenstrom (dual "0"
und "1") und darunter die Umsetzung dieses Datenstroms in die
o.g. Modulationsverfahren.
Amplitude
Shift Keying (ASK)
Bei der ASK wird im Modulator der HF-Träger getastet, d.h. niedrige
Amplitude = "0", hohe Amplitude = "1". Fehlt der HF-Träger,
ist die Übertragung unterbrochen. Die ASK ist das digitale Gegenstück
zur analogen Amplitudenmodulation (AM). Man bezeichnet dieses Verfahren
auch als "On-Off-Keying" (OOK). Die Zeitfunktion kann mit dem
binären Codesignal c(t) dargestellt werden durch
ASK
in harter Tastung (steile Übergänge zur nächsten Ampltudenstufe)
verursacht Oberschwingungen, die zu Störungen im Nachbarkanal führen.
ASK in weicher Tastung (allmählicher Amplitudenwechsel) verlangsamt
zwar die Übertragung, verursacht aber auch weniger Störungen.
Frequency Shift Keying (FSK)
Die FSK-Modulation geschieht durch Umschalten
zwischen verschiedenen HF-Trägerfrequenzen (hier: zwei); in der Analogtechnik
entspricht dieses Verfahren der Frequenzmodulation (FM). Bei der zweistufigen
FSK (siehe Bild) ändert sich die Frequenz der Trägerschwingung
zwischen definierten Werten, die den logischen Zuständen "0"
und "1" zugeordnet sind. Es gilt
Phase Shift Keying (PSK)
Eine weitere Alternative stellt die PSK-Modulation dar, bei der diskrete
Wechsel des Phasenwinkels erfolgen, ohne dass Amplitude oder Frequenz
beeinflußt werden. Im Fall der zweistufigen Phasenumtastung (siehe
Bild) wird die Phasenlage der Trägerschwingung vom Codesignal c(t)
zwischen zwei um 180° unterschiedlichen Zuständen geändert.
Es gilt dann
Bei
einem Idealen rechteckförmigen Datensignal bleibt die Einhüllende
des Modulationsproduktes bei FSK und PSK konstant, die Amplitude der Trägerschwingung
bleibt unverändert.
Das Prinzip der PSK bildet die Grundlage für weitere digitale Modulationsverfahren,
z.B. Minimum Shift Keying (MSK) bzw. Gaussian Minimum Shift
Keying (GMSK) bei GSM und Tetrapol,
Differential Quarternary Phase Shift Keying (Pi/4-DQPSK) bei
Tetra oder Quadrature Amplitude Modulation
(QAM), welche z.B. für digitales terrestrisches Fernsehen (Digital
Video Broadcasting - Terrestrical, DVB-T) verwendet wird.
OSI-Modell
Viele Kommunikationssysteme richten sich nach der hierarchischen
Struktur des OSI-Modells (Open Standard Interconnection) der ISO (International
Standardisation Organisation, welches in 7 Schichten (Layer) unterteilt
ist. Dabei werden die Schichten 1 bis 4 als transportorientiert und die
Schichten 5 bis 7 als anwendungsorientiert bezeichnet.
1. Bitübertragung (Physical Layer)
Physikalische Schnittstellenparameter des
Übertragungsmediums (z.B. Strom- und Spannungsverhältnisse auf
der Leitung, Modulationsverfahren)
2. Sicherung (Data Link Layer)
a) verbindungslos: Paketbildung, Datensicherung, Flusskontrolle
b) verbindungsorientiert: Zugriff auf das Übertragungsmedium; LLC-Layer
3. Vermittlung (Network Layer)
Signalisierung für Wegefindung (Routing, Vermittlung), z.B. IP
(Internet Protocol, verbindungslos) oder
ISDN (verbindungsorientiert)
4. Transport (Transport Layer)
Legt die Größe der Datenpaketefest; verbindungslos:
Sicherungsprotokoll ähnlich zu Schicht 2 für verbindungsorientierte
Systeme, z.B. TCP (Transmission Control Protocol)
5. Sitzung (Session Layer)
Festlegung der Art der Verbindung, z.B. Duplex-Verbindung
6. Darstellung (Presentation Layer)
Darstellung der Datenstrukturen
7. Anwendung (Application Layer)
Anwendung (Informatik)
In den verschiedenen Schichten des OSI-Modells kommen verschiedene
Protokolle zur Anwendung. Hinter dem
Begriff TCP/IP verbergen sich dabei mehrere
Protokolle, die wegen ihrer weiten Verbreitung ein hohes Maß an
offener Kommunikation auf den Schichten des Nachrichtentransports und
der Vermittlung gewährleisten.
Ein Repeater (PC-Netzwerktechnik) arbeitet auf der untersten Ebene (Physical Layer) des OSI-Modells. Damit wird die Segmentlänge vergrößert oder ein Übergang zwischen zwei Netzwerken hergestellt. Von der Funktionalität her sind auch Modems und Hubs rein in die Schicht 1 des OSI-Modells einzuordnen.
Eine Bridge oder ein Switch arbeitet im Gegensatz zum Repeater auf der Schicht 2 (Data Link Layer). Hierbei werden aber nicht alle Daten übertragen, sondern nur diejenigen, welche aufgrund ihrer Adresse als in das andere Netz zu übertragende erkannt werden (Layer 1- und 2-Funktionalität).
Ein Router hingegen wird eingesetzt, um unterschiedliche Netze miteinander zu verbinden. Am populärsten dürfte hier die Verbindung eines ADSL-Zuganges (z.B. T-DSL) mit einem TCP/IP-Netzwerk sein, so dass mehrere PC parallel auf die ADSL-Zugang zugreifen können. Router zur Verbindung von ADSL und Luftschnittstelle (WLAN) sind inzwischen ebenfalls weit verbreitet. Gedicht über Router ;-)
Protokolle
Ein Protokoll enthält ein vollständiges Regelwerk,
um die Kommunikationsbeziehungen zwischen zwei oder mehr Teilnehmern eindeutig
festzulegen. Diese Regeln bestehen aus der
- Syntax: Festlegung der verwendeten Datenformate
- Semantik: Menge aller möglichen Kommandos eines
Teilnehmers und der zugehörigen lokalen Verarbeitungsleistungen und
- Zeitvorgaben: Zulässige Dauer eines Protokollzustandes
in Bezug auf die anderen möglichen Protokollzustände
Beispiele für Protokolle:
Telnet, Protokoll und Programm
Hierbei handelt es sich eigentlich um ein Terminalprogramm mit der speziellen
Aufgabe, Verbindungen innerhalb des Internet herzustellen. Das Terminal
(Client) kann direkt auf die aktuellen Resourcen eines Host-Rechners zugreifen
(Online-Verbindung).
FTP (File Transfer Protocol), Protokoll und Programm
Mit Hilfe von FTP sollen Daten (binär- oder ASCII-codiert) innerhalb
des Internet von einem zum anderen Rechner übertragen werden. Nach
dem Start von FTP muss sich der Anwender im Zielrechner einloggen, d.h.
er muss seine Benutzerregistrierung auf dem Zielrechner nachweisen, bevor
er Daten herunterladen kann.
TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol)
Mehrere Datenübertragungsprotokolle, die ursprünglich vom US-Verteidigungsministerium
entwickelt wurden, um Computer in verschiedenen Netzwerken miteinander
zu verbinden. TCP regelt dabei den Auf- und Abbau der Verbindung und IP
sorgt für die Adressierung und Organisation. Anders gesagt, das TCP
übernimmt den Datentransport, während sich das IP um die richtige
Zustellung kümmert.
Die Daten werden nach dem Packet-Switching-Verfahren übertragen.
Dabei werden die Daten in einzelne, kleinere Datenpakete gepackt und über
das Netz zum Empfänger geschickt. Jedes Datenpaket enthält eine
eindeutige Adresse des Empfängers und kann daher unterschiedliche
Wege durch das Netzwerk nehmen. Da die Reihenfolge der eintreffenden Pakete
unterschiedlich sein kann als sie gesendet wurden, muss der gesendete
Datensatz im Empfänger wieder ordnungsgemäß zusammengesetzt
werden. Häufig wird als Schnittstelle (Hardware) für dieses
Protokoll das Ethernet-Netzwerk verwendet. TCP wird u.a. auch für
den Instant Messaging-Dienst ICQ
genutzt.
VoIP
(Voice over IP)
Als Daten für die TCP/IP-Übertragung kommen
auch Gesprächsdaten in Frage. Dabei werden die Sprachinformation
sowie die Daten für den Verbindungsaufbau über ein Datennetzwerk
übertragen, das damit z.B. gleichzeitig die Funktion eines PC-Netzwerks
und einer Telefonvermittlung übernimmt. Betriebe mit großen
Netzwerken und zahlreichen Telefonen sparen durch IP-Telefonie Wartungskosten
und -aufwand ein. Ebenso entfällt eine separate Verkabelung von PC-Netzwerk
und Telefonanlage. Dies erleichtert u.a. auch Erweiterungen und den Umzug
von Büros/Mitarbeitern unter Beibehaltung der Rufnummern.
Durch Flatrates und Sonderkonditionen für Großkunden lassen
sich auch Telefongebühren einsparen, wenn z.B. mehrere Standorte
miteinander kommunizieren, da nicht jedes Telefongespräch zwischen
den Standorten einzeln abgerechnet wird, sondern in der pauschalierten
Datenübertragung enthalten ist. Auch für Privatleute ist IP-Telefonie
eine kostengünstige Alternative, um z.B. Auslandsgespräche zu
führen.
Für die Tetra-Bündelfunktechnik
spielt VoIP ebenfalls eine bedeutende Rolle; zur Vernetzung der Tetra-Basisstationen
(TBS) soll - zumindest teilweise - VoIP-Technik zum Einsatz kommen.
HTTP
(Hypertext Transfer Protocol)
Verwendet wird dieses Protokoll für den Datenaustausch zwischen einem
WWW-Server (WWW: World Wide Web; multimedialer Teil des Internet) und
einem WWW-Client. In diesem Zusammenhang wird die Dokumentenadresse URL
(Universal Resource Locator) verwendet. Eine URL-Adresse besteht in der
Regel aus der Zugriffsmöglichkeit (Protokoll) und der Adresse des
Servers, der das angeforderte Dokument bereithält.
Beispiel: http://www.digitaler-bos-funk.de;
hierbei ist http das Protokoll mit dem auf ein Dokument unter
der Adresse www.digitaler-bos-funk.de zugegriffen werden kann.
UUCP (Unix to Unix Copy Protocol)
Ursprünglich ein Programm, um Dateien aus Unix-Systemen über
analoge Telefonverbindungen mit Hilfe von Modems zu übertragen. Heute
Standardprotokoll zum Austausch von E-Mails zwischen Mailservern. Die
Übertragung der E-Mails zwischen Mailserver und Client hingegen erfolgt
mittels SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) und POP (Post Office Protocol).