Rechnernetze und verteilte Systeme

im Rahmen des BMBF-Verbundprojektes SIMBA — „Schlüsselkonzepte der Informatik in multimedialen Bausteinen unter besonderer Berücksichtigung der spezifischen Lerninteressen von Frauen”

Hinweise für Studierende - Kodierungsverfahren

Bei Computernetzwerken (Knoten und Verbindungsleitungen) breiten sich Signale über Verbindungsleitungen aus. Aufgabe hierbei ist es die Binärdaten derart zu kodieren, dass das Signal, ausgehend vom Quellknoten, über die Verbindungsleitungen übertragen werden und vom Empfängerknoten wieder zu den Binärdaten dekodiert werden kann. Die Einzelheiten der Modulation werden im Folgenden nicht beachtet und es wird mit den zwei Signalen high und low gearbeitet. Die meisten Funktionen, die im Zusammenhang mit Kodieraufgaben stehen werden von einer Netzwerkkarte bzw. einem Netzadapter ausgeführt. Hierbei handelt es sich um einen Hardwarebaustein, welcher einen Knoten mit einer Leitung verbindet. Eine Sicherungskomponente des Netzadapters führt die eigentliche Kodierung und Dekodierung der Bits durch. Naheliegen bei der Kodierung von Bits in Signale ist es den Datenwert 1 auf das high-Signal und den Datenwert 0 auf das low-Signal abzubilden.

Genau dies geschieht beim Kodierschema NRZ (Non-Return to Zero). Problematisch hierbei ist, das bei einer langen Folge von Einen lange Zeit auf high und bei einer langen Folge von Nullen lange auf low bleibt. Dies führt zu einer Situation, die als Baseline-Wander bezeichnet wird. Der Empfänger nutzt den Durchschnitt einer bestimmten Anzahl zuletzt empfangener Signale um zwischen low- und high-Signalen zu unterscheiden. Es kann also passieren, dass eine lange Folge gleicher Signale den Empänger "dekalibrieren" und dieser somit keine fehlerfreie Dekodierung vornehmen kann. Außerdem sind häufige Wechsel zwischen high und low und umgekehrt wichtig, um Taktwiederherstellung (Clock Recovery) zu ermöglichen.

Taktwiederherstellung bezeichnet das Problem, dass Kodier- und Dekodierprozeß vom gleichen Takt gesteuert werden müssen. In einem Taktzyklus wird vom Sender ein Bit übertragen und vom Sender ein Bit empfangen. Wenn der Takt nicht absolut synchron ist kann das Signal nicht richtig dekodiert werden. Eine Übertragung des Taktsignals auf einer eigenen Leitung wird wegen des hohen Verkabelungsaufwands normalerweise nicht praktiziert, so dass der Empfänger den Takt vom empfangenen Signal ableiten muß. Der Vorgang wird Taktwiederherstellung genannt, weil sich der Empfänger bei jedem Signalübergang von 1 auf 0 oder von 0 auf 1 selbst neu synchronisieren kann. Die Taktwiederherstellung hängt also von möglichst vielen Übergängen im Signal ab.

Bei der NRZI (Non-Return to Zero Inverted) Methode wird versucht diese Übergänge dadurch sicherzustellen, dass der Sender bei einem Übergang vom aktuellen Signal eine 1, und beim Verharren auf dem aktuellen Signal eine 0 kodiert. Das Problem aufeinenderfolgender Einsen wird dadurch zwar gelöst, aufeinanderfolgende Nullen stellen jedoch weiterhin ein Problem dar.

Eine weitere Methode, die Manchester-Kodierung überträgt das exclusive-ODER (XOR) von NRZ-Kodierung und des Takts, um Takt und Signal zu mischen. Hierbei wird also ein low/high-Übergang als 1 und ein high/low-Übergang als 0 kodiert. Bei der Manchester-Kodierung entsteht jedoch das Problem, dass sich die Rate der Signalübergänge verdoppelt und somit nur eine Effizienz von 50% erreicht wird.

Das folgende Java-Applet soll zum einen die oben vorgestellten Kodiermethoden visualisieren, und zum anderen die Möglichkeit bieten im Übungsmodus einen Selbsttest zu absolvieren. Eine Anleitung zur Bedienung wird in der Info-Box eingeblendet. Eingebunden ist auch eine kleine kontextsensitive Hilfe, welche kurz die oben ausführlicher dargestellten Funktionsweisen beschreibt, wenn der Mauszeiger im Visualisierungsmodus auf NRZ, Clock, Manchester oder NRZI zeigt.

Abbildung 1: Visualisierung der Kodierungen zu gewählter Bitfolge

Darüber hinausgehend gibt es zu Übungszwecken die Möglichkeit, zu einer mittels Zufallsgenerator ermittelten Bitfolge die entsprechenden Kodierungssignale zu ermitteln und einzugeben.
Dabei werden einfach durch Mausklick auf die markierten Stellen die entsprechenden Signalpegel gesetzt.
Diese Möglichkeit ist besonders gut für Lernende geeignet.

Abbildung 2: Übung zur Kodierungen einer vorgegebenen Bitfolge

Hier klicken um zum Material zu gelangen