Bitserielle Übertragung

Bei der seriellen Datenübertragung werden Daten, sofern sie digital sind, bitweise hintereinander über ein bestimmtes Medium übertragen. Es gibt verschiedene Standards, über die eine serielle Übertragung erfolgen kann. Die Auflistung einiger Standards ist unter Serielle Schnittstelle zu finden.

Hier liegt der Schwerpunkt in der Erklärung von Grundbegriffen, welche in den jeweiligen Standards nicht noch einmal erklärt werden müssen.

Die Übertragung über eine serielle Schnittstelle kann bitweise (je Zeitschritt ein Bit) oder auch in Bauds oder Baudrate erfolgen z. B. beim Modem. Hierbei ist nicht zwingenderweise 1 Baud mit 1 Bit per second gleichzusetzen, so ist zum Beispiel bei der 16-QAM 1 Baud = 4 Bit/s (siehe Modulationsarten).

Übertragungsmedien

Als Medium der seriellen Datenübertragung wird meist ein Kabel verwendet, ebenso ist aber auch Glasfaser, drahtlose Verbindung (Funkübertragung) oder ein anderes Medium denkbar. Häufig werden auch Daten seriell gespeichert wie z. B. magnetisch bei Magnet-Bändern oder der Festplatte oder optisch bei der CD/DVD (nur ein Kopf pro Plattenoberfläche).

Die serielle Datenübertragung wurde immer dann angewendet, wenn das Übertragungsmedium (z. B. auf möglichst wenig Einzelleiter) begrenzt ist oder einen Kostenfaktor darstellt. Grundsätzlich geht das auf Kosten der Übertragungskapazität. Ist die Übertragungskapazität wichtiger, bot sich früher die parallele Datenübertragung an (siehe auch Bus-Systeme) z. B. PCI-Bus. Aufgrund der Fortschritte in der Halbleitertechnik gibt es mittlerweile derart schnelle kostengünstige Serial-Parallelwandler, z. B. UART (Universialer Asynchoner Receiver Transmitter) genannt, dass beispielsweise der Verkabelungsaufwand bei paralleler Datenübertragung immer mehr ins Gewicht fällt. Denn bei immer höheren Übertragungsraten wird es bei der parallelen Datenübertragung immer schwieriger den sogenannte Clock-Skew und das Übersprechen auf die benachbarte Leitung klein genug zu halten.

Clock-Skew

Clock-Skew, engl. Zeitversatz, beschreibt aufgrund nicht identischer Leitungsparameter einen Zeitversatz welcher die Einzelsignale nicht mehr gleichzeitig am Empfänger ankommen lässt. Es ergeben sich Laufzeitunterschiede die erst abgewartet werden müssen bis das nächste Datum übertragen werden kann. Dies begrenzt u. A. die maximal erreichbare Übertragungsrate. Auf Leiterplatten mit hohen Datenraten versucht man durch mäanderförmige Leitungen den Clock-Skew zu minimieren.

Merkmale

Im folgenden werden einige Begriffe oder Merkmale aufgezählt, die grundsätzlich jedem seriellen Übertragungsstandard zuzuordnen sind. Des weiteren wird zwischen Eigenschaften der physikalischen Schnittstelle Hardware und den Protokollen unterschieden.

• Differentielle (balanced) Übertragung oder nur eine Datenleitung (single-ended)? (siehe Symmetrische Signalübertragung und siehe unten)
• RZ-Code z. B. Manchester-Code oder NRZ-Code?
• gleichspannungsfrei oder mit Gleichanteil? (siehe NRZ)
• galvanische Trennung? (siehe NRZ oder allg. Galvanische Trennung)
• Datum in Form von Strom, Spannung, Phase, etc. übertragen? (siehe Modulationsarten)
• asynchrone oder synchrone Datenübertragung (siehe unten)
• Punkt zu Punkt Verbindung (P2P) oder Multipoint (serieller Bus)
• Bidirektional oder unidirektional
• halbduplex oder full-duplex
• Hardware-Handshake siehe Hardware-Protokoll oder Software-Handshake siehe Software-Protokoll
• Übertragungsfehlerbehandlung: Parität, CRC, Hamming-Distanz, etc. (siehe Kodierungstheorie)
• Bei Datenbussen Arbitrierung: Prioritätensteuerung über Token, CSMA, etc.
• Arbitrierung: Multimaster oder Masterslave
• Echtzeitfähigkeit? z. B. bei Feldbussen erforderlich

Es gibt verschiedene Standards zu seriellen Schnittstellen, über welche eine serielle Übertragung erfolgen kann.

Begriffserklärungen

GND-Leitung (Masse): Ist ein Kabel oder Schirm zwischen verschiedenen Geräten um möglichst gleiches Potential zu gewährleisten. Fließt über das GND-Kabel ein Strom, entsteht durch den Innenwiderstand und die Induktivität ein Spannungsabfall, der das Nutzsignal stört.

single-ended (unbalanced): Bei einer single-ended Übertragung hat der Empfänger als Bezugspotential GND (in der Hoffnung, dass es beim Sender genauso ist). Werden die Signale über Leitungspaare geschickt, indem jedes Leitungspaar aus Schirm (meist GND) und Innenleiter (z. B. Datenleitung) wie bei Koaxialleiter besteht. Hier spricht man trotzdem von unbalanced transmission, weil der Schirm den Innenleiter vor äußeren Einflüssen schützt aber nicht umgekehrt.

Differentielle (balanced) Übertragung: Hier wird im Empfänger von 2 gleichwertigen Leitungen das Differenzsignal gebildet um das Nutzsignal zurück zu gewinnen. Gleichtaktstörungen heben sich somit heraus. Kleinere Potentialverschiebungen stören nicht die Übertragung.

Asynchron: Bei der asynchronen Datenübertragung wird nur dann ein Datenstrom zu einen beliebigen Zeitpunkt erzeugt, wenn Daten anfallen z. B. Tastendruck auf einen Terminal. Daraus folgt, dass jedes gesendete Datum Synchronisationsinformationen benötigt (z. B. Start-Bit, bekannte Baudrate, Stop-Bit, siehe RS232). Durch das Startbit wird eine Quasi-Synchronisation von Sender und Empfänger erzeugt. Werden viele gleiche Bits übertragen z. B. viele Nullen, hat der Empfänger keine Möglichkeit mehr, sich auf den Sender zu synchronisieren, außer durch seine hoffentlich gleiche interne Taktrate (Baudrate).

Synchron: Durch kontinuierliches Senden und geeignete Codierung der Nutzdaten, kann sich der Empfänger auf die Sendergeschwindigkeit stets synchronisieren. Die übertragenen Daten selbst reichen aus zur Synchronisation. Spezielle Synchronisations-Bits für jedes einzeln gesendete Datum sind dann nicht mehr nötig. Die Übertragung wird somit effizienter. Die Nutzdaten sind quasi in einen nicht abreißenden Informations-Strom eingebettet.