Serielle Datenübertragung

Bei der seriellen Datenübertragung werden digitale Daten bitweise hintereinander übertragen. Im Gegensatz hierzu werden bei der parallelen Datenübertragung mehrere Bits auf einmal (d.h. gleichzeitig) übertragen, wobei die Bit- und Bytereihenfolgen beim Empfänger dieselbe sein muss wie beim Sender. Für die serielle Übertragung sind verschiedene serielle Schnittstellen normiert.

Serielle Datenübertragung kommt häufig zur Anwendung, wenn große Entfernungen den Einsatz einer parallelen Verbindung aufgrund der dabei auftretenden Synchronisationsschwierigkeiten oder der hohen Kosten als impraktikabel erscheinen lassen, oder wenn eine hohe Übertragungsgeschwindigkeit nicht unbedingt erforderlich ist. Durch den Einsatz hoher Taktraten und anderer Techniken können Daten jedoch inzwischen auch seriell schnell übertragen werden, so dass serielle Übertragung aufgrund der niedrigeren Kosten zunehmend auch für kurze Distanzen genutzt wird (so geschehen z.B. bei PCI-Express).

In speziellen Fällen, wenn ein Bit pro Symbol übertragen wird, kann die Übertragungsrate über eine serielle Schnittstelle in Bit je Sekunde oder dazu gleichwertig in Baud angegeben werden. Im Allgemeinen ist nicht zwingenderweise 1 Baud mit 1 Bit pro Sekunde gleichzusetzen, so ist zum Beispiel bei der 16-QAM 1 Baud = 4 Bit/s (siehe Modulationsarten).

Übertragungsmedien

Leitung für die serielle Datenübertragung

Als Medium der seriellen Datenübertragung wird meist eine elektrische Leitung 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 Seriell-Parallelwandler, z. B. UART (Universeller Asynchroner 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.

Taktversatz

Bei synchroner serieller Datenübertragung kann auf einer Extra-Leitung ein Takt (sog. „Clock“- oder Takt-Signal) gesendet werden um zu signalisieren, wann ein Bit auf der Datenleitung anliegt. Der Einsatz einer zusätzlichen Leitung kann jedoch zu Problemen führen: Der Taktversatz (englisch clock skew) 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 Taktversatz zu minimieren. Die Ursachen für den Taktversatz sind i.d.R. physikalischer Natur, und hängen unter anderem mit der Leitungslänge, Temperaturschwankungen, Materialfehlern oder kapazitiver Kopplung zusammen.

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 vollduplex
• Hard- oder Software-Handshake
• 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

Masse (GND-Verbindungen)

Fließt über das Massekabel ein Strom, entsteht durch die galvanische Kopplung 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 zurückzugewinnen. Gleichtaktstörungen heben sich somit heraus. Kleinere Potentialverschiebungen stören nicht die Übertragung.

Asynchron

Bei der asynchronen Datenübertragung wird nur dann ein Datenstrom zu einem beliebigen Zeitpunkt erzeugt, wenn Daten anfallen z. B. Tastendruck auf einen Terminal. Daraus folgt, dass alle gesendeten Daten Synchronisationsinformationen benötigen (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

Bei der synchronen Datenübertragung werden die Daten kontinuierlich gesendet und der Empfänger kann sich durch geeignete Kanalcodierung auf die Sendergeschwindigkeit in gewissen Grenzen synchronisieren. Spezielle Synchronisations-Bits für jedes einzeln gesendete Datum sind dann nicht mehr nötig. Die Übertragung wird in Summe effizienter. Die Nutzdaten sind quasi in einem nicht abreißenden Informations-Strom eingebettet.

Literatur

•  Karl-Dirk Kammeyer: Nachrichtenübertragung. 4. Auflage. Vieweg + Teubner, 2008, ISBN 978-3-8351-0179-1.