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Der '''Leitungscode''' bzw. '''Leitungskode''' legt bei der [[Digitalsignal|digitalen]] [[Telekommunikation]] fest, wie die zur Informationsübertragung genutzten [[Symbol (Nachrichtentechnik)|Symbole]] auf der [[Physische Schicht|physischen Ebene]] übertragen werden. Dabei werden bestimmte Pegelfolgen, etwa Lichtintensitäten auf [[Glasfaser]]n oder [[Elektrische Spannung|Spannungen]] oder Ströme auf [[Elektrische Leitung|elektrischen Leitungen]], [[Binärcode|binären]] Bitsequenzen im Datenstrom zugeordnet.

== Allgemeines ==
[[Datei:Fehlerkorrektur1.png|mini|Nutzung von [[Datenkompression|Quellen-]], [[Kanalkodierung|Kanal-]] und Leitungskodierung zur Übertragung eines Signals]]
Die Aufgabe der Leitungscodierung (bzw. Leitungskodierung) ist, das zu übertragende Signal [[Frequenzspektrum|spektral]] zu formen, um es so möglichst optimal an die Eigenschaften eines Übertragungsmediums anzupassen. So kann beispielsweise der [[Gleichspannung]]santeil unterdrückt werden. Daneben wird eine [[Taktrückgewinnung]] möglich. Bei manchen Leitungscodes wird die erforderliche Leitungs[[bandbreite]] verringert. Übertragungsstrecken können so besser ausgenutzt werden, denn die Übertragungsreichweite hängt ursächlich mit der Betriebsdämpfung zusammen. Für ein metallisches Kabel gilt näherungsweise, dass die [[Dämpfungskonstante]] proportional der Wurzel aus der Frequenz ist: höhere Frequenzen werden stärker gedämpft als tiefe Frequenzen. Deswegen sollte der Code bei einer möglichst geringen Frequenz das Maximum der [[Leistungsdichte]] und der spektrale Verlauf eine geringe [[Bandbreite]] haben.

Nicht zu verwechseln ist die Leitungscodierung mit der [[Kanalkodierung]] oder der [[Datenkompression|Quellenkodierung]]: Die Kanalcodierung hat die Aufgabe, durch zusätzlich eingebrachte Redundanz Übertrags- bzw. Speicherfehler im Rahmen der Datenübertragung bzw. Datenspeicherung erkennen und korrigieren zu können, während die Quellencodierung überflüssige (redundante) Information einer Datenquelle reduziert und auch als Datenkompression bezeichnet wird.

Manche Leitungscodes sind gleichanteilsfrei, d. h., deren zeitlicher Mittelwert ist 0. Dies ist dann wichtig, wenn in einer bestimmten Anwendung die elektrische Übertragung von [[Gleichspannung]] über den Kanal nicht möglich ist. Die Notwendigkeit für Gleichanteilsfreiheit kann beispielsweise durch [[Übertrager|Impulstransformatoren]] zur [[galvanische Trennung|galvanischen Trennung]] im Übertragungsweg vorgegeben sein, welche keine Gleichspannung passieren lassen.

== Binäre Leitungscodes ==
[[Datei:NRZcode.png|mini|Binäre Leitungscodierung]]

Im auch schaltungstechnisch einfachsten Fall wird den logischen Zuständen 0 und 1 ein [[Logikpegel]] auf der physischen Leitung zugeordnet. Dies wird auch als [[Non Return to Zero]] (NRZ) bezeichnet, d. h., es gibt keinen Zustand auf der Leitung, welcher keine Information trägt.

Beispielsweise entspricht bei der seriellen [[RS-232|EIA-232]]-Schnittstelle (RS-232) aus den 1960er Jahren etwa eine negative Spannung einer logischen Eins, eine positive Spannung einer logischen Null, dies wird auch als antipodale Codierung bezeichnet. Werden jetzt lauter Einsen übertragen, tut sich auf der Leitung nichts. Dadurch können bei asynchronem Takt nur wenige Bits in einem Block übertragen werden, die mit einer Startsequenz gekennzeichnet werden, oder es ist eine zusätzliche Taktleitung zur [[Synchronisation]] nötig. EIA-232 schreibt ein 0-Bit (Startbit) am Beginn jeder Sequenz von 5 bis 8 bit Nutzdaten (plus einem eventuellen [[Paritätsbit]]) und ein bis zwei 1-Bits (Stoppbits) an deren Ende vor. Die Stoppbits können beliebig verlängert werden, eine konstante 1 bedeutet daher „keine Datenübertragung“. Diese Kodierung ist nicht gleichspannungsfrei (je nach Dateninhalt können 1-Bits oder 0-Bits deutlich überwiegen), wodurch lange Kabel unmöglich sind. EIA-232 gleicht diesen Nachteil teilweise aus durch die Verwendung recht hoher Spannungen (üblicherweise ±12 V), was aber eigene Probleme mit sich bringt und sich daher in neueren Normen nicht durchgesetzt hat.

{| class="wikitable" style="font-family:monospace;"
|+ Serielle Übertragung (EIA-232)
|-
! colspan="3" | 
! Start
! colspan="7" |
! colspan="2" | Stop
!
|-
| Datenbits: || || || 1 || 1 || 0 || 1 || 0 || 0 || 0 || 1 || || || 
|-
| Leitungsbits: || . . . . || 0 || 1 || 1 || 0 || 1 || 0 || 0 || 0 || 1 || 1 || 1 || . . . .
|-
| Spannungspegel: || - - - - || + || - || - || + || - || + || + || + || - || - || - || - - - -
|}

== Manchesterkodierung ==
[[Datei:Manchester code.png|mini|Manchestercodierung]]

Bei der [[Manchester-Code|Manchesterkodierung]] entspricht eine Null-Eins-Folge einer logischen Null (steigende Flanke), eine Eins-Null-Folge (fallende Flanke) einer logischen Eins:

Hierdurch wird erreicht, dass
:1. stets Pegelwechsel zur Taktrückgewinnung vorhanden sind,
:2. der Gleichanteil im Mittel immer gleich Null ist.
Es verdoppelt sich die erforderliche [[Baud|Symbolrate]] am Übertragungskanal.

Beim [[differentieller Manchester-Code|differentiellen Manchestercode]] steht ein Polaritätswechsel am Taktanfang für eine logische Null (zwei Flankenwechsel pro Bit), bei einer logischen Eins erfolgt kein Polaritätswechsel am Taktanfang (ein Flankenwechsel pro Bit).

=== Taktrückgewinnung ===
Durch die permanenten Pegelwechsel wird eine [[Taktrückgewinnung]] möglich. Eine gesonderte Leitung für den Takt erübrigt sich daher. Im Falle der Manchestercodierung wird eine Startsequenz mit einer Folge von vielen Eins-Null-Datensequenzen (ca. 10–30) - 1010101010... auf der Leitung – was effektiv einer 11111-Folge am Eingang des Kodierers entspricht – eine [[Phasenregelschleife]] (PLL) im Empfänger synchronisiert. Eine Eins-Null-Sequenz (1001 auf der Leitung) startet die eigentliche Datenübertragung. Danach folgt ein Datenpaket mit mehreren tausend Bits.

{| class="wikitable" style="font-family:monospace;"
|+ Taktrückgewinnung durch PLL bei Manchesterkodierung:
|-
! colspan="10" |PLL wird synchronisiert
! colspan="11" |PLL bleibt synchronisiert
|-
! colspan="10" |Sync In
! colspan=" 2" |Start
! colspan=" 9" |Datenübertragung
|- style="text-align: center;"
| Datenbits: || || || || || || || || || || || || 0 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || ...
|- style="text-align: center;"
| Sync/Daten: || 1 || 1 || 1 || 1 || 1 || ... || 1 || 1 || 1 || 1 || 0 || 0 || 1 || 1 || 0 || 0 || 0 || 0 || 0 || ...
|-
| Leitungsbits: || 1 0 || 1 0 || 1 0 || 1 0 || 1 0 || ... || 1 0 || 1 0 || 1 0 || 1 0 || 0 1 || 0 1 || 1 0 || 1 0 || 0 1 || 0 1 || 0 1 || 0 1 || 0 1 || ...
|-
| Pegel: || + - || + - || + - || + - || + - || ... || + - || + - || + - || + - || - + || - + || + - || + - || - + || - + || - + || - + || - + || ...
|}

=== Kodierungen mit mehrere Bits langen Blöcken ===
Der Leitungscode hat bei der Manchestercodierung doppelt so viele Bits wie der Datenstrom, er ist hinsichtlich der erforderlichen [[Datenübertragungsrate|Datenrate]] ungünstig, die [[Bandbreite]] hängt nur von der Flanke eines Bits ab, je steiler diese Flanke ist, desto mehr Bandbreite wird benötigt. Binäre Übertragungen sind somit für Kanäle mit begrenzter Bandbreite (z. B. Luft) nicht geeignet; ein Kanalcodierer muss nachgeschaltet werden. Andere Kodierungen, etwa 4 Datenbits auf 5 Codebits ([[4B5B-Code|4B5B]]), sind hier besser, daneben wird bei mehreren Bits eine Fehlererkennung möglich:

:3. Verringerung der erforderlichen Leitungsdatenrate
:4. Fehlererkennung

Statt zwei (+/-, binär) können bei elektrischer Übertragung auch drei (+/=/-, ternär) oder noch mehr Spannungspegel eingesetzt werden.

{| class="wikitable" style="font-family:monospace;"
|+ Block-Code (4 Bits auf 3 Ternär-Pegel, [[MMS43-Code|4B3T]]):
|-
| Datenbits in Blöcken zu 4 Bit: || 0 1 1 0 || 0 0 1 0
|-
| Ternärcode in Blöcken zu 3 Symbolen: || style="text-align:center" | = = + || style="text-align:center" | - = +
|-
| Spannungspegel: || style="text-align:center" | 0 0 + || style="text-align:center" | - 0 +
|}

== Blockcodes ==
Sogenannte [[Blockcode]]s werden gewöhnlich mit pBqX bezeichnet. Dabei werden „p“ Bits eines Binärwortes zusammengefasst und zu einem Block der Länge q in einer X-Darstellung codiert. Der Vorteil dieser Vorgehensweise liegt darin, dass die [[Symbolrate|Schrittgeschwindigkeit]] durch diese Codierung um den Faktor „p“ reduziert wird, wodurch sich auch die [[Dämpfungskonstante]] reduziert und eine größere Übertragungsreichweite möglich wird. Allerdings wird mit steigender Stufenzahl das Signal auch störanfälliger.

* ''[[4B5B-Code|4B5B]]'' ist ein Code, der jeweils '''4''' '''B'''its auf '''5''' '''B'''its abbildet, also 16 (24) Blockcodes auf 32 (25) Leitungscodes. Der Code ist nicht gleichstromfrei. Bei Fast-Ethernet 100BASE-TX wird durch Verwendung von [[MLT-3-Code|MLT-3]] mit drei Spannungspegeln und dem Einsatz eines Scramblers unter günstigen Umständen Gleichstromfreiheit erreicht. Bei MLT-3 wird gegenüber einfacheren Verfahren wie der Manchestercodierung die erforderliche Bandbreite des Übertragungskanals reduziert. Eine 4B5B-Codierung plus anschließende MLT-3-Codierung '''ohne''' weitere Maßnahmen kann '''keine''' Gleichstromfreiheit erreichen. Dies kann durch Ausprobieren der 32 möglichen 5-Bit-Codeworte überprüft werden.

* ''[[MMS43-Code|4B3T]]'' bildet entsprechend je '''4 B'''its auf eine '''3'''er Gruppe mit drei Spannungsstufen ab ([[Ternäres Signal|'''T'''ernäres Signal]]), und damit 16 (24) Blockcodes auf 27 (33) Leitungscodes. Manche Blockcodes werden auf mehrere Leitungscodes abgebildet, so dass durch Wahl des „besseren“ Codes der aktuelle Gleichstromanteil jeweils reduziert werden kann. Dazu wird das Vorzeichen des Anteils bei der Übertragung summiert, die Summe beeinflusst die Wahl des Leitungscodes. Merkmale von 4B3T sind Taktrückgewinnung, geringer Gleichstromanteil und Bandbreitenreduktion. Diese Codierung wird auf 34 Mbit/s (E3) und 140 Mbit/s (E4) Koaxialübertragungsstrecken und auch für die UK0-Schnittstelle des [[Integrated Services Digital Network|ISDN]]-[[Basisanschluss]]es verwendet.

* Der ''[[Manchester-Code]]'' trägt die Bezeichnung 1B2B ('''1''' '''B'''it auf '''2''' '''B'''its), nämlich 2 (21) Blockcodes auf 4 (22) Leitungscodes, verwendet von den vier jedoch nur zwei Leitungscodes, 01 und 10, da die beiden anderen keine Spannungswechsel enthalten. Die Kodierung ist simpel, sie ist gleichstromfrei und erlaubt die Taktrückgewinnung. Die erforderliche Leitungsbandbreite ist jedoch größer als ohne Code.

* ''[[2B1Q-Code|2B1Q]]'' bildet jeweils '''2''' (22) '''B'''its auf '''einen''' Spannungspegel mit 4 (41) Stufen ab ('''Q'''uaternärer Code). Der Code ermöglicht Bandbreitenreduktion, jedoch keine Taktrückgewinnung und keine Gleichstromfreiheit.

== Umsetzung auf Spannungs- oder Intensitätspegel ==
Die Kodierung eines Leitungscodes wie 4B5B oder 8B10B wandelt eine Binärfolge in eine weitere Binärfolge um. Die kodierte Bitfolge muss dann noch auf Intensitäten umgesetzt werden. Mit [[Non Return to Zero|NRZ]] ({{enS|non return to zero}}) wird die einfache Zuordnung von logischen Werten (0 und 1) auf zwei Pegel bezeichnet. Bei [[Non Return to Zero#NRZI|NRZ-I]] werden ebenfalls nur zwei Pegel benutzt, die logische 1 wird jedoch einem ''Pegelwechsel'' zugeordnet, während eine logische 0 den Pegel konstant hält. [[Fiber Distributed Data Interface|FDDI]] verwendet bei der Übertragung über [[Glasfaser]]n zum Beispiel erst 4B5B und dann NRZ-I. Bei der elektrischen Übertragung von [[Ethernet]] mit 100 Mbit/s über [[Twisted-Pair-Kabel]] (100BASE-TX) wird ebenfalls zunächst 4B5B verwendet. Daran wird zur Reduktion des Gleichspannungsanteils der drei-Pegel-Code [[MLT-3-Code|MLT-3]] angefügt (Pseudoternärsignal). Das wenig verbreitete Ethernet über Glasfaser (100BASE-FX) verwendet aber 4B5B/NRZ-I.

== Bekannte Leitungscodes (Auswahl) ==
* [[Non Return to Zero|NRZ-Code]]
* [[RZ-Code]] (Weiterentwicklung des NRZ-Codes)
* NRZI-Code (Non Return To Zero Inverted)
* [[MLT-3-Code]] (gleichstromarme Umsetzung von Binärfolgen auf drei Spannungspegel)
* [[Manchester-Code]] (10 Mbit/s [[Ethernet]]) und [[differentieller Manchester-Code]] ([[Token Ring]])
* [[Differentieller Manchester-Code|Biphase-Mark-Code]]
* [[Group Coded Recording]] (GCR, [[Diskette]]n von Apple und Commodore)
* [[Run Length Limited]] Codes (RLL) wie beispielsweise:
** [[4B5B-Code]] ([[Fiber Distributed Data Interface|FDDI]], [[Ethernet#100-Mbit/s-Ethernet|100 Mbit/s Ethernet]])
** [[8b10b-Code|8b/10b-Code]] ([[Ethernet#Gigabit-Ethernet|Gigabit-Ethernet]], [[PCI Express|PCI-Express 1.0 und 2.0]], [[Serial Attached SCSI]] 1-3, [[Serial ATA|SATA]], [[Universal Serial Bus#USB 3.0|USB SuperSpeed]])
* [[6b8b-Code]]
* [[64b66b-Code|64b/66b-Code]] ([[Ethernet#10-Gbit/s-Ethernet|10-Gigabit-Ethernet]])
* [[64b66b-Code#128b/130b-Code|128b/130b-Code]] ([[PCI Express|PCI-Express 3.0, 4.0 und 5.0]])
* [[HDB3-Code]] ([[Integrated Services Digital Network|ISDN]]-[[Primärmultiplexanschluss]] [[UK2-Schnittstelle|UK2]])
* [[AMI-Code]] (modifizierter AMI-Code bei [[Integrated Services Digital Network|ISDN]]-[[Basisanschluss]] [[S0-Bus|S0]])
* [[B8ZS]]
* [[MMS43-Code|MMS43- oder 4B3T-Code]] ([[Integrated Services Digital Network|ISDN]]-[[Basisanschluss]] [[UK0-Schnittstelle|UK0]])
* [[2B1Q-Code]] ([[Teilnehmeranschlussleitung|Teilnehmeranschlüsse]], [[High Data Rate Digital Subscriber Line|HDSL]])
* [[Carrier Amplitude and Phase]]
* [[Digitale Frequenzmodulation|Miller-Code (FM, Digitale Frequenzmodulation)]]
* [[Eight-to-Fourteen-Modulation|Eight-to-Fourteen-Modulation (EFM)]]

'''Multiträgerverfahren'''
* [[Discrete Multitone|DTM - Discret Multitone]] (VDSL2, ADSL)
* OFDM
* [[Orthogonales Frequenzmultiplexverfahren#COFDM|COFDM]]

== Weblinks ==
{{Commonscat|Line codes|Leitungscode}}

[[Kategorie:Leitungscode| ]]

Leitungscode - Versionsgeschichte

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