Non Return to Zero Invers

Abkürzung: NRZI

Was ist NRZI?

NRZI steht für Non Return to Zero Inverted. Es handelt sich um ein digitales Leitungscodierungsverfahren, bei dem binäre Daten durch definierte Pegelwechsel oder das Ausbleiben eines Wechsels auf dem Übertragungsmedium dargestellt werden. NRZI gehört zur Familie der NRZ-Verfahren und wird vor allem bei seriellen Datenübertragungen eingesetzt, die eine Taktrückgewinnung aus dem Datensignal erfordern oder bei denen die Polarität der Verkabelung keine Rolle spielen darf.

Funktionsweise und Codierungsregel

Die zentrale Regel von NRZI lautet: Eine binäre Eins erzeugt einen Pegelwechsel am Anfang des Bittakts, eine binäre Null behält den aktuellen Signalpegel bei. Der Sender beginnt mit einem beliebigen Initialpegel, typischerweise High oder Low. Trifft das nächste Bit als Eins ein, invertiert der Sender den Pegel. Bei einer Null bleibt der Pegel unverändert.

Ein Beispiel mit dem Bitstrom 1 0 0 1 1 0 und dem Startpegel Low verdeutlicht das Prinzip. Das erste Bit ist eine Eins, der Pegel wechselt von Low auf High. Das zweite Bit ist eine Null, der Pegel bleibt auf High. Das dritte Bit ist ebenfalls Null, der Pegel bleibt weiterhin auf High. Das vierte Bit ist eine Eins, der Pegel wechselt von High auf Low. Das fünfte Bit ist eine Eins, der Pegel wechselt von Low auf High. Das sechste Bit ist eine Null, der Pegel bleibt auf High.

Takt- und Pegelunabhängigkeit

Anders als bei NRZ-L (Non Return to Zero Level), bei dem eine Eins durch einen hohen und eine Null durch einen niedrigen Pegel repräsentiert wird, bewertet NRZI nicht den absoluten Pegel, sondern die Änderung. Ein kurzer Wackelkontakt oder eine versehentlich vertauschte Verkabelung, die den Pegel dauerhaft invertiert, ändert nichts an der decodierten Bitfolge. Nur die Wechsel sind entscheidend, nicht die Richtung des Wechsels. Diese Eigenschaft macht NRZI unempfindlich gegen Verpolung und vereinfacht die Implementierung in Systemen, bei denen die Verkabelung nicht garantiert werden kann.

Taktrückgewinnung

NRZI erleichtert die Taktrückgewinnung aus dem Datenstrom, sofern ausreichend Einsen und damit Pegelwechsel vorhanden sind. Jede Eins liefert eine Flanke, an der sich der Empfänger synchronisieren kann. Lange Folgen von Nullen erzeugen hingegen einen konstanten Pegel ohne Wechsel. Der Empfänger verliert in dieser Zeit die Synchronisation, da er keine Taktinformation mehr aus dem Signal ableiten kann. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, kombinieren viele Protokolle NRZI mit Bit-Stuffing, das nach einer definierten Anzahl von Nullen zusätzliche Einsen einfügt und so eine minimale Flankendichte garantiert.

NRZI und Bit-Stuffing

Beim Bit-Stuffing überwacht der Sender den Datenstrom und fügt nach einer festgelegten Anzahl aufeinanderfolgender Nullen eine künstliche Eins ein. Der Empfänger kennt die Regel und entfernt die gestopften Einsen vor der Weitergabe an die höheren Schichten. Dieses Verfahren stellt sicher, dass der Leitungspegel auch bei ungünstigen Bitmustern häufig genug wechselt. Protokolle wie HDLC, SDLC und USB setzen diese Kombination ein, um die physikalischen Nachteile von NRZI auszugleichen und eine robuste Taktsynchronisation zu gewährleisten.

NRZI in der Praxis

NRZI fand in verschiedenen historischen und aktuellen Übertragungsstandards Anwendung.

• USB (Universal Serial Bus): Der USB-Standard verwendet NRZI in Kombination mit Bit-Stuffing. Nach sechs aufeinanderfolgenden Einsen wird eine Null gestopft, um die Flanken für den Empfängertakt zu erhalten. Zusätzlich sorgt SYNC-Field zu Beginn jedes Pakets für eine initiale Synchronisation.
• HDLC und SDLC: Diese WAN-Protokolle setzen auf NRZI und Bit-Stuffing, um auf synchronen Leitungen eine zuverlässige Übertragung zu erreichen. Die Synchronisation erfolgt an den Flag-Sequenzen und den gestopften Bits.
• FDDI (Fiber Distributed Data Interface): Das FDDI-Token-Ring-Verfahren nutzte NRZI auf dem physikalischen Layer, um die Taktung auf dem Lichtwellenleiter zu vereinfachen.
• IrDA (Infrared Data Association): Die drahtlose Infrarot-Datenübertragung nach IrDA-Standard setzte NRZI ein, um die Empfängerlogik zu vereinfachen und Störungen durch Umgebungslicht zu minimieren.
• Historische Magnetband- und Plattenspeicher: In der Frühzeit digitaler Speichermedien wurde NRZI zur Aufzeichnung auf Magnetbändern und Festplatten verwendet, bevor effizientere Verfahren wie MFM oder PRML Einzug hielten.

Vor- und Nachteile gegenüber anderen Leitungscodes

NRZI bietet eine Reihe praktischer Vorteile, aber auch systematische Schwächen im Vergleich zu anderen Verfahren.

Vorteile:

• Einfache Implementierung in Sender und Empfänger
• Polaritätsunabhängigkeit, toleriert vertauschte Leitungen
• Geringer Bandbreitebedarf, keine höheren Frequenzen als die Bitrate selbst
• Kein Gleichspannungsanteil, wenn die Einsen und Nullen statistisch gleich verteilt sind

Nachteile:

• Verlust der Taktsynchronisation bei längeren Null-Sequenzen
• Erfordert zusätzliches Bit-Stuffing für zuverlässigen Betrieb
• Kein inhärenter Gleichspannungsausgleich, der Gleichspannungsanteil schwankt abhängig von der Bitfolge
• Weniger robust gegenüber starkem Rauschen als differenzielle Manchester-Codes

Abgrenzung zu anderen Verfahren

NRZI ist eines von mehreren verwandten Leitungscodes und wird häufig mit NRZ-L und Manchester-Codierung verglichen.

• NRZ-L: Weist einer Eins den hohen und einer Null den niedrigen Pegel fest zu. Anders als NRZI erkennt NRZ-L Verpolung nicht und liefert keine Taktinformation aus den Daten.
• Manchester-Codierung: Jedes Bit hat einen definierten Pegelwechsel in der Mitte des Bittakts, Eins von Low nach High, Null von High nach Low. Bietet exzellente Taktrückgewinnung, benötigt aber die doppelte Bandbreite.
• Differentielles Manchester: Kombiniert den differentiellen Ansatz von NRZI mit der garantierten Flanke in der Mitte jedes Bits. Auch hier wird die doppelte Bandbreite benötigt.

NRZI ist ein Kompromiss zwischen Einfachheit und der Fähigkeit, Taktinformation zu liefern, und wird daher meist zusammen mit Bit-Stuffing verwendet.