Wie werden "Zahlen" über das Gleis übertragen?
"Digital" bedeutet: mit Zahlen.
Die Datenübertragung zu den Lokomotiven und zu den Decodern für Magnetartikel erfolgt über nur 2 Leitungen: Mittelleiter (rotes Kabel) und Masse (braunes Kabel).
Wie werden aber Zahlen über diese zwei Leitungen übertragen?
Bildlich gesprochen, erfolgt die Datenübertragung im "Gänsemarsch": immer eine Informationseinheit nach der anderen, und immer schön "im gleichen Takt". Der Techniker nennt diese Form der Datenübertragung "seriell" (nacheinander). Die andere Möglichkeit einer Datenübertragung wäre "parallel"; hierfür müßten aber mehrere Datenleitungen gleichzeitig benutzt werden, was auf einer Modellbahn praktisch nicht möglich wäre.
Für eine digitale Datenverarbeitung ist ein weiteres Merkmal charakteristisch: man arbeitet nur mit zwei "Zuständen": 0 oder 1, "high" oder "low". Der Fachausdruck dafür ist "binär" (zweiwertig). Eine binäre Informationseinheit (ein "Bit") kann also entweder 0 oder 1 sein; andere Werte gibt es nicht.
Das Märklin Digital-System arbeitet im Prinzip genauso. "1" entspricht einer Spannung von +22 V, "0" einer Spannung von -22 V, jeweils auf Masse bezogen.
Prinzipielle Codierung der Daten beim Märklin Digital-System
Jede beliebige Zahl kann als eine Folge von 0- und 1-Werten dargestellt werden. Je mehr verschiedene Zahlenwerte man unterscheiden will, um so mehr "Bits" muß man dafür verwenden. Mit 4 Bit z. B. können 16 verschiedene Zahlen dargestellt werden (24 = 16); mit 8 Bit bereits 256 verschiedene Zahlen (28 = 256).
Zusammenfassung:
Alle Zahlen werden also beim Digital-System als eine Folge von Bit-Werten mit Spannungen von +22 V und -22 V übertragen. Dafür reicht eine Leitung plus Rückleitung aus.
Die binäre Datenübertragung hat einen weiteren Vorteil: sie ist unempfindlich gegen Störungen. Prinzipiell könnte man Informationen z. B. auch durch 10 verschiedene Spannungswerte über eine Leitung übertragen. Hierbei würde aber eine Störung viel leichter einen falschen Wert erzeugen, als wenn man nur zwei unterschiedliche Spannungswerte benutzt wie +22 V und -22 V.
Die Umsetzung der ursprünglichen Zahlenwerte (z. B. der am Fahrregler eingestellten Lokgeschwindigkeit) erledigt der Mikroprozessor im Digital-Fahrpult.
Der Lokdecoder als Empfänger muß dann die empfangene Bitfolge auswerten. Dazu muß der Empfänger natürlich "wissen", wie lange ein Bit dauert und aus wie vielen Bits eine Zahl besteht. Wie lange ein Bit dauern soll, wird durch eine elektronische Schaltung (Takterzeuger) festgelegt.
Aus wie vielen Bits eine Zahl besteht, wird durch die Elektronik oder das Steuerprogramm in jedem Decoder festgelegt.
"Trinäre Codierung"
Beim Märklin Digital-System gibt es allerdings noch eine spezielle Besonderheit. Bei der Umsetzung der Digital-Adressen werden nicht nur zwei, sondern drei verschiedene "Zustände" verwendet: logisch "1", logisch "0" und logisch "Z". Die Adressen für Lokomotiven und Magnetartikel werden also nicht binär codiert, sondern "trinär". Dennoch werden nur die beiden Spannungswerte +22 V und -22 V verwendet. Die technische Umsetzung erfolgt so, daß ein "Bit" sozusagen nochmals in 2 Teile unterteilt wird.
Der prinzipiell mögliche vierte Zustand (Kombination "0-1") wird aus Gründen der Datensicherheit nicht benutzt.
Die drei Zustände bei der trinären Codierung: links: vereinfachte Darstellung - rechts: realer Verlauf
Nur bei der Codierung der Adressen werden 3 Zustände unterschieden, für die Daten werden nur die zwei Zustände log. 0 (Kombination "0-0") und log. 1 (Kombination "1-1") benutzt.
Der Vorteil der trinären Datenübertragung liegt hauptsächlich in einer höheren Datensicherheit. Oder anders gesehen, kann mit der trinären Codierung eine größere Anzahl möglicher Werte dargestellt werden (bezogen auf "ganze" Bits der Binärdarstellung): Bei der trinären Codierung können mit 4 Adreß-"Trinärbits" 34 = 81 Adressen, bei binärer Codierung nur 24 = 16 Adressen codiert werden.
Alle Informationen im Digital-System werden in Paketen zu jeweils 9 "Dateneinheiten" (Bits ist wegen der trinären Codierung nicht ganz richtig) oder 18 "Informationspulsen" übertragen. Die Aufteilung in Adressen und Daten ist für Lokbefehle und Magnetartikel aber unterschiedlich.
Verwendete Elektronikbausteine
Das Märklin Digital-System verwendet also für die Adressen eine trinäre, für die übrigen Daten eine binäre Codierung. Dieses besondere Datenformat wird durch spezielle Elektronikbausteine (ICs = Integrierte Schaltungen) der Firma "Motorola" erzeugt. Das Datenformat wird daher auch oft als Motorola-Datenformat oder Motorola-Gleisformat bezeichnet.
Es gibt verschiedene integrierte Schaltungen für Sender und Empfänger, die jedoch alle das Motorola-Datenformat verwenden; sie haben die Bezeichnung "MC 14502..." . Als Senderbaustein wird der MC 145026 eingesetzt. Als Empfängerbaustein in Lokdecodern kommt ein kundenspezifisches IC zum Einsatz, das aus Platzgründen neben den Funktionen des Empfängerbausteins MC 145029 eine Reihe weiterer elektronischer Schaltungen enthält.
In den Magnetartikel-Decodern kommt ein Empfängerbaustein vom Typ MC 145027 zum Einsatz.
