ADSL-Datenübertragung

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Inhaltsverzeichnis
ADSL-Datenübertragung
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung.......................................................................................................................................... 1
1.1
1.2
1.3
Analoges Modem ........................................................................................................................ 1
ISDN............................................................................................................................................ 1
xDSL-Technologie...................................................................................................................... 2
2 Kurze Einführung in ADSL............................................................................................................ 3
2.1
2.2
2.3
ADSL als leistungsfähige Modemtechnik ................................................................................. 3
Koexistenz von ADSL und POTS............................................................................................... 4
Effiziente Nutzung der Teilnehmeranschlußleitung ................................................................ 5
3 Die Teilnehmeranschlußleitung...................................................................................................... 7
3.1
Aufbau ......................................................................................................................................... 7
3.1.1
Nebensprechen ...................................................................................................................... 7
3.1.2
Verzerrung ............................................................................................................................ 8
3.1.2.1
Lineare Verzerrungen ..................................................................................................... 8
3.1.2.2
Nichtlineare Verzerrungen ............................................................................................. 9
3.1.2.3
Additive Störungen......................................................................................................... 9
3.2
Übertragung digitaler Signale über die Teilnehmeranschlußleitung .................................... 10
3.2.1
Digitale Modulation ............................................................................................................ 10
3.2.1.1
Quadratur Amplituden Modulation .............................................................................. 12
3.3
Informationstherorie ................................................................................................................ 13
3.3.1
Informationsübertragung..................................................................................................... 13
3.3.2
Kanalcodierungs-Theorem (Shannon 1948) ....................................................................... 14
3.3.3
Kanalkapazität..................................................................................................................... 14
0
Inhaltsverzeichnis
4 Aufbau eines ADSL-Modems mit DMT-Modulation................................................................. 19
4.1
Sender ....................................................................................................................................... 19
4.1.1
Synchronisierung ................................................................................................................ 20
4.1.2
Kanalcodierung ................................................................................................................... 20
4.1.3
Partitionierung und Symbol-Konstellation (Mapping) ....................................................... 20
4.1.4
Inverse Fouriertransformation IDFT................................................................................... 21
4.1.5
Ausgangsstufe ..................................................................................................................... 21
4.2
Empfänger ................................................................................................................................ 21
4.2.1
Eingangsstufe ...................................................................................................................... 22
4.2.2
Zeitbereichsentzerrer........................................................................................................... 22
4.2.3
DFT ..................................................................................................................................... 22
4.2.4
Demapping .......................................................................................................................... 23
4.2.5
Decodierung ........................................................................................................................ 23
4.3
Aufbau einer Verbindung ........................................................................................................ 23
4.3.1
Aktivierung und Quittierung............................................................................................... 24
4.3.2
Training............................................................................................................................... 25
4.3.3
Kanal bestimmen................................................................................................................. 25
4.3.4
Austauschen der Kanalparameter ....................................................................................... 25
4.3.5
Online Anpassung und Rekonfigurierung........................................................................... 26
5 Versuchsdurchführung Teil I ....................................................................................................... 28
5.1
5.2
5.3
Dämpfungsmessung mit dem breitbandigen Rauschgenerator .......................................... 28
Dämpfungsmessung mit dem Frequenzgenerator ............................................................... 31
Messen des Störbelags einer bestehenden Telefonleitung ................................................... 35
6 Versuchsdurchführung Teil II...................................................................................................... 39
6.1
6.2
6.3
A.
B.
6.4
6.5
1
Messen der Bitrate bei verschiedenen Kabellängen und Kabelquerschnitten .................. 39
Aufbau einer Verbindung....................................................................................................... 41
Beeinflussung von externen Störungen ................................................................................ 42
Beeinflussung durch den breitbandigen Rauschgenerator...................................................... 42
Beeinflussung durch den Funktionsgenerator......................................................................... 43
Beeinflussung durch ein weiteres ADSL-Modem................................................................. 44
Betrieb des Modems über eine reale Teilnehmeranschlußleitung...................................... 46
Einleitung
Einleitung
1
Um die immer größer werdenden Menge an zu transportierenden Daten zu bewältigen,
braucht man immer schnelleren Datenverbindungen. Es gibt eine ganze Menge neuer
Systeme, die derart hohe Datenraten bewältigen können. Zum Beispiel ist es heute möglich,
mit Glasfaser mehrere Gigabits pro Sekunde zu übertragen. Das Problem, das sich dabei stellt
ist, daß nicht jeder Teilnehmer an das Glasfasernetz angeschlossen werden kann, da aus
finanziellen Gründen eine Glasfaser nicht zu jedem Haushalt verlegt werden kann. Heute
versucht man vielmehr, das bestehende Teilnehmeranschlußnetz zu benutzen, um so zu
vermeiden, daß neue Leitungen verlegt werden müssen.
Fast jeder Haushalt verfügt über einen Telefonanschluß. Dieses Übertragungsmedium kann
also fast jeder benutzen. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß man über das Telefonnetz dort
hinwählen kann, wo man gerade möchte und das zu dem Zeitpunkt, den man selbst bestimmt.
So hat sich in den letzten Jahren das konventionelle analoge Modem weit verbreitet.
Derzeit wächst die Anzahl der ISDN Teilnehmer sehr schnell. Um den weiter wachsenden
Datenvekehr zu bewältigen, gibt es die neue Datenübertragungstechnik xDSL. All diese
Verfahren haben eines gemeinsam: Sie benötigen die übliche zweiadrige
Teilnehmeranschlußleitung, die flächendeckend vorhanden ist.
1.1
Analoges Modem
Ein Modem, wie wir es heute kennen, wandelt die digitalen Daten in analoge Signale um.
Diese werden dann über die Telefonleitung übertragen. Dazu wird der Sprachfrequezbereich
von 300Hz bis 3.4kHz benötigt. Bei den 1200/2400 Bit/s-Modems wurde eine einfache
Phasendifferenzmodulation benutzt. Darauf folgten Modems mit 14400 und mit 28800 Bit/s.
Um die heutigen Datenübertragungen des V.34-Standarts zu erreichen, werden ausgeklügelte
Verfahren verwendet, wie trelliscodierte Modulation, Preshaping und Entzerrer. Dadurch
erreicht man Übertragungsgeschwindigkeiten von 33600 Bit/s im Vollduplexbetrieb.
Desweiteren gibt es die Möglichkeit, bis zu 56000 Bit/s im Downstream zu erreichen, bei
einer gleichzeitigen Upstream-Geschwindigkeit von 33600 Bit/s. Dies ist im V.90 Standart
festgelegt.
1.2
ISDN
Bei einem ISDN-Telefonanschluß werden die analogen Sprachsignale bereits im ISDNTelefon in digitale Daten umgewandelt. Diese digitalen Daten werden dann als ternäre
Symbole (4B3T-Leitungscode) über die Telefonleitung übertragen. Ein ISDN-Endgerät
benötigt eine Bandbreite 0 bis 120 kHz. ISDN ermöglicht auf einer herkömmlichen
Kupferdoppelader zwei B-Kanäle (Nutzkanäle) mit je 64 kBit/s und ein Datenkanal mit 16
kBit/s. So ist es möglich, über einen Kanal zu telefonieren und über den zweiten Kanal
Internet-Dienste zu nutzen. Über den dritten Datenkanal werden Steuerinformationen für den
Verbindungsaufbau übertragen. Es ist auch möglich, beide B-Kanäle gleichzeitig zu benutzen.
So erhält man eine Übertragungsrate von 128kBit/s.
1
Einleitung
Ab der Vermittlungsstelle arbeitet das gesamte deutsche Telefonnetz digital mit 64 kBit/s
pro Sprachkanal. Verfügt ein Teilnehmer noch über ein analoges Telefon, so werden die
digitalen Daten dort in analoge Signale umgewandelt und dem Teilnehmer zugeführt bzw.
dessen analoge Signale digitalisiert. Dies gilt auch für die Signale analoger Modems. Der
V.90-Standart nutzt nun diese D/A-Umsetzung des 64 kBit/s Datenstroms aus, um eine
Downstream-Rate von 56kBit/s zu erreichen.
1.3
xDSL-Technologie
Alle xDSL-Technologien nutzen die höheren Frequenzbereiche bei der Übertragung über
Kabel aus. Über die Teilnehmeranschlußleitung kann man Frequenzen bis über 1 MHz ohne
große Probleme übertragen, was allerdings zur Folge hat, daß aufgrund der Dämpfung die
Leitungslänge einen bestimmten Wert nicht überschreiten darf, damit die gewünschte
Übertragungsgeschwindigkeit erreicht werden kann. Je länger eine Leitung, desto kleiner die
Datenrate; bei steigender Datenrate muß die Leitung um so kürzer sein.
HDSL und SDSL werden ausschließlich auf den Strecken zwischen
Vermittlungsstellen eingesetzt, teilweise unter Verwendung mehrerer Doppeladern.
den
ADSL und VDSL werden auf den Leitungen vom Endteilnehmer zur nächsten
Vermittlungsstelle oder Verteilerknoten verwendet (last mile).
Tabelle 1.1 : Überblick über die xDSL-Technologien
Technologie
Theoretische max.
Datenrate (Downstream)
Theoretische max.
Datenrate (Upstream)
Maximale Leitungslänge
Benötigte Adernpaare
Frequenzbereich
/Bandbreite
POTS oder ISDN
im Basisband
Anwendungen
HDSL
1,544 Mbit/s1
2,048 Mbit/s
1,544 Mbit/s
2,048 Mbit/s
bis 4 km
2 bei 1,544 Mbit/s
3 bei 2,048 Mbit/s
bis ca. 240 kHz
SDSL
1,544 Mbit/s
2,048 Mbit/s
1,544 Mbit/s
2,048 Mbit/s
bis 3 km
1
ADSL
bis 8 Mbit/s
VDSL
bis 51,84 Mbit/s
bis 1 MBit/s
bis 2,3 Mbit/s
bis 5,5 km
1
bis 0,3 km
1
bis ca. 240 kHz
bis ca. 1 MHz
bis ca. 30 MHz
nein
nein
ja
ja
Ersatz für
T1-Leitungen
WAN/LAN,
Ersatz für T1- und
HDSL-Leitungen
Internet
Datenübertragung
WAN/LAN
Multimedia, HTV
Bei VDSL ist die nutzbare Leitungslänge (0,3km) zu klein, um diese Technologie für alle
Teilnehmer zu nutzen. Gegebenenfalls wird daran gedacht, VDSL nur zwischen den
Kabelverzweiger und dem Endteilnehmer einzusetzen. Im folgenden werden wir nur auf
ADSL eingehen, da wir
ausschließlich
die
Datenübertragung
über
die
Teilnehmeranschlußleitung untersuchen. Die einzelnen Übertragungsraten sind in Tabelle 1.1
zu erkennen.
1
1,544 Mbits/s : wird in den USA benutzt (T1)
2,048 Mbits/s : wird in Europa benutzt (ETSI)
2
Einführung in ADSL
2 Kurze Einführung in ADSL
2.1 ADSL als leistungsfähige Modemtechnik
ADSL ist eine neue leistungsfähige Modemtechnik. ADSL heißt Asymmetric Digital
Subscriber Line, asymmetrischer digitaler Teilnehmeranschluß. Das Wort asymmetrisch
bedeutet, daß man gleichzeitig eine hohe Datenrate zum Teilnehmer (HerunterladenDownstream) und eine geringe Datenrate zur Vermittlungsstelle (Upstream) übertragen kann.
Dieses System wurde ursprünglich für Video-On-Demand-Anwendungen entwickelt. Für die
heutige Internet-Anwendung ist dieses System geradezu ideal. Der Teilnehmer benötigt große
Mengen an Daten, Bildern, Videoclips und gibt nur wenige Daten ins Internet zurück, z.B.
Seitenanfragen oder E-Mails.
Digital Subscriber Line heißt, daß die Signale digital codiert werden. Anschließend werden
die Daten moduliert und über die normale zweiadrige Kupfertelefonleitung zur
Vermittlungsstelle übertragen. Dabei spielt es keine Rolle, ob man ein analoges Telefon oder
ISDN besitzt. In der Vermittlungsstelle wird man weiter mit den gewünschten interaktiven
Medien wie Internet verbunden.
Die dabei erzielten Geschwindigkeiten belaufen sich auf bis zu 8 MBit/s im Downstream
und bis zu 768 kBit/s im Upstream. Die maximal nutzbaren Datenraten hängen nicht nur von
äußeren Störungen und Nebensprechen ab, sondern auch sehr stark von den geometrischen
Abmessungen der Leitungen (Leitungslänge, Leitungsquerschnitte). Spleiße und Dosen
beeinträchtigen die Datenübertragung zusätzlich. Bei Kabellängen von über 6 km vom
Teilnehmer zur Vermittlungsstelle kann höchstens eine Bitrate von 1Mbit/s erreicht werden
[4]. Um auch weiterhin normal telefonieren zu können, benötigt man einen Splitter. Dieses
Gerät trennt die ADSL- und Telefonsignale so, daß man gleichzeitig beide Systeme benutzen
kann.
Zur Zeit gibt es eine aufwärtsreduzierte Version unter dem Namen G.Lite auch bekannt als
U-ADSL (Universal ADSL). Hierbei werden die Splitter eingespart, das Modem besitzt am
Eingang einen Hochpaß um die Telefonsignale auszufiltern. Hier erreicht man eine maximale
Downstream-Geschwindigkeit von 1.5 MBit/s und eine Upstream-Geschwindigkeit von 386
kBit/s. Für die heute üblichen Internet- und Multimedia-Anwendungen reicht das völlig aus,
zumal die typische Internet Backbone Durchsatzrate zur Zeit bei 250 - 400 kBit/s liegt. Wie
schnell ADSL gegenüber ISDN und den analogen Modems ist, wird in Tabelle 2.1 gezeigt.
Tabelle 2.1 : Download Zeiten im Vergleich [4]
Rate (kBit/s)
Dateigröße
1 GB
100 MB
10 MB
1 MB
14,4
6.4 d
15.4 h
1.54 h
9.26 min
28,8
64
Download Zeit
3.2 d
8.7 h
7h
51. min
46.3 min
5.2 min
4.63 min
30 s
3
1544
8000
1.4 h
8.6 min
51.5 s
5.18 s
16.6 min
1.7 min
10 s
1s
Einführung in ADSL
2.2 Koexistenz von ADSL und POTS
Das ADSL-System nutzt den höheren Frequenzbereich. Das bisherige analoge Telefon
(POTS = Plain Old Telephone Service) benötigt nur eine Bandbreite von etwa 3,1kHz (300Hz
bis 3,4kHz), ISDN den Frequenzbereich bis etwa 120kHz. Über eine normale, ungeschirmte
doppeladrige Telefonleitung lassen sich aber Frequenzen bis 1.1 MHz problemlos übertragen.
Die ADSL-Signale werden in diesem noch freien Frequenzbereich übertragen. Dieses
Frequenzband reicht von etwa 25kHz beim analogen Telefon und 140kHz bei ISDN, bis
1,1MHz; es ist somit geeignet, Datenraten bis 8Mbit/s zu übertragen.
Um nun weiterhin normal telefonieren zu können, benötigt man eine Frequenzweiche
(Splitter). Die Anschlußleitung wird im Splitter für das Telefon und das ADSL-Modem
aufgeteilt. Mit einem Tiefpaß werden die niederfrequenten Telefonsignale herausgefiltert und
zum Telefon geleitet. Mit einem Bandpaß wird das ADSL-Signal herausgefiltert und dem
ADSL-Modem zugeführt. Siehe Abbildung 2.1.
Abbildung 2.1 : Anschluß eines ADSL-Modems mit Splitter
Eine zweite Möglichkeit besteht darin, alle Geräte gleichzeitig mit der
Teilnehmeranschlußleitung zu verbinden. Vor die Telefon- und Faxgeräte wird jeweils ein
sogenannter Microfilter gesetzt. Dies ist ein einfacher Tiefpaß, der die ADSL-Signale dämpft.
So gelangen nur die niederfrequenten Signale zum Telefon- oder Faxgerät. Das ADSLModem besitzt seinerseits einen Filter, der die Telefonsignale ausspart. Dieser Bandpaß
dämpft die niederfrequenten Signale. Siehe Abbildung 2.2.
Abbildung 2.2 : Anschluß eines ADSL-Modems mit Microfiltern
4
Einführung in ADSL
2.3
Effiziente Nutzung der Teilnehmeranschlußleitung
ADSL basiert auf der Trennung des nutzbaren Frequenzspektrums in einzelne Kanäle.
Diese Technik nennt man Frequency Division Multiplexing (FDM). Der Telefondienst
benutzt den unteren schmalbandigen Frequenzbereich. Anschließend teilen sich Upstream und
Downstream den Bereich bis zur Maximalfrequenz.
Für die Zuordnung der Einzelträger zu Down- und Upstream gibt es nach dem ADSLStandard zwei Möglichkeiten: Einerseits teilt man den Frequenzbereich in zwei Teile, FDM.
Die unteren Träger werden für den Upstream benutzt und die restlichen oberen für den
Downstream. In Abbildung 2.3 sieht man dieses Frequenzspektrum mit ISDN. Andererseits
kann man mittels einer Gabelschaltung den unteren dämpfungsärmeren Frequenzbereich
doppelt nutzen. So erzielt man eine höhere Datenrate. Um dieses noch zu verbessern, wird
eine Trelliscodierung verwendet (Category 2 ADSL). In Abbildung 2.4 erkennt man wie sich
Up- und Downstream das untere Frequenzspektrum teilen, hier als Beispiel mit dem analogen
Telefon.
Abbildung 2.3 : Category 1 ADSL mit ISDN
Als Modulationsverfahren wurden CAP (Carrierless Amplitude and Phase Modulation)
und DMT (Discrete MultiTone) diskutiert und untersucht.
Das Übertragungsverfahren CAP ist eine Variante der Quadratur-Amplituden-Modulation
(QAM). Es ist ein trägerloses Amplituden-Phasenmodulationsverfahren. Die Trennung der
Sende- und Empfangsrichtung erfolgt durch die Nutzung unterschiedlicher Frequenzbänder
auf dem Kupferkabel. Die eigentlichen Signale werden mit digitalen Filtern voneinander
getrennt.
Als Standard T1.413 wurde die DMT-Modulation gewählt, da sie effizienter ist. DMT ist
ein adaptives Mehrträgerverfahren (Multi Carrier Modulation, MCM). Die Datenrate paßt sich
an die Leitungsverhältnisse an.
Man benutzt 256 Einzelkanäle mit einer Bandbreite von jeweils 4,3125kHz. Die
Einzelträger sind QAM-moduliert und übertragen maximal 64,7 kBit/s je nach dem SignalStörabstand auf jedem Einzelkanal. Beim Verbindungsaufbau werden die einzelnen Kanäle
ausgemessen. Über jeden einzelnen Kanal kann so die maximal mögliche Bitrate, unter
Einhaltung einer zulässigen Fehlerrate übertragen werden. Unterschiedliche Störungen und
5
Einführung in ADSL
Dämpfungen werden in den einzelnen Frequenzbereichen berücksichtigt. Kanäle minderer
Qualität bleiben ungenutzt oder übertragen nur kleine Datenrate. In einem stark gestörten
Frequenzbereich wird der Träger QPSK moduliert. Bei weniger gestörten Kanälen werden
mehrere QAM-Modulationsstufen verwendet.
Abbildung 2.4 : Category 2 ADSL mit POTS
Wird zusätzlich zum ADSL-Dienst auch noch der Telefondienst benutzt, können nicht alle
Kanäle benutzt werden. Das analoge Telefon benötigt nur ein kleines Frequenzspektrum. Um
auch noch den 16kHz Telefon-Gebührenimpuls mit übertragen zu können, beginnt das ADSLSpektrum erst ab 25,875kHz. In den ersten 6 ADSL-Kanälen wird also keine Information
übertragen. Der Upstreambereich reicht bis etwa 138kHz, benutzt werden also nur die Kanäle
7 bis 31. Der Downstreambereich benutzt bei Category 1 ADSL die Kanäle 32 bis 255 und bei
Category 2 die Kanäle 7 bis 255. Der Kanal 256 ist jedesmal vorhanden, wird jedoch auch
nicht benutzt.
ISDN benötigt einen größeren Frequenzbereich bis etwa 138kHz. Es stehen also nur die
Kanäle 32 bis 255 zur Verfügung. Die Upstream-Kanäle 7 bis 31 können nicht benutzt
werden. Der Upstream-Bereich wird nach oben verschoben. Es werden die Kanäle 33 bis 63
benutzt. Kanal 32 überträgt 0, wird demnach nicht benutzt. Für den Downstream gilt das
gleiche wie beim analogen Telefon, nur daß bei Category 1 ADSL die Kanäle 64 bis 255 und
bei Category 2 die Kanäle 33 bis 255 benutzt werden. Der Kanal 256 ist jedesmal vorhanden,
wird jedoch auch nicht benutzt.
Die Generierung der Einzelkanäle kann mit verschiedene Schaltungen realisiert werden.
Ein sehr aufwendige Möglichkeit besteht darin, für jeden einzelnen Kanal die Signale zu
modulieren und anschließend mit einem Bandfilter das Spektrum zu begrenzen. Das Problem
besteht darin, daß man viele Filter benötigt.
Eine effizientere Methode ergibt sich wenn man die einzelne Kanäle mit QASK
(Quadrature Amplitude Shift Keying) moduliert. Die Spektren der einzelnen Kanäle haben
jetzt die Form der Sinc-Funktion und sind nicht mehr bandbegrenzt. In dem Empfänger
können die Daten trotzdem zurückgewonnen werden wenn der Abstand der einzelnen Träger
ein ganzzahliges Vielfaches des Kehrwerts der Bitdauer ist. Die Unterträger bilden dann
bezuglich der Bitdauer ein orthogonales Funktionssystem. Es zeigt sich, daß diese
Mehrträgermodulation einer diskreten Fouriertransformation entspricht. Dies ermöglicht es
das Verfahren sehr effizient im Sender durch die Inverse Fast Fourier Transformation (IFFT)
und im Empfänger durch die Fast Fourier Transformation (FFT) zu realisieren.
6
Teilnehmeranschlußleitung
Die Teilnehmeranschlußleitung
3
3.1
Aufbau
Die Teilnehmeranschlußleitung besteht aus einer Kupferdoppelleitung mit einem
Querschnitt von 0,4-1,0 mm². Die Kupferdoppeladern sind ineinander verdrillt bzw.
gebündelt, um die wirksamen Interferenzen und kapazitiven Einflüsse durch erhöhte
Symmetrie zu reduzieren. Jeweils zwei Leitungspaare bilden zusammengefaßt einen
Sternenvierer. Sie besitzen keine einzelne Abschirmung. Mehrere Sternenvierer werden in
größeren Kabeln in Bündel zusammengefaßt. Diese Kabel können über 2000 Paare, d.h. über
2000 einzelne Teilnehmeranschlüsse beinhalten. Die Kabel besitzen nur eine
Gesamtabschirmung, um das Einwirken von äußeren Störgrößen zu verringern. Im Normalfall
ist die Teilnehmeranschlußleitung nicht länger als 8 km. In Deutschland beträgt die
Leitungslänge im Durchschnitt 2 km. Nur wenige sind länger als 3 km [3] .
3.1.1
Nebensprechen
Nebensprechen ist ein unerwünschter Übergang von Sprechströmen von einem Sprechkreis
auf einen anderen. Nebensprechen entsteht vor allem durch kapazitive und induktive
Kopplungen zwischen den Leitungen, die in einem Kabel zusammengefaßt sind. Nach
Abbildung 3.1 verbinden zwei parallel liegende Doppeladern die Teilnehmer und die
Vermittlungsstelle. Wird vom Teilnehmer 1 gesendet, fließt ein Strom durch die erste
Doppeldrahtleitung. Durch die induktive und kapazitive Kopplung beider Leitungen wird in
der zweiten eine Spannung bzw. ein Strom hervorgerufen. Die Intensität des Nebensprechens
ist an den beiden Enden der beeinflußten Leitung im allgemeinen unterschiedlich. Man
unterscheidet zwischen Nahnebensprechen (NEXT Near End CrossTalk) und
Fernnebensprechen (FEXT Far End CrossTalk ). Nahnebensprechen ist die Reaktion, welche
in der beeinflußten Leitung am Teilnehmer 2 hervorgerufen wird. Fernnebensprechen ist die
Reaktion, welche in der beeinflußten Leitung bei diesem Beispiel an der Vermittlungsstelle
hervorgerufen wird.
Abbildung 3.1 : Veranschaulichung von Nebensprechen
7
Aufgrund einer sternförmigen Verteilung der Daten und der asymmetrischen Natur des
Verfahren spielt bei ADSL NEXT keine so große Rolle. Für den Upstreambereich werden nur
die niedrigen Frequenzen benutzt, bei welchen die Nebensprechdämpfung noch recht groß ist.
Desweiteren sind Up- und Downstreambereiche spektral getrennt. Sendet Teilnehmer 1 und
empfängt Teilnehmer 2, so wird die Teilnehmeranschlußleitung 2 nicht durch das
Nahnebensprechen von Teilnehmer 1 beeinträchtigt. Das Nahnebensprechen ist praktisch von
der Kabellänge unabhängig, da es sowieso nur am Anfang bzw. am Ende der
Teilnehmeranschlußleitung entsteht.
Das Fernnebensprechen hingegen ist beim Teilnehmeranschlußkanal neben den externen
Störungen (Impulsstörungen, Funkdienste) das begrenzende Element. FEXT sinkt mit der
Kabellänge. Wird die Teilnehmeranschlußleitung länger, so wird durch die Dämpfung des
Kabels auch das FEXT gedämpft. Da man bei ADSL jedoch vorzugsweise kurze
Anschlußleitungen benutzt, darf man FEXT nicht vernachlässigen. Zusätzlich sinkt die
Nebensprechdämpfung mit steigender Frequenz. Da bei der ADSL im Downstream
Frequenzen bis 1,2MHz benutzt werden, dominiert das Fernnebensprechen.
3.1.2
Verzerrung
Als Übertragungskanäle werden hier die Verbindungsleitung vom Teilnehmer zur
Vermittlungsstelle betrachtet. Diese Übertragungskanäle sind im allgemeinen nicht ideal.
Auf dem Übertragungsweg kann das Signal aus zweierlei Ursachen verändert werden.
Beide Ursachen treten in der Regel gemeinsam auf. Die erste ist deterministischer Art, ihre
Auswirkung wird durch die Übertragungsfunktion des Kanals exakt beschreiben. Die zweite
Ursache liegt in den zufälligen Störungen, die sich längs des Übertragungsweges dem
übertragenen Signal beimischen. Die Auswirkung der Störungen auf die Veränderung des
Signals läßt sich zwar nicht exakt vorausberechnen, wohl aber abschätzen, wenn
Wahrscheinlichkeitsangaben über die Störungen vorliegen, was in der Regel der Fall ist.
Das Ausgangssignal sollte so beschaffen sein, daß man aus ihm auf die Signalbedeutung
des Eingangssignals, d.h. auf die zu übertragende Nachricht schließen kann.
3.1.2.1
Lineare Verzerrungen
Bei den linearen Verzerrungen unterscheidet man zwischen Dämpfungsverzerrungen und
Phasen- bzw. Laufzeitverzerrungen. Normalerweise ist bei Übertragungswegen eine konstante
Betriebsdämpfung im interessierenden Frequenzbereich fu < f < fo erwünscht. Hat ein
Übertragungsweg in diesem Bereich keine konstante Betriebsdämpfung, dann treten
Dämpfungsverzerrungen auf. Mit einem Entzerrer, der einen komplementären
Dämpfungsverlauf besitzt, können die Dämpfungsverzerrungen im gewünschten Bereich fu <
f < fo aufgehoben werden.
Laufzeitverzerrungen treten bei einem Übertragungsweg dann auf, wenn der
Übertragungsweg im interessierenden Frequenzbereich fu < f < fo keine konstante
Gruppenlaufzeit hat. Die Realisierung der Laufzeitentzerrung erfolgt in gleicher Weise wie
bei der Dämpfungsverzerrungen nun jedoch mit Hilfe eines Allpaß.
8
Für die Dämpfung- und Laufzeitentzerrung verwendet man in der Praxis häufig Netzwerke
mit konstantem Eingangswiderstand, weil Übertragungswege in der Regel mit reellen
ohmschen Widerständen abgeschlossen sind. Netzwerke mit konstantem Eingangswiderstand
haben ebenfalls einen reellen Eingangswiderstand. Mit ihrer Hilfe kann also ein
Übertragungsweg entzerrt werden, ohne daß irgend etwas an seinem Beschaltungszustand
geändert wird. Der zur Dämpfungsentzerrung dienende Vierpol beeinflußt den Dämpfungsund Phasenverlauf gleichermaßen, während der Allpaß nur den Phasenverlauf, nicht aber den
Dämpfungsverlauf verändert. Da solche Vierpole eine zusätzliche Dämpfung haben, werden
vorwiegend aktive Entzerrerschaltungen benutzt.
3.1.2.2
Nichtlineare Verzerrungen
Nichtlineare Verzerrungen in Übertragungskanälen entstehen durch nicht ideale
Eigenschaften von Verstärkern, Kompandern u.ä.. Bei der Sprachübertragung kommen
Nichtlinearitäten realer Schallwandler hinzu. Solange es sich um reine Sprachübertragung im
Basisband mit dem Ziel einer möglichst guten Sprachverständlichkeit handelt, sind relative
starke nichtlineare Verzerrungen tolerierbar. Als Beispiel kann hier wieder die
Fernsprechübertragung betrachtet werden. Wesentlich strengere Anforderungen stellt jedoch
die digitale Übertragung, z.B. im Falle der Datenübertragung über das Fernsprechnetz.
Nichtlineare Verzerrungen sind sehr schwer zu kompensieren; allerdings sind sie in
praktischen Fernsprechverbindungen üblicherweise hinreichend gering (im Falle der
Datenübertragung entfallen die vielfach stark nichtlinearen Schallwandler). In
handelsüblichen Modems wird daher auf eine Entzerrung nichtlinearer Verzerrungen
verzichtet.
3.1.2.3
Additive Störungen
Dem Nutzsignal überlagern sich bei der Übertragung über reale Kanäle additive
Störgrößen. Neben dem Nah- und Fernnebensprechen (siehe Abschnitt 3.1.1) sind dies
Vornehmlich impulsartige Störungen (z.B. Wählimpulse im Fernsprechnetz),
Netzeinstreuungen, Überlagerung von Fremdsendern, rauschartige Störgroßen wie z.B.
thermisches Rauschen von Verstärker-Bauelementen, atmosphärisches Rauschen und
ähnliches.
Ein häufig verwendetes Model basiert auf der Annahme von gaußverteilten additiven
Rauschgrößen. Dazu ist festzustellen, daß andersartige additive Störeinflüsse sich vielfach
wesentlich gravierender auf die Übertragung auswirken und auch oftmals viel eher den
praktischen Übertragungsbedingungen entsprechen, z.B. Impulsstörungen bei der
Datenübertragung. Dennoch hat sich die Betrachtung gaußverteilter Störeinflüsse
gewissermaßen als „genormter Störkanal“ für den Vergleich verschiedener
Übertragungsverfahren als zweckmäßig erwiesen.
9
3.2
Übertragung
digitaler
Signale
über
die
Die prinzipielle Anordnung eines digitalen Übertragungssystem ist in Abbildung 3.2
dargestellt. Nach der Abtastung und Analog-Digital-Umsetzung des Quellensignals ergibt sich
ein zeit- und amplitudendiskretes Signal, das nunmehr als Zahlenfolge aufzufassen ist. Im
Codierer wird diese Zahlenfolge in eine für die Übertragung geeignete Form gebracht:
Prinzipiell unterscheidet man hier zwischen Quellencodierung, die das Ziel hat, den
Nachrichtenfluß der Quelle durch eine möglichst geringe digitale Symbolrate darzustellen
(Redundanz- bzw. Irrelevanzminderung) und Kanalcodierung, wobei die aus der
Quellencodierung erhaltenen Codewörter so umgestaltet werden, daß eine möglichst gute
Anpassung an den Kanal erreicht wird. Üblicherweise werden an dieser Stelle bestimmte
Kontrollsymbole, also gezielte Redundanz hinzugefügt, wodurch am Empfänger eine
Erkennung oder möglicherweise auch eine Korrektur von Übertragungsfehlern ermöglicht
wird.
Quelle
Abtastung
analog
zeitdiskret
Senke
Tiefpass
Quellencodierung
A/D
Kanalcodierung
analoge
Übertragung
diskreter
Werte
digital
Quellendecodierung
D/A
Kanal
Kanaldecodierung
Abbildung 3.2 : Digitales Übertragungssystem
Aus den empfangenen binären Symbolen wird nach Decodierung, Digital-AnalogUmsetzung und einer Glättung das gesendete Signal rekonstruiert.
Zwischen dem Ausgang des Codierers und dem Eingang des Decodierers liegt der digitale
Kanal. Seine Eigenschaften werden durch zwei Merkmale beschrieben: die maximale
Übertragungsrate, also die in einer Sekunde übertragene Anzahl von Binärsymbolen, und die
Bitfehlerwahrscheinlichkeit. Beide Größen hängen von den physikalischen Eigenschaften des
Übertragungskanals, insbesonders von seiner Bandbreite und vom Signalstörverhältnis ab.
3.2.1
Digitale Modulation
Wird ein einzelnes Bit im Zeitbereich betrachtet, so ist es primär durch seine Bitdauer T
gekennzeichnet. Eine solche Rechteckfunktion im Zeitbereich ergibt als Spektrum, die siFunktion. Es läßt sich in Abbildung 3.3 erkennen, daß sich bei einem kleiner werdenden T das
Spektrum im gleichen Maße verbreitert und umgekehrt.
10
Aufgrund der Bandpaß-Charakteristik des Telefonkanals (0,3-3,4kHz) erfordert eine
Übertragung des Digitalsignals über das Telefonnetz, die Umsetzung in eine höhere
Frequenzlage durch Modulation einer Trägerschwingung. Der sinusförmige Träger kann dabei
in einem oder mehreren seiner Parameter von dem zu übertragenden Digitalsignal beeinflußt
werden.
Abbildung 3.3 : Zeitsignal und Spektrum eines Rechtecksignals
Ziel der digitalen Übertragung kann es nicht nur sein, das Signal qualitativ hochwertig zu
übertragen, sondern auch das begrenzte Frequenzspektrum optimal zu nutzen, d.h. möglichst
viele Übertragungskanäle einzurichten, um somit wiederum möglichst große Datenmengen zu
übertragen.
Zur ökonomischen Frequenzspektrumsausnutzung wird das Signal bandbegrenzt. Diese
Bandbegrenzung kann u.a. durch eine Filterung des Signals herbeigeführt werden, wobei es
unerheblich ist an welcher Stelle der Gesamtübertragungsstrecke dies erfolgt. Auf der
Sendeseite bewirkt das Filter eine Begrenzung des benötigten Spektrums. In der Praxis wird
ein weiteres Filter auf der Empfangsseite eingesetzt, das Störungen, die auf dem
Übertragungsweg aufgetreten sind, eliminiert.
Interpretiert man die ankommenden Datensignale als einzelne Pulse, so wird jeder einzelne
Puls eine Pulsantwort des Filters zur Folge haben. Abhängig von der Übertragungsfunktion
tritt eine Verformung der Datenimpulse ein. Diese Pulsantwort des Filters kann sich über
mehrere Intervalle eines Datensignals ausdehnen und damit in ein Intervall fallen, das
eigentlich einem anderen Datensymbol zugeordnet ist. Die störende Beeinflussung des
fremden Intervalls wird als Intersymbolinterferenz (ISI) bezeichnet.
Die Bandbreite, die notwendig ist, das Signal zu übertragen, heißt Nyquistbandbreite und ist
1
definiert als BN =
. Benutzt man einen Nyquist-Filter, wird der Einfluß der ISI
2T
unterdrückt bzw. verringert. Eine möglichst geringe Filterbandbreite, die der
Nyquistbandbreite sehr nahe kommt, kann so realisiert werden. Mit solchen Filtern läßt sich
eine maximale Datenrate bei minimaler Bandbreite verwirklichen.
11
3.2.1.1
Quadratur Amplituden Modulation
Bei ADSL wird die Quadratur Amplituden Modulation (QAM) verwendet. Bei dieser
Modulationsart wird zusätzlich zur Phase eines Symbols auch noch die Amplitude verändert.
Es liegt also eine Kombination aus Amplituden- und Phasenmodulation vor. Als Beispiel
einer QAM wird nachfolgend die 16-stufige QAM dargestellt. Sie weist auf einer Achse vier
mögliche Trägerzustände auf. Dies wird in Abbildung 3.4 dargestellt.
Abbildung 3.4 : Phasenzustandsdiagramm einer 16-QAM
Während der Dauer eines Symbols werden bei einer 16-stufigen QAM jeweils 4 Bit
übertragen. Somit erhöht sich, bei gleicher Bandbreite, die Bitrate gegenüber der reinen
Binärübertragung.
Der Nachteil der höherwertigen Modulationsverfahren liegt in ihrer Anfälligkeit gegenüber
Störungen. Wird dem modulierten Signal ein additives Störgeräusch überlagert, so veränderen
sich die Amplitude und die Phase des Trägersignals.
Der Demodulator muß nun aus diesem gestörten Signalen wieder eine Bitsequenz
erzeugen, die einem bestimmten Zustand zugeordnet ist und die - soweit möglich - mit der
gesendeten
Sequenz
übereinstimmen
sollte.
Dazu
werden
im
Empfänger
Entscheidungsregionen gebildet, die einem Zustand zugeordnet sind. Je höherwertig ein
Signal ist, desto geringer werden die Abstände zwischen den verschiedenen Signalzuständen.
Für eine Störung mit bestimmter Leistung ergibt sich somit eine wesentlich größere
Störwirkung. Es kann zur Demodulation der falschen Sequenz kommen. Es entsteht ein
Symbolfehler.
Zählt man die Anzahl der falsch demodulierten Symbole (bei bekannten gesendeten
Symbolen) und bezieht diese auf eine feste Anzahl von Symbolen, so erhält man die
Symbolfehlerrate; das wichtigste Maß zur Bestimmung der Güte eines digitalen
Übertragungssystems. Ein Symbol setzt sich aus m Bits zusammen. Zählt man die fehlerhaften
Bits, so erhält man die Bitfehlerrate.
Eine Möglichkeit zur Fehlerreduktion bietet die trelliscodierte Modulation, bei der ein
Störabstandsgewinn erzielt wird. Der Störabstandsgewinn ist das Verhältnis vom Quadrat der
12
Differenz der mittleren Euklidischen Distanzen der Signale zur Leistung des Störsignales.
Trotz dieses Gewinnes bleibt die benötigte Bandbreite im Kanal gleich.
Eine weitere Möglichkeit der Fehlerreduktion besteht im Einsatz von fehlerkorrigierenden
Codes. Durch einfügen von redundanter Information an das Datensignal können Fehler
erkannt und jenachdem auch korrigiert werden.
3.3
Informationstherorie
3.3.1
Informationsübertragung
Überträgt man Daten z.B. über einen Teilnehmeranschluß von einem Service-Provider zum
Teilnehmer, so ist dies eine Form von Informationsübertragung. Der Informationsgehalt eines
einzelnes Zeichens xi aus einer gesamten Übertragung, das mit der Wahrscheinlichkeit P(xi)
auftritt, ist:
I ( x):= ld
1
[bit ] .
P( xi )
(1)
Die gedächtnislose Quelle X, die diese Datenfolge sendet, hat somit einen mittleren
Informationsgehalt von:
H ( X ):=å P( xi )⋅I ( x) = å P( xi )⋅ld
{xi }
{xi }
1
= E [I ( xi )] .
P ( xi )
(2)
Überträgt man diese Information nun über einen Kanal, so geht ein Teil der Information
verloren (Äquivokation). Durch äußere Störungen gehen aber nicht nur Information verloren,
sondern es wird auch dem Kanal Information hinzugefügt (Irrelevanz). Die Information, die
der Kanal im Mittel transportiert, d.h. der Teil der eingespeisten Information H(X), die man
auch am Ausgang des Kanals wieder zurückgewinnt, wird als Transinformation bezeichnet.
13
Abbildung 3.5 : Informationsfluß
Für eine Übertragung über einen Kanal ist also nur die Transinformation nutzbar. Diese
läßt sich wie folgt berechnen :
I (Y ; X )=H ( X ) − H ( X / Y )= H (Y ) − H (Y / X ) .
3.3.2
(3)
Kanalcodierungs-Theorem (Shannon 1948)
Die Kanalkapazität C ist ein Maß für den maximal möglichen mittleren Informationsfluß.
Diese ist also gleich der maximalen Transinformation. Ist die Kanalkapazität genau null, so ist
der Kanal total gestört, man kann keine Information über den Kanal übertragen. Die
Kanalkapazität ist maximal, wenn der Kanal ungestört ist; sie ist dann genau eins. Eine
beliebige Information am Eingang kann so am Ausgang fehlerfrei zurückgewonnen werden.
Das Kanalcodierungs-Theorem von Shannon besagt, daß man die Fehlerwahrscheinlichkeit
bei der Übertragung durch Kanalcodierung beliebig klein machen kann, wenn die
Informationsrate R kleiner ist als die Kanalkapazität C.
R<C .
(4)
Daraus wird auch ersichtlich, daß man über einen beliebigen Kanal nicht unbegrenzt viel
Information übertragen kann. Die maximale Datenübertragung wird durch die maximal
mögliche Transinformation begrenzt. Durch Störungen, die auf diesen Kanal einwirken, wird
die Transinformation und somit die Kanalkapazität begrenzt. Um die maximale
Übertragungsrate R zu erzielen, muß eine Kanalcodierung benutzt werden. Ein optimaler
Kanalcodierer paßt die Wahrscheinlichkeitsdichte px(x) und die Leistungsdichte Φxx(f) optimal
an den Kanal an. So wird mit einer beliebig kleinen Fehlerwahrscheinlichkeit eine maximale
Übertragungsrate erreicht.
3.3.3
Kanalkapazität
14
Die Teilnehmeranschlußleitung kann man als analogen, bandbegrenzten, durch additives
Gaußrauschen gestörten Kanal ansehen.
Px
Quelle X
Coder
ai
P(xi)
Φnn(f)
n(t)
Kanal
Φxx(f)
x(t)
px(x)
K(f)
+
Py
B
Senke Y
Decoder
y(t)
x(t)
Φxx(f)
âi
Abbildung 3.6 : Aufbau einer Datenübertragungsstrecke
Shannon-Theorem
Zwischen den Beschreibungsmerkmalen des digitalen Kanals und den physikalischen
Eigenschaften des zugrundeliegenden Übertragungsmediums besteht ein Zusammenhang. Die
mathematische Ableitung dieses Zusammenhangs fußt auf der Shannonschen
Informationstheorie. Das Shannon-Theorem besagt, daß ein eindeutiger Zusammenhang
zwischen Bandbreite B, SNR und der maximal möglichen Anzahl der fehlerfrei übertragbaren
Bits pro Sekunde besteht. Dabei definiert man das Signal- zu Störverhältnis (SNR Signal- to
Noise Ratio) als das Leistungsverhältnis von Nutzsignal x(t) zu Störsignal n(t):
{ x(t ) } .
S/N =
E{ n(t ) }
E
2
(5)
2
Wegen der stets vorausgesetzten Ergodizität können die Erwartungswerte E{.} durch
zeitliche Mittelwerte ersetzt werden. Als logarithmisches Maß wird definiert:
SNR = 10 lg ( S / N ) .
(6)
Unter Annahme eines auf die Bandbreite B begrenzten Kanals, der durch gaußverteiltes
Rauschen der konstanten Leistungsdichte N0 gestört ist, ergibt sich für die Kanalkapazität,
gemessen in Bit/s,
æ
P ö
C = B ⋅ ld çç 1 + x ÷÷= B ⋅ ld ( 1 + SNR ) .
N0 B ø
è
(7)
In vielen Fällen gilt SNR >> 1,
womit sich die Beziehung (7) auf die Form vereinfacht
C ≈ B⋅
SNR ( in dB )
.
3 dB
(8)
Dies gilt für einen mit weißem Gaußrauschen behafteten, nichtverzerrenden (K(f)=1)
Kanal. Dabei muß folgendes gelten:
15
p x ( x ) :gaußscheDichte
ìkonst
φss ( f ) = í
î 0
f ∈ [B ] .
(9)
f ∉ [B ]
Für einen Telefonkanal, der nur eine kleine Bandbreite von B (0,3 - 3,4) kHz hat, kann
man als grobe Näher annehmen, daß in diesem Bereich das Störleistungsdichtespektrum
konstant und die Wahrscheinlichkeitsdichte gaußverteilt ist.
Die maximal übertragbare Leistung über die Teilnehmeranschlußleitung ist meist begrenzt,
um Übersprechen auf die Nachbarkanäle zu verringern.
Die angegebene Bezeichnung für die Kanalkapazität demonstriert ein fundamentales
Prinzip der Nachrichtenübertragung: Bandbreite und der SNR Wert sind reziprok zueinander
(Austauschbarkeit von Bandbreite und SNR).
Das bedeutet einerseits, daß auch bei geringer Kanalbandbreite beliebig hohe
Übertragungsraten zu erzielen sind, solange nur das SNR Verhältnis genügend groß ist.
Umgekehrt kann bei Kanälen mit starker Rauscheinwirkung die Übertragungsrate durch
Vergrößerung der Bandbreite gesteigert werden.
Wird der Kanal mit farbigen Rauschen gestört und ist der Kanal verzerrt, kann man die
Formel (7) nur noch für kleine Bandbreiten benutzten, wo die Dämpfung als konstant
angesehen werden kann, z.B. für den analogen Telefonkanal. Benutzt man hingegen eine
größere Bandbreite wie bei ADSL, so muß dies durch die Formel (10) berücksichtigt werden:
2
æ
K ( f ) ö÷
Φ xx ( f )
ç
C = ò ⋅ ld 1 +
df ,
÷
ç
Φ nn ( f )
[B ]
ø
è
( 10 )
wobei gelten muß :
px (x)
:
gaußsche Dichte
und Φ xx ( f ) die Leistungsdichte des gesendeten Signals x(t) beschreibt. Die gesamte
gesendete Leistung P berechnet sich wie folgt:
∞
P = 2 ò Px ( f ) df .
( 11 )
0
Es ist nun möglich, die maximale Kapazität C für eine gegebene feste Gesamtleistung P zu
nutzen, indem man das Leistungsdichtespektrum optimiert. Dies verwirklicht man mit dem
„water-pouring“- oder „water-filling“- Prinzip. Der optimale Verlauf des
Leistungsdichtespektrums, Φxx ( f ) wird erreicht mit :
φ nn ( f )
ì
ïλ −
2
0 ≤ φ xx ( f ) = í
K (f )
ï
0
î
f ∈ [B ]
f ∉ [B ]
.
16
( 12 )
Die maximale Kapazität, Cmax, berechnet man, indem man Gleichung (12) in Gleichung
(10) einsetzt.
æ λ K( f )2 ö
÷ df .
C = ò ⋅ ld ç
ç Φ nn ( f ) ÷
[B ]
è
ø
( 13 )
Der Grund, warum man dies „Wasser füll“ Verfahren nennt, ist in Abbildung 3.7
ersichtlich. Das Becken wird bis zur Höhe von λ aufgefüllt. Die aufgefüllte Fläche unter der λLinie entspricht der gesamten übertragbaren Leistung. Der Kernpunkt dieses Verfahrens liegt
darin, daß man die größtmögliche Bandbreite eines begrenzten Kanals effizient ausnutzen
kann.
Um nun das Leistungsdichtespektrum genau anpassen zu können, wird die Information in
verschiedene Kanäle aufgeteilt. Bei ADSL werden bis zu 256 solcher Kanäle mit einer
Bandbreite von 4,3125 kHz benutzt. In den Bereichen, wo die Dämpfung des Kanals klein ist,
wird man mit einer höheren Leistungsdichte übertragen, bzw. dort, wo die Dämpfung groß ist,
mit kleiner Leistung.
In Abbildung 3.7 ist das „aufgefüllte“ Leistungsdichtespektrum zu erkennen (links), und
rechts ist das Leistungsdichtespektrum des übertragenen Signal dargestellt. Man erkennt, daß
in den Bereichen, wo die Dämpfung des Kanals groß ist, auch nur wenig Leistung übertragen
wird und in den Bereichen geringer Dämpfung mehr Leistung.
H( f )
φnn ( f )
K (f )
2
Px ( f )
2
2
λ
f
f
Abbildung 3.7 : „Water-pouring“ - Verfahren
Das Leistungsdichtespektrum bei ADSL ist jedoch nicht kontinuierlich, sondern es besteht
aus bis zu 256 Einzelkanälen. Die Einzelspektren der Kanäle können jeweils als
rechteckförmig mit jeweils einer Bandbreite von 4,3125 kHz angenähert werden.
Jeder Unterträger besitzt die Informationsrate R(fi) abhängig von dem entsprechenden
SNR(fi) :
17
SNR ( f i ) :=
Φ xx ( f i ) ⋅ K ( f i )
Φ nn ( f i )
2
.
( 14 )
Für jeden einzelnen Kanal kann nun aus dem jeweiligen SNR die maximale
Übertragungskapazität berechnet werden:
C ( f i ) = ∆f i ld (1 + SNR( f i )) .
( 15 )
Für jeden Unterträger ergibt sich so eine Rate von:
R( f i ) < C ( f i ) .
( 16 )
Die gesamte Übertragungsrate berechnet sich folglich:
256
R gesamt = å R( f i ) .
( 17 )
i =1
So ist es möglich, mit Hilfe der ADSL-Technik das fast 1,2 MHz breite Frequenzspektrum
optimal auszunutzen. Wird nun ISDN oder das herkömmliche Telefon benutzt, so werden die
ersten Kanäle nicht benutzt. Desweiteren werden die Kanäle, bei welchen der SNR zu klein
ist, ebenfalls nicht benutzt oder es wird nur sehr wenig Information übertragen. Hingegen wird
viel übertragen wenn das SNR groß ist. Dieses Verfahren nennt man dann DMT-Modulation.
18
Aufbau eines ADSL-Modems mit DMT-Modulation
4
Ein ADSL-Modem [14] [15] ist für die bidirektionale Nachrichtenübertragung über ein
Aderpaar ausgelegt. Das Modem besteht aus einem Sender und einem Empfänger. Die
ankommenden Empfangssignale werden mit einem Diplexer (Gabelschaltung/
Frequenzweiche) von den abgehenden Sendesignalen getrennt. Man spricht von einer
Duplexübertragung. Damit Sende- und Empfangssignale sich gegenseitig nicht stören, werden
sie in unterschiedlichen Frequenzbereichen übertragen.
ADSL ist ein asymmetrisches System. Mit dessen Hilfe können größere Datenmengen von
der Vermittlungsstelle zum Teilnehmer übertragen werden als in die entgegengesetzte
Richtung. Es gibt also zwei verschiedene Modems. Der Aufbau des ADSL Transceiver Unit,
Remote terminal end (ATU-R), also des Modems auf der Teilnehmerseite, ist bis auf wenige
Änderungen der gleiche wie der des ADSL Transceiver Unit, Central office end (ATU-C),
also des Modems in der Vermittlungsstelle. Die Änderungen beziehen sich lediglich auf die
unterschiedliche Zuordnung der Daten auf die einzelnen Träger, da der Downstream ein
anderes Frequenzspektrum benötigt als der Upstream. Desweiteren ist der Downstreambereich
größer als der Upstreambereich, bedingt durch die höhere Datenrate.
Im folgenden wird nur der ATU-C beschrieben, Unterschiede zum ATU-R werden speziell
erwähnt.
4.1 Sender
Der Sender besteht aus mehreren Blöcken, die in Abbildung 4.1 gezeigt und anschließend
erklärt werden.
Abbildung 4.1 : Aufbau eines ADSL-DMT-Sendemodems
19
4.1.1
Synchronisierung
Die digitalen Daten können sowohl von einer synchronen Quelle, wie z.B. bei Video-OnDemand-Anwendung (STM = Synchronous Transfer Mode), als auch von einer asynchronen
Quelle, wie z.B. einem Computer Netzwerk (ATM = Asynchronous Transfer Mode), geliefert
werden. Die eingespeisten Daten werden im Eingangspuffer zwischengespeichert und in
Pakete aufgeteilt. Diese Pakete werden an die ermittelte ADSL-Rate angepaßt. Bei einem
störungsfreien Kanal werden große Datenpakete erzeugt, da während einer DMTSymboldauer viele Datenbits übertragen werden. Bei einem schlechten Kanal werden weniger
Datenbits übertragen, also werden die Datenpakete kleiner gewählt. Kontrollinformation in
Form von Datenbits wird angehängt. Dadurch wird das spätere Zusammensetzen der
einzelnen Datenpakete erleichtert. Diese Pakete, auch Frames genannt, werden nun mit einer
ADSL-DMT-Datenrate von 4kHz synchronisiert und auf zwei verschiedenen Pfaden
weitergeleitet.
4.1.2
Kanalcodierung
Auf jedem einzelnen Pfad wird dem Datenpaket zur Fehlererkennung eine CRCInformation hinzugefügt. Anschließend werden diese Frames auf den beiden Pfaden mit
jeweils einem Reed-Soloman-Code versehen. Man benutzt zwei verschiedene Codierungen.
Auf dem ersten Pfad werden die Datenpakete nur schwach geschützt. Die Datenpakete auf
dem zweiten Pfad werden aufwendiger codiert, die Bitfehlerrate auf diesem Pfad ist
entsprechend kleiner. Durch diese aufwendigere Codierung entsteht eine Verzögerung.
Während dieser Zeit wird bereits der Datenblock aus dem ersten Pfad ausgelesen und dann
dem Datenblock des zweiten, langsameren Pfades angehängt. So entsteht ein Datenpaket, das
aus zwei verschieden codierten Blöcken besteht, ein schwach codierter Block auf dem ersten
“schnellen“ Pfad und ein stark codierter Block auf dem zweiten, langsameren Pfad. Außerdem
werden die Datenpakete auf dem langsameren Pfad zusätzlich durch einen Interleaver
verflechtet, um die Störanfälligkeit durch Bündelfehler weiter zu verbessern.
ADSL-Systeme können jedoch auch mit nur einer Codierung betrieben werden. Alle
Datenblöcke werden dann entweder schwach oder stark codiert. Die starke Codierung dauert
länger, die Bitfehlerrate ist jedoch wesentlich kleiner.
Desweiteren besteht die Möglichkeit, eine Trelliscodierung zu benutzten, in dem
Empfänger ist dann durch entsprechende Decodierung die Bitfehlerwahrscheinlichkeit noch
kleiner bzw. die Übertragungsrate größer.
4.1.3
Partitionierung und Symbol-Konstellation (Mapping)
Die Binärsymbole werden jetzt auf die einzelnen Träger aufgeteilt. Das ATU-C besitzt
D=256 Kanäle, da für den Downstream eine größere Bandbreite gebraucht wird. Von diesen
256 Kanälen werden aber nicht alle benutzt. Beim analogen Telefon wird über die ersten 6,
und bei ISDN über die ersten 32 Kanäle nur null übertragen, d.h. diese Kanäle senden kein
20
Signal. Ist der Upstreamfrequenzbereich von dem Downstreamfrequenzbereich getrennt, so
wird ebenfalls über die Kanäle 7 bis 31 beim analogen Telefon, bzw. 33 bis 63 bei ISDN
nichts übertragen.
Das ATU-R beim Teilnehmer sendet weniger Information, es benutzt nur D=641 Kanäle.
Von diesen 64 Kanälen werden beim analogen Telefon nur die unteren 25 Kanäle (7 bis 31)
benutzt. Betreibt man das Modem mit ISDN, so werden die oberen 31 Kanäle (33 bis 63)
verwendet.
Die Einzelträger sind QAM moduliert und tragen zwischen 2 Bit/s pro Hz (QPSK) und
maximal 15 Bit/s pro Hz (64QAM). Während der Initialisierungsphase werden den
Einzelträgern, je nach Störabstand auf den Trägern, verschiedene QAM-Konstellationen
zugeordnet. Je größer der Störabstand ist, desto höher sind die QAM-Konstellationen und
damit die Rate in Bit/s Hz. Ein Einzelträger kann also theoretisch 4,3125 kHz * 15 Bit/s pro
Hz = 64,68 kBit/s übertragen, was bei theoretisch 256 Kanälen eine Übertragungskapazität
von 16,5 Mbit/s bedeutet. Da weder der Teilnehmeranschlußkanal optimal ist, noch
Kanalcodierung, Steuer- und Kontrollinformation mit übertragen werden, erreicht man eine
maximale Übertragungskapazität von 8 Mbit/s.
4.1.4
Inverse Fouriertransformation IDFT
Jeder einzelne der D Kanäle besteht aus einem komplexwertigen Datenstrom. Durch die
IDFT werden diese D komplexen Datenströme in 2·D reelle Datenströme aufgeteilt. Um
Rechenzeit und Speicherplatz einzusparen, wird die IDFT in der schnelleren Form, der IFFT
realisiert, was für D eine Zweierpotenz bedingt. Durch Nullsetzen von Trägern kann darüber
hinaus das vom Sendesignal belegte Frequenzband eingeschränkt werden. So kann durch
Weglassen der Teilkanäle, die mit den niedrigsten Frequenzen korrespondieren, Platz für
POTS oder ISDN und/oder für den ADSL-Duplexkanal geschaffen werden. Der inversen
Fouriertransformation schließt sich die zyklische Erweiterung, das Guard-Intervall, an. Nach
der Parallel/Seriell-Umsetzung ergibt sich eine zeitdiskrete Sendesequenz.
4.1.5
Ausgangsstufe
Dieses zeitdiskrete Signal wird mit einem D/A-Umsetzer in ein analoges Sendesignal
umgesetzt. Der Sendeimpulsformer hat im wesentlichen Tiefpaß-Charakter und dient zur
spektralen Begrenzung des Sendesignals. Mit Hilfe der Treiberstufe wird das Signal an den
Kanal mit einer Impedanz von 100 Ohm angepaßt.
4.2
Empfänger
Der Empfänger besteht aus vergleichbaren Blöcken wie der Sender, wird allerdings um
einen Zeitbereichs- und einen Frequenzbereichsentzerrer ergänzt. Diese beiden ermöglichen,
trotz der Verzerrung durch das Kabel, die Signalrückgewinnung. Die einzelnen Blöcke
werden in Abbildung 4.2 gezeigt und anschließend erklärt. Die Signalflußrichtung geht von
rechts nach links.
1
Kanäle 32 und 64 sind vorhanden, werden aber nicht benutzt.
21
Abbildung 4.2 : Aufbau eines ADSL-DMT-Empfangsmodems
4.2.1
Eingangsstufe
Am Eingang liegt nun das analoge Signal r(t) an. Dieses besteht aus dem linear verzerrten
Nutzsignal und dem additiven Rauschanteil. Dieses Signal wird zunächst verstärkt und
anschließend tiefpaßgefiltert, um die Rauschbandbreite zu begrenzen und Alias-Komponenten
bei der anschließenden A/D-Umsetzung zu vermeiden. Durch diese Umsetzung wird aus dem
analogen über die Teilnehmeranschlußleitung übertragenen Signal wieder ein digitales Signal
erzeugt. Das nun erhaltene zeitdiskrete Signal r´[k] wird dem adaptiven FIR-Filter, dem
Zeitbereichsentzerrer zugeführt.
4.2.2
Zeitbereichsentzerrer
Für die DMT-Übertragung ist es nun aber notwendig, das Guard-Intervall mindestens so
lang wie die Kanalimpulsantwort zu wählen. In der Praxis würde dies einen nicht tolerierbaren
Ratenverlust zur Folge haben. Deshalb wird empfangsseitig ein adaptiver
Zeitbereichsentzerrer eingesetzt, dessen Aufgabe darin besteht, die Gesamtimpulsantwort
kürzer als die vorgegebene Länge des Guard-Intervalls zu halten. In der Literatur wird dieser
Entzerrer häufig als ‚time-domain eqalizer‘ (TEQ) bezeichnet. Der adaptive FIR-Filter am
Empfängereingang spielt eine äußerst entscheidende Rolle für die Leistungsfähigkeit des
DMT-Systems. Trotz großer Anstrengungen und zahlreicher Publikationen auf diesem Gebiet
ist die Einstellung der Filterkoeffizienten jedoch weiterhin sehr aufwendig. So scheint der
Zeitbereichsentzerrer die kritischste Komponente des Übertragungssystems zu sein.
4.2.3
DFT
Das zeitdiskrete Empfangssignal r[k] wird zur Entnahme eines Blocks seriell/parallel
umgesetzt. Die Symbole des Guard-Intervalls werden entfernt, und nur die 2·D reellwertige
gelieferten Empfangsdaten werden weiterverarbeitet. Nun transformiert die DFT 2·D reelle
Abtastwerte in D komplexe Symbole.
22
4.2.4
Demapping
Jedes Nutzsignale diese D komplexe Teilkanäle wird entsprechend mit einem komplexen
Faktor skaliert das entspricht einer Frequenzbereichsentzerrung. Es ist einfacherer jedes
individuell Nutzsignal Einzel zu verstärken oder abzuschwächen und die
Entscheidungsschwellen konstant zu halten. Das ATU-C besitzt D=32 Kanäle, da es nur
wenig Information von dem Teilnehmer erhält. Das ATU-R kann bis zu 8Mbit/s empfangen
und benutzt somit auch D=256 Kanäle. Anschließend werden sie dem Schwellwertentscheider
zugeführt. Bei Systemen mit Trelliscodierung ist statt des Schwellwertentscheiders ein
Viterbi-Decodierer einzusetzen. Durch inverses Mapping wird wir für jeden der D Teilkanäle
aus der entsprechenden QAM-Konstellation, die binäre Information wiedergewonnen. Diese
wird wieder auf zwei verschiedenen Pfaden seriell ausgegeben.
4.2.5
Decodierung
Auf diesen zwei verschiedenen Pfaden werden durch die Codierung Fehler erkannt und
wenn möglich korrigiert. Je nachdem wie der ADSL-Sender die Information codiert hat, wird
dazu nur ein Pfad oder werden die beiden Pfade gleichzeitig benutzt. Die kleinsten
Bitfehlerraten werden erreicht, wenn über beide Pfade decodiert wird.
Anschließend werden die einzelnen Datenpakete wieder zusammengeführt und im
Ausgangspuffer zwischengespeichert. Dort wird die Bitfolge für die Weitergabe an andere
Geräte, wie z.B. PC oder Vermittlungsstelle, umgesetzt.
4.3 Aufbau einer Verbindung
Ein ADSL-Modem (ATU-R) ist, nachdem man es ordnungsgemäß an die
Teilnehmeranschlußleitung angeschlossen hat, dauernd mit dem ATU-C in der
Vermittlungsstelle verbunden. Anders ist es bei einem herkömmlichen Modem, wo bei jeder
Benutzung, über das Telefonnetz in der Vermittlungsstelle, eine neue Verbindung zum
gegenüberliegenden Modem geschaltet wird.
Möchte man nun bei ADSL Daten übertragen, werden beide Modems (ATU-R und ATUC) eingeschaltet, die physikalische Verbindung zwischen beiden besteht ja bereits. Nach einer
Initialisierungsphase können dann die gewünschte Daten übertragen werden. Ist die
Datenübertragung beendet und wird sie eine Weile nicht benutzt, so wird die Verbindung
abgebrochen, das heißt, die Modems werden ausgeschaltet, der Anschluß an die
Teilnehmeranschlußleitung bleibt bestehen. Die Modems werden jedoch nicht vollständig
abgeschaltet sondern sie befinden sich in einen „standby“ Zustand und warten drauf, entweder
vom anderen Modem oder vom eigenen Rechner ein Signal zu bekommen, um sich
einzuschalten.
Die Aktivierung eines ADSL-Modems besteht im Grunde aus vier verschiedenen Phasen,
in Abbildung 4.3 sind diese zu erkennen. Die einzelnen Phasen werden anschließend einzeln
erklärt
23
Phase 1
Phase 2
Aktivierung und
QUITTIERUNG
Phase 3
Training
Kanal bestimmen
Phase 4
Austausch der
KANALPARAMETER
Zeit
Abbildung 4.3 : Initialsierungsphasen eines ADSL-Modems
Ist die Verbindung aufgebaut und initialisiert, wird sie während der gesamten
Übertragungsdauer überwacht. Sollte sich der Kanal ändern, z.B. mehr Störungen auftreten
oder auch weniger, wird sofort die Leistungsaufteilung und die Signalkonstellationen an die
neuen Bedingungen angepaßt. So ist es möglich, immer die maximale Daterate bei einer
gleichbleibend sehr kleinen Bitfehlerrate zu erhalten. Dieses wird anschließend noch genau
erklärt.
4.3.1 Aktivierung und Quittierung
Wie bereits erwähnt, besteht dauernd eine physikalische Verbindung zwischen den beiden
Modems. Ist das ATU-C in der Vermittlungsstelle betriebsbereit, sendet es ein Signal namens
C-QUIET1. Dieses ist ein bestimmter Unterträger auf welchem ein definierte Symbolfolge
gesendet wird. Möchte man das ATU-R auf der Teilnehmerseite benutzen, so sendet dieses
bei empfangen des C-QUIET1 Signal zuerst ein R-ACT-REQ Signal auf Kanal 8 oder bei
ISDN auf Kanal 42 aus. Der ACTivation REQuest wird vom ATU-C mit einem C-ACTx
Signal bestätigt. Das C-ACTx Signal ist eins von vier verschiedenen Signalen mit je
unterschiedlicher Bedeutung. Durch die Auswahl eines dieser vier Signale wird bereits die
erste Einstellung vorgenommen. Das ATU-R bestätigt dies mit einem R-ACT1 oder R-ACT2.
So wird ausgewählt, wie sich die Modems anschließend synchronisieren. Ebenfalls wird durch
die Wahl des Kanals, mit welchem das Signale R-ACTx übertragen wird, festgelegt ob ein
normales analoges Telefon oder ISDN benutzt wird.
Ist das ATU-C an der Vermittlungsstelle anfangs noch nicht betriebsbereit so sendet es das
Signal C-TONE auf Kanal 72 aus. Das ATU-R auf der Teilnehmerseite seinerseits sendet das
Signal R-QUIET1 aus, um zu signalisieren, daß es betriebsbereit ist und eine Verbindung
aufbauen möchte. Nach einer Wartezeit von etwa 60 Sekunden sendet das ATU-R erneut
einen R-ACT-REQ. Dieses wird dann jeweils alle 60 Sekunden wiederholt, bis der
Verbindungsaufbau erfolgen kann.
24
4.3.2 Training
In der Trainingsphase werden die beiden Modems synchronisiert. Dies wird aus der zuvor
erhaltenen Information mit Hilfe von Laufzeitmessungen durchgeführt. Die Leistung der am
ATU-C ankommenden Signale werden gemessen. Nach einer Tabelle werden aus diesen
Werten die Leistung der gesendeten Trainingssignale ermittelt. Nun wird über jeden einzelnen
der 256 Kanäle eine Pseudozufallsfolge mit einer bekannten Konstellation und Leistung
gesendet. Die Kanäle 1 bis 4 werden nicht benutzt, da sich dort vielleicht ein analoges Telefon
befinden könnte. Die Kanäle 5 bis 17 werden mit kleiner Leistung ausgemessen. Wird
angenommen, daß ISDN benutz wird, werden die Kanäle 1 bis 31 nicht ausgemessen.
Anschließend sendet auch das ATU-R über die entsprechenden Kanäle eine
Pseudozufallsfolge mit einer bekannten Konstellation und mit einer definierten Leistung.
Wird POTS benutzt, werden nur die Kanäle 5 bis 31 ausgemessen, wobei die Kanäle 5 bis 17
wiederum mit kleiner Leistung ausgemessen werden. Wurde jedoch vereinbart, daß ISDN
benutzt wird, so werden nur die Kanäle 32 bis 63 ausgemessen.
4.3.3 Kanal bestimmen
Nun werden die ersten richtigen Daten über verschiedene Kanäle gesendet. Diese werden
als 4 QAM gesendet mit maximaler Leistung. Zuerst sendet das ATU-C seine Einstellungen
für den Downstream. Beginnend mit der Einstellung des RS Codierers gefolgt von denen des
Interleavers sowie welcher Codierungsweg (1 oder 2) benutzt wird.
Anschließend wird angegeben, welche CRC Codierung verwendet wird und wie groß der
SNR ist. Desweitern wird angegeben, ob eine Trelliscodierung sowie ein Echounterdrückung
benutzt wird. Alle diese Daten werden benötigt, um das Modem richtig zu konfigurieren.
Der ATU-R sendet nun seinerseits seine Einstelldaten für den Upstream zum ATU-C.
Diese Werte können die gleichen wie beim ATU-C sein. Es ist jedoch auch möglich, daß je
nach äußeren Einflüssen diese Werte ganz verschieden sind.
4.3.4 Austauschen der Kanalparameter
Nachdem die Modems konfiguriert sind, werden nun die Einstellungen der einzelnen
Übertragungskanäle übertragen. Das ATU-C an der Vermittlungsstelle berechnet aus dem in
der Trainingsphase erhaltenen Leistungsdichtespektrum und SNR, für jeden einzelnen der bis
zu 31 Kanäle die größtmögliche Übertagungsbitrate. Ist der Signal-Störabstand auf einem
Kanal groß, so ist eine hohe Übertragungsrate möglich, das ATU-C wählt dann eine höhere
QAM-Konstellation aus. Ist der SNR klein, können nur wenige Bits übertragen werden, das
Modem wählt eine niedrige QAM-Konstellation aus. Ist der SNR auf einem Kanal zu
schlecht, kann es auch möglich sein, daß auf diesem dann keine Daten übertragen werden.
Das ATU-R berechnet nun nach dem gleiche Schema die Konstellation für den
Downstream, nur mit dem Unterschied, daß dies bis zum Kanal 256 erfolgen kann. Das so
gesendete Signal besteht aus den Kanalnummer gefolgt jeweils von der Anzahl der
Signalpunkte und einem Skalierungsfaktor für die Begrenzung der Leistung für jeden Kanal.
25
4.3.5 Online Anpassung und Rekonfigurierung
Während der Datenübertragung wird der Kanal dauernd überwacht. Der im Modem
empfange Datenstrom besteht jeweils aus einem „Header“ und den Nutzdaten. In diesem
Header wird jeweils Information über den Zustand des Kanals in beiden Richtungen
(Upstream und Downstream) mitgeliefert. Verschlechtert oder verbessert sich der Kanal,
erkennbar an der empfangen Bitfehlerrate des jeweiligen Kanals, teilt ein Modem automatisch
dem anderen mit, daß es sinnvoll ist, die Konstellation zu ändern oder die Leistung
nachzuregeln.
Um Fehler zu vermeiden, wird fünf mal in Folge eine Anforderung gesendet, um die
Kanalparameter zu ändern. Wenn der Empfänger nicht wenigstes drei mal die gleiche
Aufforderung nacheinander erhält, wird diese ignoriert, ansonsten wird die Änderung
bestätigt. Mit der Bestätigung wird ebenfalls angegeben, wann die Änderung erfolgt. Erfolgt
keine Bestätigung, werden auch keine Änderungen vorgenommen. Nach einer bestimmten
Zeit wird die gleiche Anforderung wiederholt.
Der Befehl im „Header“ gibt an, welche Änderung erfolgen soll und welcher Kanal
betroffen ist. Es gibt die Möglichkeit, die Leistung um ein, zwei oder drei Dezibel zu erhöhen
oder um ein oder zwei Dezibel zu erniedrigen. Die Signalkonstellation kann jeweils um eins
erhöht oder auch erniedrigt werden.
26
Versuchsdurchführung Teil I
Versuchsdurchführung
Teil I
VERSION 1.2
Okt. 2004
27
5
5.1 Dämpfungsmessung mit dem breitbandigen Rauschgenerator
Mit dem breitbandigen Rauschgenerator wird ein Frequenzspektrum erzeugt, das ein
annähernd konstantes Amplitudenspektrum im Frequenzbereich von 20Hz bis 6MHz besitzt.
Um Masseschleifen zu vermeiden, wird dieses Signal mit Hilfe eines Übertragers in das
Teilnehmeranschlußkabel eingekoppelt. Am Ausgang des Kabels wird das nun gedämpfte und
störbehaftete Signal mit einem weiteren Übertrager ausgekoppelt und dem
erdunsymmetrischen Spektrumanalysator zugeführt. In Abbildung 5.1 ist der genaue
Versuchsaufbau zu erkennen. An dem Rauschgenerator wird ein Ausgangssignal mit 0dB bei
einer Bandbreite von 5MHz eingerstellt.
Abbildung 5.1: Versuchsaufbau mit dem Rauschgenerator
Um nun das Spektrum besser auswerten zu können, benutzt man das digitale EchtzeitOszilloskop Tektronix TDS 220 mit dem Erweiterungsmodul TDS2MM. Dieses ist in der
Lage, aus dem eingespeisten Zeitsignal mit Hilfe der FFT ein Frequenzspektrum zu erzeugen
und anzuzeigen. Letzteres wird über die serielle Schnittstelle an einen PC weitergeleitet. Mit
Hilfe des PCs kann man dieses Frequenzspektrum beliebig bearbeiten und anschließend die
Ergebnisse ausdrucken.
Um nun die Messungen durchzuführen, startet man das Programm VERSUCH.M in der
MATLAB-Umgebung.
28
Abbildung 5.2
Unter dem Menüpunkt Einstellungen, kann man verschiedene Einstellungen vornehmen:
Abbildung 5.3
Für diesen Teilversuch werden nur folgende Einstellungen benötigt:
COM-Port :
Hier gibt man an, an welches COM-Port das Oszilloskop
angeschlossen wurde.
Anzahl der Messungen :
Hier gibt man an, wie viele Meßreihen durchgeführt werden
sollen, um anschließend das Ergebnis zu mitteln.
Anzahl der Kabelabschnitte : Hier gibt man an, wie viele Kabelabschnitte ausgemessen
werden sollen. Möchte man z.B. 1 km Kabel ausmessen, so muß
man Abschnitte=2 einstellen. Der erste Abschnitt beinhaltet nur
die beiden Übertrager, der zweite das Kabel und die Übertrager.
29
Nachdem die Einstellungen vorgenommen wurden, kann man die Meßreihe starten, indem
man auf die Schaltfläche „Dämpfungsmessung des Kabels mit dem Rauschgenerator“ drückt.
Anschließend kann man auswählen, ob man eine neue Messung durchführt oder ob man sich
die vorherigen gemessenen Werte noch einmal ansieht.
Abbildung 5.4
Wählt man „Berechnen der vorherigen Leitungsabschnitte“, so werden diese grafisch
angezeigt. Wählt man „Ausmessen und berechnen mehrere Leitungsabschnitte“, öffnet sich
ein DOS-Fenster, in dem man aufgefordert wird, das Kabel anzuschließen und anschließend
eine Taste zu drücken. Je nachdem, wie viele Abschnitte man ausmessen möchte, wird dies
entsprechend oft wiederholt.
Abbildung 5.5
Erst nachdem die Messung beendet ist, darf man den Ok-Knopf drücken. Ein neues Fenster
mit der grafischen Ausgabe der Messung wird geöffnet. Die Grafik kann man nun ausdrucken
oder mit Hilfe der Zwischenablage in ein entsprechendes Dokument einbinden.
30
5.2 Dämpfungsmessung mit dem Frequenzgenerator
Da man für den Dämpfungsverlauf eine Darstellung der Spannung als Funktion der
Frequenz benötigt, ein gewöhnliches Oszilloskop aber nur die Spannung als Funktion der Zeit
liefert, muß der Meßaufbau anders gestaltet werden. In Abbildung 5.6 ist die neue Anordnung
abgebildet. Mit einem steuerbaren Funktionsgenerator misst man für verschiedene Frequenzen
die Eingangs- und Ausgangsspannung des Kabels. Ein Sinussignal einer bestimmten Frequenz
wird mit einem Übertrager in das Kabel eingekoppelt. Um Massenschleifen zu vermeiden,
wird das Ausgangssignal über einen weiteren Übertrager ausgekoppelt und dem Meßgerät
zugeführt.
Abbildung 5.6 : Versuchsaufbau mit dem Frequenzgenerator
Mit dem Programm ST PC Control Utility werden die Parameter für das Programm
ermittelt. An Ausgang 1 der Meßkarte stellt man eine Ausgangsspannung von 0V ein, der
Funktionsgenerator muß gemäß Tabelle 5.1 eingestellt werden.
Tabelle 5.1: Einstellungen am Funktionsgenerator HP 3312A.
Range Hz
Frequency Dial
Funktion
SYM
Amplitude
Amplitude Vernier
Trigger Phase
Modulation
Other Mod Setting
100k
Manuel einstellen
~
CAL
10V
CV
Free run
All buttons out
Any
Nun wird eine Frequenz von ca. 1,4 MHz mit dem Drehknopf „ Frequency Dial“
eingestellt. Diese Frequenz sollte man sich als Variable fstop notieren werden, und darf
während der ganzen Versuchsdurchführung nicht mehr verändert werden.
Anschließend wird mit dem ST PC Control Utility Programm nun die kleinst mögliche
Spannung eingestellt, bei welcher noch ein sauberes Sinussignal mit dem Oszilloskop zu
erkennen ist. Diese Spannung soll zwischen –2,4 und –1,6V liegen. Diese Spannung soll man
31
sich als Variable offset notieren werden, die dazugehörige Frequenz soll ebenfalls als
Variable fstart notieren werden,
Als Spannungen werden die Werte benutzt, die man in den PC eingibt, Das Programm
arbeitet mit den gleichen Werten, man erzielt also die gleichen Resultate unabhängig von den
Toleranzen der Meßkarte und des Funktionsgenerators. Diese Werte brauchen also nicht
gemessen zu werden.
Die Frequenzen hingegen werden am besten mit dem digitale Echtzeit-Oszilloskop
Tektronix TDS 220 gemessen. Dazu geht man wie folgend vor:
1. Man drückt zuerst die Taste AUTOSET.
Das Oszilloskop legt die vertikalen, horizontalen und die Triggereinstellungen automatisch
fest.
2. Drücken Sie die Taste MESSUNGEN, um das Menü für Messungen aufzurufen.
3. Drücken Sie die obere Menütaste, um Quelle auszuwählen.
4. Wählen Sie für die ersten zwei Messungen CH1 und für die dritte und vierte
Messungen CH2 aus.
5. Drücken Sie die obere Menütaste, um Type auszuwählen.
6. Drücken Sie die zweite Menütaste CH1, um Freq. auszuwählen.
Die gemessene Frequenz wird im Menü angezeigt und regelmäßig aktualisiert.
Die Parameter für diesen Versuchsteil sind jetzt bestimmt, und das Programm kann
gestartet werden. In Abbildung 5.7 werden die Parameter dargestellt.
Abbildung 5.7 : Spannungsfrequenz Abhängigkeit des Funktionsgenerators
MATLAB-Umgebung.
32
Abbildung 5.8
Abbildung 5.9
COM-Port :
Anzahl der Frequenzmesspunkte : Hier gibt man an, bei wievielen Frequenzen jeweils
Messungen durchgeführt werden.
Anzahl der Kabelabschnitte :
Hier gibt man an, wieviel Kabelabschnitte ausgemessen
werden sollen. Möchte man z.B. 1 km Kabel ausmessen,
33
so muß man Abschnitte=2 einstellen. Der erste Abschnitt
beinhaltet nur die beiden Übertrager, der zweite das Kabel
und die Übertrager.
Anzahl der Werte, über welche gemittelt wird :
Hier gibt man an, wieviel Messungen bei
einer Frequenz durchgeführt werden, mit welchen der
Mittelwert gebildet wird.
Startfrequenz des Wobblers:
Hier gibt man die Frequenz an, bei der die Messungen
beginnen sollen: fstart.
Stopfrequenz des Wobblers:
Hier gibt man die Frequenz an bei der die Messungen
beendet werden sollen: fstop.
Offset des Funktionsgenerators :
Hier gibt man den Offset des Funktionsgenerators an :
offset
Nachdem die Einstellungen vorgenommen wurden, kann man die Meßreihe starten, indem
man auf die Schaltfläche „Dämpfungsmessung des Kabels mit dem Funktionsgenerator“
drückt. Anschließend kann man auswählen, ob man eine neue Messung durchführt oder ob
man sich die vorherigen gemessenen Werte noch einmal ansieht.
Abbildung 5.10
Wählt man „Berechnen der vorherigen Leitungsabschnitte“, so werden diese grafisch
angezeigt. Wählt man „Ausmessen und berechnen mehrere Leitungsabschnitte“, öffnet sich
ein DOS-Fenster, in dem man aufgefordert wird, das Kabel anzuschließen und anschließend
eine Taste zu drücken. Je nachdem wieviele Abschnitte man ausmessen möchte, wird dies
entsprechend oft wiederholt.
Abbildung 5.11
34
Erst nachdem die Messung beendet ist, darf man den Ok-Knopf drücken. Ein neues Fenster
5.3 Messen des Störbelags einer bestehenden Telefonleitung
Der Störbelag auf einer bestehenden Teilnehmeranschlußleitung wird mit der Schaltung
nach Abbildung 5.12 ausgemessen. Als Kabel wird eine quer über das Uni-Gelände
geschaltete Ringleitung benutzt. Der dort gemessene Störbelag entspricht der Realität. Die
Störungen werden durch ISDN- und POTS- Telefongespräche, die auf dem Unigelände
geführt werden, erzeugt.
Abbildung 5.12 : Versuchsaufbau für die Störbelagmessung
Um Probleme mit Masseeinkopplungen zu vermeiden, wird ein Übertrager zwischen das
Kabel und den Spektrumanalysator geschaltet. Mit dem Spektrumanalysator wird nun das
Spektrum von 0 bis 1,2MHz ausgemessen. Auch hierzu wird das digitale Echtzeit-Oszilloskop
Tektronix TDS 220 mit dem Erweiterungsmodul TDS2MM benutzt. Dieses ist über die
serielle Schnittstelle mit dem Rechner verbunden. Das Programm auf dem Rechner steuert das
Oszilloskop. Anschließend werden die Meßwerte zum PC übertragen, der diese graphisch
anzeigt.
MATLAB-Umgebung.
35
Abbildung 5.13
Abbildung 5.14
COM-Port :
Anzahl der Messungen :
Hier gibt man an, wieviele Meßreihen durchgeführt werden
sollen, am anschließend das Ergebnis zu mitteln.
Nachdem die Einstellungen in vorgenommen wurden, kann man die Meßreihe starten, indem
man auf die Schaltfläche „Störbelagsmessung der Telefonleitung“ drückt. Anschließend kann
36
man auswählen, ob man eine neue Messung durchführt oder ob man sich die vorherigen
gemessenen Werte noch einmal ansieht.
Abbildung 5.15
Wählt man „Berechen der vorherigen Leitungsabschnitte“, so werden diese grafisch angezeigt.
Wählt man „Ausmessen und Berechnen mehrere Leitungsabschnitte“ öffnet sich ein DOSFenster, in dem man aufgefordert wird, das Kabel anzuschließen und anschließend eine Taste
zu drücken.
Abbildung 5.16
Erst nachdem die Messung beendet ist, muß man den Ok-Knopf drücken. Ein neues Fenster
37
Versuchsdurchführung Teil II
Versuchsdurchführung
Teil II
VERSION 1.2
Okt. 2004
38
6 Versuchsdurchführung Teil II
Leuchtdioden des Modems:
LAN LINK leuchtet
: Netzwerkverbindung 10BASE-T ist vorhanden
TX
blinkt
: Daten werden gesendet
RX
blinkt
: Daten werden empfangen
COL blinkt
: Kollision wurde entdeckt
ADSL SYNC leuchtet nicht : ADSL Leitung unterbrochen
blinkt
: Verbindung wird aufgebaut
leuchtet
: Verbindung ist betriebsbereit
TX
blinkt
: Daten werden gesendet
RX
blinkt
: Daten werden empfangen
MAR leuchtet
: SNR Margin ist groß genug um eine Daten zu
übertragen (BER < 10E-7)
6.1 Messen der Bitrate bei verschiedenen Kabellängen und
Kabelquerschnitten
Oszilloskop
RS 232
UNI
ATU-
ATU-
Schwarzes Kabel
nicht gekreuzt
RS 232
Kabel 6 x 2 x 0,6 St III BD
Abbildung 6.1
-
Modems nach Abbildung 6.1 anschließen (ohne Oszilloskop).
Terminal Programm starten (z.B. Hyper Terminal) .
Folgende Einstellungen : 19200,8N1,no flow control ; (Megabit Modem User Manual
Seite 10)
Terminal :ANSI
39
Gelbes
Kabel
Nach dem die Verbindung aufgebaut ist:
-
„Spacebar“ mehrere male drücken bis man sich Einlogen kann.
Paßwort eingeben: nur Enter drücken(falls noch kein Paßwort eingegeben wurde).
„ADSL Menu“ auswählen durch drücken der Taste „2“.
„ADSL Performence Status“ auswählen durch drücken der Taste „1“.
Tabelle aufstellen für 0-8km (in 1km Schritten) für jeden Kabelquerschnitt.
Kabel : 6 x 2 x 0,6 St III BD
0km
Up
1km
down Up
2km
down up
3km
down up
5km
up
6km
down Up
7km
down up
7,5km
down up
down
down
4km
up
down
8km
Up
Na
down
Na
Na
Na
Na
Na
SNR Margin
(dB)
Line Attn (dB)
Data Rate
(kbps)
SNR Margin
(dB)
Line Attn (dB)
Data Rate
(kbps)
-
Die Kennlinie LINE ATTN(dB) / Kabellänge sowie, die Kennlinie DATA RATE (kbps) /
Kabellänge aufzeichnen.
Vergleich der Kennlinien für verschiedenen Querschnitte.
Diskussion der Ergebnisse.
Das Kabel kann während den Messungen umgesteckt werden (Kurzschließen der
Signalleitung vermeiden!!) . Die Modems bleiben dauernd eingeschaltet. Nachdem die
Verbindung neu errichtet worden ist, dauert es ca. 60 Sekunden bis die neue Leitung
ausgemessen und initialisiert ist, dies erkennt man an der an der Leuchtdiode „SYNC“ die nun
leuchtet oder am Terminal unter „ADSL Performance Status“ findet man den Eintrag „Data“
bei „System State“.
Nun können die neuen Werte ausgelesen werden.
Im „ADSL Menu“ kann man mit Hilfe des „ADSL Link RESET“ das Ausmessen der Leitung
neu erzwingen.
40
-
-
Mit Hilfe des Oszilloskop kann das Spektrum auf der Leitung untersucht werden (Durch
den Anschluß des Oszilloskop wird die Leitung stärker gedämpft, die Datenrate ändert
sich geringfügig).
Die verschiedenen Spektren können mit dem MATLAB-Programm VERSUCH.M in den
Rechner eingelesen werden und anschließend ausgedruckt werden.
6.2 Aufbau einer Verbindung
Oszilloskop
RS 232
UNI
ATU-
ATUGelbes
Kabel
Schwarzes Kabel
nicht gekreuzt
RS 232
Abbildung 6.2
- Modems nach Abbildung 6.2 anschließen.
Durch kurzzeitiges auftrennen der Leitung wird erzwungen daß die Verbindung neu aufgebaut
wird, oder durch drücken der Taste „6“ im „ADSL Menu“ wird ein „ADSL Link Reset“
durchgeführt.
Im „ADSL Performance Status“ Menü erkennt man den aktuellen Zustand des Systems.
SYSTEM STATUS :
ACK
TRAIN
CHANA
EXCH
DATA.
41
Am Oszilloskop kann das Spektrum der einzelnen Phasen genau betrachtet werden.
Phase 1 :
ACK bei 34,5kHz erkennt man den ACK Impuls der gesendet wird.
Phase 2 :
TRAIN man erkennt die einzelnen Kanäle die ausgemessen werden.
Upstream und Downstream nacheinander .
Phase 3 :
CHANA die höchstmögliche Bitrate für jeden einzelnen Kanal wird ermittelt.
Phase 4 :
EXCH
Information wird ausgetauscht.
Waren diese 4 Phasen erfolgreich werden anschließend die Daten übertragen.
!!! Man erkennt den doppelt benutzten unteren Bereich und den oberen Frequenzbereich der
nur für den Downstream benutzt wird .
6.3 Beeinflussung von externen Störungen
Oszilloskop
RS 232
UNI
ATU-
ATUGelbes
Kabel
Schwarzes Kabel
nicht gekreuzt
RS 232
1.1.1.5.1 Kabel
6 x 2 x 0,6
Externe Störung
Generator
Abbildung 6.3
A. Beeinflussung durch den breitbandigen Rauschgenerator
-
Modempaar wie in Abildung Abbildung 6.3 anschließen (1km).
Breitbandigen Rauschgenerator an das zweite Adernpaar anschließen.
Störung mit einer Bandbreite von 110kHz einschalten.
42
-
Stufenweise Veränderung der Störleistung von –40dB bis 0dB,
Nach jeder Änderung am Terminal-Programm einen „ADSL Link Reset“ durchführen.
Während der Messung das Oszilloskop abtrennen.
Einspeisung beim ATU-C
N (dB)
-40
SNR Margin
..
(dB)
DATA RATE
..
(kbps)
Einspeisung beim ATU-R
N (dB)
-40
SNR Margin
..
(dB)
DATA RATE
..
(kbps)
-
.....
....
0
....
..
....
....
-35
..
.....
....
0
....
..
....
....
Störung mit einer Bandbreite von 6MHz einschalten.
Stufenweise Veränderung der Störleistung von –40dB bis 0dB,
Nach jeder Änderung am Terminal-Programm einen „ADSL Link Reset“ durchführen.
Einspeisung beim ATU-C
N (dB)
-40
SNR Margin
..
(dB)
DATA RATE
..
(kbps)
Einspeisung beim ATU-R
N (dB)
-40
SNR Margin
..
(dB)
DATA RATE
..
(kbps)
-
-35
..
-35
..
.....
....
0
....
..
....
....
-35
..
.....
....
0
....
..
....
....
Kennlinie zeichnen 1mal für 110kHz und 1mal für 6Mhz.
Unterschiede zwischen FEXT und NEXT ausdiskutieren, anhand der Kennlinien.
B. Beeinflussung durch den Funktionsgenerator
-
Modempaar wie in Abbildung 6.3 anschließen.
Funktionsgenerator an das zweite Adernpaar anschließen; einmal rechte Seite und einmal
linke Seite.
Oszilloskop mit dem ersten Adernpaar verbinden.
Eine Sinusschwingung von etwa 100kHz und 800kHz mit maximaler Amplitude
einstellen(Wenn Verbindungsaufbau nicht möglich ist, Frequenz geringfügig verstellen
und noch mal probieren).
43
-
-
Am Terminal-Programm einen „ADSL Link Reset“ durchführen.
Neue Datenrate und SNR Margin ermitteln.
sich geringfügig).
Unterschiede zwischen FEXT und NEXT ausdiskutieren, anhand der verschiedenen
Spektren.
6.4 Beeinflussung durch ein weiteres ADSL-Modem
UNI
ATU-
ATUGelbes
Kabel
Schwarzes Kabel
nicht gekreuzt
RS 232
1.1.1.7.1 Kabel
6 x 2 x 0,6
ATU-
ATU-
Abbildung 6.4
- Nur erstes Modempaar nach Abbildung 6.4 anschließen ,(3km Kabel) ,( ohne Osziloskop).
- ATU-C mit der RS-232 Schnittstelle mit dem Terminal verbinden.
3 mal messen und Mittelwert bilden .
Downstream Upstream
SNR MARGIN
LINE ATTN
DATA RATE
-
Zweites Modempaar nach Abbildung 6.4 anschließen, Up- und Downstream Richtung
beachten Datenübertragung ist nicht notwendig.
Erstes ATU-C mit der RS-232 Schnittstelle mit dem Terminal verbinden.
44
Erstes Modempaar.
Downstream Upstream
SNR MARGIN
LINE ATTN
DATA RATE
-
Zweites ATU-C mit der RS-232 Schnittstelle mit dem Terminal verbinden.
Datenübertragung ist nicht notwendig.
Zweites Modempaar.
Downstream Upstream
SNR MARGIN
LINE ATTN
DATA RATE
UNI
ATU-
ATUGelbes
Kabel
Schwarzes Kabel
nicht gekreuzt
RS 232
1.1.1.9.1 Kabel
6 x 2 x 0,6
ATU-
ATU-
Abbildung 6.5
-
Zweites Modempaar nach Abbildung 6.5 anschließen, Up- und Downstream Richtung
beachten diesmal andersherum !!!!!! .
Erstes ATU-C mit der RS-232 Schnittstelle mit dem Terminal verbinden.
Erstes Modempaar.
Downstream Upstream
SNR MARGIN
LINE ATTN
DATA RATE
-
Zweites ATU-C mit der RS-232 Schnittstelle mit dem Terminal verbinden.
45
Zweites Modempaar.
Downstream Upstream
SNR MARGIN
LINE ATTN
DATA RATE
- Vergleich der Ergebnisse.
6.5 Betrieb des Modems über eine reale Teilnehmeranschlußleitung
Oszilloskop
RS 232
UNI
ATU-
ATU-
Schwarzes Kabel
nicht gekreuzt
RS 232
Gelbes
Kabel
Abbildung 6.6
-
-
Modempaar nach Abbildung 6.6 anschließen.
ATU-C mit der RS-232 Schnittstelle mit dem Terminal verbinden.
sich geringfügig).
Durch Vergleich mit den vorherigen Aufgaben soll die ungefähre Länge der
Teilnehmeranschlußleitung ermittelt werden.
46

ADSL-Datenübertragung

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