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Inhaltsverzeichnis 0 ADSL-Datenübertragung Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung.......................................................................................................................................... 1 1.1 Analoges Modem ........................................................................................................................ 1 1.2 ISDN............................................................................................................................................ 1 1.3 xDSL-Technologie ...................................................................................................................... 2 2 Kurze Einführung in ADSL............................................................................................................ 3 2.1 ADSL als leistungsfähige Modemtechnik ................................................................................. 3 2.2 Koexistenz von ADSL und POTS............................................................................................... 4 2.3 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

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Inhaltsverzeichnis

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ADSL-Datenübertragung

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung.......................................................................................................................................... 1

1.1 Analoges Modem ........................................................................................................................ 11.2 ISDN............................................................................................................................................ 11.3 xDSL-Technologie...................................................................................................................... 2

2 Kurze Einführung in ADSL............................................................................................................ 3

2.1 ADSL als leistungsfähige Modemtechnik ................................................................................. 32.2 Koexistenz von ADSL und POTS............................................................................................... 42.3 Effiziente Nutzung der Teilnehmeranschlußleitung ................................................................ 5

3 Die Teilnehmeranschlußleitung...................................................................................................... 7

3.1 Aufbau ......................................................................................................................................... 73.1.1 Nebensprechen...................................................................................................................... 73.1.2 Verzerrung ............................................................................................................................ 83.1.2.1 Lineare Verzerrungen ..................................................................................................... 83.1.2.2 Nichtlineare Verzerrungen ............................................................................................. 93.1.2.3 Additive Störungen......................................................................................................... 93.2 Übertragung digitaler Signale über die Teilnehmeranschlußleitung .................................... 103.2.1 Digitale Modulation ............................................................................................................ 103.2.1.1 Quadratur Amplituden Modulation .............................................................................. 123.3 Informationstherorie ................................................................................................................ 133.3.1 Informationsübertragung..................................................................................................... 133.3.2 Kanalcodierungs-Theorem (Shannon 1948) ....................................................................... 143.3.3 Kanalkapazität..................................................................................................................... 14

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Inhaltsverzeichnis

1

4 Aufbau eines ADSL-Modems mit DMT-Modulation................................................................. 19

4.1 Sender ....................................................................................................................................... 194.1.1 Synchronisierung ................................................................................................................ 204.1.2 Kanalcodierung ................................................................................................................... 204.1.3 Partitionierung und Symbol-Konstellation (Mapping) ....................................................... 204.1.4 Inverse Fouriertransformation IDFT................................................................................... 214.1.5 Ausgangsstufe ..................................................................................................................... 214.2 Empfänger ................................................................................................................................ 214.2.1 Eingangsstufe ...................................................................................................................... 224.2.2 Zeitbereichsentzerrer........................................................................................................... 224.2.3 DFT ..................................................................................................................................... 224.2.4 Demapping .......................................................................................................................... 234.2.5 Decodierung........................................................................................................................ 234.3 Aufbau einer Verbindung ........................................................................................................ 234.3.1 Aktivierung und Quittierung............................................................................................... 244.3.2 Training............................................................................................................................... 254.3.3 Kanal bestimmen................................................................................................................. 254.3.4 Austauschen der Kanalparameter ....................................................................................... 254.3.5 Online Anpassung und Rekonfigurierung........................................................................... 26

5 Versuchsdurchführung Teil I ....................................................................................................... 28

5.1 Dämpfungsmessung mit dem breitbandigen Rauschgenerator .......................................... 285.2 Dämpfungsmessung mit dem Frequenzgenerator ............................................................... 315.3 Messen des Störbelags einer bestehenden Telefonleitung ................................................... 35

6 Versuchsdurchführung Teil II...................................................................................................... 39

6.1 Messen der Bitrate bei verschiedenen Kabellängen und Kabelquerschnitten.................. 396.2 Aufbau einer Verbindung....................................................................................................... 416.3 Beeinflussung von externen Störungen ................................................................................ 42A. Beeinflussung durch den breitbandigen Rauschgenerator...................................................... 42B. Beeinflussung durch den Funktionsgenerator......................................................................... 436.4 Beeinflussung durch ein weiteres ADSL-Modem................................................................. 446.5 Betrieb des Modems über eine reale Teilnehmeranschlußleitung...................................... 46

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Einleitung

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1 Einleitung

Um die immer größer werdenden Menge an zu transportierenden Daten zu bewältigen,braucht man immer schnelleren Datenverbindungen. Es gibt eine ganze Menge neuerSysteme, 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 stelltist, daß nicht jeder Teilnehmer an das Glasfasernetz angeschlossen werden kann, da ausfinanziellen Gründen eine Glasfaser nicht zu jedem Haushalt verlegt werden kann. Heuteversucht man vielmehr, das bestehende Teilnehmeranschlußnetz zu benutzen, um so zuvermeiden, daß neue Leitungen verlegt werden müssen.

Fast jeder Haushalt verfügt über einen Telefonanschluß. Dieses Übertragungsmedium kannalso fast jeder benutzen. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß man über das Telefonnetz dorthinwählen 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 wachsendenDatenvekehr zu bewältigen, gibt es die neue Datenübertragungstechnik xDSL. All dieseVerfahren haben eines gemeinsam: Sie benötigen die übliche zweiadrigeTeilnehmeranschlußleitung, 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 Sprachfrequezbereichvon 300Hz bis 3.4kHz benötigt. Bei den 1200/2400 Bit/s-Modems wurde eine einfachePhasendifferenzmodulation benutzt. Darauf folgten Modems mit 14400 und mit 28800 Bit/s.Um die heutigen Datenübertragungen des V.34-Standarts zu erreichen, werden ausgeklügelteVerfahren verwendet, wie trelliscodierte Modulation, Preshaping und Entzerrer. Dadurcherreicht man Übertragungsgeschwindigkeiten von 33600 Bit/s im Vollduplexbetrieb.Desweiteren gibt es die Möglichkeit, bis zu 56000 Bit/s im Downstream zu erreichen, beieiner gleichzeitigen Upstream-Geschwindigkeit von 33600 Bit/s. Dies ist im V.90 Standartfestgelegt.

1.2 ISDN

Bei einem ISDN-Telefonanschluß werden die analogen Sprachsignale bereits im ISDN-Telefon in digitale Daten umgewandelt. Diese digitalen Daten werden dann als ternäreSymbole (4B3T-Leitungscode) über die Telefonleitung übertragen. Ein ISDN-Endgerätbenötigt eine Bandbreite 0 bis 120 kHz. ISDN ermöglicht auf einer herkömmlichenKupferdoppelader zwei B-Kanäle (Nutzkanäle) mit je 64 kBit/s und ein Datenkanal mit 16kBit/s. So ist es möglich, über einen Kanal zu telefonieren und über den zweiten KanalInternet-Dienste zu nutzen. Über den dritten Datenkanal werden Steuerinformationen für denVerbindungsaufbau übertragen. Es ist auch möglich, beide B-Kanäle gleichzeitig zu benutzen.So erhält man eine Übertragungsrate von 128kBit/s.

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Einleitung

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Ab der Vermittlungsstelle arbeitet das gesamte deutsche Telefonnetz digital mit 64 kBit/spro Sprachkanal. Verfügt ein Teilnehmer noch über ein analoges Telefon, so werden diedigitalen Daten dort in analoge Signale umgewandelt und dem Teilnehmer zugeführt bzw.dessen analoge Signale digitalisiert. Dies gilt auch für die Signale analoger Modems. DerV.90-Standart nutzt nun diese D/A-Umsetzung des 64 kBit/s Datenstroms aus, um eineDownstream-Rate von 56kBit/s zu erreichen.

1.3 xDSL-Technologie

Alle xDSL-Technologien nutzen die höheren Frequenzbereiche bei der Übertragung überKabel aus. Über die Teilnehmeranschlußleitung kann man Frequenzen bis über 1 MHz ohnegroße Probleme übertragen, was allerdings zur Folge hat, daß aufgrund der Dämpfung dieLeitungslänge einen bestimmten Wert nicht überschreiten darf, damit die gewünschteÜbertragungsgeschwindigkeit erreicht werden kann. Je länger eine Leitung, desto kleiner dieDatenrate; bei steigender Datenrate muß die Leitung um so kürzer sein.

HDSL und SDSL werden ausschließlich auf den Strecken zwischen denVermittlungsstellen eingesetzt, teilweise unter Verwendung mehrerer Doppeladern.

ADSL und VDSL werden auf den Leitungen vom Endteilnehmer zur nächstenVermittlungsstelle oder Verteilerknoten verwendet (last mile).

Tabelle 1.1 : Überblick über die xDSL-Technologien

Technologie HDSL SDSL ADSL VDSLTheoretische max. Datenrate (Downstream)

1,544 Mbit/s1

2,048 Mbit/s1,544 Mbit/s2,048 Mbit/s

bis 8 Mbit/s bis 51,84 Mbit/s

Theoretische max. Datenrate (Upstream)

1,544 Mbit/s2,048 Mbit/s

1,544 Mbit/s2,048 Mbit/s

bis 1 MBit/s bis 2,3 Mbit/s

Maximale Leitungslänge bis 4 km bis 3 km bis 5,5 km bis 0,3 kmBenötigte Adernpaare 2 bei 1,544 Mbit/s

3 bei 2,048 Mbit/s1 1 1

Frequenzbereich /Bandbreite

bis ca. 240 kHz bis ca. 240 kHz bis ca. 1 MHz bis ca. 30 MHz

POTS oder ISDNim Basisband

nein nein ja ja

Anwendungen Ersatz fürT1-Leitungen

WAN/LAN,Ersatz für T1- undHDSL-Leitungen

InternetDatenübertragung

WAN/LANMultimedia, HTV

Bei VDSL ist die nutzbare Leitungslänge (0,3km) zu klein, um diese Technologie für alleTeilnehmer zu nutzen. Gegebenenfalls wird daran gedacht, VDSL nur zwischen denKabelverzweiger und dem Endteilnehmer einzusetzen. Im folgenden werden wir nur aufADSL eingehen, da wir ausschließlich die Datenübertragung über dieTeilnehmeranschlußleitung untersuchen. Die einzelnen Übertragungsraten sind in Tabelle 1.1zu erkennen.

1 1,544 Mbits/s : wird in den USA benutzt (T1)

2,048 Mbits/s : wird in Europa benutzt (ETSI)

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Einführung in ADSL

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2 Kurze Einführung in ADSL

2.1 ADSL als leistungsfähige Modemtechnik

ADSL ist eine neue leistungsfähige Modemtechnik. ADSL heißt Asymmetric DigitalSubscriber Line, asymmetrischer digitaler Teilnehmeranschluß. Das Wort asymmetrischbedeutet, daß man gleichzeitig eine hohe Datenrate zum Teilnehmer (Herunterladen-Downstream) und eine geringe Datenrate zur Vermittlungsstelle (Upstream) übertragen kann.Dieses System wurde ursprünglich für Video-On-Demand-Anwendungen entwickelt. Für dieheutige Internet-Anwendung ist dieses System geradezu ideal. Der Teilnehmer benötigt großeMengen 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 werdendie Daten moduliert und über die normale zweiadrige Kupfertelefonleitung zurVermittlungsstelle übertragen. Dabei spielt es keine Rolle, ob man ein analoges Telefon oderISDN besitzt. In der Vermittlungsstelle wird man weiter mit den gewünschten interaktivenMedien wie Internet verbunden.

Die dabei erzielten Geschwindigkeiten belaufen sich auf bis zu 8 MBit/s im Downstreamund bis zu 768 kBit/s im Upstream. Die maximal nutzbaren Datenraten hängen nicht nur vonäußeren Störungen und Nebensprechen ab, sondern auch sehr stark von den geometrischenAbmessungen der Leitungen (Leitungslänge, Leitungsquerschnitte). Spleiße und Dosenbeeinträchtigen die Datenübertragung zusätzlich. Bei Kabellängen von über 6 km vomTeilnehmer zur Vermittlungsstelle kann höchstens eine Bitrate von 1Mbit/s erreicht werden[4]. Um auch weiterhin normal telefonieren zu können, benötigt man einen Splitter. DiesesGerät trennt die ADSL- und Telefonsignale so, daß man gleichzeitig beide Systeme benutzenkann.

Zur Zeit gibt es eine aufwärtsreduzierte Version unter dem Namen G.Lite auch bekannt alsU-ADSL (Universal ADSL). Hierbei werden die Splitter eingespart, das Modem besitzt amEingang einen Hochpaß um die Telefonsignale auszufiltern. Hier erreicht man eine maximaleDownstream-Geschwindigkeit von 1.5 MBit/s und eine Upstream-Geschwindigkeit von 386kBit/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. Wieschnell 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) 14,4 28,8 64 1544 8000Dateigröße Download Zeit

1 GB 6.4 d 3.2 d 8.7 h 1.4 h 16.6 min100 MB 15.4 h 7 h 51. min 8.6 min 1.7 min10 MB 1.54 h 46.3 min 5.2 min 51.5 s 10 s

1 MB 9.26 min 4.63 min 30 s 5.18 s 1 s

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Einführung in ADSL

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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 (300Hzbis 3,4kHz), ISDN den Frequenzbereich bis etwa 120kHz. Über eine normale, ungeschirmtedoppeladrige Telefonleitung lassen sich aber Frequenzen bis 1.1 MHz problemlos übertragen.Die ADSL-Signale werden in diesem noch freien Frequenzbereich übertragen. DiesesFrequenzband reicht von etwa 25kHz beim analogen Telefon und 140kHz bei ISDN, bis1,1MHz; 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-Modemaufgeteilt. Mit einem Tiefpaß werden die niederfrequenten Telefonsignale herausgefiltert undzum Telefon geleitet. Mit einem Bandpaß wird das ADSL-Signal herausgefiltert und demADSL-Modem zugeführt. Siehe Abbildung 2.1.

Abbildung 2.1 : Anschluß eines ADSL-Modems mit Splitter

Eine zweite Möglichkeit besteht darin, alle Geräte gleichzeitig mit derTeilnehmeranschlußleitung zu verbinden. Vor die Telefon- und Faxgeräte wird jeweils einsogenannter Microfilter gesetzt. Dies ist ein einfacher Tiefpaß, der die ADSL-Signale dämpft.So gelangen nur die niederfrequenten Signale zum Telefon- oder Faxgerät. Das ADSL-Modem besitzt seinerseits einen Filter, der die Telefonsignale ausspart. Dieser Bandpaßdämpft die niederfrequenten Signale. Siehe Abbildung 2.2.

Abbildung 2.2 : Anschluß eines ADSL-Modems mit Microfiltern

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Einführung in ADSL

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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 Telefondienstbenutzt den unteren schmalbandigen Frequenzbereich. Anschließend teilen sich Upstream undDownstream den Bereich bis zur Maximalfrequenz.

Für die Zuordnung der Einzelträger zu Down- und Upstream gibt es nach dem ADSL-Standard zwei Möglichkeiten: Einerseits teilt man den Frequenzbereich in zwei Teile, FDM.Die unteren Träger werden für den Upstream benutzt und die restlichen oberen für denDownstream. In Abbildung 2.3 sieht man dieses Frequenzspektrum mit ISDN. Andererseitskann man mittels einer Gabelschaltung den unteren dämpfungsärmeren Frequenzbereichdoppelt nutzen. So erzielt man eine höhere Datenrate. Um dieses noch zu verbessern, wirdeine Trelliscodierung verwendet (Category 2 ADSL). In Abbildung 2.4 erkennt man wie sichUp- und Downstream das untere Frequenzspektrum teilen, hier als Beispiel mit dem analogenTelefon.

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 derSende- und Empfangsrichtung erfolgt durch die Nutzung unterschiedlicher Frequenzbänderauf dem Kupferkabel. Die eigentlichen Signale werden mit digitalen Filtern voneinandergetrennt.

Als Standard T1.413 wurde die DMT-Modulation gewählt, da sie effizienter ist. DMT istein adaptives Mehrträgerverfahren (Multi Carrier Modulation, MCM). Die Datenrate paßt sichan die Leitungsverhältnisse an.

Man benutzt 256 Einzelkanäle mit einer Bandbreite von jeweils 4,3125kHz. DieEinzelträger sind QAM-moduliert und übertragen maximal 64,7 kBit/s je nach dem Signal-Störabstand auf jedem Einzelkanal. Beim Verbindungsaufbau werden die einzelnen Kanäleausgemessen. Über jeden einzelnen Kanal kann so die maximal mögliche Bitrate, unterEinhaltung einer zulässigen Fehlerrate übertragen werden. Unterschiedliche Störungen und

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Einführung in ADSL

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Dämpfungen werden in den einzelnen Frequenzbereichen berücksichtigt. Kanäle mindererQualität bleiben ungenutzt oder übertragen nur kleine Datenrate. In einem stark gestörtenFrequenzbereich wird der Träger QPSK moduliert. Bei weniger gestörten Kanälen werdenmehrere QAM-Modulationsstufen verwendet.

Abbildung 2.4 : Category 2 ADSL mit POTS

Wird zusätzlich zum ADSL-Dienst auch noch der Telefondienst benutzt, können nicht alleKanäle benutzt werden. Das analoge Telefon benötigt nur ein kleines Frequenzspektrum. Umauch noch den 16kHz Telefon-Gebührenimpuls mit übertragen zu können, beginnt das ADSL-Spektrum erst ab 25,875kHz. In den ersten 6 ADSL-Kanälen wird also keine Informationübertragen. Der Upstreambereich reicht bis etwa 138kHz, benutzt werden also nur die Kanäle7 bis 31. Der Downstreambereich benutzt bei Category 1 ADSL die Kanäle 32 bis 255 und beiCategory 2 die Kanäle 7 bis 255. Der Kanal 256 ist jedesmal vorhanden, wird jedoch auchnicht benutzt.

ISDN benötigt einen größeren Frequenzbereich bis etwa 138kHz. Es stehen also nur dieKanäle 32 bis 255 zur Verfügung. Die Upstream-Kanäle 7 bis 31 können nicht benutztwerden. Der Upstream-Bereich wird nach oben verschoben. Es werden die Kanäle 33 bis 63benutzt. Kanal 32 überträgt 0, wird demnach nicht benutzt. Für den Downstream gilt dasgleiche wie beim analogen Telefon, nur daß bei Category 1 ADSL die Kanäle 64 bis 255 undbei 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 zumodulieren und anschließend mit einem Bandfilter das Spektrum zu begrenzen. Das Problembesteht 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 habenjetzt die Form der Sinc-Funktion und sind nicht mehr bandbegrenzt. In dem Empfängerkönnen die Daten trotzdem zurückgewonnen werden wenn der Abstand der einzelnen Trägerein ganzzahliges Vielfaches des Kehrwerts der Bitdauer ist. Die Unterträger bilden dannbezuglich der Bitdauer ein orthogonales Funktionssystem. Es zeigt sich, daß dieseMehrträgermodulation einer diskreten Fouriertransformation entspricht. Dies ermöglicht esdas Verfahren sehr effizient im Sender durch die Inverse Fast Fourier Transformation (IFFT)und im Empfänger durch die Fast Fourier Transformation (FFT) zu realisieren.

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Teilnehmeranschlußleitung

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3 Die Teilnehmeranschlußleitung

3.1 Aufbau

Die Teilnehmeranschlußleitung besteht aus einer Kupferdoppelleitung mit einemQuerschnitt von 0,4-1,0 mm². Die Kupferdoppeladern sind ineinander verdrillt bzw.gebündelt, um die wirksamen Interferenzen und kapazitiven Einflüsse durch erhöhteSymmetrie zu reduzieren. Jeweils zwei Leitungspaare bilden zusammengefaßt einenSternenvierer. Sie besitzen keine einzelne Abschirmung. Mehrere Sternenvierer werden ingrößeren Kabeln in Bündel zusammengefaßt. Diese Kabel können über 2000 Paare, d.h. über2000 einzelne Teilnehmeranschlüsse beinhalten. Die Kabel besitzen nur eineGesamtabschirmung, um das Einwirken von äußeren Störgrößen zu verringern. Im Normalfallist die Teilnehmeranschlußleitung nicht länger als 8 km. In Deutschland beträgt dieLeitungslänge 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 Sprechkreisauf einen anderen. Nebensprechen entsteht vor allem durch kapazitive und induktiveKopplungen zwischen den Leitungen, die in einem Kabel zusammengefaßt sind. NachAbbildung 3.1 verbinden zwei parallel liegende Doppeladern die Teilnehmer und dieVermittlungsstelle. Wird vom Teilnehmer 1 gesendet, fließt ein Strom durch die ersteDoppeldrahtleitung. Durch die induktive und kapazitive Kopplung beider Leitungen wird inder zweiten eine Spannung bzw. ein Strom hervorgerufen. Die Intensität des Nebensprechensist an den beiden Enden der beeinflußten Leitung im allgemeinen unterschiedlich. Manunterscheidet zwischen Nahnebensprechen (NEXT Near End CrossTalk) undFernnebensprechen (FEXT Far End CrossTalk ). Nahnebensprechen ist die Reaktion, welchein der beeinflußten Leitung am Teilnehmer 2 hervorgerufen wird. Fernnebensprechen ist dieReaktion, welche in der beeinflußten Leitung bei diesem Beispiel an der Vermittlungsstellehervorgerufen wird.

Abbildung 3.1 : Veranschaulichung von Nebensprechen

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Teilnehmeranschlußleitung

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Aufgrund einer sternförmigen Verteilung der Daten und der asymmetrischen Natur desVerfahren spielt bei ADSL NEXT keine so große Rolle. Für den Upstreambereich werden nurdie niedrigen Frequenzen benutzt, bei welchen die Nebensprechdämpfung noch recht groß ist.Desweiteren sind Up- und Downstreambereiche spektral getrennt. Sendet Teilnehmer 1 undempfängt Teilnehmer 2, so wird die Teilnehmeranschlußleitung 2 nicht durch dasNahnebensprechen von Teilnehmer 1 beeinträchtigt. Das Nahnebensprechen ist praktisch vonder Kabellänge unabhängig, da es sowieso nur am Anfang bzw. am Ende derTeilnehmeranschlußleitung entsteht.

Das Fernnebensprechen hingegen ist beim Teilnehmeranschlußkanal neben den externenStörungen (Impulsstörungen, Funkdienste) das begrenzende Element. FEXT sinkt mit derKabellänge. Wird die Teilnehmeranschlußleitung länger, so wird durch die Dämpfung desKabels auch das FEXT gedämpft. Da man bei ADSL jedoch vorzugsweise kurzeAnschlußleitungen benutzt, darf man FEXT nicht vernachlässigen. Zusätzlich sinkt dieNebensprechdämpfung mit steigender Frequenz. Da bei der ADSL im DownstreamFrequenzen bis 1,2MHz benutzt werden, dominiert das Fernnebensprechen.

3.1.2 Verzerrung

Als Übertragungskanäle werden hier die Verbindungsleitung vom Teilnehmer zurVermittlungsstelle 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, ihreAuswirkung wird durch die Übertragungsfunktion des Kanals exakt beschreiben. Die zweiteUrsache liegt in den zufälligen Störungen, die sich längs des Übertragungsweges demübertragenen Signal beimischen. Die Auswirkung der Störungen auf die Veränderung desSignals läßt sich zwar nicht exakt vorausberechnen, wohl aber abschätzen, wennWahrscheinlichkeitsangaben über die Störungen vorliegen, was in der Regel der Fall ist.

Das Ausgangssignal sollte so beschaffen sein, daß man aus ihm auf die Signalbedeutungdes Eingangssignals, d.h. auf die zu übertragende Nachricht schließen kann.

3.1.2.1 Lineare Verzerrungen

Bei den linearen Verzerrungen unterscheidet man zwischen Dämpfungsverzerrungen undPhasen- bzw. Laufzeitverzerrungen. Normalerweise ist bei Übertragungswegen eine konstanteBetriebsdämpfung im interessierenden Frequenzbereich fu < f < fo erwünscht. Hat einÜbertragungsweg in diesem Bereich keine konstante Betriebsdämpfung, dann tretenDämpfungsverzerrungen auf. Mit einem Entzerrer, der einen komplementärenDämpfungsverlauf besitzt, können die Dämpfungsverzerrungen im gewünschten Bereich fu <f < fo aufgehoben werden.

Laufzeitverzerrungen treten bei einem Übertragungsweg dann auf, wenn derÜbertragungsweg im interessierenden Frequenzbereich fu < f < fo keine konstanteGruppenlaufzeit hat. Die Realisierung der Laufzeitentzerrung erfolgt in gleicher Weise wiebei der Dämpfungsverzerrungen nun jedoch mit Hilfe eines Allpaß.

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Teilnehmeranschlußleitung

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Für die Dämpfung- und Laufzeitentzerrung verwendet man in der Praxis häufig Netzwerkemit konstantem Eingangswiderstand, weil Übertragungswege in der Regel mit reellenohmschen Widerständen abgeschlossen sind. Netzwerke mit konstantem Eingangswiderstandhaben ebenfalls einen reellen Eingangswiderstand. Mit ihrer Hilfe kann also einÜbertragungsweg entzerrt werden, ohne daß irgend etwas an seinem Beschaltungszustandgeändert wird. Der zur Dämpfungsentzerrung dienende Vierpol beeinflußt den Dämpfungs-und Phasenverlauf gleichermaßen, während der Allpaß nur den Phasenverlauf, nicht aber denDämpfungsverlauf verändert. Da solche Vierpole eine zusätzliche Dämpfung haben, werdenvorwiegend aktive Entzerrerschaltungen benutzt.

3.1.2.2 Nichtlineare Verzerrungen

Nichtlineare Verzerrungen in Übertragungskanälen entstehen durch nicht idealeEigenschaften von Verstärkern, Kompandern u.ä.. Bei der Sprachübertragung kommenNichtlinearitäten realer Schallwandler hinzu. Solange es sich um reine Sprachübertragung imBasisband mit dem Ziel einer möglichst guten Sprachverständlichkeit handelt, sind relativestarke nichtlineare Verzerrungen tolerierbar. Als Beispiel kann hier wieder dieFernsprechübertragung betrachtet werden. Wesentlich strengere Anforderungen stellt jedochdie digitale Übertragung, z.B. im Falle der Datenübertragung über das Fernsprechnetz.

Nichtlineare Verzerrungen sind sehr schwer zu kompensieren; allerdings sind sie inpraktischen Fernsprechverbindungen üblicherweise hinreichend gering (im Falle derDatenübertragung entfallen die vielfach stark nichtlinearen Schallwandler). Inhandelsüblichen Modems wird daher auf eine Entzerrung nichtlinearer Verzerrungenverzichtet.

3.1.2.3 Additive Störungen

Dem Nutzsignal überlagern sich bei der Übertragung über reale Kanäle additiveStörgrößen. Neben dem Nah- und Fernnebensprechen (siehe Abschnitt 3.1.1) sind diesVornehmlich impulsartige Störungen (z.B. Wählimpulse im Fernsprechnetz),Netzeinstreuungen, Überlagerung von Fremdsendern, rauschartige Störgroßen wie z.B.thermisches Rauschen von Verstärker-Bauelementen, atmosphärisches Rauschen undähnliches.

Ein häufig verwendetes Model basiert auf der Annahme von gaußverteilten additivenRauschgrößen. Dazu ist festzustellen, daß andersartige additive Störeinflüsse sich vielfachwesentlich gravierender auf die Übertragung auswirken und auch oftmals viel eher denpraktischen Übertragungsbedingungen entsprechen, z.B. Impulsstörungen bei derDatenübertragung. Dennoch hat sich die Betrachtung gaußverteilter Störeinflüssegewissermaßen als „genormter Störkanal“ für den Vergleich verschiedenerÜbertragungsverfahren als zweckmäßig erwiesen.

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Teilnehmeranschlußleitung

10

3.2 Übertragung digitaler Signale über dieTeilnehmeranschlußleitung

Die prinzipielle Anordnung eines digitalen Übertragungssystem ist in Abbildung 3.2dargestellt. Nach der Abtastung und Analog-Digital-Umsetzung des Quellensignals ergibt sichein zeit- und amplitudendiskretes Signal, das nunmehr als Zahlenfolge aufzufassen ist. ImCodierer wird diese Zahlenfolge in eine für die Übertragung geeignete Form gebracht:Prinzipiell unterscheidet man hier zwischen Quellencodierung, die das Ziel hat, denNachrichtenfluß der Quelle durch eine möglichst geringe digitale Symbolrate darzustellen(Redundanz- bzw. Irrelevanzminderung) und Kanalcodierung, wobei die aus derQuellencodierung erhaltenen Codewörter so umgestaltet werden, daß eine möglichst guteAnpassung an den Kanal erreicht wird. Üblicherweise werden an dieser Stelle bestimmteKontrollsymbole, also gezielte Redundanz hinzugefügt, wodurch am Empfänger eineErkennung oder möglicherweise auch eine Korrektur von Übertragungsfehlern ermöglichtwird.

QuelleQuellen-

codierungKanal-

codierung

SenkeQuellen-

decodierungKanal-

decodierung

Kanal

A/DAbtastung

Tiefpass D/A

analog zeitdiskret digital

analogeÜbertragungdiskreter Werte

Abbildung 3.2 : Digitales Übertragungssystem

Aus den empfangenen binären Symbolen wird nach Decodierung, Digital-Analog-Umsetzung und einer Glättung das gesendete Signal rekonstruiert.

Zwischen dem Ausgang des Codierers und dem Eingang des Decodierers liegt der digitaleKanal. Seine Eigenschaften werden durch zwei Merkmale beschrieben: die maximaleÜbertragungsrate, also die in einer Sekunde übertragene Anzahl von Binärsymbolen, und dieBitfehlerwahrscheinlichkeit. Beide Größen hängen von den physikalischen Eigenschaften desÜbertragungskanals, 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 Tgekennzeichnet. Eine solche Rechteckfunktion im Zeitbereich ergibt als Spektrum, die si-Funktion. Es läßt sich in Abbildung 3.3 erkennen, daß sich bei einem kleiner werdenden T dasSpektrum im gleichen Maße verbreitert und umgekehrt.

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Teilnehmeranschlußleitung

11

Aufgrund der Bandpaß-Charakteristik des Telefonkanals (0,3-3,4kHz) erfordert eineÜbertragung des Digitalsignals über das Telefonnetz, die Umsetzung in eine höhereFrequenzlage durch Modulation einer Trägerschwingung. Der sinusförmige Träger kann dabeiin einem oder mehreren seiner Parameter von dem zu übertragenden Digitalsignal beeinflußtwerden.

Abbildung 3.3 : Zeitsignal und Spektrum eines Rechtecksignals

Ziel der digitalen Übertragung kann es nicht nur sein, das Signal qualitativ hochwertig zuübertragen, sondern auch das begrenzte Frequenzspektrum optimal zu nutzen, d.h. möglichstviele Übertragungskanäle einzurichten, um somit wiederum möglichst große Datenmengen zuübertragen.

Zur ökonomischen Frequenzspektrumsausnutzung wird das Signal bandbegrenzt. DieseBandbegrenzung kann u.a. durch eine Filterung des Signals herbeigeführt werden, wobei esunerheblich ist an welcher Stelle der Gesamtübertragungsstrecke dies erfolgt. Auf derSendeseite bewirkt das Filter eine Begrenzung des benötigten Spektrums. In der Praxis wirdein weiteres Filter auf der Empfangsseite eingesetzt, das Störungen, die auf demÜbertragungsweg aufgetreten sind, eliminiert.

Interpretiert man die ankommenden Datensignale als einzelne Pulse, so wird jeder einzelnePuls eine Pulsantwort des Filters zur Folge haben. Abhängig von der Übertragungsfunktiontritt eine Verformung der Datenimpulse ein. Diese Pulsantwort des Filters kann sich übermehrere Intervalle eines Datensignals ausdehnen und damit in ein Intervall fallen, daseigentlich einem anderen Datensymbol zugeordnet ist. Die störende Beeinflussung desfremden Intervalls wird als Intersymbolinterferenz (ISI) bezeichnet.Die Bandbreite, die notwendig ist, das Signal zu übertragen, heißt Nyquistbandbreite und ist

definiert als T

BN 2

1= . Benutzt man einen Nyquist-Filter, wird der Einfluß der ISI

unterdrückt bzw. verringert. Eine möglichst geringe Filterbandbreite, die derNyquistbandbreite sehr nahe kommt, kann so realisiert werden. Mit solchen Filtern läßt sicheine maximale Datenrate bei minimaler Bandbreite verwirklichen.

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Teilnehmeranschlußleitung

12

3.2.1.1 Quadratur Amplituden Modulation

Bei ADSL wird die Quadratur Amplituden Modulation (QAM) verwendet. Bei dieserModulationsart wird zusätzlich zur Phase eines Symbols auch noch die Amplitude verändert.Es liegt also eine Kombination aus Amplituden- und Phasenmodulation vor. Als Beispieleiner QAM wird nachfolgend die 16-stufige QAM dargestellt. Sie weist auf einer Achse viermögliche 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 Bitübertragen. Somit erhöht sich, bei gleicher Bandbreite, die Bitrate gegenüber der reinenBinärübertragung.

Der Nachteil der höherwertigen Modulationsverfahren liegt in ihrer Anfälligkeit gegenüberStörungen. Wird dem modulierten Signal ein additives Störgeräusch überlagert, so veränderensich die Amplitude und die Phase des Trägersignals.

Der Demodulator muß nun aus diesem gestörten Signalen wieder eine Bitsequenzerzeugen, die einem bestimmten Zustand zugeordnet ist und die - soweit möglich - mit dergesendeten Sequenz übereinstimmen sollte. Dazu werden im EmpfängerEntscheidungsregionen gebildet, die einem Zustand zugeordnet sind. Je höherwertig einSignal ist, desto geringer werden die Abstände zwischen den verschiedenen Signalzuständen.Für eine Störung mit bestimmter Leistung ergibt sich somit eine wesentlich größereStörwirkung. Es kann zur Demodulation der falschen Sequenz kommen. Es entsteht einSymbolfehler.

Zählt man die Anzahl der falsch demodulierten Symbole (bei bekannten gesendetenSymbolen) und bezieht diese auf eine feste Anzahl von Symbolen, so erhält man dieSymbolfehlerrate; das wichtigste Maß zur Bestimmung der Güte eines digitalenÜbertragungssystems. Ein Symbol setzt sich aus m Bits zusammen. Zählt man die fehlerhaftenBits, so erhält man die Bitfehlerrate.

Eine Möglichkeit zur Fehlerreduktion bietet die trelliscodierte Modulation, bei der einStörabstandsgewinn erzielt wird. Der Störabstandsgewinn ist das Verhältnis vom Quadrat der

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Teilnehmeranschlußleitung

13

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 fehlerkorrigierendenCodes. Durch einfügen von redundanter Information an das Datensignal können Fehlererkannt und jenachdem auch korrigiert werden.

3.3 Informationstherorie

3.3.1 Informationsübertragung

Überträgt man Daten z.B. über einen Teilnehmeranschluß von einem Service-Provider zumTeilnehmer, so ist dies eine Form von Informationsübertragung. Der Informationsgehalt eineseinzelnes Zeichens xi aus einer gesamten Übertragung, das mit der Wahrscheinlichkeit P(xi)auftritt, ist:

[ ].)(

1ld:)( bit

xPxI

i

= ( 1 )

Die gedächtnislose Quelle X, die diese Datenfolge sendet, hat somit einen mittlerenInformationsgehalt von:

{ }[ ]

{ }.)(

)(

1ld)()()(:)( � � =⋅=⋅=

i ixi

ixii xIE

xPxPxIxPXH ( 2 )

Überträgt man diese Information nun über einen Kanal, so geht ein Teil der Informationverloren (Äquivokation). Durch äußere Störungen gehen aber nicht nur Information verloren,sondern es wird auch dem Kanal Information hinzugefügt (Irrelevanz). Die Information, dieder Kanal im Mittel transportiert, d.h. der Teil der eingespeisten Information H(X), die manauch am Ausgang des Kanals wieder zurückgewinnt, wird als Transinformation bezeichnet.

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Teilnehmeranschlußleitung

14

Abbildung 3.5 : Informationsfluß

Für eine Übertragung über einen Kanal ist also nur die Transinformation nutzbar. Dieseläßt sich wie folgt berechnen :

( ) ( ) ( ) ( ) ( )XYHYHYXHXHXYI //; −=−= . ( 3 )

3.3.2 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 istder Kanal total gestört, man kann keine Information über den Kanal übertragen. DieKanalkapazität ist maximal, wenn der Kanal ungestört ist; sie ist dann genau eins. Einebeliebige Information am Eingang kann so am Ausgang fehlerfrei zurückgewonnen werden.

Das Kanalcodierungs-Theorem von Shannon besagt, daß man die Fehlerwahrscheinlichkeitbei der Übertragung durch Kanalcodierung beliebig klein machen kann, wenn dieInformationsrate R kleiner ist als die Kanalkapazität C.

R C< . ( 4 )

Daraus wird auch ersichtlich, daß man über einen beliebigen Kanal nicht unbegrenzt vielInformation übertragen kann. Die maximale Datenübertragung wird durch die maximalmögliche Transinformation begrenzt. Durch Störungen, die auf diesen Kanal einwirken, wirddie Transinformation und somit die Kanalkapazität begrenzt. Um die maximaleÜbertragungsrate R zu erzielen, muß eine Kanalcodierung benutzt werden. Ein optimalerKanalcodierer paßt die Wahrscheinlichkeitsdichte px(x) und die Leistungsdichte Φxx(f) optimalan den Kanal an. So wird mit einer beliebig kleinen Fehlerwahrscheinlichkeit eine maximaleÜbertragungsrate erreicht.

3.3.3 Kanalkapazität

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Teilnehmeranschlußleitung

15

Die Teilnehmeranschlußleitung kann man als analogen, bandbegrenzten, durch additivesGaußrauschen gestörten Kanal ansehen.

Coder

Quelle X

ai

K(f) B Decoder

Kanal

P(xi)

Px

Φxx(f) x(t)px(x)

x(t)Φxx(f)

Φnn(f)n(t)

+

Py

y(t)

Senke Y

âi

Abbildung 3.6 : Aufbau einer Datenübertragungsstrecke

Shannon-Theorem

Zwischen den Beschreibungsmerkmalen des digitalen Kanals und den physikalischenEigenschaften des zugrundeliegenden Übertragungsmediums besteht ein Zusammenhang. Diemathematische Ableitung dieses Zusammenhangs fußt auf der ShannonschenInformationstheorie. Das Shannon-Theorem besagt, daß ein eindeutiger Zusammenhangzwischen Bandbreite B, SNR und der maximal möglichen Anzahl der fehlerfrei übertragbarenBits pro Sekunde besteht. Dabei definiert man das Signal- zu Störverhältnis (SNR Signal- toNoise Ratio) als das Leistungsverhältnis von Nutzsignal x(t) zu Störsignal n(t):

( ){ }( ){ }2

2

/tnE

txENS = . ( 5 )

Wegen der stets vorausgesetzten Ergodizität können die Erwartungswerte E{.} durchzeitliche Mittelwerte ersetzt werden. Als logarithmisches Maß wird definiert:

( )NSSNR /lg10= . ( 6 )

Unter Annahme eines auf die Bandbreite B begrenzten Kanals, der durch gaußverteiltesRauschen der konstanten Leistungsdichte N0 gestört ist, ergibt sich für die Kanalkapazität,gemessen in Bit/s,

( )SNRBBN

PBC x +⋅=��

����

�+⋅= 1ld1ld

0

. ( 7 )

In vielen Fällen gilt ,1>>SNRwomit sich die Beziehung (7) auf die Form vereinfacht

dB

dBinSNRBC

3

)(⋅≈ . ( 8 )

Dies gilt für einen mit weißem Gaußrauschen behafteten, nichtverzerrenden (K(f)=1)Kanal. Dabei muß folgendes gelten:

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Teilnehmeranschlußleitung

16

( )[ ][ ]�

��

∉∈

=Bf

Bfkonstf

Dichtegaußschexpx

0)(

:

ssφ . ( 9 )

Für einen Telefonkanal, der nur eine kleine Bandbreite von B (0,3 - 3,4) kHz hat, kannman als grobe Näher annehmen, daß in diesem Bereich das Störleistungsdichtespektrumkonstant 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 fundamentalesPrinzip der Nachrichtenübertragung: Bandbreite und der SNR Wert sind reziprok zueinander(Austauschbarkeit von Bandbreite und SNR).

Das bedeutet einerseits, daß auch bei geringer Kanalbandbreite beliebig hoheÜbertragungsraten zu erzielen sind, solange nur das SNR Verhältnis genügend groß ist.Umgekehrt kann bei Kanälen mit starker Rauscheinwirkung die Übertragungsrate durchVergrößerung der Bandbreite gesteigert werden.

Wird der Kanal mit farbigen Rauschen gestört und ist der Kanal verzerrt, kann man dieFormel (7) nur noch für kleine Bandbreiten benutzten, wo die Dämpfung als konstantangesehen werden kann, z.B. für den analogen Telefonkanal. Benutzt man hingegen einegrößere Bandbreite wie bei ADSL, so muß dies durch die Formel (10) berücksichtigt werden:

( ) ( )( )[ ]

dff

fKfC

B nn

xx� �

��

ΦΦ

+⋅=2

1ld , ( 10 )

wobei gelten muß :

px (x) : gaußsche Dichte

und ( )fxxΦ die Leistungsdichte des gesendeten Signals x(t) beschreibt. Die gesamte

gesendete Leistung P berechnet sich wie folgt:

( )�∞

=0

2 dffPP x . ( 11 )

Es ist nun möglich, die maximale Kapazität C für eine gegebene feste Gesamtleistung P zunutzen, indem man das Leistungsdichtespektrum optimiert. Dies verwirklicht man mit dem„water-pouring“- oder „water-filling“- Prinzip. Der optimale Verlauf desLeistungsdichtespektrums, ( )fΦxx wird erreicht mit :

( )[ ][ ]�

��

∈−=≤

Bf

BffK

f

f

0

)(

)(0 2nn

xx

φλφ . ( 12 )

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Teilnehmeranschlußleitung

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Die maximale Kapazität, Cmax, berechnet man, indem man Gleichung (12) in Gleichung(10) einsetzt.

( )( )[ ]

dff

fKC

B nn

� ��

��

Φ⋅=

2

ldλ

. ( 13 )

Der Grund, warum man dies „Wasser füll“ Verfahren nennt, ist in Abbildung 3.7ersichtlich. Das Becken wird bis zur Höhe von λ aufgefüllt. Die aufgefüllte Fläche unter der λ-Linie entspricht der gesamten übertragbaren Leistung. Der Kernpunkt dieses Verfahrens liegtdarin, daß man die größtmögliche Bandbreite eines begrenzten Kanals effizient ausnutzenkann.

Um nun das Leistungsdichtespektrum genau anpassen zu können, wird die Information inverschiedene Kanäle aufgeteilt. Bei ADSL werden bis zu 256 solcher Kanäle mit einerBandbreite 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), undrechts ist das Leistungsdichtespektrum des übertragenen Signal dargestellt. Man erkennt, daßin den Bereichen, wo die Dämpfung des Kanals groß ist, auch nur wenig Leistung übertragenwird und in den Bereichen geringer Dämpfung mehr Leistung.

f

( )2nn )(

fK

fφ2

)( fH

f

2)( fPx

λ

Abbildung 3.7 : „Water-pouring“ - Verfahren

Das Leistungsdichtespektrum bei ADSL ist jedoch nicht kontinuierlich, sondern es bestehtaus bis zu 256 Einzelkanälen. Die Einzelspektren der Kanäle können jeweils alsrechteckförmig mit jeweils einer Bandbreite von 4,3125 kHz angenähert werden.

Jeder Unterträger besitzt die Informationsrate R(fi) abhängig von dem entsprechendenSNR(fi) :

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Teilnehmeranschlußleitung

18

( ) ( ) ( )( )inn

iixxi f

fKffSNR

Φ⋅Φ

=2

: . ( 14 )

Für jeden einzelnen Kanal kann nun aus dem jeweiligen SNR die maximaleÜbertragungskapazität berechnet werden:

( ) ( )( )iii fSNRffC +∆= 1ld . ( 15 )

Für jeden Unterträger ergibt sich so eine Rate von:

( ) ( ) .ii fCfR < ( 16 )

Die gesamte Übertragungsrate berechnet sich folglich:

( )�=

=256

1iigesamt fRR . ( 17 )

So ist es möglich, mit Hilfe der ADSL-Technik das fast 1,2 MHz breite Frequenzspektrumoptimal auszunutzen. Wird nun ISDN oder das herkömmliche Telefon benutzt, so werden dieersten Kanäle nicht benutzt. Desweiteren werden die Kanäle, bei welchen der SNR zu kleinist, ebenfalls nicht benutzt oder es wird nur sehr wenig Information übertragen. Hingegen wirdviel übertragen wenn das SNR groß ist. Dieses Verfahren nennt man dann DMT-Modulation.

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Aufbau eines ADSL-Modems mit DMT-Modulation

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4 Aufbau eines ADSL-Modems mit DMT-Modulation

Ein ADSL-Modem [14] [15] ist für die bidirektionale Nachrichtenübertragung über einAderpaar ausgelegt. Das Modem besteht aus einem Sender und einem Empfänger. Dieankommenden Empfangssignale werden mit einem Diplexer (Gabelschaltung/Frequenzweiche) von den abgehenden Sendesignalen getrennt. Man spricht von einerDuplexübertragung. Damit Sende- und Empfangssignale sich gegenseitig nicht stören, werdensie in unterschiedlichen Frequenzbereichen übertragen.

ADSL ist ein asymmetrisches System. Mit dessen Hilfe können größere Datenmengen vonder Vermittlungsstelle zum Teilnehmer übertragen werden als in die entgegengesetzteRichtung. 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 wenigeÄnderungen 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 dieunterschiedliche Zuordnung der Daten auf die einzelnen Träger, da der Downstream einanderes Frequenzspektrum benötigt als der Upstream. Desweiteren ist der Downstreambereichgrößer als der Upstreambereich, bedingt durch die höhere Datenrate.

Im folgenden wird nur der ATU-C beschrieben, Unterschiede zum ATU-R werden speziellerwähnt.

4.1 Sender

Der Sender besteht aus mehreren Blöcken, die in Abbildung 4.1 gezeigt und anschließenderklärt werden.

Abbildung 4.1 : Aufbau eines ADSL-DMT-Sendemodems

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Aufbau eines ADSL-Modems mit DMT-Modulation

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4.1.1 Synchronisierung

Die digitalen Daten können sowohl von einer synchronen Quelle, wie z.B. bei Video-On-Demand-Anwendung (STM = Synchronous Transfer Mode), als auch von einer asynchronenQuelle, wie z.B. einem Computer Netzwerk (ATM = Asynchronous Transfer Mode), geliefertwerden. Die eingespeisten Daten werden im Eingangspuffer zwischengespeichert und inPakete aufgeteilt. Diese Pakete werden an die ermittelte ADSL-Rate angepaßt. Bei einemstörungsfreien Kanal werden große Datenpakete erzeugt, da während einer DMT-Symboldauer viele Datenbits übertragen werden. Bei einem schlechten Kanal werden wenigerDatenbits übertragen, also werden die Datenpakete kleiner gewählt. Kontrollinformation inForm von Datenbits wird angehängt. Dadurch wird das spätere Zusammensetzen dereinzelnen Datenpakete erleichtert. Diese Pakete, auch Frames genannt, werden nun mit einerADSL-DMT-Datenrate von 4kHz synchronisiert und auf zwei verschiedenen Pfadenweitergeleitet.

4.1.2 Kanalcodierung

Auf jedem einzelnen Pfad wird dem Datenpaket zur Fehlererkennung eine CRC-Information hinzugefügt. Anschließend werden diese Frames auf den beiden Pfaden mitjeweils einem Reed-Soloman-Code versehen. Man benutzt zwei verschiedene Codierungen.Auf dem ersten Pfad werden die Datenpakete nur schwach geschützt. Die Datenpakete aufdem zweiten Pfad werden aufwendiger codiert, die Bitfehlerrate auf diesem Pfad istentsprechend kleiner. Durch diese aufwendigere Codierung entsteht eine Verzögerung.Während dieser Zeit wird bereits der Datenblock aus dem ersten Pfad ausgelesen und danndem Datenblock des zweiten, langsameren Pfades angehängt. So entsteht ein Datenpaket, dasaus zwei verschieden codierten Blöcken besteht, ein schwach codierter Block auf dem ersten“schnellen“ Pfad und ein stark codierter Block auf dem zweiten, langsameren Pfad. Außerdemwerden die Datenpakete auf dem langsameren Pfad zusätzlich durch einen Interleaververflechtet, um die Störanfälligkeit durch Bündelfehler weiter zu verbessern.

ADSL-Systeme können jedoch auch mit nur einer Codierung betrieben werden. AlleDatenblöcke werden dann entweder schwach oder stark codiert. Die starke Codierung dauertlänger, die Bitfehlerrate ist jedoch wesentlich kleiner.

Desweiteren besteht die Möglichkeit, eine Trelliscodierung zu benutzten, in demEmpfänger ist dann durch entsprechende Decodierung die Bitfehlerwahrscheinlichkeit nochkleiner bzw. die Übertragungsrate größer.

4.1.3 Partitionierung und Symbol-Konstellation (Mapping)

Die Binärsymbole werden jetzt auf die einzelnen Träger aufgeteilt. Das ATU-C besitztD=256 Kanäle, da für den Downstream eine größere Bandbreite gebraucht wird. Von diesen256 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

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Aufbau eines ADSL-Modems mit DMT-Modulation

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Signal. Ist der Upstreamfrequenzbereich von dem Downstreamfrequenzbereich getrennt, sowird ebenfalls über die Kanäle 7 bis 31 beim analogen Telefon, bzw. 33 bis 63 bei ISDNnichts 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) undmaximal 15 Bit/s pro Hz (64QAM). Während der Initialisierungsphase werden denEinzelträgern, je nach Störabstand auf den Trägern, verschiedene QAM-Konstellationenzugeordnet. Je größer der Störabstand ist, desto höher sind die QAM-Konstellationen unddamit die Rate in Bit/s Hz. Ein Einzelträger kann also theoretisch 4,3125 kHz * 15 Bit/s proHz = 64,68 kBit/s übertragen, was bei theoretisch 256 Kanälen eine Übertragungskapazitätvon 16,5 Mbit/s bedeutet. Da weder der Teilnehmeranschlußkanal optimal ist, nochKanalcodierung, Steuer- und Kontrollinformation mit übertragen werden, erreicht man einemaximale Übertragungskapazität von 8 Mbit/s.

4.1.4 Inverse Fouriertransformation IDFT

Jeder einzelne der D Kanäle besteht aus einem komplexwertigen Datenstrom. Durch dieIDFT werden diese D komplexen Datenströme in 2·D reelle Datenströme aufgeteilt. UmRechenzeit und Speicherplatz einzusparen, wird die IDFT in der schnelleren Form, der IFFTrealisiert, was für D eine Zweierpotenz bedingt. Durch Nullsetzen von Trägern kann darüberhinaus das vom Sendesignal belegte Frequenzband eingeschränkt werden. So kann durchWeglassen der Teilkanäle, die mit den niedrigsten Frequenzen korrespondieren, Platz fürPOTS oder ISDN und/oder für den ADSL-Duplexkanal geschaffen werden. Der inversenFouriertransformation schließt sich die zyklische Erweiterung, das Guard-Intervall, an. Nachder Parallel/Seriell-Umsetzung ergibt sich eine zeitdiskrete Sendesequenz.

4.1.5 Ausgangsstufe

Dieses zeitdiskrete Signal wird mit einem D/A-Umsetzer in ein analoges Sendesignalumgesetzt. Der Sendeimpulsformer hat im wesentlichen Tiefpaß-Charakter und dient zurspektralen Begrenzung des Sendesignals. Mit Hilfe der Treiberstufe wird das Signal an denKanal mit einer Impedanz von 100 Ohm angepaßt.

4.2 Empfänger

Der Empfänger besteht aus vergleichbaren Blöcken wie der Sender, wird allerdings umeinen Zeitbereichs- und einen Frequenzbereichsentzerrer ergänzt. Diese beiden ermöglichen,trotz der Verzerrung durch das Kabel, die Signalrückgewinnung. Die einzelnen Blöckewerden in Abbildung 4.2 gezeigt und anschließend erklärt. Die Signalflußrichtung geht vonrechts nach links.

1 Kanäle 32 und 64 sind vorhanden, werden aber nicht benutzt.

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Aufbau eines ADSL-Modems mit DMT-Modulation

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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 verzerrtenNutzsignal und dem additiven Rauschanteil. Dieses Signal wird zunächst verstärkt undanschließend tiefpaßgefiltert, um die Rauschbandbreite zu begrenzen und Alias-Komponentenbei der anschließenden A/D-Umsetzung zu vermeiden. Durch diese Umsetzung wird aus demanalogen über die Teilnehmeranschlußleitung übertragenen Signal wieder ein digitales Signalerzeugt. Das nun erhaltene zeitdiskrete Signal r´[k] wird dem adaptiven FIR-Filter, demZeitbereichsentzerrer zugeführt.

4.2.2 Zeitbereichsentzerrer

Für die DMT-Übertragung ist es nun aber notwendig, das Guard-Intervall mindestens solang wie die Kanalimpulsantwort zu wählen. In der Praxis würde dies einen nicht tolerierbarenRatenverlust zur Folge haben. Deshalb wird empfangsseitig ein adaptiverZeitbereichsentzerrer eingesetzt, dessen Aufgabe darin besteht, die Gesamtimpulsantwortkürzer als die vorgegebene Länge des Guard-Intervalls zu halten. In der Literatur wird dieserEntzerrer häufig als ‚time-domain eqalizer‘ (TEQ) bezeichnet. Der adaptive FIR-Filter amEmpfängereingang spielt eine äußerst entscheidende Rolle für die Leistungsfähigkeit desDMT-Systems. Trotz großer Anstrengungen und zahlreicher Publikationen auf diesem Gebietist die Einstellung der Filterkoeffizienten jedoch weiterhin sehr aufwendig. So scheint derZeitbereichsentzerrer die kritischste Komponente des Übertragungssystems zu sein.

4.2.3 DFT

Das zeitdiskrete Empfangssignal r[k] wird zur Entnahme eines Blocks seriell/parallelumgesetzt. Die Symbole des Guard-Intervalls werden entfernt, und nur die 2·D reellwertigegelieferten Empfangsdaten werden weiterverarbeitet. Nun transformiert die DFT 2·D reelleAbtastwerte in D komplexe Symbole.

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Aufbau eines ADSL-Modems mit DMT-Modulation

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4.2.4 Demapping

Jedes Nutzsignale diese D komplexe Teilkanäle wird entsprechend mit einem komplexenFaktor skaliert das entspricht einer Frequenzbereichsentzerrung. Es ist einfacherer jedesindividuell Nutzsignal Einzel zu verstärken oder abzuschwächen und dieEntscheidungsschwellen konstant zu halten. Das ATU-C besitzt D=32 Kanäle, da es nurwenig Information von dem Teilnehmer erhält. Das ATU-R kann bis zu 8Mbit/s empfangenund benutzt somit auch D=256 Kanäle. Anschließend werden sie dem Schwellwertentscheiderzugeführt. Bei Systemen mit Trelliscodierung ist statt des Schwellwertentscheiders einViterbi-Decodierer einzusetzen. Durch inverses Mapping wird wir für jeden der D Teilkanäleaus der entsprechenden QAM-Konstellation, die binäre Information wiedergewonnen. Diesewird wieder auf zwei verschiedenen Pfaden seriell ausgegeben.

4.2.5 Decodierung

Auf diesen zwei verschiedenen Pfaden werden durch die Codierung Fehler erkannt undwenn möglich korrigiert. Je nachdem wie der ADSL-Sender die Information codiert hat, wirddazu nur ein Pfad oder werden die beiden Pfade gleichzeitig benutzt. Die kleinstenBitfehlerraten werden erreicht, wenn über beide Pfade decodiert wird.

Anschließend werden die einzelnen Datenpakete wieder zusammengeführt und imAusgangspuffer zwischengespeichert. Dort wird die Bitfolge für die Weitergabe an andereGeräte, wie z.B. PC oder Vermittlungsstelle, umgesetzt.

4.3 Aufbau einer Verbindung

Ein ADSL-Modem (ATU-R) ist, nachdem man es ordnungsgemäß an dieTeilnehmeranschlußleitung angeschlossen hat, dauernd mit dem ATU-C in derVermittlungsstelle verbunden. Anders ist es bei einem herkömmlichen Modem, wo bei jederBenutzung, über das Telefonnetz in der Vermittlungsstelle, eine neue Verbindung zumgegenüberliegenden Modem geschaltet wird.

Möchte man nun bei ADSL Daten übertragen, werden beide Modems (ATU-R und ATU-C) eingeschaltet, die physikalische Verbindung zwischen beiden besteht ja bereits. Nach einerInitialisierungsphase können dann die gewünschte Daten übertragen werden. Ist dieDatenübertragung beendet und wird sie eine Weile nicht benutzt, so wird die Verbindungabgebrochen, das heißt, die Modems werden ausgeschaltet, der Anschluß an dieTeilnehmeranschlußleitung bleibt bestehen. Die Modems werden jedoch nicht vollständigabgeschaltet sondern sie befinden sich in einen „standby“ Zustand und warten drauf, entwedervom anderen Modem oder vom eigenen Rechner ein Signal zu bekommen, um sicheinzuschalten.

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 einzelnerklärt

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Aufbau eines ADSL-Modems mit DMT-Modulation

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Abbildung 4.3 : Initialsierungsphasen eines ADSL-Modems

Ist die Verbindung aufgebaut und initialisiert, wird sie während der gesamtenÜbertragungsdauer überwacht. Sollte sich der Kanal ändern, z.B. mehr Störungen auftretenoder auch weniger, wird sofort die Leistungsaufteilung und die Signalkonstellationen an dieneuen Bedingungen angepaßt. So ist es möglich, immer die maximale Daterate bei einergleichbleibend sehr kleinen Bitfehlerrate zu erhalten. Dieses wird anschließend noch genauerklärt.

4.3.1 Aktivierung und Quittierung

Wie bereits erwähnt, besteht dauernd eine physikalische Verbindung zwischen den beidenModems. Ist das ATU-C in der Vermittlungsstelle betriebsbereit, sendet es ein Signal namensC-QUIET1. Dieses ist ein bestimmter Unterträger auf welchem ein definierte Symbolfolgegesendet wird. Möchte man das ATU-R auf der Teilnehmerseite benutzen, so sendet diesesbei empfangen des C-QUIET1 Signal zuerst ein R-ACT-REQ Signal auf Kanal 8 oder beiISDN auf Kanal 42 aus. Der ACTivation REQuest wird vom ATU-C mit einem C-ACTxSignal bestätigt. Das C-ACTx Signal ist eins von vier verschiedenen Signalen mit jeunterschiedlicher Bedeutung. Durch die Auswahl eines dieser vier Signale wird bereits dieerste 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 durchdie Wahl des Kanals, mit welchem das Signale R-ACTx übertragen wird, festgelegt ob einnormales analoges Telefon oder ISDN benutzt wird.

Ist das ATU-C an der Vermittlungsstelle anfangs noch nicht betriebsbereit so sendet es dasSignal C-TONE auf Kanal 72 aus. Das ATU-R auf der Teilnehmerseite seinerseits sendet dasSignal R-QUIET1 aus, um zu signalisieren, daß es betriebsbereit ist und eine Verbindungaufbauen möchte. Nach einer Wartezeit von etwa 60 Sekunden sendet das ATU-R erneuteinen R-ACT-REQ. Dieses wird dann jeweils alle 60 Sekunden wiederholt, bis derVerbindungsaufbau erfolgen kann.

Aktivierung und Training Kanal bestimmen Austausch derQUITTIERUNG KANALPARAMETER

Phase 1 Phase 2 Phase 3 Phase 4

Zeit

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Aufbau eines ADSL-Modems mit DMT-Modulation

25

4.3.2 Training

In der Trainingsphase werden die beiden Modems synchronisiert. Dies wird aus der zuvorerhaltenen Information mit Hilfe von Laufzeitmessungen durchgeführt. Die Leistung der amATU-C ankommenden Signale werden gemessen. Nach einer Tabelle werden aus diesenWerten die Leistung der gesendeten Trainingssignale ermittelt. Nun wird über jeden einzelnender 256 Kanäle eine Pseudozufallsfolge mit einer bekannten Konstellation und Leistunggesendet. Die Kanäle 1 bis 4 werden nicht benutzt, da sich dort vielleicht ein analoges Telefonbefinden könnte. Die Kanäle 5 bis 17 werden mit kleiner Leistung ausgemessen. Wirdangenommen, daß ISDN benutz wird, werden die Kanäle 1 bis 31 nicht ausgemessen.

Anschließend sendet auch das ATU-R über die entsprechenden Kanäle einePseudozufallsfolge 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 17wiederum mit kleiner Leistung ausgemessen werden. Wurde jedoch vereinbart, daß ISDNbenutzt 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 werdenals 4 QAM gesendet mit maximaler Leistung. Zuerst sendet das ATU-C seine Einstellungenfür den Downstream. Beginnend mit der Einstellung des RS Codierers gefolgt von denen desInterleavers sowie welcher Codierungsweg (1 oder 2) benutzt wird.

Anschließend wird angegeben, welche CRC Codierung verwendet wird und wie groß derSNR ist. Desweitern wird angegeben, ob eine Trelliscodierung sowie ein Echounterdrückungbenutzt 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 jenach äußeren Einflüssen diese Werte ganz verschieden sind.

4.3.4 Austauschen der Kanalparameter

Nachdem die Modems konfiguriert sind, werden nun die Einstellungen der einzelnenÜbertragungskanäle übertragen. Das ATU-C an der Vermittlungsstelle berechnet aus dem inder Trainingsphase erhaltenen Leistungsdichtespektrum und SNR, für jeden einzelnen der biszu 31 Kanäle die größtmögliche Übertagungsbitrate. Ist der Signal-Störabstand auf einemKanal groß, so ist eine hohe Übertragungsrate möglich, das ATU-C wählt dann eine höhereQAM-Konstellation aus. Ist der SNR klein, können nur wenige Bits übertragen werden, dasModem wählt eine niedrige QAM-Konstellation aus. Ist der SNR auf einem Kanal zuschlecht, 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 denDownstream, nur mit dem Unterschied, daß dies bis zum Kanal 256 erfolgen kann. Das sogesendete Signal besteht aus den Kanalnummer gefolgt jeweils von der Anzahl derSignalpunkte und einem Skalierungsfaktor für die Begrenzung der Leistung für jeden Kanal.

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Aufbau eines ADSL-Modems mit DMT-Modulation

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4.3.5 Online Anpassung und Rekonfigurierung

Während der Datenübertragung wird der Kanal dauernd überwacht. Der im Modemempfange Datenstrom besteht jeweils aus einem „Header“ und den Nutzdaten. In diesemHeader 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 automatischdem anderen mit, daß es sinnvoll ist, die Konstellation zu ändern oder die Leistungnachzuregeln.

Um Fehler zu vermeiden, wird fünf mal in Folge eine Anforderung gesendet, um dieKanalparameter zu ändern. Wenn der Empfänger nicht wenigstes drei mal die gleicheAufforderung nacheinander erhält, wird diese ignoriert, ansonsten wird die Änderungbestätigt. Mit der Bestätigung wird ebenfalls angegeben, wann die Änderung erfolgt. Erfolgtkeine Bestätigung, werden auch keine Änderungen vorgenommen. Nach einer bestimmtenZeit wird die gleiche Anforderung wiederholt.

Der Befehl im „Header“ gibt an, welche Änderung erfolgen soll und welcher Kanalbetroffen ist. Es gibt die Möglichkeit, die Leistung um ein, zwei oder drei Dezibel zu erhöhenoder um ein oder zwei Dezibel zu erniedrigen. Die Signalkonstellation kann jeweils um einserhöht oder auch erniedrigt werden.

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Versuchsdurchführung Teil I

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Versuchsdurchführung

Teil I

VERSION 1.2

Okt. 2004

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Versuchsdurchführung Teil I

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5 Versuchsdurchführung Teil I

5.1 Dämpfungsmessung mit dem breitbandigen Rauschgenerator

Mit dem breitbandigen Rauschgenerator wird ein Frequenzspektrum erzeugt, das einannähernd konstantes Amplitudenspektrum im Frequenzbereich von 20Hz bis 6MHz besitzt.Um Masseschleifen zu vermeiden, wird dieses Signal mit Hilfe eines Übertragers in dasTeilnehmeranschlußkabel eingekoppelt. Am Ausgang des Kabels wird das nun gedämpfte undstörbehaftete Signal mit einem weiteren Übertrager ausgekoppelt und demerdunsymmetrischen Spektrumanalysator zugeführt. In Abbildung 5.1 ist der genaueVersuchsaufbau zu erkennen. An dem Rauschgenerator wird ein Ausgangssignal mit 0dB beieiner Bandbreite von 5MHz eingerstellt.

Abbildung 5.1: Versuchsaufbau mit dem Rauschgenerator

Um nun das Spektrum besser auswerten zu können, benutzt man das digitale Echtzeit-Oszilloskop Tektronix TDS 220 mit dem Erweiterungsmodul TDS2MM. Dieses ist in derLage, aus dem eingespeisten Zeitsignal mit Hilfe der FFT ein Frequenzspektrum zu erzeugenund anzuzeigen. Letzteres wird über die serielle Schnittstelle an einen PC weitergeleitet. MitHilfe des PCs kann man dieses Frequenzspektrum beliebig bearbeiten und anschließend dieErgebnisse ausdrucken.

Um nun die Messungen durchzuführen, startet man das Programm VERSUCH.M in derMATLAB-Umgebung.

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Versuchsdurchführung Teil I

29

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 Oszilloskopangeschlossen wurde.

Anzahl der Messungen : Hier gibt man an, wie viele Meßreihen durchgeführt werdensollen, um anschließend das Ergebnis zu mitteln.

Anzahl der Kabelabschnitte : Hier gibt man an, wie viele Kabelabschnitte ausgemessenwerden sollen. Möchte man z.B. 1 km Kabel ausmessen, so mußman Abschnitte=2 einstellen. Der erste Abschnitt beinhaltet nurdie beiden Übertrager, der zweite das Kabel und die Übertrager.

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Versuchsdurchführung Teil I

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Nachdem die Einstellungen vorgenommen wurden, kann man die Meßreihe starten, indemman auf die Schaltfläche „Dämpfungsmessung des Kabels mit dem Rauschgenerator“ drückt.Anschließend kann man auswählen, ob man eine neue Messung durchführt oder ob man sichdie vorherigen gemessenen Werte noch einmal ansieht.

Abbildung 5.4

Wählt man „Berechnen der vorherigen Leitungsabschnitte“, so werden diese grafischangezeigt. Wählt man „Ausmessen und berechnen mehrere Leitungsabschnitte“, öffnet sichein DOS-Fenster, in dem man aufgefordert wird, das Kabel anzuschließen und anschließendeine Taste zu drücken. Je nachdem, wie viele Abschnitte man ausmessen möchte, wird diesentsprechend oft wiederholt.

Abbildung 5.5

Erst nachdem die Messung beendet ist, darf man den Ok-Knopf drücken. Ein neues Fenstermit der grafischen Ausgabe der Messung wird geöffnet. Die Grafik kann man nun ausdruckenoder mit Hilfe der Zwischenablage in ein entsprechendes Dokument einbinden.

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Versuchsdurchführung Teil I

31

5.2 Dämpfungsmessung mit dem Frequenzgenerator

Da man für den Dämpfungsverlauf eine Darstellung der Spannung als Funktion derFrequenz benötigt, ein gewöhnliches Oszilloskop aber nur die Spannung als Funktion der Zeitliefert, muß der Meßaufbau anders gestaltet werden. In Abbildung 5.6 ist die neue Anordnungabgebildet. Mit einem steuerbaren Funktionsgenerator misst man für verschiedene Frequenzendie Eingangs- und Ausgangsspannung des Kabels. Ein Sinussignal einer bestimmten Frequenzwird mit einem Übertrager in das Kabel eingekoppelt. Um Massenschleifen zu vermeiden,wird das Ausgangssignal über einen weiteren Übertrager ausgekoppelt und dem Meßgerätzugeführt.

Abbildung 5.6 : Versuchsaufbau mit dem Frequenzgenerator

Mit dem Programm ST PC Control Utility werden die Parameter für das Programmermittelt. An Ausgang 1 der Meßkarte stellt man eine Ausgangsspannung von 0V ein, derFunktionsgenerator muß gemäß Tabelle 5.1 eingestellt werden.

Tabelle 5.1: Einstellungen am Funktionsgenerator HP 3312A.

Range Hz 100kFrequency Dial Manuel einstellenFunktion ~SYM CALAmplitude 10VAmplitude Vernier CVTrigger Phase Free runModulation All buttons outOther Mod Setting 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 darfwährend der ganzen Versuchsdurchführung nicht mehr verändert werden.

Anschließend wird mit dem ST PC Control Utility Programm nun die kleinst möglicheSpannung eingestellt, bei welcher noch ein sauberes Sinussignal mit dem Oszilloskop zuerkennen ist. Diese Spannung soll zwischen –2,4 und –1,6V liegen. Diese Spannung soll man

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Versuchsdurchführung Teil I

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sich als Variable offset notieren werden, die dazugehörige Frequenz soll ebenfalls alsVariable fstart notieren werden,

Als Spannungen werden die Werte benutzt, die man in den PC eingibt, Das Programmarbeitet mit den gleichen Werten, man erzielt also die gleichen Resultate unabhängig von denToleranzen der Meßkarte und des Funktionsgenerators. Diese Werte brauchen also nichtgemessen zu werden.

Die Frequenzen hingegen werden am besten mit dem digitale Echtzeit-OszilloskopTektronix 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 automatischfest.

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 kanngestartet werden. In Abbildung 5.7 werden die Parameter dargestellt.

Abbildung 5.7 : Spannungsfrequenz Abhängigkeit des Funktionsgenerators

Um nun die Messungen durchzuführen, startet man das Programm VERSUCH.M in derMATLAB-Umgebung.

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Versuchsdurchführung Teil I

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Abbildung 5.8

Unter dem Menüpunkt Einstellungen, kann man verschiedene Einstellungen vornehmen:

Abbildung 5.9

Für diesen Teilversuch werden nur folgende Einstellungen benötigt:

COM-Port : Hier gibt man an, an welches COM-Port das Oszilloskopangeschlossen wurde.

Anzahl der Frequenzmesspunkte : Hier gibt man an, bei wievielen Frequenzen jeweilsMessungen durchgeführt werden.

Anzahl der Kabelabschnitte : Hier gibt man an, wieviel Kabelabschnitte ausgemessenwerden sollen. Möchte man z.B. 1 km Kabel ausmessen,

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Versuchsdurchführung Teil I

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so muß man Abschnitte=2 einstellen. Der erste Abschnittbeinhaltet nur die beiden Übertrager, der zweite das Kabelund die Übertrager.

Anzahl der Werte, über welche gemittelt wird : Hier gibt man an, wieviel Messungen beieiner Frequenz durchgeführt werden, mit welchen derMittelwert gebildet wird.

Startfrequenz des Wobblers: Hier gibt man die Frequenz an, bei der die Messungenbeginnen sollen: fstart.

Stopfrequenz des Wobblers: Hier gibt man die Frequenz an bei der die Messungenbeendet 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, indemman auf die Schaltfläche „Dämpfungsmessung des Kabels mit dem Funktionsgenerator“drückt. Anschließend kann man auswählen, ob man eine neue Messung durchführt oder obman sich die vorherigen gemessenen Werte noch einmal ansieht.

Abbildung 5.10

Wählt man „Berechnen der vorherigen Leitungsabschnitte“, so werden diese grafischangezeigt. Wählt man „Ausmessen und berechnen mehrere Leitungsabschnitte“, öffnet sichein DOS-Fenster, in dem man aufgefordert wird, das Kabel anzuschließen und anschließendeine Taste zu drücken. Je nachdem wieviele Abschnitte man ausmessen möchte, wird diesentsprechend oft wiederholt.

Abbildung 5.11

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Versuchsdurchführung Teil I

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Erst nachdem die Messung beendet ist, darf man den Ok-Knopf drücken. Ein neues Fenstermit der grafischen Ausgabe der Messung wird geöffnet. Die Grafik kann man nun ausdruckenoder mit Hilfe der Zwischenablage in ein entsprechendes Dokument einbinden.

5.3 Messen des Störbelags einer bestehenden Telefonleitung

Der Störbelag auf einer bestehenden Teilnehmeranschlußleitung wird mit der Schaltungnach Abbildung 5.12 ausgemessen. Als Kabel wird eine quer über das Uni-Geländegeschaltete Ringleitung benutzt. Der dort gemessene Störbelag entspricht der Realität. DieStörungen werden durch ISDN- und POTS- Telefongespräche, die auf dem Unigeländegeführt werden, erzeugt.

Abbildung 5.12 : Versuchsaufbau für die Störbelagmessung

Um Probleme mit Masseeinkopplungen zu vermeiden, wird ein Übertrager zwischen dasKabel und den Spektrumanalysator geschaltet. Mit dem Spektrumanalysator wird nun dasSpektrum von 0 bis 1,2MHz ausgemessen. Auch hierzu wird das digitale Echtzeit-OszilloskopTektronix TDS 220 mit dem Erweiterungsmodul TDS2MM benutzt. Dieses ist über dieserielle Schnittstelle mit dem Rechner verbunden. Das Programm auf dem Rechner steuert dasOszilloskop. Anschließend werden die Meßwerte zum PC übertragen, der diese graphischanzeigt.

Um nun die Messungen durchzuführen, startet man das Programm VERSUCH.M in derMATLAB-Umgebung.

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Versuchsdurchführung Teil I

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Abbildung 5.13

Unter dem Menüpunkt Einstellungen, kann man verschiedene Einstellungen vornehmen:

Abbildung 5.14

Für diesen Teilversuch werden nur folgende Einstellungen benötigt:

COM-Port : Hier gibt man an, an welches COM-Port das Oszilloskopangeschlossen wurde.

Anzahl der Messungen : Hier gibt man an, wieviele Meßreihen durchgeführt werdensollen, am anschließend das Ergebnis zu mitteln.

Nachdem die Einstellungen in vorgenommen wurden, kann man die Meßreihe starten, indemman auf die Schaltfläche „Störbelagsmessung der Telefonleitung“ drückt. Anschließend kann

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Versuchsdurchführung Teil I

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man auswählen, ob man eine neue Messung durchführt oder ob man sich die vorherigengemessenen 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 DOS-Fenster, in dem man aufgefordert wird, das Kabel anzuschließen und anschließend eine Tastezu drücken.

Abbildung 5.16

Erst nachdem die Messung beendet ist, muß man den Ok-Knopf drücken. Ein neues Fenstermit der grafischen Ausgabe der Messung wird geöffnet. Die Grafik kann man nun ausdruckenoder mit Hilfe der Zwischenablage in ein entsprechendes Dokument einbinden.

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Versuchsdurchführung Teil II

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Versuchsdurchführung

Teil II

VERSION 1.2

Okt. 2004

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Versuchsdurchführung Teil II

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6 Versuchsdurchführung Teil II

Leuchtdioden des Modems:

LAN LINK leuchtet : Netzwerkverbindung 10BASE-T ist vorhandenTX blinkt : Daten werden gesendetRX blinkt : Daten werden empfangenCOL blinkt : Kollision wurde entdeckt

ADSL SYNC leuchtet nicht : ADSL Leitung unterbrochenblinkt : Verbindung wird aufgebautleuchtet : Verbindung ist betriebsbereit

TX blinkt : Daten werden gesendetRX blinkt : Daten werden empfangenMAR leuchtet : SNR Margin ist groß genug um eine Daten zu

übertragen (BER < 10E-7)

6.1 Messen der Bitrate bei verschiedenen Kabellängen undKabelquerschnitten

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 ManualSeite 10)Terminal :ANSI

Kabel 6 x 2 x 0,6 St III BD

ATU- ATU-

UNI

GelbesKabelSchwarzes Kabel

nicht gekreuztRS 232

Oszilloskop

RS 232

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Versuchsdurchführung Teil II

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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 1km 2km 3km 4kmUp down Up down up down up down up down

SNR Margin(dB)Line Attn (dB)Data Rate(kbps)

5km 6km 7km 7,5km 8kmup down Up down up down up down Up down

SNR Margin(dB)

Na Na

Line Attn (dB) Na NaData Rate(kbps)

Na Na

- 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 derSignalleitung vermeiden!!) . Die Modems bleiben dauernd eingeschaltet. Nachdem dieVerbindung neu errichtet worden ist, dauert es ca. 60 Sekunden bis die neue Leitungausgemessen und initialisiert ist, dies erkennt man an der an der Leuchtdiode „SYNC“ die nunleuchtet 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 Leitungneu erzwingen.

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Versuchsdurchführung Teil II

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- Mit Hilfe des Oszilloskop kann das Spektrum auf der Leitung untersucht werden (Durchden Anschluß des Oszilloskop wird die Leitung stärker gedämpft, die Datenrate ändertsich geringfügig).

- Die verschiedenen Spektren können mit dem MATLAB-Programm VERSUCH.M in denRechner eingelesen werden und anschließend ausgedruckt werden.

6.2 Aufbau einer Verbindung

Abbildung 6.2

- Modems nach Abbildung 6.2 anschließen.

Durch kurzzeitiges auftrennen der Leitung wird erzwungen daß die Verbindung neu aufgebautwird, 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

TRAINCHANAEXCH

DATA.

ATU- ATU-

UNI

GelbesKabelSchwarzes Kabel

nicht gekreuzt RS 232

Oszilloskop

RS 232

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Versuchsdurchführung Teil II

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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 dernur für den Downstream benutzt wird .

6.3 Beeinflussung von externen Störungen

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.

1.1.1.5.1 Kabel6 x 2 x 0,6

ATU- ATU-

UNI

GelbesKabelSchwarzes Kabel

nicht gekreuztRS 232

Oszilloskop

RS 232

Generator

Externe Störung

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Versuchsdurchführung Teil II

43

- 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-CN (dB) -40 -35 ..... 0SNR Margin(dB)

.. .. .... ....

DATA RATE(kbps)

.. .. .... ....

Einspeisung beim ATU-RN (dB) -40 -35 ..... 0SNR Margin(dB)

.. .. .... ....

DATA RATE(kbps)

.. .. .... ....

- 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-CN (dB) -40 -35 ..... 0SNR Margin(dB)

.. .. .... ....

DATA RATE(kbps)

.. .. .... ....

Einspeisung beim ATU-RN (dB) -40 -35 ..... 0SNR Margin(dB)

.. .. .... ....

DATA RATE(kbps)

.. .. .... ....

- 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 verstellenund noch mal probieren).

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Versuchsdurchführung Teil II

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- Am Terminal-Programm einen „ADSL Link Reset“ durchführen.- Neue Datenrate und SNR Margin ermitteln.- Mit Hilfe des Oszilloskop kann das Spektrum auf der Leitung untersucht werden (Durch

den Anschluß des Oszilloskop wird die Leitung stärker gedämpft, die Datenrate ändertsich geringfügig).

- Die verschiedenen Spektren können mit dem MATLAB-Programm VERSUCH.M in denRechner eingelesen werden und anschließend ausgedruckt werden.

- Unterschiede zwischen FEXT und NEXT ausdiskutieren, anhand der verschiedenenSpektren.

6.4 Beeinflussung durch ein weiteres ADSL-Modem

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 UpstreamSNR MARGINLINE ATTNDATA RATE

- Zweites Modempaar nach Abbildung 6.4 anschließen, Up- und Downstream Richtungbeachten Datenübertragung ist nicht notwendig.

- Erstes ATU-C mit der RS-232 Schnittstelle mit dem Terminal verbinden.

1.1.1.7.1 Kabel6 x 2 x 0,6

ATU- ATU-

UNI

GelbesKabelSchwarzes Kabel

nicht gekreuztRS 232

ATU- ATU-

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Versuchsdurchführung Teil II

45

Erstes Modempaar.3 mal messen und Mittelwert bilden .

Downstream UpstreamSNR MARGINLINE ATTNDATA RATE

- Zweites ATU-C mit der RS-232 Schnittstelle mit dem Terminal verbinden.Datenübertragung ist nicht notwendig.

Zweites Modempaar.3 mal messen und Mittelwert bilden .

Downstream UpstreamSNR MARGINLINE ATTNDATA RATE

Abbildung 6.5

- Zweites Modempaar nach Abbildung 6.5 anschließen, Up- und Downstream Richtungbeachten diesmal andersherum !!!!!! .

- Erstes ATU-C mit der RS-232 Schnittstelle mit dem Terminal verbinden.

Erstes Modempaar.3 mal messen und Mittelwert bilden .

Downstream UpstreamSNR MARGINLINE ATTNDATA RATE

- Zweites ATU-C mit der RS-232 Schnittstelle mit dem Terminal verbinden.

1.1.1.9.1 Kabel6 x 2 x 0,6

ATU- ATU-

UNI

GelbesKabelSchwarzes Kabel

nicht gekreuzt RS 232

ATU- ATU-

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Versuchsdurchführung Teil II

46

Zweites Modempaar.3 mal messen und Mittelwert bilden .

Downstream UpstreamSNR MARGINLINE ATTNDATA RATE

- Vergleich der Ergebnisse.

6.5 Betrieb des Modems über eine reale Teilnehmeranschlußleitung

Abbildung 6.6

- Modempaar nach Abbildung 6.6 anschließen.- ATU-C mit der RS-232 Schnittstelle mit dem Terminal verbinden.- Mit Hilfe des Oszilloskop kann das Spektrum auf der Leitung untersucht werden (Durch

den Anschluß des Oszilloskop wird die Leitung stärker gedämpft, die Datenrate ändertsich geringfügig).

- Die verschiedenen Spektren können mit dem MATLAB-Programm VERSUCH.M in denRechner eingelesen werden und anschließend ausgedruckt werden.

- Durch Vergleich mit den vorherigen Aufgaben soll die ungefähre Länge derTeilnehmeranschlußleitung ermittelt werden.

Teilnehmeranschlußleitung

ATU- ATU-

UNI

GelbesKabelSchwarzes Kabel

nicht gekreuztRS 232

Oszilloskop

RS 232