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TELEKOM

Modulationsverfahren

Wenn eine Station nur in jeweils einer Richtung sendet und die Gegenstelle während dieser Zeit in Ruhe verbleibt, kann man die maximale Bitrate verwenden (Halbduplex-Betrieb). Wenn aber beide Stationen gleichzeitig senden und empfangen wollen (Vollduplex-Betrieb), sinkt die Datenrate. Damit die Daten über die Leitung kommen, müssen sie, wie schon angedeutet, auf ein Trägersignal moduliert werden:
    Bei der Amplitudenmodulation (ASK=Amplitude Shift Keying, Amplitudentastung) wird die Amplitude (Signalspannung) des Signals verändert, das eine konstante Frequenz besitzt. Im einfachsten Fall erfolgt dies durch Ein- und Austasten des Trägers. Die Grundfrequenz des Trägers ist wesentlich höher, als die Anzahl der Austastvorgänge. Es ist das einfachste Verfahren, aber Unterbrechung und Nullbits sind voneinander nicht unterscheidbar.
    Bei der Frequenzmodulation wird die Frequenz (Tonhöhe) bei einem Signal bei konstanter Amplitude verändert (FSK=Frequency Shift Keying, Frequenzumtastung). Den Wertigkeiten "1" und "0" werden zwei verschiedene Frequenzen zugeordnet. Zum Duplexbetrieb werden unterschiedliche Träger-Frequenzen für den Hinweg (Originate) und Rückweg (Answer) verwendet. Eine Unterbrechung (Ausfall des Trägers) ist erkennbar.
    Bei der Phasenmodulation (PSK=Phase Shift Keying, Phasenumtastung) hat das Signal eine konstante Frequenz. Es werden hier Phasensprünge in die Sinusschwingung "eingebaut". Stellen Sie sich eine Sinusschwingung vor. Ein Phasensprung führt dann zu einer bestimmten Amplitude, die vom Phasenwinkel abhängt, d. h. die Sinuswelle wird in ihrem Schwingungsanfang um den entsprechenden Phasenwinkel verändert. Mit PSK sind hohe Übertragungsraten erreichbar, aber es wenden auch hohe Anforderungen an die Hardware gestellt.

Zusammenfassung Modulationsarten:

Doch nun zu den einzelnen Übertragungsstandards, wie sie vom CCITT (Comit‚ Consultativ International T‚l‚graphique et T‚l‚phonique), heute ITU (Internatinal Telecommunications Union), definiert wurden. Die Übertragungsgeschwindigkeiten unter 2400 Bit/s werden heute kaum noch verwendet. Der Grund für die Entwicklung ist eigentlich die oben schon erwähnte Begrenzung der Bandbreite einer analogen Telefonverbindung auf eine Bandbreite von etwas mehr als 3000 Hz. Durch ständige Verbesserung von Sende- und Empfangshardware wird versucht, immer höhere Übertragungsgeschwindigkeiten zu erreichen. Bei modernen Modems werden häufig digitale Signalprozessoren eingesetzt, die mit Hilfe von Digital-Analog- und Analog-Digitalwandlern per Software analoge Funktionen (z. B. Filter, Demodulator, Modulator) nachbilden können. Diese Modems können häufig durch ein Softwareupdate an neue Verfahren angepaßt werden. Da der Signalprozessor prinzipiell jedes Analoge Signal verarbeiten kann, haben solche Modems häufig auch die Möglichkeit der Sprachaufzeichnung und -wiedergabe implementiert. Zusammen mit dem passenden Computerprogramm können sie dann auch als Anrufbeantworter oder Sprach-Auskunftssystem eingesetzt werden.

V.21 (300 bps)

Dies ist der älteste Standard, der bei den ersten Postmodems und Akustikkopplern verwendet wurde, er hat nur noch historische Bedeutung. Die Bits werden in Töne unterschiedlicher Frequenz gewandelt (Frequenzmodulation). Für zwei Kanäle benötigt man vier Frequenzen:

     SendenEmpfangen
    Kanal 01180 Hz1850 Hz
    Kanal 1980 Hz1650 Hz

Dieses Modulationsverfahren wird bei etlichen Systemen noch beim Verbindungsaufbau verwendet, beispielsweise, um Übertragungsparameter oder das endgültige Übertragungsverfahren azustimmen.

V.23 (1200/75 BPS)

Dieser Standard wird für die Datex-J-Übertragung verwendet, bei der die Datenmengen in den beiden Richtungen höchst unterschiedlich sind. Vom Datex-J-Rechner zum Benutzer werden die Daten mit 1200 BPS übertragen, von der Tastatur des Benutzers zum Datex-J-Rechner mit 75 BPS. Für die Übertragung mit 1200 BPS wird fast das gesamte Frequenzband belegt, die 75 BPS kommen gerade noch durch. Wird auch verwendet für 1200/1200 halbduplex.

V.22 (1200 BPS)

Jeweils zwei Bits werden zu einem sogenannten "Dibit" zusammengefaßt. Diesen Dibits wird dann ein Phasenwinkel zugeordnet: 00 = 0 Grad, 01 = 90 Grad, 10 = 270 Grad, 11 = 180 Grad. Es werden also 600 Zustände/Sekunde (= 600 Baud), aber 1200 BPS übertragen. V.22 gilt auch für 600 BPS (nur zwei Phasenwinkel). Grafisch in die Ebene projiziert sieht das dann so aus, wie im Bild dargestellt. Die Übertragung läuft hier vollduplex ab, d. h. beide Stationen können gleichzeitig senden und empfangen. Beide Modems senden ihre Informationen auf einem eigenen Träger:

  • rufendes Modem (Originate): 1200 Hz
  • antwortendes Modem (Answer): 2400 Hz

V.22bis (2400 BPS)

Auch hier wird wieder mit Phasenverschiebung gearbeitet, jedoch wird zusätzlich die Amplitude moduliert (Quadratur-Amplitudenmodulation). Zusätzlich werden die Phasenwinkel 45 Grad, 135 Grad, 225 Grad und 315 Grad eingeführt. Mit einer Baudrate von 600 lassen sich so bei jedem Schritt 4 Bit übertragen. Zusätzlich ist V.22bis auch zu V.22 kompatibel, so daß auch 1200 BPS möglich sind. Die Grafik ist schon komplexer:

V.27ter (4800 BPS) und V.29 (9600 BPS)

Wenn man bei dem vorhergehenden Verfahrie Schrittrate verdoppelt (1200 Baud), kann man 4800 BPS übertragen. Eine weitere Verdoppelung führt dann zu 2400 Baud und 9600 BPS, denn es werden je Schritt ja immer 4 Bit übertragen.
Diese Verfahren können aber nur noch halbduplex übertragen, da die gesamte Bandbreite belegt wird. Sie kommen hauptsächlich bei der Telefax-Übertragung zum Einsatz, da hier der Datenstrom in eine Richtung geht und der Empfänger nur kurz quittiert.
Da die Telefonleitung keineswegs störungsfrei ist (Knacken, Rauschen usw.), muß ein hoher technischer Aufwand getrieben werden, um die Übertragung zu ermöglichen. Fax-Geräte können auch bei schlechten Leitungen von 9600 BPS auf 7200 BPS oder 4800 BPS zurückschalten (Fallback). Das V.29-Phasendiagramm ist im Bild gezeigt.

Es gibt noch einige Abarten von V.29, bei denen es einen zusätzlichen Rückkanal mit 300 BPS gibt. Auf diesem Kanal kann der Empfänger trotz des Halbduplex-Betriebs dem Sender Nachrichten zukommen lassen (Empfangsbestätigung, Abbruch, etc.).

V.32 (9600 BPS)

Beim Modem will man natürlich Duplexübertragung haben. Hier wird mit Hilfe von Signalprozessorbausteinen das Sendesignal aus dem Signalgemisch herausgefiltert. So kann die Information des Partners erkannt werden. Die Modulationsfrequenz ist hier 1800 Hz. Beide Stationen benötigen eine Trainingsphase, bei der immer nur ein Partner sendet und so seine Echosperre anpassen kann. Hier wird auch das "Trellis-Verfahren" angewendet, bei dem vier Datenbits in fünf Bits codiert übertragen werden. Das fünfte Bit wird aus den vier Datenbits errechnet und wirkt ähnlich wie ein Prüfbit bei der Codierung von sieben Bit in einem Byte. Damit ergibt sich ein um 3 dB besseres Signal/Rauschverhältnis gegenüber der reinen Quadraturmodulation. Das Trellis-Verfahren subtrahiert zur Echobeseitigung die Sendedaten vom Signalgemisch und extrahiert so die Empfangsinformation. Dieses komplexe Verfahren wird übrigens auch bei ISDN verwendet.

V.32bis (14 400 BPS)

Durch eine nochmalige Erhöhung der Schrittgeschwindigkeit (2400 Baud) und die Hinzunahme weiterer Phasenwinkel wird mit dem Trellis-Verfahren (128 Zustände, 6 Datenbits, 1 Redundanzbit) diese phantastische Geschwindigkeit erreicht. Der Aufwand an Elektronik ist hier aber auch beträchtlich. Normalerweise enthalten die Modems entweder spezielle Schaltkreise oder bedienen sich eines digitalen Signalprozessors. V.32bis weist ebenso wie V.32 einen Fall-Back-Mode von 4800 BPS auf. Einige Hersteller kommen durch Abwandlung des Verfahrens auf noch höhere Datenraten (bis 19200 BPS). Der Datenaustausch kann mit den höheren Raten aber nur zwischen Modems desselben Herstellers erfolgen.

V.32terbo (19200 BPS)

Durch Modifikation des V.32bis kann die Übertragungsrate auf 16800 BPS und 19200 BPS erhöht werden. Dazu wird wieder mit dem Trellis-Verfahren gearbeitet, aber die Anzahl der Bits auf 7 bzw. 8 erhöht, wobei die Zuordnung der Amplitude und Phasensprünge nichtlinear erfolgt, um die Decodierung auf Empfängerseite zu erleichtern. Nichtlineare Verzerrungen lassen sich so besser "ausfiltern".

V.34 (V.fast)

Dieser Standard wurde erst im Sommer 1994 verabschiedet. Er definiert eine Vollduplex-Übertragung von 28800 BPS mit Quadratur-Amplitudenmodulation und Kanaltrennung durch Echokompensation. Ein dynamischer Anpassungsprozeß soll dem Modem die optimale Datenübertragung ermöglichen. Die Symbolraten liegen bereits an der Grenze des Möglichen, sie betragen je nach Übertragungsrate:

  • 2400 Baud (2400, 4800, 7200, 9600, 12000, 14400, 16800, 19200, 21600 BPS)
  • 3000 Baud (4800, 7200, 9600, 12000, 14400, 16800, 19200, 21600, 26400 BPS)
  • 3200 Baud (4800, 7200, 9600, 12000, 14400, 16800, 19200, 21600, 26400, 28800 BPS).
Weitere Eingenschaften des V.34-Standards in Stichworten:
  • Negotiation Handshake gemäß V.8 beschleunigt den Verbindungsaufbau. Mittels V.21-Modulation tauschen die Modems alle wichtigen Informationen aus. Bei anderen Modems auf der Gegenseite erfolgt das Training wie bisher.
  • Line Probing sorgt für die Unterdrückung von Leitungsstörungen. Dabei analysiert der Empfänger festgelegte Testsignale (150 bis 3750 HZ in 150-Hz-Sprüngen) und liefert dem Sender Parameter für die Signalcodierung. Die Leitungsparameter werden auch während einer Übertragung periodisch gemessen, was es erlaubt auf Änderungen der Leitungscharakteristik zu reagieren.
  • Non-linear Encoding sorgt für optimale Decodierungsmöglichkeiten beim Empfänger. Die Codierung beim Sender wird entsprechend der beim Line Probing ermittelten Parameter an die Leitungsverzerrungen angepaßt.
  • Precoding und Pre-Emphasis dienen dazu, Amplitudenverzerrungen durch Vorverzerrung des Signals beim Sender auszugleichen. Mit Pre-Emphasis kann das Signalspektrum in Teilbereichen verstärkt oder abgeschwächt werden.
  • Shell Mapping zur gleichmäßigen Verteilung der Signalpunkte im Phasenstern.
  • Rate Renegotiation erlaubt die Anpassung der Datenrate an die Leitungsgegebenheiten auch während einer Verbindung.
  • Adaptive Power Control wählt den optimalen Signalpegel aus. Einerseits möglichst hoch, um den Rauschabstand zu vergrößern, andererseits niedrig genug, damit sich der Sender durch Hall-Effekte nicht selbst stört.

V.90

Zu Beginn 1977 passierte etwas, was Nachrichtentechniker bis dahin für unmöglich gehalten hatten: Analoge Modems überschritten die Grenze von 33,6-kBit/s. 'Fast so schnell wie ISDN' hieß es bei der Einführung der 56k-Techniken. Mittlerweile gibt es gleich drei davon, doch längst nicht jeder wird damit glücklich. Anfang 1997 hatte Rockwell gemeinsam mit Motorola und Lucent sowie US Robotics zwei Techniken namens K56flex und X2 vorgestellt, mit denen analoge Modems mit bis zu 56 kBit/s Daten beziehen konnten. Obwohl beiden Verfahren dasselbe Prinzip zugrunde liegt, unterschieden sie sich in wichtigen Details und waren nicht kompatibel. Im Februar trafen sich alle Beteiligten ein weiteres Mal, um ein einheitliches Verfahren festzulegen: V.90.

Auf den ersten Blick scheint es, als würden 56k-Modems die durch das Shannon'sche Theorem festgelegte Grenze überschreiten, doch bei genauerem Hinsehen bleibt Shannons Beweis weiterhin gültig. Die 56k-Datenkommunikation basiert nämlich auf einem anderen Prinzip als das der herkömmlichen analogen Modems. 56K-Geräte nutzen die Tatsache, daß der Host beim Provider und die Vermittlungsstelle, an der der Benutzer angeschlossen ist, über eine digitale Leitung verbunden sind. Dementsprechend überträgt der Host die Daten bis dahin digital; erst in der Vermittlungsstelle werden sie in ein analoges Signal gewandelt - die Vermittlungsstelle wird sozusagen zum vorgelagerten Line-Interface des 56k-Senders.

Die Verbindung zwischen Vermittlungsstelle und Benutzer ist jedoch so kurz, daß die Daten zwar analog, jedoch nicht mittels Modulation der Phase und Amplitude eines Trägersignals übertragen werden müssen, sondern als Spannungswerte gesendet werden können. Damit sind die höheren Geschwindigkeiten möglich, jedoch nur in Richtung vom Host zum Modem. Umgekehrt werden die Daten nach herkömmlichen Verfahren, also mit maximal 33,6 kBit/s transportiert.
V.90-Modems handeln unabh„ngig vom Hersteller der angerufenen V.90-Gegenstelle Verbindungen im 56K-Modus aus. Sofern die Leitungsqualit„t gengt, lassen sich dann herstellerunabh„ngig Daten von einem 56K-Host mit bis zu 56 000 Bit/s laden. Geblieben sind die 56K-Voraussetzungen: Ein 56K-Modem, auch Client genannt, kann Daten mit bis zu 56 000 Bit/s nur von sogenannten 56K-Hosts empfangen. Untereinander bauen 56K-Clients nur V.34-Verbindungen mit maximal 33,6 kBit/s auf. Die 56K-Technik eignet sich daher speziell fr Internet-Anbieter, stellenweise dienen aber auch Mailboxen damit.

Eine Datenrate von 56 kBit/s setzt allerdings eine ideale Verbindung zwischen Vermittlungsstelle und Telefondose voraus. In der Praxis ist diese Verbindung jedoch gewöhnlich Störungen ausgesetzt, so daß die maximal mögliche Übertragungsrate kaum erreicht wird. Dies hat V.90, X2 und K56flex in Verruf gebracht. Das geht so weit, daß Kunden zum Kauf von V.34-Modems geraten wurde, da die schnelleren Modems keine höhere Datenrate liefern würden. Kein Modem-Standard kann die maximale Connect-Rate garantieren, denn sie ist von den von Leitung zu Leitung wechselnden Übertragungseigenschaften abhängig.

Zusammenfassung Modulationsverfahren

ITU-Empfehlungmaximale Schrittgeschw. (Baud)maximale Bitrate (bps)Modulations Verfahren
V.21 300 300 2 FSK
V.22 600 1200 4 FSK
V.22bis 600 2400 16 QAM
V.27ter 1600 4800 8 PSK
V.29 2400 9600 16 QAM
V.32 2400 9600 32 QAM
V.32bis 2400 14400 128 QAM
V.34 3229 33600 960 QAM

 

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