Andres Keller Datenübertragung im Kabelnetz

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1 Andres Keller Datenübertragung im Kabelnetz

2 Andres Keller Datenübertragung im Kabelnetz DOCSIS über Hybrid-Fibre-Coax Korrigierter Nachdruck 13

3 Andres Keller Cablecom GmbH Zollstr Zürich Switzerland andres.keller@cablecom.ch Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN Springer Berlin Heidelberg New York ISBN Springer Berlin Heidelberg New York Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de Springer-Verlag Berlin Heidelberg 005 Printed in Germany Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. din, vdi, vde) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Einbandgestaltung: Struve & Partner, Heidelberg Satz: Digitale Daten des Autors Herstellung: medionet AG, Berlin Gedruckt auf säurefreiem Papier 68/

4 Vorwort DOCSIS ist ein sehr komplexes, vollständig auf die Besonderheiten des Kabelnetzes ausgerichtetes Übertragungsverfahren. Die Entwicklung von DOCSIS ist von den CableLabs 1 initiiert und in Zusammenarbeit mit den Lieferanten vorangetrieben worden. Die Anforderungen an die Übertragungstechnik im Rückwärtsweg eines Kabelnetzes sind vergleichbar mit denjenigen des Mobiltelefons. Auch im Kabelnetz werden die übertragenen Signale gestört. Erschwerend ist aber, dass beim Kabelnetz zusätzlich Nichtlinearitäten im Übertragungsweg als Störquelle auftreten können. Deshalb ist dem technischen Zustand und der Verfügbarkeit des Netzes gebührend Beachtung zu schenken. Nur ein Netz in gutem Zustand kann die attraktiven Möglichkeiten der digitalen Übertragung in beiden Richtungen voll nutzen. Der Rückwärtsweg braucht permanenten Unterhalt, da ihn alle Teilnehmer gemeinsam benützen. Schon bevor DOCSIS bereitstand, kamen erste Versuche mit Kabelmodems zustande. Sie basierten zur Hauptsache auf der bekannten Koax LAN Technologie. Diese Projekte waren aber wegen der großen geografischen Ausdehnung, der simplen Zugrifftechnik und der Anfälligkeit auf Ingress noch Pionierlösungen. Deshalb kündigten Anfang 1996 in den USA vier Kabelnetzbetreiber (TCI, Time Warner, Cox und Comcast) die Initiative Multimedia Cable Network Systems (MCNS) an. Ziel war es, Spezifikationen für ein Kabelmodem zu erarbeiten. In der Folge übernahmen die CableLabs, ein Tochterunternehmen verschiedener Kabelnetzbetreiber in den USA, die Koordination der Arbeiten. Nach insgesamt zwei Jahren Entwicklungszeit wurde 1998 der DOCSIS Standard verabschiedet. Die International Telecommunications Union (ITU) übernahm einen großen Teil des DOCSIS Standards als Norm J11-B. Später, nach Vorliegen der positiven Ergebnisse von DOCSIS, hat sich Europa mit wenigen Anpassungen DOCSIS angeschlossen. Dieser Abkömmling heißt EuroDOCSIS und ist in den CableLabs Spezifikationen mitspezifiziert. Die Spezifikationen von DOCSIS sind sehr umfangreich und unter publiziert. Diese Schrift soll die DOCSIS Technologie mit Schwerpunkt auf dem physischen Layer in den Zusammenhang mit dem Kabelnetz stellen. Es setzt gewisse Kenntnisse der Mathematik und der Nachrichtentechnik voraus und geht auf die systemspezifischen Details des Kabelnetzes und der DOCSIS Übertragungstechnik ein, soweit ein Bezug zum physischen Layer besteht. 1

5 VI Vorwort Der Autor hat versucht, wo möglich deutsche Bezeichnungen zu verwenden. Bei einigen englischsprachigen und bereits eingeführten Fachbegriffen wurde allerdings lediglich die deutsche Übersetzung angemerkt. Insbesondere bei den Show Cable Befehlen zur Auslesung von Daten aus CMTS und Modem wurde auf eine Übersetzung völlig verzichtet, da das Verständnis der englischen Sprache für die Show Cable Befehle sowieso Voraussetzung ist. Meiner Frau Susi danke ich für die Unterstützung bei der Ausarbeitung dieses Buches und für das Verständnis, das sie meiner Arbeit entgegen gebracht hat. Hombrechtikon, Juni, 004 Andres Keller

6 Inhalt 1 Einleitung Besonderheit Kabelnetz Begriff der Bandbreite Rauschen bei analoger und digitaler Übertragung...3 Qualitätsanforderungen an das HFC-Kabelnetz Einführung...5. Pegelrechnung Definitionen Absoluter Pegel Pegeltoleranz Pegelunterschied Rauschen Widerstandsrauschen Andere Arten des Rauschens Intermodulation CSO, CTB Normen und Spezifikationen Gesetz und Verordnung (Sammlung am Bsp. der Schweiz) Fremde Gesetzgebung (informativ von Bedeutung) Normen Elektromagnetische Verträglichkeit EMV Einstrahlung und Abstrahlung Ingress Radiowellen Technischer Aufbau des Kabelnetzes Technisches Konzept Aufbau des Kabelnetzes Glasfaserübertragung Kopfstation - Hub - Node Koaxiales Verteilnetz... 4 Analoge Modulation Frequenzbänder Amplitudenmodulation Spezielle Formen der Amplitudenmodulation Restseitenband-Modulation (Vestigial Sideband)...34

7 VIII Inhalt 4.5 Frequenzmodulation und Phasenmodulation Digitale Modulation Einführung Digitale Zahlendarstellung Datenrate Konstellationsdiagramm Wirkung von Störungen auf QAM Modulation Error Ratio MER Definition Ursachen Bitfehlerrate BER Zusammenhang MER und BER Umrechnung E b /N o in C/N Abriss der Informationstheorie Einführung Beispiele und Definitionen Zum Informationsgehalt digitaler Signale Informationsgehalt analoger Signale Codierungstheorie Definitionen und Begriffe Informationsübertragung Fehlerschutz Einführung Fehlererkennung Fehlerkorrektur Analoge Übertragung im Kabelnetz Rauschen Frequenzgang (lineare Verzerrungen) Intermodulation (nichtlineare Verzerrungen) Gruppenlaufzeit Brumm Reflexionen Protokolle Zweck von Protokollen Das OSI-Schichtenmodell Ethernet IP Protokoll Version IPv TCP Protokoll Internet Protokoll Architektur Unterscheidung von Netzen nach Zugriffsart Allgemeine Zugriffsverfahren... 83

8 IX Zeitmultiplex Frequenzmultiplex Spread Spectrum Spezielle Zugriffsverfahren Unterscheidung von Netzen nach Vermittlungsart Leitungsvermittlung Speichervermittlung Basisspezifikation für das Kabelnetz Frequenzbandbelegung DOCSIS Qualitätsanforderungen Auszug aus DOCSIS 1.1 Spezifikation Auszug aus EuroDOCSIS 1.1 Spezifikation Zusatzanforderungen bei DOCSIS Definition Rauschabstand für DOCSIS im Upstream Spektrum-Überwachungssystem DOCSIS Betriebs-Geräuschabstand im Upstream Zielkriterien für den logischen Layer Weitere Entwicklung von DOCSIS DOCSIS Versionen Einführung DOCSIS DOCSIS DOCSIS Störungsunterdrückung durch Filter (ICF) Verbesserte Entzerrung für A-TDMA Verbesserte Burst-Acqusition für A-TDMA Verbesserte Fehlerkorrektur für Impulsstörungen S-CDMA Belegung des physischen DOCSIS Layers Varianten der DOCSIS-Kanalcodierung Übersicht DOCSIS Netz DOCSIS Referenz-Schema Verbindung zwischen Modem und CMTS Übersicht Erstmalige Anmeldung eines Modems beim CMTS Installation Downstream Kanalsuche Das Kabelmodem wartet auf SYNC Message Das Kabelmodem beschafft die Upstream Parameter Initial Ranging Automatische Modemeinstellung Zulassungsprozess Bandbreitenanforderung...111

9 X Inhalt 1..9 Bandbreiten-Zuweisungstabelle MAP IP-Verbindungsfähigkeit Time of Day Übertragung der Betriebsparameter Registrierung Baseline Privacy Einzelheiten zum Ranging Ranging-Ablauf Einstellen der Sendeleistung am Kabelmodem Contention Resolution Zusammenhang Ticks, Mini-Slots und Symbole Zugriffsverfahren im Rückweg Timeout Zähler Grenzen des Datendurchsatzes Im Downstream Im Upstream Aufbauen des IP-Layers Registrierung Data Link Encryption Quality of Service MAC Layer Fragmentation MAC Layer Concatenation Präambel Forward Error Correction Fehlerschutz im Downstream Fehlerschutz im Upstream Interleaving Aufgabe des Interleavings Interleaving im Downstream Interleaving im Upstream Scrambling Upstream Vergleich DOCSIS 1.x und Zusammenfassung der Modem Zustände Gestörte DOCSIS-Übertragung Ungenaue Pegelung im Vorwärtsweg Pegelfehler Im Downstream Schlechter Geräuschabstand Schlechtes Carrier-to-Junk-Ratio Headend Zusammenschaltung Zuviele Nodes auf einem Upstream Port Zuviele Kabelmodems an einem Upstream Port Mikroreflexionen Gruppenlaufzeit Common Path Distortion Laser Clipping

10 XI 13.1 Störungen durch Schwachstellen Material und Installation Planung, Material und Einstellungen Materialmängel und Alterung Äussere Ursachen für Ingress (Man Made Noise) Auswertungen aus CMTS und Kabelmodem Rauschabstand Downstream SNR Rauschabstand Upstream SNR Ermittlung der Codeword Error Rate CER Flap-List Insertions Hits and Misses Power Adjustments Auswertung Show Cable Abfrage Show cable Hop CPU Auslastung im CMTS Ausgewertete technische Informationen von CISCO Erhöhte Anforderungen an den Netzunterhalt Störungsbehebung Präventiv-Unterhalt Modifikationen Netz Upgrade Mitarbeiterschulung Die Besonderheit im Zweiwegnetz Fehlersuche durch Korrelation von Informationen Fehlersuche durch geografische Darstellung Flankierende Massnahmen Abfiltern von Liegenschaften ohne Zweiwegdienste Einsatz von Ingressblockern Objektive Funktionsüberwachung im DOCSIS Netz...17 Literaturverzeichnis...175

11 1 Einleitung 1.1 Besonderheit Kabelnetz Schon immer wurde das Kabelfernsehnetz zur Hauptsache aus den zwei Komponenten Koaxialkabel und Breitbandverstärker gebaut. Die auf dem Kabelfernsehnetz übertragenen Fernsehsignale unterscheiden sich dabei nicht von den terrestrisch übertragenen Signalen, aber die erreichbare Übertragungsqualität ist besser, und es können weit mehr Programme übertragen werden. Der Grund dafür ist technologischer Natur. Ein Koaxialkabel besteht aus einem Draht (meist Kupfer), welcher zylindrisch von Isoliermaterial (Dielektrikum, meist Polyäthylen) umgeben ist, das wiederum zylindrisch von einem metallischen Schirm (Rohr, Folie und/oder Geflecht, meist aus Kupfer oder Aluminium) umhüllt wird. Das elektrische Signal breitet sich im Koaxialkabel genauso aus, wie entlang jedem anderen Draht, aber es hat im Vergleich zu beispielsweise Zweidrahtleitungen zwei entscheidende Vorteile, welche Fernsehsignale weit effizienter transportieren. Erstens führt das Koaxialkabel die Signale, dank abgeschirmter Leitung, sicher getrennt von drahtlos durch die Luft übertragenen Signalen mit gleicher Frequenz. Das heißt Koaxialkabel strahlen die übertragenen Signale weder in die Umgebung ab noch nehmen sie aus der Umgebung Signale auf 1. Zweitens übertragen Koaxialkabel sehr effizient und mit großer Bandbreite bei vergleichsweise geringer Dämpfung. Fundamentale Einschränkung ist aber, dass das Koaxialkabel höhere Frequenzen mehr abschwächt. Die Kabeldämpfung, welche in db pro Längeneinheit angegeben wird, steigt mit der Wurzel aus der Frequenz. Ein Signal mit vierfacher Frequenz erleidet vergleichsweise die doppelte Dämpfung. F A = A1 (1.1) F1 Man kann nicht sagen, dass eine Leitung (Zweidraht oder Koax) nur eine bestimmte Bandbreite übertragen kann. Vielmehr fällt mit zunehmender Bandbreite die realisierbare Leitungslänge, da eben mit steigender Frequenz die Dämpfung ansteigt. Die Grenzen von Bandbreite und Leitungslänge werden durch das Rauschen bestimmt. Mit zunehmender Länge und zunehmender Frequenz wird das Signal zunehmend schwächer, bis es schließlich im Rauschen verschwindet. Dabei 1 Diese idealisierte Darstellung erfährt in der Praxis eine Relativierung zufolge endlicher Abschirmwirkung. Man beschreibt die Effizienz der Abschirmwirkung einer koaxialen Leitung mit dem Schirmungsmaß [db].

12 1 Einleitung spielt das angewendete Modulationsverfahren eine wesentliche Rolle. So gesehen ist die Bandbreite allein nicht das absolute Maß für die mit einer bestimmten Leitungstechnologie übertragbaren Informationsmenge. Ein besseres Maß bei digitaler Übertragung ist die Kapazität, welche die Bandbreite und das Modulationsverfahren berücksichtigt. Die Kapazität wird in Bits pro Zeiteinheit (Bps, Bit pro Sekunde) angegeben, und die bestimmenden Größen sind Bandbreite, Modulationsverfahren und Rauschen. Diese fundamentale Beziehung hat Shannon in folgender Formel beschrieben: P C = B log 1+ N wobei C : Kapazität [Bps] B : Bandbreite [Hz] P : Signalleistung [W] N : Rauschleistung [W] (1.) In der Praxis bestimmt das verwendete Modulationsverfahren (z.b. Frequenzmodulation oder Amplitudenmodulation; QPSK oder 64QAM) den notwendigen Rauschabstand und damit die realisierbare Bandbreite. Diese Optimierung ist ein zentraler Vorgang in der Übertragungstechnik. Einmal festgelegt, dominiert diese Spezifikation die Bestimmung aller weiteren Parameter. Im Falle des Kabelfernsehens wurde bereits vor langer Zeit für die Übertragung der analogen Programme der Rauschabstand und die Bandbreite festgelegt. Im Zuge von Netzumbauten waren allerdings noch einige Korrekturen möglich. Deshalb musste für die digitale Übertragung im Kabelnetz die Übertragungstechnologie genau angepasst werden. DOCSIS ist der für die digitale Übertragung festgelegte Standard und PAL derjenige für analoge Fernsehübertragung. 1. Begriff der Bandbreite Unter Bandbreite kann man ganz Verschiedenes verstehen. Manchmal wird Bandbreite im Zusammenhang mit digitalen, manchmal aber auch mit analogen Signalen verwendet. Einmal handelt es sich um eine Bitratenbandbreite, ein anderes Mal aber um eine Frequenzbandbreite. Hier einige Beispiele: Kabelnetz-Übertragungsbandbreite: Vorwärts, z.b MHz, Rückwärts, z.b MHz, Fernsehkanalbreite (Kanalabstand): Europa, VHF: 7 MHz, UHF: 8 MHz, USA, generell: 6 MHz, Fernsehsignalbandbreite (Modulationsbandbreite), UKW-Kanalabstand, z.b. 300 KHz, FM-Signalbandbreite ( mal Hub plus mal maximale Modulationsfrequenz),

13 1.3 Rauschen bei analoger und digitaler Übertragung 3 Internet-Zugangsbandbreite, z.b. 51 kbps, Telefon-Modem, z.b. 56 kbps, SDH.5 GBps. 1.3 Rauschen bei analoger und digitaler Übertragung Abbildung 1.1 und Abb. 1. zeigen den Unterschied von analoger und digitaler Übertragung bezüglich kleiner werdendem Rauschabstand am Beispiel eines Fernsehbildes. Die digitale Übertragung mag sehr viel länger die gute Bildqualität zu halten, bricht dann aber im Gegensatz zur analogen Übertragung plötzlich ab. Vorher zeigt sich der typische Poster -Effekt, bei dem einzelne Elemente des Bildtransports aussetzen. 45 db CNR 35 db CNR 5 db CNR 0 db CNR Abb Sinkender Rauschabstand (CNR) bei analoger Übertragung. Die Sichtbarkeit des Rauschens im Bild steigt kontinuierlich an (Bilder: Christian Keller)

14 4 1 Einleitung 34 db MER 3 db MER db MER 0 db MER Abb. 1.. Sinkender Rauschabstand (MER) bei digitaler Übertragung. Ansteigendes Rauschen führt zuerst zu keiner Verschlechterung der Bildqualität, bis dann bei einem weiteren Anstieg des Rauschens plötzlich eine Posterisierung einsetzt und das Bild sehr rasch nicht mehr dargestellt werden kann (Bilder: Christian Keller)

15 Qualitätsanforderungen an das HFC-Kabelnetz.1 Einführung Voraussetzung für die Datenübertragung mit DOCSIS 1 ist ein HFC-Netz, welches für die Übertragung von analogen Fernsehprogrammen geplant und gebaut ist gut gewartet ist für die Übertragung des Rückweges eingerichtet ist. Der Rückweg benötigt zudem eine wirksame Überwachung, um die zur Hauptsache aus den Wohnungen stammende Einstreuung von Störsignalen (Ingress) unter Kontrolle zu halten. Die anzuwendenden Spezifikationen sind in der europäischen Norm EN festgehalten. Überdies liegen Empfehlungen der ECCA vor. Aufgrund dieser beiden Papiere macht es Sinn, Richtlinien in Kraft zu setzen, welche auf einer Sollvorgabe der Note für die Bildqualität bei analoger Übertragung beruhen.. Pegelrechnung..1 Definitionen Bei der Angabe von Verstärkungen und Dämpfungen handelt es sich immer um grosse Werte, in der Praxis um Faktoren zwischen 10 und 1'000. Da Multiplikation und Division unpraktisch sind, rechnet man mit den logarithmierten Grössen und nennt diese Einheiten Dezibel. Man erhält dann kleinere Werte für Verstärkung, Dämpfung und Pegel und muss nur noch addieren bzw. subtrahieren. In der Übertragungstechnik sind die Pegel immer an einen Wellenwiderstand (Impedanz) gebunden. Das Kabelfernsehen hat den Wellenwiderstand von 75 standardisiert. Das Leistungsverhältnis a ergibt sich so zu: 1 Data-Over-Cable Service Interface Specification European Cable and Communications Association 3 Noten 1 (unbrauchbar) bis 5 (sehr gut), Note 4.5 entspricht gut bis sehr gut

16 6 Qualitätsanforderungen an das HFC-Kabelnetz a = 10 log P P 1 oder das Spannungsverhältnis am gleichen Wellenwiderstand R: [db] (.1) U U R R U U U 1 U 1 1 a = 10 log = 10 log = 0 log R R [db] (.) Dabei ist anzumerken, dass die Pegelrechnung auf dem Vergleich von Leistung beruht, denn auch die Rechnung mit Spannungen geschieht am gleichen Widerstand. Sind die Impedanzen verschieden, beispielsweise 50 und 75, so ergibt sich folgende Beziehung in db: U U U U a = 10 log 10 log 0 log 0 log 1.76 = = U1 U = 1 50 U 1 U (.3) Das transformatorische Anpassglied 50 auf 75 verursacht hier, bezüglich Spannung betrachtet, eine Dämpfung von 1.76 db. Die Leistung ist aber, abgesehen von Verlusten, welche hier unbeachtet bleiben, konstant... Absoluter Pegel Es lassen sich also sehr elegant Leistungen und Spannungen in der db- Betrachtungsebene vergleichen. Dazu ist die Definition eines Referenzpegels nötig. In Europa wurde dieser Referenzpegel mit 1 µv als 0 dbµv festgelegt, und man kann nun alle Pegel auf diesen Wert beziehen. a = 0 log 100µ V 1V µ Demnach entsprechen 100 µv in der Dezibeldarstellung 40 dbµv. [db] (.4) In USA hat man 1 mv zu 0 dbmv definiert. Der Unterschied zum europäischen Referenzpegel beträgt also 60 db, entsprechend dem Tausenderschritt von µv zu mv. Pegel werden in dbµv oder dbmv angegeben, Dämpfung und Verstärkung dagegen in db.

17 . Pegelrechnung 7..3 Pegeltoleranz In einem Kabelnetz können Pegel in der Praxis vom Dimensionierungskonzept über Zeit und Frequenz abweichen. Die Ursachen liegen beim Material: Welligkeit der aktiven Komponenten Welligkeit des Verbindungsmaterials Welligkeit der passiven Komponenten Approximierung der Kabelentzerrer an das Kabel Regelabweichung und beim System (Netz): Kopfstellenfehler Messgenauigkeit Temperatureinfluss auf Kabel, Verstärker etc. Einstellfehler Die Pegeltoleranz ist eine Zusammenfassung der obenstehenden Abweichungen in Bezug auf Zeit und Frequenz. Es handelt sich dabei nicht um eine Addition (Worst Case), da sich Fehler auch kompensieren können. Die Toleranz ist eine Abschätzung, welche die obenerwähnten Punkte bezüglich deren Ursache pauschal mit einem Wert gewichtet. Es kann nützlich sein, dies für Abweichungen nach oben bzw. nach unten separat zu tun. An der Teilnehmerdose definiert man die Pegeltoleranz vernünftigerweise mit etwa 3 db. Dann sind folgende Pegelvorgaben sinnvoll: Grenzwerte Pegel TV, Planungsvorgabe: Grenzwerte Pegel TV, Messvorgabe: dbµv dbµv..4 Pegelunterschied Hier handelt es sich um den physisch messbaren Wert als Restfehler eines gepegelten und entzerrten Netzabschnittes. Der Pegelunterschied ist der Vergleich einer Momentaufnahme des Ist-Pegels, der sich zeitlich verändern kann, mit dem Soll-Pegel Referenzpegel im Vorwärtsweg (Downstream) Eine gute Praxis bei der Festsetzung der Referenzpegel im Vorwärtsweg zeigt nachstehende Liste: Bezug: Piloten oder bestimmte analoge Kanäle, gerade oder auf die Vorentzerrung gepegelt

18 8 Qualitätsanforderungen an das HFC-Kabelnetz PAL-Programm: Bildträger 0 db Tonträger 5.5 MHz -16 db Tonträger 5.74 MHz - db DVB-Transportstream: 64 QAM -10 db UKW-Programm: Stereo -9 db Mono -15 db Kabelmodem DOCSIS: 64 QAM -10 db..4. Referenzpegel im Rückwärtsweg (Upstream) In der Praxis haben sich folgende Referenzpegel im Rückweg bewährt: HFC optisch Systempegel im optischen Rückweg: OMI = 10% 4 HFC koaxial Systempegel am Eingang des RW-Verstärkers: 80 dbµv Dienstepegel Kabelmodem DOCSIS Upstream: - 4 db.3 Rauschen.3.1 Widerstandsrauschen Das thermische Rauschen (auch Johnson- oder Nyquist-Rauschen genannt) ist eine Folge der Brownschen Bewegungen der Ladungsträger in Wirkwiderständen und tritt bereits im stromlosen Zustand auf. Rauschleistung: N = 4 k T B R [W] (.5) Rauschspannung: E = k T B R [V] (.6) wobei k : Bolzmannsche Konstante ( Ws/ K ) T : absolute Temperatur [K], Raumtemperatur üblicherweise 93 K B : Bandbreite [Hz] R : Widerstand [] Die Rauschspannung am belasteten 75 Widerstand (nicht Quellen- Leerlaufspannung!) für Leistungsanpassung beträgt: Rauschpegel: R ( ) U = 0 log k T B R + 10 [dbµv] (.7) 4.00 MHz Bandbreite (NTSC): 4.75 MHz Bandbreite (B/G-PAL): 0.84 dbµv 1.59 dbµv 4 OMI: optical modulation index

19 .3 Rauschen 9 Diese Rauschleistung ist z.b. für die Berechnung des Rauschabstandes im Koax-Verstärker für die analoge Übertragung massgebend (siehe 7.1). Auf dieser Leistung setzen Rauschmass und Verstärkungsmass des Verstärkers auf: CNRVerstär ker = U Ausgang U R F G [db] (.8) wobei CNR : Rauschabstand (Carrier-to-Noise Ratio) U Ausgang : Verstärkerausgangsspannung [dbµv] F : Rauschmass des Verstärkers [db] G : Verstärkungsmass (Gain) [db] U R : Rauschpegel am Widerstand [dbµv] Das thermische Rauschen ist im HFC-Netz ein Qualitätsmerkmal, für das Spezifikationen definiert werden. Bei der digitalen Übertragung gelten andere Vorstellungen. Viel lieber setzt man die Energie pro Bit mit der Rauschleistung pro Hertz ins Verhältnis. So lässt sich das Rauschen viel besser für die digitalen Kanalcodierungs-Verfahren (z.b. QPSK, QAM) erfassen. Die digitale Welt interessiert sich vor allem für die Bitfehlerrate, welche vom Rauschabstand E b /N 0 abhängig ist. Vernünftig ist es, für Analog-TV ein Carrier-to-Noise Ratio 5 fest zu legen, welches grösser als 47 db ist..3. Andere Arten des Rauschens Schrottrauschen tritt da auf, wo Strom fliesst, aber nur dort, wo Ladungsträger eine Potentialschwelle mit ihrer kinetischen Energie überwinden müssen. Da diese Energie statistisch verteilt ist, schwankt der Strom ein wenig. Es rauscht. Beispiele: Sperrströme bei Dioden und Transistoren Photostrom und Dunkelstrom bei Photodioden und Vakuumphotozellen Anodenstrom von Hochvakuumröhren Stromrauschen entsteht bei Widerständen und steigt mit dem Strom an. Ursache ist die Zusammensetzung der Widerstandsschichten. Funkelrauschen ist bevorzugt in tiefen Frequenzbereichen (Hz bis khz) anzutreffen und steht im Zusammenhang mit der Qualität der Bauelemente (z.b. Elektronenröhren und Halbleiter). Lawinenrauschen ist bei oberhalb der Sperrspannung betriebenen Zener-Dioden, Gasentladungsröhren und Avalanche-Photodioden zu beobachten. 5 Signal-Rauschabstand in Trägerlage