Modulator. Digitales Signal(t) Modulationsarten: - Amplitudenmoulation, Frequenzmodulation, Phasenmodulation, hybride Verfahren...

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1 8. Modulation Eine Form der Signaldimensionierung. Rechtecksignale haben ein sehr breites Spektrum. Das digitale Signal soll deshalb nicht direkt und ungefiltert auf die Leitung. Digital anfallende Information einer Trägerschwingung aufprägen: Modulator Träger/Carrier Moduliertes Signal(t) Digitales Signal(t) Modulationsarten: - Amplitudenmoulation, Frequenzmodulation, Phasenmodulation, hybride Verfahren... Auf dem Wählnetz sind heute Kbit pro Sekunde möglich: - Absenken der Datenrate bei schlechter Leitung, - Aufwendige Signalverarbeitung (DSPs), Trelliscoding. Nota Bene: Bit/sec. Hz Bandbreite Rechnernetze II, So, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

2 8. Modemstrecke: "Modem" für Modulator/Demodulator. Modem moduliert Modem Trägerfrequenz auf der Telefonleitung Digitales Signal unmoduliert Terminal Terminal Schnittstelle zwischen Rechner/Terminal z.b. V.. Verbindungsaufbau: - Standleitung, Verbindungsaufbau entfällt, - Wählleitung mit assoziierter Wahl, - Integrierte Wähleinrichtung... Für kurze Distanzen genügt sogar ein sogenanntes Basisbandmodem, welches nur eine Codierung, aber keine Trägerschwingung verwendet. Rechnernetze II, So, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

3 8. Amplitude Shift Keying (ASK) m(t) = (A +a(t)) sin( ω t ) Amplitudenmodulation (vgl. AM-Rundfunk) : - a(t) ist das modulierende (Daten)-Signal, - sin( ω t ) ist die Trägerschwingung, - m(t) ist moduliertes Signal. keying bedeutet: - Trägerschwingung ein/ausschalten, - Trägerschwingung umschalten, - Umschaltrate = Symbolrate, - tasten, umtasten. A t A Rechnernetze II, So, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

4 8. Frequency Shift Keying (FSK) m(t) = A sin( (ω +a(t)) t ) Frequenzmodulation (vgl. FM-Rundfunk) : - a(t) ist das modulierende (Daten)-Signal, - sin( ω t ) ist die Trägerschwingung, - m(t) ist das modulierte Signal. V.-Modem: - bps vollduplex. - Space () and Mark () - Echo-Unterdrückung abschaltbar, Originate-Seite: - 98 / 8 Hz - (Bell : 7/7), Answer-Seite - 6 / 8 Hz - (Bell : /), A A t Rechnernetze II, So, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

5 8. Phase Shift Keying (PSK) m(t) = A sin( ω t +a(t) ) Phasenmodulation: - evtl. synchrone Trägerschwingung als Referenz (=> Augenmuster), - oder auch asynchroner Träger, - 8 = Space (), - = Mark ()... Phasendiagramm: - Winkel = Phasenlage, - Länge = Amplitude... - t ~8 ~ in Phase Differentielles PSK: - Phasenschritt für binäre "", - Kein Schritt für binäre "", - Oder umgekehrt Rechnernetze II, So, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

6 8. Modems im Fernmeldenetz V. / Bell für bps, siehe oben. DiBit PSK (DPSK, V.,) - Bell A: 6 bit/s - auch QPSK: Quadrature phase shift keying, - 6 baud, bit/s, V.bis mit bit/s: - Fallback nach FSK falls schlechte Leitung, Phasendiagamm: DiBit Phasen-Shift = 9 Q = 8 = = 7 Die Interoperabilität zwischen Modems verschiedener Hersteller ist von grosser Bedeutung. 6 Rechnernetze II, So, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

7 8.6 Quadratur Amplituden Modulation (QAM) QAM Phasendiagramm: - Amplitude modulieren, - Und gleichzeitg auch die Phase, - Viele Variationen im praktischen Gebrauch, - hier 6 Konstellationspunkte ( Bit/Symbol), - Bei schlechter Leitungsqualität zurückfallen auf weniger Punkte Amplitude und Phase ergeben Code-Vektor - Anzahl der Konstellationen von Phase/Amplitude - Enscheidungsregionen um einen Punkt herum, - Beim Entscheiden Fehlervektor minimieren. 7 Rechnernetze II, So, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

8 8.7 6 kbit/s Modems nach V.9 Empfehlung Nur für spezielle Netzwerkkonfiguration (ISDN), - Bei optimaler Leitung: 6 kbit/s downstream, max..6 upstream. - Vorläufersysteme: US Robotics: x, Rockwell: K6flex, SoftK6, Leitung aus 'analoger' Sicht des klientenseitigen 6k Modems: DSP client-modem linear ADC Filter analoge Teilnehmeranschlußleitung Einzelheiten in späterem Kapitel. Vermittlung Filter G.7 dec. ISDN server-modem DSP UART Es wird ausgenutzt, dass beim Zugangsknoten des Providers die Daten direkt digital übernommen werden können. 8 Rechnernetze II, So, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

9 8.8 Trellis Coded Modulation Gottfried Ungerböck, IBM Rüschlikon: - db Verlust durch Bit mehr pro Symbol, - 6 db Gewinn durch Kodierung, - trellis = dt. Spalier: Zustandsautomat: - mehr Konstellationspunkte als gültige Symbole, - Zustand bestimmt die Untermenge der zulässigen Folgesymbole. Der Empfänger sucht sich den Pfad in der Codierungsebene, der dem empfangenen Signal am nächsten kommt. 9 Rechnernetze II, So, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

10 Hinzufügen der nötigen Redundanz z.b. mit Faltungscodierer: - Codierer als endlicher Automat/Zustandsmaschine, - x Redundanzbits hinzugefügt, - k Nutzbits am Eingang. k Eingabebits Codierer x+k Ausgabebits Umkehrung der Codierung im Empfänger: - entweder Fehlerkorrektur pro Symbol, - oder pro Symbolgruppe. Rechnernetze II, So, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

11 8.8. Beispiel: Faltungskodierer mit r=, Codierungs-Rate r: uncodierte Bits / codierte Bits z.b Codierungsrate, mit Bit Gedächtnis: + S S S + Ablauf der Beispiel-Codierung: ( -> ), ( ->), ( ->), ( ->), ( ->), ( ->) oder V. Codierungsrate r = /: - 6 Codeworte ( Bit), QAM-Punkte ( Bit), - (Q,Q, Q, Q) -> (Y, Y, Y, Q, Q) Viterbi-Pfadlänge: *Länge des Faltungskodierers =.. 6 Rechnernetze II, So, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

12 8.8. Trellis-Diagramm: A B C D 6 6 Codierte Nachricht: Störung: Empfänger entscheidet rückwärts: - Viterbi Verfahren: sucht den Pfad mit minimalem Fehlergewicht, - d.h. mit minimaler Anzahl Bitfehler, - verzögerte Entscheidung. Rechnernetze II, So, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

13 Auch mehr als ein Fehler kann korrigiert werden. Im Beispiel ergibt keiner der Pfade Fehlersumme. In der Praxis wesentlich komplexere Code-Räume. Rechnernetze II, So, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess A B C D 6 6

14 Asynchroner Betrieb - Kennzeichnung der Bytes wie V., - Startbit, Parität, Stopbit(s) Mark Synchrone Modems - Keine Start/Stop Bits als Rahmung (Framing), 8.9 Vermischte Modemgesichtspunkte Space - Protokoll unterscheidet Idle & Nutzdaten, z.b. mit HDLC-Framing. Funktionen der Senderseite: - Equalizer präkompensiert Amplitude & Delay, - Scrambler (genug / Übergänge), D/A-Wandler und Tiefpass, - Trägerschwingung modulieren, - Takt erzeugen, Funktionen des Empfängers - adaptiver Equalizer wird gesteuert vom Demodulator - Taktrückgewinnung, Demodulator, Descrambler. MNP: MicroCom Networking Protocol - Paketisierung: Fehlererkennung und Korrektur - V.: CRC, LAP/B, Kompression mit LZ77 t Rechnernetze II, So, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess

15 z.b. V.9 (96 bit/s) hdx, in Fax-Geräten: - Bit pro Symbol, - Bit bestimmt Amplitude, - Bit,, wählen die Phase, - Hilfskanal moduliert Fehlervektor. V.: Daten mit 9.6 bit/s - Baud, bit pro Symbol - Hz, 8 Hz Trägerfrequenzen - Echounterdrückung für Vollduplexbetrieb - 6-Konstellation ohne Trellis-Codierung. => 6 - Hz Bandbreite V. mit Trellis-codierter Modulation (TCM) - arbeiten mit unsicheren Signalniveaus, - Konstellationspunkte... V. (V.fast): 8.8 bzw..6 bit/s - 9 Baud, 9 bit, 8 Konstellationspunkte - dreidimensionale Trellis-Codierung - Trägerfrequenz 99 Hz. Digitales Backbone-Netz - Signal auf weiten Strecken als PCM übertragen - nur Vermittlung und Anschlußleitung analog. Rechnernetze II, So, VS Infvormatik, Uni Ulm, P. Schulthess