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<META NAME="GENERATOR" CONTENT="LinuxDoc-Tools 0.9.65">
<TITLE>Linux Modem-HOWTO: Anhang A: Wie ein Modem technisch funktioniert (nicht fertiggestellt) </TITLE>
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<HR>
<H2><A NAME="DE-Modem-HOWTO-how_modems_work"></A> <A NAME="s17">17.</A> <A HREF="DE-Modem-HOWTO.html#toc17">Anhang A: Wie ein Modem technisch funktioniert (nicht fertiggestellt) </A></H2>
<H2><A NAME="DE-Modem-HOWTO-modulate_"></A> <A NAME="ss17.1">17.1</A> <A HREF="DE-Modem-HOWTO.html#toc17.1">Details zur Modulation </A>
</H2>
<H3>Einführung in die Technik der Modulation</H3>
<P> Unter Modulation versteht man die Konvertierung eines digitalen
Signals, das aus binären Bits (0 oder 1) besteht, in ein analoges
Signal, etwa eine Sinuskurve. Das modulierte Signal besteht aus einem
reinen sinusförmigen Trägersignal (engl. »Carrier«), das verändert
wird, um Informationen zu übertragen. Ein reines Trägersignal, das
sich weder in der Frequenz noch in der Amplitude verändert, überträgt
auch keinerlei Informationen (ausser, dass ein Trägersignal vorhanden
ist). Um das Trägersignal Informationen übertragen zu lassen,
verändern (oder »modulieren«) wir es. Es gibt drei wesentliche
Modulationstypen: Frequenzmodulation, Amplitudenmodulation und
Phasenmodulation. Diese Modulationstypen werden in den folgenden
Abschnitten erklärt.</P>
<H3>Frequenzmodulation</H3>
<P> Die einfachste Modulationsmethode ist die Frequenzmodulation. Die
Frequenz wird in der Einheit »Schwingungen pro Sekunde« angegeben. Es
ist die Anzahl, mit der sich z.B. eine Sinus-Schwingung
pro Sekunde wiederholt. Die Frequenz gibt an, wie oft pro Sekunde der
maximale Ausschlag erreicht wird. Die Einheit der Frequenz ist »Hertz«
(abgekürzt Hz, nach dem deutschen Physiker Heinrich Hertz).</P>
<P>Ein einfaches Beispiel für Frequenzmodulation bestünde etwa in der
Festlegung, dass eine bestimmte Frequenz eine 0 bedeutet, und
eine andere Frequenz bedeutet eine 1. Z.B. bedeutete bei einigen
(inzwischen überholten) 300 Baud-Modems eine Frequenz von 1070 Hz ein
binäre 0, während eine Frequenz von 1270 Hz eine binäre 1 darstellte
(»Frequency Shift Keying«). Anstelle von zwei möglichen Frequenzen
könnten aber auch mehr verwendet werden, um mehr Informationen zu
übertragen. Würden wir vier verschiedene Frequenzen verwenden (nennen
wir sie A, B, C und D), könnte jede Frequenz ein Bitpaar darstellen.
Um z.B. 00 zu senden, könnte man Frequenz A verwenden, für 01 die
Frequenz B, für 10 C und schließlich für 11 die Frequenz D. In
gleicher Weise könnten wir mit jedem Wechsel der Frequenz 3 Bits an
Information übertragen, wenn wir 8 verschiedene Frequenzen verwenden
würden. Jedesmal, wenn wir die Anzahl der möglichen Frequenzen
verdoppeln, können wir die Anzahl der übertragenen Bits um eins
erhöhen.</P>
<H3>Amplitudenmodulation</H3>
<P> Wenn man das obige Beispiel der Frequenzmodulation verstanden hat,
bei dem mehrere Bits mit einem einzigen Frequenzwechsel übertragen
werden, ist es einfacher, sowohl die Amplituden- als auch die
Phasenmodulation zu verstehen. Analog zur Änderung der Frequenz der
Sinus-Trägerschwinung verändert man bei der Amplitudenmodulation die
Amplitude (oder die Höhe der Spannung). Als einfachste Möglichkeit
könnten nur zwei mögliche Amplituden erlaubt sein, wobei die eine ein
0-Bit, die andere ein 1-Bit darstellt. Wie im Fall der
Frequenzmodulation erklärt, kann mehr Information übertragen werden,
wenn mehrere erlaubte Amplituden zur Verfügung stehen. </P>
<H3>Phasenmodulation</H3>
<P> Um die Phase einer Sinusschwingung zu einem bestimmten Zeitpunkt
zu verändern, stoppen wir das Senden der alten Sinusschwingung und
beginnen gleichzeitig mit dem Senden einer neuen Schwingung der
selben Frequenz und Amplitude. Wenn wir die neue Sinusschwingung mit
der gleichen Spannung (und der gleichen zeitlichen Änderungsrate, d.h.
mathematisch gesprochen mit dem gleichen Wert der 1. Ableitung)
starten, mit der die alte Schwingung gestoppt wurde, würde sich keine
Änderung der Phase (oder eine andere messbare Änderung) ergeben. Aber
nehmen wir mal an, wir würde die neue Sinusschwingung an einem anderen
Punkt der Sinuskurve starten. Dann würde wahrscheinlich ein
plötzlicher Spannungsprung zu dem Zeitpunkt auftreten, an dem die alte
Schwingung gestoppt wird und die neue beginnt. Dies ist eine
Phasenverschiebung, die in Grad gemessen wird. Eine Phasenverschiebung
von 0 Grad (oder 360 Grad) bedeutet keinerlei Änderung, während eine
Phasenverschiebung von 180 Grad die Spannung (und Steigung) der
Sinusschwingung invertiert. Anders ausgedrückt, bedeutet eine 180 Grad
Phasenverschiebung, dass eine halbe Periode (180 Grad) übersprungen wird.
Natürlich könnten wir auch 90 Grad oder 135 Grad überspringen, usw.
Wie im Beispiel der Frequenzmodulation erklärt, kann eine
Phasenverschiebung umso mehr Bits repräsentierten, je mehr mögliche
Werte für die Phasenverschiebung zur Verfügung stehen. </P>
<H3>Kombinationen der Modulationsarten</H3>
<P> Statt eine der drei möglichen Modulationsarten zu auszuwählen,
könnten wir auch mehrere Methoden kombinieren. Nehmen wir an, wir
hätten 256 mögliche Frequenzen zur Verfügung und könnten daher ein
Byte (8 Bits) bei jedem Frequenzwechsel übertragen (2 hoch 8 ergibt
256). Nehmem wir weiter an, dass wir 256 mögliche Amplituden zu
Verfügung haben, so dass jeder Wechsel der Amplitude ebenfalls ein
Byte repräsentiert. Nehmen wir auch noch an, dass 256 mögliche
Phasenverschiebungen erlaubt sind. Dann könnten wir zu einem
Zeitpunkt alle 3 Werte ändern. Bei jedem solchen Übergang würden
wir 3 Bytes an Information übertragen.</P>
<P>Tatsächlich funktioniert keine der heute üblichen Modulationsmethoden
auf diese Weise. Es würde zu lange dauern, um alle 3
Änderungstypen zu prüfen. Weit verbreitet ist allerdings die
gleichzeitige Änderung sowohl der Phase als auch der Amplitude. Dies
wird auch als Phasen-Amplituden Modulation bezeichnet (oder
quadratische Amplitudenmodulation, abgekürzt QAM). Diese Methode wird
bei den üblichen Modemgeschwindigkeiten von 14,4k, 28,8k und 33,6k
verwendet. Einzig bei 56k Modems wird diese Methode heute nicht
verwendet. Aber selbst 56k Modems verwenden QAM für die
Übertragungsrichtung vom PC zur Telefonleitung. Manchmal wird sogar
für die andere Übertragungsrichtung QAM verwendet, wenn die
Leitungsqualität nicht ausreichend gut ist. Daher ist QAM die am weitesten
verbreitete Modulationsmethode für normale Telefonleitungen.</P>
<H2><A NAME="ss17.2">17.2</A> <A HREF="DE-Modem-HOWTO.html#toc17.2">56k Modems (V.90)</A>
</H2>
<P> Die Modulationsmethode, die oberhalb von 33,6k verwendet wird, ist
vollkommen anders als die übliche Phasen-Amplituden Modulation. Die
Signale auf einer normalen analogen Telefonleitung (d.h. kein
ISDN-Anschluss) werden in der Ortsvermittlungsstelle der
Betreibergesellschaft (in Deutschland ist dies in der Regel die
Deutsche Telekom AG) in digitale Signale konvertiert, weil die
Ortsvermittlungsstellen untereinander digitale Signale austauschen.
Die höchste erreichbare Übertragungsgeschwindigkeit auf einer normalen
Telefonleitung ist damit begrenzt auf die Übertragungsgeschwindigkeit
zwischen den Ortsvermittlungsstellen, und diese liegt knapp unter
64kbps. Die vollen 64k werden nicht erreicht, da Bits, die eigentlich
der Informationsübertragung dienen sollen, für Signalisierungszwecke
verwendet werden. Auf einer digitalen Leitung (z.B. ISDN) existieren
andere Möglichkeiten für die Signalisierung, so dass hier keine Bits
»gestohlen« werden müssen.</P>
<P>Um die höchst mögliche Übertragungsgeschwindigkeit von 64kbps zu
nutzen, müsste ein Modem genau wissen, wie die analogen Signale in der
Ortsvermittlungstelle in digitale Signale konvertiert werden. Diese
Aufgabe ist viel zu kompliziert, wenn der
Gesprächspartner auch nur über einen analogen Anschluss an seiner
Ortsvermittlungsstelle verfügt und auch dort wieder eine Konvertierung
(diesmal von digital nach analog) stattfindet. Falls aber eine Seite
über einen digitalen Anschluss verfügt, ist die Aufgabe lösbar
(zumindest in einer Übertragungsrichtung). Falls Ihr Internetanbieter
(Internet Service Provider, abgekürzt ISP) über einen digitalen
Anschluss an das Telefonnetz
verfügt, kann er ein bestimmtes digitales Signal über die
Telefonleitung zu Ihrem PC senden. Dieses digitale Signal wird in der
Ortsvermittlungstelle in ein analoges Signal konvertiert. Wenn Ihr
Modem in der Lage ist, dieses Signal korrekt zu interpretieren, ist
prinzipiell ein Übertragung mit maximal 64k in dieser Richtung (vom
ISP zu Ihrem PC) möglich.</P>
<P>Wie werden in der Ortsvermittlungsstelle der Betreibergesellschaft die
analogen Signale in digitale Signale konvertiert? Es wird eine Methode
verwendet, bei der die Amplitude des analogen Signals 8000 mal pro
Sekunde abgetastet wird. Jeder einzelne dieser Abtastwerte wird in
einen 8-Bit Wert umgewandelt (d.h. das analoge Signal wird mit nur
noch 256 möglichen Werten erfasst. Daher kommt der »magische« Wert:
8 Bits x 8000 Abtastungen pro Sekunde = 64kbps). Diese Modulationsart
heisst Puls Code Modulation (PCM). Die entstehenden Datenbytes werden
über die digitalen Leitungen der Betreibergesellschaft gesendet, wobei
sich viele Verbindungen eine Leitung teilen. Möglich ist dies durch
Anwendung eines bestimmten Schemas, welches vorgibt, zu welcher Zeit
eine bestimmte Verbindung die Leitung nutzen darf (Zeitmulitplex-Verfahren).
Schließlich wird in der Ortsvermittlungsstelle ein umgekehrtes
Multiplex Verfahren verwendet, um das digitale Signal zu erzeugen,
welches ürsprünglich durch PCM entstanden war. Dieses Signal wird in
ein analoges Signal verwandelt und zu Ihrem Modem geschickt. Jedes
Byte erzeugt dabei eine bestimmte Amplitude des analogen Signals. Die
Aufgabe Ihres Modems besteht nun darin, das ürsprüngliche 8-Bit Muster
aus der Amplitude des analogen Signals zu rekonstruieren.</P>
<P>Dies ist eine Art von »Amplituden Demodulation«, aber diese
Bezeichnung ist nicht
ganz korrekt, weil kein Trägersignal existiert. Tatsächlich wird das
Verfahren mit »Modulo-Konvertierung« bezeichnet und ist genau das
Umgekehrte wie PCM. Um die Bitmuster des PCM Signals zu
rekonstruieren, muss das Modem die Amplitude des analogen Signals
exakt zu den selben Zeitpunkten abtasten, die zur Erzeugung des
analogen Signals verwendet wurden. Wie kann das Modem diese Zeitpunkte
wissen? Die Amplitude des analogen Signals ändert sich 8000 mal pro
Sekunde (die ursprüngliche Abtastfrequenz). Diese Änderungen erzeugen
auf der Telefonleitung ein 4 kHz Signal, aus dem das Modem die
Abtastzeitpunkte entnehmen kann. </P>
<P>Nun ist die Kodierung der Amplitudenwerte beim PCM Verfahren nicht
linear und bei kleinen Amplituden sind die Unterschiede zwischen zwei
erlaubten Amplitudenwerten ziemlich gering. Um die Unterscheidung
zwischen zwei nahe beieinanderliegenden Amplitudenwerten zu
vereinfachen, werden bestimmte Werte nicht verwendet. Die Differenz
zwischen zwei möglichen Werten wird dadurch größer und die
Unterscheidung durch das Modem wird einfacher. Bei V.90 wird die
Hälfte der erlaubten Amplitudenwerte nicht verwendet. Dies entspricht
einer Kodierung in 7-Bit Werte anstelle von 8-Bit Werten. Daher ergibt
sich auch die Übertragungsgeschwindigkeit von 56k: 7 Bits/Wert x 8000
Werte pro Sekunde = 56 kbps. Die erzeugten digitalen Werte bestehen
natürlich weiterhin aus 8 Bits, aber nur 128 der 256 möglichen
Bitmuster werden tatsächlich verwendet.</P>
<P>Aber es wird noch komplizierter. Wenn die Leitungsqualität nicht
ausreichend hoch ist, werden u.U. noch weniger der möglichen Bitmuster
zur Übertragung verwendet, und das bedeutet eine geringere
Übertragungsgeschwindigkeit als 56k. In den USA gibt es zusätzlich
noch gesetzliche Auflagen, die die Übertragung von hohen
Amplitudenwerten über Telefonleitungen verbieten, was bestenfalls eine
Übertragungsgeschwindigkeit von ca. 53,3 kbps für »56k«-Modems
ermöglicht.</P>
<P>Beachten Sie, dass der digitale Teil des Telefonnetzes bidirektional
ist. Die Verbindung zu Ihrem besteht ISP in Wirklichkeit aus zwei
Übertragungskanälen, einer für jede Übertragungsrichtung. Für die
Richtung von Ihrem PC zum ISP wird die übliche Phasen-Amplituden
Modulation mit einer maximalen Geschwindigkeit von 33,6 kbps verwendet.
Nur in der Gegenrichtung werden maximal 56 kbps erreicht.</P>
<HR>
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