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/usr/share/doc/HOWTO/de-html/DE-Modem-HOWTO-17.html is in doc-linux-de 2003.10-5.

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<!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 3.2 Final//EN">
<HTML>
<HEAD>
 <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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<BODY>
<A HREF="DE-Modem-HOWTO-18.html"><IMG SRC="next.png" ALT="Weiter"></A>
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<A HREF="DE-Modem-HOWTO.html#toc17"><IMG SRC="toc.png" ALT="Inhalt"></A>
<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>Einf&uuml;hrung in die Technik der Modulation</H3>

<P> Unter Modulation versteht man die Konvertierung eines digitalen
Signals, das aus bin&auml;ren Bits (0 oder 1) besteht, in ein analoges
Signal, etwa eine Sinuskurve. Das modulierte Signal besteht aus einem
reinen sinusf&ouml;rmigen Tr&auml;gersignal (engl. »Carrier«), das ver&auml;ndert
wird, um Informationen zu &uuml;bertragen. Ein reines Tr&auml;gersignal, das
sich weder in der Frequenz noch in der Amplitude ver&auml;ndert, &uuml;bertr&auml;gt
auch keinerlei Informationen (ausser, dass ein Tr&auml;gersignal vorhanden
ist). Um das Tr&auml;gersignal Informationen &uuml;bertragen zu lassen,
ver&auml;ndern (oder »modulieren«) wir es. Es gibt drei wesentliche
Modulationstypen: Frequenzmodulation, Amplitudenmodulation und
Phasenmodulation. Diese Modulationstypen werden in den folgenden
Abschnitten erkl&auml;rt.</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«
(abgek&uuml;rzt Hz, nach dem deutschen Physiker Heinrich Hertz).</P>
<P>Ein einfaches Beispiel f&uuml;r Frequenzmodulation best&uuml;nde etwa in der
Festlegung, dass eine bestimmte Frequenz eine 0 bedeutet, und
eine andere Frequenz bedeutet eine 1. Z.B. bedeutete bei einigen
(inzwischen &uuml;berholten) 300 Baud-Modems eine Frequenz von 1070&nbsp;Hz ein
bin&auml;re 0, w&auml;hrend eine Frequenz von 1270&nbsp;Hz eine bin&auml;re 1 darstellte
(»Frequency Shift Keying«). Anstelle von zwei m&ouml;glichen Frequenzen
k&ouml;nnten aber auch mehr verwendet werden, um mehr Informationen zu
&uuml;bertragen. W&uuml;rden wir vier verschiedene Frequenzen verwenden (nennen
wir sie A, B, C und D), k&ouml;nnte jede Frequenz ein Bitpaar darstellen.
Um z.B. 00 zu senden, k&ouml;nnte man Frequenz A verwenden, f&uuml;r 01 die
Frequenz B, f&uuml;r 10 C und schlie&szlig;lich f&uuml;r 11 die Frequenz D. In
gleicher Weise k&ouml;nnten wir mit jedem Wechsel der Frequenz 3 Bits an
Information &uuml;bertragen, wenn wir 8 verschiedene Frequenzen verwenden
w&uuml;rden. Jedesmal, wenn wir die Anzahl der m&ouml;glichen Frequenzen
verdoppeln, k&ouml;nnen wir die Anzahl der &uuml;bertragenen Bits um eins
erh&ouml;hen.</P>

<H3>Amplitudenmodulation</H3>

<P> Wenn man das obige Beispiel der Frequenzmodulation verstanden hat,
bei dem mehrere Bits mit einem einzigen Frequenzwechsel &uuml;bertragen
werden, ist es einfacher, sowohl die Amplituden- als auch die
Phasenmodulation zu verstehen. Analog zur &Auml;nderung der Frequenz der
Sinus-Tr&auml;gerschwinung ver&auml;ndert man bei der Amplitudenmodulation die
Amplitude (oder die H&ouml;he der Spannung). Als einfachste M&ouml;glichkeit
k&ouml;nnten nur zwei m&ouml;gliche Amplituden erlaubt sein, wobei die eine ein
0-Bit, die andere ein 1-Bit darstellt. Wie im Fall der
Frequenzmodulation erkl&auml;rt, kann mehr Information &uuml;bertragen werden,
wenn mehrere erlaubte Amplituden zur Verf&uuml;gung stehen. </P>

<H3>Phasenmodulation</H3>

<P> Um die Phase einer Sinusschwingung zu einem bestimmten Zeitpunkt
zu ver&auml;ndern, 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 &Auml;nderungsrate, d.h.
mathematisch gesprochen mit dem gleichen Wert der 1. Ableitung)
starten, mit der die alte Schwingung gestoppt wurde, w&uuml;rde sich keine
&Auml;nderung der Phase (oder eine andere messbare &Auml;nderung) ergeben. Aber
nehmen wir mal an, wir w&uuml;rde die neue Sinusschwingung an einem anderen
Punkt der Sinuskurve starten. Dann w&uuml;rde wahrscheinlich ein
pl&ouml;tzlicher 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 &Auml;nderung, w&auml;hrend eine 
Phasenverschiebung von 180 Grad die Spannung (und Steigung) der 
Sinusschwingung invertiert. Anders ausgedr&uuml;ckt, bedeutet eine 180 Grad 
Phasenverschiebung, dass eine halbe Periode (180 Grad) &uuml;bersprungen wird.
Nat&uuml;rlich k&ouml;nnten wir auch 90 Grad oder 135 Grad &uuml;berspringen, usw.
Wie im Beispiel der Frequenzmodulation erkl&auml;rt, kann eine
Phasenverschiebung umso mehr Bits repr&auml;sentierten, je mehr m&ouml;gliche
Werte f&uuml;r die Phasenverschiebung zur Verf&uuml;gung stehen.      </P>

<H3>Kombinationen der Modulationsarten</H3>

<P> Statt eine der drei m&ouml;glichen Modulationsarten zu auszuw&auml;hlen,
k&ouml;nnten wir auch mehrere Methoden kombinieren. Nehmen wir an, wir
h&auml;tten 256 m&ouml;gliche Frequenzen zur Verf&uuml;gung und k&ouml;nnten daher ein
Byte (8 Bits) bei jedem Frequenzwechsel &uuml;bertragen (2 hoch 8 ergibt
256). Nehmem wir weiter an, dass wir 256 m&ouml;gliche Amplituden zu
Verf&uuml;gung haben, so dass jeder Wechsel der Amplitude ebenfalls ein
Byte repr&auml;sentiert. Nehmen wir auch noch an, dass 256 m&ouml;gliche
Phasenverschiebungen erlaubt sind. Dann k&ouml;nnten wir zu einem
Zeitpunkt alle 3 Werte &auml;ndern. Bei jedem solchen &Uuml;bergang w&uuml;rden
wir 3 Bytes an Information &uuml;bertragen.</P>
<P>Tats&auml;chlich funktioniert keine der heute &uuml;blichen Modulationsmethoden
auf diese Weise. Es w&uuml;rde zu lange dauern, um alle 3
&Auml;nderungstypen zu pr&uuml;fen. Weit verbreitet ist allerdings die
gleichzeitige &Auml;nderung sowohl der Phase als auch der Amplitude. Dies
wird auch als Phasen-Amplituden Modulation bezeichnet (oder
quadratische Amplitudenmodulation, abgek&uuml;rzt QAM). Diese Methode wird
bei den &uuml;blichen 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 f&uuml;r die
&Uuml;bertragungsrichtung vom PC zur Telefonleitung. Manchmal wird sogar
f&uuml;r die andere &Uuml;bertragungsrichtung QAM verwendet, wenn die
Leitungsqualit&auml;t nicht ausreichend gut ist. Daher ist QAM die am weitesten
verbreitete Modulationsmethode f&uuml;r 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 &uuml;bliche 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 h&ouml;chste erreichbare &Uuml;bertragungsgeschwindigkeit auf einer normalen
Telefonleitung ist damit begrenzt auf die &Uuml;bertragungsgeschwindigkeit
zwischen den Ortsvermittlungsstellen, und diese liegt knapp unter
64kbps. Die vollen 64k werden nicht erreicht, da Bits, die eigentlich
der Informations&uuml;bertragung dienen sollen, f&uuml;r Signalisierungszwecke
verwendet werden. Auf einer digitalen Leitung (z.B. ISDN) existieren
andere M&ouml;glichkeiten f&uuml;r die Signalisierung, so dass hier keine Bits
»gestohlen« werden m&uuml;ssen.</P>
<P>Um die h&ouml;chst m&ouml;gliche &Uuml;bertragungsgeschwindigkeit von 64kbps zu
nutzen, m&uuml;sste ein Modem genau wissen, wie die analogen Signale in der
Ortsvermittlungstelle in digitale Signale konvertiert werden. Diese
Aufgabe ist viel zu kompliziert, wenn der
Gespr&auml;chspartner auch nur &uuml;ber einen analogen Anschluss an seiner
Ortsvermittlungsstelle verf&uuml;gt und auch dort wieder eine Konvertierung
(diesmal von digital nach analog) stattfindet. Falls aber eine Seite
&uuml;ber einen digitalen Anschluss verf&uuml;gt, ist die Aufgabe l&ouml;sbar
(zumindest in einer &Uuml;bertragungsrichtung). Falls Ihr Internetanbieter 
(Internet Service Provider, abgek&uuml;rzt ISP) &uuml;ber einen digitalen 
Anschluss an das Telefonnetz
verf&uuml;gt, kann er ein bestimmtes digitales Signal &uuml;ber 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 &Uuml;bertragung mit maximal 64k in dieser Richtung (vom
ISP zu Ihrem PC) m&ouml;glich.</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 m&ouml;glichen 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
&uuml;ber die digitalen Leitungen der Betreibergesellschaft gesendet, wobei
sich viele Verbindungen eine Leitung teilen. M&ouml;glich ist dies durch
Anwendung eines bestimmten Schemas, welches vorgibt, zu welcher Zeit
eine bestimmte Verbindung die Leitung nutzen darf (Zeitmulitplex-Verfahren). 
Schlie&szlig;lich wird in der Ortsvermittlungsstelle ein umgekehrtes
Multiplex Verfahren verwendet, um das digitale Signal zu erzeugen,
welches &uuml;rspr&uuml;nglich 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 &uuml;rspr&uuml;ngliche 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 Tr&auml;gersignal existiert. Tats&auml;chlich 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 &auml;ndert sich 8000 mal pro
Sekunde (die urspr&uuml;ngliche Abtastfrequenz). Diese &Auml;nderungen 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 m&ouml;glichen Werten wird dadurch gr&ouml;&szlig;er und die
Unterscheidung durch das Modem wird einfacher. Bei V.90 wird die
H&auml;lfte der erlaubten Amplitudenwerte nicht verwendet. Dies entspricht
einer Kodierung in 7-Bit Werte anstelle von 8-Bit Werten. Daher ergibt
sich auch die &Uuml;bertragungsgeschwindigkeit von 56k: 7 Bits/Wert x 8000
Werte pro Sekunde = 56&nbsp;kbps. Die erzeugten digitalen Werte bestehen
nat&uuml;rlich weiterhin aus 8 Bits, aber nur 128 der 256 m&ouml;glichen
Bitmuster werden tats&auml;chlich verwendet.</P>
<P>Aber es wird noch komplizierter. Wenn die Leitungsqualit&auml;t nicht
ausreichend hoch ist, werden u.U. noch weniger der m&ouml;glichen Bitmuster
zur &Uuml;bertragung verwendet, und das bedeutet eine geringere
&Uuml;bertragungsgeschwindigkeit als 56k. In den USA gibt es zus&auml;tzlich
noch gesetzliche Auflagen, die die &Uuml;bertragung von hohen
Amplitudenwerten &uuml;ber Telefonleitungen verbieten, was bestenfalls eine
&Uuml;bertragungsgeschwindigkeit von ca. 53,3&nbsp;kbps f&uuml;r »56k«-Modems 
erm&ouml;glicht.</P>
<P>Beachten Sie, dass der digitale Teil des Telefonnetzes bidirektional
ist. Die Verbindung zu Ihrem besteht ISP in Wirklichkeit aus zwei
&Uuml;bertragungskan&auml;len, einer f&uuml;r jede &Uuml;bertragungsrichtung. F&uuml;r die
Richtung von Ihrem PC zum ISP wird die &uuml;bliche Phasen-Amplituden
Modulation mit einer maximalen Geschwindigkeit von 33,6&nbsp;kbps verwendet.
Nur in der Gegenrichtung werden maximal 56&nbsp;kbps erreicht.</P>

<HR>
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