56K - Modemtechnik

Die 56k-Technologie unterscheidet sich grundlegend von herkömmlichen Übertragungsmodi. Wie funktioniert sie im Detail?

Wer die Arbeitsweise der 56k-Betriebsart - egal ob X2 von 3Com/US Robotics oder K56flex von Rockwell - verstehen will, muß sich vor Augen halten, wie das öffentliche Telefonnetz überhaupt funktioniert. Der für die Signalübertragung zwischen zwei normalen Telefonen (oder analogen Modems) zur Verfügung stehende Kanal ist ein sogenannter "Band-Pass"-Kanal. Das bedeutet, daß elektronische (Band-Pass-)Filter in den Vermittlungsstellen der Telefongesellschaft nur ein bestimmtes Frequenzband passieren lassen - im Idealfall im Bereich von 400 bis 3400 Hertz (Schwingungen pro Sekunde). Für die Übertragung der menschlichen Sprache ist dieses Frequenzspektrum mit einer Bandbreite von 3 kHz ausreichend. Zum Vergleich: Digitale Musik in höchster Qualität umfaßt Frequenzen von rund 20 bis 20 000 Hertz.
Vor nunmehr über zehn Jahren waren 300- und 1200-bps-Modems üblich. Diese übertrugen pro Schwingung 1 Bit und belegten dadurch 600 beziehungsweise 2400 Hz der zur Verfügung stehenden Bandbreite. Bereits bei der nächsten Stufe, den 2400-bps-Modems, mußten sich die Techniker jedoch etwas einfallen lassen, denn jetzt wären Frequenzen bis 4800 Hz notwendig gewesen - im Telefonnetz nicht zulässig. Die Lösung war eine Technik namens QAM (Quadratur Amplitude Modulation), die das Sinus-Signal (Pfeifton) zwischen den beiden Modems sowohl hinsichtlich Amplitude (Lautstärke) als auch Phase (zeitliche Basis der Schwingung) gezielt verändert (moduliert). Jede dieser eindeutigen Kombinationen aus Amplitude und Phase wird im Fachchinesisch "Symbol" genannt.
Die von einem QAM-Signal belegte Bandbreite entspricht der Anzahl der Symbole pro Sekunde, zum Beispiel 2400 Hz bei 2400 Symbolen pro Sekunde. Ein altes 9600-bps-Modem (V.32) arbeitet mit einer Trägerfrequenz (Carrier) von 1800 Hz und 2400 Symbolen pro Sekunde bei vier Informationsbits pro Symbol. Die hierfür benötigte Bandbreite sind 600 bis 3000 Hz - im Telefonnetz kein Problem. Diese Technik ist im Prinzip bis heute gleichgeblieben, ein V.34-Modem beispielsweise arbeitet mit einem 1959-Hz-Carrier und 3429 Symbolen pro Sekunde in einer Bandbreite von 244 bis 3674 Hz. Aufgrund der heute wesentlich besseren Qualität der Telefonleitungen steht diese erweiterte Bandbreite relativ häufig (wenn auch nicht immer) zur Verfügung, vor zehn Jahren hätten V.34-Modems wahrscheinlich überhaupt nicht funktioniert.
Interessant in diesem Zusammenhang ist auch "Shannon's Theorem", benannt nach dem Mathematiker Claude Shannon. Bereits 1948 (!) bewies er auf mathematischem Weg, daß aufgrund verschiedener Störeinflüsse in Telefonleitungen nicht mehr als eine bestimmte Anzahl an Informationseinheiten pro Sekunde überhaupt übertragen werden kann. Sein Rechenergebnis: 34 822 bps bei 3000 Hz Bandbreite und 35 dB Grundrauschen.

Analoge Telefonie auf digitalen Wegen

Die Modemhersteller versprechen 56 000 bps bei den Geräten der neuesten Generation - lag Shannon also doch falsch? Nein, denn er war von einer analogen Übertragung ausgegangen, der 56k-Technologie liegt jedoch die Überlegung zugrunde, daß bei einer Verbindung in einem modernen Telefonnetz das Gespräch zwischen den Vermittlungsstellen der Telefongesellschaft digital übertragen wird:
Telefon A schickt die vom Telefonmikrofon stammenden analogen Signale an die lokale Vermittlungsstelle A, diese digitalisiert sie und schickt sie als Zahlen zwischen 0 und 255 über ein voll digital arbeitendes Computernetzwerk zur Ziel-Vermittlungsstelle B. Diese generiert aus den Zahlen wieder ein analoges Signal (so funktioniert auch ein CD-Player), das die Spule im Telefonhörer von Telefon B in Schwingung versetzt - das gesprochene Wort kommt beim Empfänger trotz der zweifachen Konvertierung praktisch unverändert an.
Für die Umwandlung von analog nach digital und zurück sind "A/D-D/A-Wandler" genannte Bauelemente zuständig (amerikanisch: "codec"), die mit einer Abtastrate von 8 kHz arbeiten (CD-Player arbeiten übrigens mit über 40 kHz).

Verfügt Teilnehmer A nun nicht über einen analogen Telefonanschluß, sondern über ein ISDN-Telefon, dann verlängert sich der digitale Übertragungsweg bis zu seinem ISDN-Apparat. Die Strecke sieht nun so aus: ISDN-Telefon A (analog <-> digital) - Vermittlungsstelle A (digital) - Vermittlungsstelle B (digital <-> analog) - Telefon B (analog).
Angenommen, an Punkt A befindet sich statt eines ISDN-Telefons ein Computer mit ISDN-Adapter. Damit dieser mit einem analogen Modem an Punkt B kommunizieren kann, muß er 8000mal pro Sekunde Zahlenwerte zwischen 0 und 255 errechnen, die von der Vermittlungsstelle B automatisch zu einer analogen Schwingung zusammengesetzt werden. Sendet der Computer statt dessen willkürliche Zahlen, dann kann er zwar theoretisch 64 000 Bit pro Sekunde (8 Bit x 8000) generieren, und auch die Vermittlungsstelle B wandelt diese Zahlen gemäß ihrer Bestimmung brav in 8000 verschiedene Spannungspegel pro Sekunde um. Zusammengesetzt ergeben diese nun zwar kein Signal mehr, das einen Lautsprecher noch zu einer hörbaren Tonfolge bewegen könnte; ein 56k-Modem jedoch kann die Spannungspegel differenzieren und einzeln wiederum als Zahlen zwischen 0 und 255 an den Computer weitergeben (der Begriff "Modem" ist in diesem Zusammenhang übrigens nicht mehr ganz korrekt, denn bei der 56k-Übertragung wird kein Carrier mehr "moduliert" oder "demoduliert"). Ganz entscheidend für die 56k-Technik ist also, daß der Sender direkt ans ISDN-Netz angeschlossen ist - per S0-Basisanschluß oder per Primärmultiplexer (Anlagenanschluß).
Soweit die Theorie. Warum aber arbeiten 56k-Modems nur mit 56 000 statt 64 000 bps?

Das ISDN-Entwicklungsland USA

In Deutschland stehen zwischen zwei Vermittlungsstellen pro Verbindung 64 000 Bit pro Sekunde nutzbare Bandbreite zur Verfügung, die angesichts der großen Distanzen obligatorische Fehlerkorrektur wird zusätzlich mitgeführt. Die meisten amerikanischen Leitungen sind jedoch qualitativ wesentlich schlechter, so daß von 8 übertragenen Bits pro Sekunde generell 1 Bit als Prüfbit reserviert werden muß. Denn für mehr Daten (Fehlerprotokoll) ist schlichtweg keine Kapazität mehr vorhanden. Aus diesem Grund überträgt das normale amerikanische ISDN auch nur 7 Bit x 8000 = 56 000 bps pro Kanal. Dementsprechend kann in den USA keine noch so trickreiche Datenübertragung mehr als diese 56 000 bps über normale Fernleitungen transportieren. Wer mehr haben will (128-kbps-ISDN), muß sich teure Spezialleitungen schalten lassen.

56k-Modems mit Einbahnstraße

Die 56k-Technik ist jedoch nur in der Theorie so einfach wie bisher beschrieben. Das größte Problem in der Praxis ist die Synchronisation: Wenn der Codec der Vermittlungsstelle 8000mal pro Sekunde einen von 128 (7 Bit) Spannungspegeln generiert, dann muß sichergestellt sein, daß das 56k-Modem mit absolut exakt dem gleichen Takt das Signal auswertet. Da die Codecs aber keine teuren Präzisionsteile, sondern relativ billige Massenware sind, muß sich ein 56k-Modem bei jedem Verbindungsaufbau auf den genauen Zeittakt des ihm zugeordneten Codec in der Vermittlungsstelle einstellen (synchronisieren).

Das bedeutet wiederum, daß sich der Codec in der umgekehrten Richtung auf das mit 56k sendende Modem synchronisieren müßte - eine Funktion, die keine Vermittlungsstelle der Welt unterstützt (wozu auch?). Aus diesem Grund funktioniert die 56k-Übertragung vom Modem aus gesehen nur in Empfangsrichtung. Zum Senden muß auf das herkömmliche analoge V.34+-Verfahren mit maximal 33 600 bps zurückgegriffen werden.

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