Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 1.3: Frame Structure of ISDN"

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{{quiz-Header|Buchseite=Beispiele von Nachrichtensystemen/ISDN-Basisanschluss
+
{{quiz-Header|Buchseite=Examples_of_Communication_Systems/ISDN_Basic_Access
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID1581__Bei_A_1_3_neu.png|right|frame|Rahmenstruktur der $\rm S_{0}$–Schnittstelle]]
+
[[File:EN_Bei_A_1_3.png|right|frame|Frame structure of the  $\rm S_{0}$ interface]]
Die Grafik zeigt die Rahmenstruktur der $\rm S_{0}$–Schnittstelle. Jeder Rahmen der Dauer $T_{\rm R}$ beinhaltet $48$ Bit, darunter:
+
The graphic shows the frame structure of the  $\rm S_{0}$ interface.  Each frame of duration  $T_{\rm R}$  contains  $48$  bits, among them:
*$16$ Bit für den ''Bearer Channel''    $\rm B1$ (hellblau),
+
*$16$  bits for the bearer channel   $\rm B1$  $($light blue$)$,
*$16$ Bit für den ''Bearer Channel''   $\rm B2$ (dunkelblau),
 
*$4$ Bit für den ''Data Channel''   $\rm D$ (grün).
 
  
 +
*$16$  bits for the bearer channel  $\rm B2$  $($dark blue$)$,
  
Gelb eingezeichnet sind die erforderlichen Steuerbits.
+
*$4$  bits for the data channel  $\rm D$  $($green$)$.
  
Vorgegeben wird für diese Aufgabe, dass jeder der beiden Basiskanäle $\rm B1$ und $\rm B2$ eine Nettodatenrate von $R_{\rm B} = 64 \ \rm kbit/s$ bereitstellen soll.
 
  
Anzumerken ist noch, dass die Bitdauer $T_{\rm B}$ des uncodierten Binärsignals gleichzeitig die Symboldauer des (modifizierten) AMI–Codes angibt, der jede binäre „$1$” dem Spannungspegel $0 \ \rm V$ zuordnet und jede binäre „$0$” alternierend mit $+0.75 \ \rm V$ bzw. $–0.75 \ \rm V$ darstellt.
+
The required control bits are shown in yellow.
  
 +
For this exercise,  it is specified that each of the two base channels  $\rm B1$  and  $\rm B2$  should provide a net data rate of  $R_{\rm B} = 64 \ \rm kbit/s$. 
  
Die Zahlenwerte in der Grafik (rot markiert) geben eine Beispielfolge an, die in der Teilaufgabe (5) entsprechend dem modifizierten AMI–Code in Spannungspegel umgesetzt werden soll.
+
It should also be noted that the bit duration  $T_{\rm B}$  of the uncoded binary signal simultaneously indicates the symbol duration of the  $($modified$)$  AMI code, 
*Bitnummer $48$ beinhaltet das so genannte '''L'''–Bit.
+
*which assigns each binary  "$1$"  to the voltage level  $0 \ \rm V$  and
*Dieses ist in der Teilaufgabe (6) so zu setzen, dass das Signal $s(t)$ gleichsignalfrei wird.
 
  
 +
*alternately represents each binary  "$0$"  with  $+0.75 \ \rm V$  resp.  $–0.75 \ \rm V$. 
  
  
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The numerical values in the graphic  $($marked in red$)$  indicate an example sequence which is to be converted into voltage levels in subtask  '''(5)'''  according to the modified AMI code.
 +
*Bit number  $48$  contains the so-called  "$\rm L$  bit.
 +
*This is to be set in subtask  '''(6)'''  in such a way that the signal  $s(t)$  becomes DC–free.
  
''Hinweise:''
 
  
*Die Aufgabe gehört zum Kapitel [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/ISDN-Basisanschluss|ISDN-Basisanschluss]].
 
*Der (modifizierte) AMI–Code wird ausführlich in [[Digitalsignalübertragung/Symbolweise_Codierung_mit_Pseudoternärcodes#Eigenschaften_des_AMI-Codes|Eigenschaften des AMI-Codes]] im Buch „Digitalsignalübertragung” beschrieben.
 
*Anzumerken ist ferner, dass die ersten $47$ Bit genau $22$ „Nullen” enthalten.
 
  
  
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<u>Notes:</u>
  
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*This exercise is part of the chapter&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/ISDN_Basic_Access|"ISDN Basic Access"]].
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*The AMI code is described in detail in the chapter&nbsp; [[Digital_Signal_Transmission/Symbolwise_Coding_with_Pseudo-Ternary_Codes#Properties_of_the_AMI_code|"Properties of the AMI code"]]&nbsp; of the book&nbsp; "Digital Signal Transmission".
  
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*It should also be noted that the first&nbsp; $47$&nbsp; bits contain exactly&nbsp; $22$&nbsp; "zeros".
  
===Fragebogen===
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 +
 
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
  
{Wie groß ist die Rahmendauer $T_{\rm R}$?
+
{What is the frame duration&nbsp; $($German:&nbsp; "Rahmendauer" &nbsp; &rArr; &nbsp; subscript "R"$)$&nbsp;  $T_{\rm R}$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$T_{\rm R} \ = \ $ { 250 3% } $\ \rm \mu s$
+
$T_{\rm R} \ = \ $ { 250 3% } $\ \rm &micro; s$
  
{Wie groß ist die Bitdauer $T_{\rm B}$? ''Hinweis:'' Diese ist gleich der Symboldauer nach der AMI–Codierung.
+
{What is the bit duration&nbsp; $T_{\rm B}$?&nbsp; Note:&nbsp; This is equal to the symbol duration after AMI coding.
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$T_{\rm B} \ = \ $ { 5.208 3% } $\ \rm \mu s $
+
$T_{\rm B} \ = \ $ { 5.208 3% } $\ \rm &micro; s $
  
{Wie groß ist die Gesamt–Bruttodatenrate $R_{\rm ges}$?
+
{What is the total gross data rate&nbsp; $R_{\rm gross}$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$R_{\rm ges} \ = \ $ { 192 3% } $\ \rm kbit/s$
+
$R_{\rm gross} \ = \ $ { 192 3% } $\ \rm kbit/s$
  
{Wieviele Steuerbits $(N_{\rm St})$ werden pro Rahmen übertragen?
+
{How many control bits&nbsp; $(N_{\rm CB})$&nbsp; are transmitted per frame?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$N_{\rm St} \ = \ $ { 12 3% }  
+
$N_{\rm CB} \ = \ $ { 12 3% }  
  
{Mit welchen Spannungswerten $(0 \ {\rm V}, +0.75 \ {\rm V}, –0.75 \ {\rm V})$ werden Bit 10, 11 und 12 (grau hinterlegter Block) dargestellt?
+
{With which voltage values&nbsp; $(0 \ {\rm V}, +0.75 \ {\rm V}, \ –0.75 \ {\rm V})$&nbsp; are the bits 10, 11 and 12&nbsp; (gray shaded block)&nbsp; represented?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$U_{10} \ = \ $ { -0.8025--0.6975 } $\ \rm V $
 
$U_{10} \ = \ $ { -0.8025--0.6975 } $\ \rm V $
Line 60: Line 67:
 
$U_{12} \ = \ $ { 0.75 3% } $\ \rm V $
 
$U_{12} \ = \ $ { 0.75 3% } $\ \rm V $
  
{Welchen Spannungswert $(0 \ {\rm V}, ±0.75 \ {\rm V})$ besitzt das '''L'''–Bit am Ende?
+
{What is the voltage value&nbsp; $(0 \ {\rm V}, +0.75 \ {\rm V}, \ –0.75 \ {\rm V})$&nbsp; of the&nbsp; $\rm L$&nbsp; bit at the end?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
 
$U_{48} \ = \ $ { 0. } $\ \rm V $
 
$U_{48} \ = \ $ { 0. } $\ \rm V $
 
</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
  
'''(1)'''&nbsp; In jedem Rahmen werden jeweils $16 \ \rm Bit$ der Basiskanäle B1 und B2 übertragen. Mit der Rahmendauer $T_{\rm R}$ gilt somit für die Bitrate ($R_{\rm B} = 64 \ \rm kbit/s$) eines jeden Rahmens:
+
'''(1)'''&nbsp; In each frame,&nbsp; $16$&nbsp; bits of the base channels&nbsp; $\rm B1$&nbsp; and&nbsp; $\rm B2$&nbsp; are transmitted.
:$$R_{\rm B} = \frac{16\,\,{\rm bit}}{T_{\rm R}} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} T_{\rm R} = \frac{16\,\,{\rm bit}}{64 \cdot 10^3\,\,{\rm bit/s}} \hspace{0.15cm}\underline{= 250 \,{\rm \mu s}} \hspace{0.05cm}.$$
+
*With the frame duration&nbsp; $T_{\rm R}$,&nbsp; the bit rate&nbsp; $(R_{\rm B} = 64 \ \rm kbit/s)$&nbsp; of each frame is thus:
 +
:$$R_{\rm B} = \frac{16\,\,{\rm bit}}{T_{\rm R}} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} T_{\rm R} = \frac{16\,\,{\rm bit}}{64 \cdot 10^3\,\,{\rm bit/s}} \hspace{0.15cm}\underline{= 250 \,{\rm &micro; s}} \hspace{0.05cm}.$$
 +
 
 +
 
 +
'''(2)'''&nbsp; Thus,&nbsp; the following time duration is available for each of the&nbsp; $48$&nbsp; bits:
 +
:$$T_{\rm B} = \frac{T_{\rm R}}{48} = \frac{250 \,{\rm &micro; s}}{48} \hspace{0.15cm}\underline{ = 5.208 \,{\rm &micro; s}}$$
 +
*Since in&nbsp; (modified)&nbsp; AMI encoding each binary symbol is replaced by a ternary symbol of the same duration,&nbsp; the symbol duration after AMI encoding is also&nbsp; $T_{\rm B}$.
 +
 
 +
 
 +
 
 +
'''(3)'''&nbsp; The gross data rate is equal to the reciprocal of the bit duration:
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:$$R_{\rm gross} = \frac{1}{T_{\rm B}} \hspace{0.15cm}\underline{= 192 \,{\rm kbit/s}} \hspace{0.05cm}.$$
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'''(4)'''&nbsp; The number of control bits&nbsp; $\rm (CB)$&nbsp; is:
 +
:$$N_{\rm CB} = 48 - 2 \cdot 16 -4 \hspace{0.15cm}\underline{= 12} \hspace{0.05cm}.$$
 +
*These are marked in yellow in the graph.
 +
 
 +
*Thus,&nbsp; the total gross data rate calculated in the last subquestion is composed as follows:
 +
:$$R_{\rm gross} = 2 \cdot {R_{\rm B}} + {R_{\rm D}} + {R_{\rm CB}} = 2 \cdot 64 \,{\rm kbit/s} + 16 \,{\rm kbit/s} + 48 \,{\rm kbit/s} = 192 \,{\rm kbit/s} \hspace{0.05cm}.$$
  
'''(2)'''&nbsp; Für jedes einzelne der 48 Bit steht somit die Zeitdauer
 
:$$T_{\rm B} = \frac{T_{\rm R}}{48} = \frac{250 \,{\rm \mu s}}{48} \hspace{0.15cm}\underline{ = 5.208 \,{\rm \mu s}}$$
 
zur Verfügung. Da bei der (modifizierten) AMI–Codierung jedes Binärsymbol durch ein Ternärsymbol gleicher Dauer ersetzt wird, ist die Symboldauer nach der AMI–Codierung ebenfalls gleich $T_{\rm B}$.
 
  
'''(3)'''&nbsp; Die Bruttodatenrate ist gleich dem Kehrwert der Bitdauer:
+
'''(5)'''&nbsp; Note that the first&nbsp; "0"&nbsp; is encoded with positive polarity and all following alternating with&nbsp; $±0.75 \ {\rm V}$:
:$$R_{\rm ges} = \frac{1}{T_{\rm B}} \hspace{0.15cm}\underline{= 192 \,{\rm kbit/s}} \hspace{0.05cm}.$$
+
*$U_{1} = U_{5} = U_{9} = U_{12} =\text{ ...} = +0.75 \ {\rm V},$
  
'''(4)'''&nbsp; Die Anzahl der Steuerbit beträgt:
+
*$ U_{2} = U_{7} = U_{10} = U_{13} = \text{ ...} = -0.75 \ {\rm V}$.
:$$N_{\rm St} = 48 - 2 \cdot 16 -4 \hspace{0.15cm}\underline{= 12} \hspace{0.05cm}.$$
 
Diese sind in der Grafik gelb markiert. Die in der letzten Teilfrage berechnete Gesamt–Bruttodatenrate setzt sich somit wie folgt zusammen:
 
:$$R_{\rm ges} = 2 \cdot {R_{\rm B}} + {R_{\rm D}} + {R_{\rm St}} = 2 \cdot 64 \,{\rm kbit/s} + 16 \,{\rm kbit/s} + 48 \,{\rm kbit/s} = 192 \,{\rm kbit/s} \hspace{0.05cm}.$$
 
  
'''(5)'''&nbsp; Das Bit $b_{10} = 0$ wird dargestellt durch $U_{10} \underline{= –0.75 \ \rm V}$,
 
  
$\ \ \ \ \ b_{11} = 1$ durch $U_{11} \underline{= 0 \ \rm V}$ und
+
It follows further:
 +
*Bit&nbsp; $b_{10} = 0$&nbsp; is represented by&nbsp; $U_{10} \underline{= -0.75 \ \rm V}$,
 +
 +
*bit&nbsp; $b_{11} = 1$&nbsp; by&nbsp; $U_{11} \underline{= 0 \ \rm V}$,
 +
 +
*bit&nbsp; $b_{12} = 0$&nbsp; by&nbsp; $U_{12} \underline{= +0.75 \ \rm V}$.
  
$\ \ \ \ \ b_{12} = 0$ durch $U_{12} \underline{= +0.75 \ \rm V}$.
 
  
Zu beachten ist, dass die erste „0” mit positiver Polarität codiert wird und alle folgenden alternierend mit $±0.75 \ {\rm V}: U_{1} = U_{5} = U_{9} = U_{12} = ... = +0.75 \ {\rm V}, U_{2} = U_{7} = U_{10} = ... = –0.75 \ {\rm V}$.
+
'''(6)'''&nbsp;
 +
*The&nbsp; $\rm L$&nbsp; bit has the task of keeping the AMI encoded signal&nbsp; $($over all&nbsp; $48$&nbsp; ternary symbols$)$&nbsp; DC-free.
  
'''(6)'''&nbsp; Das L–Bit hat die Aufgabe, das AMI–codierte Signal (über alle $48$ Ternärsymbole) gleichsignalfrei zu halten. Da $22$ mal das Binärsymbol „$0$” aufgetreten ist (also je $11$ mal die Spannungswerte $+0.75 \ \rm V$ und $–0.75 \ \rm V$) und dementsprechend $27$ mal das Binärsymbol „$1$(Spannungswert $0 \ \rm V$), ist $U_{48}$ ebenfalls <u>gleich $0 \ \rm V$</u> zu setzen.
+
*Since the binary symbol&nbsp; "0"&nbsp; has occurred&nbsp; $22$&nbsp; times&nbsp; $($i.e.&nbsp; $11$&nbsp; times each the voltage values&nbsp; $+0.75 \ \rm V$&nbsp; and&nbsp; $-0.75 \ \rm V)$&nbsp; and correspondingly&nbsp; $27$&nbsp; times the binary symbol&nbsp; "1"&nbsp; $($voltage value&nbsp; $0 \ \rm V)$,&nbsp; $U_{48}\hspace{0.15cm}\underline{=0 \ \rm V}$&nbsp; must be set.
  
  
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[[Category:Aufgaben zu Beispiele von Nachrichtensystemen|^1.2 ISDN-Basisanschluss^]]
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[[Category:Examples of Communication Systems: Exercises|^1.2 ISDN Basic Access^]]

Latest revision as of 16:51, 24 October 2022

Frame structure of the  $\rm S_{0}$ interface

The graphic shows the frame structure of the  $\rm S_{0}$ interface.  Each frame of duration  $T_{\rm R}$  contains  $48$  bits, among them:

  • $16$  bits for the bearer channel  $\rm B1$  $($light blue$)$,
  • $16$  bits for the bearer channel  $\rm B2$  $($dark blue$)$,
  • $4$  bits for the data channel  $\rm D$  $($green$)$.


The required control bits are shown in yellow.

For this exercise,  it is specified that each of the two base channels  $\rm B1$  and  $\rm B2$  should provide a net data rate of  $R_{\rm B} = 64 \ \rm kbit/s$. 

It should also be noted that the bit duration  $T_{\rm B}$  of the uncoded binary signal simultaneously indicates the symbol duration of the  $($modified$)$  AMI code, 

  • which assigns each binary  "$1$"  to the voltage level  $0 \ \rm V$  and
  • alternately represents each binary  "$0$"  with  $+0.75 \ \rm V$  resp.  $–0.75 \ \rm V$. 


The numerical values in the graphic  $($marked in red$)$  indicate an example sequence which is to be converted into voltage levels in subtask  (5)  according to the modified AMI code.

  • Bit number  $48$  contains the so-called  "$\rm L$  bit.
  • This is to be set in subtask  (6)  in such a way that the signal  $s(t)$  becomes DC–free.



Notes:

  • It should also be noted that the first  $47$  bits contain exactly  $22$  "zeros".



Questions

1

What is the frame duration  $($German:  "Rahmendauer"   ⇒   subscript "R"$)$  $T_{\rm R}$?

$T_{\rm R} \ = \ $

$\ \rm µ s$

2

What is the bit duration  $T_{\rm B}$?  Note:  This is equal to the symbol duration after AMI coding.

$T_{\rm B} \ = \ $

$\ \rm µ s $

3

What is the total gross data rate  $R_{\rm gross}$?

$R_{\rm gross} \ = \ $

$\ \rm kbit/s$

4

How many control bits  $(N_{\rm CB})$  are transmitted per frame?

$N_{\rm CB} \ = \ $

5

With which voltage values  $(0 \ {\rm V}, +0.75 \ {\rm V}, \ –0.75 \ {\rm V})$  are the bits 10, 11 and 12  (gray shaded block)  represented?

$U_{10} \ = \ $

$\ \rm V $
$U_{11} \ = \ $

$\ \rm V $
$U_{12} \ = \ $

$\ \rm V $

6

What is the voltage value  $(0 \ {\rm V}, +0.75 \ {\rm V}, \ –0.75 \ {\rm V})$  of the  $\rm L$  bit at the end?

$U_{48} \ = \ $

$\ \rm V $


Solution

(1)  In each frame,  $16$  bits of the base channels  $\rm B1$  and  $\rm B2$  are transmitted.

  • With the frame duration  $T_{\rm R}$,  the bit rate  $(R_{\rm B} = 64 \ \rm kbit/s)$  of each frame is thus:
$$R_{\rm B} = \frac{16\,\,{\rm bit}}{T_{\rm R}} \hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} T_{\rm R} = \frac{16\,\,{\rm bit}}{64 \cdot 10^3\,\,{\rm bit/s}} \hspace{0.15cm}\underline{= 250 \,{\rm µ s}} \hspace{0.05cm}.$$


(2)  Thus,  the following time duration is available for each of the  $48$  bits:

$$T_{\rm B} = \frac{T_{\rm R}}{48} = \frac{250 \,{\rm µ s}}{48} \hspace{0.15cm}\underline{ = 5.208 \,{\rm µ s}}$$
  • Since in  (modified)  AMI encoding each binary symbol is replaced by a ternary symbol of the same duration,  the symbol duration after AMI encoding is also  $T_{\rm B}$.


(3)  The gross data rate is equal to the reciprocal of the bit duration:

$$R_{\rm gross} = \frac{1}{T_{\rm B}} \hspace{0.15cm}\underline{= 192 \,{\rm kbit/s}} \hspace{0.05cm}.$$


(4)  The number of control bits  $\rm (CB)$  is:

$$N_{\rm CB} = 48 - 2 \cdot 16 -4 \hspace{0.15cm}\underline{= 12} \hspace{0.05cm}.$$
  • These are marked in yellow in the graph.
  • Thus,  the total gross data rate calculated in the last subquestion is composed as follows:
$$R_{\rm gross} = 2 \cdot {R_{\rm B}} + {R_{\rm D}} + {R_{\rm CB}} = 2 \cdot 64 \,{\rm kbit/s} + 16 \,{\rm kbit/s} + 48 \,{\rm kbit/s} = 192 \,{\rm kbit/s} \hspace{0.05cm}.$$


(5)  Note that the first  "0"  is encoded with positive polarity and all following alternating with  $±0.75 \ {\rm V}$:

  • $U_{1} = U_{5} = U_{9} = U_{12} =\text{ ...} = +0.75 \ {\rm V},$
  • $ U_{2} = U_{7} = U_{10} = U_{13} = \text{ ...} = -0.75 \ {\rm V}$.


It follows further:

  • Bit  $b_{10} = 0$  is represented by  $U_{10} \underline{= -0.75 \ \rm V}$,
  • bit  $b_{11} = 1$  by  $U_{11} \underline{= 0 \ \rm V}$,
  • bit  $b_{12} = 0$  by  $U_{12} \underline{= +0.75 \ \rm V}$.


(6) 

  • The  $\rm L$  bit has the task of keeping the AMI encoded signal  $($over all  $48$  ternary symbols$)$  DC-free.
  • Since the binary symbol  "0"  has occurred  $22$  times  $($i.e.  $11$  times each the voltage values  $+0.75 \ \rm V$  and  $-0.75 \ \rm V)$  and correspondingly  $27$  times the binary symbol  "1"  $($voltage value  $0 \ \rm V)$,  $U_{48}\hspace{0.15cm}\underline{=0 \ \rm V}$  must be set.