Difference between revisions of "Examples of Communication Systems/General Description of ISDN"

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|Untermenü=ISDN – Integrated Services Digital Network
 
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== # ÜBERBLICK ZUM ERSTEN HAUPTKAPITEL # ==
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== # OVERVIEW OF THE FIRST MAIN CHAPTER # ==
 
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<br>
'''I'''ntegrated '''S'''ervices '''D'''igital '''Network''' – kurz ISDN – war das erste einheitliche digitale Netz für Sprache, Texte, Daten, Bilder, Video und Multimediakommunikation. Es wurde Ende der 1980er Jahre eingeführt und hatte im Jahre 2004 etwa 25 Millionen Benutzer in Deutschland. ISDN hat im Vergleich zu den vorher üblichen analogen Telekommunikationsverfahren viele neue oder erweiterte Dienste  angeboten, eine schnellere Übertragung, eine bessere Sprachqualität und eine einfachere Nutzung von Mehrgeräten.
+
$\rm I$ntegrated $\rm S$ervices $\rm D$igital $\rm N$etwork &nbsp; $\rm  (ISDN)$&nbsp; was the first unified digital network for voice,&nbsp; text,&nbsp; data,&nbsp; images,&nbsp; video and multimedia communications.&nbsp; It was introduced in the late 1980s and and had about 25 million users in Germany in 2004, for example.  
  
Das ISDN–Konzept und die Umsetzung werden im vorliegenden Kapitel dargestellt und erläutert, insbesondere werden behandelt:
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Compared with the analog telecommunications methods that were common before,&nbsp; ISDN has
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*offered many new or enhanced services,
  
*eine allgemeine Beschreibung von ISDN,
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*faster transmission,
*die Dienste und Dienstmerkmale des ISDN,
 
*die ISDN–Netzinfrastruktur und die verschiedene Anschlussarten,
 
*die logischen Kanäle und Schnittstellen von ISDN,
 
*die wichtigsten Übertragungscodes bei ISDN, und
 
*Breitband–ISDN als eine Weiterentwicklung.
 
  
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*better voice quality,&nbsp; and
  
Zum Zeitpunkt der letzten Überarbeitung dieses Buches (2017) darf aber nicht verschwiegen werden, dass ISDN auch in Deutschland keine große Zukunft mehr haben wird – in anderen Ländern hatte es nie diese Bedeutung. Die Deutsche Telekom hat bereits verkündet, dass ISDN 2018 abgeschaltet und durch das ''Next Generation Network'' (NGN) mit paketvermittelter Netzinfrastruktur ersetzt wird. Spätestens 2022 wird Vodafone diesem Beispiel folgen. Wir belassen aber trotzdem dieses Kapitel in $\rm LNTwww$.
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*an easier use of multiple devices.
  
==Ziele und Merkmale von ISDN ==  
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The ISDN concept and implementation are presented and explained in this chapter.&nbsp; In particular are covered:
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# &nbsp; a&nbsp; &raquo;general description&laquo;&nbsp; of ISDN,
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# &nbsp; the&nbsp; &raquo;services and service features&laquo;&nbsp; of ISDN,
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# &nbsp; the&nbsp; &raquo;ISDN network infrastructure&laquo;&nbsp; and the&nbsp; &raquo;different types of connection&laquo;,
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# &nbsp; the&nbsp; &raquo;logical channels and interfaces&laquo;&nbsp; of ISDN,
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# &nbsp; the most important&nbsp; &raquo;transmission codes&laquo;&nbsp; of ISDN,&nbsp;  and
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# &nbsp; &raquo;broadband ISDN&laquo;&nbsp; as a further development.
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At the time of the English translation of this book&nbsp; $\rm (2022)$,&nbsp; however,&nbsp; it must not be concealed:
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* ISDN will no longer have a great future in Germany either - in other countries it never had such great importance.
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* The German provider &nbsp; &raquo;Deutsche Telekom&laquo;&nbsp; had long announced that it would switch off ISDN in 2018 and replace it with its&nbsp; "Next Generation Network"&nbsp; $\rm (NGN)$&nbsp; with packet-switched network infrastructure.
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*Vodafone will follow this example by 2022 at the latest.
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&rArr; &nbsp; We have nevertheless decided to continue this chapter&nbsp; $($which was highly topical in the early 2000s$)$&nbsp; in the&nbsp; $\rm LNTwww$.&nbsp; However,&nbsp; clearly shortened. &nbsp;  Although it lacks the topicality of the day,&nbsp; it is now more of a technical history contribution. 
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==Goals and features of ISDN ==  
 
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Der seit Ende der 1980er Jahre etablierte Standard '''ISDN''' (''Integrated Services Digital Network'') ist ein dienstintegriertes digitales Kommunikationsnetz mit dem Ziel,
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The&nbsp; $\rm ISDN$&nbsp; ("Integrated Services Digital Network")&nbsp; standard,&nbsp; established since the late 1980s,&nbsp; is a service&ndash;integrated digital communications network with the aim,
*die bis dahin übliche analoge Signalübertragung über Telefonleitungen zu digitalisieren und dadurch eine bessere Sprachqualität zu erzielen,
+
# &nbsp; to digitize the analog signal transmission over telephone lines that had been common until then,&nbsp; thereby achieving better voice quality,
*die für die analoge Signalübertragung vorhandene Netzinfrasruktur – insbesondere die für teueres Geld über viele Jahre verlegten Kupferkabel – weiter zu nutzen,
+
# &nbsp; to continue using the network infrastructure available for analog signal transmission &ndash; in particular the copper cables laid at great expense over many years,
*verschiedene Informationsquellen wie Sprache, Texte, Daten und Videos, aber auch die aufkommende Multimediakommunikation in einem einzigen Netz zu integrieren,
+
# &nbsp; to integrate different sources of information such as voice,&nbsp; text,&nbsp; data and video,&nbsp; as well as the emerging multimedia communications,&nbsp; into a single network,
*unterschiedliche Fernmeldedienste wie Telefonieren, Faxen, Internetsurfen und vieles mehr über das bestehende Leitungsnetz gleichzeitig zu ermöglichen,
+
# &nbsp; to enable different telecommunication services such as telephoning, faxing, Internet surfing, etc. to be provided simultaneously over the existing network of lines,
*die Zahl der erforderlichen Leitungen möglichst gering zu halten, ohne dadurch die Qualität der Übertragung zu beeinträchtigen, und schließlich
+
# &nbsp; to keep the number of lines required as low as possible without compromising the quality of the transmission,&nbsp; and finally
*eine Datenrate (Übertragungsgeschwindigkeit) von 64 kbit/s bereitzustellen, die bei der Einführung von ISDN auch für den Datenverkehr als ausreichend angesehen wurde.
+
# &nbsp; to provide a data rate of&nbsp; $\text{64 kbit/s}$,&nbsp; which was also considered sufficient for data traffic when ISDN was introduced.
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A distinction is made with ISDN between
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*the&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/ISDN_Basic_Access|"ISDN basic access"]]&nbsp; with two so-called &nbsp;$\text{B channels}$&nbsp; ("bearer channels")&nbsp; with&nbsp; $\text{64 kbit/s}$&nbsp; each and one&nbsp; $\text{D channel}$&nbsp; ("data channel")&nbsp; with&nbsp; $\text{16 kbit/s}$,
  
Man unterscheidet bei ISDN zwischen
+
*the&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/ISDN_Primary_Multiplex_Connection|"ISDN primary multiplex connection"]]&nbsp; with thirty&nbsp; "B channels"&nbsp; and one signaling and one synchronization channel,&nbsp; each at&nbsp; $\text{64 kbit/s}$.
*dem [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/ISDN-Basisanschluss|ISDN-Basisanschluss]] mit zwei so genannten B–Kanälen (''Bearer Channels'') zu je 64 kbit/s und einem D–Kanal (''Data Channel'') mit 16 kbit/s, und
 
*dem [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/ISDN–Primärmultiplexanschluss|ISDN–Primärmultiplexanschluss]] mit 30 B–Kanälen sowie je einem Signalisierungs– und Synchronisationskanal, jeweils mit 64 kbit/s.
 
  
  
Durch Bündelung zweier Kanäle kann die Datenrate auf 128 kbit/s erhöht werden. Seit der ISDN–Einführung im März 1989 wurde zudem die Qualität der Sprachübertragung sowie die Bitfehlerquote bei der Datenübermittlung stetig verbessert. Durch das 1994 standardisierte [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Weiterentwicklungen_von_ISDN|Breitband–ISDN]] (''B–ISDN'') auf ATM–Basis sind auch noch deutlich höhere Datenraten möglich.
+
By bundling two channels,&nbsp; the data rate could be increased to&nbsp; $\text{128 kbit/s}$.&nbsp; 
 +
*Since the introduction of ISDN in March 1989,&nbsp; the quality of voice transmission and the bit error rate during data transmission have also been steadily improved.
 +
 
 +
*The ATM-based&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Weiterentwicklungen_von_ISDN|"broadband ISDN"]]&nbsp; $\rm (B–ISDN)$&nbsp; standardized in 1994 also allows significantly higher data rates.
  
 
 
 
 
==Dienste und Dienstmerkmale von ISDN== 
+
==Services and service features of ISDN== 
 
<br>
 
<br>
Die verfügbaren ISDN–Dienste können in zwei Gruppen aufgeteilt werden:
+
The available ISDN services can be divided into two groups:
[[File:P_ID1487__Bei_T_1_1_S2_v1.png|right|frame|Übermittlungsdienste und Teledienste bei ISDN]]
 
'''Übermittlungsdienste''' (englisch: ''Bearer Services'')
 
dienen dem Informationstransport und sichern die Datenübertragung und –Vermittlung zwischen den Zugangsschnittstellen des Netzes. Dies entspricht Festlegungen in den drei ersten Schichten  des [https://de.wikipedia.org/wiki/OSI-Modell OSI–Referenzmodells]:  
 
*'''PL''' (Physical Layer),
 
*'''DL''' (Data Link Layer),und
 
*'''NL''' (Network Layer).
 
  
 +
&rArr; &nbsp; '''Bearer services'''&nbsp; are used to transport information and ensure data transmission and switching between the access interfaces of the network.&nbsp; This corresponds to definitions in the first three layers of the&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/OSI_model "OSI reference model"]:
 +
[[File:EN_Bei_T_1_1_S2.png|right|frame|Bearer services and tele services with ISDN]]
 +
# &nbsp; $\rm PL$&nbsp; (Physical Layer),
 +
# &nbsp; $\rm DL$&nbsp; (Data Link Layer), and
 +
# &nbsp; $\rm NL$&nbsp; (Network Layer).
  
Zu den Übermittlungsdiensten gehören
 
*''leitungsvermittelte Dienste'', zum Beispiel
 
:Datenübertragung mit 64 kbit/s (auf dem S0–Bus oder über den Terminaladapter X21) sowie Audioübertragung (Sprache und Musik bis 3400 Hz) wie beim analogen Telefonnetz,
 
  
*''paketvermittelte'' Dienste – beispielsweise der Zugang zum Paketnetz im B–Kanal.
+
Bearer services include
 +
*'''circuit-switched services''',&nbsp;  for example
 +
**data transmission with 64 kbit/s&nbsp; $($on the S0 bus or via the X21 terminal adapter$)$&nbsp; and
 +
**audio transmission&nbsp; $($voice and music up to 3400 Hz$)$&nbsp; as in the analog telephone network,
  
 +
*'''packet-switched'''&nbsp; services – for example,
 +
**access to the packet network in the&nbsp; "B channel".
  
  
'''Teledienste''' (englisch: ''Tele Services'') umfassen auch die Endeinrichtungen. Sie sind also Ende–zu–Ende–Dienste. Dazu gehören
 
* vermittlungstechnische Funktionen und Protokolle in den Schichten 1 bis 3, sowie
 
*Funktionen zur Steuerung der Kommunikationsprozesse in den Schichten 4 bis 7 des OSI–Referenzmodells.
 
  
 +
&rArr; &nbsp; '''Tele services'''&nbsp; are&nbsp;  "end-to-end services".&nbsp; They include
 +
*the terminal equipment,
  
Die wichtigsten Teledienste sind:
+
* switching functions and protocols in layers&nbsp; '''1'''&nbsp; to&nbsp; '''3''',&nbsp; and
*ISDN–''Fernsprechen'' mit einer Bandbreite von 3.1 kHz oder 7 kHz (bei B–ISDN) – auch mit Übergängen zum analogen Festnetz und zu Funknetzen,
+
 
*ISDN–''Teletext'' mit 64 kbit/s und Übergängen zu den Telebox–Diensten (Briefkasten), T–Online–Diensten und Datex–L/P–Diensten,
+
* functions for controlling communication processes in layers&nbsp; '''4'''&nbsp; to&nbsp; '''7'''&nbsp; of the OSI reference model.
*ISDN–''Telefax'', z. B. Fernkopierer der Gruppe 4 mit Übergängen zur Gruppe 3,
+
 
*ISDN–''Mixed Mode'', worunter man die gemischte, gleichzeitige Datenübertragung von Texten und Bildern versteht,
+
 
*ISDN–''T–Online'' mit 64 kbit/s und Übergängen zu T–Online im analogen Telefonnetz sowie zu Telefax der Gruppe 3 und 4,
+
The most important tele services are:
*''Videotelefonie'' – in der Praxis allerdings lediglich als langsame Bewegtbildübertragung möglich,
+
# &nbsp; ISDN telephony with a bandwidth of 3.1 kHz or 7 kHz&nbsp; $($with B–ISDN$)$ also with transitions to the analog fixed network and to radio networks,
*''Datenkommunikation'' mit standardisierten Protokollen, wie z. B. der Dateientransfer mit FTAM (vergleichbar, aber technisch nicht identisch zum Internet–Dienst FTP).
+
# &nbsp; ISDN teletext with 64 kbit/s and transitions to telebox services&nbsp;  $($mailbox$)$,&nbsp;  T-Online services and Datex L/P services,
 +
# &nbsp; ISDN telefax, e.g. group 4 telecopier with transitions to group 3,
 +
# &nbsp; ISDN mixed mode,&nbsp;  which is understood to mean mixed simultaneous data transmission of texts and images,
 +
# &nbsp; ISDN T–Online with 64 kbit/s and transitions to T-Online in the analog telephone network as well as to group 3 and 4 telefax,
 +
# &nbsp; video telephony – in practice,&nbsp;  however,&nbsp; only possible as slow moving image transmission,
 +
# &nbsp; data communications using standardized protocols,&nbsp; such as file transfer with FTAM&nbsp; $($comparable,&nbsp; but technically not identical to the Internet service&nbsp; "FTP"$)$.
  
  
 
{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Fazit:}$&nbsp;
+
$\text{Conclusion:}$&nbsp;
Die '''Dienstmerkmale''' als Teilmengen eines Dienstes lassen sich in drei Kategorien unterteilen:
+
&nbsp; The&nbsp; "'''Service features'''"&nbsp; as subsets of a service can be divided into three categories:
*''Anschluss–Dienstmerkmale:'' &nbsp; Wähl– oder Festverbindung, Leitungs– oder Paketvermittlung sowie die Endgeräteauswahl auf dem S0–Bus,
+
:*"'''Access service features'''": &nbsp; Dial-up or fixed connection,&nbsp; line or packet switching,&nbsp; and terminal selection on the S0 bus,
*''Verbindungs–Dienstmerkmale:'' &nbsp; schneller Verbindungsaufbau oder Konferenzverbindung,
+
 
*''Informations–Dienstmerkmal:''&nbsp;  Veranstaltungshinweise, Identifizieren anderer Teilnehmer, Anzeige von Gebühren und Tarifen.}}
+
:*"'''Connection service features'''": &nbsp; Fast connection setup or conference connection,
 +
 
 +
:*'''"Information service feature'''": &nbsp;  Event information,&nbsp; identification of other subscribers,&nbsp; display of charges and tariffs.}}
  
 
   
 
   
==Netzinfrastruktur für das ISDN== 
+
==Network infrastructure for ISDN== 
 
<br>
 
<br>
Das Anfang der 1980er Jahren konzipierte ISDN sollte aus Kostengründen das vorhandene analoge Telefonnetz nutzen. Der größte Kostenfaktor der gesamten Infrastruktur stellt der Teilnehmeranschlussbereich zwischen Ortsvermittlungsstelle (OVSt) bzw. einem Hauptverteiler (HVt) und den Teilnehmern dar, da sich in diesem Bereich das Netz maximal verzweigt. In Deutschland ist diese so genannte „Last Mile” im Landesdurchschnitt kürzer als 4 Kilometer, in städtischen Gebieten zu 90% sogar kürzer als 2.8 km.
+
ISDN,&nbsp; which was developed in the early 1980s,&nbsp; was intended to use the existing analog telephone network for cost reasons.&nbsp;
 +
 
 +
The greatest cost factor of the entire infrastructure is
 +
*the subscriber line area between the local exchange&nbsp; $\rm (LE)$&nbsp; or a main distribution frame&nbsp; $($e.g. "switching office"$)$,&nbsp; and
 +
*the subscribers,&nbsp; as the network branches out to the maximum in this area.  
  
Aufgrund der topologischen Gegebenheiten verzweigt sich das Telefonnetz sternförmig zum Endkunden hin immer mehr. Um nicht für jeden Teilnehmer ein separates Kupferkabel zur Ortsvermittlungsstelle legen zu müssen, wurden Verzweiger zwischengeschaltet und die Leitungen in entsprechend großen Kabeln gebündelt. Der '''Teilnehmeranschlussbereich''' setzt sich deshalb meist wie folgt zusammen:
+
[[File:EN_LZI_T_4_3_S2_neu.png| right|frame|Structure of the local loop area]]
[[File:P_ID1488__Bei_T_1_1_S3a_v1.png|right|frame|Struktur des Teilnehmeranschlussbereichs]]
+
[[File:EN_LZI_T_4_3_S1b.png|right|frame| Bundling and twisting of copper wires]]
*das ''Hauptkabel'' mit bis zu 2000 Doppeladern zwischen der Ortsvermittlungsstelle bzw. dem Hauptverteiler und einem Kabelverzweiger (KVZ),
 
*das ''Verzweigungskabel'' zwischen KVZ und Endverzweiger (EVZ) mit bis zu 300 Doppeladern und mit maximal 500 Meter deutlich kürzer als ein Hauptkabel,
 
*das ''Hausanschlusskabel'' zwischen Endverzweiger und der Netzabschlussdose beim Teilnehmer mit zwei Doppeladern.
 
  
  
 +
In Germany,&nbsp; this so-called&nbsp; "last mile"&nbsp; is shorter than&nbsp; $4$&nbsp; kilometers on average,&nbsp; and in urban areas&nbsp; $90\%$&nbsp; of the time it is even shorter than&nbsp; $2.8$&nbsp; kilometers.
  
 +
Due to the topological conditions,&nbsp; the telephone network is increasingly branching out in a star configuration toward the end customer.
  
[[File:P_ID1489__Bei_T_1_1_S3b_v1.png|left|frame|Hauptbündel, Grundbündel und Sternvierer]]
+
In order to avoid having to lay a separate copper cable to the local exchange for each subscriber,&nbsp; splitters have been installed in between and the lines bundled in correspondingly large cables.  
<br><br><br><br><br><br>
 
Um die induktiven und kapazitiven Beeinflussungen von benachbarten Leitungspaaren zu vermindern und damit die Packungsdichte zu erhöhen, werden zwei Doppeladern jeweils zu einem so genannten '''Sternvierer''' verseilt.
 
  
 +
The&nbsp; '''local loop area'''&nbsp; is therefore usually made up as follows:
  
Die Abbildung zeigt einen solchen Sternvierer und ein Bündelkabel. Im dargestellten Beispiel werden
+
# &nbsp; The&nbsp; "main cable"&nbsp; with up to&nbsp; $2000$&nbsp; pairs between the local exchange&nbsp; (or the switching office)&nbsp; frame and a cable branch,
*je fünf solcher Vierer zu einem Grundbündel, und
+
# &nbsp;the&nbsp; "branch cable"&nbsp; between the cable branch and the final branch,  with up to&nbsp; $300$&nbsp; pairs and a maximum length of 500 meters,&nbsp; which is significantly shorter than a main cable,
*je fünf Grundbündel zu einem Hauptbündel
+
# &nbsp;the&nbsp; "house connection cable"&nbsp; between the terminal box and the network termination box at the subscriber with two pairs of wires.
zusammengefasst. Das Kabel beinhaltet 50 Doppeladern mit PE–Isolierung.
 
  
+
<br><br>
==Dämpfungsverhalten von Kupferkabeln== 
+
In order to reduce the inductive and capacitive influences of neighboring pairs of conductors and thus increase the packing density,&nbsp; two pairs of twisted pairs are twisted into a so-called&nbsp; "star quad".&nbsp;
 +
 
 +
The figure shows such a star quad and a bundle cable.&nbsp; In the example shown:
 +
*Five such quads each are combined to form a basic bundle.
 +
 
 +
*Five basic bundles are combined into one main bundle.
 +
 
 +
*The cable contains&nbsp; $50$&nbsp; pairs with PE insulation.
 +
<br clear=all>
 +
==Attenuation behavior of copper cables== 
 
<br>
 
<br>
Im Bereich der Deutschen Bundespost (heute: Deutsche Telekom) wurden in der Vergangenheit Kupfer–Zweidrahtleitungen – in Netzplänen meist mit „Cu” bezeichnet – mit Aderndurchmessern von 0.35 mm, 0.4 mm und 0.5 mm verlegt. Im Kapitel &bdquo;Eigenschaften elektrischer Leitungen&rdquo; des Buches [[Lineare zeitinvariante Systeme]] werden die elektrischen Eigenschaften von Kupferleitungen im Detail beschrieben. Hier beschränken wir uns auf einige wenige Eigenschaften, die im Hinblick auf ihre Verwendung bei ISDN von Interesse sind.
+
In the past,&nbsp; copper two-wire lines &ndash; usually designated&nbsp; "Cu"&nbsp; in network diagrams &ndash; with core diameters of&nbsp; $0.35$ mm,&nbsp; $0.4$ mm and&nbsp; $0.5$ mm were laid in the area of the&nbsp; "Deutsche Bundespost"&nbsp; (today:&nbsp; "Deutsche Telekom").&nbsp;
 +
[[File:P_ID1490__Bei_T_1_1_S3c_v1.png|right|frame|Attenuation curve of a&nbsp; $0.4$&nbsp; mm two-wire line]]
 +
 
 +
*In the chapter&nbsp; "Properties of Electrical Cables"&nbsp; of the book&nbsp; [[Lineare zeitinvariante Systeme|"Linear and Time Invariant Systems"]],&nbsp; the electrical properties of copper lines are described in detail.
 +
 
 +
*Here we limit ourselves to a few properties which are of interest with regard to their use with ISDN.
  
Alle folgenden Aussagen beziehen sich auf Leitungen mit 0.4 mm Durchmesser. Für diese wurden zum Beispiel in [PW95]<ref name='PW95'>Pollakowski, M.; Wellhausen, H.W.: ''Eigenschaften symmetrischer Ortsanschlusskabel im Frequenzbereich bis 30 MHz''. Mitteilung aus dem Forschungs- und Technologiezentrum der Deutschen Telekom AG, Darmstadt, Verlag für Wissenschaft und Leben Georg Heidecker, 1995.</ref> folgender empirisch gefundener Dämpfungs– und Phasenverlauf angegeben, wobei $l$ die Leitungslänge bezeichnet:
 
  
[[File:P_ID1490__Bei_T_1_1_S3c_v1.png|right|frame|Dämpfungsverlauf einer 0.4mm-Zweidrahtleitung]]
+
All following statements refer to lines with&nbsp; $0.4$&nbsp; mm diameter.&nbsp; For these,&nbsp; for example,&nbsp; in&nbsp; [PW95]<ref name='PW95'>Pollakowski, M.; Wellhausen, H.W.:&nbsp; Eigenschaften symmetrischer Ortsanschlusskabel im Frequenzbereich bis 30 MHz.&nbsp; Mitteilung aus dem Forschungs- und Technologiezentrum der Deutschen Telekom AG, Darmstadt, Verlag für Wissenschaft und Leben Georg Heidecker, 1995.</ref>&nbsp; the following empirically found attenuation and phase curve were given,&nbsp; where&nbsp; $l$&nbsp; denotes the cable length:
 
+
 
:$${a_{\rm K}(f)}/{ {\rm dB}} = \left [ 5.1 + 14.3 \cdot \left ({f}/{ {\rm MHz}}\right )^{0.59}\right ]\cdot{l}/{ {\rm km}}
 
:$${a_{\rm K}(f)}/{ {\rm dB}} = \left [ 5.1 + 14.3 \cdot \left ({f}/{ {\rm MHz}}\right )^{0.59}\right ]\cdot{l}/{ {\rm km}}
 
     \hspace{0.05cm},$$
 
     \hspace{0.05cm},$$
Line 121: Line 165:
 
     \hspace{0.05cm}.$$
 
     \hspace{0.05cm}.$$
  
Mit dem interaktiven Applet [[Applets:Dämpfung_von_Kupferkabeln_(SWF)|Dämpfung von Kupferkabeln]] können Sie sich den Dämpfungsverlauf von symmetrischen Leitungen und Koaxialkabeln mit unterschiedlichen Abmessungen ansehen und mit einem weiteren Applet das [[Applets:Zeitverhalten_von_Kupferkabeln|Zeitverhalten von Kupferkabeln]].
+
With the interactive HTML5/JavaScript applet&nbsp; [[Applets:Attenuation_of_Copper_Cables|"Attenuation of copper cables"]]&nbsp; you can view the attenuation curve of symmetrical lines and coaxial cables with different dimensions and with the&nbsp; (German language)&nbsp; SWF applet the&nbsp; [[Applets:Zeitverhalten_von_Kupferkabeln|"Time behavior of copper cables"]].
<br clear=all>
+
 
In der Grafik ist für die Leitungslängen $l = 1 \ \rm km$, $l = 2 \ \rm km$ und $l = 4 \ \rm km$ bei 0.4 mm Leitungsdurchmesser der Dämpfungsverlauf im Frequenzbereich bis $1 \ \rm MHz$ dargestellt. Man erkennt aus diesem Diagramm:
+
The diagram shows the attenuation curve in the frequency range up to&nbsp; $1 \ \rm MHz$&nbsp; for the cable lengths&nbsp; $l = 1 \ \rm km$,&nbsp; $l = 2 \ \rm km$&nbsp; and&nbsp; $l = 4 \ \rm km$&nbsp; with a cable diameter of &nbsp;$\text{0.4 mm}$.&nbsp; One can see from this diagram:
*Die Dämpfungsfunktion $a_{\rm K}(f)$ liegt für einen Kilometer Kabellänge zwischen $5.1 \ \rm dB$ (bei $f = 0$) und $19.4 \ \rm dB$ (bei $f = 1 \ \rm MHz$) und ist proportional zur Kabellänge. Bei $l = 4 \ \rm km$ vervierfachen sich also die oben angegebenen Werte.
+
# The attenuation function&nbsp; $a_{\rm K}(f)$&nbsp; for one kilometer of cable length is between&nbsp; $5.1 \ \rm dB$&nbsp; $($at&nbsp; $f = 0)$&nbsp; and&nbsp; $19.4 \ \rm dB$&nbsp; $($at&nbsp; $f = 1 \ \rm MHz)$&nbsp; and is proportional to the cable length.&nbsp; For&nbsp; $l = 4 \ \rm km$,&nbsp; these values quadruple.
*Kabel mit $4 \ \rm km$ Länge treten bei ISDN höchstens auf dem $U_{\rm K0}$–Bus auf, also auf der Verbindung zwischen Ortsvermittlungsstelle und Endverzweiger. Die Symbolfolgefrequenz beträgt hier aufgrund der 4B3T–Codierung nur $120 \ \rm kHz$.
+
# Cables with a length of&nbsp; $4 \ \rm km$&nbsp; occur in ISDN at most on the&nbsp; $\rm U_{\rm K0}$ bus,&nbsp; i.e. on the connection between the local exchange and the terminal.&nbsp; Due to the 4B3T coding,&nbsp; the symbol sequence frequency here is only&nbsp; $120 \ \rm kHz$.
*In der Grafik ist dieser ISDN–relevante Bereich gelb hinterlegt. Bei $f = 120 \ \rm kHz$ und $l = 4 \ \rm km$ beträgt die Dämpfung ca. $37 \ \rm dB$, ist also im Vergleich zum breitbandigen [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Allgemeine_Beschreibung_von_DSL#.23_.C3.9CBERBLICK_ZUM_ZWEITEN_HAUPTKAPITEL_.23|DSL]] (''Digital Subscriber Line'') eher moderat. Das bedeutet: Für ISDN ist die Kabeldämpfung unkritisch.
+
# In the diagram,&nbsp; this ISDN–relevant range is highlighted in yellow.&nbsp; At&nbsp; $f = 120 \ \rm kHz$&nbsp; and&nbsp; $l = 4 \ \rm km$,&nbsp; the attenuation is approx.&nbsp; $37 \ \rm dB$,&nbsp; which is rather moderate compared to broadband&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/General_Description_of_DSL#.23_OVERVIEW_OF_THE_SECOND_MAIN_CHAPTER_.23|"DSL"]]&nbsp; ("'Digital Subscriber Line").&nbsp; This means: &nbsp; Cable attenuation is not critical for ISDN.
*Der obige Dämpfungsverlauf gilt nur für das Übertragungsmedium „Zweidrahtleitung”. Im ISDN–Zugangsnetz gibt es aber daneben auch Übertrager mit der Konsequenz, dass darüber Gleichsignalanteile nicht übertragen werden können.
+
# The above attenuation curve only applies to the&nbsp; "two-wire line"&nbsp; transmission medium.&nbsp; In the ISDN access network,&nbsp; however,&nbsp; there are also transformers with the consequence that DC signal components cannot be transmitted over them.
*Für das ISDN–System bedeutet diese Tatsache, dass im Zugangsnetz (auf dem $U_{\rm K0}$–Bus) durch eine Leitungscodierung genauer gesagt durch den [[Digitalsignalübertragung/Blockweise_Codierung_mit_4B3T-Codes|4B3T–Code]] – die Gleichsignalfreiheit des Sendesignals gewährleistet werden muss.
+
# For the ISDN system,&nbsp; this fact means that in the access network&nbsp; $($on the&nbsp;  $\rm U_{\rm K0}$&nbsp; bus$)$,&nbsp; line coding more precisely, the&nbsp; [[Digital_Signal_Transmission/Block_Coding_with_4B3T_Codes|"4B3T code"]]&nbsp; must be used to ensure that the transmitted signal is free of DC signals.
*Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass bei Zweidrahtleitungen in Kabelbündeln das [[Lineare_zeitinvariante_Systeme/Eigenschaften_von_Kupfer–Doppeladern#St.C3.B6rungen_auf_Zweidrahtleitungen|Nebensprechen von benachbarten Adern]] die dominante Störquelle darstellt und nicht etwa das thermische Rauschen wie bei einem Koaxialkabelsystem.
+
# Furthermore,&nbsp; it must be taken into account that in two-wire lines in cable bundles,&nbsp; the&nbsp; [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Properties_of_Balanced_Copper_Pairs#Crosstalk_on_two-wire_lines|"crosstalk from neighboring wires"]]&nbsp; is the dominant source of noise and not,&nbsp; for example,&nbsp; the thermal noise as in a coaxial cable system.
*Deshalb kann hier die Bitfehlerwahrscheinlichkeit nicht durch eine Erhöhung der Sendeleistung abgesenkt werden, da man durch einen höheren Pegel das Störsignal (für andere Doppeladern) in gleicher Weise verstärken würde wie das Nutzsignal.
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# Therefore,&nbsp; the bit error probability cannot be reduced here by increasing the transmitting power,&nbsp; since a higher level would amplify the noise signal&nbsp; $($for other pairs$)$&nbsp; in the same way as the useful signal.
*Von den Nebensprechstörungen ist '''Nahnebensprechen''' kritischer als Fernnebensprechen. Nahnebensprechen ergibt sich, wenn zwei benachbarte Doppeladern in unterschiedliche Richtung betrieben werden, so dass der gestörte Empfänger örtlich nahe beim störenden Sender liegt. Dagegen wird bei Fernnebensprechen die induzierte Störleistung durch die Kabeldämpfung merklich abgeschwächt und hat so geringere Auswirkungen.
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# Of the crosstalk noise,&nbsp; "'''near-end crosstalk'''"&nbsp; is more critical than&nbsp; "far-end crosstalk".&nbsp; Near-end crosstalk occurs when two adjacent pairs of wires are operated in different directions,&nbsp; so that the disturbed receiver is located close to the interfering transmitter.&nbsp;
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# In&nbsp; "far-end crosstalk",&nbsp; on the other hand,&nbsp; the induced noise power is noticeably attenuated by the cable attenuation and thus has less disturbing influence.
  
  
==Vierdraht– und Zweidrahtübertragung==   
+
==Four-wire and two-wire transmission==   
 
<br>
 
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Eine Kommunikationsverbindung arbeitet meist so auch bei ISDN – im '''Vollduplexbetrieb''', das heißt, die beiden Kommunikationspartner senden kontinuierlich und unabhängig voneinander. Um diese Betriebsart zu gewährleisten, sind verschiedene Varianten möglich, die in der Grafik dargestellt sind. Die Sende– und Empfangseinrichtung beim Kunden (Teilnehmer A) wird als ''Network Termination'' (NT) bezeichnet, die entsprechende Gegenstelle in der Ortsvermittlungsstelle heißt ''Line Termination'' (LT).
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A communication link usually operates as is the case with ISDN – in&nbsp; '''full duplex mode''',&nbsp; i.e. the two communication partners transmit continuously and independently of each other.
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[[File:EN_Bei_T_1_1_S4neu.png|right|frame|Four-wire and two-wire transmission]]
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*To ensure this mode of operation,&nbsp; different variants are possible,&nbsp; which are shown in the diagram on the right.
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*The transmitting and receiving device at the customer&nbsp; $($subscriber&nbsp; $\rm A)$&nbsp; is called&nbsp; "Network Termination"&nbsp; $\rm (NT)$.
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*The corresponding remote station in the local exchange is called&nbsp; "Line Termination"&nbsp; $\rm (LT)$.
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[[File:P_ID1491__Bei_T_1_1_S4_v1.png|center|frame|Vierdraht- und Zweidrahtübertragung]]
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There are two possibilities for such full duplex operation:
  
Es gibt zwei Möglichkeiten für einen solchen Vollduplexbetrieb:
+
'''(1)''': &nbsp; Communication from &nbsp;$\rm A$&nbsp; → &nbsp;$\rm B$&nbsp; and the opposite direction from &nbsp;$\rm B$&nbsp; →&nbsp; $\rm A$&nbsp; can be implemented via separate lines.  
*Man kann die Kommunikation von A → B und die Gegenrichtung von B → A über getrennte Leitungen realisieren. Eine solche '''Vierdrahtübertragung''' wird bei ISDN im Hausanschlussbereich – dem sogenannen $S_{\rm 0}$–Bus – angewendet, wobei für jede Richtung eine Doppelader zur Verfügung gestellt wird.
 
*Ökonomischer ist die gemeinsame Nutzung einer Doppelader für beide Richtungen – also die so genannte '''Zweidrahtübertragung'''. Diese wird bei ISDN im Zugangsnetz – auf dem $U_{\rm K0}$–Bus – angewendet. Da für beide Richtungen der gleiche Frequenzbereich benutzt wird, spricht man auch vom ''Zweidraht–Frequenzgleichlageverfahren''.
 
  
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:Such&nbsp;  "'''four-wire transmission'''"&nbsp;  is used with ISDN in the house connection area – the so-called&nbsp; $\rm S_{\rm 0}$&nbsp; bus – where one twisted pair is provided for each direction.
  
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'''(2)''': &nbsp; More economical is the shared use of a twisted pair for both directions – i.e., so-called&nbsp; "'''two-wire transmission'''".
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:This is used for ISDN in the access network – on the&nbsp; $\rm U_{\rm K0}$&nbsp; bus.&nbsp; Since the same frequency range is used for both directions,&nbsp; this is also referred to as&nbsp; "two-wire frequency rectification".
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{{BlaueBox|TEXT=   
 
{{BlaueBox|TEXT=   
$\text{Fazit:}$&nbsp;
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$\text{Conclusions:}$&nbsp;
*Bei der '''Vierdrahtübertragung''' kann es über die ersten Meter der Leitung durch induktive oder kapazitive Kopplungen zu ''Nahnebensprechen'' (siehe vorherige Seite) kommen, das heißt, der Sender stört den eigenen Empfänger.
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*In&nbsp; '''four-wire transmission''',&nbsp; near-end crosstalk&nbsp; (see previous section)&nbsp; can occur over the first few meters of the line due to inductive or capacitive couplings,&nbsp; i.e. the transmitter interferes with its own receiver.
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*In the&nbsp; '''two-wire variant''',&nbsp; the internal reflection of the transmitted signal into the&nbsp; (own)&nbsp; receiver is the dominant cause of noise,&nbsp; which can be avoided or reduced for narrowband transmitted signals&nbsp; (for example,&nbsp; speech)&nbsp; by means of a&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/ISDN_Basic_Access#Directional_separation_method|"fork circuit"]].&nbsp;
  
*Bei der '''Zweidrahtvariante''' ist die interne Reflexion des Sendesignals in den (eigenen) Empfänger die dominante Störungsursache, die bei schmalbandigen Sendesignalen (beispielsweise Sprache) durch eine [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/ISDN-Basisanschluss#Richtungstrennungsverfahren|Gabelschaltung]] vermieden oder vermindert werden kann. Bei Breitbandsignalen sind zusätzlich aufwändige adaptive Verfahren zur Echokompensation erforderlich.}}
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*For wideband signals,&nbsp; '''additional complex adaptive methods for echo cancellation'''&nbsp; are required.}}
 
 
 
 
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==Some basics of pulse code modulation== 
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The ISDN concept is largely based on&nbsp; '''Pulse code modulation'''&nbsp; $\rm (PCM)$,&nbsp; the basic features of which were developed as early as 1938 by&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Alec_Reeves Alec Reeves].&nbsp; This important basic field for digital modulation and digital signal transmission is described in detail in the book&nbsp; [[Modulation_Methods/Pulse_Code_Modulation|"Modulation Methods"]].&nbsp;
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[[File:EN_Mod_T_4_1_S1_v2.png|right|frame|Principle of Pulse Code Modulation&nbsp; $\rm (PCM)$
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$q(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,\ Q(f)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; source signal &nbsp; (from German:&nbsp; "Quellensignal"),&nbsp; analog<br>
 +
$q_{\rm A}(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,\ Q_{\rm A}(f)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; sampled source signal &nbsp; (from German:&nbsp; "abgetastet" &nbsp; &rArr; &nbsp;  "A")<br>
 +
$q_{\rm Q}(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,\ Q_{\rm Q}(f)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; quantized source signal &nbsp; (from German:&nbsp; "quantisiert" &nbsp; &rArr; &nbsp;  "Q")<br>
 +
$q_{\rm C}(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,\ Q_{\rm C}(f)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; coded source signal &nbsp; (from German:&nbsp; "codiert" &nbsp; &rArr; &nbsp;  "C"),&nbsp; binary <br>
 +
$s(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,\ S(f)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; transmitted signal &nbsp; (from German:&nbsp; "Sendesignal"),&nbsp; digital<br>
 +
$n(t)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; noise signal,&nbsp; characterized by the power-spectral density&nbsp; ${\it Φ}_n(f)$, &nbsp; analog
 +
$r(t)= s(t) \star h_{\rm K}(t) + n(t)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; received signal,&nbsp; $h_{\rm K}(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,\ H_{\rm K}(f)$,&nbsp; analog<br>
 +
&nbsp; Note: &nbsp;  Spectrum&nbsp; $R(f)$&nbsp; can not be specified  due to the stochastic component&nbsp; $n(t)$.<br>
 +
$v_{\rm C}(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,\ V_{\rm C}(f)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; signal after decision,&nbsp; binary<br>
 +
$v_{\rm Q}(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,\ V_{\rm Q}(f)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; signal after PCM decoding,&nbsp; $M$&ndash;level<br>
 +
&nbsp; Note: &nbsp;    On the receiver side,&nbsp; there is no counterpart to&nbsp; "Quantization"<br>
 +
$v(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,\ V(f)$ &nbsp; &rArr; &nbsp; sink signal,&nbsp; analog<br>]]
  
==Einige Grundlagen von PCM== 
+
Here follows a short summary with regard to the use with ISDN.&nbsp; The graphic shows the block diagram of the PCM transmission system,&nbsp; which is adapted to the situation with ISDN.&nbsp; You can see:
<br>
 
Das ISDN–Konzept basiert weitgehend auf der '''Pulscodemodulation''' (PCM), deren Grundzüge schon 1938 von [https://de.wikipedia.org/wiki/Alec_Reeves Alec Reeves] entwickelt wurden. Dieses wichtige Grundlagengebiet für die digitalen Modulation und die Digitalsignalübertragung wird im Buch [[Modulationsverfahren/Pulscodemodulation|Modulationsverfahren]] detailliert beschrieben. Hier folgt eine kurze Zusammenfassung in Hinblick auf die Verwendung bei ISDN.
 
  
[[File:P_ID1492__Bei_T_1_1_S5_v1.png|center|frame|PCM-Blockschaltbild]]
+
*The analog&nbsp; (i.e.: &nbsp;value and time continuous)&nbsp; source signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; is converted into the binary signal&nbsp; $q_{\rm C}(t)$&nbsp; by the three function blocks&nbsp; '''Sampling – Quantization – PCM Coding'''.&nbsp;&nbsp; In the graphic,&nbsp; this is shown in the upper signal path.
  
Die Grafik zeigt das Blockschaltbild des PCM–Übertragungssystems, das an die Gegebenheit bei ISDN angepasst ist. Man erkennt:
+
*The block with gray background shows the&nbsp; "digital transmission system"&nbsp; with transmitter,&nbsp; channel distortions and noise addition and the receiver,&nbsp; which among other things contains a decision.&nbsp; The channel output signal&nbsp; $v_{\rm C}(t)$&nbsp; is binary like&nbsp; $q_{\rm C}(t)$.&nbsp;
*Das analoge (das heißt: wert– und zeitkontinuierliche) Quellensignal $q(t)$ wird durch die drei Funktionsblöcke '''Abtastung – Quantisierung – PCM–Codierung''' in das Binärsignal $q_{\rm C}(t)$ gewandelt. In der Grafik ist dies im oberen Signalpfad dargestellt.
+
*Der grau hinterlegte Block zeigt das digitale Übertragungssystem mit Sender, Kanalverzerrungen und Rauschaddition sowie dem Digitalempfänger, der unter anderem einen Entscheider beinhaltet. Das Kanalausgangssignal $v_{\rm C}(t)$ ist wie $q_{\rm C}(t)$ ein Binärsignal.
+
*In the lower branch you can see the PCM decoder with the time-discrete,&nbsp; but now higher-level output signal&nbsp; $v_{\rm Q}(t)$.&nbsp; This is followed by the&nbsp; '''signal reconstruction'''&nbsp; to obtain the analog signal&nbsp; $v(t)$,&nbsp; for which an ideal rectangular low-pass filter is sufficient.
*Im unteren Zweig erkennt man den PCM–Decoder mit dem immer noch zeitdiskreten, nun aber höherstufigen Ausgangssignal $v_{\rm Q}(t)$. Anschließend folgt die '''Signalrekonstruktion''' zur Gewinnung des Analogsignals $v(t)$, wozu ein idealer, rechteckförmiger Tiefpass ausreicht.
 
*Für die Quantisierung gibt es empfängerseitig keine Entsprechung, das heißt, die beim Sender unvermeidbaren Quantisierungsfehler sind irreversibel. Deshalb gilt bei PCM wie bei jeder Form von Digitalsignalübertragung grundsätzlich $v(t) ≠ q(t)$.
 
*Ein wichtiger Quantisierungsparameter ist die Stufenzahl $M = 2^N$, wobei $N$ die Anzahl der für einen Abtastwert erforderlichen Binärzeichen angibt. Je größer $N$ ist, desto weniger stark ist der störende Einfluss der Quantisierung und um so höher die Qualität des PCM–Systems.
 
  
 +
*There is no equivalent for the quantization at the receiver end.&nbsp; This means:&nbsp; The quantization errors that are unavoidable at the transmitter are irreversible.&nbsp; For this reason,&nbsp; $v(t) ≠ q(t)$&nbsp; applies in principle to PCM as to any form of digital signal transmission.
  
Alle diese Aussagen gelten für PCM allgemein. Nun werden die Besonderheiten der Pulscodemodulation bei ISDN genannt.
+
*An important quantization parameter is the level number&nbsp; $M = 2^N$,&nbsp; where&nbsp; $N$&nbsp; indicates the number of binary characters required for a sample.&nbsp;
  
 +
*The larger&nbsp; $N$,&nbsp; the less the interfering influence of quantization and the higher the quality of the PCM system.
  
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All these statements apply to PCM in general.&nbsp; Now the special features of pulse code modulation at ISDN are mentioned.
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{{GraueBox|TEXT=   
 
{{GraueBox|TEXT=   
$\text{Pulscodemodulation bei ISDN:}$&nbsp; Die Abtastung im Zeitabstand $T_{\rm A}$ erfolgt entsprechend dem [[Signaldarstellung/Zeitdiskrete_Signaldarstellung#Das_Abtasttheorem|Abtasttheorem]]. Dieses besagt:
+
$\text{Pulse code modulation with ISDN:}$&nbsp;  
*Besitzt das Spektrum $Q(f)$ des analogen Quellensignals Anteile bis zur Frequenz $f_{\rm NF, \hspace{0.05cm}max}$, so muss für die Abtastrate gelten:
+
 
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The sampling in the time interval&nbsp; $T_{\rm A}$&nbsp; takes place according to the&nbsp; [[Signal_Representation/Discrete-Time_Signal_Representation#Sampling_theorem|"sampling theorem"]].&nbsp; This states:
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*If the spectrum&nbsp; $Q(f)$&nbsp; of the analog source signal&nbsp; $q(t)$&nbsp; has components up to the frequency&nbsp; $f_{\rm NF, \hspace{0.1cm}max}$,&nbsp;  the following must apply for the sampling rate:
 
   
 
   
 
:$$f_{\rm A} = \frac{1}{T_{\rm A} } \ge  2 \cdot f_{\rm NF,  \hspace{0.05cm}max}
 
:$$f_{\rm A} = \frac{1}{T_{\rm A} } \ge  2 \cdot f_{\rm NF,  \hspace{0.05cm}max}
 
     \hspace{0.05cm}.$$
 
     \hspace{0.05cm}.$$
  
*ISDN–Telefonsignale enthalten Spektralanteile zwischen $300 \ \rm Hz$ und $3400 \ \rm Hz$ und die Abtastrate beträgt $f_{\rm A} = 8 \ \rm kHz$    &nbsp; ⇒  &nbsp;  $T_{\rm A} = 125 \ \rm μs$. Somit ist das Abtasttheorem erfüllt.
+
*ISDN telephone signals contain spectral components between&nbsp; $300 \ \rm Hz$&nbsp; and&nbsp; $3400 \ \rm Hz$ and the sampling rate is&nbsp; $f_{\rm A} = 8 \ \rm kHz$    &nbsp; ⇒  &nbsp;  $T_{\rm A} = 125 \ \rm &micro; s$.&nbsp; Thus,&nbsp; the sampling theorem is satisfied.
  
  
Wie bereits erwähnt, führt die Quantisierung auf $M$ mögliche Eingangswerte zu irreversiblen Fehlern. Wegen der nachfolgenden binären PCM–Codierung wird für $M$ stets eine Zweierpotenz gewählt. Damit lässt sich jeder der $M$–stufigen Eingangswerte durch $N = \log_2 \hspace{0.05cm} (M)$ Binärsymbole (Bit) darstellen. Bei dieser Dimensionierung ist zu beachten:
+
&rArr; &nbsp; As mentioned before,&nbsp; quantization to&nbsp; $M$&nbsp; possible signal values leads to irreversible errors.&nbsp; Because of the following binary PCM coding,&nbsp; a power of two is always chosen for&nbsp; $M$.&nbsp; Thus,&nbsp; each of the&nbsp; $M$–level input values can be represented by&nbsp; $N = \log_2 \hspace{0.05cm} (M)$&nbsp; binary symbols&nbsp; ("bits").&nbsp; In this dimensioning,&nbsp; it should be noted:
*Das Quantisierungs–Signal–zu–Störleistungsverhältnis ist $ρ_{\rm Q} ≈ M^2 = 2^{2N}$. Diese Größe beschreibt das resultierende SNR $ρ_v$ an der Sinke unter der Voraussetzung, dass nicht zusätzlich noch Übertragungsfehler auftreten. Bei Berücksichtigung von Störungen (bzw. Rauschen) ist das Sinken–SNR $ρ_v$ stets kleiner als das Quantisierungs–SNR $ρ_{\rm Q}$.
+
*The&nbsp; "quantization signal-to-noise power ratio"&nbsp; is&nbsp; $ρ_{\rm Q} ≈ M^2 = 2^{2N}$.&nbsp; This quantity describes the resulting SNR&nbsp; $ρ_v$&nbsp; at the sink,&nbsp; assuming no additional transmission errors.&nbsp; When interference &nbsp; $($or noise$)$&nbsp; is taken into account, the sink SNR&nbsp; $ρ_v$&nbsp; is always smaller than the quantization SNR&nbsp; $ρ_{\rm Q}$.
*Durch große Werte von $M$ bzw. $N$ kann man die PCM–Qualität auf Kosten des Aufwands, der Übertragungsrate und der damit erforderlichen HF–Bandbreite erhöhen. Bei ISDN wurde mit $N = 8$ &nbsp;  ⇒  &nbsp; $M = 256$ ein (für die 1990er Jahre) guter Kompromiss zwischen wünschenswerter Qualität und erforderlicher Bitrate standardisiert.
+
 
*Die ISDN–Bitrate (für jeden der beiden B–Kanäle) beträgt entsprechend den obigen Angaben $8 · 8000 \ \rm 1/s = 64 \ kbit/s$. Das Quantisierungs-SNR ist somit gleich
+
*By using large values of&nbsp; $M$&nbsp; or&nbsp; $N$,&nbsp; one can increase the PCM quality at the expense of the effort,&nbsp; the transmission rate,&nbsp; and the high-fruquency bandwidth thus required. For ISDN,&nbsp; a good compromise&nbsp; $($for the 1990s$)$&nbsp; between desirable quality and required bit rate was standardized with&nbsp; $N = 8$ &nbsp;  ⇒  &nbsp; $M = 256$.&nbsp;
 +
 
 +
*The ISDN bit rate&nbsp; $($for each of the two bearer channels$)$&nbsp; is&nbsp; $8 · 8000 \ \rm 1/s = 64 \ kbit/s$&nbsp; according to the above specifications.&nbsp; The quantization SNR is thus
 
   
 
   
 
:$$\rho_{\rm Q} = 2^{16}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
 
:$$\rho_{\rm Q} = 2^{16}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm}
Line 189: Line 268:
 
     \hspace{0.05cm}.$$
 
     \hspace{0.05cm}.$$
  
*Bei CD–Qualität $(N = 16 \ ⇒ \ M = 65536)$ würde sich $10 · \lg ρ_{\rm Q} ≈ 96 \ \rm dB$ ergeben. Dazu müsste allerdings die Bitrate auf $128 \ \rm kbit/s$ verdoppelt werden.
+
*Compact disc&nbsp; $\rm (CD)$&nbsp; quality&nbsp; $(N = 16 \ ⇒ \ M = 65\hspace{0.05cm}536)$&nbsp; would result in&nbsp; $10 · \lg ρ_{\rm Q} ≈ 96 \ \rm dB$.&nbsp; However,&nbsp; this would require doubling the bit rate to&nbsp; $128 \ \rm kbit/s$.  
  
  
Betrachten wir nun den grauen Block im PCM-Blockschaltbild. Bei ISDN beinhaltet der Sender keinen Modulator zur Frequenzumsetzung und der Empfänger keinen Demodulator. Das heißt: ISDN ist ein '''Basisbandübertragungssystem''' mit folgenden Besonderheiten:
+
Let us now look at the gray block in the PCM block diagram.&nbsp; In ISDN,&nbsp; the transmitter does not include a modulator for frequency conversion and the receiver does not include a demodulator.&nbsp; In other words:&nbsp; ISDN is a &nbsp; '''baseband transmission system''' &nbsp; with the following special features:
*Beim ISDN–Übertragungssystem wird ein redundantes ternäres Sendesignal $s(t)$ verwendet, wobei auf der $S_0$–Schnittstelle (Hausanschluss) der modifizierte AMI–Code zum Einsatz kommt und auf der $U_{\rm K0}$–Schnittstelle (Zugangsnetz) ein 4B3T–Code.
+
# &nbsp; In the ISDN transmission system,&nbsp; a redundant ternary transmitted signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; is used, with the&nbsp; "modified AMI code"&nbsp; on the&nbsp; $S_0$ interface&nbsp; $($"house connection"$)$&nbsp; and&nbsp; "4B3T coding"&nbsp; on the&nbsp; $U_{\rm K0}$ interface&nbsp; $($"access network"$)$.
*Die dominante Störung $n(t)$ ist das Nahnebensprechen von benachbarten Leitungspaaren. Viele der im Buch [[Digitalsignalübertragung]] für AWGN–Rauschen angegebenen Aussagen gelten bei dieser Störungsart nur bedingt.}}
+
# &nbsp;The dominant noise&nbsp; $n(t)$&nbsp; is the &nbsp; "near-end crosstalk" &nbsp; of adjacent line pairs. &nbsp; Many of the statements given in the book&nbsp; [[Digital_Signal_Transmission/System_Components_of_a_Baseband_Transmission_System#Transmission_channel_and_interference|"Digital Signal Transmission"]]&nbsp; for AWGN noise are only conditionally valid for this type of noise.}}
 
 
 
 
  
==Entstehung und historische Entwicklung==  
+
==Origin and historical development==  
 
<br>
 
<br>
Nachfolgend sind einige Daten zur historischen Entwicklung der digitalen Übertragungstechnik und Vermittlungstechnik insbesondere von ISDN – zusammengestellt. Hierbei beschränken wir uns vorwiegend auf die Entwicklungen in Deutschland. Weitere Informationen hierüber findet man in [Sie02]<ref>Siegmund, G.: ''Technik der Netze''. 5. Auflage. Heidelberg: Hüthig, 2002.</ref>.
+
In the following,&nbsp; some data on the historical development of digital transmission and switching technology especially ISDN – are compiled.&nbsp; Here we restrict ourselves predominantly to the developments in Germany.&nbsp; Further information can be found in&nbsp; [Sie02]<ref>Siegmund, G.: Technik der Netze.&nbsp; 5. Auflage. Heidelberg: Hüthig, 2002.</ref>.
*'''Um 1970''' &nbsp;&nbsp; Weltweit wird die Notwendigkeit digitaler Teilnehmeranschlüsse erkannt; dies ist der Anfang der digitalen Übertragungstechnik mit Pulscodemodulation (PCM).
 
*'''1979''' &nbsp;&nbsp; Entscheidung der Deutschen Bundespost (DBP), alle Vermittlungsstellen zu digitalisieren.
 
*'''Um 1980''' &nbsp;&nbsp; Erste ISDN–Spezifikation durch ''Comité Consultatif International Téléphonique et Télégraphique'' (CCITT) – heute ''International Telecommunication Union'' (ITU).
 
*'''1982''' &nbsp;&nbsp; Entscheidung der DBP für die Einführung von ISDN und Konkretisierung der Pläne. Bis zur Einführung dauert es aber noch sieben Jahre.
 
*'''1984/85''' &nbsp;&nbsp; Die DBP nimmt die ersten digitalen Fern– und Ortsvermittlungsstellen in Betrieb.
 
*'''1987''' &nbsp;&nbsp; Start zweier ISDN–Pilotprojekte der DBP in Mannheim und Stuttgart.
 
*'''1989''' &nbsp;&nbsp; Beginn des offiziellen Betriebs des nationalen ISDN nach dem 1TR6–Standard am 08.03. auf der CeBIT in Hannover; Spezifikation eines europaweit einheitlichen ISDN (''Euro–ISDN'').
 
*'''1993/94''' &nbsp;&nbsp; ISDN–Flächendeckung in den alten Ländern der Bundesrepublik Deutschland; Beginn des Breitband–ISDN-Pilotprojekts (ATM) der inzwischen privatisierten Deutschen Telekom.
 
*'''1995''' &nbsp;&nbsp; Offizielle Einführung des europaweiten ISDN nach dem [https://de.wikipedia.org/wiki/Digital_Subscriber_System_No._1 DSS1–Standard] (''Euro–ISDN'').
 
*'''1996''' &nbsp;&nbsp; Einführung des Breitband–ISDN–Regeldienstes.
 
*'''1998''' &nbsp;&nbsp; Vollständig digitalisiertes Netz in Deutschland.
 
  
 +
*'''Around 1970''' &nbsp; The need for digital subscriber lines is recognized worldwide;&nbsp; this is the beginning of digital transmission technology with pulse code modulation.
  
Die linke Grafik zeigt die Zunahme der ISDN–Teilnehmer in Deutschland (blaue Balken). Bereits 1999 wird die Zehnmillionen–Marke überschritten und 2002 gibt es schon 20 Millionen ISDN–Teilnehmer in Deutschland. Im Jahr 2004 sind schon die Hälfte aller Schmalbandkanäle digital, nachdem die Zahl der analogen Telefonanschlüsse schon ab 2000 deutlich weniger wurden.
+
*'''1979''' &nbsp;&nbsp; Decision by Deutschen Bundespost&nbsp; $\rm (DBP)$&nbsp; to digitize all exchanges.
  
[[File:P_ID1493__Bei_T_1_1_S6_v1.png|center|frame|Zahl der Schmalband- und Breitbandanschlüsse in Deutschland um das Jahr 2000]]
+
*'''Around 1980''' &nbsp;&nbsp; First ISDN specification by&nbsp; "Comité Consultatif International Téléphonique et Télégraphique"&nbsp; $\rm (CCITT)$&nbsp; – today&nbsp; "International Telecommunication Union" $\rm (ITU)$.
  
Aus der Grafik kann man aber auch eine gewisse Sättigung (mathematisch ausgedrückt: eine negative zweite Ableitung) der ISDN–Kurve ablesen. Dies hängt unmittelbar mit der Erfolgsgeschichte von DSL (''Digital Subscriber Line'') zusammen, die etwa 2001 beginnt. Hierzu mehr im [[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Allgemeine_Beschreibung_von_DSL#.23_.C3.9CBERBLICK_ZUM_ZWEITEN_HAUPTKAPITEL_.23|zweiten Hauptkapitel]] dieses Buches.
+
*'''1982''' &nbsp;&nbsp; Decision of the DBP for the introduction of ISDN and concretization of the plans.&nbsp; However,&nbsp; it takes another seven years before it is introduced.
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*'''1984/85''' &nbsp;&nbsp; The DBP puts the first digital long-distance and local exchanges into operation.
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*'''1987''' &nbsp;&nbsp; Start of two German ISDN pilot projects of the DBP in Mannheim and Stuttgart.
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*'''1989''' &nbsp;&nbsp; Official start of operation of national ISDN on March 8 at CeBIT in Hanover;&nbsp; specification of a uniform Europe-wide ISDN&nbsp; $($"Euro–ISDN"$)$.
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*'''1993/94''' &nbsp;&nbsp; ISDN coverage in the old federal states of the Federal Republic of Germany;&nbsp; start of Deutsche Telekom's broadband ISDN pilot project&nbsp; $\rm (ATM)$.
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*'''1995''' &nbsp;&nbsp; Official introduction of pan-European ISDN based on the&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Digital_Subscriber_System_No._1 "DSS1 standard"]&nbsp; $($"Euro–ISDN"$)$.
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*'''1996''' &nbsp;&nbsp; Introduction of the broadband ISDN bill service.
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*'''1998''' &nbsp;&nbsp; Fully digitized network in Germany.
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The left diagram of the following figure shows the increase of ISDN subscribers in Germany&nbsp;  (blue bars).
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[[File:EN_Bei_T_1_1_S6.png|right|frame|Number of narrowband and broadband lines in Germany around the year 2000]]
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# &nbsp;As early as 1999,&nbsp; the ten million mark is passed and by 2002,&nbsp; there are already 20 million ISDN subscribers in Germany.
 +
# &nbsp;By 2004,&nbsp; half of all narrowband channels are already digital,&nbsp; after the number of analog telephone lines had already begun to decline significantly in 2000.
 +
# &nbsp;However,&nbsp; the graph also shows a certain saturation&nbsp; (in mathematical terms: &nbsp;a negative second derivative)&nbsp; of the ISDN curve.
 +
# &nbsp;This is directly related to the success story of&nbsp; $\rm DSL$&nbsp; ("Digital Subscriber Line"),&nbsp; which began around 2001.
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More on this in the&nbsp;[[Examples_of_Communication_Systems/General_Description_of_DSL#.23_OVERVIEW_OF_THE_SECOND_MAIN_CHAPTER_.23|"second main chapter"]]&nbsp; of this book.
 +
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==Aufgaben zum Kapitel ==
+
== Exercises for the chapter==
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 +
[[Aufgaben:Exercise_1.1:_ISDN_Supply_Lines|Exercise 1.1: ISDN Supply Lines]]
 +
 
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[[Aufgaben:Exercise_1.2:_ISDN_and_PCM|Exercise 1.2: ISDN and PCM]]
  
==Quellenverzeichnis==
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==References==
 
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Latest revision as of 17:31, 16 November 2022

# OVERVIEW OF THE FIRST MAIN CHAPTER #


$\rm I$ntegrated $\rm S$ervices $\rm D$igital $\rm N$etwork   $\rm (ISDN)$  was the first unified digital network for voice,  text,  data,  images,  video and multimedia communications.  It was introduced in the late 1980s and and had about 25 million users in Germany in 2004, for example.

Compared with the analog telecommunications methods that were common before,  ISDN has

  • offered many new or enhanced services,
  • faster transmission,
  • better voice quality,  and
  • an easier use of multiple devices.


The ISDN concept and implementation are presented and explained in this chapter.  In particular are covered:

  1.   a  »general description«  of ISDN,
  2.   the  »services and service features«  of ISDN,
  3.   the  »ISDN network infrastructure«  and the  »different types of connection«,
  4.   the  »logical channels and interfaces«  of ISDN,
  5.   the most important  »transmission codes«  of ISDN,  and
  6.   »broadband ISDN«  as a further development.


At the time of the English translation of this book  $\rm (2022)$,  however,  it must not be concealed:

  • ISDN will no longer have a great future in Germany either - in other countries it never had such great importance.
  • The German provider   »Deutsche Telekom«  had long announced that it would switch off ISDN in 2018 and replace it with its  "Next Generation Network"  $\rm (NGN)$  with packet-switched network infrastructure.
  • Vodafone will follow this example by 2022 at the latest.


⇒   We have nevertheless decided to continue this chapter  $($which was highly topical in the early 2000s$)$  in the  $\rm LNTwww$.  However,  clearly shortened.   Although it lacks the topicality of the day,  it is now more of a technical history contribution.


Goals and features of ISDN


The  $\rm ISDN$  ("Integrated Services Digital Network")  standard,  established since the late 1980s,  is a service–integrated digital communications network with the aim,

  1.   to digitize the analog signal transmission over telephone lines that had been common until then,  thereby achieving better voice quality,
  2.   to continue using the network infrastructure available for analog signal transmission – in particular the copper cables laid at great expense over many years,
  3.   to integrate different sources of information such as voice,  text,  data and video,  as well as the emerging multimedia communications,  into a single network,
  4.   to enable different telecommunication services such as telephoning, faxing, Internet surfing, etc. to be provided simultaneously over the existing network of lines,
  5.   to keep the number of lines required as low as possible without compromising the quality of the transmission,  and finally
  6.   to provide a data rate of  $\text{64 kbit/s}$,  which was also considered sufficient for data traffic when ISDN was introduced.


A distinction is made with ISDN between

  • the  "ISDN basic access"  with two so-called  $\text{B channels}$  ("bearer channels")  with  $\text{64 kbit/s}$  each and one  $\text{D channel}$  ("data channel")  with  $\text{16 kbit/s}$,


By bundling two channels,  the data rate could be increased to  $\text{128 kbit/s}$. 

  • Since the introduction of ISDN in March 1989,  the quality of voice transmission and the bit error rate during data transmission have also been steadily improved.
  • The ATM-based  "broadband ISDN"  $\rm (B–ISDN)$  standardized in 1994 also allows significantly higher data rates.


Services and service features of ISDN


The available ISDN services can be divided into two groups:

⇒   Bearer services  are used to transport information and ensure data transmission and switching between the access interfaces of the network.  This corresponds to definitions in the first three layers of the  "OSI reference model":

Bearer services and tele services with ISDN
  1.   $\rm PL$  (Physical Layer),
  2.   $\rm DL$  (Data Link Layer), and
  3.   $\rm NL$  (Network Layer).


Bearer services include

  • circuit-switched services,  for example
    • data transmission with 64 kbit/s  $($on the S0 bus or via the X21 terminal adapter$)$  and
    • audio transmission  $($voice and music up to 3400 Hz$)$  as in the analog telephone network,
  • packet-switched  services – for example,
    • access to the packet network in the  "B channel".


⇒   Tele services  are  "end-to-end services".  They include

  • the terminal equipment,
  • switching functions and protocols in layers  1  to  3,  and
  • functions for controlling communication processes in layers  4  to  7  of the OSI reference model.


The most important tele services are:

  1.   ISDN telephony with a bandwidth of 3.1 kHz or 7 kHz  $($with B–ISDN$)$ – also with transitions to the analog fixed network and to radio networks,
  2.   ISDN teletext with 64 kbit/s and transitions to telebox services  $($mailbox$)$,  T-Online services and Datex L/P services,
  3.   ISDN telefax, e.g. group 4 telecopier with transitions to group 3,
  4.   ISDN mixed mode,  which is understood to mean mixed simultaneous data transmission of texts and images,
  5.   ISDN T–Online with 64 kbit/s and transitions to T-Online in the analog telephone network as well as to group 3 and 4 telefax,
  6.   video telephony – in practice,  however,  only possible as slow moving image transmission,
  7.   data communications using standardized protocols,  such as file transfer with FTAM  $($comparable,  but technically not identical to the Internet service  "FTP"$)$.


$\text{Conclusion:}$    The  "Service features"  as subsets of a service can be divided into three categories:

  • "Access service features":   Dial-up or fixed connection,  line or packet switching,  and terminal selection on the S0 bus,
  • "Connection service features":   Fast connection setup or conference connection,
  • "Information service feature":   Event information,  identification of other subscribers,  display of charges and tariffs.


Network infrastructure for ISDN


ISDN,  which was developed in the early 1980s,  was intended to use the existing analog telephone network for cost reasons. 

The greatest cost factor of the entire infrastructure is

  • the subscriber line area between the local exchange  $\rm (LE)$  or a main distribution frame  $($e.g. "switching office"$)$,  and
  • the subscribers,  as the network branches out to the maximum in this area.
Structure of the local loop area
Bundling and twisting of copper wires


In Germany,  this so-called  "last mile"  is shorter than  $4$  kilometers on average,  and in urban areas  $90\%$  of the time it is even shorter than  $2.8$  kilometers.

Due to the topological conditions,  the telephone network is increasingly branching out in a star configuration toward the end customer.

In order to avoid having to lay a separate copper cable to the local exchange for each subscriber,  splitters have been installed in between and the lines bundled in correspondingly large cables.

The  local loop area  is therefore usually made up as follows:

  1.   The  "main cable"  with up to  $2000$  pairs between the local exchange  (or the switching office)  frame and a cable branch,
  2.  the  "branch cable"  between the cable branch and the final branch, with up to  $300$  pairs and a maximum length of 500 meters,  which is significantly shorter than a main cable,
  3.  the  "house connection cable"  between the terminal box and the network termination box at the subscriber with two pairs of wires.



In order to reduce the inductive and capacitive influences of neighboring pairs of conductors and thus increase the packing density,  two pairs of twisted pairs are twisted into a so-called  "star quad". 

The figure shows such a star quad and a bundle cable.  In the example shown:

  • Five such quads each are combined to form a basic bundle.
  • Five basic bundles are combined into one main bundle.
  • The cable contains  $50$  pairs with PE insulation.


Attenuation behavior of copper cables


In the past,  copper two-wire lines – usually designated  "Cu"  in network diagrams – with core diameters of  $0.35$ mm,  $0.4$ mm and  $0.5$ mm were laid in the area of the  "Deutsche Bundespost"  (today:  "Deutsche Telekom"). 

Attenuation curve of a  $0.4$  mm two-wire line
  • Here we limit ourselves to a few properties which are of interest with regard to their use with ISDN.


All following statements refer to lines with  $0.4$  mm diameter.  For these,  for example,  in  [PW95][1]  the following empirically found attenuation and phase curve were given,  where  $l$  denotes the cable length:

$${a_{\rm K}(f)}/{ {\rm dB}} = \left [ 5.1 + 14.3 \cdot \left ({f}/{ {\rm MHz}}\right )^{0.59}\right ]\cdot{l}/{ {\rm km}} \hspace{0.05cm},$$
$${b_{\rm K}(f)}/{ {\rm rad}} = \left [ 32.9 \cdot \frac{f}{ {\rm MHz}} + 2.26 \cdot \left ({f}/{ {\rm MHz}}\right )^{0.5}\right ]\cdot{l}/{ {\rm km}} \hspace{0.05cm}.$$

With the interactive HTML5/JavaScript applet  "Attenuation of copper cables"  you can view the attenuation curve of symmetrical lines and coaxial cables with different dimensions and with the  (German language)  SWF applet the  "Time behavior of copper cables".

The diagram shows the attenuation curve in the frequency range up to  $1 \ \rm MHz$  for the cable lengths  $l = 1 \ \rm km$,  $l = 2 \ \rm km$  and  $l = 4 \ \rm km$  with a cable diameter of  $\text{0.4 mm}$.  One can see from this diagram:

  1. The attenuation function  $a_{\rm K}(f)$  for one kilometer of cable length is between  $5.1 \ \rm dB$  $($at  $f = 0)$  and  $19.4 \ \rm dB$  $($at  $f = 1 \ \rm MHz)$  and is proportional to the cable length.  For  $l = 4 \ \rm km$,  these values quadruple.
  2. Cables with a length of  $4 \ \rm km$  occur in ISDN at most on the  $\rm U_{\rm K0}$ bus,  i.e. on the connection between the local exchange and the terminal.  Due to the 4B3T coding,  the symbol sequence frequency here is only  $120 \ \rm kHz$.
  3. In the diagram,  this ISDN–relevant range is highlighted in yellow.  At  $f = 120 \ \rm kHz$  and  $l = 4 \ \rm km$,  the attenuation is approx.  $37 \ \rm dB$,  which is rather moderate compared to broadband  "DSL"  ("'Digital Subscriber Line").  This means:   Cable attenuation is not critical for ISDN.
  4. The above attenuation curve only applies to the  "two-wire line"  transmission medium.  In the ISDN access network,  however,  there are also transformers with the consequence that DC signal components cannot be transmitted over them.
  5. For the ISDN system,  this fact means that in the access network  $($on the  $\rm U_{\rm K0}$  bus$)$,  line coding – more precisely, the  "4B3T code"  – must be used to ensure that the transmitted signal is free of DC signals.
  6. Furthermore,  it must be taken into account that in two-wire lines in cable bundles,  the  "crosstalk from neighboring wires"  is the dominant source of noise and not,  for example,  the thermal noise as in a coaxial cable system.
  7. Therefore,  the bit error probability cannot be reduced here by increasing the transmitting power,  since a higher level would amplify the noise signal  $($for other pairs$)$  in the same way as the useful signal.
  8. Of the crosstalk noise,  "near-end crosstalk"  is more critical than  "far-end crosstalk".  Near-end crosstalk occurs when two adjacent pairs of wires are operated in different directions,  so that the disturbed receiver is located close to the interfering transmitter. 
  9. In  "far-end crosstalk",  on the other hand,  the induced noise power is noticeably attenuated by the cable attenuation and thus has less disturbing influence.


Four-wire and two-wire transmission


A communication link usually operates – as is the case with ISDN – in  full duplex mode,  i.e. the two communication partners transmit continuously and independently of each other.

Four-wire and two-wire transmission
  • To ensure this mode of operation,  different variants are possible,  which are shown in the diagram on the right.
  • The transmitting and receiving device at the customer  $($subscriber  $\rm A)$  is called  "Network Termination"  $\rm (NT)$.
  • The corresponding remote station in the local exchange is called  "Line Termination"  $\rm (LT)$.


There are two possibilities for such full duplex operation:

(1):   Communication from  $\rm A$  →  $\rm B$  and the opposite direction from  $\rm B$  →  $\rm A$  can be implemented via separate lines.

Such  "four-wire transmission"  is used with ISDN in the house connection area – the so-called  $\rm S_{\rm 0}$  bus – where one twisted pair is provided for each direction.

(2):   More economical is the shared use of a twisted pair for both directions – i.e., so-called  "two-wire transmission".

This is used for ISDN in the access network – on the  $\rm U_{\rm K0}$  bus.  Since the same frequency range is used for both directions,  this is also referred to as  "two-wire frequency rectification".


$\text{Conclusions:}$ 

  • In  four-wire transmission,  near-end crosstalk  (see previous section)  can occur over the first few meters of the line due to inductive or capacitive couplings,  i.e. the transmitter interferes with its own receiver.
  • In the  two-wire variant,  the internal reflection of the transmitted signal into the  (own)  receiver is the dominant cause of noise,  which can be avoided or reduced for narrowband transmitted signals  (for example,  speech)  by means of a  "fork circuit"
  • For wideband signals,  additional complex adaptive methods for echo cancellation  are required.

Some basics of pulse code modulation


The ISDN concept is largely based on  Pulse code modulation  $\rm (PCM)$,  the basic features of which were developed as early as 1938 by  Alec Reeves.  This important basic field for digital modulation and digital signal transmission is described in detail in the book  "Modulation Methods"

Principle of Pulse Code Modulation  $\rm (PCM)$ $q(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,\ Q(f)$   ⇒   source signal   (from German:  "Quellensignal"),  analog
$q_{\rm A}(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,\ Q_{\rm A}(f)$   ⇒   sampled source signal   (from German:  "abgetastet"   ⇒   "A")
$q_{\rm Q}(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,\ Q_{\rm Q}(f)$   ⇒   quantized source signal   (from German:  "quantisiert"   ⇒   "Q")
$q_{\rm C}(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,\ Q_{\rm C}(f)$   ⇒   coded source signal   (from German:  "codiert"   ⇒   "C"),  binary
$s(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,\ S(f)$   ⇒   transmitted signal   (from German:  "Sendesignal"),  digital
$n(t)$   ⇒   noise signal,  characterized by the power-spectral density  ${\it Φ}_n(f)$,   analog $r(t)= s(t) \star h_{\rm K}(t) + n(t)$   ⇒   received signal,  $h_{\rm K}(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,\ H_{\rm K}(f)$,  analog
  Note:   Spectrum  $R(f)$  can not be specified due to the stochastic component  $n(t)$.
$v_{\rm C}(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,\ V_{\rm C}(f)$   ⇒   signal after decision,  binary
$v_{\rm Q}(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,\ V_{\rm Q}(f)$   ⇒   signal after PCM decoding,  $M$–level
  Note:   On the receiver side,  there is no counterpart to  "Quantization"
$v(t)\ \circ\!\!-\!\!\!-\!\!\!-\!\!\bullet\,\ V(f)$   ⇒   sink signal,  analog

Here follows a short summary with regard to the use with ISDN.  The graphic shows the block diagram of the PCM transmission system,  which is adapted to the situation with ISDN.  You can see:

  • The analog  (i.e.:  value and time continuous)  source signal  $q(t)$  is converted into the binary signal  $q_{\rm C}(t)$  by the three function blocks  Sampling – Quantization – PCM Coding.   In the graphic,  this is shown in the upper signal path.
  • The block with gray background shows the  "digital transmission system"  with transmitter,  channel distortions and noise addition and the receiver,  which among other things contains a decision.  The channel output signal  $v_{\rm C}(t)$  is binary like  $q_{\rm C}(t)$. 
  • In the lower branch you can see the PCM decoder with the time-discrete,  but now higher-level output signal  $v_{\rm Q}(t)$.  This is followed by the  signal reconstruction  to obtain the analog signal  $v(t)$,  for which an ideal rectangular low-pass filter is sufficient.
  • There is no equivalent for the quantization at the receiver end.  This means:  The quantization errors that are unavoidable at the transmitter are irreversible.  For this reason,  $v(t) ≠ q(t)$  applies in principle to PCM as to any form of digital signal transmission.
  • An important quantization parameter is the level number  $M = 2^N$,  where  $N$  indicates the number of binary characters required for a sample. 
  • The larger  $N$,  the less the interfering influence of quantization and the higher the quality of the PCM system.


All these statements apply to PCM in general.  Now the special features of pulse code modulation at ISDN are mentioned.

$\text{Pulse code modulation with ISDN:}$ 

The sampling in the time interval  $T_{\rm A}$  takes place according to the  "sampling theorem".  This states:

  • If the spectrum  $Q(f)$  of the analog source signal  $q(t)$  has components up to the frequency  $f_{\rm NF, \hspace{0.1cm}max}$,  the following must apply for the sampling rate:
$$f_{\rm A} = \frac{1}{T_{\rm A} } \ge 2 \cdot f_{\rm NF, \hspace{0.05cm}max} \hspace{0.05cm}.$$
  • ISDN telephone signals contain spectral components between  $300 \ \rm Hz$  and  $3400 \ \rm Hz$ and the sampling rate is  $f_{\rm A} = 8 \ \rm kHz$   ⇒   $T_{\rm A} = 125 \ \rm µ s$.  Thus,  the sampling theorem is satisfied.


⇒   As mentioned before,  quantization to  $M$  possible signal values leads to irreversible errors.  Because of the following binary PCM coding,  a power of two is always chosen for  $M$.  Thus,  each of the  $M$–level input values can be represented by  $N = \log_2 \hspace{0.05cm} (M)$  binary symbols  ("bits").  In this dimensioning,  it should be noted:

  • The  "quantization signal-to-noise power ratio"  is  $ρ_{\rm Q} ≈ M^2 = 2^{2N}$.  This quantity describes the resulting SNR  $ρ_v$  at the sink,  assuming no additional transmission errors.  When interference   $($or noise$)$  is taken into account, the sink SNR  $ρ_v$  is always smaller than the quantization SNR  $ρ_{\rm Q}$.
  • By using large values of  $M$  or  $N$,  one can increase the PCM quality at the expense of the effort,  the transmission rate,  and the high-fruquency bandwidth thus required. For ISDN,  a good compromise  $($for the 1990s$)$  between desirable quality and required bit rate was standardized with  $N = 8$   ⇒   $M = 256$. 
  • The ISDN bit rate  $($for each of the two bearer channels$)$  is  $8 · 8000 \ \rm 1/s = 64 \ kbit/s$  according to the above specifications.  The quantization SNR is thus
$$\rho_{\rm Q} = 2^{16}\hspace{0.3cm}\Rightarrow \hspace{0.3cm} 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}\rho_{\rm Q}= 10 \cdot {\rm lg}\hspace{0.1cm}2^{16}\approx 48\,{\rm dB} \hspace{0.05cm}.$$
  • Compact disc  $\rm (CD)$  quality  $(N = 16 \ ⇒ \ M = 65\hspace{0.05cm}536)$  would result in  $10 · \lg ρ_{\rm Q} ≈ 96 \ \rm dB$.  However,  this would require doubling the bit rate to  $128 \ \rm kbit/s$.


Let us now look at the gray block in the PCM block diagram.  In ISDN,  the transmitter does not include a modulator for frequency conversion and the receiver does not include a demodulator.  In other words:  ISDN is a   baseband transmission system   with the following special features:

  1.   In the ISDN transmission system,  a redundant ternary transmitted signal  $s(t)$  is used, with the  "modified AMI code"  on the  $S_0$ interface  $($"house connection"$)$  and  "4B3T coding"  on the  $U_{\rm K0}$ interface  $($"access network"$)$.
  2.  The dominant noise  $n(t)$  is the   "near-end crosstalk"   of adjacent line pairs.   Many of the statements given in the book  "Digital Signal Transmission"  for AWGN noise are only conditionally valid for this type of noise.


Origin and historical development


In the following,  some data on the historical development of digital transmission and switching technology – especially ISDN – are compiled.  Here we restrict ourselves predominantly to the developments in Germany.  Further information can be found in  [Sie02][2].

  • Around 1970   The need for digital subscriber lines is recognized worldwide;  this is the beginning of digital transmission technology with pulse code modulation.
  • 1979    Decision by Deutschen Bundespost  $\rm (DBP)$  to digitize all exchanges.
  • Around 1980    First ISDN specification by  "Comité Consultatif International Téléphonique et Télégraphique"  $\rm (CCITT)$  – today  "International Telecommunication Union" $\rm (ITU)$.
  • 1982    Decision of the DBP for the introduction of ISDN and concretization of the plans.  However,  it takes another seven years before it is introduced.
  • 1984/85    The DBP puts the first digital long-distance and local exchanges into operation.
  • 1987    Start of two German ISDN pilot projects of the DBP in Mannheim and Stuttgart.
  • 1989    Official start of operation of national ISDN on March 8 at CeBIT in Hanover;  specification of a uniform Europe-wide ISDN  $($"Euro–ISDN"$)$.
  • 1993/94    ISDN coverage in the old federal states of the Federal Republic of Germany;  start of Deutsche Telekom's broadband ISDN pilot project  $\rm (ATM)$.
  • 1995    Official introduction of pan-European ISDN based on the  "DSS1 standard"  $($"Euro–ISDN"$)$.
  • 1996    Introduction of the broadband ISDN bill service.
  • 1998    Fully digitized network in Germany.


The left diagram of the following figure shows the increase of ISDN subscribers in Germany  (blue bars).

Number of narrowband and broadband lines in Germany around the year 2000
  1.  As early as 1999,  the ten million mark is passed and by 2002,  there are already 20 million ISDN subscribers in Germany.
  2.  By 2004,  half of all narrowband channels are already digital,  after the number of analog telephone lines had already begun to decline significantly in 2000.
  3.  However,  the graph also shows a certain saturation  (in mathematical terms:  a negative second derivative)  of the ISDN curve.
  4.  This is directly related to the success story of  $\rm DSL$  ("Digital Subscriber Line"),  which began around 2001.


More on this in the "second main chapter"  of this book.


Exercises for the chapter


Exercise 1.1: ISDN Supply Lines

Exercise 1.2: ISDN and PCM

References

  1. Pollakowski, M.; Wellhausen, H.W.:  Eigenschaften symmetrischer Ortsanschlusskabel im Frequenzbereich bis 30 MHz.  Mitteilung aus dem Forschungs- und Technologiezentrum der Deutschen Telekom AG, Darmstadt, Verlag für Wissenschaft und Leben Georg Heidecker, 1995.
  2. Siegmund, G.: Technik der Netze.  5. Auflage. Heidelberg: Hüthig, 2002.