Difference between revisions of "Modulation Methods/Further OFDM Applications"

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|Untermenü=Vielfachzugriffsverfahren
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==OFDM bei DVB–T==
+
==OFDM for DVB–T==
 
<br>
 
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'''DVB–T''' &nbsp;(''Digital Video Broadcasting Terrestrial'')&nbsp; ist eine von mehreren aus dem DVB–Standard von 1997 abgeleitete Variante für die Verbreitung von Fernsehsignalen in digitaler Form. Andere damit verwandte Standards sind:  
+
$\rm DVB–T$ &nbsp; ("Digital Video Broadcasting Terrestrial") &nbsp; is one of several variants derived from the 1997 DVB standard for the distribution of television signals in digital form.&nbsp; Other related standards are:  
*'''DVB–S''' &nbsp; ⇒  &nbsp; für die Übertragung über '''S'''atellit,  
+
*$\rm DVB–S$ &nbsp; ⇒  &nbsp; for transmission via&nbsp; $\rm S\hspace{0.03cm}$atellite,  
*'''DVB–C''' &nbsp; ⇒  &nbsp; für die Übertragung über das Kabelnetz ('''C'''able),  
+
*$\rm DVB–C$ &nbsp; ⇒  &nbsp; for transmission via the cable network&nbsp; $\rm (C\hspace{0.03cm}$able$)$,  
*'''DVB–H''' &nbsp; ⇒  &nbsp; für mobile Geräte ('''H'''andhelds).  
+
*$\rm DVB–H$ &nbsp; ⇒  &nbsp; for mobile devices&nbsp; $\rm (H\hspace{0.03cm}$andhelds$)$.  
  
  
In Deutschland konnten ab Ende 2008 schon mehr als 90% der Bevölkerung zumindest eine Auswahl öffentlich–rechtlicher Sender über DVB–T empfangen. Seit 2017 ist der analoge Fernsehempfang über Antenne endgültig nicht mehr möglich. Die durch die Abschaltung der Analogübertragung frei gewordenen Frequenzbänder wurden durch DVB–T direkt wiederverwendet, so dass ein Parallelbetrieb und damit ein „sanfter” Übergang nicht möglich war.  
+
In Germany,&nbsp; more than&nbsp; $90\%$&nbsp; of the population was already able to receive at least a selection of public broadcasters via DVB-T as of the end of 2008.&nbsp; Since 2017,&nbsp; analog TV reception via antenna has finally been no longer possible.&nbsp; The frequency bands freed up by the shutdown of analog transmission were directly reused by DVB-T,&nbsp; so that parallel operation and thus a&nbsp; "smooth transition"&nbsp; was not possible.
  
Bei DVB–T kommt das Modulationsverfahren &nbsp;''Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex'' abgekürzt COFDM – zum Einsatz. Die Erweiterung um eine Vorwärtsfehlerkorrektur (''Forward Error Correction'', FEC) in Verbindung mit der bereits eingeführten Guard–Intervall–Technik ist notwendig, um den durch Echos (Mehrwegeempfang) und die Empfängerbewegung (Doppler–Effekt) entstandenen Störungen entgegenzuwirken.  
+
*DVB-T uses the modulation method &nbsp;"Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex"&nbsp; abbreviated to&nbsp; $\rm COFDM$.&nbsp; The addition of&nbsp; "Forward Error Correction"&nbsp; $($ $\rm  FEC)$&nbsp; in combination with the guard interval technique already introduced is necessary to counteract interference caused by echoes&nbsp; ("multipath reception")&nbsp; and receiver movement&nbsp; ("Doppler effect").
  
Grundsätzlich handelt es sich bei DVB–T um ein ''Gleichwellennetz''. Im Gegensatz zu klassischen Mobilfunknetzen zum Beispiel dem GSM–Netz werden hierbei selbst von direkt benachbarten Sendestationen die gleichen Frequenzen wiederverwendet. Dies führt an den Zellgrenzen zu Interferenzen zwischen ähnlich starken Signalen, die jedoch erhebliche Laufzeitunterschiede aufweisen können.  
+
*Basically,&nbsp; DVB-T is a&nbsp; "common wave network".&nbsp; In contrast to conventional mobile communications networks&nbsp; such as the GSM network &nbsp; the same frequencies are reused even by directly adjacent transmitting stations.&nbsp; This leads to interference between similarly strong signals at the cell boundaries,&nbsp; which can,&nbsp; however,&nbsp; exhibit considerable differences in propagation time.
  
Den Auswirkungen eines solchen frequenzselektiven Kanals kann zwar durch eine Verlängerung des Guard–Intervalls entgegengewirkt werden. Jedoch wird dadurch zum einen die Bandbreiteneffizienz verringert, zum anderen auch die Anfälligkeit gegenüber zeitvarianten Effekten erhöht.  
+
*The effects of such a frequency-selective channel can be counteracted by extending the guard interval.&nbsp; However,&nbsp; on the one hand,&nbsp; this reduces the bandwidth efficiency,&nbsp; and  it also increases the susceptibility to time-varying effects.  
  
==Systemparameter von DVB–T==
+
==System parameters of DVB-T==
 
<br>
 
<br>
Die alten, analog genutzten Fernsehkanäle hatten jeweils eine Bandbreite von &nbsp;$\text{7 MHz}$&nbsp; (VHF, ''Very High Frequency'' &nbsp; ⇒  &nbsp; Ultrakurzwelle) bzw. von &nbsp;$\text{8 MHz}$&nbsp; (UHF, ''Ultra High Frequency'' &nbsp; ⇒ &nbsp; Dezimeterwelle). Ein jeder dieser Kanäle wird bei DVB–T meist mit vier Programmen belegt. Dafür wird das zur Verfügung stehende Spektrum auf die OFDM–Unterträger aufgeteilt.  
+
The old analog television channels each had a bandwidth of
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[[File:EN_Mod_T_5_8_S2a_neu.png|right|frame| Parameters for DVB-T]]
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 +
*$\text{7 MHz}$&nbsp; $\rm (VHF$, "Very High Frequency" &nbsp; ⇒  &nbsp; "Ultra-short Wave$")$,
 +
*$\text{8 MHz}$&nbsp; $\rm (UHF$, "Ultra High Frequency" &nbsp;⇒&nbsp; "Decimetric Wave"$)$.  
  
Die folgende Tabelle zeigt mögliche Parameterkonstellationen eines DVB–T–Systems. Als „Modus” wird die Anzahl der für die FFT/IFFT verwendeten Stützstellen bezeichnet, also &nbsp;$\text{2048 (2K)}$&nbsp; bzw. &nbsp;$\text{8192 (8K)}$. Es werden aber nicht alle Träger tatsächlich genutzt.
 
  
[[File:P_ID1654__Mod_T_5_8_S2a_ganz_neu.png |center|frame| Parameter bei DVB-T]]
+
In DVB-T,&nbsp; each of these channels is usually occupied by four programs.&nbsp; For this purpose,&nbsp; the available spectrum is divided among the OFDM subcarriers.
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+
 
Ein Vergleich der beiden Modi zeigt, dass
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The table shows possible parameter constellations of a DVB-T system.&nbsp; "Mode"&nbsp; is the number of subcarriers used for FFT/IFFT,&nbsp; i.e. &nbsp;$\text{2048 (2K)}$&nbsp; or &nbsp;$\text{8192 (8K)}$.&nbsp; However,&nbsp; not all carriers are actually used.
*der 2K–Betrieb wegen der kürzeren Kernsymboldauer &nbsp;$T$&nbsp; für zeitvariante Einsatzbedingungen zwar gut geeignet ist,
+
 
*aber aufgrund der recht kurzen Guard–Intervalldauer &nbsp;$T_{\rm G}$&nbsp; der tolerierbaren Kanalimpulsantwort enge Grenzen gesetzt sind.  
+
 
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A comparison of the two modes shows that
 +
*the&nbsp; $\rm 2K$&nbsp; mode is well suited for time-variant operating conditions because of the shorter core symbol duration &nbsp;$T$,&nbsp;  
 +
*but due to the rather short guard interval duration &nbsp;$T_{\rm G}$,&nbsp; there are narrow limits to the tolerable channel impulse response.
  
  
Im 8K–Modus ist dies genau umgekehrt. Wegen der Forderung eines Gleichwellennetzes ist demnach der 8K– dem 2K–Betrieb vorzuziehen, wobei jedoch der Nachteil einer aufwändigeren Implementierung der FFT/IFFT in Kauf genommen werden muss.  
+
In the&nbsp; $\rm 8K$&nbsp; mode,&nbsp; this is exactly the opposite.&nbsp; Because of the requirement of a common wave network,&nbsp; 8K operation is therefore preferable to 2K operation,&nbsp; although the disadvantage of a more complex implementation of the FFT/IFFT must be accepted.
  
Für die Modulation der Unterträger stehen bei DVB–T drei QAM–Varianten zur Verfügung:  
+
Three QAM variants are available for DVB-T subcarrier modulation:  
*4–QAM (dieses Verfahren kann auch als eine 4–PSK aufgefasst werden),  
+
*$\rm 4–QAM$&nbsp; (this method can also be understood as&nbsp; $\rm 4–PSK$&nbsp;),  
*16–QAM (optional mit asymmetrischer Signalraumkonstellation),  
+
*$\rm 16–QAM$&nbsp; (optionally with asymmetrical signal space constellation),  
*64–QAM (ebenfalls optional mit asymmetrischer Signalraumkonstellation).  
+
*$\rm 64–QAM$&nbsp; (also optionally with asymmetrical signal space constellation).  
  
  
Eine asymmetrische Signalraumkonstellation erlaubt eine hierarchische Quellencodierung. Bei schlechten Übertragungsbedingungen kann statt dem exakten Signalraumpunkt lediglich der Quadrant detektiert werden. Damit ist der Empfang weiterhin möglich, wenn auch bei (stark) verminderter Bildqualität.
+
An asymmetrical signal space constellation allows hierarchical source coding.&nbsp; In poor transmission conditions,&nbsp; only the quadrant can be detected instead of the exact signal space point.&nbsp; Reception is thus still possible,&nbsp; albeit with&nbsp; (greatly)&nbsp; reduced image quality.
  
In der folgernden Tabelle aus WIKIPEDIA sind einige resultierende Datenraten für DVB–T abhängig von der Kanalcodierungsrate &nbsp;$R_{\rm C}$&nbsp; und der Dauer &nbsp;$T_{\rm G}$&nbsp; des Guard–Intervalls angegeben. Die relative Coderedundanz beträgt &nbsp;$1 - R_{\rm C}$. Das heißt: &nbsp; Je größer die Coderate &nbsp;$R_{\rm C}$&nbsp; ist, desto weniger Redundanz wird hinzugefügt.  
+
[[File:EN_Mod_T_5_8_S2_neu.png|right|frame| Net bit rates for DVB-T. Source: &nbsp; https://en.wikipedia.org/wiki/DVB-T#Technik]]
 +
The table from WIKIPEDIA shows some resulting data rates for DVB-T depending on the channel coding rate &nbsp;$R_{\rm C}$&nbsp; and the duration &nbsp;$T_{\rm G}$&nbsp; of the guard interval.&nbsp; The relative code redundancy is &nbsp;$1 - R_{\rm C}$.&nbsp; This means that the larger the coding rate &nbsp;$R_{\rm C}$,&nbsp; the less redundancy is added.
  
[[File:P_ID1655__Mod_T_5_8_S2b_ganz_neu.png |right|frame| Nettobitraten bei DVB-T. Quelle: &nbsp; https://de.wikipedia.org/wiki/DVB-T#Technik]]
+
The numerical values can be interpreted as follows:
Die Zahlenwerte lassen sich wie folgt interpretieren:
+
*The effective net bit rates vary greatly between individual transmission areas because different system parameters must be used depending on the region.&nbsp; On average, approximately &nbsp;$12$ ... &nbsp;$\text{20 Mbit/s}$&nbsp; are achieved.&nbsp; This is now used to transmit an&nbsp; $\rm MPEG–2$&nbsp; data stream, which usually contains four programs.
*Die effektiven Nettobitraten variieren zwischen den einzelnen Sendegebieten stark, da je nach Region unterschiedliche Systemparameter verwendet werden müssen. Im Mittel werden in etwa &nbsp;$12$ ... &nbsp;$\text{20 Mbit/s}$&nbsp; erreicht. Damit wird nun ein MPEG-2-Transportstrom übertragen, der in der Regel vier Programme enthält.  
 
  
  
*Die Videodatenströme bei DVB–T sind in Deutschland ebenfalls MPEG–2 codiert und erreichen jeweils eine Datenrate von ca. &nbsp;$\text{3.5 Mbit/s}$. Im Vergleich dazu würde ein digitalisiertes PAL–Signal bereits einer Datenrate von &nbsp;$3$ ... $\text{5 Mbit/s}$ entsprechen. Eine DVD käme immerhin schon auf ca. &nbsp;$\text{9.8 Mbit/s}$.  
+
*The video data streams for DVB-T in Germany are also MPEG-2 encoded and achieve a data rate of about &nbsp;$\text{3.5 Mbit/s}$.&nbsp; In comparison,&nbsp; a digitized PAL signal would already correspond to a data rate of &nbsp;$3$ ... $\text{5 Mbit/s},$&nbsp; and DVD would already reach a data rate of approx. &nbsp;$\text{9.8 Mbit/s}$.  
  
  
*Seit 2009 gibt es mit DVB–T2 einen Standard, der neben anderen Modifikationen zum Beispiel auch MPEG–4 anstelle von MPEG–2 verwendet. DVB–T2 ereicht gegenüber DVB–T eine deutlich bessere Bildqualität.
+
*Since 2009, &nbsp; $\rm  DVB–T2$&nbsp; has been a standard that,&nbsp; among other things,&nbsp; uses&nbsp; $\rm MPEG–4$&nbsp; instead of&nbsp; "MPEG–2".&nbsp; Compared to&nbsp; "DVB-T",&nbsp; the standard&nbsp; "DVB-T2"&nbsp; achieves a significantly better image quality.
 
<br clear=all>  
 
<br clear=all>  
  
==Eine Kurzbeschreibung von DSL Digital Subscriber Line==
+
==A brief description of DSL - Digital Subscriber Line==
 
<br>
 
<br>
Als ein weiteres Beispiel für den Einsatz von OFDM soll nun ein kurzer Überblick über &nbsp;[https://de.wikipedia.org/wiki/Digital_Subscriber_Line DSL]&nbsp; ''(Digital Subscriber Line'') gegeben werden:  
+
As another example of the use of OFDM,&nbsp; a brief overview of &nbsp;[https://en.wikipedia.org/wiki/Digital_subscriber_line $\rm DSL$]&nbsp; ("Digital Subscriber Line")&nbsp; will now be given:
*Die DSL–Technik ermöglicht eine erhebliche Erhöhung der Datenübertragungsrate im Vergleich zu herkömmlichen Telefonanschlüssen wie &nbsp;[https://de.wikipedia.org/wiki/Plain_old_telephone_service POTS]&nbsp; (''Plain Old Telephone Service'') oder &nbsp;[[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Allgemeine_Beschreibung_von_ISDN|ISDN]]&nbsp; (''Integrated Services Digital Network''), ohne dass für diese neue Technologie die Kupfer–Doppeladern der Teilnehmeranschlussleitung ausgetauscht werden mussten.  
+
*DSL technology allows a considerable increase in data transmission rate compared to conventional telephone connections such as &nbsp;[https://en.wikipedia.org/wiki/Plain_old_telephone_service $\rm POTS$]&nbsp; ("Plain Old Telephone Service")&nbsp; or &nbsp;[[Examples_of_Communication_Systems/Allgemeine_Beschreibung_von_ISDN|$\rm ISDN$]]&nbsp; ("Integrated Services Digital Network"),&nbsp; without having to replace the copper pairs of the subscriber line for this new technology.
*POTS oder ISDN können auch ohne Einschränkungen parallel zu DSL betrieben werden, da sich die verwendeten Frequenzbänder bei entsprechender Anpassung nicht überschneiden (siehe Grafik).  
+
*POTS or ISDN can also be operated in parallel with DSL without any restrictions,&nbsp; since the frequency bands used do not overlap if the appropriate adjustments are made&nbsp; (see diagram).
 +
 
 +
[[File:P_ID2967__Mod_T_5_8_S3_Ganz_neu.png |right|frame| "Asymmetric Digital Subscriber Line"&nbsp; in an ISDN network]]
 +
<br>
 +
The following main xDSL variants exist <br>("x" is to be understood as a placeholder here):
 +
*$\rm ADSL$&nbsp; ("Asymmetric Digital Subscriber Line"),
 +
*$\rm ADSL+$,&nbsp; an extension to ADSL,
 +
*$\rm VDSL/VDSL2$&nbsp;  ("Very High Data Rate Digital Subscriber Line").  
  
[[File:P_ID2967__Mod_T_5_8_S3_Ganz_neu.png |center|frame| ADSL–over–ISDN]]
 
 
Es existieren folgende wesentliche xDSL–Varianten („x” ist hierbei als Platzhalter zu verstehen):
 
*ADSL (''Asymmetric Digital Subscriber Line''),
 
*ADSL2+, eine Erweiterung zu ADSL,
 
*VDSL/VDSL2 (''Very High Data Rate Digital Subscriber Line'').
 
  
 +
VDSL2 is designed for maximum symmetrical data rates&nbsp;  $($ $\text{210 Mbit/s}$&nbsp; each upstream and downstream$)$,&nbsp; but can only be implemented over short lines.
  
VDSL2 ist auf maximale symmetrische Datenraten (jeweils &nbsp;$\text{210 Mbit/s}$ im Up– und Downstream) ausgelegt, aber nur über kurze Leitungen realisierbar.  
+
OFDM is always used as the modulation method for all of these xDSL variants,&nbsp; which is often also called&nbsp; $\rm DMT$&nbsp; ("Discrete Multitone Transmission")&nbsp; in this context.
  
Als Modulationsverfahren wird bei allen diesen xDSL–Varianten stets OFDM verwendet, das in diesem Zusammenhang häufig auch den Namen '''DMT''' (''Discrete Multitone Transmission'') trägt. Betrachten wir beispielsweise die DMT bei ADSL mit folgenden Kenngrößen:  
+
We now consider DMT in ADSL with the following characteristics:
*Grundfrequenz &nbsp;$f_0 = 4.3125\ \rm  kHz$,  
+
*Base frequency &nbsp;$f_0 = 4.3125\ \rm  kHz$,  
*maximale Nutzträgerzahl: &nbsp;$N = 255$,  
+
*maximum number of useful carriers: &nbsp;$N = 255$,  
*gleichsignalfrei, da &nbsp;$S(f = 0) = 0$&nbsp; ist,  
+
*DC signal free,&nbsp; since &nbsp;$S(f = 0) = 0$,  
*der Nyquist-Tone &nbsp; &rArr; &nbsp; $S(256 · f_0)$&nbsp; wird ebenfalls zu Null gesetzt,  
+
*the Nyquist tone &nbsp; &rArr; &nbsp; $S(256 · f_0)$&nbsp; is also set to zero,  
*maximale Frequenz: &nbsp; $256 · 4.3125 \ \rm  kHz = 1104 \ \rm  kHz$.  
+
*maximum frequency: &nbsp; $256 · 4.3125 \ \rm  kHz = 1104 \ \rm  kHz$.  
  
  
Es ergibt sich die in der obigen Abbildung gezeigte Belegung des Spektrums. Eine genaue Systembeschreibung findet man im Kapitel &nbsp;[[Beispiele_von_Nachrichtensystemen/Allgemeine_Beschreibung_von_DSL | DSL]]&nbsp; des LNTwww&ndash;Buches &bdquo;Beispiele von Nachrichtensystemen&rdquo;.
+
This results in the spectrum occupancy shown in the figure.&nbsp; A detailed system description can be found in the chapter &nbsp;[[Examples_of_Communication_Systems/Allgemeine_Beschreibung_von_DSL |$\rm DSL$]]&nbsp; of the LNTww book&nbsp; "Examples of Communication Systems".
  
Das dargestellte Sendespektrum von DSL lässt sich in aller Kürze wie folgt beschreiben:
+
The DSL spectrum shown can be described very briefly as follows:
*Die $224$ für DMT verfügbaren Träger – diese bezeichnet man im Zusammenhang mit der DMT oft auch als ''Bins'' werden entweder für den ''Upstream'' $($Übertragung ins Netz, &nbsp;$32$ Bins, &nbsp;$\text{138 kHz)}$ oder den ''Downstream'' $($Übertragung aus dem Netz, &nbsp;$192$ Bins, &nbsp;$\text{828 kHz)}$ verwendet.
+
*The&nbsp; $224$&nbsp; carriers available for DMT&nbsp; - these are often referred to as&nbsp; "bins" in the context of DMT –&nbsp; are used 
*Alle ADSL–Anschlüsse der Deutschen Telekom sind nach dem Standard ''ADSL–over–ISDN'' geschaltet, so dass ein Parallelbetrieb zu ISDN möglich ist. Dafür wird der Frequenzbereich bis &nbsp;$\text{138 kHz}$&nbsp; nicht für ADSL verwendet und die entsprechenden Bins zu Null gesetzt.
+
:*either for&nbsp; "upstream"&nbsp; $($transmission into the network, &nbsp;$32$ bins, &nbsp;$\text{138 kHz)}$&nbsp;
*Auch bei den analogen Anschlüssen wird ''ADSL–over–ISDN'' und nicht ''ADSL–over–POTS'' eingesetzt, obwohl dadurch gerade jener Frequenzbereich verschwendet wird, der eine besonders günstige Kabeldämpfung aufweist.
+
:*or for&nbsp; "downstream"&nbsp; $($transmission out of the network, &nbsp;$192$ bins, &nbsp;$\text{828 kHz)}$.&nbsp;
 +
*All ADSL lines from&nbsp; "Deutsche Telekom"&nbsp; are switched according to the "ADSL-over-ISDN" standard,&nbsp; so that parallel operation with ISDN is possible.&nbsp; For this purpose,&nbsp; the frequency range up to &nbsp;$\text{138 kHz}$&nbsp; is not used for ADSL and the corresponding bins are set to zero.
 +
*"ADSL-over-ISDN"&nbsp; and not&nbsp; "ADSL-over-POTS"&nbsp; is also used for analog connections,&nbsp; although this wastes precisely that frequency range which has a particularly favorable&nbsp; (low)&nbsp; cable attenuation.
  
  
Der wesentliche Vorteil von DSL bzw. DMT liegt wieder in der Anpassungsfähigkeit an den Kanal. Die im Zugangsnetz verwendeten Kupfer–Doppeladern haben unter anderem wegen des Skin–Effekts keinen idealen Dämpfungs– und Phasengang. Die DMT bietet wieder je nach Güte des Frequenzbereichs der Bins die Möglichkeit, das jeweilige Modulationsverfahren anzupassen oder sogar auf die Nutzung eines Trägers ganz zu verzichten.
+
The main advantage of DSL or DMT is again its adaptability to the channel.&nbsp; The copper twisted pairs used in the access network do not have an ideal attenuation and phase response,&nbsp; among other things,&nbsp; because of the skin effect.&nbsp; DMT again offers the possibility,&nbsp; depending on the quality of the frequency range of the bins,&nbsp; to adapt the respective modulation method or even to dispense with the use of a carrier altogether.
  
Auch bei DSL kommt die Guard–Intervall–Technik in Form des zyklischen Präfixes zum Einsatz. Zur Fehlervermeidung kann zusätzlich ''Interleaving'' verwendet werden, wodurch jedoch die Übertragung verzögert wird. Der Verzicht auf diese Technik wird mit dem Begriff ''Fast–Path'' bezeichnet.
+
DSL also uses the guard interval technique in the form of the cyclic prefix.&nbsp; &nbsp; "Interleaving"&nbsp; can also be used to avoid errors,&nbsp; but this delays the transmission.&nbsp; The term&nbsp; "fast path"&nbsp; is used to describe the omission of this technique.
  
 
{{BlaueBox|TEXT=
 
{{BlaueBox|TEXT=
$\text{Fazit:}$&nbsp; Auch im Bereich der leitungsgebundenen Übertragungstechnik ermöglichte erst der Übergang vom Einträgersystem hin zu einem Mehrträgersystem die heute üblichen hohen Übertragungsraten.}}
+
$\text{Conclusion:}$&nbsp; In the field of wireline transmission technology,&nbsp; too,&nbsp; <br> &nbsp; &nbsp; '''it was only the transition from a single-carrier system to a multi-carrier system that enabled the high transmission rates common today'''.}}
  
==Unterschiede zwischen DMT und dem beschriebenen OFDM==
+
==Differences between DMT and the described OFDM==
 
<br>
 
<br>
Die OFDM–Systembeschreibungen in den Kapiteln &nbsp;[[Modulationsverfahren/Allgemeine_Beschreibung_von_OFDM |Allgemeine Beschreibung von OFDM]]&nbsp; sowie &nbsp;[[Modulationsverfahren/Realisierung_von_OFDM-Systemen | Realisierung von OFDM-Systemen]]&nbsp; gelten nur für Bandpass–Systeme, die hier stets im äquivalenten Tiefpassbereich betrachtet wurden:  
+
The OFDM system descriptions in the chapters &nbsp;[[Modulation_Methods/Allgemeine_Beschreibung_von_OFDM |"General Description of OFDM"]]&nbsp; as well as &nbsp;[[Modulation_Methods/Realisierung_von_OFDM-Systemen |"Implementation of OFDM Systems"]]&nbsp; apply only to band-pass systems,&nbsp; which were always considered here in the equivalent low-pass range:
*Durch die Tiefpass–Transformation werden alle Anteile bei negativen Frequenzen entfernt, was zu einer ''unsymmetrischen Spektralfunktion'' und damit zu einem ''komplexwertigen Zeitsignal'' führt.  
+
*The low-pass transform removes all components at negative frequencies,&nbsp; resulting in an&nbsp; "unbalanced spectral function"&nbsp; and thus in a&nbsp; "complex-valued time signal".  
*Bei DSL ist diese Tiefpass–Transformation nicht nötig, da es im Gegensatz zu Mobilfunksystemen im Basisband betrieben wird.
+
*This low-pass transformation is not necessary for DSL because,&nbsp; in contrast to mobile communications systems,&nbsp; it is operated in the baseband.
  
  
Dies führt zu einer abweichenden Formelrepräsentation. Für eine klare Abgrenzung zwischen den beiden Betrachtungsweisen verwenden wir im Folgenden &bdquo;OFDM&rdquo; nur für ein Bandpass-System, während sich die Bezeichnung &bdquo;DMT&rdquo; stets auf ein Basisband–System bezieht.
+
This leads to a different formula representation.&nbsp; For a clear distinction between the two approaches,
 +
[[File:P_ID1658__Mod_T_5_8_S4_neu.png |right|frame|DMT spectrum]]
 +
*we will use&nbsp; "OFDM"&nbsp; in the following only for a band-pass  system,  
 +
*while the term&nbsp; "DMT"&nbsp; always refers to a baseband system.
  
[[File:P_ID1658__Mod_T_5_8_S4_neu.png |center|frame|DMT-Spektrum]]
 
  
Die Grafik zeigt das diskrete Spektrum eines DMT–Signals mit &nbsp;$255$&nbsp; verwendeten Trägern (Bins). Das Spektrum der Nutzträger von $1$ bis $255$ wird um die auch bei den entsprechenden negativen Frequenzen anliegenden Anteile nach der unten stehenden Gleichung ergänzt, um eine Periode des für die IDFT benötigten „finiten Spektrums” zu erhalten. Für dieses Spektrum gilt nach [Han08]<ref>Hanik, N.: ''Leitungsgebundene Übertragungstechnik''. Vorlesungsmanuskript. Lehrstuhl für Nachrichtentechnik, TU München, 2017.</ref>:
+
The diagram shows the spectrum of a DMT signal with &nbsp;$255$&nbsp; used bins.
:$$S(-\mu \cdot f_0 ) = S\big[(N - \mu ) \cdot f_0 \big] = S(\mu \cdot f_0)^*,$$
+
*The useful carrier spectrum from&nbsp; $1$&nbsp; to&nbsp; $255$&nbsp; is supplemented by the corresponding negative frequency components to obtain a period of the "finite spectrum" required for IDFT, see &nbsp; [Han08]<ref>Hanik, N.:&nbsp; Leitungsgebundene Übertragungstechnik.&nbsp; Lecture manuscript. Lehrstuhl für Nachrichtentechnik, TU München, 2017.</ref>:
 +
:$$S(-\mu \cdot f_0 ) = S\big[(N - \mu ) \cdot f_0 \big] = S(\mu \cdot f_0)^*.$$
  
wobei allgemein &nbsp;$0 < \mu < N/2$&nbsp; und für die Grafik &nbsp;$N = 512$&nbsp; gilt.
+
:In general &nbsp;$0 < \mu < N/2$&nbsp; and for the diagram &nbsp;$N = 512$.  
  
Das somit rein reelle Zeitsignal ergibt sich nach der inversen diskreten Fouriertransformation an den Abtastzeitpunkten &nbsp;$ν · T_{\rm A}$&nbsp; mit &nbsp;$0 ≤ ν < N$&nbsp; und &nbsp;$T_{\rm A} = T/N$&nbsp; zu:
+
*According to the&nbsp; $\rm IDFT$,&nbsp; the thus purely&nbsp; "real time signal"&nbsp; at the sampling times &nbsp;$ν · T_{\rm A}$&nbsp; with &nbsp;$0 ≤ ν < N$&nbsp; and &nbsp;$T_{\rm A} = T/N$&nbsp; results to:
 
:$$s_\nu = \sum\limits_{\mu = 0}^{N - 1} {S(\mu \cdot f_0 ) \cdot {\rm{e}}^{{\kern 1pt} {\rm j \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}2\pi } \hspace{0.03cm}\cdot
 
:$$s_\nu = \sum\limits_{\mu = 0}^{N - 1} {S(\mu \cdot f_0 ) \cdot {\rm{e}}^{{\kern 1pt} {\rm j \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}2\pi } \hspace{0.03cm}\cdot
 
  \hspace{0.03cm}\nu \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}\mu /{N}} }.$$
 
  \hspace{0.03cm}\nu \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}\mu /{N}} }.$$
 
+
<br clear=all>
 
{{BlaueBox|TEXT=
 
{{BlaueBox|TEXT=
$\text{Fazit:}$&nbsp; Die benötigte Anzahl der Frequenzstützstellen und Abtastwerte der IDFT/DFT entspricht beim DMT–Verfahren dem Zweifachen der nutzbaren Träger, wenn der Gleichanteil sowie der ''Nyquistton'' vernachlässigt werden, und ist damit auch doppelt so groß wie bei einem OFDM–Bandpass–System.}}
+
$\text{Conclusion:}$&nbsp; The required number of frequency support points and samples of the&nbsp; $\rm IDFT/DFT$&nbsp; corresponds to twice the usable carriers in the DMT method,  
 +
:*if the DC component as well as the&nbsp; "Nyquist tone"&nbsp; are neglected,  
 +
:*and is thus also twice as large as in an OFDM band-pass system.}}
  
  
 
{{GraueBox|TEXT=
 
{{GraueBox|TEXT=
$\text{Beispiel 1:}$&nbsp;  
+
$\text{Example 1:}$&nbsp;  
Es gelte &nbsp;$N = 512$&nbsp; und &nbsp;$S(64 · f_0) = (a + {\rm j} · b)/2$&nbsp; und &nbsp;$S(448 · f_0) = S^{\star}(64 · f_0) = (a - {\rm j} · b)/2$. Alle anderen Spektralkoeffizienten seien &nbsp;$0$.
+
Let &nbsp;$N = 512$&nbsp; and &nbsp;$S(64 · f_0) = (a + {\rm j} · b)/2$&nbsp; and &nbsp;$S(448 · f_0) = S^{\star}(64 · f_0) = (a - {\rm j} · b)/2$.&nbsp; Let all other spectral coefficients be zero.
 
   
 
   
'''(1)'''&nbsp; Wir berechnen nun nach der angegebenen Formel mittels IDFT die Zeitbereichskoeffizienten:
+
'''(1)''' &nbsp; We now calculate the time domain coefficients using IDFT according to the given formula:
 
:$$\begin{align*}s_\nu  & = \sum\limits_{\mu = 0}^{N - 1} {S (\mu \cdot f_0 ) \cdot {\rm{e} }^{ {\rm{j \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}2 \pi } }  \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} \nu \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}\mu /{N} } } =S( 64 \cdot f_0 ) \cdot {\rm{e} }^{ {\rm{j \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}2 \pi } } \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} \nu \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}64 /512} + S( 448 \cdot f_0 ) \cdot {\rm{e} }^{ {\rm{j \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}2 \pi } }  \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} \nu \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}448 /512} = \\ & = {1}/ {2} \cdot (a + {\rm{j} } \cdot b ) \cdot {\rm{e} }^{ {\rm{j \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}2 \pi } }  \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} \nu \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}64 /512} + {1}/{2} \cdot (a - {\rm{j} } \cdot b ) \cdot {\rm{e} }^{ {\rm{j \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}2 \pi } }  \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} \nu \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}448 /512}.\end{align*}$$
 
:$$\begin{align*}s_\nu  & = \sum\limits_{\mu = 0}^{N - 1} {S (\mu \cdot f_0 ) \cdot {\rm{e} }^{ {\rm{j \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}2 \pi } }  \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} \nu \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}\mu /{N} } } =S( 64 \cdot f_0 ) \cdot {\rm{e} }^{ {\rm{j \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}2 \pi } } \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} \nu \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}64 /512} + S( 448 \cdot f_0 ) \cdot {\rm{e} }^{ {\rm{j \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}2 \pi } }  \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} \nu \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}448 /512} = \\ & = {1}/ {2} \cdot (a + {\rm{j} } \cdot b ) \cdot {\rm{e} }^{ {\rm{j \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}2 \pi } }  \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} \nu \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}64 /512} + {1}/{2} \cdot (a - {\rm{j} } \cdot b ) \cdot {\rm{e} }^{ {\rm{j \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}2 \pi } }  \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} \nu \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}448 /512}.\end{align*}$$
  
'''(2)'''&nbsp; Wendet man hierauf den &nbsp;[[Signaldarstellung/Zum_Rechnen_mit_komplexen_Zahlen#Darstellung_nach_Betrag_und_Phase|Satz von Euler]]&nbsp; an, so erhält man:
+
'''(2)''' &nbsp; Applying &nbsp;[[Signal_Representation/Calculating_with_Complex_Numbers#Representation_by_magnitude_and_phase|$\text{Euler's theorem}$]]&nbsp; to this,&nbsp; we get:
:$$s_\nu  = \frac{a + {\rm{j} } \cdot b } {2}  \cdot \left[ {\rm{cos} } ( 2\pi \cdot  \frac{ {64} } { {512} }\cdot \nu  ) + {\rm{j} } \cdot {\rm{sin} } ( 2\pi \cdot  \frac{ {64} } { {512} }\cdot \nu  ) \right] + \frac{a - {\rm{j} } \cdot b } {2}  \cdot \left[ {\rm{cos} } ( 2\pi \cdot  \frac{ {448} } { {512} }\cdot \nu  ) + {\rm{j} } \cdot {\rm{sin} } ( 2\pi \cdot  \frac{ {448} } { {512} }\cdot \nu  )\right].$$
+
:$$s_\nu  = \frac{a + {\rm{j} } \cdot b } {2}  \cdot \left[ {\rm{cos} } ( 2\pi \cdot  \frac{ {64} } { {512} }\cdot \nu  ) + {\rm{j} } \cdot {\rm{sin} } ( 2\pi \cdot  \frac{ {64} } { {512} }\cdot \nu  ) \right] + \frac{a - {\rm{j} } \cdot b } {2}  \cdot \left[ {\rm{cos} } ( 2\pi \cdot  \frac{ {448} } { {512} }\cdot \nu  ) + {\rm{j} } \cdot {\rm{sin} } ( 2\pi \cdot  \frac{ {448} } { {512} }\cdot \nu  )\right],$$
Dabei gilt:
+
:&nbsp;where:
 
:$${\rm{cos} } ( 2\pi \cdot  \frac{ {448} } { {512} }\cdot \nu  ) = {\rm{cos} } ( 2\pi \cdot  \frac{ {64} } { {512} }\cdot \nu  ), \qquad {\rm{sin} } ( 2\pi \cdot  \frac{ {448} } { {512} }\cdot \nu  ) = - {\rm{sin} } ( 2\pi \cdot  \frac{ {64} } { {512} }\cdot \nu  ).$$
 
:$${\rm{cos} } ( 2\pi \cdot  \frac{ {448} } { {512} }\cdot \nu  ) = {\rm{cos} } ( 2\pi \cdot  \frac{ {64} } { {512} }\cdot \nu  ), \qquad {\rm{sin} } ( 2\pi \cdot  \frac{ {448} } { {512} }\cdot \nu  ) = - {\rm{sin} } ( 2\pi \cdot  \frac{ {64} } { {512} }\cdot \nu  ).$$
  
'''(3)'''&nbsp; Durch Zusammenfassen ergeben sich hier rein reelle Zeitsignalkoeffizienten:
+
'''(3)''' &nbsp; Summarizing here yields purely real time signal coefficients:
 
:$$s_\nu = a \cdot {\rm{cos} } ( 2\pi \cdot  \frac{ {64} } { {512} }\cdot \nu  ) - b \cdot {\rm{sin} } ( 2\pi \cdot  \frac{ {64} } { {512} }\cdot \nu  ).$$
 
:$$s_\nu = a \cdot {\rm{cos} } ( 2\pi \cdot  \frac{ {64} } { {512} }\cdot \nu  ) - b \cdot {\rm{sin} } ( 2\pi \cdot  \frac{ {64} } { {512} }\cdot \nu  ).$$
  
*Der Parameter &nbsp;$a$&nbsp; stellt dabei die ''Inphase–Komponente'' der QAM–Modulation des jeweiligen Trägers (Bins) dar.
+
:*The parameter &nbsp;$a$&nbsp; represents the&nbsp; "in-phase component"&nbsp; of the QAM modulation of the respective carrier (bins).
* Der Parameter &nbsp;$b$&nbsp; gibt die ''Quadratur–Komponente'' an.  
+
:* The parameter &nbsp;$b$&nbsp; indicates the&nbsp; "quadrature component".
  
  
In gleicher Weise kann für die anderen „Trägerpaare” vorgegangen werden.}}
+
The same procedure can be followed for the other "carrier pairs".}}
  
==Aufgabe zum Kapitel==
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==Exercise for the chapter==
 
<br>
 
<br>
[[Aufgaben:5.10_DMT–Verfahren_bei_DSL|Aufgabe 5.10: DMT–Verfahren bei DSL]]
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[[Aufgaben:Exercise_5.10:_DMT_Process_for_DSL|Exercise 5.10: DMT Process for DSL]]
  
  
==Quellenverzeichnis==
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==References==
 
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Latest revision as of 17:36, 23 January 2023

OFDM for DVB–T


$\rm DVB–T$   ("Digital Video Broadcasting Terrestrial")   is one of several variants derived from the 1997 DVB standard for the distribution of television signals in digital form.  Other related standards are:

  • $\rm DVB–S$   ⇒   for transmission via  $\rm S\hspace{0.03cm}$atellite,
  • $\rm DVB–C$   ⇒   for transmission via the cable network  $\rm (C\hspace{0.03cm}$able$)$,
  • $\rm DVB–H$   ⇒   for mobile devices  $\rm (H\hspace{0.03cm}$andhelds$)$.


In Germany,  more than  $90\%$  of the population was already able to receive at least a selection of public broadcasters via DVB-T as of the end of 2008.  Since 2017,  analog TV reception via antenna has finally been no longer possible.  The frequency bands freed up by the shutdown of analog transmission were directly reused by DVB-T,  so that parallel operation and thus a  "smooth transition"  was not possible.

  • DVB-T uses the modulation method  "Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex"  – abbreviated to  $\rm COFDM$.  The addition of  "Forward Error Correction"  $($ $\rm FEC)$  in combination with the guard interval technique already introduced is necessary to counteract interference caused by echoes  ("multipath reception")  and receiver movement  ("Doppler effect").
  • Basically,  DVB-T is a  "common wave network".  In contrast to conventional mobile communications networks  – such as the GSM network –  the same frequencies are reused even by directly adjacent transmitting stations.  This leads to interference between similarly strong signals at the cell boundaries,  which can,  however,  exhibit considerable differences in propagation time.
  • The effects of such a frequency-selective channel can be counteracted by extending the guard interval.  However,  on the one hand,  this reduces the bandwidth efficiency,  and it also increases the susceptibility to time-varying effects.

System parameters of DVB-T


The old analog television channels each had a bandwidth of

Parameters for DVB-T
  • $\text{7 MHz}$  $\rm (VHF$, "Very High Frequency"   ⇒   "Ultra-short Wave$")$,
  • $\text{8 MHz}$  $\rm (UHF$, "Ultra High Frequency"  ⇒  "Decimetric Wave"$)$.


In DVB-T,  each of these channels is usually occupied by four programs.  For this purpose,  the available spectrum is divided among the OFDM subcarriers.

The table shows possible parameter constellations of a DVB-T system.  "Mode"  is the number of subcarriers used for FFT/IFFT,  i.e.  $\text{2048 (2K)}$  or  $\text{8192 (8K)}$.  However,  not all carriers are actually used.


A comparison of the two modes shows that

  • the  $\rm 2K$  mode is well suited for time-variant operating conditions because of the shorter core symbol duration  $T$, 
  • but due to the rather short guard interval duration  $T_{\rm G}$,  there are narrow limits to the tolerable channel impulse response.


In the  $\rm 8K$  mode,  this is exactly the opposite.  Because of the requirement of a common wave network,  8K operation is therefore preferable to 2K operation,  although the disadvantage of a more complex implementation of the FFT/IFFT must be accepted.

Three QAM variants are available for DVB-T subcarrier modulation:

  • $\rm 4–QAM$  (this method can also be understood as  $\rm 4–PSK$ ),
  • $\rm 16–QAM$  (optionally with asymmetrical signal space constellation),
  • $\rm 64–QAM$  (also optionally with asymmetrical signal space constellation).


An asymmetrical signal space constellation allows hierarchical source coding.  In poor transmission conditions,  only the quadrant can be detected instead of the exact signal space point.  Reception is thus still possible,  albeit with  (greatly)  reduced image quality.

Net bit rates for DVB-T. Source:   https://en.wikipedia.org/wiki/DVB-T#Technik

The table from WIKIPEDIA shows some resulting data rates for DVB-T depending on the channel coding rate  $R_{\rm C}$  and the duration  $T_{\rm G}$  of the guard interval.  The relative code redundancy is  $1 - R_{\rm C}$.  This means that the larger the coding rate  $R_{\rm C}$,  the less redundancy is added.

The numerical values can be interpreted as follows:

  • The effective net bit rates vary greatly between individual transmission areas because different system parameters must be used depending on the region.  On average, approximately  $12$ ...  $\text{20 Mbit/s}$  are achieved.  This is now used to transmit an  $\rm MPEG–2$  data stream, which usually contains four programs.


  • The video data streams for DVB-T in Germany are also MPEG-2 encoded and achieve a data rate of about  $\text{3.5 Mbit/s}$.  In comparison,  a digitized PAL signal would already correspond to a data rate of  $3$ ... $\text{5 Mbit/s},$  and DVD would already reach a data rate of approx.  $\text{9.8 Mbit/s}$.


  • Since 2009,   $\rm DVB–T2$  has been a standard that,  among other things,  uses  $\rm MPEG–4$  instead of  "MPEG–2".  Compared to  "DVB-T",  the standard  "DVB-T2"  achieves a significantly better image quality.


A brief description of DSL - Digital Subscriber Line


As another example of the use of OFDM,  a brief overview of  $\rm DSL$  ("Digital Subscriber Line")  will now be given:

  • DSL technology allows a considerable increase in data transmission rate compared to conventional telephone connections such as  $\rm POTS$  ("Plain Old Telephone Service")  or  $\rm ISDN$  ("Integrated Services Digital Network"),  without having to replace the copper pairs of the subscriber line for this new technology.
  • POTS or ISDN can also be operated in parallel with DSL without any restrictions,  since the frequency bands used do not overlap if the appropriate adjustments are made  (see diagram).
"Asymmetric Digital Subscriber Line"  in an ISDN network


The following main xDSL variants exist
("x" is to be understood as a placeholder here):

  • $\rm ADSL$  ("Asymmetric Digital Subscriber Line"),
  • $\rm ADSL+$,  an extension to ADSL,
  • $\rm VDSL/VDSL2$  ("Very High Data Rate Digital Subscriber Line").


VDSL2 is designed for maximum symmetrical data rates  $($ $\text{210 Mbit/s}$  each upstream and downstream$)$,  but can only be implemented over short lines.

OFDM is always used as the modulation method for all of these xDSL variants,  which is often also called  $\rm DMT$  ("Discrete Multitone Transmission")  in this context.

We now consider DMT in ADSL with the following characteristics:

  • Base frequency  $f_0 = 4.3125\ \rm kHz$,
  • maximum number of useful carriers:  $N = 255$,
  • DC signal free,  since  $S(f = 0) = 0$,
  • the Nyquist tone   ⇒   $S(256 · f_0)$  is also set to zero,
  • maximum frequency:   $256 · 4.3125 \ \rm kHz = 1104 \ \rm kHz$.


This results in the spectrum occupancy shown in the figure.  A detailed system description can be found in the chapter  $\rm DSL$  of the LNTww book  "Examples of Communication Systems".

The DSL spectrum shown can be described very briefly as follows:

  • The  $224$  carriers available for DMT  - these are often referred to as  "bins" in the context of DMT –  are used
  • either for  "upstream"  $($transmission into the network,  $32$ bins,  $\text{138 kHz)}$ 
  • or for  "downstream"  $($transmission out of the network,  $192$ bins,  $\text{828 kHz)}$. 
  • All ADSL lines from  "Deutsche Telekom"  are switched according to the "ADSL-over-ISDN" standard,  so that parallel operation with ISDN is possible.  For this purpose,  the frequency range up to  $\text{138 kHz}$  is not used for ADSL and the corresponding bins are set to zero.
  • "ADSL-over-ISDN"  and not  "ADSL-over-POTS"  is also used for analog connections,  although this wastes precisely that frequency range which has a particularly favorable  (low)  cable attenuation.


The main advantage of DSL or DMT is again its adaptability to the channel.  The copper twisted pairs used in the access network do not have an ideal attenuation and phase response,  among other things,  because of the skin effect.  DMT again offers the possibility,  depending on the quality of the frequency range of the bins,  to adapt the respective modulation method or even to dispense with the use of a carrier altogether.

DSL also uses the guard interval technique in the form of the cyclic prefix.    "Interleaving"  can also be used to avoid errors,  but this delays the transmission.  The term  "fast path"  is used to describe the omission of this technique.

$\text{Conclusion:}$  In the field of wireline transmission technology,  too, 
    it was only the transition from a single-carrier system to a multi-carrier system that enabled the high transmission rates common today.

Differences between DMT and the described OFDM


The OFDM system descriptions in the chapters  "General Description of OFDM"  as well as  "Implementation of OFDM Systems"  apply only to band-pass systems,  which were always considered here in the equivalent low-pass range:

  • The low-pass transform removes all components at negative frequencies,  resulting in an  "unbalanced spectral function"  and thus in a  "complex-valued time signal".
  • This low-pass transformation is not necessary for DSL because,  in contrast to mobile communications systems,  it is operated in the baseband.


This leads to a different formula representation.  For a clear distinction between the two approaches,

DMT spectrum
  • we will use  "OFDM"  in the following only for a band-pass system,
  • while the term  "DMT"  always refers to a baseband system.


The diagram shows the spectrum of a DMT signal with  $255$  used bins.

  • The useful carrier spectrum from  $1$  to  $255$  is supplemented by the corresponding negative frequency components to obtain a period of the "finite spectrum" required for IDFT, see   [Han08][1]:
$$S(-\mu \cdot f_0 ) = S\big[(N - \mu ) \cdot f_0 \big] = S(\mu \cdot f_0)^*.$$
In general  $0 < \mu < N/2$  and for the diagram  $N = 512$.
  • According to the  $\rm IDFT$,  the thus purely  "real time signal"  at the sampling times  $ν · T_{\rm A}$  with  $0 ≤ ν < N$  and  $T_{\rm A} = T/N$  results to:
$$s_\nu = \sum\limits_{\mu = 0}^{N - 1} {S(\mu \cdot f_0 ) \cdot {\rm{e}}^{{\kern 1pt} {\rm j \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}2\pi } \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}\nu \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}\mu /{N}} }.$$


$\text{Conclusion:}$  The required number of frequency support points and samples of the  $\rm IDFT/DFT$  corresponds to twice the usable carriers in the DMT method,

  • if the DC component as well as the  "Nyquist tone"  are neglected,
  • and is thus also twice as large as in an OFDM band-pass system.


$\text{Example 1:}$  Let  $N = 512$  and  $S(64 · f_0) = (a + {\rm j} · b)/2$  and  $S(448 · f_0) = S^{\star}(64 · f_0) = (a - {\rm j} · b)/2$.  Let all other spectral coefficients be zero.

(1)   We now calculate the time domain coefficients using IDFT according to the given formula:

$$\begin{align*}s_\nu & = \sum\limits_{\mu = 0}^{N - 1} {S (\mu \cdot f_0 ) \cdot {\rm{e} }^{ {\rm{j \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}2 \pi } } \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} \nu \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}\mu /{N} } } =S( 64 \cdot f_0 ) \cdot {\rm{e} }^{ {\rm{j \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}2 \pi } } \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} \nu \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}64 /512} + S( 448 \cdot f_0 ) \cdot {\rm{e} }^{ {\rm{j \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}2 \pi } } \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} \nu \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}448 /512} = \\ & = {1}/ {2} \cdot (a + {\rm{j} } \cdot b ) \cdot {\rm{e} }^{ {\rm{j \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}2 \pi } } \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} \nu \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}64 /512} + {1}/{2} \cdot (a - {\rm{j} } \cdot b ) \cdot {\rm{e} }^{ {\rm{j \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}2 \pi } } \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm} \nu \hspace{0.03cm}\cdot \hspace{0.03cm}448 /512}.\end{align*}$$

(2)   Applying  $\text{Euler's theorem}$  to this,  we get:

$$s_\nu = \frac{a + {\rm{j} } \cdot b } {2} \cdot \left[ {\rm{cos} } ( 2\pi \cdot \frac{ {64} } { {512} }\cdot \nu ) + {\rm{j} } \cdot {\rm{sin} } ( 2\pi \cdot \frac{ {64} } { {512} }\cdot \nu ) \right] + \frac{a - {\rm{j} } \cdot b } {2} \cdot \left[ {\rm{cos} } ( 2\pi \cdot \frac{ {448} } { {512} }\cdot \nu ) + {\rm{j} } \cdot {\rm{sin} } ( 2\pi \cdot \frac{ {448} } { {512} }\cdot \nu )\right],$$
 where:
$${\rm{cos} } ( 2\pi \cdot \frac{ {448} } { {512} }\cdot \nu ) = {\rm{cos} } ( 2\pi \cdot \frac{ {64} } { {512} }\cdot \nu ), \qquad {\rm{sin} } ( 2\pi \cdot \frac{ {448} } { {512} }\cdot \nu ) = - {\rm{sin} } ( 2\pi \cdot \frac{ {64} } { {512} }\cdot \nu ).$$

(3)   Summarizing here yields purely real time signal coefficients:

$$s_\nu = a \cdot {\rm{cos} } ( 2\pi \cdot \frac{ {64} } { {512} }\cdot \nu ) - b \cdot {\rm{sin} } ( 2\pi \cdot \frac{ {64} } { {512} }\cdot \nu ).$$
  • The parameter  $a$  represents the  "in-phase component"  of the QAM modulation of the respective carrier (bins).
  • The parameter  $b$  indicates the  "quadrature component".


The same procedure can be followed for the other "carrier pairs".

Exercise for the chapter


Exercise 5.10: DMT Process for DSL


References

  1. Hanik, N.:  Leitungsgebundene Übertragungstechnik.  Lecture manuscript. Lehrstuhl für Nachrichtentechnik, TU München, 2017.