Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 4.6Z: ISDN Supply Lines"

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{{quiz-Header|Buchseite=Lineare zeitinvariante Systeme/Kupfer–Doppelader
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{{quiz-Header|Buchseite=Linear_and_Time_Invariant_Systems/Properties_of_Balanced_Copper_Pairs
 
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[[File:P_ID1816__LZI_Z_4_6.png|right|]]
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[[File:EN_Bei_A_1_1.png|right|frame|Main bundle, basic bundle and star quad]]
:Bei ISDN ist der Endverzweiger (in der Nähe des Teilnehmers) mit einer Ortsvermittlungsstelle (OVSt) durch eine Kupfer–Doppelader verbunden, wobei jeweils zwei Doppeladern zu einem so genannten Sternvierer verdrillt sind. Mehrere solcher Sternvierer sind dann zu einem Grundbündel, mehrere Grundbündel zu einem Hauptbündel zusammengefasst (siehe Grafik).
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In  [[Examples_of_Communication_Systems/Allgemeine_Beschreibung_von_ISDN|$\rm ISDN$]]  ("Integrated Services Digital Networks"),  the terminal (near the subscriber) is connected to a local exchange ("OVSt") by a copper pair,  with two pairs twisted into a so-called  "star quad".
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*Several such star quad pairs are twisted to form a basic bundle,
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*several basic bundles are combined to form a main bundle (see diagram).
  
:Im Netz der Deutschen Telekom (ehemals: Deutsche Bundespost) findet man meist Kupferleitungen mit 0.4 mm Aderdurchmesser, für deren Dämpfungs– und Phasenfunktion in [PW95] die folgenden Gleichungen angegeben werden:
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:$$\frac{{\rm a}_{\rm K}(f)}{\rm dB} = \left [ 5.1 + 14.3 \cdot \left (\frac{f}{\rm MHz}\right )^{0.59}\right ]\cdot\frac{l}{\rm km}
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In the network of Deutschen Telekom  (formerly:  Deutsche Bundespost),  mostly copper lines with  $\text{0.4 mm}$  core diameter are found,  for whose attenuation and phase function given in  [PW95]  are the following equations:
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:$${{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},$$
:$$\frac{b_{\rm K}(f)}{\rm rad} = \left [ 32.9 \cdot \frac{f}{\rm MHz} + 2.26 \cdot \left (\frac{f}{\rm MHz}\right )^{0.5}\right ]\cdot\frac{l}{\rm km}
+
:$${b_{\rm K}(f)}/{\rm rad} = \left [ 32.9 \cdot ({f}/{\rm MHz}) + 2.26 \cdot \left ({f}/{\rm MHz}\right )^{0.5}\right ]\cdot {l}/{\rm km}
 
     \hspace{0.05cm}.$$
 
     \hspace{0.05cm}.$$
:Hierbei bezeichnet <i>l</i> die Leitungslänge.
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Here &nbsp;$l$&nbsp; denotes the line length.
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:<b>Hinweis:</b> Die Aufgabe gehört zum Kapitel 4.3. Weitere Informationen zum Dämpfungsverhalten von Kupferleitungen finden Sie im Kapitel 1.1 des Buches &bdquo;Beispiele von Nachrichtensystemen&rdquo;.
 
  
  
===Fragebogen===
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Notes:
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*The exercise belongs to the chapter&nbsp;  [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Eigenschaften_von_Kupfer–Doppeladern|Properties of Balanced Copper Pairs]].
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*For more information on the attenuation behavior of copper lines, see the page &nbsp;[[Examples_of_Communication_Systems/General_Description_of_ISDN#Four-wire_and_two-wire_transmission|Four-wire and two-wire transmission]]&nbsp; in the book "Examples of Communication Systems".
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*You can use the interactive &nbsp; HTML5/JS applet &nbsp;[[Applets:Attenuation_of_Copper_Cables|"Attenuation of copper cables"]]&nbsp;  to check your results.
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*[PW95]&nbsp; denotes the following literature reference:  &nbsp;Pollakowski, P.; Wellhausen, H.-W.:&nbsp; Eigenschaften symmetrischer Ortsanschlusskabel im Frequenzbereich bis 30 MHz.&nbsp; Deutsche Telekom AG, Forschungs- und Technologiezentrum Darmstadt, 1995.
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Wieviele Teilnehmer (<i>N</i>) können über das vorne dargestellte Hauptkabel an eine ISDN&ndash;Ortsvermittlungsstelle angeschlossen werden?
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{How many subscribers &nbsp;$(N)$&nbsp; can be connected to an ISDN local exchange via the main cable shown at the beginning?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$N$ = { 50 3% }
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$N \ = \ $ { 50 3% }
  
  
{Welche Konsequenzen ergeben sich aus der Zweidrahtübertragung?
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{What are the consequences of two-wire transmission?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Die beiden Übertragungsrichtungen können sich gegenseitig stören.
+
+ The two transmission directions can interfere with each other.
+ Es kann zu Nebensprechstörungen kommen.
+
+ Crosstalk interference can occur.
- Es treten Impulsinterferenzen auf.
+
- Intersymbol interference occurs.
  
  
{Ein Gleichsignal wird um den Faktor 4 gedämpft. Wie groß ist die Kabellänge <i>l</i>?
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{A DC signal is attenuated by a factor of&nbsp; $4$.&nbsp;&nbsp; What is the cable length &nbsp;$l$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$l$ = { 2.36 3% } $km$
+
$l \ = \ $ { 2.36 3% } $\ \rm km$
  
  
{Welche Dämpfung und Phase ergeben sich so für die Frequenz <i>f</i> = 120 kHz?
+
{What is the attenuation and phase for the frequency &nbsp;$f = 120 \ \rm kHz$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$a_K(f = 120\ kHz)$ = { 21.7 3% } $dB$
+
$a_{\rm K}(f = 120\ \rm kHz)\ =  \ $ { 21.7 3% } $\ \rm dB$
$b_K(f = 120\ kHz)$ = { 11.2 3% } $rad$
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$b_{\rm K}(f = 120\ \rm kHz)\ =  \ $ { 11.2 3% } $\ \rm rad$
  
  
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</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
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===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
:<b>1.</b>&nbsp;&nbsp;Im Anschlussbereich wird eine Zweidrahtübertragung verwendet. Die möglichen Anschlüsse sind somit gleich der Anzahl der Doppeladern im Hauptkabel: <u><i>N</i> = 5 &middot; 5 &middot; 2 = 50</u>.
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'''(1)'''&nbsp; Two-wire transmission is used in the connection area.&nbsp; The possible connections are therefore equal to the number of pairs in the main cable:
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:$$N = 5 \cdot 5 \cdot  2 \hspace{0.15cm}\underline{= 50}.$$
  
:<b>2.</b>&nbsp;&nbsp;Bei Zweidrahtübertragung ist ein Richtungstrennungsverfahren erforderlich, nämlich die so genannte Gabelschaltung. Diese hat die Aufgabe, dass beim Empfänger <b>A</b> nur das Sendesignal von Teilnehmer <b>B</b> ankommt, nicht jedoch das eigene Sendesignal. Dies gelingt bei schmalbandigen Signalen &ndash; zum Beispiel Sprache &ndash; im allgemeinen recht gut, jedoch nicht vollständig &nbsp;&#8658;&nbsp; <u>Lösungsvorschlag 1</u>.
 
  
:Der <u>Lösungsvorschlag 2</u> ist ebenfalls zutreffend. Aufgrund von induktiven und kapazitiven Kopplungen kann es zu Übersprechen von der im gleichen Sternvierer befindlichen Doppelader kommen, wobei Nahnebensprechen (das heißt: der störende Sender und der gestörte Empfänger liegen örtlich zusammen) zu größeren Beeinträchtigungen führt als Fernnebensprechen.
+
'''(2)'''&nbsp; <u>Solutions 1 and 2</u>&nbsp; are correct:
 +
*In two-wire transmission,&nbsp; a direction separation method is required,&nbsp; namely the so-called&nbsp; "hybrid coil".&nbsp; This has the task that at receiver&nbsp; $\rm A$&nbsp; only arrives the transmitted signal of subscriber&nbsp; $\rm B$,&nbsp; but not the own transmitted signal.&nbsp; This is generally quite successful with narrow-band signals &ndash; for example speech &ndash; but not completely &nbsp;&#8658;&nbsp; solution 1 is correct.
 +
*Solution 2 is also correct.&nbsp; Due to inductive and capacitive couplings,&nbsp; crosstalk can occur from the twin wire located in the same star quad,&nbsp; whereby near-end crosstalk&nbsp; (i.e. the interfering transmitter and the interfered receiver are located together)&nbsp; leads to greater impairments than far-end crosstalk.
 +
*On the other hand,&nbsp; the last solution is not correct.&nbsp; Intersymbol interference &nbsp; &rArr; &nbsp; the mutual interfering influence of neighboring symbols can certainly occur,&nbsp; but it is not related to two-wire transmission.&nbsp; The reason for such intersymbol interference is rather linear distortion,&nbsp; caused by a non-ideal attenuation or phase response.
  
:Nicht zutreffend ist dagegen der letzte Lösungsvorschlag. Impulsinterferenzen &ndash; also die gegenseitige störende Beeinflussung benachbarter Symbole &ndash; können zwar durchaus auftreten, hängen aber nicht mit der Zweidrahtübertragung zusammen. Der Grund für solche Impulsinterferenzen sind vielmehr lineare Verzerrungen, bedingt  durch einen nichtidealen Dämpfungs&ndash; oder Phasenverlauf.
 
  
:<b>3.</b>&nbsp;&nbsp;Die Gleichsignal&ndash;Dämpfung um den Faktor 4 kann wie folgt ausgedrückt werden:
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'''(3)'''&nbsp; The DC attenuation by a factor of&nbsp; $4$&nbsp; can be expressed as follows:
 
:$$a_{\rm K}(f = 0) = 20 \cdot {\rm lg}\,\,(4) = 12.04\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
 
:$$a_{\rm K}(f = 0) = 20 \cdot {\rm lg}\,\,(4) = 12.04\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
:Mit dem angegebenen Koeffizienten 5.1 dB/km ergibt sich somit die Leitungslänge 12.04/5.1 <u>= 2.36 km</u>.
+
*With the given coefficient &nbsp;$\alpha_0 =5.1 \ \rm  dB/km$,&nbsp; this gives the line length &nbsp;$l = 12.04/5.1\; \underline{= 2.36 \ \rm  km}$.
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:<b>4.</b>&nbsp;&nbsp;Mit den angegebenen Gleichungen und <i>l</i> = 2.36 km erhält man:
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'''(4)'''&nbsp; Using the given equations and &nbsp;$l = 2.36 \ \rm  km$,&nbsp; we obtain:
:$$a_{\rm K}(f = 120\,{\rm kHz})  =  (5.1 + 14.3 \cdot 0.12^{\hspace{0.05cm}0.59}) \cdot 2.36\,{\rm dB}\hspace{0.15cm}\underline{ \approx 21.7\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm},\\
+
:$$a_{\rm K}(f = 120\,{\rm kHz})  =  (5.1 + 14.3 \cdot 0.12^{\hspace{0.05cm}0.59}) \cdot 2.36\,{\rm dB}\hspace{0.15cm}\underline{ \approx 21.7\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm},$$
b_{\rm K}(f = 120\,{\rm kHz})  =  (32.9 \cdot 0.12 + 2.26 \cdot 0.12^{\hspace{0.05cm}0.5}) \cdot 2.36\,{\rm rad}\hspace{0.15cm}\underline{ \approx 11.2\,{\rm rad}}\hspace{0.05cm}.$$
+
:$$b_{\rm K}(f = 120\,{\rm kHz})  =  (32.9 \cdot 0.12 + 2.26 \cdot 0.12^{\hspace{0.05cm}0.5}) \cdot 2.36\,{\rm rad}\hspace{0.15cm}\underline{ \approx 11.2\,{\rm rad}}\hspace{0.05cm}.$$
 
{{ML-Fuß}}
 
{{ML-Fuß}}
  
  
  
[[Category:Aufgaben zu Lineare zeitinvariante Systeme|^4.3 Kupfer–Doppelader^]]
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[[Category:Linear and Time-Invariant Systems: Exercises|^4.3 Balanced Copper Twisted Pair^]]

Latest revision as of 16:49, 24 October 2022

Main bundle, basic bundle and star quad

In  $\rm ISDN$  ("Integrated Services Digital Networks"),  the terminal (near the subscriber) is connected to a local exchange ("OVSt") by a copper pair,  with two pairs twisted into a so-called  "star quad".

  • Several such star quad pairs are twisted to form a basic bundle,
  • several basic bundles are combined to form a main bundle (see diagram).


In the network of Deutschen Telekom  (formerly:  Deutsche Bundespost),  mostly copper lines with  $\text{0.4 mm}$  core diameter are found,  for whose attenuation and phase function given in  [PW95]  are the following equations:

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

Here  $l$  denotes the line length.




Notes:

  • You can use the interactive   HTML5/JS applet  "Attenuation of copper cables"  to check your results.
  • [PW95]  denotes the following literature reference:  Pollakowski, P.; Wellhausen, H.-W.:  Eigenschaften symmetrischer Ortsanschlusskabel im Frequenzbereich bis 30 MHz.  Deutsche Telekom AG, Forschungs- und Technologiezentrum Darmstadt, 1995.



Questions

1

How many subscribers  $(N)$  can be connected to an ISDN local exchange via the main cable shown at the beginning?

$N \ = \ $

2

What are the consequences of two-wire transmission?

The two transmission directions can interfere with each other.
Crosstalk interference can occur.
Intersymbol interference occurs.

3

A DC signal is attenuated by a factor of  $4$.   What is the cable length  $l$?

$l \ = \ $

$\ \rm km$

4

What is the attenuation and phase for the frequency  $f = 120 \ \rm kHz$?

$a_{\rm K}(f = 120\ \rm kHz)\ = \ $

$\ \rm dB$
$b_{\rm K}(f = 120\ \rm kHz)\ = \ $

$\ \rm rad$


Solution

(1)  Two-wire transmission is used in the connection area.  The possible connections are therefore equal to the number of pairs in the main cable:

$$N = 5 \cdot 5 \cdot 2 \hspace{0.15cm}\underline{= 50}.$$


(2)  Solutions 1 and 2  are correct:

  • In two-wire transmission,  a direction separation method is required,  namely the so-called  "hybrid coil".  This has the task that at receiver  $\rm A$  only arrives the transmitted signal of subscriber  $\rm B$,  but not the own transmitted signal.  This is generally quite successful with narrow-band signals – for example speech – but not completely  ⇒  solution 1 is correct.
  • Solution 2 is also correct.  Due to inductive and capacitive couplings,  crosstalk can occur from the twin wire located in the same star quad,  whereby near-end crosstalk  (i.e. the interfering transmitter and the interfered receiver are located together)  leads to greater impairments than far-end crosstalk.
  • On the other hand,  the last solution is not correct.  Intersymbol interference   ⇒   the mutual interfering influence of neighboring symbols can certainly occur,  but it is not related to two-wire transmission.  The reason for such intersymbol interference is rather linear distortion,  caused by a non-ideal attenuation or phase response.


(3)  The DC attenuation by a factor of  $4$  can be expressed as follows:

$$a_{\rm K}(f = 0) = 20 \cdot {\rm lg}\,\,(4) = 12.04\,{\rm dB}\hspace{0.05cm}.$$
  • With the given coefficient  $\alpha_0 =5.1 \ \rm dB/km$,  this gives the line length  $l = 12.04/5.1\; \underline{= 2.36 \ \rm km}$.


(4)  Using the given equations and  $l = 2.36 \ \rm km$,  we obtain:

$$a_{\rm K}(f = 120\,{\rm kHz}) = (5.1 + 14.3 \cdot 0.12^{\hspace{0.05cm}0.59}) \cdot 2.36\,{\rm dB}\hspace{0.15cm}\underline{ \approx 21.7\,{\rm dB}}\hspace{0.05cm},$$
$$b_{\rm K}(f = 120\,{\rm kHz}) = (32.9 \cdot 0.12 + 2.26 \cdot 0.12^{\hspace{0.05cm}0.5}) \cdot 2.36\,{\rm rad}\hspace{0.15cm}\underline{ \approx 11.2\,{\rm rad}}\hspace{0.05cm}.$$