Difference between revisions of "Examples of Communication Systems/Methods to Reduce the Bit Error Rate in DSL"

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|Untermenü=DSL – Digital Subscriber Line
 
|Untermenü=DSL – Digital Subscriber Line
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|Vorherige Seite=xDSL as Transmission Technology
|Nächste Seite=Allgemeine Beschreibung von GSM
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|Nächste Seite=General Description of GSM
 
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==Übertragungseigenschaften von Kupferkabeln ==
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==Transmission properties of copper cables ==
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<br>
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As already mentioned in the chapter&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/General_Description_of_DSL|"General Description of DSL"]]&nbsp;, the telephone line network of Deutsche Telekom mainly uses balanced copper pairs with a diameter of&nbsp; $\text{0.4 mm}$.&nbsp; The&nbsp; "last mile"&nbsp; is divided into three segments:
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*the main cable,
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*the branch cable,
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*the house connection cable.
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On average,&nbsp; the line length is less than four kilometers.&nbsp; In cities,&nbsp; the copper line is shorter than&nbsp;  $\text{2.8 km}$&nbsp; in&nbsp; $90\%$&nbsp;  of all cases.
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[[File:EN_LZI_T_4_3_S2_neu.png| right|frame|Structure of the local loop area]]
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The $\rm xDSL$ variants discussed here were developed specifically for use on such symmetrical balanced copper pairs in the cable network. In order to better understand the technical requirements for the xDSL systems, a closer look must be taken at the transmission characteristics and interference on the conductor pairs.
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This topic has already been dealt with in detail in the fourth main chapter &nbsp;"Properties of Electrical Lines"&nbsp; of the book&nbsp; "[[Linear_and_Time_Invariant_Systems]]"&nbsp; and is therefore only briefly summarized here using the&nbsp; [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Some_Results_from_Line_Transmission_Theory#Wave_impedance_and_reflections|"equivalent circuit diagram"]]&nbsp;:
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*Line transmission properties are fully characterized by the generally complex
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:*&nbsp; "characteristic impedance"&nbsp; $Z_{\rm W}(f)$&nbsp; and
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:*&nbsp; "complex propagation function per unit length" &nbsp; &rArr;  &nbsp; $γ(f)$.
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*The even&nbsp; "attenuation function $($per unit length$)$"&nbsp; $α(f)$&nbsp; is the real part of&nbsp; $γ(f)$&nbsp; and describes the attenuation of the wave propagating along the line:
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:$$α(-f)=α(f) .$$
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*The odd imaginary part&nbsp; $β(f)$&nbsp; of&nbsp; $γ(f)$&nbsp; is called&nbsp; "phase function&nbsp; $($per unit length$)$"&nbsp; and gives the phase rotation of the signal wave along the line:
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:$$β(-f)=-β(f) .$$
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{{GraueBox|TEXT=
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$\text{Example 1:}$&nbsp; As an example,&nbsp; we consider the function&nbsp; $\alpha(f)$&nbsp; shown on the right,&nbsp; which is based on empirical investigations by&nbsp; "Deutsche Telekom".
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[[File:P_ID1955__Bei_T_2_4_S1b_v1.png|right|frame|Attenuation function per unit length of balanced copper pairs]]
  
Wie schon im Kapitel 2.1 erwähnt, sind im Telefonleitungsnetz der Deutschen Telekom vorwiegend Kupfer–Doppeladern mit einem Durchmesser von 0.4 mm verlegt. Der Teilnehmeranschlussbereich (TAL) – häufig auch als „Last Mile” bezeichnet – ist in drei Segmente gegliedert: das Hauptkabel, das Verzweigungskabel und das Hausanschlusskabel. Die Leitungslänge beträgt im Durchschnitt weniger als 4 Kilometer und in den Städten ist die Kupferleitung in 90% aller Fälle kürzer als 2.8 km.
+
The curves were obtained by averaging over a large number of measured lines of one kilometer length in the frequency range up to&nbsp; $\text{30 MHz}$.&nbsp; One can see:
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# The attenuation function&nbsp; $($per unit length$)$ &nbsp; $α(f)$&nbsp; increases approximately proportionally with the square root of the frequency and decreases with increasing conductor diameter&nbsp; $d$.
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# The attenuation function&nbsp; $a(f)$&nbsp; increases linearly with cable length&nbsp; $l$:
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::$$a(f) = α(f) · l.$$
  
Die hier besprochenen xDSL–Varianten wurden speziell für den Einsatz auf solchen symmetrischen Kupfer–Doppeladern im Kabelverbund entwickelt. Um die technischen Anforderungen an die xDSL–Systeme besser verstehen zu können, muss ein genauer Blick auf die Übertragungseigenschaften und Störungen auf den Leiterpaaren gerichtet werden. Dieses Thema wurde schon im Kapitel 4 des Buches [[Lineare zeitinvariante Systeme]] ausführlich behandelt und wird deshalb hier nur kurz anhand des Ersatzschaltbildes zusammengefasst:
+
 
*Die Leitungsübertragungseigenschaften werden durch den ''Wellenwiderstand'' $Z_{\rm W}(f)$ und das Übertragungsmaß $γ(f)$ vollständig charakterisiert. Beide Größen sind im allgemeinen komplex.
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*Das ''Dämpfungsmaß'' $α(f)$ ist der Realteil des Übertragungsmaßes und beschreibt die Dämpfung der sich entlang der Leitung ausbreitenden Welle; $α(f)$ ist eine gerade Funktion der Frequenz.
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*Der ungerade Imaginärteil $β(f)$ des komplexen Übertragungsmaßes heißt Phasenmaß und gibt die Phasendrehung der Signalwelle entlang der Leitung an.
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Note the difference between
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*$a(f)$ &nbsp; speak "a" &nbsp; $($for the attenuation function$)$,
 
   
 
   
Betrachten wir beispielhaft das unten dargestellte Dämpfungsmaß, das auf empirische Untersuchungen der Deutschen Telekom zurückgeht. Die Kurven ergaben sich durch Mittelung über eine große Anzahl gemessener Leitungen von einem Kilometer Länge im Frequenzbereich bis 30 MHz. Man erkennt:
+
*$\alpha(f)$ &nbsp; speak "a" $($for the attenuation function per unit length$)$.}}
* $α(f)$ steigt näherungsweise proportional mit der Wurzel der Frequenz an.
 
* $α(f)$ wird mit steigendem Leiterdurchmesser $d$ geringer.
 
* Die Dämpfungsfunktion steigt linear mit der Kabellänge $l$ an: $a(f) = α(f) · l$.
 
  
Für den Leitungsdurchmesser 0.40 mm wurde in <ref>Neubaueri, AW.: ''Informationstheorie und Quellencodierung''. J. Schlembach Fachverlag, 2006.</ref> eine Näherungsformel angegeben:
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For the line diameter&nbsp; $\text{0.4 mm}$&nbsp; was given in&nbsp; [PW95]<ref name ='PW95'>Pollakowski, M.; Wellhausen, H.W.:&nbsp; Properties of symmetrical local access cables in the frequency range up to 30 MHz.&nbsp; Communication from the Research and Technology Center of Deutsche Telekom AG, Darmstadt, Verlag für Wissenschaft und Leben Georg Heidecker, 1995.</ref>&nbsp; an empirical approximation formula for the attenuation function per unit length:
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 +
:$$\alpha(f) =  \left [ 5.1 + 14.3 \cdot \left (\frac{f}{\rm 1\,MHz}\right )^{0.59} \right ] \frac{\rm dB}{\rm km}
 +
\hspace{0.05cm}.$$
 +
 +
Evaluating this equation,&nbsp; the following exemplary values hold:
 +
*The attenuation function&nbsp; $a(f)$&nbsp; of a balanced copper wire of length&nbsp; $l = 1 \ \rm km$&nbsp; with diameter&nbsp; $0.4 \ \rm mm$&nbsp; is slightly more than&nbsp; $60\ \rm dB$&nbsp; for the signal frequency&nbsp; $10\ \rm MHz$.
 
   
 
   
Wertet man diese aus, so können folgende beispielhafte Werte genannt werden:
+
*At twice the frequency&nbsp; $(20 \ \rm MHz)$&nbsp; the attenuation value increases to over&nbsp; $90 \ \rm dB$.&nbsp; It can be seen that the attenuation does not increase exactly with the root of the frequency,&nbsp; as would be the case if the skin effect were considered alone,&nbsp; since several other effects also contribute to the attenuation.
*Die Dämpfung $a(f)$ einer Kupfer–Doppelader der Länge $l$ = 1 km mit Durchmesser 0.4 mm beträgt für die Signalfrequenz 10 MHz etwas mehr als 60 dB. Beachten Sie bitte den Unterschied zwischen dem Dämfungswert „a” und der Dämfungsfunktion „alpha”.
+
 
*Bei doppelter Frequenz (20 MHz) steigt der Dämpfungswert auf über 90 dB. Es zeigt sich, dass die Dämpfung nicht exakt mit der Wurzel der Frequenz ansteigt, wie es bei alleiniger Betrachtung des Skin–Effekts der Fall wäre, da auch verschiedene andere Effekte zur Dämpfung beitragen.
+
*If the cable length is doubled to &nbsp; $l = 2 \ \rm km$ &nbsp; the attenuation reaches a value of more than&nbsp; $120 \ \rm dB$&nbsp; $($at&nbsp; $10 \ \rm MHz)$,&nbsp; which corresponds to an amplitude attenuation factor smaller than&nbsp; $10^{-6}$.
*Wird die Kabellänge auf $l$ = 2 km verdoppelt, so erreicht die Dämpfung einen Wert von mehr als 120 dB (bei 10 MHz). Dies entspricht einem Amplitudendämpfungsfaktor kleiner als $10^{-6}$.
 
*Durch die Frequenzabhängigkeit von $α(f)$ und $β(f)$ kommt es zu ''Intersymbolinterferenzen'' (ISI) und ''Intercarrierinterferenzen'' (ICI). Vorzusehen ist also bei xDSL eine geeignete Entzerrung.
 
  
 +
*Due to the frequency dependence of &nbsp; $α(f)$&nbsp; and&nbsp; $β(f)$: &nbsp; &raquo;'''intersymbol interference'''&laquo;&nbsp; $\rm (ISI)$&nbsp; as well as&nbsp; &raquo;'''intercarrier interference'''&nbsp; $\rm (ICI)$&nbsp; occur.&nbsp;
  
Im Kapitel 4.3 des Buches [[Lineare zeitinvariante Systeme]] wird die hier betrachtete Thematik ausführlicher behandelt. Wir verweisen hier auf zwei Interaktionsmodule:
+
*Suitable equalization must therefore be provided for xDSL.
 +
 
 +
 
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<u>Note:</u>
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#In the&nbsp; [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Properties_of_Balanced_Copper_Pairs|"Properties of balanced copper pairs"]]&nbsp; chapter  of the book&nbsp; "Linear Time-Invariant Systems"&nbsp; this topic is treated in detail.  
 +
#We refer here to the interactive applet&nbsp; [[Applets:Dämpfung_von_Kupferkabeln|"Attenuation of copper cables"]].
 
   
 
   
==Störungen bei der Übertragung  ==  
+
==Disturbances during transmission==  
 +
<br>
 +
Every transmission system is affected by disturbances,&nbsp; which usually results primarily from thermal resistance noise.&nbsp; In addition,&nbsp; for a two-wire line there are:
 +
*&raquo;'''Reflections'''&laquo;: &nbsp; The counter-propagating wave increases the attenuation of copper pairs,&nbsp; which is taken into account in the&nbsp; [[Linear_and_Time_Invariant_Systems/Some_Results_from_Line_Transmission_Theory#Influence_of_reflections_-_operational_attenuation|"operational attenuation"]]&nbsp; of the line.&nbsp; To prevent such reflection,&nbsp; the terminating resistor&nbsp; $Z_{\rm E}(f)$&nbsp; would have to be chosen identical to the&nbsp; $($complex and frequency-dependent$)$&nbsp; characteristic impedance&nbsp; $Z_{\rm W}(f)$.&nbsp; This is difficult in practice.&nbsp; Therefore,&nbsp; the terminating resistors are chosen to be real and constant,&nbsp; and the resulting reflections are combated by technical means&nbsp; &ndash; if possible.
  
Jedes Nachrichtensystem wird durch Rauschen beeinflusst, das meist in erster Linie aus dem thermischen Widerstandsrauschen resultiert. Zusätzlich ist bei einer Zweidrahtleitung noch zu beachten:
+
[[File:EN_LZI_T_4_3_S6_v2.png|right|frame|On the emergence of crosstalk]]
*'''Reflexionen''': Durch die gegenläufige Welle wird die Dämfung eines Leitungspaares erhöht, was im Betriebsdämpfungsmaß der Leitung berücksichtigt wird. Siehe Buch [[Lineare zeitinvariante Systeme]], Kapitel 4.1. Um solche Reflexion zu verhindern, müsste der Abschlusswiderstand $\rm {Z_E}(f)$ identisch mit dem (komplexen und frequenzabhängigen) Wellenwiderstand $\rm {Z_W}(f)$ gewählt werden. Dies ist in der Praxis schwierig. Deshalb werden die Abschlusswiderstände reell und konstant gewählt und die daraus resultierenden Reflexionen – wenn möglich – mit technischen Mitteln bekämpft.
 
*Die dominante Störung ist bei leitungsgebundener Übertragung aber das '''Nebensprechen'''. Dies entsteht, wenn es durch induktive und kapazitive Kopplungen zwischen benachbarten Adern eines Kabelbündels zu gegenseitigen Beeinflussungen bei der Signalübertragung kommt.
 
  
Beim Nebensprechen unterscheidet man zwischen zwei Typen:
+
*&raquo;'''Crosstalk'''&laquo;: &nbsp; This is dominant interference in conducted transmission.&nbsp; <br>Crosstalk occurs when inductive and capacitive couplings between adjacent cores of a cable bundle cause mutual interference during signal transmission.
*'''Nahnebensprechen''' (englisch: ''Near End Crosstalk'', NEXT): Der störende Sender und der gestörte Empfänger befinden sich auf der gleichen Seite des Kabels.
 
*'''Fernnebensprechen''' (englisch: ''Far End Crosstalk'', FEXT): Der störende Sender und der gestörte Empfänger befinden sich auf den gegenüberliegenden Seiten des Kabels.
 
  
Das Fernnebensprechen nimmt mit zunehmender Leitungslänge aufgrund der Dämpfung stark ab, so dass auch bei DSL das Nahnebensprechen dominant ist. Zusammenfassend lässt sich sagen:
+
:Crosstalk is divided into two types (see graphic):
*Mit steigender Frequenz und abnehmendem Abstand zwischen den Leiterpaaren – wie innerhalb eines Sternvierers – nimmt das Nahnebensprechen zu. Weniger kritisch ist es, wenn sich die Adern in verschiedenen Grundbündeln befinden.
+
 
*Je nach eingesetzter Verseiltechnik, Abschirmung und Fertigungsgenauigkeit des Kabels tritt dieser Effekt unterschiedlich stark auf. Die Leitungslänge spielt dagegen bei Nahnebensprechen keine Rolle: Der eigene Sender wird durch das Kabel nicht gedämpft.
+
:*'''Near-end Crosstalk'''&nbsp; $\rm (NEXT)$:&nbsp; The interfering transmitter and the interfered receiver are on the same side of the cable.
*Durch geschickte Belegung der Doppeladern kann der Einfluss von Nebensprechen signifikant reduziert werden. Dies wird realisiert, indem man benachbarte Adern mit unterschiedlichen Diensten belegt, die unterschiedliche und möglichst wenig überlappende Frequenzbänder nutzen.
+
 
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:*'''Far-end Crosstalk'''&nbsp; $\rm (FEXT)$:&nbsp; The interfering transmitter and the interfered receiver are on opposite sides of the cable.
 +
 
 +
 
 +
:Far-end crosstalk decreases sharply with increasing cable length due to attenuation,&nbsp; so that near-end crosstalk is dominant even with DSL.  
 +
<br clear=all>
 +
{{BlaueBox|TEXT=
 +
$\text{Conclusion:}$&nbsp;
 +
To summarize:
 +
#As frequency increases and spacing between line pairs decreases&nbsp; &ndash; as within a star quad &ndash;&nbsp; near-end crosstalk increases.&nbsp; It is less critical if the conductors are in different basic bundles.<br>
 +
#Depending on the stranding technique used,&nbsp; the shielding and the manufacturing accuracy of the cable,&nbsp; this effect occurs to varying degrees.&nbsp; The cable length,&nbsp; on the other hand,&nbsp; does not play a role in near-end crosstalk: &nbsp; The own transmitter is not attenuated by the cable.<br>
 +
#Crosstalk can be significantly reduced by clever assignment,&nbsp; for example by assigning different services to adjacent pairs,&nbsp; using different frequency bands with as little overlap as possible.}}
  
 
 
 
 
==SNR, Reichweite und Übertragungsrate ==
+
==Signal&ndash;to&ndash;noise ratio, range and transmission rate ==
 +
<br>
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To evaluate the quality of a transmission system,&nbsp; the signal-to-noise ratio&nbsp; $\rm (SNR)$&nbsp; is usually used.&nbsp; This is also a measure of the expected bit error rate&nbsp; $\rm (BER)$.
 +
*Signal and noise in the same frequency band reduce the SNR and lead to a higher bit error rate or&nbsp; &ndash; for a given bit error rate &ndash;&nbsp; to a lower transmission bit rate.
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*The relationships between transmit power,&nbsp; channel quality&nbsp; $($cable attenuation and noise power$)$&nbsp; and achievable transmission rate can be illustrated very well by Shannon's channel capacity formula:
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 +
:$$C \left [ \frac{\rm bit}{\rm symbol} \right ] =  \frac {1}{2} \cdot \log_2 \left ( 1 + \frac{P_{\rm E}}{P_{\rm N}} \right )=
 +
\frac {1}{2} \cdot \log_2 \left ( 1 + \frac{\alpha_{\rm K}^2 \cdot P_{\rm S}}{P_{\rm N}} \right ) \hspace{0.05cm}.$$
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The&nbsp; &raquo;'''channel capacity'''&laquo;&nbsp; $C$&nbsp; denotes the maximum transmission bit rate at which transmission is possible under ideal conditions&nbsp; $($among others,&nbsp; the best possible coding with infinite block length$)$ &nbsp; ⇒ &nbsp; &raquo;'''channel coding theorem'''&raquo;. For more details,&nbsp; see the fourth main chapter&nbsp; [[Information_Theory/AWGN_Channel_Capacity_for_Continuous-Valued_Input|"AWGN Channel Capacity for Continuous-Valued Input"]].
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 +
We assume that the bandwidth is fixed by the xDSL variant and that near-end crosstalk is the dominant interference.&nbsp; Then the transmission rate can be improved by the following measures:
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#For a given transmitted power&nbsp; $P_{\rm S}$&nbsp; and a given medium&nbsp; $($e.g. balanced copper pairs with 0.4 mm diameter$)$,&nbsp; the received power&nbsp; $P_{\rm E}$&nbsp; $($that can be used for demodulation$)$&nbsp; is increased only by a shorter line length.
 +
#One reduces the interference power&nbsp; $P_{\rm N}$,&nbsp;  which for a given bandwidth&nbsp; $B$&nbsp; would be achieved by increased crosstalk attenuation,&nbsp; which in turn also depends on the transmission method on the adjacent line pairs.
 +
#Increasing the transmitted power&nbsp; $P_{\rm S}$&nbsp; would not be effective here,&nbsp; since a larger transmitted power would at the same time have an unfavorable effect on the crosstalk.&nbsp; This measure would only be successful for an AWGN channel&nbsp; $($example:&nbsp; coaxial cable$)$.
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This listing shows that with xDSL there is a direct correlation between
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*line length,
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*transmission rate,&nbsp; and
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*the transmission method used.
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{{GraueBox|TEXT=
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$\text{Example 2:}$&nbsp; From this graph, which refers to measurements with&nbsp; "$\rm 1-DA xDSL$"&nbsp; methods and&nbsp; $\text{0.4 mm}$&nbsp; copper cables in test systems with realistic interference conditions,&nbsp; one can clearly see these dependencies.
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[[File:EN_Bei_T_2_4_S3b.png|right|frame|Range and total bit rate for ADSL and VDSL]]
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The graph shows for some ADSL and VDSL variants
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*the range&nbsp; $($maximum cable length$)$&nbsp; $l_{\rm max}$&nbsp; and
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*the total transmission rate&nbsp; $R_{\rm total}$&nbsp;
 +
#of upstream $($first indication$)$
 +
# and downstream $($second indication$)$.
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The total transmission rate for the systems considered is between&nbsp; $2.2 \ \rm Mbit/s$&nbsp; and&nbsp; $53\ \rm Mbit/s$.
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*The trend of the measured values is shown in this graph as a solid&nbsp; $($blue$)$&nbsp; curve and can be formulated as a rough approximation as follows:
  
Zur Bewertung der Qualität eines Übertragungssystems wird meist das Signal–zu–Rausch–Verhältnis (''Signal–to–Noise Ratio'', SNR) vor dem Entscheider herangezogen. Dieses ist auch ein Maß für die zu erwartende Bitfehlerrate (BER). Signal und Rauschen im gleichen Frequenzband verringern das SNR und führen zu einer höheren BER oder – bei vorgegebener BER – zu einer niedrigeren Übertragungsrate.
+
:$$l_{\rm max}\,{\rm \big [in}\,\,{\rm km \big ] } =  \frac {20}{4 + R_{\rm total}\,{\rm \big [in}\,\,{\rm Mbit/s \big ] } }  \hspace{0.05cm}.$$
Die Zusammenhänge zwischen Sendesignal, Kanalgüte und erreichbarer Übertragungsrate können sehr gut durch Shannons Kanalkapazitätsformel verdeutlicht werden:
 
 
   
 
   
Die Kanalkapazität $C$ bezeichnet die maximale Übertragungsbitrate, mit der bei idealen Voraussetzungen (unter Anderem eine bestmögliche Codierung bei unendlicher Blocklänge) übertragen werden kann  ⇒  ''Kanalcodierungstheorem''. Näheres hierzu finden Sie im Buch [[Einführung in die Informationstheorie]].
+
*It can be seen that the range of all current systems&nbsp; $($approximately between half a kilometer and three and a half kilometers of line length$)$&nbsp; differs from this rule of thumb by a maximum of&nbsp; $±25\%$&nbsp; $($dashed curves$)$.}}
  
Wir gehen davon aus, dass die Bandbreite durch die xDSL–Variante festliegt und dass Nahnebensprechen die dominante Störung ist. Dann kann die Übertragungsrate durch folgende Maßnahmen verbessert werden:
 
*Man vergrößert bei gegebener Sendeleistung $P_S$ und gegebenem Medium (0.4 mm) die zur Demodulation nutzbare Empfangsleistung $P_E$ nur durch eine kürzere Leitungslänge.
 
*Man vermindert die Störleistung $P_N$, was bei gegebener Bandbreite $B$ durch eine erhöhte Nebensprechdämpfung zu erreichen wäre, die wiederum auch vom Übertragungsverfahren auf den benachbarten Leitungspaaren abhängt.
 
*Eine Erhöhung der Sendeleistung $P_S$ wäre hier nicht zielführend, da sich eine größere Sendeleistung gleichzeitig ungünstig auf das Nebensprechen auswirkt. Diese Maßnahme wäre nur bei einem AWGN–Kanal (Beispiel: Koaxialkabel) erfolgreich.
 
  
 +
{{GraueBox|TEXT=
 +
$\text{Example 3:}$&nbsp;
 +
The diagram below shows the total data bit rates of&nbsp; "ADSL2+"&nbsp; and&nbsp; "VDSL(2)"&nbsp; as a function of line length,
 +
[[File:EN_Bei_T_2_4_S3b_neu.png|right|frame|Data bit rates vs. cable lengths for xDSL systems]]
 +
*with the&nbsp; $($different$)$&nbsp; red curves referring to the downstream
  
Diese Auflistung zeigt, dass bei xDSL ein direkter Zusammenhang zwischen Reichweite (Leitungslänge), Übertragungsrate und eingesetztem Übertragungsverfahren besteht. Aus der nachfolgenden Grafik, die sich auf Messungen mit 1–DA–xDSL–Verfahren und 0.4mm–Kupferkabeln bei Versuchssystemen mit realitätsnahen Störbedingungen bezieht, erkennt man deutlich diese Abhängigkeiten.
+
*and the two blue curves to the upstream.
  
Die Grafik zeigt für verschiedene ADSL– und VDSL–Varianten die Reichweite (Kabellänge) $l_{\rm max}$ und die Gesamtübertragungsrate $R_{\rm ges}$ von Upstream (erste Angabe) und Downstream (zweite Angabe). Die Gesamtübertragungsrate liegt zwischen 2.2 Mbit/s und 53 Mbit/s. Die Reichweite bezieht sich hier auf eine Kupferdoppelader mit 0.4 mm Durchmesser.
 
  
Die Tendenz der Messwerte ist in dieser Grafik als durchgezogene (blaue) Kurve eingezeichnet und kann als grobe Näherung folgendermaßen formuliert werden:
+
This is based on a worst-case interference scenario with the following boundary conditions:
 +
*Cable bundle with&nbsp; $50$&nbsp; copper pairs&nbsp; $(0.4$&nbsp; mm diameter$)$,&nbsp; PE insulated,
 +
 
 +
*target symbol error rate&nbsp; $p_{\rm S}=10^{-7},\ 6 \ \text{dB}$&nbsp; margin $($reserve SNR to reach target data rate$)$,
 +
 
 +
*simultaneous operation of the following transmission methods:
 +
# &nbsp; &nbsp; $25$&nbsp; times&nbsp; "ADSL2+ over ISDN",
 +
#&nbsp; &nbsp; $14$&nbsp; times ISDN,&nbsp; four times&nbsp; "SHDSL"&nbsp; $(R= \text{1 Mbit/s)}$,
 +
#&nbsp; &nbsp; five times each&nbsp; "SHDS"L&nbsp; $(R= \text{2 Mbit/s)}$&nbsp; and&nbsp; "$(\text{VDSL2 band plan 998}$",
 +
#&nbsp; &nbsp; twice&nbsp; "HDSL".
 +
 
 +
 
 +
You can see from this diagram:  
 +
*For short line lengths,&nbsp; the achievable data rates for VDSL(2) are significantly higher than for ADSL2+.
 +
 +
*From a line length of&nbsp; $\approx 1800$&nbsp; meters,&nbsp; ADSL2+ is significantly better than VDSL(2).
 +
 +
*This is due to the fact that VDSL(2) operates in the lower frequency bands with significantly lower power in order to interfere less with neighboring systems.
 +
 +
*As the line length increases,&nbsp; the higher frequency subchannels become unusable due to increasing attenuation,&nbsp; which explains the crash in data rate.}}
 
   
 
   
Man erkennt, dass sich die Reichweite aller derzeitigen Systeme (zwischen etwa 0.5 und 3,5 km) von dieser Faustformel um maximal ±25% unterscheiden (gestrichelte Kurven).
 
Im unteren Diagramm sind die Gesamtdatenübertragungsraten von ADSL2+ und VDSL2 als Funktion der Leitungslänge im Falle eines „worst-case”–Störszenarios bei folgenden Randbedingungen dargestellt:
 
*Kabelbündel mit 50 Kupferdoppeladern (0.4 mm Durchmesser), PE–isoliert,
 
*Ziel–Symbolfehlerrate $10^{–7}, 6 \text{dB}$ Margin (Reserve–SNR, um Ziel–Datenrate zu erreichen),
 
*gleichzeitiger Betrieb folgender Nachrichtenübertragungsverfahren: 25 mal ADSL2+ über ISDN, 14 mal ISDN, viermal SHDSL (1 Mbit/s), je fünfmal SHDSL (2 Mbit/s) und VDSL2 Bandplan 998, sowie zweimal HDSL.
 
  
 +
==Overview of DSL error correction measures== 
 +
<br>
 +
In order to reduce the BER of xDSL systems,&nbsp; a number of techniques have been cleverly combined in the specifications to counteract the two most common causes of errors:
 +
*Transmission errors due to pulse and crosstalk interference on the line: &nbsp; <br>Especially at high data rates,&nbsp; adjacent symbols in the QAM signal space are close together,&nbsp; which significantly increases the bit error probability.
  
Man erkennt: Ab einer Leitungslänge von etwa 1.8 km sind die erzielbaren Übertragungsraten bei ADSL2+ deutlich höher als bei VDSL2. Dies ist darauf zurückzuführen, dass VDSL2 in den unteren Frequenzbändern mit deutlich niedrigerer Sendeleistung arbeitet, um die Störeinflüsse auf benachbarte Übertragungssysteme zu minimieren. Mit zunehmender Leitungslänge werden die frequenzmäßig höher angesiedelten Subkanäle wegen der zunehmenden Dämpfung zur Datenübertragung unbrauchbar, was den Absturz der Datenrate erklärt.
+
*Cutting off of signal peaks due to lack of dynamic range of the transmitter amplifiers:&nbsp;  <br>This&nbsp; "clipping"&nbsp; also corresponds to pulse noise and acts as an additional colored noise that noticeably degrades the SNR.
 +
 
 +
 
 +
With the DMT method,&nbsp; two paths are implemented for error correction in the signal processors.&nbsp; The bit assignment to these paths is done by a multiplexer with sync control.
 +
[[File:EN_Bei_T_2_4_S4_v9.png|right|frame|Complete DSL/DMT system]]
 +
 
 +
*In the case of&nbsp; &raquo;'''fast path'''&laquo;,&nbsp; low waiting times&nbsp; $($"latency"$)$&nbsp; are used.
 
   
 
   
 +
*With&nbsp; &raquo;'''interleaved path'''&laquo;,&nbsp; low bit error rates are in the foreground.&nbsp; Here the latency is higher due to the use of an interleaver.
  
==DSL–Fehlerkorrekturmaßnahmen im Überblick== 
+
*"Dual latency"&nbsp; means the simultaneous use of both paths.&nbsp; The&nbsp; "ADSL Transceiver Units"&nbsp; must support dual latency at least in the downstream.
  
Um die Bitfehlerrate der xDSL–Systeme zu senken, wurden in den Spezifikationen eine Reihe von Verfahren geschickt miteinander kombiniert, um den zwei häufigsten Fehlerursachen entgegen zu wirken:
 
*Übertragungsfehler aufgrund von Impuls– und Nebensprechstörungen auf der Leitung: Besonders bei hohen Datenraten liegen benachbarte Symbole im QAM–Signalraum eng beieinander, was die Fehlerwahrscheinlichkeit signifikant erhöht.
 
*Abschneiden von Signalspitzen aufgrund mangelnder Dynamik der Sendeverstärker (''Clipping''): Dieses Abschneiden entspricht ebenfalls einer Impulsstörung und wirkt als zusätzliche farbige Rauschbelastung, die das SNR merkbar verschlechtert.
 
  
Beim DMT–Verfahren sind für Fehlerkorrekturmaßnahmen in den Signalprozessoren zwei Pfade realisiert. Die Bitzuordnung zu diesen Pfaden übernimmt ein Multiplexer mit Sync–Kontrolle.
+
The remaining chapter sections discuss error protection procedures for both paths.&nbsp;
*Beim '''Fast–Path''' setzt man auf geringe Wartezeiten (''Latency''), beim '''Interleaved–Path''' dagegen auf niedrige Bitfehlerraten. Hier ist die Latenz aufgrund des Einsatzes eines Interleavers größer.
 
*Eine duale Latenz bedeutet die gleichzeitige Verwendung beider Pfade. Die ''ADSL Transceiver Units'' müssen eine duale Latenz zumindest im Downstream unterstützen.
 
  
Auf den restlichen Kapitelseiten werden für beide Pfade die Fehlerschutzverfahren erörtert.  
+
For other modulation methods,&nbsp; the error protection measures described here are the same in principle,&nbsp; but different in detail.
''Hinweis'': Die beschriebenen Fehlerschutzmaßnahmen sind bei anderen Modulationsverfahren prinzipiell gleich.
+
 
*Die Übertragungskette beginnt mit dem ''Cyclic Redundancy Check'' (CRC), der eine Prüfsumme über einen Überrahmen bildet, die beim Empfänger ausgewertet wird. Aufgabe des Scramblers ist es, lange Folgen von Einsen und Nullen umzuwandeln, um häufigere Signalwechsel zu erzeugen.
+
#The transmission chain starts with the&nbsp; "cyclic redundancy check"&nbsp; $\rm (CRC)$,&nbsp; which forms a checksum over an overframe that is evaluated at the receiver.  
*Danach folgt die Vorwärtsfehlerkorrektur (''Forward Error Correction'', FEC), um empfangsseitig Bytefehler erkennen und eventuell sogar korrigieren zu können. Standard ist bei xDSL eine Reed–Solomon–Codierung, oft kommt zusätzlich die Trellis–Codierung zum Einsatz.
+
#Task of the scrambler is to convert long sequences of&nbsp; "ones"&nbsp; and&nbsp; "zeros"&nbsp; to produce more frequent signal changes.
*Aufgabe des ''Interleavers'' ist es, die empfangenen Codeworte über einen größeren Zeitbereich zu verteilen, um eventuell auftretende Übertragungsstörungen ebenfalls auf mehrere Codeworte zu verteilen und damit die Chancen einer Rekonstruktion zu erhöhen.
+
#This is followed by the "forward error correction"&nbsp; $\rm  (FEC)$&nbsp; to detect/correct byte errors at the receiving end.&nbsp; Often used for xDSL:&nbsp; Reed-Solomon and Trellis coding.
*Nach dem Durchlaufen der einzelnen Bitsicherungsverfahren werden die Datenströme von Fast– und Interleaved–Pfad im ''Tone Ordering'' zusammengeführt und bearbeitet. Hier werden auch die Bits den Trägerfrequenzen (Bins) zugewiesen.
+
#Task of the&nbsp; "interleaver"&nbsp; is to distribute the received code words over a larger time range in order to distribute transmission errors over several code words.
*Außerdem werden im DMT-Sender nach der IDFT ein Schutzintervall und ein zyklisches Präfix eingefügt, das im DMT–Empfänger wieder entfernt wird. Dies stellt bei verzerrendem Kanal eine sehr einfache Realisierung der Signalentzerrung im Frequenzbereich dar.
+
#After passing through the individual bit protection procedures,&nbsp; the data streams from fast and interleaved paths are combined and processed in&nbsp; "tone ordering".  
 +
#In addition,&nbsp; a guard interval and cyclic prefix are inserted in the DMT transmitter after the IDFT,&nbsp; which is removed again in the DMT receiver.  
 +
#This represents a very simple realization of signal equalization in the frequency domain when the channel is distorted.
 
   
 
   
 
   
 
   
==Cyclic Redundancy Check==   
+
==Cyclic redundancy check==   
 +
<br>
 +
The&nbsp; "cyclic redundancy check"&nbsp; $\rm (CRC)$&nbsp; is a simple bit-level procedure to check the integrity of data during transmission or duplication.&nbsp; The CRC principle has already been described in detail in the&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/ISDN_Primary_Multiplex_Connection#Frame_synchronization|"ISDN chapter"]].&nbsp; Here follows a brief summary,&nbsp; using the nomenclature used in the xDSL specifications:
 +
*For each data block&nbsp; $D(x)$&nbsp; with&nbsp; $k$&nbsp; bit&nbsp; $(d_0$, ... , $d_{k-1})$,&nbsp; a parity-check value&nbsp; $C(x)$&nbsp; with eight bits is formed prior to data transmission and appended to the original data sequence&nbsp; $($the variable&nbsp; $x$&nbsp;  denotes here the delay operator$)$.
  
Die zyklische Redundanzprüfung (engl. ''Cyclic Redundancy Check'', CRC) ist ein einfaches Verfahren auf Bitebene, um die Unversehrtheit der Daten bei der Übertragung oder der Duplizierung von Daten zu überprüfen. Das CRC–Prinzip wurde bereits im ISDN–Kapitel im Detail beschrieben. Hier folgt eine Zusammenfassung, wobei die bei den xDSL–Spezifikationen verwendete Nomenklatur verwendet wird:
+
*$C(x)$&nbsp; is obtained as the division remainder of the modulo-2 polynomial division of&nbsp; $D(x)$&nbsp; by the given parity-check polynomial&nbsp; $G(x)$:
*Vor der Datenübertragung wird für einen Datenblock D(x) mit k Bit d0, ... , dk-1 ein Prüfwert C(x) mit 8 Bit gebildet und an die ursprüngliche Datenfolge angehängt. Die Variable x bezeichnet hierbei einen Verzögerungsoperator.
+
:$$D(x) = d_0 \cdot x^{k-1} + d_1 \cdot x^{k-2} +  ... + d_{k-2} \cdot x + d_{k-1}\hspace{0.05cm},$$
*C(x) ergibt sich als der Divisionsrest der Polynomdivision von D(x) durch das Prüfpolynom G(x). Diese Operation wird durch folgende Modulo–2–Gleichungen beschrieben:
+
:$$G(x) =  x^8 + x^4 + x^3 + x^2 + 1 \hspace{0.05cm},$$
 +
:$$C(x) = D(x) \cdot x^8 \,\,{\rm mod }\,\, G(x) = c_0 \cdot x^7 + c_1 \cdot x^6 +  \text{...}  + c_6 \cdot x + c_7
 +
\hspace{0.05cm}.$$
 
   
 
   
*Beim Empfänger wird nach dem gleichen Verfahren erneut ein CRC–Wert gebildet und und mit dem übermittelten Prüfwert verglichen. Sind beide ungleich, so liegt mindestens ein Bitfehler vor.
+
*Another CRC value is formed at the receiver using the same procedure and compared with the transmitted CRC value.&nbsp; If both are different,&nbsp; at least one bit error happened during transmission.  
*Auf diese Weise können Bitfehler erkannt werden, wenn diese nicht zu sehr gehäuft sind. In der ADSL–Praxis ist das CRC–Verfahren ausreichend zur Bitfehlererkennung.
+
 
 +
*By this way,&nbsp; bit errors can be detected if they are not too much clustered.&nbsp; In ADSL practice,&nbsp; the CRC procedure is sufficient for bit error detection.
 +
 
  
Die nachstehende Grafik zeigt eine beispielhafte Schaltung – realisierbar in Hardware oder Software – zur CRC–Prüfwertbildung mit dem für ADSL spezifizierten Generatorpolynom $G(x)$.
+
The graph shows an exemplary circuit  for the CRC  value generation with the generator polynomial&nbsp; $G(x)$&nbsp;  specified for ADSL &ndash; realizable in hardware or software:
 +
[[File:EN_Bei_T_2_4_S5neu.png|right|frame|Cyclic Redundancy Check for ADSL]]
  
Der zu prüfende Datenblock wird von links in die Schaltung eingebracht, der Ausgang rückgekoppelt und mit den Stellen des Generatorpolynoms $G(x)$ exklusiv–oder–verknüpft. Nach Durchlauf des gesamten Datenblocks enthalten die Speicherelemente den CRC–Prüfwert $C(x)$.
+
#The data block&nbsp; $D(x)$&nbsp; to be tested is introduced into the circuit from the left,&nbsp; the output is fed back and exclusively-or-linked to the digits of the generator polynomial&nbsp; $G(x)$.  
*Anzumerken ist in diesem Zusammenhang, dass bei ADSL die Daten in so genannte Superframes (zu je 68 Rahmen) aufgespaltet werden. Jeder Rahmen beinhaltet Daten aus dem Fast– und Interleaved–Pfad. Dazu werden Verwaltungs– und Synchronisations–Bits in spezifischen Rahmen übertragen.
+
#After passing through the entire data block,&nbsp; the memory elements contain the CRC parity-check value&nbsp; $C(x)$.
*Pro ADSL–Superframe und pro Pfad werden 8 CRC–Bits gebildet und als ''Fast Byte'' bzw. ''Sync Byte'' als erstes Byte von Rahmen 0 des nächsten Superframes übertragen.
+
#It should be noted that with ADSL the data is split into so-called&nbsp; "superframes"&nbsp; of 68 frames each.  
 +
#Each frame contains data from the&nbsp; "fast path"&nbsp; and the&nbsp; "interleaved path".&nbsp; In addition,&nbsp; management and synchronization bits are transmitted in specific frames.
 +
#Eight CRC bits are formed per ADSL superframe and per path and are transmitted as&nbsp; "fast byte"&nbsp; resp.&nbsp; "sync byte"&nbsp;as the first byte of frame&nbsp; "$0$"&nbsp; of the next superframe.
  
 
 
 
 
==Scrambler und De–Scrambler==   
+
==Scrambler and de–scrambler==   
 +
<br>
 +
Task of the scrambler is to convert long sequences of&nbsp; "ones"&nbsp; and&nbsp; "zeros"&nbsp; in such a way that frequent symbol changes occur.
 +
*A possible realization is a shift register circuit with feedback exclusive-or-linked branches.
 +
 +
*In order to produce the original binary sequence at the receiver,&nbsp; a mirror-image self-synchronizing&nbsp; "de-scrambler"&nbsp; must be used there.
 +
 
 +
 
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The graph shows on the left an example of a scrambler actually used at DSL with&nbsp; $23$&nbsp; memory elements.&nbsp; The corresponding de-scrambler is shown on the right.
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[[File:EN_Bei_T_2_4_S6.png|right|frame|Scrambler and de-scrambler in a DSL/DMT system<br>&nbsp; &nbsp; $(1)$ &nbsp; scrambler's input&nbsp; &nbsp; &nbsp;  &nbsp; $(3)$ &nbsp; de-scrambler's input<br>&nbsp; &nbsp; $(2)$ &nbsp; scrambler's output &nbsp; &nbsp;  $(4)$ &nbsp; de-scrambler's output]]
 +
 
 +
The transmitter-side shift register is loaded with an arbitrary initial value that has no further effect on the operation of the circuit. Here:
 +
:$$11001'10011'00110'01100'110.$$
 +
 
 +
If we denote
 +
* by&nbsp; $e_n$&nbsp; the bits of the binary input sequence,&nbsp; and
  
Die Aufgabe des Scramblers ist es, lange Folgen von Einsen und Nullen so umzuwandeln, dass häufige Signalwechsel erfolgen. Eine mögliche Realisierung stellt eine Schieberegisterschaltung mit rückgeführten Exklusiv–Oder–verknüpften Zweigen dar. Um beim Empfänger die ursprüngliche Binärfolge herzustellen, muss dort ein spiegelbildlich selbstsynchronisierender De–Scrambler verwendet werden.
+
*by&nbsp; $a_n$&nbsp; the bits at the output,&nbsp;
  
Die Grafik zeigt links ein Beispiel eines bei DSL tatsächlich eingesetzten Scramblers mit 23 Speicherelementen Rechts ist der zugehörige De–Scrambler dargestellt.
 
  
Das sendeseitige Schieberegister wird mit einem beliebigen Startwert geladen, der keinen weiteren Einfluss auf die Funktion der Schaltung hat. Bezeichnet man mit en die binäre Eingangsfolge und mit an die Bits am Ausgang, so gilt folgender Zusammenhang:
+
the following relation holds:
 +
 
 +
:$$a_n = e_n \oplus a_{n- 18}\oplus a_{n- 23}\hspace{0.05cm}.$$
 
   
 
   
Im Beispiel besteht die Eingangsfolge aus 80 aufeinander folgenden Einsen, die bitweise in den Scrambler geschoben werden. Die Ausgangsbitfolge weist dann – wie gewünscht – häufige Null–Eins–Wechsel auf.
+
In the example,&nbsp; the scrambler input sequence consists of&nbsp; 80&nbsp; consecutive&nbsp; "ones" &nbsp;$($upper left gray background$)$,&nbsp; which are shifted bit by bit into the scrambler.&nbsp; The output bit sequence then has frequent&nbsp; "one-zero"&nbsp; changes,&nbsp; as desired.
  
Der De–Scrambler (rechts im Bild dargestellt) kann zu jedem beliebigen Zeitpunkt gestartet werden. Am Ausgangsdatenstrom erkennt man,
+
The de-scrambler&nbsp; $($shown on the right$)$&nbsp; can be started at any time with any starting value,&nbsp; which means that no synchronization is required between the two circuits.&nbsp; Here:
*dass der De–Scramber zunächst einige (bis zu maximal 23) fehlerhafte Bits ausgibt,
+
:$$10111'011110'11101'11011'101.$$
*sich dann aber automatisch synchronisiert und
+
The de-scrambler output data stream shows,
*anschließend die ursprüngliche Bitfolge fehlerfrei zurückgewinnt.
+
*that the de-scrambler initially outputs some&nbsp; $($up to a maximum of $23)$&nbsp;  erroneous bits,&nbsp; but then
  
Hierbei ist zu beachten, dass in diesem Beispiel zwar die Bitübertragung als fehlerfrei angenommen wurde, aber auch der De–Scrambler mit einem beliebigen Startwert geladen werden kann, was bedeutet, dass zwischen beiden Schaltungen keine Synchronisierung erforderlich ist.
+
*synchronizes automatically,&nbsp; and then
 +
 
 +
*recovers the original bit sequence&nbsp; $($only&nbsp; "ones"$)$&nbsp; without errors.
  
  
 
 
 
 
==Vorwärtsfehlerkorrektur==   
+
==Forward error correction==   
 +
<br>
 +
For&nbsp; "forward error correction"&nbsp; $\rm (FEC)$,&nbsp; all xDSL variants use a&nbsp; [[Channel_Coding/Definition_and_Properties_of_Reed-Solomon_Codes|"Reed-Solomon-Code"]].&nbsp; In some systems&nbsp;  "trellis code modulation"&nbsp; $\rm (TCM)$&nbsp; has been made mandatory as an additional error protection measure,&nbsp; even though it has only been specified as&nbsp; "optional"&nbsp; by the international bodies.
 +
 
 +
Both methods are discussed in detail in the book&nbsp; [[Channel_Coding|"Channel Coding"]].&nbsp; Here follows a brief summary of Reed-Solomon coding with respect to its application to DSL:
 +
*With Reed-Solomon encoding,&nbsp; redundancy bytes are generated for fixed agreed interpolation points of the payload polynomial.&nbsp; With systematic Reed-Solomon encoding,&nbsp; a parity-check value is calculated similar to the CRC procedure and appended to the data block to be protected.
 +
 
 +
*However,&nbsp; the data is no longer processed&nbsp; "bit by bit",&nbsp; but&nbsp; "byte by byte".&nbsp; Consequently,&nbsp; arithmetic operations are no longer performed in the Galois field&nbsp; $\rm GF( 2 )$&nbsp; but in&nbsp; $\rm GF(2^8)$.
 +
 
 +
 
 +
The Reed-Solomon parity-check byte can also be determined as the division remainder of a polynomial division,&nbsp; for xDSL with the following parameters:
 +
#Number&nbsp; $S$&nbsp; of DMT symbols to be monitored per Reed-Solomon code word&nbsp; $(S \ge 1$&nbsp; for the fast buffer,&nbsp; $S =2^0$, ... , $2^4$&nbsp; for the interleaved buffer$)$,
 +
#number&nbsp; $K$&nbsp; of user data bytes in the&nbsp; $S$&nbsp; DMT symbols,&nbsp; defined as a polynomial&nbsp; $B(x)$&nbsp; of degree&nbsp; $K$,&nbsp; where the&nbsp; "B"&nbsp; indicates&nbsp; "bytes",
 +
#Number&nbsp; $R$&nbsp; of Reed-Solomon parity-check bytes&nbsp; $($even number between&nbsp; $2$&nbsp; to&nbsp; $16)$&nbsp; per parity-check value&nbsp; $($"fast"&nbsp; or&nbsp; "interleaved"$)$,
 +
#sum&nbsp; $N = K + R$&nbsp; of the user data bytes and check bytes of the Reed-Solomon code word.
 +
 
  
Zur Vorwärtsfehlerkorrektur (''Forward Error Correction'', FEC) wird bei allen xDSL–Varianten ein Reed–Solomon–Code (RS–Codierung) verwendet. Bei manchen Systemen – beispielsweise ADSL der Deutschen Telekom – wurde als zusätzliche Fehlerschutzmaßnahme Trellis–Code–Modulation (TCM) verbindlich festgelegt, auch wenn diese von den internationalen Gremien nur als „optional” spezifiziert wurde.
+
The specifics of Reed-Solomon encoding for xDSL are given here without further comment:
 +
*For xDSL,&nbsp; the number&nbsp; $R$&nbsp; of check bytes must be an integer multiple of the number&nbsp; $S$&nbsp; of symbols so that they can be evenly distributed in the payload polynomial.
  
Beide Verfahren werden im Buch [[Einführung in die Kanalcodierung]] ausführlich behandelt. Hier folgt eine kurze Zusammenfassung der Reed–Solomon–Codierung im Hinblick auf die Anwendung bei DSL:
+
*The so-called&nbsp; [https://en.wikipedia.org/wiki/Singleton_bound#MDS_codes "Maximum Distance Separable&nbsp; $\rm (MDS)$&nbsp; codes"]&nbsp;  &ndash; a subclass of Reed-Solomon codes &ndash;&nbsp; allow the correction of&nbsp; $R/2$&nbsp; falsified user data bytes.
*Mit der Reed–Solomon–Codierung werden Redundanzbytes für fest vereinbarte Stützstellen des Nutzdatenpolynoms generiert.
 
*Bei systematischer RS–Codierung wird ähnlich dem CRC–Verfahren ein Prüfwert berechnet und an den zu schützenden Datenblock angehängt.
 
*Die Daten werden jedoch nicht mehr bitweise, sondern byteweise verarbeitet. Demzufolge werden arithmetische Operationen nicht mehr im Galois–Feld GF( 2 ) ausgeführt, sondern in GF( $2^8$ ).
 
  
Die Reed–Solomon–Prüfziffer lässt sich auch als Divisionsrest einer Polynomdivision ermitteln, bei xDSL mit folgenden Parametern:
+
*From the selected Reed-Solomon code for the DMT systems,&nbsp; the constraint is a maximum code word length of&nbsp; $2^8-1 = 255$&nbsp; bytes corresponding to&nbsp; $2040$&nbsp; bits.
*Anzahl $S$ der zu überwachenden DMT–Symbole pro Reed–Solomon Codewort (mindestens 1 für den Fast–Puffer, mindestens $2^0$ bis $2^4$ für den Interleaved–Puffer),
 
*Anzahl $K$ der Nutzdatenbytes in den S DMT–Symbolen, definiert als Polynom $B(x)$ vom Grad $K$, wobei das „B” auf Bytes hinweist,
 
*Anzahl $R$ der RS–Prüfbytes (gerade Zahl zwischen 2 bis 16) pro Prüfwert (Fast oder Interleaved),
 
*Summe $N = K + R$ der Nutzdatenbytes und Prüfbytes des Reed–Solomon–Codewortes.
 
  
Die Besonderheiten der RS–Codierung bei xDSL werden hier ohne weitere Kommentierung angegeben:
+
*The redundancy of Reed-Solomon codes can generate a considerable amount of data if the parameters are unfavorable,&nbsp; thus considerably reducing the net data rate.
*Bei xDSL muss die Anzahl $R$ der Prüfbytes ein ganzzahliges Vielfaches der Symbolanzahl $S$ sein, damit diese im Nutzdatenpolynom gleichmäßig verteilt werden können.
+
 
*Die sog. MDS–Codes (''Maximum Distance Separable'') – eine Unterklasse der RS–Codes – erlauben die Korrektur von $R/2$ verfälschten Nutzdatenbytes.
+
*It is recommended that the data amount&nbsp; $($"gross data rate"$)$&nbsp; be divided judiciously into useful data&nbsp; $($"net data rate,&nbsp; payload"$)$&nbsp; and error protection data&nbsp; $($"overhead"$)$.
*Vom gewählten RS–Code für die DMT–Systeme ergibt sich als Einschränkung eine maximale Codewortlänge von $2^8–1 = 255$ Byte entsprechend 2040 Bit.
+
 
*Die Redundanz der RS–Codes kann bei ungünstigen Codeparametern eine beachtliche Datenmenge erzeugen, wodurch die Nettoübertragungsrate erheblich geschmälert wird.
+
*Reed-Solomon coding achieves a&nbsp; "high coding gain".&nbsp; A system without coding would have to have a signal-to-noise ratio&nbsp; $\rm (SNR)$&nbsp; larger by&nbsp; $3 \ \rm dB$&nbsp; for same bit error rate.
*Es empfiehlt sich eine sinnvolle Aufteilung der Datenübertragungsmenge (Bruttodatenrate) in Nutzdaten (Nettodatenrate, ''Payload'') und Fehlerschutzdaten (''Overhead'').
+
 
*Die Reed–Solomon–Codierung erzielt einen hohen Codiergewinn. Ein System ohne Codierung müsste für die gleiche Bitfehlerrate ein um 3 dB besseres SNR aufweisen.
+
*By&nbsp; "trellis-encoded modulation"&nbsp; $\rm (TCM)$&nbsp; in combination with other error protection measures,&nbsp; the coding gain is highly variable; it ranges between&nbsp; $0 \ \rm dB$&nbsp; and&nbsp; $6 \ \rm dB$.
*Durch die TCM in Verbindung mit den vorher vorgestellten Fehlerschutzmaßnahmen fällt der Codiergewinnn höchst unterschiedlich aus; er bewegt sich zwischen 0 dB und 6 dB.
 
  
 
 
 
 
==Interleaving und De–Interleaving==   
+
==Interleaving and de–interleaving==   
 +
<br>
 +
The common task of&nbsp; "interleaver"&nbsp; $($at the transmitter$)$&nbsp; and&nbsp; "de-interleaver"&nbsp; $($at the receiver$)$&nbsp; is
 +
*to spread the received Reed-Solomon code words over a larger time range
 +
 
 +
*in order to distribute any transmission errors  over several code words
 +
 
 +
*and thus increase the chance of correct decoding.
 +
 
 +
 
 +
xDSL interleaving is characterized by the parameter&nbsp; $D$&nbsp; $($"depth"$)$,&nbsp; which can take values between&nbsp; $2^0$&nbsp; and&nbsp; $2^9$&nbsp;.
 +
 
 +
{{GraueBox|TEXT=
 +
$\text{Example 4:}$&nbsp; The graph illustrates the principle using the Reed-Solomon code words&nbsp; $A$,&nbsp; $B$,&nbsp; $C$&nbsp; with five bytes each and the interleaver depth&nbsp; $D = 2$.
 +
[[File:EN_Bei_T_2_4_S8a.png|right|frame|For DSL interleaving with&nbsp; $D = 2$]]
 +
 
 +
Each byte&nbsp; $B_i$&nbsp; of the middle Reed-Solomon code word&nbsp; $B$&nbsp; is delayed by&nbsp; $V_i = (D - 1) \cdot i$&nbsp; bytes.&nbsp;
 +
 
 +
 
 +
Two interleaver blocks are formed:
 +
*The first block contains the bytes&nbsp; $B_0$,&nbsp; $B_1$&nbsp; and&nbsp; $B_2$&nbsp; together with the bytes&nbsp; $A_3$&nbsp; and&nbsp; $A_4$&nbsp; of the previous code word.
 +
 +
*The second block contains the bytes&nbsp; $B_3$&nbsp; and&nbsp; $B_4$&nbsp; along with the bytes&nbsp; $C_0$,&nbsp; $C_1$&nbsp; and&nbsp; $C_2$&nbsp; of the following code word.}}
 +
 
 +
 
 +
This&nbsp; "scrambling"&nbsp; has the following advantages&nbsp; $($provided,&nbsp; $D$&nbsp; is sufficiently large$)$:
 +
#The error correction capabilities of the Reed-Solomon code are improved.
 +
#The user data rate remains the same,&nbsp; i.e. is not reduced $($redundancy-free$)$.
 +
#In the event of errors,&nbsp; entire packets do not have to be repeated at the protocol level.
 +
 
 +
 
 +
A disadvantage is that with increasing interleaver depth&nbsp; $D$&nbsp; there can be noticeable delay times&nbsp; $($on the order of milliseconds$)$,&nbsp; which causes major problems for real-time applications.&nbsp; However,&nbsp; interleaving with low depth is only useful if the signal-to-noise ratio is sufficiently high.
 +
 
 +
{{GraueBox|TEXT=
 +
$\text{Example 5:}$&nbsp;
 +
An example of the advantages of interleaver/de-interleaver in the presence of bundle errors is shown in the following graph:
 +
[[File:EN_Bei_T_2_4_S8b.png|right|frame|DSL interleaving and de–interleaving with&nbsp; $D = 3$]]
 +
 +
*In the first row,&nbsp; the transmitted byte sequence is shown according to Reed-Solomon encoding,&nbsp; with each code word consisting of seven bytes as an example.
 +
 
 +
*In the middle row,&nbsp; the data bytes are shifted by interleaving with&nbsp; $D = 3$&nbsp; so that between&nbsp; $C_i$&nbsp; and&nbsp; $C_{i+1}$&nbsp; there are two foreign bytes and the green code word is distributed over three blocks.
 +
 
 +
*Now suppose that during transmission a pulse glitch falsified three consecutive bytes in a single data block.
 +
 
 +
*After the de-interleaver,&nbsp; the original byte sequence of the Reed-Solomon code words is restored,&nbsp; with the three falsified bytes distributed among three independent code words.
 +
 
 +
*If two redundancy bytes were inserted in each case during the Reed-Solomon encoding,&nbsp; the now separated byte falsifications can be completely corrected.}}
 +
 
 +
 
 +
 +
 
 +
==Gain scaling and tone ordering== 
 +
<br>
 +
A particularly advantageous feature of DMT is the possibility
 +
#to adjust the bins individually to the existing channel characteristics and
 +
#possibly to switch off "bins" with unfavorable SNR completely.
 +
 
 +
 
 +
[[File:EN_Bei_T_2_4_S9.png|right|frame|Bit-bin assignment based on SNR]]
 +
The procedure is as follows:
  
Gemeinsame Aufgabe von Interleaver (beim Sender) und De–Interleaver (beim Empfänger) ist es, die empfangenen Reed–Solomon–Codewörter über einen größeren Zeitbereich zu verteilen, um eventuell auftretende Übertragungsfehler auf mehrere Codeworte zu verteilen und damit die Chance einer korrekten Decodierung zu erhöhen.
+
*Before starting the transmission&nbsp; &ndash; and possibly also dynamically during operation &ndash;&nbsp; the DMT modem measures the channel characteristics for each&nbsp; "bin"&nbsp; and sets the maximum transmission rate individually according to the SNR&nbsp; $($see graphic$)$.
Das Interleaving ist durch den Parameter $D$ (die so genannte Tiefe) charakterisiert, der Werte zwischen $2^0$ und $2^9$ annehmen kann. Die Grafik verdeutlicht das Prinzip anhand der Reed–Solomon–Codeworte $A$, $B$, $C$ mit jeweils 5 Byte sowie der Interleaver–Tiefe $D$ = 2.
 
  
Jedes Byte $B_i$ des mittleren Reed–Solomon–Codewortes $B$ wird um $V_i = (D – 1) · i$ Bytes verzögert und es werden zwei Interleaver–Blöcke gebildet:
+
*During initialization,&nbsp; the&nbsp; "ADSL Transceiver Units"&nbsp; exchange bin information,&nbsp; for example the respective&nbsp; "bits/bin"&nbsp; and the required transmission power&nbsp; $($'"gain"$)$.  
Im ersten sind die Bytes $B_0$, $B_1$ und $B_2$ zusammen mit den Bytes $A_3$ und $A_4$ des vorherigen Codewortes zusammengefasst, im zweiten die Bytes $B_3$ und $B_4$ zusammen mit den Bytes $C_0$, $C_1$ und $C_2$ des nachfolgenden Codewortes. Dies hat folgende Vorteile (vorausgesetzt, dass $D$ hinreichend groß ist):
 
*Die Fehlerkorrekturmöglichkeiten des Reed–Solomon–Codes werden verbessert.
 
*Die Nutzdatenrate bleibt gleich, wird also nicht vermindert (Redundanzfreiheit).
 
*Bei Störungen müssen nicht ganze Pakete auf Protokollebene wiederholt werden.
 
  
Nachteilig ist, dass es mit zunehmender Interleaver–Tiefe zu merklichen Verzögerungszeiten (in der Größenordnung von Millisekunden) kommen kann, was für Echtzeitanwendungen große Probleme bereitet. Interleaving mit geringer Tiefe ist nur bei genügend hohem Signal–zu–Rausch–Abstand sinnvoll.
+
*Thereby the&nbsp; $\text{ATU-C}$&nbsp; sends information about the upstream and the&nbsp; $\text{ATU-R}$&nbsp; sends information about the downstream.
  
Ein Beispiel für die Vorteile von Interleaver und De–Interleaver bei Vorhandensein von Bündelfehlern zeigt die Grafik am Ende dieser Seite:
+
*This message is of the format&nbsp; $\{b_i, g_i\}$&nbsp; where&nbsp; $b_i$&nbsp; $($four bits$)$&nbsp; indicates the constellation size.&nbsp; For the upstream,&nbsp; the index&nbsp; $i = 1$, ... , $31$&nbsp; and for the downstream&nbsp; $i = 1$, ... , $255$.
*In der ersten Zeile sind die Bytefolgen nach der Reed–Solomon–Codierung dargestellt, wobei jedes Codeworte beispielhaft aus 7 Bytes besteht.
 
*In der mittleren Zeile werden die Datenbytes durch das Interleaving mit $D$ = 3 verschoben, sodass zwischen $C_i$ und $C_{i+1}$ zwei fremde Bytes liegen und das Codewort auf drei Blöcke verteilt wird.
 
*Es sei nun angenommen, dass während der Übertragung eine Impulsstörung drei aufeinander folgende Bytes in einem einzigen Datenblock verfälscht.
 
*Nach dem De–Interleaver ist die ursprüngliche Bytefolge der Reed–Solomon–Codewörter wieder hergestellt, wobei die drei fehlerhaften Bytes auf drei unabhängige Codewörter verteilt sind.
 
*Wurden bei der Reed–Solomon–Codierung jeweils zwei Redundanzbytes eingefügt, so lassen sich die nun separierten Byteverfälschungen vollständig korrigieren.
 
 
  
==Gain Scaling und Tone Ordering== 
+
*The gain&nbsp; $g_i$&nbsp; is a fixed-point number with twelve bits.&nbsp; For example&nbsp; $g_i = 001.010000000$&nbsp; represents the decimal value&nbsp; $1 + 1/4 =1.25$.
  
Eine besonders vorteilhafte Eigenschaft von DMT ist die Möglichkeit, die Subkanäle (englisch: ''Bins'') individuell an die vorliegende Kanalcharakteristik anzupassen und eventuell ''Bins'' mit ungünstigem SNR ganz abzuschalten. Dabei wird wie folgt vorgegangen:
+
*This indicates that the signal power of channel&nbsp; $i$&nbsp; must be higher by&nbsp; $1.94 \ \rm dB$&nbsp; than the power of the test signal transmitted during the channel analysis.
*Vor dem Start der Übertragung – und eventuell auch dynamisch während des Betriebs – wird vom DMT–Modem für jeden ''Bin'' die Kanalcharakteristik gemessen und entsprechend dem SNR individuell die maximale Übertragungsrate festgelegt (siehe Grafik).
+
<br clear=all>
*Während der Initialisierung tauschen die ''ADSL Transceiver Units'' Bin–Informationen aus, zum Beispiel die jeweiligen „Bits/Bin” und die erforderliche Sendeleistung (''Gain''). Dabei sendet die ATU–C Informationen über den Upstream und die ATU–R Informationen über die Downstream.
+
When operating the fast path and the interleaved path simultaneously $($see&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Methods_to_Reduce_the_Bit_Error_Rate_in_DSL#Overview_of_DSL_error_correction_measures|"graphic"]]&nbsp; in the section&nbsp; "DSL error correction measures"$)$,&nbsp; the bit error rate can be further reduced by optimized carrier frequency allocation&nbsp; $($"Tone Ordering"$)$.&nbsp; The background of this measure is again&nbsp; "clipping"&nbsp; $($truncation of voltage peaks$)$,&nbsp; which worsens the overall SNR. This procedure is based on the following rules:
*Diese Mitteilung hat die Form $\{b_i, g_i\}$ wobei bi (4 Bit) die Größe der Konstellation angibt. Für den Upstream hat der Index die Werte $i$ = 1, ... , 31, für den Downstream $i$ = 1, ... , 255.
+
*Bins with dense constellation&nbsp; $($many bits/bin &nbsp; ⇒ &nbsp; larger clipping probability$)$&nbsp; are assigned to the interleaved branch,&nbsp; since this is per se more reliable due to the additional interleaver.&nbsp; Accordingly,&nbsp; the subchannels with low order allocation&nbsp; $($few bits/bin$)$&nbsp; are reserved for the fast data buffer.
*Der Gain $g_i$ ist eine Festkommazahl mit 12 Bit. Beispielsweise steht $g_i$ = 001.010000000 für den Dezimalwert 1.25 und gibt an, dass die Signalleistung von Kanal i um 1.94 dB höher sein muss als die Leistung des während der Kanalanalyse gesendeten Testsignals.
 
  
Beim gleichzeitigen Betrieb des Fast– und des Interleaved–Pfades (siehe Grafik auf Seite 4) kann durch eine optimierte Trägerfrequenzbelegung („Tone Ordering”) die Bitfehlerrate weiter gesenkt werden. Hintergrund dieser Maßnahme ist wieder das Clipping (Abschneiden von Spannungsspitzen), wodurch das SNR insgesamt verschlechtert wird. Dieses Verfahren beruht auf folgenden Regeln:
+
*New tables are then sent for upstream and downstream,&nbsp; in which the bins are no longer ordered by index,&nbsp; but according to the bits/bin ratios.&nbsp; Based on this new table,&nbsp; it is possible for the&nbsp; $\text{ATU-C}$&nbsp; or&nbsp; $\text{ATU-R}$&nbsp; to perform bit extraction successfully.
*''B''ins mit dichter Konstellation (viele Bits/Bin ⇒ größere Verfälschungswahrscheinlichkeit) werden dem Interleaved–Zweig, zugeordnet, da dieser durch den zusätzlichen Interleaver von Haus aus zuverlässiger ist. Entsprechend werden die Subkanäle mit niederwertiger Belegung (nur wenige Bits/Bin) für den Fast–Datenpuffer reserviert.
 
*Gesendet werden dann neue Tabellen für Upstream und Downstream, in denen die Bins nicht mehr nach dem Index geordnet sind, sondern entsprechend den Bits/Bin–Verhältnissen. Anhand dieser neuen Tabelle ist es für die ATU–C bzw. ATU–R möglich, die Bit–Extraktion erfolgreich durchzuführen
 
  
 
   
 
   
==Einfügen von Guard–Intervall und zyklischem Präfix ==
+
==Inserting guard interval and cyclic prefix ==
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In the chapter&nbsp; [[Modulation_Methods/Implementation_of_OFDM_Systems#Guard_interval_to_reduce_intersymbol_interference| "Realization of OFDM systems"]]&nbsp; of the book "Modulation Methods" it has already been shown that by inserting a guard interval. The bit error rate can be decisively improved in the presence of linear channel distortion.
  
Im Kapitel 5.6 des Buches [[Modulationsverfahren]] wurde bereits gezeigt, dass durch die Einfügung eines Schutzabstandes – man nennt diesen auch ''Guard–Intervall'' oder ''Guard–Lücke'' – die Bitfehlerrate bei Vorhandensein von linearen Kanalverzerrungen entscheidend verbessert werden kann.
+
We assume that the cable impulse response&nbsp; $h_{\rm K}(t)$&nbsp; extends over the time duration&nbsp; $T_{\rm K}$.&nbsp;  Ideally&nbsp; $h_{\rm K}(t) = δ(t)$&nbsp; and accordingly an infinitely short extension: &nbsp; $T_{\rm K} = 0$. For distorting channel&nbsp; $(T_{\rm K} > 0 )$&nbsp; holds:
 +
*By inserting a "guard interval"&nbsp; of duration&nbsp; $T_{\rm G}$&nbsp; "intersymbol interference"&nbsp; $\rm (ISI)$&nbsp; between each DSL frame can be avoided as long as&nbsp; $T_{\rm G}$ ≥ $T_{\rm K}$&nbsp; holds. However, this measure leads to a rate loss by a factor&nbsp; $T/(T + T_{\rm G})$&nbsp; with symbol duration&nbsp; $T = {1}/{f_0}$.
  
Wir gehen davon aus, dass sich die Kabelimpulsantwort $h_{\rm K}(t)$ über die Zeitdauer $T_{\rm K}$ erstreckt. Ideal wäre $h_{\rm K}(t) = δ(t)$ und dementsprechend $T_{\rm K}$ = 0. Bei verzerrendem Kanal ( $T_{\rm K}$ > 0 ) gilt:
+
*But with this,&nbsp; there is still "inter-carrier interference"&nbsp; $\rm (ICI)$&nbsp; between each subcarrier within the same frame,&nbsp; that is,&nbsp; the&nbsp; [[Modulation_Methods/General_Description_of_OFDM#System_consideration_in_the_frequency_domain_with_causal_basic_pulse|"DMT individual spectra"]]&nbsp; are no longer&nbsp; $\rm sinc$-shaped and de-orthogonalization occurs.
*Durch Einfügung eines ''Guard–Intervalls'' der Dauer  $T_{\rm G}$ lassen sich ''Intersymbolinterferenzen'' zwischen den einzelnen DSL–Rahmen vermeiden, solange  $T_{\rm G}$ ≥  $T_{\rm K}$ gilt. Diese Maßnahme führt allerdings zu einem Ratenverlust um den Faktor $T/(T +  T_{\rm G})$; hierbei ist $T = \frac{1}{f_0}$ die Symboldauer.
 
*Damit gibt es aber immer noch ''Inter–Carrier–Interferenzen'' zwischen den einzelnen Subträgern innerhalb des gleichen Rahmens, das heißt, die DMT–Einzelspektren sind nicht mehr si–förmig und es kommt zu einer De–Orthogonalisierung.
 
*Durch ein zyklisches Präfix lässt sich auch dieser störende Effekt vermeiden. Dabei erweitert man den Sendevektor $\mathbf{s}$ nach vorne um die letzten $L$ Abtastwerte des IDFT–Ausgangs, wobei der Minimalwert für $L$ durch die Dauer $T_{\rm K}$ der Kabelimpulsantwort vorgegeben ist.
 
  
Die Grafik zeigt diese Maßnahme beim DSL/DMT–Verfahren, für das der Parameter $L$ = 32 festgelegt wurde. Die Abtastwerte $s_{480} , ... , s_{511}$ werden als Präfix $(s_{–32} , ... , s_{–1})$ zum IDFT–Ausgangsvektor $(s_0 , ... , s_{511})$ hinzugefügt. Das Sendesignal $s(t)$ hat nun statt der Symboldauer $T$ ≈ 232 μs die resultierende Dauer $T$ + $T_{\rm G}$ = 1.0625T ≈ 246 μs. Dadurch wird die Rate um den Faktor 0.94 verringert.
+
*By a&nbsp; [[Modulation_Methods/Implementation_of_OFDM_Systems#Cyclic_Prefix|"cyclic prefix"]]&nbsp; this disturbing effect can also  be avoided.&nbsp; Here one extends the transmission vector&nbsp; $\mathbf{s}$&nbsp; forward by the last&nbsp; $L$&nbsp; samples&nbsp; of the IDFT output,&nbsp; where the minimum value for&nbsp; $L$&nbsp; is given by the duration&nbsp; $T_{\rm K}$&nbsp; of the cable impulse response.
Bei der empfangsseitigen Auswertung beschränkt man sich auf den Zeitbereich von 0 bis $T$. In diesem Zeitintervall ist der störende Einfluss der Impulsantwort bereits abgeklungen und die Subkanäle sind – ebenso wie bei idealem Kanal – zueinander orthogonal. Die Abtastwerte $s_{–32} , ... , s_{–1}$ werden am Empfänger verworfen – eine recht einfache Realisierung der Signalentzerrung.
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Die letzte Grafik dieses Kapitels zeigt das gesamte DMT–Übertragungssystem, allerdings ohne die auf den vorherigen Seiten beschriebenen Fehlerschutzmaßnahmen. Man erkennt:
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{{GraueBox|TEXT=
*Im Block „Addiere zyklisches Präfix” werden die Abtastwerte $s_{480}, ... , s_{511}$ als $s_{–32}, ... , s_{–1}$ hinzugefügt. Das Sendesignal $s(t)$ hat somit den auf der letzten Seite gezeigten Verlauf.
+
$\text{Example 6:}$&nbsp;
*Das Empfangsignal $r(t)$ ergibt sich aus der Faltung von $s(t)$ mit $h_{\rm K}(t)$. Nach A/D–Wandlung und Entfernen des zyklischen Präfix erhält man die Eingangswerte $r_0, ... , r_{511}$ für die DFT.
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[[File:P_ID1964__Bei_T_2_4_S10a_v1.png|right|frame|DMT transmission signal with cyclic prefix]]
*Die (komplexen) Ausgangswerte $D'_k$ der DFT hängen nur vom jeweiligen (komplexen) Datenwert $D_k$ ab. Unabhängig von anderen Daten $D_κ (κ ≠ k)$ gilt mit dem Rauschwert $n'_k$:
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The graphic shows this measure with the DSL/DMT method,&nbsp; for which the parameter&nbsp; $L = 32$&nbsp; has been set:
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*The samples&nbsp; $s_{480}$ , ... , $s_{511}$&nbsp; are added as prefix&nbsp; $(s_{-32}$ , ... , $s_{-1})$&nbsp; to the IDFT output vector&nbsp; $(s_0$ , ... , $s_{511})$.&nbsp;
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*The transmitted signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; has now the duration&nbsp; $T + T_{\rm G} = 1.0625 \cdot T ≈ 246 \ {\rm &micro; s}$&nbsp; instead of the symbol duration&nbsp; $T ≈ 232 \ {\rm &micro; s}$.&nbsp; This reduces the rate by a factor of&nbsp; $0.94$.
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*In the receiver-side evaluation, one is restricted to the time range from&nbsp; $0$&nbsp; to&nbsp; $T$. In this time interval the disturbing influence of the impulse response has already decayed and the subchannels are orthogonal to each other - just as with an ideal channel.
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*The sample values&nbsp; $s_{-32}$ , ... , $s_{-1}$&nbsp; are discarded at the receiver &ndash; a rather simple realization of signal equalization.}}
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The last diagram in this chapter shows the entire DMT transmission system,&nbsp; but without the&nbsp; [[Examples_of_Communication_Systems/Methods_to_Reduce_the_Bit_Error_Rate_in_DSL#Overview_of_DSL_error_correction_measures| "error protection measures"]]&nbsp; described earlier.&nbsp; You can see:
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[[File:EN_Bei_T_2_3_S9d_ganz_neuV35.png|right|frame|DMT&ndash;System with cyclic prefix]]
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*In the&nbsp; "Add cyclic prefix"&nbsp; block,&nbsp; the samples&nbsp; $s_{480}$, ... , $s_{511}$&nbsp; are added as&nbsp; $s_{-32}$, ... , $s_{-1}$.&nbsp; The transmitted signal&nbsp; $s(t)$&nbsp; thus has the course shown in&nbsp; $\text{Example 6}$.
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 +
*The received signal&nbsp; $r(t)$&nbsp; results from the convolution of&nbsp; $s(t)$&nbsp; with the channel impulse response&nbsp; $h_{\rm K}(t)$.&nbsp; After A/D conversion and removal of the cyclic prefix,&nbsp; the input values for the DFT are&nbsp; $r_0$, ... ,&nbsp;$ r_{511}$.
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*The&nbsp; $($complex$)$&nbsp; output values&nbsp; $D_k\hspace{0.01cm}'$&nbsp; of the DFT depend only on the particular&nbsp; $($complex$)$&nbsp; data value&nbsp; $D_k$.&nbsp;  Independently of other data&nbsp; $D_κ (κ ≠ k)$&nbsp; holds with the noise value&nbsp; $n_k\hspace{0.01cm}'$:
 +
 
 +
:$${D}_k\hspace{0.01cm}' = \alpha_k \cdot {D}_k + {n}_k\hspace{0.01cm}', \hspace{0.2cm}\alpha_k = H_{\rm K}( f = f_k)
 +
\hspace{0.05cm}. $$
 
   
 
   
*Jeder Träger $D_k$ wird durch einen eigenen (komplexen) Faktor $α_k$, der nur vom Kanal abhängt, in seiner Amplitude und Phase verändert. Der Frequenzbereichsentzerrer hat lediglich die Aufgabe, den Koeffizienten $D'_k$ mit dem inversen Wert $\frac{1}{α_k}$ zu multiplizieren, und man erhält schließlich:
+
*Each carrier&nbsp; $D_k$&nbsp; is modified in amplitude and phase by its own&nbsp; $($complex$)$&nbsp; factor&nbsp; $α_k$,&nbsp; which depends only on the channel.&nbsp; The frequency domain equalizer has only the task of multiplying the coefficient&nbsp; $D_k\hspace{0.01cm}'$&nbsp; by the inverse value&nbsp; ${1}/{α_k}$.&nbsp;  Finally,&nbsp; one obtains:
 
   
 
   
 +
:$$ D''_k = {D}_k + {n}_k \hspace{0.05cm}.$$
 +
  
Diese einfache Realisierungsmöglichkeit der vollständigen Entzerrung des stark verzerrenden Kabelfrequenzgangs war eines der entscheidenden Kriterien, dass sich bei xDSL das DMT–Verfahren gegenüber QAM und CAP durchgesetzt hat. Meist findet direkt nach der A/D–Wandlung zusätzlich noch eine Vorentzerrung im Zeitbereich statt, um auch die Intersymbolinterferenzen zwischen benachbarten Rahmen zu vermeiden.
+
 
 +
{{BlaueBox|TEXT=
 +
$\text{Conclusion:}$&nbsp;
 +
*This simple realization possibility of the complete equalization of the strongly distorting cable frequency response was one of the decisive criteria that for&nbsp; $\rm xDSL$&nbsp; the&nbsp; $\rm DMT$ method has prevailed over&nbsp; $\rm QAM$&nbsp; and&nbsp; $\rm CAP$.
 +
 +
*Mostly an additional time-domain pre-equalization  takes place directly after the A/D conversion to avoid also intersymbol interference between adjacent frames.}}
  
  
==Aufgaben zu Kapitel 2.4==   
+
==Exercises for the chapter==
[[2.5_DSL–Fehlersicherungsmaßnahmen|Aufgabe 2.5: DSL–Fehlersicherungsmaßnahmen ]]
+
<br>  
 +
[[Exercise_2.5:_DSL_Error_Protection|Exercise 2.5: DSL Error Protection]]
  
[[2.5Z_ADSL–Reichweite_vs._–Bitrate|Zusatzaufgabe 2.5Z: ADSL–Reichweite vs. –Bitrate]]
+
[[Exercise_2.5Z:_Reach_and_Bit_Rate_with_ADSL|Exercise 2.5Z: Reach and Bit Rate with ADSL]]
  
[[2.6_Zyklisches_Präfix|Aufgabe 2.6: Zyklisches Präfix]]
+
[[Exercise_2.6:_Cyclic_Prefix|Exercise 2.6: Cyclic Prefix]]
==Quellenverzeichnis==
+
==References==
 
<references />
 
<references />
  

Latest revision as of 16:31, 24 April 2023


Transmission properties of copper cables


As already mentioned in the chapter  "General Description of DSL" , the telephone line network of Deutsche Telekom mainly uses balanced copper pairs with a diameter of  $\text{0.4 mm}$.  The  "last mile"  is divided into three segments:

  • the main cable,
  • the branch cable,
  • the house connection cable.


On average,  the line length is less than four kilometers.  In cities,  the copper line is shorter than  $\text{2.8 km}$  in  $90\%$  of all cases.

Structure of the local loop area

The $\rm xDSL$ variants discussed here were developed specifically for use on such symmetrical balanced copper pairs in the cable network. In order to better understand the technical requirements for the xDSL systems, a closer look must be taken at the transmission characteristics and interference on the conductor pairs.

This topic has already been dealt with in detail in the fourth main chapter  "Properties of Electrical Lines"  of the book  "Linear and Time Invariant Systems"  and is therefore only briefly summarized here using the  "equivalent circuit diagram" :

  • Line transmission properties are fully characterized by the generally complex
  •   "characteristic impedance"  $Z_{\rm W}(f)$  and
  •   "complex propagation function per unit length"   ⇒   $γ(f)$.
  • The even  "attenuation function $($per unit length$)$"  $α(f)$  is the real part of  $γ(f)$  and describes the attenuation of the wave propagating along the line:
$$α(-f)=α(f) .$$
  • The odd imaginary part  $β(f)$  of  $γ(f)$  is called  "phase function  $($per unit length$)$"  and gives the phase rotation of the signal wave along the line:
$$β(-f)=-β(f) .$$

$\text{Example 1:}$  As an example,  we consider the function  $\alpha(f)$  shown on the right,  which is based on empirical investigations by  "Deutsche Telekom".

Attenuation function per unit length of balanced copper pairs

The curves were obtained by averaging over a large number of measured lines of one kilometer length in the frequency range up to  $\text{30 MHz}$.  One can see:

  1. The attenuation function  $($per unit length$)$   $α(f)$  increases approximately proportionally with the square root of the frequency and decreases with increasing conductor diameter  $d$.
  2. The attenuation function  $a(f)$  increases linearly with cable length  $l$:
$$a(f) = α(f) · l.$$



Note the difference between

  • $a(f)$   speak "a"   $($for the attenuation function$)$,
  • $\alpha(f)$   speak "a" $($for the attenuation function per unit length$)$.


For the line diameter  $\text{0.4 mm}$  was given in  [PW95][1]  an empirical approximation formula for the attenuation function per unit length:

$$\alpha(f) = \left [ 5.1 + 14.3 \cdot \left (\frac{f}{\rm 1\,MHz}\right )^{0.59} \right ] \frac{\rm dB}{\rm km} \hspace{0.05cm}.$$

Evaluating this equation,  the following exemplary values hold:

  • The attenuation function  $a(f)$  of a balanced copper wire of length  $l = 1 \ \rm km$  with diameter  $0.4 \ \rm mm$  is slightly more than  $60\ \rm dB$  for the signal frequency  $10\ \rm MHz$.
  • At twice the frequency  $(20 \ \rm MHz)$  the attenuation value increases to over  $90 \ \rm dB$.  It can be seen that the attenuation does not increase exactly with the root of the frequency,  as would be the case if the skin effect were considered alone,  since several other effects also contribute to the attenuation.
  • If the cable length is doubled to   $l = 2 \ \rm km$   the attenuation reaches a value of more than  $120 \ \rm dB$  $($at  $10 \ \rm MHz)$,  which corresponds to an amplitude attenuation factor smaller than  $10^{-6}$.
  • Due to the frequency dependence of   $α(f)$  and  $β(f)$:   »intersymbol interference«  $\rm (ISI)$  as well as  »intercarrier interference  $\rm (ICI)$  occur. 
  • Suitable equalization must therefore be provided for xDSL.


Note:

  1. In the  "Properties of balanced copper pairs"  chapter of the book  "Linear Time-Invariant Systems"  this topic is treated in detail.
  2. We refer here to the interactive applet  "Attenuation of copper cables".

Disturbances during transmission


Every transmission system is affected by disturbances,  which usually results primarily from thermal resistance noise.  In addition,  for a two-wire line there are:

  • »Reflections«:   The counter-propagating wave increases the attenuation of copper pairs,  which is taken into account in the  "operational attenuation"  of the line.  To prevent such reflection,  the terminating resistor  $Z_{\rm E}(f)$  would have to be chosen identical to the  $($complex and frequency-dependent$)$  characteristic impedance  $Z_{\rm W}(f)$.  This is difficult in practice.  Therefore,  the terminating resistors are chosen to be real and constant,  and the resulting reflections are combated by technical means  – if possible.
On the emergence of crosstalk
  • »Crosstalk«:   This is dominant interference in conducted transmission. 
    Crosstalk occurs when inductive and capacitive couplings between adjacent cores of a cable bundle cause mutual interference during signal transmission.
Crosstalk is divided into two types (see graphic):
  • Near-end Crosstalk  $\rm (NEXT)$:  The interfering transmitter and the interfered receiver are on the same side of the cable.
  • Far-end Crosstalk  $\rm (FEXT)$:  The interfering transmitter and the interfered receiver are on opposite sides of the cable.


Far-end crosstalk decreases sharply with increasing cable length due to attenuation,  so that near-end crosstalk is dominant even with DSL.


$\text{Conclusion:}$  To summarize:

  1. As frequency increases and spacing between line pairs decreases  – as within a star quad –  near-end crosstalk increases.  It is less critical if the conductors are in different basic bundles.
  2. Depending on the stranding technique used,  the shielding and the manufacturing accuracy of the cable,  this effect occurs to varying degrees.  The cable length,  on the other hand,  does not play a role in near-end crosstalk:   The own transmitter is not attenuated by the cable.
  3. Crosstalk can be significantly reduced by clever assignment,  for example by assigning different services to adjacent pairs,  using different frequency bands with as little overlap as possible.


Signal–to–noise ratio, range and transmission rate


To evaluate the quality of a transmission system,  the signal-to-noise ratio  $\rm (SNR)$  is usually used.  This is also a measure of the expected bit error rate  $\rm (BER)$.

  • Signal and noise in the same frequency band reduce the SNR and lead to a higher bit error rate or  – for a given bit error rate –  to a lower transmission bit rate.
  • The relationships between transmit power,  channel quality  $($cable attenuation and noise power$)$  and achievable transmission rate can be illustrated very well by Shannon's channel capacity formula:
$$C \left [ \frac{\rm bit}{\rm symbol} \right ] = \frac {1}{2} \cdot \log_2 \left ( 1 + \frac{P_{\rm E}}{P_{\rm N}} \right )= \frac {1}{2} \cdot \log_2 \left ( 1 + \frac{\alpha_{\rm K}^2 \cdot P_{\rm S}}{P_{\rm N}} \right ) \hspace{0.05cm}.$$

The  »channel capacity«  $C$  denotes the maximum transmission bit rate at which transmission is possible under ideal conditions  $($among others,  the best possible coding with infinite block length$)$   ⇒   »channel coding theorem». For more details,  see the fourth main chapter  "AWGN Channel Capacity for Continuous-Valued Input".

We assume that the bandwidth is fixed by the xDSL variant and that near-end crosstalk is the dominant interference.  Then the transmission rate can be improved by the following measures:

  1. For a given transmitted power  $P_{\rm S}$  and a given medium  $($e.g. balanced copper pairs with 0.4 mm diameter$)$,  the received power  $P_{\rm E}$  $($that can be used for demodulation$)$  is increased only by a shorter line length.
  2. One reduces the interference power  $P_{\rm N}$,  which for a given bandwidth  $B$  would be achieved by increased crosstalk attenuation,  which in turn also depends on the transmission method on the adjacent line pairs.
  3. Increasing the transmitted power  $P_{\rm S}$  would not be effective here,  since a larger transmitted power would at the same time have an unfavorable effect on the crosstalk.  This measure would only be successful for an AWGN channel  $($example:  coaxial cable$)$.


This listing shows that with xDSL there is a direct correlation between

  • line length,
  • transmission rate,  and
  • the transmission method used.


$\text{Example 2:}$  From this graph, which refers to measurements with  "$\rm 1-DA xDSL$"  methods and  $\text{0.4 mm}$  copper cables in test systems with realistic interference conditions,  one can clearly see these dependencies.

Range and total bit rate for ADSL and VDSL

The graph shows for some ADSL and VDSL variants

  • the range  $($maximum cable length$)$  $l_{\rm max}$  and
  • the total transmission rate  $R_{\rm total}$ 
  1. of upstream $($first indication$)$
  2. and downstream $($second indication$)$.


The total transmission rate for the systems considered is between  $2.2 \ \rm Mbit/s$  and  $53\ \rm Mbit/s$.

  • The trend of the measured values is shown in this graph as a solid  $($blue$)$  curve and can be formulated as a rough approximation as follows:
$$l_{\rm max}\,{\rm \big [in}\,\,{\rm km \big ] } = \frac {20}{4 + R_{\rm total}\,{\rm \big [in}\,\,{\rm Mbit/s \big ] } } \hspace{0.05cm}.$$
  • It can be seen that the range of all current systems  $($approximately between half a kilometer and three and a half kilometers of line length$)$  differs from this rule of thumb by a maximum of  $±25\%$  $($dashed curves$)$.


$\text{Example 3:}$  The diagram below shows the total data bit rates of  "ADSL2+"  and  "VDSL(2)"  as a function of line length,

Data bit rates vs. cable lengths for xDSL systems
  • with the  $($different$)$  red curves referring to the downstream
  • and the two blue curves to the upstream.


This is based on a worst-case interference scenario with the following boundary conditions:

  • Cable bundle with  $50$  copper pairs  $(0.4$  mm diameter$)$,  PE insulated,
  • target symbol error rate  $p_{\rm S}=10^{-7},\ 6 \ \text{dB}$  margin $($reserve SNR to reach target data rate$)$,
  • simultaneous operation of the following transmission methods:
  1.     $25$  times  "ADSL2+ over ISDN",
  2.     $14$  times ISDN,  four times  "SHDSL"  $(R= \text{1 Mbit/s)}$,
  3.     five times each  "SHDS"L  $(R= \text{2 Mbit/s)}$  and  "$(\text{VDSL2 band plan 998}$",
  4.     twice  "HDSL".


You can see from this diagram:

  • For short line lengths,  the achievable data rates for VDSL(2) are significantly higher than for ADSL2+.
  • From a line length of  $\approx 1800$  meters,  ADSL2+ is significantly better than VDSL(2).
  • This is due to the fact that VDSL(2) operates in the lower frequency bands with significantly lower power in order to interfere less with neighboring systems.
  • As the line length increases,  the higher frequency subchannels become unusable due to increasing attenuation,  which explains the crash in data rate.


Overview of DSL error correction measures


In order to reduce the BER of xDSL systems,  a number of techniques have been cleverly combined in the specifications to counteract the two most common causes of errors:

  • Transmission errors due to pulse and crosstalk interference on the line:  
    Especially at high data rates,  adjacent symbols in the QAM signal space are close together,  which significantly increases the bit error probability.
  • Cutting off of signal peaks due to lack of dynamic range of the transmitter amplifiers: 
    This  "clipping"  also corresponds to pulse noise and acts as an additional colored noise that noticeably degrades the SNR.


With the DMT method,  two paths are implemented for error correction in the signal processors.  The bit assignment to these paths is done by a multiplexer with sync control.

Complete DSL/DMT system
  • In the case of  »fast path«,  low waiting times  $($"latency"$)$  are used.
  • With  »interleaved path«,  low bit error rates are in the foreground.  Here the latency is higher due to the use of an interleaver.
  • "Dual latency"  means the simultaneous use of both paths.  The  "ADSL Transceiver Units"  must support dual latency at least in the downstream.


The remaining chapter sections discuss error protection procedures for both paths. 

For other modulation methods,  the error protection measures described here are the same in principle,  but different in detail.

  1. The transmission chain starts with the  "cyclic redundancy check"  $\rm (CRC)$,  which forms a checksum over an overframe that is evaluated at the receiver.
  2. Task of the scrambler is to convert long sequences of  "ones"  and  "zeros"  to produce more frequent signal changes.
  3. This is followed by the "forward error correction"  $\rm (FEC)$  to detect/correct byte errors at the receiving end.  Often used for xDSL:  Reed-Solomon and Trellis coding.
  4. Task of the  "interleaver"  is to distribute the received code words over a larger time range in order to distribute transmission errors over several code words.
  5. After passing through the individual bit protection procedures,  the data streams from fast and interleaved paths are combined and processed in  "tone ordering".
  6. In addition,  a guard interval and cyclic prefix are inserted in the DMT transmitter after the IDFT,  which is removed again in the DMT receiver.
  7. This represents a very simple realization of signal equalization in the frequency domain when the channel is distorted.


Cyclic redundancy check


The  "cyclic redundancy check"  $\rm (CRC)$  is a simple bit-level procedure to check the integrity of data during transmission or duplication.  The CRC principle has already been described in detail in the  "ISDN chapter".  Here follows a brief summary,  using the nomenclature used in the xDSL specifications:

  • For each data block  $D(x)$  with  $k$  bit  $(d_0$, ... , $d_{k-1})$,  a parity-check value  $C(x)$  with eight bits is formed prior to data transmission and appended to the original data sequence  $($the variable  $x$  denotes here the delay operator$)$.
  • $C(x)$  is obtained as the division remainder of the modulo-2 polynomial division of  $D(x)$  by the given parity-check polynomial  $G(x)$:
$$D(x) = d_0 \cdot x^{k-1} + d_1 \cdot x^{k-2} + ... + d_{k-2} \cdot x + d_{k-1}\hspace{0.05cm},$$
$$G(x) = x^8 + x^4 + x^3 + x^2 + 1 \hspace{0.05cm},$$
$$C(x) = D(x) \cdot x^8 \,\,{\rm mod }\,\, G(x) = c_0 \cdot x^7 + c_1 \cdot x^6 + \text{...} + c_6 \cdot x + c_7 \hspace{0.05cm}.$$
  • Another CRC value is formed at the receiver using the same procedure and compared with the transmitted CRC value.  If both are different,  at least one bit error happened during transmission.
  • By this way,  bit errors can be detected if they are not too much clustered.  In ADSL practice,  the CRC procedure is sufficient for bit error detection.


The graph shows an exemplary circuit for the CRC value generation with the generator polynomial  $G(x)$  specified for ADSL – realizable in hardware or software:

Cyclic Redundancy Check for ADSL
  1. The data block  $D(x)$  to be tested is introduced into the circuit from the left,  the output is fed back and exclusively-or-linked to the digits of the generator polynomial  $G(x)$.
  2. After passing through the entire data block,  the memory elements contain the CRC parity-check value  $C(x)$.
  3. It should be noted that with ADSL the data is split into so-called  "superframes"  of 68 frames each.
  4. Each frame contains data from the  "fast path"  and the  "interleaved path".  In addition,  management and synchronization bits are transmitted in specific frames.
  5. Eight CRC bits are formed per ADSL superframe and per path and are transmitted as  "fast byte"  resp.  "sync byte" as the first byte of frame  "$0$"  of the next superframe.


Scrambler and de–scrambler


Task of the scrambler is to convert long sequences of  "ones"  and  "zeros"  in such a way that frequent symbol changes occur.

  • A possible realization is a shift register circuit with feedback exclusive-or-linked branches.
  • In order to produce the original binary sequence at the receiver,  a mirror-image self-synchronizing  "de-scrambler"  must be used there.


The graph shows on the left an example of a scrambler actually used at DSL with  $23$  memory elements.  The corresponding de-scrambler is shown on the right.

Scrambler and de-scrambler in a DSL/DMT system
    $(1)$   scrambler's input        $(3)$   de-scrambler's input
    $(2)$   scrambler's output     $(4)$   de-scrambler's output

The transmitter-side shift register is loaded with an arbitrary initial value that has no further effect on the operation of the circuit. Here:

$$11001'10011'00110'01100'110.$$

If we denote

  • by  $e_n$  the bits of the binary input sequence,  and
  • by  $a_n$  the bits at the output, 


the following relation holds:

$$a_n = e_n \oplus a_{n- 18}\oplus a_{n- 23}\hspace{0.05cm}.$$

In the example,  the scrambler input sequence consists of  80  consecutive  "ones"  $($upper left gray background$)$,  which are shifted bit by bit into the scrambler.  The output bit sequence then has frequent  "one-zero"  changes,  as desired.

The de-scrambler  $($shown on the right$)$  can be started at any time with any starting value,  which means that no synchronization is required between the two circuits.  Here:

$$10111'011110'11101'11011'101.$$

The de-scrambler output data stream shows,

  • that the de-scrambler initially outputs some  $($up to a maximum of $23)$  erroneous bits,  but then
  • synchronizes automatically,  and then
  • recovers the original bit sequence  $($only  "ones"$)$  without errors.


Forward error correction


For  "forward error correction"  $\rm (FEC)$,  all xDSL variants use a  "Reed-Solomon-Code".  In some systems  "trellis code modulation"  $\rm (TCM)$  has been made mandatory as an additional error protection measure,  even though it has only been specified as  "optional"  by the international bodies.

Both methods are discussed in detail in the book  "Channel Coding".  Here follows a brief summary of Reed-Solomon coding with respect to its application to DSL:

  • With Reed-Solomon encoding,  redundancy bytes are generated for fixed agreed interpolation points of the payload polynomial.  With systematic Reed-Solomon encoding,  a parity-check value is calculated similar to the CRC procedure and appended to the data block to be protected.
  • However,  the data is no longer processed  "bit by bit",  but  "byte by byte".  Consequently,  arithmetic operations are no longer performed in the Galois field  $\rm GF( 2 )$  but in  $\rm GF(2^8)$.


The Reed-Solomon parity-check byte can also be determined as the division remainder of a polynomial division,  for xDSL with the following parameters:

  1. Number  $S$  of DMT symbols to be monitored per Reed-Solomon code word  $(S \ge 1$  for the fast buffer,  $S =2^0$, ... , $2^4$  for the interleaved buffer$)$,
  2. number  $K$  of user data bytes in the  $S$  DMT symbols,  defined as a polynomial  $B(x)$  of degree  $K$,  where the  "B"  indicates  "bytes",
  3. Number  $R$  of Reed-Solomon parity-check bytes  $($even number between  $2$  to  $16)$  per parity-check value  $($"fast"  or  "interleaved"$)$,
  4. sum  $N = K + R$  of the user data bytes and check bytes of the Reed-Solomon code word.


The specifics of Reed-Solomon encoding for xDSL are given here without further comment:

  • For xDSL,  the number  $R$  of check bytes must be an integer multiple of the number  $S$  of symbols so that they can be evenly distributed in the payload polynomial.
  • From the selected Reed-Solomon code for the DMT systems,  the constraint is a maximum code word length of  $2^8-1 = 255$  bytes corresponding to  $2040$  bits.
  • The redundancy of Reed-Solomon codes can generate a considerable amount of data if the parameters are unfavorable,  thus considerably reducing the net data rate.
  • It is recommended that the data amount  $($"gross data rate"$)$  be divided judiciously into useful data  $($"net data rate,  payload"$)$  and error protection data  $($"overhead"$)$.
  • Reed-Solomon coding achieves a  "high coding gain".  A system without coding would have to have a signal-to-noise ratio  $\rm (SNR)$  larger by  $3 \ \rm dB$  for same bit error rate.
  • By  "trellis-encoded modulation"  $\rm (TCM)$  in combination with other error protection measures,  the coding gain is highly variable; it ranges between  $0 \ \rm dB$  and  $6 \ \rm dB$.


Interleaving and de–interleaving


The common task of  "interleaver"  $($at the transmitter$)$  and  "de-interleaver"  $($at the receiver$)$  is

  • to spread the received Reed-Solomon code words over a larger time range
  • in order to distribute any transmission errors over several code words
  • and thus increase the chance of correct decoding.


xDSL interleaving is characterized by the parameter  $D$  $($"depth"$)$,  which can take values between  $2^0$  and  $2^9$ .

$\text{Example 4:}$  The graph illustrates the principle using the Reed-Solomon code words  $A$,  $B$,  $C$  with five bytes each and the interleaver depth  $D = 2$.

For DSL interleaving with  $D = 2$

Each byte  $B_i$  of the middle Reed-Solomon code word  $B$  is delayed by  $V_i = (D - 1) \cdot i$  bytes. 


Two interleaver blocks are formed:

  • The first block contains the bytes  $B_0$,  $B_1$  and  $B_2$  together with the bytes  $A_3$  and  $A_4$  of the previous code word.
  • The second block contains the bytes  $B_3$  and  $B_4$  along with the bytes  $C_0$,  $C_1$  and  $C_2$  of the following code word.


This  "scrambling"  has the following advantages  $($provided,  $D$  is sufficiently large$)$:

  1. The error correction capabilities of the Reed-Solomon code are improved.
  2. The user data rate remains the same,  i.e. is not reduced $($redundancy-free$)$.
  3. In the event of errors,  entire packets do not have to be repeated at the protocol level.


A disadvantage is that with increasing interleaver depth  $D$  there can be noticeable delay times  $($on the order of milliseconds$)$,  which causes major problems for real-time applications.  However,  interleaving with low depth is only useful if the signal-to-noise ratio is sufficiently high.

$\text{Example 5:}$  An example of the advantages of interleaver/de-interleaver in the presence of bundle errors is shown in the following graph:

DSL interleaving and de–interleaving with  $D = 3$
  • In the first row,  the transmitted byte sequence is shown according to Reed-Solomon encoding,  with each code word consisting of seven bytes as an example.
  • In the middle row,  the data bytes are shifted by interleaving with  $D = 3$  so that between  $C_i$  and  $C_{i+1}$  there are two foreign bytes and the green code word is distributed over three blocks.
  • Now suppose that during transmission a pulse glitch falsified three consecutive bytes in a single data block.
  • After the de-interleaver,  the original byte sequence of the Reed-Solomon code words is restored,  with the three falsified bytes distributed among three independent code words.
  • If two redundancy bytes were inserted in each case during the Reed-Solomon encoding,  the now separated byte falsifications can be completely corrected.



Gain scaling and tone ordering


A particularly advantageous feature of DMT is the possibility

  1. to adjust the bins individually to the existing channel characteristics and
  2. possibly to switch off "bins" with unfavorable SNR completely.


Bit-bin assignment based on SNR

The procedure is as follows:

  • Before starting the transmission  – and possibly also dynamically during operation –  the DMT modem measures the channel characteristics for each  "bin"  and sets the maximum transmission rate individually according to the SNR  $($see graphic$)$.
  • During initialization,  the  "ADSL Transceiver Units"  exchange bin information,  for example the respective  "bits/bin"  and the required transmission power  $($'"gain"$)$.
  • Thereby the  $\text{ATU-C}$  sends information about the upstream and the  $\text{ATU-R}$  sends information about the downstream.
  • This message is of the format  $\{b_i, g_i\}$  where  $b_i$  $($four bits$)$  indicates the constellation size.  For the upstream,  the index  $i = 1$, ... , $31$  and for the downstream  $i = 1$, ... , $255$.
  • The gain  $g_i$  is a fixed-point number with twelve bits.  For example  $g_i = 001.010000000$  represents the decimal value  $1 + 1/4 =1.25$.
  • This indicates that the signal power of channel  $i$  must be higher by  $1.94 \ \rm dB$  than the power of the test signal transmitted during the channel analysis.


When operating the fast path and the interleaved path simultaneously $($see  "graphic"  in the section  "DSL error correction measures"$)$,  the bit error rate can be further reduced by optimized carrier frequency allocation  $($"Tone Ordering"$)$.  The background of this measure is again  "clipping"  $($truncation of voltage peaks$)$,  which worsens the overall SNR. This procedure is based on the following rules:

  • Bins with dense constellation  $($many bits/bin   ⇒   larger clipping probability$)$  are assigned to the interleaved branch,  since this is per se more reliable due to the additional interleaver.  Accordingly,  the subchannels with low order allocation  $($few bits/bin$)$  are reserved for the fast data buffer.
  • New tables are then sent for upstream and downstream,  in which the bins are no longer ordered by index,  but according to the bits/bin ratios.  Based on this new table,  it is possible for the  $\text{ATU-C}$  or  $\text{ATU-R}$  to perform bit extraction successfully.


Inserting guard interval and cyclic prefix


In the chapter  "Realization of OFDM systems"  of the book "Modulation Methods" it has already been shown that by inserting a guard interval. The bit error rate can be decisively improved in the presence of linear channel distortion.

We assume that the cable impulse response  $h_{\rm K}(t)$  extends over the time duration  $T_{\rm K}$.  Ideally  $h_{\rm K}(t) = δ(t)$  and accordingly an infinitely short extension:   $T_{\rm K} = 0$. For distorting channel  $(T_{\rm K} > 0 )$  holds:

  • By inserting a "guard interval"  of duration  $T_{\rm G}$  "intersymbol interference"  $\rm (ISI)$  between each DSL frame can be avoided as long as  $T_{\rm G}$ ≥ $T_{\rm K}$  holds. However, this measure leads to a rate loss by a factor  $T/(T + T_{\rm G})$  with symbol duration  $T = {1}/{f_0}$.
  • But with this,  there is still "inter-carrier interference"  $\rm (ICI)$  between each subcarrier within the same frame,  that is,  the  "DMT individual spectra"  are no longer  $\rm sinc$-shaped and de-orthogonalization occurs.
  • By a  "cyclic prefix"  this disturbing effect can also be avoided.  Here one extends the transmission vector  $\mathbf{s}$  forward by the last  $L$  samples  of the IDFT output,  where the minimum value for  $L$  is given by the duration  $T_{\rm K}$  of the cable impulse response.


$\text{Example 6:}$ 

DMT transmission signal with cyclic prefix

The graphic shows this measure with the DSL/DMT method,  for which the parameter  $L = 32$  has been set:

  • The samples  $s_{480}$ , ... , $s_{511}$  are added as prefix  $(s_{-32}$ , ... , $s_{-1})$  to the IDFT output vector  $(s_0$ , ... , $s_{511})$. 
  • The transmitted signal  $s(t)$  has now the duration  $T + T_{\rm G} = 1.0625 \cdot T ≈ 246 \ {\rm µ s}$  instead of the symbol duration  $T ≈ 232 \ {\rm µ s}$.  This reduces the rate by a factor of  $0.94$.
  • In the receiver-side evaluation, one is restricted to the time range from  $0$  to  $T$. In this time interval the disturbing influence of the impulse response has already decayed and the subchannels are orthogonal to each other - just as with an ideal channel.
  • The sample values  $s_{-32}$ , ... , $s_{-1}$  are discarded at the receiver – a rather simple realization of signal equalization.


The last diagram in this chapter shows the entire DMT transmission system,  but without the  "error protection measures"  described earlier.  You can see:

DMT–System with cyclic prefix
  • In the  "Add cyclic prefix"  block,  the samples  $s_{480}$, ... , $s_{511}$  are added as  $s_{-32}$, ... , $s_{-1}$.  The transmitted signal  $s(t)$  thus has the course shown in  $\text{Example 6}$.
  • The received signal  $r(t)$  results from the convolution of  $s(t)$  with the channel impulse response  $h_{\rm K}(t)$.  After A/D conversion and removal of the cyclic prefix,  the input values for the DFT are  $r_0$, ... , $ r_{511}$.
  • The  $($complex$)$  output values  $D_k\hspace{0.01cm}'$  of the DFT depend only on the particular  $($complex$)$  data value  $D_k$.  Independently of other data  $D_κ (κ ≠ k)$  holds with the noise value  $n_k\hspace{0.01cm}'$:
$${D}_k\hspace{0.01cm}' = \alpha_k \cdot {D}_k + {n}_k\hspace{0.01cm}', \hspace{0.2cm}\alpha_k = H_{\rm K}( f = f_k) \hspace{0.05cm}. $$
  • Each carrier  $D_k$  is modified in amplitude and phase by its own  $($complex$)$  factor  $α_k$,  which depends only on the channel.  The frequency domain equalizer has only the task of multiplying the coefficient  $D_k\hspace{0.01cm}'$  by the inverse value  ${1}/{α_k}$.  Finally,  one obtains:
$$ D''_k = {D}_k + {n}_k \hspace{0.05cm}.$$


$\text{Conclusion:}$ 

  • This simple realization possibility of the complete equalization of the strongly distorting cable frequency response was one of the decisive criteria that for  $\rm xDSL$  the  $\rm DMT$ method has prevailed over  $\rm QAM$  and  $\rm CAP$.
  • Mostly an additional time-domain pre-equalization takes place directly after the A/D conversion to avoid also intersymbol interference between adjacent frames.


Exercises for the chapter


Exercise 2.5: DSL Error Protection

Exercise 2.5Z: Reach and Bit Rate with ADSL

Exercise 2.6: Cyclic Prefix

References

  1. Pollakowski, M.; Wellhausen, H.W.:  Properties of symmetrical local access cables in the frequency range up to 30 MHz.  Communication from the Research and Technology Center of Deutsche Telekom AG, Darmstadt, Verlag für Wissenschaft und Leben Georg Heidecker, 1995.