Taschenbuch der Fernmelde-Praxis 1988 3794904702

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_ taschenbuch der fernmelde-praxis. Heinz Pooch/A. Kaltenbach

1988

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breite. ren,

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und ausländischen öffentlichen Fernsprechnetze ebenso wie für private Telefonnetze, hier insbesondere für die Freileitungsnetze der Energieversorgungsunternehmen. Weitere, detaillierte Informationen zum Thema

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der

fernmelde-praxis 25. Jahrgang

1988

Herausgeber: Dipl.-Ing. Heinz Pooch Redaktion: Dipl.-Ing. (FH) Alfons Kaltenbach

©

Fachverlag Schiele & Schön GmbH Berlin

Verantwortlich für die Redaktion: Dipl.-Ing. Heinz Pooch Nieder-Ramstädter

Straße

186a,

6100

Darmstadt

und Dipl.-Ing. (FH) Alfons Kaltenbach, Ludwigstraße 133, 6109 Mühltal Für die sachliche Richtigkeit der Beiträge sind die namentlich genannten Autoren verantwortlich, die auch spezielle Fragen nach Möglichkeit beantworten. Mitarbeiter des „taschenbuch der fernmelde-praxis 1988“: Dr.-Ing. Benno Carolus, Angerberger Allee 49, 1000 Berlin 19 Dipl.-Ing. Helmut Feilhauer, August-Lämmle-Str. 17, 7068 Urbach Dipl.-Ing. (FH) Werner E. Freyhardt, Nansenstr. 31, 7150 Backnang Andreas Fritsche, Pödeldorfer Str. 219, 8600 Bamberg Dipl.-Ing. Friedhelm Hillebrand, Ramersdorfer Str. 13, 5300 Bonn 3 Dipl.-Ing. Emil Hölling, Im Streibelgrund 23, 7550 Rastadt 16 Dr.-Ing. Rudolf Keil, Pulverturmstr. 27a, 8000 München 45 Dr.-Ing. Jürgen Lauterjung, Birnauer Str. 11, 8000 München 40 Dipl.-Ing. Klaus Lenker, Zum Bühlwengert 10, 7150 Backnang Dipl.-Ing. Johann Nikl, Heinrichstr. 104, 6100 Darmstadt Gerd Ochel, Lichtenbergweg 11, 6103 Griesheim Dr.-Ing. Manfred Rocks, Müllerstr. 25A, 1000 Berlin 45 Dipl.-Ing. Erwin Schenk, Implerstr. 53A, 8000 München 70 Dipl.-Ing. Wolfgang Warm, Hauptstr. 7, 7159 Auenwald Dipl.-Ing. Werner Würtenberger, Bismarkstr. 16, 6111 Otzberg 1 Dipl.-Ing. Hans-Georg Zielinski, Hauptstr. 76, 7151 Burgstetten 2 Dipl.-Ing. Eberhard Zürcher, Dammweg 19, 6110 Dieburg Für diein diesem Buch enthaltenen Angaben wird keine Gewährhinsichtlich der Freiheit von gewerblichen Schutzrechten (Patente, Gebrauchsmuster, Warenzeichen) übernommen. Auch die in diesem Buch wiedergegebenen Gebrauchsnamen,

Handelsnamen

und

Warenbezeichnungen

dürfen

nicht

als

frei zur allgemeinen Benutzung im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung betrachtet werden. Die Verletzung dieser Rechte im Rahmen der geltenden Gesetze ist strafbar und verpflichtet zu Schadenersatz.

ISBN 3794904702 ISSN 0082-1764

© 1988 Fachverlag Schiele & Schön GmbH Markgrafenstraße 11, 1000 Berlin 61 Tel.-Sa.-Nr. 030/251 6029, Telex 181470 sunds d Druck: Kutschbach Druck, 1000 Berlin 47 Printed in Germany

Geleitwort Seit nunmehr 25 Jahren ist das taschenbuch der fernmeldepraxis ein bewährtes Kompendium in handlicher Form. Jeder Jahrgang bietet einen aktuellen Überblick über die neuesten Entwicklungen im Bereich der Telekommunikation sowie tiefergehende Information zu einem Schwerpunktthema. Für viele Kollegen wird das Taschenbuch durch diese Konzeption über den jeweiligen Jahrgang hinaus zu einem nützlichen Nachschlagewerk. In den zurückliegenden Jahren ist das taschenbuch der fernmelde-praxis zu einem festen Begriff im Bereich der Fachliteratur geworden. Es findet, insbesondere durch die auf gute Verständlichkeit gerichtete Abfassung der Beiträge, eine weite Verbreitung und dient so der Erweiterung des Wissenstandes auch über das eigene Fachgebiet hinaus. Dies ist nie wichtiger gewesen als bei der heutigen Entwicklungsgeschwindigkeit auf dem Gebiet der Telekommunikation. Das Jubiläum nehme ich zum Anlaß, der Redaktion, dem Verlag und den vielen Autoren, die mit qualifizierten Fachartikeln zur Qualität des Taschenbuches beitragen, meine Anerkennung für die geleistete Arbeit auszusprechen. Ich wünsche der fernmelde-praxis und ihrem Taschenbuch auch für die Zukunft guten Erfolg und viele Leser. Darmstadt,

im Oktober 1987

Ronald Dingeldey

Präsident des Fernmeldetechnischen

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Vorwort zum 25. Jahrgang Dem Vorwort zum Jubiläums-Jahrgang stellen wir den Dank an alle Autoren voran, die an diesen 25 Jahrgängen mitge-

arbeitet haben. Wir hatten das Glück, immer Mitarbeiter aus dem Bereich der DBP und der Industrie zu finden, deren fach-

liche Qualifikation auch stets hervorragende Beiträge garantierte und die diese Arbeit unter dem Zeitdruck eines aktuellen Jahrbuches gern auf sich genommen haben. Als Schwerpunktsthema haben wir die Glasfaser-Übertragungstechnik gewählt, wobei wir den Grundlagen, den Bauelementen,

der Meßtechnik

und

der Spleiß-

technik einen breiten Raum gewidmet haben.

und

Montage-

Neun weitere Themen berichten über den aktuellen Stand auf verschiedenen Fachgebieten der Fernmeldetechnik, und wir hoffen, viele Benutzer dieses Buches damit anzusprechen. Wir danken dem Verlag und der Druckerei für die gute Zusammenarbeit und die einwandfreie und pünktliche Herstellung dieses Buches. Darmstadt,

November

1987

Heinz Pooch und Alfons Kaltenbach

Inhaltsverzeichnis

Grundlegende Betrachtungen von GlasfaserÜbertragungssystemen (Manfred. Rocks) «. «aus ss u s nn aan sum ı Einleitung .........ceo2ceeeeeeeee Das Glasfaserübertragungssystem ......... Die Glasfaser ........222 222 cceeeeeeen Halbleiter-Strahlungsquellen .............. Strahlungsempfänger ..........22222222.. Glasfasergebundene Übertragungssysteme . Sende- und Empfangskomponenten optische Nachrichtentechnik

(Rudolf Keilf)

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Einleitung: x. : 0 00:00 1: ns 5m same Sendekomponenten ......222 2 ces

Luminiszenzdioden, LED-Module ......... Laserdioden, Lasermodule ................

Empfangskomponenten ........cece22.2... Photodioden, Empfangsmodule ............. Systemeinsatz und Ausblick .............. Prinzipien und Anwendungsbeispiele

Optischen Meßtechnik (W. E. Freyhardt, K. Lekner, W. Warm)

der

....

Einleitung .........c2ecccoeeeeeeeeeene LWL-Parameter ...........22ccceeeccce Anregungsbedingungen ........ccccccccc Dämpfungsmessung ........2222cc2 seen. Bandbreitemessung ............cccccccc Ausblick ..... 2.2.2222 ceeeeeeeeeeeeeee een 4

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Spleiß- und Montagetechnik bei LWL-Kabeln und -Fasern (Helmut Feilhauer, Hans-Gerd Zielinski) ... 114-151 Verlustmechanismen bei Spleißen ......... Spleißverfahren ........22222222c seen. Herstellung einer Glasfaserkabel-Verbindung Unterschiede zwischen Einmoden- und Mehrmoden-Spleißtechnik ...............Kontrolle der Faserjustage bei EinmodenVerbindungen .........2222cecceeeeee en Verbindung von Einmodenfasern mit Hilfe des ANT-Spleißgerätes OIS-E1 ........... Vergleich der Spleißverfahren ............. Untersuchung von Spleißgeräten für Einmoden-Fasern (Emil Hölling) ............:2222ceeeces Einleitung: ; : ua ss sus m as ss u crsms ses Anforderungskriterien .........222222222.. Mußziele :: zz su: = = sin 3 2 00 2 000 ss mn 8s us as Wunschziele ; 5:4 2 125: #0 4:3. 0@ 52805: @0s 28 0 Vorgehensweise zur Bewertung von EM-Spleißgeräten ..........22222222222 0. Entscheidungsanalyse ..........2...22...: Der digitale Fernsprechapparat im ISDN (Benno Carolus) .......222ceeeeeeeeeeeen Einleitung: : x ara x = a0 &3 a0 a 0 u 0m as mn s sam sa Dienstmerkmale des ISDNFernsprechdienstes .«: su.:: usw ss 0@ 5: « Benutzerführung im ISDNFernsprechdienst ..........222ccccec ce Technische Aspekte der ISDN-FernsprechApparate

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Das Softwarekonzept ........2ceeseccccc Das Hardwarekonzept ..........222222200. Zusammenfassung und Ausblick ...........

115 122 129 135 138 142 146

152-178 152 153 153 156 167 175

179-197 179 180 183 184 185 191 195

CEPT-Standard für Europäische Mobilkommunikationsdienste (Friedhelm Hillebrand) ................... Einleitung .........22.2220eeeeeeeeeennnnn Ziele für Europäische Mobilkommunikationsdienste .........22cueereeneeennenn Ergebnisse der CEPT/GSM-Arbeit zu Telediensten ........:.22u2ceseeeeneennn Ergebnisse der CEPT/GSM-Arbeit zu Trägerdiensten ........2 222222 ceeeeeeeneen Dienstgüte ..........222cseeeeeeeerennnen Schutz des Fernmeldegeheimnisses und Schutz vor Abhören des Funkweges ........ Standardisierung der Mobilstationen ...... Regelung für den Zugang zu den Diensten ..

Die Aufbereitungseinheiten

207 209 217 222 224 225 229

AbETV(M)

zur Einspeisung von weiteren Fernsehprogrammen in BK-Netze (Jürgen Lauterjung) ..........22222222200: Einleitung ..........222cucceeeeereenen Systemkonzept einer AbETV(M) .......... Qualitätsparameter und Meßtechnik .......

Ausblick

198-232 199

......2222222eseeeeeeeeeenenneen

233-255 233 235 239 254

D2-MAC/Paket, eine Fernsehnorm für die Rundfunkanstalten

(Teil 2)

(Johann .Nikl) : «2:30: 0: ua 45a 5 0 u 0 Spezifikation der Tonkanal- und Datenübertragung : zu :: ==: 23m: ::@::6 ms: Die Toncodierung ..........:222cceess 22: Fernsehtextübertragung .................. Der Informationskanal ....!.............. Bedingter Zugriff : zum sum sesum sowas ımese Übertragungsform des D2-MAC-Signals .... Einführungsstrategie ..........222222220.: 8

256-288 259 266 271 274 277 279 281

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.........2c22ecseccccc..

312-340

Einleitung .........2222222200.. Te Betrachtungen zur Leitungstheorie ........ Die Hardware und deren Einsatzgebiete .... Beschreibung des Programmsystems (Software) ....2222coeeeeeeeeeeeene nenn Die Software im praktischen Einsatz ........ Resümee und Zukunftsperspektiven .......

318 327 338

Asynchron-Synchron-Umsetzung bei der Signalübertragung bis 19,2 kbit/s (Erwin Schenk) .........22222ceeeeeeeeenn

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Einführung : x as s : 3 aus #4 a0 2 u 00 ss mus os una sa Umsetzverfahren, Normung ............... Bausteinauswahl . : a x + aa # # a0 ss 00 ss ms ass Entwicklungsablauf des kundenspezifischen Bausteins: «3 x sus # 5 u & # wma a 0 un a a san a a awaen Schlußbetrachtung - Einsatz des Bausteins . Technik der Telebox (Werner Würtenberger)

..........2.2222..:

Das Modul für Mitteilungs-ÜbermittlungsSysteme

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Technischer Aufbau des TELEBOX-Systems Architektur-Merkmale der PRIME-Rechner Betriebssystem PRIMOS ................. Anwender-Software von DIALCOM ........ Weitere Leistungsmerkmale des TELEBOXSystems 2: 0 52 003 20 0 san te rn nam sen Gebührendateien : : su 1 wu 55 uw 2: au sa sun Datensicherungen :: u #3 « un. 3 02 2 00 4 = Weiterentwicklung von TELEBOX ........

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Das DV-Entwicklungssystem (DVE) der Datenverarbeitung im Fernmeldewesen (DV F) für die Entwicklung und Pflege von DV-Projekten

(Eberhard Zürcher) : u 2: 44 2: uw 0: su 5 vs

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Einleitung .........2.22ceeeeeeeeneeennen Stand der DVE-Entwicklung .............. Merkmale des DVE ...........ccccc...... DVE-Gesamtkonzept ..........222ccc2 220: Methodische und werkzeugseitige Einbettung der Basistools inDVE ............ DVE-Benutzeroberfläche ................Wie werden die DVE-Basistools vorgehensmäßig und methodisch eingesetzt? ........

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431

461

Glasfaserübertragung

Grundlegende Betrachtung von

Glasfaser-Übertragungssystemen Von Manfred Rocks 1

Einleitung

In der optischen Nachrichtenübertragung werden Trägerfrequenzen verwendet, die im nahen infraroten Bereich des Spektrums der elektromagnetischen Wellen liegen. Die bevorzugten Trägerfrequenzwerte reichen von 375 THz (0,8 um) bis 187,5 THz (1,6 um), denn in diesem Bereich ist das Übertragungsmedium Glasfaser aus dem Grundstoff Kieselglas hinreichend transparent; des weiteren sind die Halbleitersendeelemente Laser und Lumineszensdiode entwickelt worden, die bei Raumtemperatur Strahlung mit Frequenzen aus dem genannten Frequenzbereich emittieren. Die Bewegung des Lichts in einer Glasfaser läßt sich mit Hilfe der Maxwellschen Gleichungen des elektromagnetischen Feldes beschreiben. Da als Lösungen dieser Gleichungen Wellen auftreten, wird bei der optischen Nachrichtenübertragung der Wellencharakter des Lichtes, wie er von Huygens (1629 — 1695) schon vermutet worden ist, vordergründig sein. Dagegen sind die Vorgänge bei der Erzeugung des Lichtes in 0.8. Sendeelementen und bei der Detektion, beispielsweise in einer Halbleiter-Photodiode,

nur

dann

plausibel,

wenn

das

Licht als Teilchen (Photon), wie schon von Newton (1643— 1727), angesehen wird. Somit sind die Grundlagen der optischen Nachrichtentechnik rein physikalischer Natur. In diesem Beitrag werden diese jedoch meist als gegeben vorausgesetzt und nur dann kurz gestreift, wenn das Verständnis es 13

Entwicklungstendenzen erfordert. Der Schwerpunkt wird hier auf die grundlegenden nachrichtentechnischen Aspekte von optischen Übertragungssystemen und deren Komponenten gelegt.

2 Das Glasfaser-Übertragungssystem Die Betrachtungen beschränken sich auf glasfasergebundene Digitalübertragungssysteme. Obwohl auch viele Anwendungen für glasfasergebundene Analogübertragungssysteme existieren, wird auf diese aus Gründen der Übersichtlichkeit bei

der Systembeschreibung nicht eingegangen.

Bild la zeigt die Prinzipdarstellung einer jeden einfachen Digital-Glasfaserübertragungsstrecke, Bild 1b die eines kaskadierten Übertragungsweges zum Zwecke der Vergrößerung der Verstärkerfeldlänge. Nach Bild 1a besteht ein solches System aus drei Komponenten — dem Sender, der Glasfaser und dem Empfänger. Der wesentliche Unterschied zur herkömmlichen leitergebundenen Übertragungstechnik besteht nur darin, daß die Übertragung mit Frequenzen aus dem Bereich des nichtsichtbaren Lichtes vorgenommen wird. Der eingangsseitige Datenstrom

Glasfaser nun Eingang m 2

Digitalsignal

a)

————

b)

Sender

‚Sender

O0

Empfänger|

" Empfänger

Sender

Ausgang E

Empfänger

m

Wiederholverstärker

Bild 1: Blockschaltbild optischer Übertragungsysteme a) einfache Verbindung b) Verstärkerfeldkette

14

nn

Digitalsignal

Glasfaserübertragung moduliert einen optischen Sender mit elektrischen Digitalsignalen, an dessen Ausgang typischerweise wieder Digitalsignale, allerdings in optischer Form, erscheinen. In der einfachsten Form der modernen optischen Nachrichtentechnik wird auf diese Weise dann das Trägerfrequenzrauschen ein/ ausgeschaltet (moduliert), wenn das Senderemissionsfrequenzband mehrere hundert Gigahertz breit ist, wie es beibilligen Halbleiterlaserdioden oder -lumineszenzdioden der Fall ist. Dann ist die Modulationsbandbreite schmal gegenüber - der Trägerbandbreite, aber es ist bei Verwendung hochwertiger Sendebauelemente auch der andere Fall denkbar, daß die Trägerfrequenzbandbreite schmal gegenüber der Modulationsbandbreite ist. Es läßt sich dann ein optisches Übertragungssystem mit optischem Überlagerungsempfang realisieren [1]. Nachdem das modulierte Signal in die Glasfaser eingekoppelt worden ist, läuft es über einige zehn Kilometer Faser

bis zum

Empfänger,

wo

es detektiert,

verstärkt

und

demoduliert wird. Wenn die verstärkerlos zu überbrückende Entfernung für ein Übertragungsproblem nicht ausreicht, dient das eben beschriebene Übertragungssystem als Teil einer Verstärkerfeldkette (Bild 1b), bei dem das Digitalsignal injedem Empfänger eine vollständige Zeit- und Amplitudenregeneration erfährt und dann dernächstfolgenden optischen Übertragungsstrecke zugeführt wird. Eine an einem Ort befindliche Einheit aus optischem Empfänger und Sender wird Wiederholverstärker (Repeater) genannt. Ein übertragungstechnisches Maß zur Gütebestimmung von Digitalübertragungssystemen ist die Bit-Fehlerhäufigkeit (BFH). Sie gestattet es, Aussagen über die Wahrscheinlichkeit von fehlerhaft detektierten Zeichen zu erlangen. Die maximal zulässige BFH hängt wesentlich vom System und von der zu übertragenden Information ab; für viele Zwecke reicht 10exp(-10) pro Regeneratorfeld als obere Grenze für die BFH aus.

15

Entwicklungstendenzen 3

Die Glasfaser

Durchläuft ein optisches Signal gedämpft und zeitlich verzerrt. 3.1

eine

Glasfaser,

wird

es

Faserdämpfung

Jede Glasfaser zeigt einen nicht konstanten Verlauf des Dämpfungskoeffizienten über der optischen Frequenz (Bild 2); ebenfalls

sind

drei

’Fenster’

existent,

innerhalb

derer

optische Nachrichtenübertragung durchgeführt wird. Immer vorhanden ist die Dämpfung infolge Lichtstreuung an mikroskopisch kleinen Inhomogenitäten (Rayleigh-Streuung), die das Faserdämpfungsmaß bestimmt. Sie verläuft porportional zuA *(A::optische Wellenlänge) und ist deshalb insbesondere im kurzwelligen Bereich wirksam. Dem beschriebenen Streueffekt überlagert sich ein Dämpfungsanteil infolge von Absorptionsverlusten durch Verunreinigungen des Glasfaserbasismaterials, z.B. durch Wasser (OH-Absorption). Der letztere Anteil überwiegt insbesondere im langwelligen Bereich den Rayleigh-Streuungsanteil. An bestimmten Stellen des Spektrums treten dann starke Absorptionsverluste infolge Molekülschwingungen auf. Während die Spitze bei l,4umvon parasitären OH-Ionen herrührt, kommt der steile Anstieg ab 1,7 um Wellenlänge durch Eigenschwingungen der Atome in den SiOsa-Molekül-Verbänden zustande [2]. RayleighStreuung und Absorptionsverluste bestimmen gemeinsam die Lage des absoluten Dämpfungsminimums jeder Faser, meist liegt es zwischen 187,5 THz (1,6 um) und 200 THz (1,5 um); als Bestwert wurde bisher 0,2 dB/km gemessen. 3.1.1 Verstärkerfeldlängenbegrenzung durch Dämpfungseffekte Der Leistungspegel in einer Entfernung von L Kilometern vom Sender beträgt

Pr=Ps-e()-L, 16

(6)

Glasfaserübertragung

375

10 dB/km|

\

gt

\

Fa

ER

5&

'

\

Si“

a

1875

Frequenz THz 1665

n |

NN

! |

ıl '

N

Royleigh-

En

*

214,28

Glasfaser

u

5 :9

250

\

|

&

300

\

ı

1.Fenster £ —-

' N I \

Ti

2. Fenster —ı 2

1

0 06 sichtbar ——] =

08

LE

10

2

12

infrarot

dl

REN CH

14

LA ı

3 Fenster

IR

en 16

18

Wellenlänge um

Bild 2: Spektraler Verlauf des Dämpfungskoeffizienten einer Glasfaser

wenn der absolute Leistungspegel P, dBm in die Faser eingekoppelt worden ist und der Faserdämpfungskoeffizient « (A) dB/km beträgt. Anhand dieser einfachen Gleichung und Bild 2 wird klar, daß die größten Entfernungen mit Trägerfrequenzen zwischen 187,5 THz (1,6 um) und 200 THz (1,5 um) überbrückbar

sein werden.

Genau diese Tatsache war der Motor für die heute beobachtbare Tendenz, zunehmend Systeme für das 2. und 3. Fenster zu entwickeln. Angestrebt werden für Weitverkehrsstrecken Verstärkerfeldlängen von 50 km und mehr. Beispielsweise werden mit 140-Mbit/s-Systemen des Projektes ’Berlin IV’ der Deutschen Bundespost (DBP) 36 km bis 72 km verstärkerlosüberbrückt [3]. Da der minimal notwendige Wert Pe min für Pg durch systembedingte Gegebenheiten (BFH, Bitrate, 17

Entwicklungstendenzen Vorverstärkerbandbreite,

Rauschanteile

u.a.) festgelegt ist,

der Wert für P, durch den Sendertyp bestimmt ist und « (A) durch die Faser gegeben ist, läßt sich durch Auflösung der Gleichung (1) nach L die maximal mögliche dämpfungsbegrenzte Verstärkerfeldlänge 1dee berechnen:

LES = (Pg — Ppmin)/& (A). 3.2

(2)

Faserbedingte Impulsdispersion

Wenn die Übertragungsrate ansteigt, verkürzt sich die Zeit pro Einzelschritt (Bit), dann tragen aber dispersive Effekte der Glasfaser wesentlich dazu bei, daß sich die einzelnen Bits

überlappen, daß also Intersymbolstörungen entstehen, was wiederum zum Ansteigen der BFH führt. Wenn der Sender mit sinusförmigen Signalen gemäß Bild 3 getastet wird, erscheint das höherfrequente Signal mit einer geringeren Amplitude als das tieferfrequente Signal (die ebenfalls auftretende Phasenverschiebung bleibt hier unberücksichtigt). Das bedeutet, daß sich die Glasfaser basisbandmäßig als Tiefpaß verhält, und somit die zu übertragenden Digitalsignale zeitlich verzerrt werden. Dieser Tiefpaßcharakter (erkennbar im Basisband) wird durch im optischen Bereich definierte unterschiedliche Dispersionsarten hervorgerufen. Dabei versteht man in der physikalischen Terminologie unter Dispersion die Abhängigkeit der Phasengeschwindigkeit und damit der Laufzeit einer Welle von der optischen Frequenz. Hier lassen sich folgende Dispersionsarten unterscheiden: — — — — — 18

Modendispersion, Materialdispersion, Wellenleiterdispersion, Profildispersion, Polarisationsdispersion.

Glasfaserübertragung pit)

Sendesignal

Glasfaser

pit)

|

t

Empfangssignal

Bild 3: Dämpfung unterschiedlicher Basisbandfrequenzen, die eine Glasfaser durchlaufen (qualitative Darstellung); p(t): zeitlicher Verlauf der Lichtleistung

Die Erläuterung dieser Begriffe erfordert grundlegende Kenntnisse über die Lichtausbreitung in Glasfasern, die im folgenden kurz angegeben werden. Mit Hilfe der geometrischen Optik läßt sich die Fortpflanzung eines Lichtstrahles in einer Glasfaser durch den Effekt der Totalreflexion am optisch dünneren Medium beschreiben (daß diese Beschreibungsart die tatsächlichen Verhältnisse nur näherungsweise wiedergibt, seinur am Rande erwähnt). 19

Entwicklungstendenzen nir)

Easer Bild 4:

Faserquerschnitt

und

Brechzahlprofil

möglicher

Verlauf eines

Brechzahlprofils

über dem Abstand r vom Kernzentrum; a: Kernradius

n(r)

Demnach besteht eine Glasfaser aus einem Kern mit dem Brechungsindex nı und einem Mantel mit dem Brechungsindex nz (Bild 4). Alle

Strahlen,

die

höchstens

unter

einem

Winkel

OS arc cos(n>/nı) zur Kernachse verlaufen, werden im Kern geführt. Der Sinus des maximalen Einstrahlungswinkels ©, unter dem noch Lichtausbreitung im Kern möglich ist, heißt Numerische Apertur (An). Sie ist dann vom Radius r abhängig, wenn auch n, von r abhängig ist:

Bsk)= sin Br

I

(3)

Ordnet man jedem Strahl eine Mode im Sinne der Lösung der Wellengleichung aus der Maxwellschen Theorie [4] zu, kann man die Fasern nach der Anzahl der in ihr ausbreitungsfähigen Moden in Mehrmodenfasern (MMF) und Einmodenfasern (EMF) klassifizieren. Während in der MMF, abhängig von der optischen Frequenz, des Kernradius und der numerischen Apertur, mehrere

Moden 20

hundert, ja manchmal über tausend

ausbreitungsfähig

sind, transportiert die EMF

nur

Glasfaserübertragung

b1)

a)

Leu /

Meridionalstrahlen

Kaustik

innere |

Kaustik

äußere

schräge

Strahlen

Bild 5: Ausbreitung unterschiedlicher Strahlenarten in einer Glasfaser a) Meridionalstrahlen b) schräge Strahlen b1) Brechzahlprofil im Kern ist konstant b2) Brechzahlprofil im Kern ist nicht konstant

eine Mode, die orthogonal zueinander liegende Polarisationsrichtungen annehmen kann (deshalb sind eigentlich zwei Moden ausbreitungsfähig). Da sich in einer Mehrmodenfaser unterschiedliche Moden unter unterschiedlichen Winkeln in Faserlängsschnittebenen durch die Kernmittelachse (Meridionalstrahlen) oder im Faserkernvolumen, begrenzt durch eine innere und eine äußere Kaustik (schräge Strahlen) ausbreiten können, Bild 5, sind deren Wege und damitauch deren Phasenlaufzeiten durch die Glasfaser unterschiedlich lang. Diesen Effekt nennt man Modendispersion. Da in der Praxis die EMF den orthogonal polarisierten Wellen unterschiedliche Ausbreitungsbedingungen bietet und somit wie21

Entwicklungstendenzen derum unterschiedlich lange Phasenlaufzeiten herrschen, spricht man bei der EMF nicht von Modendispersion, sondern von Polarisationsdispersion. Diese und auch die anderen Dispersionsarten führen am Detektionsort zu einer zeitlichen Verlängerung des in die Faser eingekoppelten Basisbandsignals. Da der Brechungsindex n des Glases frequenz(wellenlängen)abhängig ist, liegt Materialdispersion vor. Jede in die Faser eingekoppelte optische Frequenz f, findet ein anderesn=n(f,) vor. Infolgedessen wird sich das Basisbandsignal innerhalb jeder Mode beim Durchlauf durch die Faser verlängern, wenn die Quelle optisch breitbandig ist. Mit Wellenleiterdispersion bezeichnet man den Effekt, der durch unterschiedliche Laufzeiten zwischen Lichtanteilen verschiedener optischer Frequenzen in der gleichen Mode durch Fasergeometrie und Profil verursacht wird. Dieser Effekt ist bei Mehrmodenfasern vernächlässigbar, spielt aber bei Einmodenfasern eine wichtige Rolle. Die übertragungstechnischen Eigenschaften der Glasfaser werden unter anderem vom Profilverlaufin Kern und Mantel sowie von der Gleichförmigkeit des Profils bestimmt (Bild 6). Da die Profilfunktion n(r) in Kern und Mantel auch von der optischen Frequenz (Wellenlänge)

abhängig

ist (n(r, f,)), ist darin

eine

weitere

Dispersionsart, die Profildispersion begründet, denn die Frequenzabhängigkeit ist bei unterschiedlichen Brechzahlen geringfügig verschieden. Bild 6a zeigt den Profilverlauf einer MMF mit nahezu parabolischem Gradientenindexprofil. Diese Profilform führt zu einem Laufzeitausgleich zwischen den Moden, so daß die Modendispersion minimal wird. Infolge der Auswirkungen der Material- und Wellenleiterdispersion (chromatische Dispersion), die für Frequenzen um 230 THz (1,3 um) minimiert werden können, kann die Basisbandbreite einer Faser zunächst nur für einen schmalen optischen Frequenzbereich sehr groß werden. Für gute Gradientenfasern sind Bandbreiten bis zu 5 GHz km bei f=230 THz 22

Glasfaserübertragung

a)

n

b)

n

Kern LT

Kern rap

|

Mantel

r c)

n || „em

ai

T g)

n

Mantel

F-r

Kern

|

DI

|

[If

|

Mantel II

r

Bild 6: Brechzahlprofile n(r) a) ) Mehrmodenfaser mit Gradientenprofil b) Einmodenfaser mit Stufenprofil c) Einmodenfaser mit abgesenktem Mantel d) Einmodenfaser mit Quadrupelprofil im Mantel

(1,3 um) möglich [5]. Da gemäß Bild 2 dämpfungskoeffizient mit etwa 0,4 dB/km kann, ist dieser optische Frequenzbereich Basisbandsignalübertragung besonders gut

auch der Fasersehr gering sein für breitbandige geeignet.

Wegen des Nichtauftretens der Modendispersion und des relativ geringen Beitrages der Polarisationsdispersion, lassen sich mit Einmodenfasern wesentlich höhere Übertragungsbandbreiten (bis zu 71 GHz km nm) als mit Mehrmodenfasern erreichen [6]. Daaber Einmodenfasern erst unterhalb der sog. ’cut-off-Frequenz’ (oberhalb der ’cut-off-Wellenlänge’), die bei handelsüblichen Fasern bei etwa 250 THz (1,2 um) liegt, einmodig sind (für höhere optische Frequenzen sind sie mehrmodig), müssen solche Fasern im zweiten oder dritten Fenster betrieben werden. Bei der Einmodenfaser ist neben 23

Entwicklungstendenzen Kern- und Manteldurchmesser auch der sog. Felddurchmesser, ein Maß für die über den eigentlichen lichtführenden Bereich hinausreichende Feldverteilung der Faser, von Bedeutung. Der Felddurchmesser hängt u. a. vom Kerndurchmesser,

von

der

Brechzahldifferenz

und

von

der

cut-off-

Frequenz ab; er erstreckt sich für die Grundmode bis zu 30 % in den Mantelbereich hinein, deshalb muß auch der unmittelbar an den Kern angrenzende Mantelbereich aus hochreinem, dämpfungsarmen Material hergestellt werden, da sonst die Gesamtdämpfung der Faser erheblich ansteigen würde. Für Einmodenfasern, für die der Felddurchmesser größer als der Kerndurchmesser

ist, läßt sich durch Variation

des Brech-

zahlprofils im Mantelbereich die Wellenleiterdispersion ver-

THz 250

«——— optische Frequenz 2307 21428 200

ps/(kmnm)

187,5

/

|

10

Da

+ S

,

1 —

8e

A

E

0“

a -10

% 8

A

1200

1300

& 7

Q

b van

T

7

1400 Wellenlänge

1500

1600 nm1700

——»

Bild 7: Schematische Darstellung des spektralen Verlaufs des Dispersionskennwertes in Abhängigkeit von der Profilform a) Faser mit Stufenprofil b) Faser mit abgesenktem Mantel (Dispersionsverschiebung) c) Faser mit Mantel-Quadrupelprofil (Dispersionsausgleich)

24

Glasfaserübertragung ändern. Auf diese Weise sind Fasern mit ausgeglichener oder verschobener Dispersionskurve (Bild 7) herstellbar. Zu ersterem Fasertyp gehört das Profil aus Bild 6d, zu letzterem das aus Bild 6c. Fasern mit ausgeglichener Dispersionskurve haben eine sehr große Basisbandbreite (maximal 50 GHz-km:nm) über den großen optischen Frequenzbereich von etwa 38 THz (250 nm), sie sind somit als optisch äußerst breitbandiges Übertragungsmedium nahezu universell einsetzbar. Fasern mit einer in das 3. Fenster verschobenen Dispersionskurve sind dann vorteilhaft, wenn sie auch den niedrigen Dämpfungskoeffizienten des 3. Fensters (Bild 2) aufweisen. Mit ihnen lassen sich dann breitbandige Weitverkehrssysteme gut realisieren. 3.3

Doppelbrechende Einmodenfasern

In normalen Einmodenfasern mit nominell zirkular-symmetrischem Kern sind, wie schon erwähnt, zwei Fundamentalmoden mit zueinander orthogonalen Polarisationszuständen ausbreitungsfähig. Wird der Faserkern in gezielter Weise mit gleichmäßigem Druck versehen und/oder weicht er in seiner Geometrie von der zirkularen Form ab, bilden sich zwei zueinander orthogonale Hauptpolarisationsrichtungen (Hauptachsen x, y); die Faser ist doppelbrechend geworden. Wird linear polarisierte Strahlung parallel zu einer dieser Hauptachsen eingestrahlt, läßt sich — theoretisch — an allen Orten längs der Faser die eingestrahlte Polarisation unverändert auskoppeln, die Faser überträgt also polarisationserhaltend. Wird die Strahlung allerdings unter einem Winkel der nicht Null ist zu einer der Hauptachsen eingestrahlt, ändert sich der Polarisationszustand längs der Faser von linearüber elliptisch, zirkular, elliptisch und linear und hat nach der Schwebungslänge (engl. beat-length)

Ly = 2n/(ßy — Br)

(4)

(Bx, By) :Phasenausbreitungskonstanten in den Hauptachsen

xy)

25

Entwicklungstendenzen wieder den ursprünglichen Polarisationszustand. Die Faserdoppelbrechung, die durch hohe interne mechanische Faserspannungen absichtlich hervorgerufen wird, führt dazu, daß auf die Faser von außen einwirkende Kräfte (durch Biegung, Torsion, Druck) — wenn Höchstwerte nicht überschritten werden — von untergeordneter Bedeutung sind; sie können den Zustand der Polarisation am Faserausgang nur ganz gering oder gar nicht beeinflussen. Genau das ist aber bei der Anwendung solcher Fasern, z.B. bei glasfasergebundenen Übertragungssystemen mit Überlagerungsempfang [1] wichtig, denn dabei sollte der eingangsseitige Polarisationszustand möglichst störungsfrei dem Empfänger zugeführt werden. Bei beliebiger Lichteinstrahlung in solche Fasern werden beide orthogonal polarisierte Grundmoden angeregt. Aufgrund der großen Differenz zwischen ß, und ß, tritt dann im Vergleich zu normalen Einmodenfasern ein hoher Betrag an Polarisation- Modendispersion auf, was große Impulsverlängerungen und damit einen basisbandmäßig schmalbandigen Übertragungskanal zur Folge hat.

3.4

Verstärkerfeldlängenbegrenzung sionseffekte

durch

Disper-

Mit Hilfe von Gleichung (2) läßt sich die maximal mögliche Verstärkerfeldlänge bei alleiniger Berücksichtigung des Faserdämpfungskoeffizienten berechnen. Da, wie schon erwähnt, die verschiedenen Faserdispersionsarten die Bandbreite der zu übertragenden Basisbandsignale nach oben beschränkt, wird auch bei einer theoretisch dämpfungsfrei angenommenen Faser ein Digitalsignalstrom gegebener Bitrate nicht beliebig weit übertragbar sein, da ab einer bestimmten Länge die Intersymbolstörungen untragbar hoch werden. Mit r, als Bitrate und o° als mittlere quadratische Länge des Übertragungsimpulses pro Bit ist in der Regel eine 26

Tabelle

1: Verstärkerfeldlängenbegrenzung durch Dispersionseffekte ru: Bitrate Le: durch Dispersionseffekte begrenzte Verstärkerfeldlänge AA: spektrale Emissionsbreite der Quelle

Fasertyp

Formel

ANT,

Stufenindex

ae

x

10 ua

kın

MP,

Gradientenindex

rule

x

Aa S-

km

ENF

nach

Bild

7a

r,°

eis:

X

LS.

na 5 17 SE

ENF nach Bild 7a

rn

ENF nach Bild 7a, 6X » 0

x, „His

ENF nach Bild 7b und 7c LE

opt.

US.


ö

sr vu

Kanal

sp u

A

a

35 = S

R

N aTr lau _>i

Y

—-

?

>> V

I

C >

© U

RL

I

a)

. _ı_

p

c=

Entzerrer

I

||R

|

b) RL p Nr

i Op

X

——

Mn

c#ıı I

4

c) i

DV

U

Rı

Tv

Photostrom

V

Verstärkungsfaktor

P _

Lichtleistung

Rı

Lastwiderstand

U

Ausgangsspannung

C

parasitäre Kapazitäten

Bild 7: Schaltungskonzepte für optische Empfänger: (a) Low-impedance-Verstärker (b) High-impedance-Verstärker (ce) Transimpedance-Verstärker

68

Optoelektronische Bauelemente

Bild 8: Optisches PIN-FET-Empfangsmodul mit Anschlußfaser für 140-Mbit/sÜbertragungssysteme

zusammen mit parasitären Kapazitäten C einen Tiefpaß. Die beliebige Erhöhung von R;, wird daher je nach geforderter Systembandbreite von der Grenzfrequenz dieses Tiefpasses verhindert. Eine weitere Erhöhung von R;, ist nur mit einer nachfolgenden

Entzerrerstufe

(Bild 7b) möglich,

oder wenn

der Lastwiderstand in den Gegenkopplungszweig stärkers gelegt wird (Bild 7c).

des Ver-

Um parasitäre Kapazitäten zu minimieren, wird besonders bei PIN-Dioden

versucht,

den

Lastwiderstand

und

den

ersten

Transistor (meist ein rauscharmer GaAs-FET) möglichst nahe an der Photodiode aufzubauen. Bild 8 zeigt einen PINFET-Empfangsmodul mit Anschlußfaser von Siemens für ein 140-Mbit/s-Übertragungssystem bei A = 1,3 um. Die wichtigsten Spezifikationen sind: Empfindlichkeit bei

167 Mbaud und BER= 10°:

max. —43 dBm,

Ausgangsspannung an 500 (Spitze-Spitze) zur mittleren Lichtleistung am Stecker: min. 10”V/ım

69

Optische Empfangsleistung

———

Entwicklungstendenzen

dBm

GE-APD

ee?

. De 20

50

100

200

500

1000

Mbit/s

5000

Übertragungsrate ——— Bild 9: Typische mittlere Empfangsleistung optischer Empfänger als Funktion der Übertragungsrate

Bild 9 gibt einen Überblick über die Empfindlichkeiten von verschiedenen optischen Empfängern in Abhängigkeit von der Übertragungsrate bei einer Bitfehlerquote von 10°. 4

Systemeinsatz und Ausblick

Tabelle 1 zeigt die Einsatzbereiche optischer Sende- und Empfangskomponenten für verschiedene Weitverkehrssysteme der digitalen Nachrichtenübertragung. Ein wesentliches Kriterium neben der Übertragungsrate ist die maximale Regeneratorfeldlänge. Dies ist die maximale überbrückbare Faserstrecke, nach der eine Signalregeneration nötigist, um die geforderte Bitfehlerquote von 10°” zu gewährleisten. Bei den in Tabelle 1 angegebenen Regeneratorfeldlängen 70

Tabelle

1: Einsatzgebiet von optischen Sendern und Empfängern und damit erreichbare Regeneratorfeldlängen in Digital-Fernübertragungssystemen.

Übertragungs- | Wellenlänge

rate

[Mbit/s] 34

[nm]

1300

Fasertyp

MM SM

140

1300

MM SM

LED

Empfangs-

diode

InGaAs-PIN

Empfangs-

verstärker

HI

FP-LD LED

Max. Regene-

ratorfeldlänge [km]

10-15

20-30

50-80

InGaAs-PIN

Hl

FP-LD

ca.10

20-25

40-70

565

1300

SM

FP-LD

Ge-APD

TI

30-50

2400

1300

SM

DFB-LD

Ge-APD

TI

ca.40

1550

IL

Sendediode

MM Mehrmodenfaser (Multimode) SM _ Einmodenfaser (single-mode) LED Lumineszenzdiode (Light-Emitting Diode)

InGaAs-APD FP-LD _ Fabry-Perot-Laserdiode DFB-LD Distributed Feedback-Laserdiode APD Avalanche Photodiode

ca.50 HI TI

High-impedance-Vorverstärker Transimpedance-Vorverstärker

Entwicklungstendenzen sind neben der Faserdämpfung auch Spleißverluste und andere Reserven berücksichtigt [6]. Systeme für eine Übertragungsrate von 2,4 Gbit/s befinden sich derzeit in der Entwicklung. Bei den dabei angegebenen Regeneratorfeldlängen handelt es sich daher um erwartete Werte. Um bei 2,4 Gbit/s eine Begrenzung der Regeneratorfeldlängen durch chromatische Dispersion insbesonders bei A = 1,55 um zu vermeiden,

muß die spektrale Breite des Lasersenders noch weiter eingeschränkt werden. Daher werden sog. DFB-Laserdioden (Distributed Feedback) eingesetzt, die auch unter Modulation nur einen longitudinalen Modus emittieren. Die spektrale Breite kann damit von typisch 2-10 nm für Fabry-PerotLaser auf ca. 0,2-0,4 nm reduziert werden.

In den Forschungslabors wird bereits an den Komponenten für Übertragungsraten bis 10 Gbit/s gearbeitet. Bei diesen Datenraten stört selbst die spektrale Verbreiterung auf 0,4 nm, wie sie bei der Direktmodulation von DFB-Lasern auftritt. Ein Ausweg, um diesen sogenannten „Chirp“ zu vermeiden, ist die externe Modulation des Laserlichts. Mit 8-Gbit/sLaborsystemen mit externer Modulation wurden bereits Faserlängen von ca. 70 km überbrückt [7]. Noch größere Feldlängen sind mit anderen Modulations- und Demodulationsverfahren, wie z.B. dem Heterodynempfang zu erwarten. Die Schwierigkeiten und Probleme eines optischen Heterodynsystems sind jedoch derzeit noch so groß, daßin den nächsten fünf Jahren sicher nicht mit einem praktischen Einsatz zu rechnen ist. 5

Schrifttum:

[1]

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[2]

Winstel, G.H.; Weyrich, C.: Optoelektronik I, Lumineszenz- und

[3]

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Laserdioden. Berlin: Springer-Verlag 1980.

telcom report 10 (1987) Special „Multiplex- und Leitungseinrichtungen“,

72

S. 150-159.

Optoelektronische Bauelemente

[4]

Althaus,

[5]

Gier, J.; Panzer, K.: Grundlagen der elektrooptischen Signalübertragung. telcom report 6 (1983) Beiheft „Nachrichtenübertragung mit Licht“, S. 21-27.

[6]

Braun, E.; Stummer, B.: Digitalsignalübertragung auf Lichtwellenleiterkabeln im Fernnetz. telcom report 10 (1987) Special „Multiplex- und Leitungseinrichtungen‘“, S. 94-98.

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Gnauck, A.H.; Korotky, S.K.; Kasper, B.L.; Campbell, J.C.; Tal-

man,

J.R.; Veselka,

J.J.; Mc

Cormick,

A.R.:

Information-band-

width-limited-transmission at 8 Gb/s over 68.3 km of singlemode optical fiber. Optical Fiber Communication ’86, Atlanta Feb. 1986 pap. PD9.

73

Fachbeiträge

Prinzipien und Anwendungsbeispiele

der Optischen Meßtechnik

Von Werner E. Freyhardt, Klaus Lenkner, Wolfgang Warm* 1

Einleitung

Lichtwellenleiter (LWL) finden im zunehmenden Maße Einsatz in der Nachrichtenübertragungstechnik. Eine Voraussetzung für die Verwendung von LWL in Nachrichtennetzen ist der meßtechnische Qualitätsnachweis. Die optische Nachrichtentechnik erforderte daher die Entwicklung neuer Meßgeräte, die sowohl bei der Herstellung von Fasern und Lichtwellenleiter-Kabeln als auch bei deren Verlegung und späteren Kontrolle benötigt werden. Durch die meßtechnische Erfassung von Dämpfung, Dämpfungsverteilung über die Länge, Bandbreite und Fehlerorten läßt sich die Qualität einer LWL-Übertragungsstrecke beschreiben. Die Dämpfung wird überwiegend nach der Einfügungsmethode gemessen. Die Meßmethode arbeitet mit getrenntem Sender und Empfänger, und aus der optischen Leistungsdifferenz errechnet sich die Dämpfung der LWLFaser. Die Dämpfungsverteilung eines Lichtwellenleiters läßt sich mit einem Rückstreumeßgerät ermitteln. Die Rückstreumeßtechnik ist ein One-End-Meßverfahren, bei dem dierück-

* Die Autoren Backnang

74

sind

Mitarbeiter

der

ANT

Nachrichtentechnik

GmbH,

Optische Meßtechnik gestreute Lichtleistung detektiert wird.

am

Sendeort

ausgekoppelt

und

Die Bandbreite eines Lichtwellenleiters wird anhand der Verbreiterung von schmalen Lichtimpulsen gemessen und mit Hilfe der Fouriertransformation berechnet.

2

LWL-Parameter und Meßgrößen

Eine optische Übertragungsstrecke besteht im wesentlichen aus

dem

elektro-optischen

Wandler,

d.h.

der

Sendediode,

dem Lichtwellenleiter, auch kurz Faser genannt, und dem opto-elektrischen Wandler, d.h. der Empfangsdiode. In Lichtwellenleitern wird unter definierten Bedingungen die optische Lichtleistung in Form einer elektromagnetischen Welle geführt. Diese Ausbreitungsbedingungen sind an dielektrische Materialien gebunden und hängen von der Geometrie und dem Aufbau des optischen Wellenleiters ab. Das Grundmaterial zur Herstellung von Lichtwellenleitern ist Quarzglas mit Zusätzen von verschiedenen Dotierungsstoffen [1].

Das Quarzglas hat spezifische Eigenschaften, die die Übertragungsgrößen der Faser (Dämpfung und Bandbreite) bestimmen. Beide Größen sind von der Wellenlänge abhängig. Der spektrale Dämpfungsverlaufist in Bild 1 für MehrmodenGradientenfasern und Einmodenfasern dargestellt. Die Faserdämpfung wird von zwei Effekten verursacht, der Streuung und der Absorption. Aus dem spektralen Dämpfungsverlauf ergeben sich drei Wellenlängenfenster, die als Übertragungsbereiche genutzt werden können (850 nm, 1300 nm, 1550 nm). Die Faserbandbreite wird durch die Dispersion bestimmt. Unter Dispersion versteht man in der LWL-Technik alle jene Effekte, die Laufzeitunterschiede der Lichtausbreitung verursachen und dadurch die Übertragungsbandbreite begren75

Fachbeiträge Transmissionsfenster

N

dB km

oO E re)

S E

5

Rayleigh-Streuung

"-

Ultraviolett-Absorption

Infrarot-

0.01

07

08

09

10

11

12

13

14

15

16

1.7 um

Wellenlänge X Bild

1: Spektraler Dämpfungsverlauf von Mehrmoden-Gradientenfaser Einmodenfaser

und

zen. Die Auswirkungen sind in Bild 2 als Pulsverbreiterungen der Ausgangsimpulse erkennbar. Man unterscheidet bei LWL-Fasern drei Typen, die sich in den geometrischen Abmessungen und den Übertragungseigenschaften unterscheiden

76

[2].

Querschnitt

Brechzahlverlauf n{r) —

maximaler Akzeptanz.Winkel

charakteristische Strahlausbreitung

Übertragungsverhalten Eingangspuls

r

MehrmodenGradientenfaser

EinmodenStufenfaser

L

lg

Stufenfaser

Fe

Mehrmoden-

Ib

Bild 2: Übersicht der Fasergrundtypen und deren Strahlenausbreitung

Ausgangspuls

-

IN zruy2aIgoN ayasydo

Fasertyp

Fachbeiträge Stufenfasern haben einen homogenen Kern der Brechzahln,, der mit Glas der Brechzahl na umgeben ist. Der Brechzahlverlauf ist durch eine Stufe an der Grenzfläche Kern/Mantel gekennzeichnet. Gradientenfasern haben im Gegensatz zu Stufenfasern im Kern ein Brechzahlprofil n(r). Das Brechzahlprofil hat näherungsweise einen parabolischen Verlauf mit der größten Brechzahl n; im Zentrum der Faser. Gradientenfasern haben

geringere Laufzeitunterschiede der einzelnen Lichtstrahlen und daher eine größere Übertragungsbandbreite. Einmodenfasern sind geometrisch so aufgebaut, daß nur noch eine Wellenform ausbreitungsfähig ist. Laufzeitdifferenzen verschiedener Lichtstrahlen können deshalb nicht mehr existieren, so daß sie eine sehr große Übertragungsbandbreite aufweisen. Optische Sender bestehen im wesentlichen aus einer Treiberstufe und einem elektro-optischen Wandler, dem Sende0.91

A/W z 0.8

&

Empf indl ch oO

©0.7© 4 06 0.5 0.4.

Spektral oO2”

© 02.

Si

02

04

06

08

InGaAs

10

1.2

1.4

1.6

Wellenlänge A

Bild 3: Spektrale Empfindlichkeitsverteilung

78

Ge

1.8 1m2.0

Optische Meßtechnik element, z.B. Laserdioden oder Lumineszenzdioden. Bei der optischen Informationsübertragung wird überwiegend die Intensitätsmodulation angewendet. In optischen Empfängern wird das optische Eingangssignal mit der Fotodiode, z. B. PIN-Diode oder APD, opto-elektrisch gewandelt, in einer Transimpedanzverstärkerstufe verstärkt und in einer dekadisch-umschaltbaren Verstärkerstufe normiert. Bild 3 zeigt die spektrale Empfindlichkeitsverteilung verschiedener

Detektormaterialien

Wandlerbauelementen verwendet werden. 3 3.1 Die

(Ge,

Si, InGaAs),

die in

der optischen Übertragungstechnik

Anregungsbedingungen Ausbreitung der optischen Leistung in LWL mathematische

Beschreibung

der

Ausbreitung

des

Lichts in Lichtwellenleitern (LWL) ist durch diskrete Lösun-

gen der Maxwell-Gleichungen gegeben. Die Anzahl N dieser diskreten Ausbreitungswege, Moden genannt, ist vom Kernradius r, der numerischen Apertur NA, den Brechungsindizes des Kerns nı und des Mantels na und von der Wellenlänge A des Lichts im Vakuum abhängig

N=

Cana) 3 NE

®

Jeder einzelne Mode besitzt eine spezifische Ausbreitungsgeschwindigkeit (Modendispersion) und einen spezifischen Dämpfungskoeffizienten (selektive Modendämpfung). Nach Anregung aller ausbreitungsfähigen Moden (Vollanregung) einer Faser durch gezielte Einkopplung, beobachtet man eine Anderung der vorhandenen Moden (Modenvolumen) entlang der Faser (Bild 4). An Faserstörstellen (z. B. Mikrokrümmungen) wird dabei Leistung von Moden höherer Ordnung in Moden niederer Ordnung und umgekehrt gekoppelt (Modenkonversion). Dies führt aufgrund der selektiven Moden79

Fachbeiträge Modenvolumen

"steady state”

_

Faserlänge Bild 4: Modenverteilung entlang eines LWL

dämpfung zu einem nichtlinearen Dämpfungskoeffizientenverlauf längs der Faser. Ein linearer Dämpfungsverlauf stellt sich erst im eingeschwungenen Zustand ein, was unter Umständen erst nach einigen Faserkilometern der Fall ist. 3.2

Einkoppelbedingungen

Diesen Gleichgewichtszustand „Steady-State“ erhält man näherungsweise bereits an der Fasereinkoppelstelle durch eine sogenannte 70%-Anregung: dabei werden mit einer numerischen Apertur NA, die 70% der Faser-NA beträgt, anregbare

Moden (Modenordnung)

0 |

NA

1 0

ausgeleuchteter

Kerndurchmesser

Bild 5: Modenspektrum in Abhängigkeit der Anregung (normierte Größen)

80

Optische Meßtechnik 70% des Kerndurchmessers ausgeleuchtet. Wird nur eine dieser beiden Bedingungen erfüllt, regt man weiterhin Moden an, dieim Gleichgewichtszustand nicht mehr vorhanden sind. Die angeregten Moden in Abhängigkeit der numerischen Apertur und des ausgeleuchteten Kerndurchmessers sind in Bild 5 dargestellt [3]. 3.2.1 Anregung bei der Faserdämpfungsmessung Die Planung von LWL-Strecken in der Praxis setzt die Kenntnis der Faserdämpfung voraus, um die Streckendämpfung berechnen zu können. Da reale Strecken in der Regel aus mehreren zusammengespleißten Einzelfasern bestehen und im System voll angeregt werden, ist die tatsächliche Dämpfung, die eine Faser im System besitzt, von der Position in der Strecke abhängig. Die erste Faserim System besitzt aufgrund der vollen Anregung einen anderen Dämpfungsverlauf als Fasern in Streckenabschnitten mit eingeschwungener Modenverteilung. Eine vollständige Dämpfungsmessung sollte sich deshalb aus zwei Einzelmessungen zusammensetzen, eine mit 70 %-Teilanregung und eine mit Vollanregung, um die systemrelevanten Meßwerte zu erhalten. 3.2.2

Anregung bei der Faserbandbreitenmessung

Die Berechnung der Bandbreite einer Gesamtstreckeausden Faserbandbreiten ist nicht ohne genaue Kenntnis der Faserparameter und der Koppelstellen möglich, da durch Modenkonversion an Steckern, Spleißen, Mikrokrümmungen und anderen Störstellen die Modenleistungsverteilung verändert wird und zu einer starken Beeinflussung der Bandbreite (Modendispersion) führt. Bandbreitemessungen sollten deshalb mit Vollanregung durchgeführt werden, da man so einen Bandbreitemeßwert erhält,

der

einen

„worst

case-Wert“

darstelllt und

Faser im System nicht unterschritten wird.

von

der

8

Fachbeiträge 3.2.3 Anregung bei der Messung von Passiven Komponenten Passive Komponenten (Stecker und Koppler) besitzen eine stark anregungsabhängige Dämpfung, deshalb sollte bei der Messung dieser Bauteile mit 100 %-Anregung gearbeitet werden. Mantelmoden

müssen

dabei vermieden werden,

das Meßergebnis verfälschen. 3.3

da sie

Verschiedene Verfahren zur 70 %-Teilanregung

Eine 70%-Anregung wird durch drei Methoden näherungsweise erreicht: — Vorlauffaser,

— Modenfilter und — Modenmischer (ANT-Modenmischer OMM). 3.3.1 Vorlauffaser Die Vorlauffaser stellt eine der Meßfaser entsprechende Faser dar, die zwischen dem optischen Sender und dem Meßobjekt positioniert wird und an deren Ende die Modenverteilung ihren Gleichgewichtszustand erreicht hat. Die nötige Länge der Referenzfaser kann dabei einige hundert Meter betragen (Bild 6a). 3.3.2

Modenfilter

Modenfilter (Mandrel-Wrap-Filter) besitzen definierte Biegungen (Bild 6b), die durch Modenkonversion eine Teilanregung herbeiführen. Zusätzlich werden jedoch eine große Anzahl Mantelmoden angeregt, diein der Faser nicht ausbreitungsfähig sind und deshalb nach einigen hundert Metern wieder verschwinden und damit den Meßwert verfälschen. Zur Beseitigung dieser Mantelmoden werden deshalb zusätzlich Mantelmodenabschwächer (Mode-Stripper) eingesetzt. 3.3.3 ANT-Modenmischer OMM Ein Vorschlag der ANT Nachrichtentechnik GmbH zur „Steady-State-Anregung“ stellt der Modenmischer OMM 82

Optische Meßtechnik

dar. Er verwendet drei kurze zusammengespleißte Fasern (Bild 6c). Die dritte Faser ist so dimensioniert, daß die gewünschte Anregung in der Meßfaser erreicht wird. Um die Moden der dritten Faser vollständig und gleichverteilt anzuregen, muß die zweite Faser in ihren Dimensionen größer als die dritte sein. Wird nun Licht von der ersten Faser - einer 50um-Gradientenfaser - in die zweite Faser eingekoppelt, wird zwar der Kern ausgeleuchtet, aber weder vollständig noch gleichverteilt. Dies erreicht ein Modenverwürfler (Mode-

Ye

— De

Vorlauffaser

— De

—

Meßfaser

Sender

=Y Empfänger

a) Vorlauffaser

mode-stripper

Empfänger

b) Mandrel-Wrap-Filter

Spezial-Spleiß

Faser 1 c)

Faser 2

ANT-Modenmischer

‚

Faser 3

Meßfaser

OMM

Bild 6: Anregungsverfahren

83

Fachbeiträge

Scrambler), der durch einen Spezialspleiß realisiert wird. Dabei verursachen gezielte Geometrieänderungen im Schmelzbereich einen starken Leistungsaustausch zwischen den Moden und damit vollständige und gleichverteilte Ausleuchtung des Kerns in der zweiten Faser [4]. Die ANT-Vorlauflänge ist stabil, preiswert und läßt sich aufgrund des geringen Volumens in Meßgeräte sehr gut integrieren. Diese unterschiedlichen Vorlauflängen und deren tatsächliche Wirkung führen zusammen mit Justageproblemen in der Praxis zu sehr unterschiedlichen Meßwerten. Die Vollanregung hat demgegenüber den Vorteil einer anwenderunabhängigen Reproduzierbarkeit. Zusammen mit den in Abschnitt 3.2.1 genannten Gründen ist die Spezifikation einer Faser durch zwei Messungen (Voll- und Teilanregung) sinnvoll. 4 4.1

Dämpfungsmessung Dämpfungsmessung nach dem Zweipunktverfahren

Die gebräuchlichste Meßmethode zur Dämpfungsmessung von LWL-Kabeln, LWL-Verbindungen und passiven optischen Komponenten ist das Zweipunktverfahren (Bild 7). Die

Lichtleistung P, wird an einem Ende eingespeist und die gedämpfte Lichtleistung Pz am anderen Ende gemessen. Man unterscheidet bei der Dämpfungsmessung zwischen dem Abschneideverfahren (Cut Off-Method) und dem Einfügungsverfahren (Insertion Loss-Method) [5]. Bei dem Abschneideverfahren wird die Lichtleistung am Ende der zu prüfenden Faser mit der Lichtleistung am Ende eines kurzen abgetrennten Faserstücks bei unveränderten Einkoppelbedingungen am Fasereingang verglichen. Aus dem Leistungsunterschied und der Längendifferenz berechnet sich die Faserdämpfung. Mit dem Abschneiden des kurzen Faserstücks am Anfang der Meßlänge geht jedoch ein Teil der zu prüfenden Faser verloren. Deshalb ist dieses Verfahren 84

Optische Meßtechnik x Y

G

m

". Laser-

diode

YF

pP,

(erster

Meßsender

Punkt)

Foto-

diode

tt

© Meßempfänger

X-Y-Z-Manipulator

a Pa (zweiter Punkt)


Meßsender

Strahlteiler Meßfaser

x Y 4

Meßempfänger

Fotodiode

> t

Oszillograph

Bild 12: Prinzip des Rückstreuverfahrens

pelt. Im Meßempfänger wird das optische Signal in ein elektrisches Signal umgewandelt, mit einer elektronischen Einheit zu einem Meßsignal verarbeitet und in Abhängigkeit von der Faserlänge mit einem Oszillografen dargestellt. Das Oszillogramm (Bild 13) stellt die rückgestreute Leistung Pder Faser dar. Es kann als Impulsantwort des Rückstreusystems (LWL-Faser) betrachtet werden.

P,=Poa,Sv; % ae

(3)

mit z

Po &;, S 92

vg

=

Entfernung des betrachteten Anfang = eingekoppelte Lichtleistung = Rückstreukoeffizient = Rückstreufaktor

Faserteilstücks

vom

Optische Meßtechnik

DO SG =

©

® —

©

S

x

A

5 X

t

|

|

1

1

4

2 Länge

t7

to Zeit Bild 13: Rückstreukurve

v, T &

= mittlere Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Faser = Sendeimpulsbreite = Dämpfungskoeffizient.

Ein Problem bei dem Rückstreuverfahren liegt in der sehr geringen rückgestreuten Lichtleistung, wodurch die maximale meßbare Dämpfung auf wenige dB begrenzt wird. Um den Meßbereich zu erweitern, müssen Verfahren eingesetzt werden, die die Empfindlichkeit beziehungsweise das SignalRausch-Verhältnis verbessern. Geeignete Techniken beruhen auf dem Einkanal-Akkumulationsverfahren, dem Mehr-

kanal-Akkumulationsverfahren und dem Korrelationsverfahren. Bei dem Einkanal-Akkumulationsverfahren (Bild 14) wird je ein Abtastwert aus dem verrauschten Rückstreusignal pro Sendeimpuls ermittelt und in einem Speicher aufaddiert, wodurch eine Verbesserung des Signalrauschverhältnisses 93

Fachbeiträge RU = E =

7)® — ©

5 ©

© c

t Bild 14: Einkanal-Akkumulation

IgR oO)

c =3 2 ® —J

Oo

5ö

NS

& ©

©

cı

cc

Zeit

= 7

A

t

=Informationsgewinn pro Sendeimpuls Bild 15: Mehrkanal-Akkumulation

eintritt. Diese einfache Signalverarbeitung hat den Vorteil, daß die Abtastzeit zwischen zwei Abtastpunkten relativ klein sein kann, aber die Meßzeit für eine Rückstreukurve groß ist. Die lange Meßzeit hat zur Folge, daß Instabilitäten der Sendeleistung zu Meßfehlern führen. 94

Optische Meßtechnik Das Mehrkanal-Akkumulationsverfahren

(Bild 15) ermittelt

aus dem verrauschten Rückstreusignal eines einzelnen Sendeimpulses durch Abtastung das komplette zeitdiskrete Signal der Rückstreukurve. Die Abtastzeit zwischen zwei Punkten, d.h. der Abstand zweier Meßpunkte, wird begrenzt durch die Geschwindigkeit der Signalverarbeitung und die Anzahl der Abtastungen. Die Rauschverbesserung des Rückstreusignals wird durch Akkumulation von n Signalen erreicht. Dieses Verfahren ist im Rückstreumeßgerät OMB (Optical Measurement Back-scatter) realisiert (Bild 16). Das

Korrelationsverfahren (Bild 17) gewinnt die Impulsant-

wort des Rückstreusystems aus der Autokorrelationsfunktion AKF des Sendesignals und der Kreuzkorrelationsfunktion KKF aus Sende- und Empfangssignal. Benutzt man als Sendesignal ein PN-Signal (pseudo random noise), dessen Autokorrelationsfunktion nährungsweise der Dirac-Funktion entspricht, dann ist die KKF identisch mit der Impulsantwort des Rückstreusystems. Der PN-Generator erzeugt periodische m-Sequenzen (statistisch verteilte 1-0-Folgen), die im Sendeelement in

Bild 16: Rückstreumeßgerät OMB

(Foto ANT)

95

Fachbeiträge

pr Generator

Laserdiode Fern

Meßsender

er

Strahlteiler Meßfaser

„ Foto-

diode >|

Meßempfänger

Verzögerung

xalt) Korrelator

Xılt+T) Bild 17: Prinzip des Korrelationsverfahrens

optische Signale umgewandelt werden und über einen Strahlteiler in die LWL-Faser eingekoppelt werden. Das rückgestreute Signal wird durch den Strahlteiler ausgekoppelt und mit der Empfängerdiode detektiert: Der Korrelator multipliziert das Empfangssignal mit dem zeitverzögerten Sendesignal und integriert das Korrelationsprodukt über eine Periodenlänge. Der gewonnene Meßwert stellt einen kleinen Bereich auf der Rückstreukurve dar. Durch definierte Zeitverzögerungen des Sendesignals läßt sich die komplette Rückstreukurve ermitteln. Im Korrelator werden auch noch die Rausch- und Störkomponenten, die dem Empfangssignal überlagert sind, unterdrückt. Der Korrelator verarbeitet das Sendesignal und das verrauschte Empfangssignal zu der rauschverbesserten Impulsantwort des Rückstreusystems, indem die Signale auf ihre „Verwandtschaft“ überprüft werden und die Ähnlichkeit der Signale bewertet wird.

96

Optische Meßtechnik 5

Bandbreitemessung

Die Bandbreite ist neben der Dämpfung die zweite, für die Systemplanung und -realisierung wichtige, charakteristische Eigenschaft einer LWL-Kabelanlage. Die Dispersion, Ursache der Bandbreitenbegrenzung, setzt sich aus drei unterschiedlichen Dispersionsarten zusammen: — Modendispersion, — chromatische Dispersion und — Polarisationsdispersion, wobei die chromatische Dispersion zusätzlich in die Materialund Wellenleiterdispersion unterteilt werden kann

[10].

Während die Modendispersion in Mehrmodenfasern durch unterschiedliche Modenausbreitung und den daraus resultierenden

Laufzeitdifferenzen

hervorgerufen

wird,

liegen

die

Ursachen der chromatischen Dispersion AT.hrom in der Frequenz- bzw. Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahl (Materialdispersion Atmat) und in der Wellenlängenabhängigkeit der Modenverteilung (Wellenleiterdispersion Atyeı). 20

—-

_ oO

ps/nm-km

2 0

25

ou

E2.-10

u 20

oo

-20

l

1,2

L

1,83

|

14

Wellenlänge

l 15

L

1,6

A ——

| J 1,7 um1,8

Bild 18: Chromatische Dispersion

97

Fachbeiträge

Armat

Aryen Atchrom

mit Dat Dyen AA l

= Dinat (A) AA

= Dyen (A) AA 1 = (Dinat (A) + Den

= = = =

(4a)

(A)) AA 1

(4b) (4c)

Materialdispersionskonstante Wellenleiterdispersionskonstante spektrale Breite des Senders Faserlänge.

Für Wellenlängen im Bereich 21300 nm besitzen Materialund Wellenleiterdispersion entgegengesetztes Vorzeichen und können sich gegenseitig kompensieren. Die chromatische Dispersion besitzt so eine Nullstelle, deren Lage auf der Wellenlängenachse vom Brechzahlprofil abhängig ist (Bild 18). Durch gezielte Variation der Faserparameter erzeugt man Einmodenfasern, die ihr Dämpfungsminimum und ihre Nulldispersion bei derselben Wellenlänge besitzen. Infolge Doppelbrechung durch Geometriestörungen (leicht elliptischer Kern) und Spannungen (Biegung der Faser) besitzen die zwei möglichen Polarisationsrichtungen desselben Modes unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten, was in Einmodenfasern zur Polarisationsdispersion führt. In Gradientenfasern überwiegt die Modendispersion und beträgt, bezogen auf eine Faserlänge von 1 km, bei einer Optimierung auf 1,3 um Wellenlänge ungefähr 0,5 ns. Die bekannten Bandbreite- bzw. Dispersionsmeßgeräte arbeiten nach dem Zwei-Punkt-Verfahren, d.h. Sender und Empfänger werden mit dem nahen und fernen Ende der LWL-Strecke verbunden. One-end-Messungen der Bandbreite (hier wird der Meßimpuls am fernen Ende der Faser reflektiert, auf der Senderseite ausgekoppelt und detektiert) und die Extrapolation der Dispersion von kurzen Faserstücken auf lange Strecken sind nicht ohne weiteres möglich, 98

Optische Meßtechnik da die Dispersion At einer aus mehreren Fasern bestehenden Strecke in der Form N At=

$,

k=1

At

+

N

N

y

y

p=1

k=1

Ar

Ark Ypk

(5)

mit p#k At, = Dispersion der k-ten Faser dargestellt werden kann, wobei der Korrelationsfaktor ypx die Modenverteilung beschreibt. Modenkonversion an Störstellen (Stecker, Spleiße, Miksokrümmungen, Reflexionen) führenzu Veränderungen der geführten Moden und können nicht festgelegt werden [11]. im Zeitbereich und im Fre-

O

Meßfaser

Meßempfänger

+

In der Praxis sind Messungen quenzbereich möglich.

FD

Meßsender

1

Oszillograph

Bild 19: Prinzip der Bandbreitemessung im Zeitbereich

99

Fachbeiträge

Normierte Amplitude

1.0 0.8

t50=0.60

ns

t10=1.25 ns

0.6 0.4 0.2 0.0

0

7

1

T

2

T

8

T

Ans

T

5

Kurzschlußimpuls

Normierte Amplitude

1.0 0.8

t5o=1.44 ns =3.03 ns t10=3.03

06

0.4 0.2 0.0

0

T

2

T

4

T

6

T

8

ns

T

10

Streckenimpuls Bild 20: Meßprotokoll zur Bandbreitemessung im Zeitbereich

100

Optische Meßtechnik

0 dB

=

oOSS

fg=314 MHz

-6

E

Q

E

-9


= 10-3 ’

ı

'

8

'

ii

zur

Reaktion an den Schnittstellen DEE ; zur Leitung

u)

= AUS

ıs we ii

=

int

=

AUS

ır=z0 ı i = AUS

ı

;

D-Alarmbit

| i

D-Alarmbit

;

‘

'

ı ;

N-Alarmbit D«-Alarmbit

4

ır=0 ii = AU

ı }

D-Alarmbit

2

: '

i !

N-Alarmbit

' x

' ; ı

gen, die eine Ortungsfrequenz erzeugt und somit die Schleife schließt. Nachteilig ist jedoch, daß normale Datensignale diese spektralen Anteile auch erzeugen können und folglich unbeabsichtigt die Schleife schließen. Im normalen Betrieb ist deshalb diese Aktivierung durch einen internen Codierschalter unterbunden. Die Alarme werden wieder durch einen Sammelalarm an der Frontplatte angezeigt. Geräteintern ist aber eine genauere Diagnose möglich. Anhand einer Anzahl von Leuchtdioden sind die in der Tabelle 2 aufgelisteten Alarme und Betriebszustände zu unterscheiden. 299

Fachbeiträge Pe

"SSTX

Schleife ®

| r

T-Ader Zustands-

k Erkennung

2b

.

gg

m 3 >

| c

2b

!

S

|

|

ee

Speicher

L_

|

Text Bit

re

|

.

|

‘

Itd

|

I

I

‘ |

Ä

[8

lı .

=

a

-

| |

Rn

s

L_.._.._._._

k

nn

Kennzeichenwort

r>—

Rahmenkennungswort

>

Meldewort Uberrahmen-

>=

kennungswort

rm

* | Überrahmenmeldewort -

s

.:

|

Master

|

Laos tz

.

|

Oszilater

1

7

sa kHz

2063

kHz

66. Hz

40

;

nn

: ZIh \

in

2 speicher Krb Bit

E/P-Reg. feuerbiterk

%

| |

TVE

[ n-Synchr. Fe

Zakanal jecoder

nl.

Fehlerüberwachg.

.|

Rahmenı | erkennung

(

Salzen syac

Die Rahmenbildung für die Übertragungstechnik

Müssen zusätzlich zu den Nutzdaten Informationen der übrigen Schnittstellenleitungen oder der Signalisierung der Alarme der Geräte übertragen werden, bieten sich Rahmenstrukturen an, die in einem Zeitmultiplexverfahren diese Informationen aufnehmen. Wegen der Nähe zur PCM-Technik bietet sich eine Rahmen300

BD

1

Goohz

n

|

2

>

Bild 7: Blockschaltbild des NFGT2048UE

4

—>—

|

—

Speicher Steuerung

»SSTXE

3

|

P

a

2048 kHz

Feb

3

Erkennung

Steuerung

.

Inx64) kHz

|

Speicher

|

Schleife

“Sync” oz

A/B

5

Erk.

ı

8 &

|

|

Trvs & |

!

|

——

| |

!

ne

j Ssms

e

Anschlußtechnik DFS

IanPCM Du[GE | E

—

HDB3 Coder ———

Rahmen

ii

MUX

U ib TI

7

| |

dl

|

D

B

7

|Regene| rator Le |

Entzerrer

1

Ftan

|

.

|.

elHr_._._._._._.

m

Steuerun

[ Aarnierung

|

|

|

PLL

| 1

”

I

1‚

HDB3 Decoder

[|

1

' kb

ei

1

Fr

G

"n”-Anzeige n-Einstellung

alaurereveg

naher fe

u

le

:

Umschaltung

f. Lig /DFS-Betrieb

ep

zu TVS

|

zu SSTX u.

|

SSTXS

Takt Int/Ext

Elastischer Speicher

TVX

1

Überwachung

D und N-Alarm

|

|

TVS, LE, TVE.

Yon SSTxE, TVX

|

zu TVS, TVE SSTXE

| e

u.

dauer von 2 ms an, die konsequent bei allen Übertragungsgeschwindigkeiten und bei beiden Fernschaltgeräten eingehalten wird. 4.1

Die Rahmenbildung für 64 kbit/s

Bei einer Rahmendauer von 2 ms und einer Übertragungsgeschwindigkeit von 72 kbit/s aufder Leitungsseite ergeben sich 144 Bits/Rahmen. Diese Bitfolge ist in der Tabelle 3a darge301

@

“

Po

Ein/On

N FG

T 2048

o

U E

Alarm

Prüfschleife /Loop

o

Wo

Prätachtelto Lu ——

2b

eo 3b

m

4b

(nx 64)kbit/s © Ic

TEST

SL —

N

Abmessungen:

RR

364 mm x 167 mm x 278 mm (BxHxT) Bild 8: Frontplattenansicht des NFGT2048UE

© post

—

a

1m

a3gıoqypu]

coE

al

Anschlußtechnik DFS Tabelle

3a: Übertragungsrahmen des DFGT64

D

D

D

D

D

D

D

D

D

D

D

u,

D

D

D

D

D

D

D

D

D

D

D

D

D

D

D

D

D

D

D

D

D

D

D

D

D

D

D

D

D

D

0 3,0970

0009000900

pr

oo

DD, 0,9 vr

oo

vo

0

D

1 0

DD. 0090000900990

D

9

D/P

D/P

1

D/P

Kl

D/P

K2

D/P

K3

D/P

K4

D/P

K5

D/P

K6

D/P

K7

oo

D

D

0

D

D

90

16

D

oo

15

oo

14

00

13

00

12

oo

11

008 do 0 9,090 90990907

Bitposition 4 5 6

D/P

K3

0 D/P

l

D/P

l

D/P

0

D/P

1

---&.' ! ' ‘ '

Rahmenkennungswort

h ‘ ’

i ‘ ---F--k‘

' ' ‘ !

Kennzeichenwort

--V

‘ ! ' ' i

stellt. Die Bitfolge ist dabei zeilenweise zu lesen. In den Tabellen 3b und 3c wird die Belegung des Kennzeichenwortes dargestellt.

303

Fachbeiträge Tabelle

3b:

Kenn; zeichen-; bit ! Ki

Binärzustand

' \

0 1

ı

1

' ;

0 1

ı

1

K5

|

u

K6

1

K7

' ' i

K8

ı ı

K2 K3 K4

4.2

Bedeutung der Bits im Kennzeichenwort (KE> DFGT64)

' ‘

’ ’

’ ’

' ’

‘ 8

'

ı ı '

Bedeutung

\ i

I-Leitung I-Leitung

'

frei

' ı

Prüfschleife Prüfschleife

'

frei

'

frei frei

0

| ' s

dringerder

1

!

frei

1

4 v

‘ s

' '

' '

s ’

'

EIN AUS

dringender

2b 2b

Alarm Alarm

EIN AUS

EIN AUS

Die Rahmenbildung für (n-64) kbit/s

Der Rahmenaufbau erfolgt grundsätzlich wie bei 2-Mbit/sDigitalsignal-Übertragungssystemen entsprechend den CCITT-Empfehlungen der G-Serie. Dabei wird ein Pulsrahmen in 32 Zeitkanäle zu je 8 Bit aufgeteilt. 16 Pulsrahmen bilden einen Überrahmen. Die Signalisierung der Zustände der Schnittstellenleitungen C und Ierfolgt im Pulsrahmen 1, Zeitkanal 16 wiein Tabelle 4 dargestellt. Dadurch ist eine Übertragung dieser Zustände nur alle 2 ms möglich. Die Zeitkanäle für die Datenübermittlung auf der T- oder R304

Anschlußtechnik DFS Tabelle

3c:

Kennı zeichen-; bit ' Kl K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8

1)

Bedeutung

der Bits

(DFGT64 > KE) Binärzustand

’

ı

’ t

|;

0

ı ' ’

1

im

Bedeutung C-Leitung

C-Leitung

AUS

\

T-Leitung

1) |)

‘ r

X

'

x

'

T-Leitung

'

1

\

frei

' i ı

1

ı ı '

frei

ß

s ’

’ ‘

’

‘

s r

1

v %

frei

: \

0 1

n i

dringerder dringender

\

1

;

frei

’ s

8 U

Binärzustand K2 ı K3 oo ,ı% 1 3 d ı 0.4

0 1 0 1

ı ı ; :! ; ı

EIN

'

'

%

Kennzeichenwort

Alarm Alarm

EIN AUS

Bedeutung Dauer "0" auf T-Leitung Dauer "1" auf T-Leitung ..1010.. auf T-Leitung andere Zustände auf T-Leitung

Leitung der X.21-Schnittstelle werden gleichgewichtig von der vorderen und hinteren Hälfte zusammengefaßt. Die vordere Hälfte beginnt mit dem Zeitkanal 1, die hintere mit dem Zeitkanal 17. Beispielsweise werden bein=5 die Zeitkanälel, 2, 3, 17 und 18 gereiht. 305

Fachbeiträge

Tabelle

4: Belegung des Kennzeichenwortes im Pulsrahmen 1, Zeitkanal 16 des NFGT2048UE

Bit

ı

Senderichtung

ı

Empfangsrichtung

al bl cl

! ! }

C-Leitung T-Leitung T-Leitung

ı ! !

I-Leitung X.21 1 Schleife 2b

b16 cel6 di6

; ! !

B3 B4 B5

di al6E

! }

Bil B2

Codierung bl

! 4 3

ı

eı

0 Die

5

(MSB)

"n"-Ferneinstellung "n"-Ferneinstellung

"n"-Ferneinstellung "n"-Ferneinstellung "n"-Ferneinstellung

(LSB) für

die

el [u 1

0 1

Codierung

erfolgt

X.2l X.2l X.2l

+; ı

binär.

T-Leitung:

Zustand

4 ı

».. ...

auf

T-Leitung

0000 ... 1111...

.% 1010 sonstige für

der

die

2; Bitfolgen

"."

"n"-Ferneinstellung

Die Schnittstellenprotokolle

Die Schnittstelle zwischen DEE und DFGT64 oder NFGT2048UE richtet sich im wesentlichen nach der CCITTEmpfehlung X%.21. Die folgenden Abschnitte sollen die wichtigsten Ergänzungen und Abweichungen von der CCITT-Empfehlung zeigen. 5.1

Zustandsbewertung

Die Abweichungen liegen hier im Bereich der Zeitbedingungen für das Senden und Auswerten von Zuständen. In oktett306

Anschlußtechnik DFS orientierten (envelopestrukturierten) Datennetzen gilt die Regel, einen Zustand über mindestens 24 Bits (3 envelopes) konstant zu halten und einen empfangenen Zustand von mindestens 16 Bits als gültig zu registrieren. Die Technik des DFS erlaubt dieses nicht mehr. Im Gegensatz zum Zählen von Bits werden hier Zeitbedingungen gesetzt, die auch durch die Rahmenbildung mindestens Vielfache von 2 ms sind. Für gesendete Zustände gilt, sie für mindestens 30 ms stabil zu halten: empfangene Zustände dürfen nach mehr als 2 ms als ein gültiger Zustand erkannt werden. Daneben sollte angemerkt werden, daß die meisten Zustände quittiert werden und bis dahin keine Änderung des gesendeten Zustands erfolgen soll. Erfolgt keine Quittung, regeln Zeitüberwachungen, welche Folgezustände einzunehmen sind. Eine weitere Regel, die die CCITT-Empfehlung nicht enthält, ist, nur gültige Zustände einzunehmen. 5.2

Registersignalisierung

Obwohl an der X.21prs-Schnittstelle immer mit der Nennübertragungsgeschwindigkeit gearbeitet wird, ist auf der Seite der Vermittlungstechnik für alle Übertragungsgeschwindigkeiten eine einheitliche Lösung vorgesehen. Diese Lösung arbeitet mit 64 kbit/s. Beim Einsatz des DFGT64 sind keine Besonderheiten erforderlich. Beim Einsatz des NFGT2048UE hingegen sind Maßnahmen getroffen, um die unterschiedlichen Übertragungsgeschwindigkeiten anzupassen. In der Senderichtung des NFGT2048UE werden die Zeichenfolgen der Signalisierung zwischengespeichert und zeichenweise im Zeitkanal 1 eines jeden Pulsrahmens übermittelt. Die übrigen Zeitkanäle, die zur Bildung der Nenn-Übertragungsgeschwindigkeit erforderlich

sind,

erhalten

einen

Ruhecode

(01010100).

Dieser

Mechanismus erfordert erheblichen Aufwand für die Erken-

307

Fachbeiträge nung der Zeichenfolgen des Verbindungsaufbaus mit „SYN“-

und „+“-Erkennung für die Zwischenspeicherung.

In der Empfangsrichtungist eine andere Variante vorhanden. In der Vermittlung

werden

die Zeichenketten

mit

„SYN“-

Zeichen so aufgefüllt, daß eine Behandlung im NFGT2048UE nicht erforderlich ist. Es ist Angelegenheit der DEE die unnötigen „SYN“-Zeichen

zu verwerfen.

Die Formel für die Einblendung der „SYN“-Zeichen lautet: Anzahl „SYN“ = „n“ — 1. Die Formel kollidiert bei „n“=2 mit

der Forderung, immer mindestens zwei zusammenhängende Tabelle

5: Dienstsignale

Code

;

00 01

ı ı

DEE DEE

20 21 22 23

ı ı ı ı ı

keine Verbindung DEE besetzt Wahlprozedurfehler Übertragungsfehler in der Wahlinformation

41 42 43 44 45 46

v ’ ‘

’ Zugang gesperrt ’ ' Rufnummer geändert ' DEE nicht erreichbar ‘ DEE gesperrt ’ DEE nicht betriebsbereit DEE nicht betriebafähig ı ’ Ungültiges Leistungsmerkmal ' Rufen Sie die Auskunft an ’ ® Benutzerklasse nicht kompatibel °

|

Auslösung, kurzfristige Rufwiederholung nicht sinnvoll

Netz

ı ı

Auslösung, kurzfristige wiederholung sinnvoll

' ’ ’

ı ° ' ’ '

! ’

Bedeutung erreicht wird gerufen

ı 1)

überlastet

ı ı ı ı '

'

ı' 1)

308

Nur

bei

Mehrpunktverbindungen

Aktion

der

DUE

ı 1 Auslösung, kurzfristige wiederholung sinnvoll

Ruf-

Ruf-

Anschlußtechnik DFS „SYN“-Zeichen

zu senden und wird deshalb hier nicht ange-

wendet. Eine andere Forderung der CCITT-Empfehlung ist, die Zeichenfolgen „BEL“ und „+“ kontinuierlich auszusenden. Hier wird eine Ausnahme von der „SYN“-Einblendung

gemacht. 5.3

Länge der Zeichenfolgen

Die maximale Länge der DÜE-Informationen ist einschließlich der ggf. einzublendenden „SYN“-Zeichen durch die CCITT-Empfehlung von 1980 auf 128 Zeichen begrenzt.

Tabelle

6: DÜE-Informationen

DUE-Information

'

Zeichenfolge

Anschlußkennung —__: Rufnummer? Gebührenübernehme «/> > Dom Simplex Verbindung : m m on Mehrpunktverbindung : «/> DD > OD ohne

Rückkanal

Reservierte

Verbindung

Anzeige der geschlossenen Benutzergruppe Anzeige

der

ı



1)

1. ı '





1)

° %





verfügbar

Berechtigung

zum

|

Verlassen der geschlossenen Benutzergruppe 1)

Format

abweichend

!



' | '

von

der

CCITT-Empfehlung

309

Fachbeiträge Dies ist im Netz des DFS nicht einzuhalten. Einerseits ist durch die Mehrpunktverbindungen eine Verlängerung auf512 Zeichen erforderlich, was auch so in der CCITT-Empfehlung von 1984 beschrieben ist. Andererseits ist die vorher beschriebene „SYN“-Einblendung hinzuzurechnen. Dies bedeutet eine Länge der Zeichenfolge von maximal „n“ mal 512 Zei-

chen. 5.4

Reservierungsdienst

Eine Besonderheit liegt im Reservierungsdienst. Hier kann die knappe Übertragungskapazität des Satelliten besser Tabelle

7: Anforderbare Leistungsmerkmale

Wahlfreies ‘ Leistungsmerknal! Geschlossene

Benutzergruppe Vorwärts-

gerichtete Bitfehlerkorrektur

|);

};

Zeichenfolge

; i

!

Simplex Verbindung

1 '

.





Mehrpunkt

‘







ohne

;

Reservierte

1.



SUB-UFD 11 SUB-UFD ED File A

11 >

File A

Damit ergibt sich ein eindeutiger Weg vom obersten UFD 1 über dasSUB-UFD 11 hinunter zum File A. Wenn manbereits im Directory UFD 1 ist, so ergibt sich folgende Eingabe: A *> SUB-UFD ED File A

11 >

File A

Das Symbol * > sollte immer dann der erste Teil des Pathname

sein, wenn man

an einem

Objekt arbeiten wollte, das

sich in einem der SUB-UFDs des laufenden Directories befindet. Mit dem Symbol * > wird das Betriebssystem PRIMOS aufgefordert, von dem laufenden Directory an abwärts zu 372

0

ı

!

ı

\

!

J ' \

\

\

v

| sun-uro \

\N

828

|

File

B

N

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N

\

N

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\

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x

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File \

C

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\

ı

I

\

\

max,.256

“|

N

N

Levels

N

y

File

S\

N

1

A

N

[4

‘

z

4

-

Bild 7: PRIMOS-Dateiverwaltungssystem der Disk Partition MFD 0 aufeiner 630-MByte-Festplatte

/Pirectory

Tree

XO4HNIAL

MFD

Fachbeiträge

gehen. Das heißt, daß die letzten beiden beschriebenen Eingaben in das System den gleichen Zweck erfüllen. 6

Anwendung von PRIMOS-Befehlen

Ein PRIMOS-Befehl weist das Betriebssystem zur Ausführung einer bestimmten Funktion an. Nachfolgend werden einige PRIMOS-Befehle aufgelistet und kurz erläutert: ATTACH

Mit Hilfe dieses Befehls ist es möglich, anderen UFDs zuzuordnen.

CREATE

Mit Hilfe dieses Befehls erzeugt werden.

LIST

Mit Hilfe dieses Befehls wird ein Inhaltsverzeichnis ausgegeben, das unterteilt ist nach Files und SUB-UFDs. Zusätzlich erhält man die Angabe, wieviel Dateien und SUB-UFDs in dem bestimmten UFD bzw. MFD vorhanden

COMO

Dieser Befehl erlaubt, alle Ein- und Ausgaben am Terminal parallel in eine Datei zu schrei-

können

sich

neue UFDs

sind.

ben.

COMO-Dateien

sind

nützlich,

wenn

der

Teilnehmer ein Protokoll all seiner Terminaltransaktionen während einer Sitzung haben möchte. NUSAGE

Mit diesem Befehl ist es möglich, statistische Daten, wie z.B. Verbindungszeiten zum TELEBOX-Rechner,

Rechner-Zeiten

usw.

eines

Benutzers oder ganzer Benutzergruppen abzufragen. LOGPRT

374

Ein Teil des Betriebssystems wird verwendet für Rechnerstarts, Verwaltung von Plattenspeicherfehlern usw. Alle diese Angaben werden in Form von Daten in einem internen Speicher gesammelt. Diese Dateien sind für den Teil-

TELEBOX nehmer nicht lesbar. Im Fehlerfall dienen diese Dateien der Fehleranalyse. MAX

Mit diesem Befehl wird spezifiziert, wieviele Teilnehmer sich in das System einloggen können.

SY, NSY

Diese Befehle dienen der Systemüberwachung. Dadurch ist es möglich, die augenblicklichen Tätigkeiten, die Teilnehmer im TELEBOXSystem durchführen, abzufragen.

7 Anwendersoftware von DIALCOM Das Betriebssystem PRIMOS von PRIME ist für den Anwendungsfall TELEBOX dahingehend modifiziert worden, daß die individuellen BOXEN für den Teilnehmer als geschützte selbständige Einheiten fungieren können. Es wurden teilweise bestehende PRIMOS-Befehle verändert, und neue Befehle wurden zur Verfügung gestellt. Nach ihrer Funktion läßt sich die Anwendersoftware in Software für das Betreiben des TELEBOX-Systems (Betreiber-Software) und in Software für Teilnehmerfunktionen einteilen. 7.1

Betreibersoftware

Der Betreiber der TELEBOX-Anlage Berechtigungsebene als ein Teilnehmer. Betreiberfunktionen sind:

hat eine höhere Die wesentlichen

— Betreiberzugang, —

Verwaltung der Teilnehmerdaten,

— Zuordnen von Berechtigungsebenen, — Verwalten der Adreßverzeichnisse, — Verwalten der weiteren Leistungsmerkmale (siehe Abschn. 8), — Verwalten der Gebührendaten (siehe Abschn. 9) und — Definieren von Systemdaten. 375

Fachbeiträge Die genannten Betreiberfunktionen sind in Form von Softwarepaketen im TELEBOX-System realisiert. 7.2

Software

für Teilnehmerfunktionen

Die Software für Teilnehmerfunktionen können in zwei Gruppen eingeteilt werden. Der erste Teil beinhaltet Softwareprogramme, die das eigentliche Mailsystem beschreibt, wie z.B. das Senden, Abfragen und Empfangen von Mitteilungen. Der zweite Teil der Softwareprogramme ist für den Umgang (Handling) mit dem Mailsystem notwendig. 7.3

Mailsystem

Für den Einstieg in das Mail-System braucht der Teilnehmer — nach der Einloggprozedur — lediglich das Wort „MITT“ (im

englischen „MAIL“) nach dem Anforderungszeichen (>) ein-

zugeben. Mit dem Aufruf MITT durch den Teilnehmer, wird das entsprechende Programm in den Hauptspeicher geladen. Die Mailverwaltung sieht nun vor, daß in einem bestimmten Verzeichnis (BAG) alle Informationen für die Nachricht gespeichert werden, während ein anderes Verzeichnis (BOX) die Textinhalte ablegt. Sämtliche abzusendenden Mitteilungen werden in einem File „Mail Office“ gespeichert. Um den Speicherplatzbedarf der Mail Office möglichst gering zu halten, werden wöchentlich Programme gestartet, die zur Kompensierung der Mail Office dienen. So übernimmt beispielsweise ein bestimmtes Programm die Aufgabe, die gesamte Maildatenbank dahingehend durchzuarbeiten, um Inkonsistenzen zwischen BAG und BOX zu entdecken und zu korrigieren. Wird nun eine Mitteilung in der Benutzermailbox gelöscht, so werden die Einträge in der BAG nur als gelöscht gekennzeichnet, jedoch nicht herausgelöscht. Um diese Einträge herauszulöschen, bedarf es weiterer Programmstarts.

376

TELEBOX 8 Weitere Leistungsmerkmale des TELEBOX-Systems Neben den eigentlichen Mailboxfunktionen bietet das TELEBOX-System dem Teilnehmer weitere Anwendungsmöglichkeiten an. Das Programmpaket FORMS bzw. FORMULAR erfüllt zwei Aufgaben. Mit Hilfe weniger, einfacher Befehle kann ein auf persönliche Anfordernisse abgestimmtes Formular erstellt werden. Dieses einmal so erstellte Standard-Formular ist vom Teilnehmer jederzeit abrufbar. Nachdem es vollständig ausgefüllt wurde, kann es über eine Verteilerliste in der Quellenzeile des Formulars als Mitteilung elektronisch versandt werden. Der Zugriff zu externen Rechnern, speziell zu solchen mit groBen Datenbanken, ist für viele Teilnehmer ein wichtiges Hilfsmittel. Das GATEWAY-System ist ein Softwarepaket, das dem Teilnehmer die Möglichkeit bietet, auf externe Rechner,

die am paketvermittelten Datexnetz angeschlossen sind, zuzugreifen. Das GATEWAY-System stellt dem Teilnehmer folgende Funktionen zur Verfügung: —

bedienerfreundliche

Benutzerschnittstelle,

— automatischer Verbindungsaufbau und automatisches Einloggen in externe Rechner, — Erfassung von Informationen zur Erstellung von Gebührendaten,

— Vergabe von Zugriffsrechten, daß bestimmte Teilnehmer nur bestimmte Verbindungen aufbauen können und —

Emulation der X.3-Schnittstelle für Teilnehmer,

die über

PADs am TELEBOX-System angeschlossen sind.

Das Programm FILE TRANSFER ermöglicht die Übertragung von Dateien zwischen einem Personal-Computer (PC) und dem TELEBOX-System. Es können einzelne Dateien und Batch-Dateien übertragen werden. In Zusammenarbeit mit dem Kommunikationspaket des PCs stellt das Programm eine Fehlerprüfung zur Verfügung. FILE TRANSFER akzep377

Fachbeiträge tiert unterschiedliche Dateiformate. Sowohl binäre Dateien als auch ASCII-Textdateien können übertragen werden. Mit Hilfe des Mitteilungs-Systems können Dateien weltweit zu anderen TELEBOX-Systemen gesendet werden. FILE TRANSFER kann mit allen PCs, d.h. deren Kommunikationspaketen zusammenarbeiten, die entweder ein XMODEM-Protokoll oder ein YMODEM-Protokoll unterstützen.

TRADEPOST ist ein Dienst im TELEBOX-System, der elektronische „Schwarze Bretter“ zur Verfügung stellt. Mit Hilfe eines Schwarzen Bretts kann jeder Teilnehmer Mitteilungen an alle interessierten Personen zur Kenntnisnahme „aushängen“. Die Einträge sind in verschiedenen Sparten sortiert. Sie können abgefragt, gelesen, beantwortet sowie eigene Einträge gelöscht werden. Es ist auch die Angabe einer Ablauffrist möglich, nach der der Eintrag automatisch gelöscht wird. TRADEPOST verfügt über eine Verbindung zum Mitteilungs-System. Daher können jederzeit Kopien von Aushängen an andere Teilnehmer gesandt werden. Das Schwarze Brett besitzt eine starke Ähnlichkeit mit dem Mitteilungs-System. Durch die Möglichkeit der Beantwortung von Aushängen können elektronische Konferenzen aufgebaut werden. In einer Sparte kann dann über ein bestimmtes Problem

„diskutiert“

werden,

d.h. jeder,

der möchte,

kann

einem Aushang eine Antwort schicken, die wiederum einem anderen beantwortet werden kann.

zu

von

LEARN ist ein selbsterklärendes Lehrprogramm für das TELEBOX-System. Der Teilnehmer wird Schritt für Schritt durch das Programm geführt. Nach dem Aufruf von LEARN fragt das Programm den Teilnehmer nach dem vollen Namen. Wenn er das Lehrprogramm abbricht, sind trotzdem noch seine Lernergebnisse gespeichert, verschlüsselt mit dem von ihm eingegebenen Namen. Ruft er LEARN ein weiteres Mal auf und gibt den gleichen Namen ein, so kanneran der Stelle weitermachen, an der er zuvor aufgehört hat. 378

TELEBOX LEARN

besteht aus zwei Einheiten, einem Basisprogramm

für Anfänger und einem Zwischenstufenprogramm für Fortgeschrittene. In beiden Einheiten können die einzelnen Lernblöcke in der Reihenfolge wie vorgegeben abgearbeitet werden, der Teilnehmer kann jedoch beliebig die Reihenfolge ändern bzw. einige Blöcke ganz weglassen. Jeder Lernblock ist in mehrere Abschnitte eingeteilt. In jedem Abschnitt wird erst ein Befehl erklärt und an einem Beispiel verdeutlicht. Danach kommt der UÜbungsteil, in dem der Teilnehmer zur Vertiefung des Gelernten den Befehl selbst noch einmal eingeben soll. Als Abschluß eines jeden Lernblocks hält das Programm noch einen Test bereit, mit dessen Hilfe jeder Teilnehmer selbst überprüfen kann, wieviel von dem soeben gelernten er behalten kann. Sowohl im Ubungsteil alsauchim abschließenden Test wird die Eingabe des Teilnehmers überwacht. Wird dreimal eine falsche Eingabe gemacht, so zeigt das System selbst den vollständigen richtigen Befehl an. 9

Gebührendateien

Im derzeit installierten TELEBOX-System werden in sogenannten Rohdaten-Dateien alle erforderlichen Informationen, die in Verbindung mit der Anschaltezeit, dem Speicherbedarf und dem

Nachrichtenaustausch

stehen, in bestimm-

ten, geschützten Speicherbereichen protokolliert. Die drei entstehenden Dateien werden monatlich automatisch fortgeschrieben. Aus Speicherplatzgründen werden die „Anschalt-

zeiten“ und die „Speicherbelegungsdaten‘“, nicht als ASCIIDateien, sondern in einer internen komprimierten Form abgelegt,

die

„Nachrichtendaten“

jedoch

unmittelbar

ASCII-Dateien. Die drei Dateien heißen intern:

als

— time log file (Erfassung der Anschaltzeiten und Parameter),

— storage log file (Erfassung der Speicherbelegung pro Tag und BOX) und — mail log file (Erfassung des Nachrichtenaufkommens). 379

Fachbeiträge Die Anschaltzeiten werden in 4-Sekunden-Einheiten angegeben, die Systemnummer 5stellig bereitgestellt, um die Versandadressen

Nachrichten

bedarfs kann

für

lokale,

nationale

ableiten zu können.

und

Bezüglich

der Initialbedarf einer BOX,

internationale

des

Speicher-

der sich aus dem

Betriebssystem ergibt und nicht teilnehmerabhängig ist, in der Gebührennachverarbeitung individuell angepaßt werden. Für die Verwaltung der teilnehmerbezogenen Ablage in einer BOX werden für die notwendige Organisation und für die Art der Ablage Datenblöcke benötigt, die vom Teilnehmer verursacht und damit in die Vergebührung eingehen, beispielsweise für Nachrichten, Dateien oder sonstige Daten wie auch für hierarchische Strukturen von Inhaltsverzeichnissen. Alle drei Dateien werden mit Hilfe eines Programmes als ASCII-Dateien mit vereinbahrten Datensätzen auf Magnetband übertragen. Bei der Umformatierung des „storage und time log files“ werden Unregelmäßigkeiten protokolliert und als Datei abgelegt. Im Bedarfsfall kann die Datei zur Auswertung durch den Betreiber zur Überprüfung unvollständiger Datensätze oder Abweichungen von den vereinbarten Formaten, verursacht durch Systemausfälle, herangezogen werden. 10

Datensicherung

Täglich werden dreimal im Abstand von acht Stunden automatisch der Inhalt der „Life-Festplatte A“ durch ein Phantom

(Prozeß im Hintergrund des Betriebssystems) auf die beiden anderen Festplatten B und © kopiert. Die Zeitversetzung zwischen den Festplatten beträgt ca. 21/2 Stunden (die Zeit ist abhängig von der Belastung des Systems). Gleichzeitig wird

als weitere

Datensicherung

der komplette

Inhalt der „Life-

Festplatte A“ auf Magnetband gespeichert. Um zukünftig bei dem zeitversetzten Backup-Konzept die Zeit, in der das System ohne Redundanz betrieben wird, zu minimieren, wurde das Spiegelplattenkonzept mit der Betriebssystemsoftware Rev. 19 realisiert. Bei dem Spielgelplattenkonzept 380

TELEBOX werden quasi gleichzeitig die beiden Festplatten über „time stamp Algorithmen“ geführt. Bei einem Spurfehler auf einer der Festplatten fehlen dann nur einzelne Pufferbereichsinhalte (Zeilen bei Texten). Das Lesen wie auch das Schreiben wird durch Vergleich der Einträge kontrolliert. Die dritte Festplatte © wird jedoch nach wie vor durch Kopieren von der „Life-Festplatte A“ aus auf den aktuellen Stand gebracht. Um

auch im Fehlerfalle eine größere Datensicherheit einzubauen, wird die DUALPORT-Option benutzt. Die DUALPORTOption dient der physikalischen Umschaltung der Festplatten an den jeweils anderen Rechner. Dabei wird physikalisch nicht erneut umverdrahtet, sondern nur die Softwarefunktion

als solche eingebracht. 11

Weiterentwicklung von TELEBOX

Die Anwendersoftware von DIALCOM wird ständig weiterentwickelt und den jeweils geltenden internationalen Empfehlungen des CCITT für Mitteilungsdienste angepaßt. Neben den beschriebenen weiteren Leistungsmerkmalen wird die Frage der Zugänge aus dem Telex- und dem Teletexdienst erörtert. Das eröffnet weitere Möglichkeiten für die BOX-Benutzer und für die Teilnehmer des Telex- und Teletexdienstes. Über die BOX können dann mit Hilfe eines einfachen Datenendgerätes die 1,5 Millionen weltweit vorhandenen Telexanschlüsse erreicht werden. In der anderen Richtung kann ein Telexteilnehmer auch die Partner erreichen, die keinen eigenen Telexanschluß besitzen. Das gleiche gilt auch für die Teletexanschlüsse. Mit der Übergabe von Mitteilungen aus dem Bildschirmtext-System wird dann eine Kopplung aller Mitteilungsdienste entstehen. Mitteilungen im Bildschirmtext-Dienst werden auf diese Art ebenfalls internationale Verkehrsziele erreichen können. Mit den aufgezeigten Konzepten wird im Bereich der Deutschen Bundespost ein umfassendes Mitteilungs-Übermittlungssystem entstehen, das auf den internationalen Standards des CCITT 381

firmen-

spezifisch

keine

X.100

MATL

400

Directory

Teilnehmer

M Message

TA

Transfer

Agent

Telex

Teletex

FAX

ildschi

Gateway

Gateway

Gateway

Gateway

Teilnehmer

Teilnehmer

Teilnehmer

text

DTALCOM Kontroll-

Teilnehmer

Zentrum

Bild 8: Konzept des Mitteilungs-Verbundes

MHS-System

o3eımaqydeg

[4:13

Teilnehmer

TELEBOX aufgebaut und deshalb in der Lage sein wird, international kompatible Dienstleistungen anzubieten.

12

Schrifttum:

1 [2] [3]

CCITT-Rotbuch. Empfehlungen der X.400-Serie.

[4]

Jonas,

[5]

PRIME

Tietz, W.: Stand der internationalen Normung im Bereich des „Message Handling“, NTZ, Heft 1/1984. Ch.:

TELEBOX

-

ein

öffentlicher

personenbezogener

Mitteilungs-Übermittlungs-Dienst, net-special, Heft 10/85. User’s Guide 1/85.

383

Fachbeiträge

Das DV-Entwicklungssystem (DVE) der Datenverarbeitung im Fernmeldewesen (DV F) für die Entwicklung und Pflege

von DV-Projekten Von Eberhard Zürcher

1

Vorwort

Der vorliegende Beitrag beschreibt den Einsatz des DV-Entwicklungssystems (DVE) für die Entwicklung und Pflege von DV-Projekten in der Datenverarbeitung des Fernmeldewesens (DV F). Der Schwerpunkt liegt in einer Beschreibung der vorgegebenen Ziele und Randbedingungen, den hieraus abgeleiteten Anforderungen an dasrealisierte Gesamtsystem und der DVE-Gesamtkonzeption mit den einzelnen Komponenten.

Es soll ein Überblick über das DVE als ein Verbundsystem von Einzelsoftware-Werkzeugen gegeben werden, die methodisch in den Softwareproduktionsprozeß eingebettet wurden. In bestimmten Bereichen des DVE-Einsatzes ist noch Entwicklungsarbeit zu erbringen, so daß der vorliegende Beitrag noch keinen Anspruch auf konzeptionelle Endgültigkeit erhebt. Ein Verzeichnis der Abkürzungen befindet sich am Schluß des Beitrages.

384

DV im Fernmeldewesen 2

Einleitung

Methodische Software-Entwicklung von DV-Anwendungen und -Systemen setzt voraus, daß präzise Vorstellungen über das zu schaffende Produkt und die im Arbeitsprozeß anfallenden Aufgaben bestehen. Ziel ist die Erreichung einer hohen Produktivität als auch einer höherwertigen Qualität unter Einhaltung bestimmter Termine und Produktionsmittel. Hierzu ist eine standardisierte Vorgehensweise bzw. systematische Verfahrenstechnik erforderlich, die diesen Software-Entwicklungsprozeß allgemein und einheitlich strukturiert. Dies kann nur optimal erreicht werden, wenn die Hauptaktivitäten des Software-Engineering Entwicklung, Projektmanagement, Qualitätssicherung und Pflege/ Wartung unter Berücksichtigung der vielschichtigen Interdependenzen beherrscht und durch Methoden, Verfahrenstechniken und Werkzeuge effizient unterstützt werden. Ausgehend von der Beschreibung einer solchen standardisierten Vorgehensweise mit der Integration entsprechender Methoden tritt als eine wesentliche Komponente die Schaffung einer homogenen und leistungsstarken DV-Infrastruktur für eine wirksame Softwareproduktionsumgebung hinzu. Die wichtigsten Bausteine dieser Infrastruktur sind die Einführung und Bereitstellung von leistungsfähigen Softwarewerkzeugen (Tools), diezueeinerintegrierten Softwareproduktionsumgebung vereinigt werden und so durchgängig den gesamten Entwicklungsprozeß unterstützen. Erst die Integration verschiedener Komponenten zu einem gemeinsamen in sich konsistenten Methodenund Werkzeugverbund schafft die Infrastruktur für eine effiziente Softwareproduktionsumgebung. 385

Fachbeiträge Die Gründe für das Anstoßen dieserInnovationen sindvor allem in der Notwendigkeit zur Steigerung der Softwareproduktivität, einer wartbaren und qualitativ hochwertigen Software und einer kalkulierbaren Realisierungszeit für die DVAnwendungsentwicklung zu sehen. Gleichzeitig wird durch die Einführung von bestimmten Methoden und Softwarewerkzeugen eine Einschränkung der Methoden- und Werkzeugvielfalt erreicht. Der Nutzen in

einer derartigen Entwicklungsumgebung liegt

— einer effizienten, einheitlichen Softwareproduktionsumgebung für alle DV-Entwicklungsprojekte und — einer einheitlichen Vorgehensweise inklusiv entsprechender Methoden und Dokumentation. Diese Erkenntnisse führten in der DV F zur Konzipierung eines rechnergestützten Entwicklungsund Wartungssystems für komplexe Dialog- und Datenbanksysteme. Eine solche homogene und integrierte Softwareproduktionsumgebung wird im Bereich der DV F durch die Einführung eines sog. DV-Entwicklungssystems (DVE) zur Verfügung gestellt. Dieser Methoden- und Werkzeugverbund zur ingenieurmäßigen Softwareproduktion wurde stufenweise realisiert und ist mit den wichtigsten Komponenten auf den verschiedenen Rechnersystemen bereits eingeführt. 3

Stand der DVE-Entwicklung

Da das Konzept des DVE phasendurchgängig ist, hat die Entwicklung des DVE für die einzelnen Phasen der Soft-

wareentwicklung

einen

Stand

erreicht,

der

es

ermöglicht,

hochkomplexe DV-Anwendungssysteme auf der Basis von Dialog-/Datenbankkonzepten methodisch und werkzeug-

386

DV im Fernmeldewesen unterstützt auf den verschiedenen Rechnersystemen zu entwickeln. Hervorzuheben ist das in sich geschlossene DVE-Konzept, d.h. die erreichte Integration von Vorgehensweise, Methode, Dokumentation und einheitlicher Werkzeugunterstützung für die verschiedenen Rechnersysteme sowie die dadurch erreichbare hohe Standardisierung der DV-Anwendungsentwicklung. Die bei der Realisierung des DVE beachteten wichtigsten Randbedingungen der DV F und die daraus resultierenden Erfordernisse haben wesentlich das Konzept und den Funktionsumfang des DVE bestimmt. Das realisierte und in Erprobung befindliche DVE-System wird derzeit auf den verschiedenen Rechnersystemen der DV F eingesetzt und entsprechend den Anforderungen der DVE-Anwender ständig weiterentwickelt und optimiert. 4

4.1

Merkmale

des DVE

Systemarchitektur des DVE

Das DVE - seine Systemarchitekturistin Bild 1 dargestellt — ist konzipiert als ein integriertes Methoden- und Werkzeugsystem, bestehend aus einem Verbundsystem von singulären Softwarewerkzeugen mit einer gemeinsamen, umfassenden und bedienerfreundlichen DVE-Benutzeroberfläche zur optimalen Unterstützung der Entwicklung und Pflege von DVProjekten nach der im Projekthandbuch (PHB) beschriebenen methodischen Vorgehensweise und Dokumentation. Mit dem DVE ist somit die bis zur Softwaregenerierung phasendurchgängige Werkzeugunterstützung der Entwicklung, Wartung und Pflege von hochkomplexen Dialog- und Datenbanksystemen, einschließlich von solchen mit gemeinsamen Funktionen und Datenbeständen, möglich. Das DVE entspricht dem aktuellen Stand des Softwareengineerings und ist deshalb vergleichbar mit Softwarepro387

VE-Benutzeroberfläche(B.O.) In

-

Be te) SEI, SS; ment |verwai- |E3& |vermal b

&2

sg

“

®

Ten

EZI|omR.

238

CONTROL MANAGER

dung

Konsmtenzprulung|Deita- | Delta-

Nentenu

>|" datenberssen

»

wn>

>

Memberpflege Abfragen Auswerten Normalisieren Generieren

Informationen . Bereitstellen DDInformationen . Auswahl DELTAInformationen . Bereitstellen

. Definieren/ Ändern Dok.-Umfang . Erstellen Projekt-/ Phasen -Dokumentation

>

. Auswahl DD-

DMR/DSR

"

Textpflege Abfragen Auswerten Druck PHB Durchführungsplan

DD/DELTA

. Arbeiten mit

GenerierungsFunktion

Elemente Verwalten

So

. VorgehensmodellAuswertungen-/ Abfragen

DELTA-

DELTA-

Schnittstelle

Vorgehens modell

DV im Fernmeldewesen mit deren Funktionsspektrum und den Leistungsmerkmalen der DVE-Basistools die wichtigsten Funktionen für eine effiziente Softwareentwicklung.

8

Wie werden die DVE-Basistools vorgehensmäßig und methodisch

8.1

eingesetzt?

Einsatz des Werkzeugs DELTA

in der Phase „Fach-

lich-organisatorisches Konzept“

Da das Konzept des DVE „phasendurchgängig“ ist, d.h. für die nachfolgende Phase die Informationen auf der Werkzeugebene redundanzfrei, methodisch und formatgerecht vorliegen, ist es von großem Vorteil, die vorgesehenen Methoden und Werkzeuge bereits im fachlich-organisatorischen Konzept (PHB-Phase 3) einzusetzen. Der Einsatz von DELTA für die Entwicklung des Fachkonzeptes erfolgt bei folgenden Aktivitäten: — In der Spezifikationsphase Die Feinspezifikation der Elementaraufgaben (=Verarbeitungsregeln) mit Hilfe des „Strukturtextes“. Hierfür ist der ®

Entscheidungstabellen-Generator „DETAB“

— Analyse von ETab und Dokumentation ® Strukturtext-Generator „SPP“ — Dokumentation der Verarbeitungsregeln fische Aufbereitung

und

und

gra-

vorgesehen. Der Strukturtext besteht aus freien verbalen Beschreibungen, die durch formal festgelegte Sprachelemente (Konstrukte) strukturiert werden. Der Delta-Generator bereitet den Strukturtext als Einrückdiagramme oder als Nassi-Shneiderman-Diagramme auf. 425

Fachbeiträge —

In der Synthesephase Ausgehend von den beschriebenen Funktionen und Leistungsmerkmalen,

unterstützt

der

Arbeitsschritt

„Ent-

wurf des Dialogsystems“ die systematische Entwicklung, Festlegung und Dokumentation ® der Menüsteuerung, ®@ der Listen- und Masken-Layouts. Der Einsatz von DELTA für die Entwicklung und Dokumentation erfolgt mit folgenden Komponenten: ® Maskengenerator „SCREEN“ — Layout und Dokumentation der Masken ® Listen-Generatur „REPORT“ — Listenentwurf und Dokumentation ® Prototyping „OSP“ und „SCREEN“. — Simulation des Dialogablaufs.

9

Erfahrungen,

Ausblick

Die bisherigen Erfahrungen in den Einführungsprojekten beim Einsatz des DVE haben gezeigt, daß die breite Akzeptanz und der Erfolg eines solchen neuen Softwareproduktionssystems einerseits von einer qualifizierten und ausreichenden Unterstützung, andererseits von einer konsequenten Unterstützung durch das Management abhängig ist. Rationelle Softwareentwicklung ist nur mit hochqualifiziertem Personal in Verbindung mit einer methodischen und werkzeugunterstützten Vorgehensweise möglich. Hieraus lassen sich folgende Anforderungen an das Personal ableiten: Es müssen gute bis sehr gute Kenntnisse vorliegen und zwar: systembezogen 426

(Grundsoftware, Betriebssystem),

DV im Fernmeldewesen werkzeugbezogen

(Data-Dictionary-/DELTA-Bedienung, DVE-Benutzeroberfläche, Vorgehensmodell),

realisierungsbezogen

(Programmiersprachen, Methoden, Datenbanksysteme, TP-Monitore usw.),

fachbezogen

(DV-Anwendung).

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist eine Spezialisierung des einzelnen unerläßlich. Durch die Standardisierung des Softwareentwicklungsprozesses wirdjedoch ein effektiver Einsatz des Personals während der Entwicklung und insbesondere bei der Pflege ermöglicht. Das erstmalige Anwenden des DVE in den Projekten bedarf einer umfassenden, motivierenden Einsatzvorbereitung, die sich im Rahmen der Projektunterstützung in Form einer intensiven Fortbildung, Einarbeitung und Betreuung der Projektmitarbeiter fortsetzen muß. Unser erstes Hauptziel bei der Realisierung des DVE

war es,

den Kern der standardisierten Vorgehensweise mit Hilfe eines integrierten Methoden-und Werkzeugverbundes für die PHB-Phasen 3, 4 und 5 der Systementwicklung zu unterstützen. Selbstverständlich muß dieses DVE ständig weiterentwickelt und den jeweiligen Bedürfnissen sowie dem neuesten Stand der Softwaretechnologie angepaßt werden. Besonders stellen die Aufgaben des Projektmanagements und die Qualitätssicherung zwei sehr wichtige Elemente dar — besonders bei immer komplexer werdenden Projekten — die entsprechend dem heutigen Technologiestand in diese Softwareentwicklungsumgebung integriert werden müssen.

427

Fachbeiträge Für die Wahrnehmung des o.g. Aufgabenspektrums muß das DVE um geeignete Werkzeuge ergänzt werden, die einerseits eine quantitative Projektplanung, -Steuerung und -Kontrolle, andererseits eine entwicklungsbegleitende Qualitätssicherung ermöglichen. Der laufende Know-how-Transfer aus den Projekten, die Vielzahl der Erweiterungsanforderungen und -Wünsche nach methodischer Tool-Unterstützung erfordern für die nähere Zukunft eine intensive Weiterentwicklung des DVE. Abkürzungen

DVE: PHB: DMR: DSR: CMR: DVEF: VM: FTZ: DSt Dv:

DV-Entwicklungssystem Projekthandbuch DATAMANAGER DESIGNMANAGER CONTROLMANAGER Datenverarbeitung des Fernmeldewesens Vorgehensmodell Fernmeldetechnisches Zentralamt Dienststellen Datenverarbeitung bei den Fernmeldeämtern OPDn: Oberpostdirektionen DV: Datenverarbeitung ZORG FF: Zentrale Organisation im Fernmeldewesen DD: Data-Dictionary ED: EDITOR ETab Entscheidungstabellen BO: Benutzeroberfläche KDS: Konzeptionelle Datenstruktur QS: Qualitätssicherung PDL: Processor Definition Language PB: PBenutzersichten

428

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