Modulator-Demodulator

Vorderseite eines V.90-Modems

Ein Modem (aus Modulator und Demodulator gebildetes Akronym oder Kofferwort, daher auch der Modem) dient dazu, Signale mit Hilfe eines oder mehrerer Trägersignale an die jeweiligen Eigenschaften des Übertragungswegs anzupassen. In Senderichtung wird ein Träger dem zu übertragenen Signal entsprechend verändert, in Empfangsrichtung die ursprüngliche Information aus dem modulierten Trägersignal zurückgewonnen.

Die Unterscheidung zwischen "Analog-Modems" und digital arbeitenden Komponenten ist dabei irreführend, da technisch jegliche Übertragung stets analog stattfindet und digitale Information gegebenenfalls nur auf logischer Ebene interpretiert wird. So sind DSL-Modems in keiner Weise digitaler als althergebrachte Sprachbandmodems, sie arbeiten lediglich mit größeren Bandbreiten auf der Telefonleitung sowie mächtigerer Symbolwertigkeit.

Geschichte des Modems

Modulationsverfahren wurden seit langem in der Rundfunktechnik und später in der Trägerfrequenztechnik der ehemaligen Deutschen Bundespost eingesetzt (wireless modulation). Inzwischen werden sie auch sehr stark in der leitergebundenen Kommunikation verwendet (wireline modulation)

Die ersten Modems in Deutschland wurden ab 1966 von der Deutschen Bundespost eingesetzt. Diese Geräte hatten ein Blechgehäuse mit den Außenmaßen von etwa 60 × 30 × 20 cm und waren für Wandmontage vorgesehen. Sie wurden Übergangsmodem D 1200 S genannt. Die Bezeichnung 1200 stand für die maximale Übertragungsgeschwindigkeit in Bit/s; das S für Serielle Übertragung (zur Unterscheidung von Modems mit paralleler Übertragung). Als direkte Nachfolger gab es Modems als Tischgerät mit der Bezeichnung Einheits-Postmodem D 1200 S und Einheits-Postmodem D 200 S. Diese entsprachen den ITU-T-Empfehlungen V.23 (1200 Bit/s, Halbduplex-Betrieb, Möglichkeiten eines Hilfskanals und einer synchronen Übertragung durch Einsatz einer Taktbaugruppe) bzw. der V.21 (asynchrone Duplex-Übertragung mit 200 oder 300 Bit/s). ^[1]

Bis Mitte der 1980er Jahre war es in Deutschland wie in vielen anderen Ländern nicht erlaubt, andere als posteigene Modems an die Telefonleitung anzuschließen. Das Modem zählte als Netzabschluss, der wie die Leitung auch zum Telefonnetz und damit zum Hoheitsbereich der staatlichen Deutschen Bundespost gehörte. Als trotzdem zunehmend private Modems benutzt wurden, weil diese erheblich billiger und außerdem noch schneller waren als die Post-Modems, ließ sich das Modem-Monopol nicht mehr aufrechterhalten und wurde aufgehoben.

Modulationstechniken

• Telefon: ITU-T- (bis 1992 CCITT-) Standards, Datenraten
• Kabel: 2x Simplex (ab 2 Adernpaare), Halbduplex, (Voll-)Duplex (benötigen nur 1 Adernpaar)

Modem-Varianten

Telefonmodems

Telefonmodems sind an die Besonderheiten des Telefonnetzes angepasst. Für die Übertragung steht allein das Frequenzband von 300 Hz bis 3400 Hz zur Verfügung. Anschlüsse an einer digitalen Vermittlungsstelle erweitern dieses Band auf 0 bis 4000 Hz. Die ersten Telefonmodems für den Computer-Massenmarkt wurden noch nicht elektrisch ans Telefonnetz angekoppelt, sondern stellten die Verbindung mittels geeigneter Schallwandler über den Hörer eines vorhandenen Telefones her. Dieser wurde mechanisch am Modem befestigt. Sie wurden deshalb Akustikkoppler genannt. Nebengeräusche führten schnell zu Übertragungsfehlern, weshalb die Schalen der Akustikkoppler oft in Kissen eingehüllt wurden. Dabei wurde mit 110 baud, später 300 baud mit dem Modulationsverfahren FSK übertragen. Da die zu übertragenden Daten typischerweise gemäß dem Standard der seriellen Datenübertragung auf Leitungen V.24 bzw. RS232 kodiert waren, ergab sich in der Praxis eine geringere effektive Datenrate. Diese frühen Modem-Typen mussten von der Deutschen Bundespost, die sie einer Typmusterprüfung unterzog, für die Anschaltung eine Zulassung erhalten.

Die Ungleichung Datenrate ist kleiner als Baudrate wurde erst durch die Realisierung von intelligenteren Modems mit eingebauter Datenkompression aufgehoben. In dieser Zeit wurde auch durch die Telekommunikationsfirma Hayes der heutige De-facto-Standard für Modems, der sogenannte AT-Befehlssatz in ihre Modems implementiert, der später von zahlreichen Herstellern übernommen und erweitert wurde. Leistungsfähigere Modulationsverfahren wie PSK und QAM, sowie eine intelligente Messung und Aushandlung der für die Leitung und die Gegenstelle maximal möglichen Baudrate nach dem Verbindungsaufbau steigerten die erreichbare Übertragungsgeschwindigkeit weiter.

Da die Prozessoren von Modems immer leistungsfähiger wurden, gibt es heute weitere Leistungsmerkmale, die den Grundrahmen des Modem-Konzepts sprengen. Zu nennen sind insbesondere die Fax-Funktion (Faxmodem) und die Anrufbeantworter-Funktion (Voice-Modem). Es gibt sogar Modelle, die das computergestützte Telefonieren erlauben. Die Unterstützung schlägt sich durch zusätzliche Befehle im Rahmen des AT-Befehlssatzes nieder. Es gibt mittlerweile sogar Modems mit integrierten Fax und E-Mail Protokollen (POP3/SMTP) sowie Short Message Service(SMS)-Funktionalität zum autonomen Versand/Empfang von Nachrichten.

Im analogen Telefonnetz, in dem die Übertragungsbandbreite auf 3,1 kHz begrenzt ist, ist nach dem Shannon-Theorem die maximale Datenübertragungsrate bei üblicher Leitungsqualität auf 30 bis 40 kbit/s begrenzt. Eine Download-Datenrate von 56 kbit/s (V.90, V.92) ist im Telefonnetz nur bei einem Analoganschluss möglich, der an eine digitale Vermittlungsstelle gekoppelt ist. Dabei synchronisiert sich das Modem mit dem Wandlertakt der Vermittlung. Die sendende Gegenstelle, z. B. ein Einwahlknoten, muss hierzu jedoch voll digital sein. Die Upload-Geschwindigkeit bleibt jedoch weiterhin analog begrenzt.

Modemverbindungen per Telefonnetz werden auch oft als Dial-Up-Verbindung bezeichnet, da vor der Herstellung der Datenverbindung ein Wählvorgang notwendig ist. Beispiele für Modem-Wählverbindungen sind z. B. BTX, Datex-P oder die analoge Einwahl ins Internet über einen Internet-Provider. Die Einwahl per ISDN unterscheidet sich davon insofern, als dort alles digital abläuft, also nicht mehr moduliert wird und somit auch kein Modem mehr beteiligt ist.

Während in der Frühphase vor allem Fernschreiberaufgaben an Modems delegiert wurden, kam es später zur Entwicklung der Mailboxszene, die mit Protokollen, wie Kermit oder Z-Modem arbeitete. Daneben fand sich im kommerziellen Bereich X.25 als Datenvermittlungsschicht. In heutiger Zeit dominiert vor allem TCP/IP als Vermittlungs- und Sicherungsschicht für den Datenaustausch per Telefonmodem.

Faxmodems

Internes Fax-Modem (FerrariFax)

Ein Faxmodem ist ein Modem, das neben seiner gewöhnlichen Funktion zur Datenübertragung auch ein Protokoll zur Übertragung von Faxen beherrscht. Die meisten Faxmodems können Faxe mit 14400 bit/s (Bits pro Sekunde) übertragen. Die Übertragung erfolgt dabei über gewöhnliche Telefonleitungen.

Mit Hilfe eines Faxmodems kann man einen Computer also als Faxgerät verwenden – oft nur zum Senden, aber auch das Empfangen ist möglich.

Softmodems/Winmodems

Softmodems sind spezielle Modems, bei denen einige Teile der Hardware-Funktionalität in den Gerätetreiber ausgelagert wurden. Meistens werden aus Kostengründen Hardwarebestandteile weggelassen, und die dadurch entstehende Lücke muss durch Software geschlossen werden. Winmodems sind Softmodems, die insbesondere für Microsoft Windows hergestellt wurden. Sie funktionieren meistens nur mit den zur Zeit ihrer Herstellung aktuellen Windows-Versionen. Auf alternativen Betriebssystemen, wie zum Beispiel Linux können sie nicht oder nur mit Schwierigkeiten verwendet werden, da hier meist keine Treiber existieren.

Standleitungsmodems

Kabel- bzw. Standleitungsmodems

Im Gegensatz zu den Telefonmodems bieten Standleitungsmodems eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung. Sie sind also fest mit immer derselben Gegenstelle verbunden; ein Wählvorgang vor der Verbindungsaufnahme entfällt somit.
Standleitungen werden meistens von Banken und Großunternehmen genutzt.
Vergleichbare, kostengünstigere Lösungen für den Heimbereich sind meistens nur Quasi-Standleitungen, da der Anbieter oft eine Zwangstrennung der Verbindung im Tageszyklus vorsieht.

Während die Bandbreite im analogen Telefonnetz aus technisch-wirtschaftlichen Überlegungen heraus begrenzt ist, erlauben die normalen (teilweise geschirmten) Zweidraht-Telefonleitungen durchaus höhere Bandbreiten.

DSL-Modems

Mit einer geeigneten Gegenstelle sind wesentlich höhere Übertragungsraten möglich. Das wird bei DSL in den Varianten ADSL und SDSL umgesetzt. Das Endgerät beim Nutzer ist weiterhin ein Modem, wenn auch mit erheblich größerer Bandbreite. Um die analoge oder digitale Telefonie auf derselben Leitung gleichzeitig übertragen zu können, belegt das DSL-Signal einen höheren Frequenzbereich. Die Signale werden durch einen sogenannten Splitter wieder getrennt. Gebräuchliche Datenraten bei ADSL reichen bis 25 Mbit/s im Download. Der Upload ist bei ADSL auf einen niedrigeren Wert begrenzt. Die Datenrate unterliegt bei großem Abstand zur Vermittlungsstelle aus technischen Gründen Begrenzungen. An der Vermittlungsstelle wird meistens an einen rein digitalen Netzwerk-Backbone angekoppelt.

Für Details siehe: DSL-Modem

Kabelnetz-Modems (über Kabel-TV-Netze)

TV-Kabelnetz-Modems sind als eine Art Standleitungsmodem zu sehen. Früher wurde teilweise zusätzlich ein Telefonmodem verwendet, um einen Rückkanal zu ermöglichen. Diese Technik ist heute nicht mehr erforderlich, da Anbieter wie Kabel Deutschland, KabelBW oder Unitymedia ihr Kabelnetz mittlerweile mit Rückkanal ausbauen. Über TV-Kabelmodems werden heute die gleichen Datenraten wie bei der Datenübertragung mittels DSL-Modems bis hin zu den VDSL2-Datenraten (50 MBit/s) angeboten. Die Kabelnetzbetreiber implementieren meist auch Telefonie über die Kabelmodems.

Für Details siehe: Kabelmodem

Funkmodems

Modems zur Datenübertragung per Funk unterscheiden sich zwar nicht prinzipiell von ihren Leitungsvettern, sind jedoch als Einzelobjekt wesentlich seltener anzutreffen. Meist sind Funkmodems in anderen Geräten integriert, etwa in Mobiltelefonen und der jeweilige Kanal wird mehrfach genutzt, z. B. bei Tonrufsystemen für Sprache und Daten.

Insbesondere im Funkbereich finden sich zahlreiche Anwendungen, mit denen Fernwirk- oder Fernsteuerungsaufgaben per Modulation gelöst werden, unter anderem bei Funkfernsteuerungen im Modellbau. Es handelt sich hier in der Mehrzahl der Fälle nicht um die Übertragung von Datenströmen, sondern um die Übertragung von in Echtzeit produzierten Einzelinformationen.

Datenübertragung per Funk findet sich z. B. im Richtfunk, aber auch im Packet-Radio-Netz der Funkamateure oder im CB-Funk. Auch das GSM-Netz benutzt ebenso wie UMTS Modulation, wobei hier oftmals von digitaler Modulation gesprochen wird, um von der analogen Modulation im Vorgängersystem, dem C-Netz zu unterschieden. Der Unterschied bewegt sich hierbei in der Beschaffenheit des Eingangssignals in den Modulator, bevor dieses in ein Funksignal umgesetzt wird, während der Funkkanal der ganz normalen Wellenphysik gehorcht. Die in zunehmenden Maß verbreiteten UMTS-Datenkarten sind Funkmodems.

Stromleitungsmodems

Auch die Modulation von Datensignalen auf Stromleitungen ist möglich. Der am weitesten verbreitete Anwendungsfall ist die so genannte Rundsteuertechnik der Energieversorgungsunternehmen, mit denen z. B. die Umschaltung der Stromzähler zwischen Tag- und Nachtstrom bewerkstelligt wird.

In jüngerer Vergangenheit wurden auch Vermarktungsversuche für Hochgeschwindigkeitsmodems (meistens bis etwa 1 MBit) unter dem Sammelbegriff PLC (PowerLine Communication) unternommen, die aber über die Erprobungsphase nie hinauskamen und im Endeffekt nicht an das Preis-/Leistungsverhältnis (höherer Aufwand bei niedrigerer Leistung) sowie die Übertragungssicherheit der DSL-Technik heranreichen konnten. Auch die durch diese Technik erzeugte HF-Störungen sind nicht unproblematisch. Die Technik nutzt dabei typischerweise zahlreiche einzelne Trägerfrequenzen im Bereich zwischen 500 kHz und 10 MHz zur Modulation und Demodulation der Nutzdaten.

Modem-Bauformen

Verschiedene Bauformen des gleichen Modems

Überspannung und deren Folgen

Das typische PC-Modem ist ein externes Gerät in flacher Bauform mit serieller Schnittstelle. Es wird meist per RS232 oder zunehmend durch USB mit einen Rechner verbunden. Die Stromversorgung erfolgt normalerweise durch ein Steckernetzteil. Zur Statusanzeige befindet sich an der Vorderseite oft eine Zeile mit Leuchtdioden, die den Zustand der Schnittstellenleitungen anzeigen.

Im professionellen Bereich gibt es daneben auch eine Bauform, die den Einbau in 19-Zoll-Gehäuse erlaubt. Im industriellen Bereich hat sich für Modems ein Gehäuse für die DIN-Hutschienenmontage im Schaltschrank etabliert.

Eine alternative Bauform für Modems ist die Steckkartenform für einen standardisierten Steckplatz (i.a. PCI bei stationären PCs, Mini-PCI oder PCMCIA bei Notebooks) oder einen proprietären Sockel. Hier ist meistens noch eine zusätzliche Kapselung oder Schirmung vorhanden, um die Störstrahlung des PC-Inneren von der Außenwelt und die Störungen der Telefonleitung vom PC-Inneren zu trennen. Die Statusanzeige eines solchen Modems wird meistens durch Computersoftware am Bildschirm des Rechners realisiert.

Modems können auch in die Hauptplatine eines Rechners integriert werden. Dieses ist jedoch nur begrenzt empfehlenswert, da es je nach Region durchaus möglich und nicht unwahrscheinlich ist, dass ein Modem durch Überspannungen auf der Telefonleitung beschädigt wird und somit der gesamte Rechner schadhaft wäre und ersetzt werden müsste. Modulare Systeme erlauben dagegen eine wesentlich differenziertere und kostengünstigere Fehlerbehandlung. Allerdings gibt es Steckerleisten, welche auch einen Überspannungsschutz für die Telefonleitung enthalten.

Hersteller von Modem-Hardware

Ein Stapel verschiedener Wählleitungsmodems

• AVM GmbH
• Bausch Datacom, 1990 Hersteller der ersten Niedrigpreis-Modems für die Firma Vobis
• Baycom, Hersteller von Amateurfunk-Modems
• Conexant (ehemals Rockwell), liefert insbesondere OEM-Chipsätze
• devolo (früher ELSA AG)
• Diamond Multimedia mit der Marke Supra und Modellen wie Supra Express
• Dr. Neuhaus, mit den Modems der Smarty- und FURY-Reihe, neben ELSA einer der ersten Hersteller von Modems mit Postzulassung für den Privatanwender (seit 1988)
• Hayes, setzte den AT-Standard
• INSYS, Hersteller industrieller Modems
• IBM
• miro
• Motorola
• PHOENIX CONTACT Hersteller industrieller Modems
• Sprint, US-amerikanische Telefongesellschaft
• Telebit, deren „TrailBlazer“ hatte ein ähnliches Modulationsverfahren wie heute DSL
• Tixi.Com, Hersteller industrieller Modems
• US Robotics/3Com, mit der Marke Courier
• Westermo, Hersteller industrieller Modems
• ZyXEL

Siehe auch

• Modem für Parallelübertragung
• Akustikkoppler
• Computer
• Personal-Computer
• Kommunikation
• Augendiagramm
• Wahlsperre
• RJ-XX

Weblinks

• Download von Modem-Treibern
• Linksammlung zu Modem-Standards und Netzwerktechnik – engl.
• Modulationsstandards
• Information zu Kabelmodems – deutsch

Quellen

WebSite von Dr. Neuhaus – http://www.neuhaus.de/frameset.htm?historie.htm

1. ↑ Diapositive für den Unterricht, Stand 1. April 1974, Fernmeldetechnisches Zentralamt, Referat B 34, Diapositiv-Archiv. Reihe 64.01, Datenübertragung, DK 621.391, 11.1966 Beschreibung auf den Dias: DBP, FTZ/FSA Dmst, Urh: FTZ VIIIB/1966