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/ Cream of the Crop 22 / Cream of the Crop 22.iso / comm / rockw56k.zip / ROCKW56K.TXT
Text File  |  1996-10-03  |  19KB  |  379 lines

  1.  
  2. ============================================================================= 
  3. * Forwarded by Chad Simmons (1:142/550.4) 
  4. * Area : REMEMBER 
  5. * From : Craig Ford, 1:106/2001 (25-Sep-96  22:57:47) 
  6. * To   : All 
  7. * Subj : 56Kbps Modems 
  8. ============================================================================= 
  9. * Copied from: COMM 
  10. Hello All! 
  11.  
  12. This is an ASCI rendering of a white paper on the new 56Kbps modems announced 
  13. by Rockwell found at http://www.nb.rockwell.com/nr/modemsys/hispeed.html. 
  14.  
  15. Hopefully it will answer many of the questions that have been raised about 
  16. the technology and its application. I have no information on availability or 
  17. pricing of the devices. 
  18.  
  19. ==============================================================================
  20.  
  21.  
  22. 56 Kbps Communications Across the PSTN 
  23. A new era in dial up communications 
  24.  
  25. - The Communications Path 
  26. - Dealing with the communications path 
  27. - Problems in the network 
  28. - Shannon's limit 
  29. - The upstream channel 
  30. - Standardization 
  31. - Connection limitations 
  32. - Summary 
  33. - Footnotes 
  34.  
  35. This paper describes the basics of the 56 Kbps modem technology recently 
  36. announced by Rockwell Semiconductor Systems. 
  37.  
  38. The basic concept behind this communications technology is that the public 
  39. switched telephone network (PSTN) is increasingly a digital network and not 
  40. an analog network.  Existing analog modems, such as V.34, view the PSTN as 
  41. an analog system, even though the signals are digitized for communications 
  42. throughout most of the network. 
  43.  
  44. Figure 1:  The components of a modem connection in a digital network 
  45.  
  46. [-------]   [        ]                [       ]                 [-------] 
  47. | MODEM |   | LINEAR | 2-WIRE TWISTED | m-LAW | 64K         64K | MODEM | 
  48. |       |---|        |----------------|       |-----[delay]-----|       | 
  49. |  DSP  |   | CODEC  |      PAIR      | CODEC |                 |  DSP  | 
  50. [-------]   [        ]                [       ]                 [-------] 
  51.  
  52. Additionally, more and more, central site modems [1] are connected to the 
  53. PSTN via digital connections (T1 in the Untied States and E1 in Europe [2] 
  54. ) and do not utilize a codec [3] .  The modem interprets this digital 
  55. stream as the representation of the modem's analog signal. 
  56.  
  57. Rockwell's announced 56 Kbps technology looks at the PSTN as a digital 
  58. network which just happens to have an impaired section in the 
  59. communications path. That impaired section is, of course, the copper wire 
  60. connection between the telephone central office and the user's home, 
  61. usually referred to as the analog local loop. 
  62.  
  63. THE COMMUNICATIONS PATH 
  64.  
  65. When a user at his/her home calls a central site T1 connected modem, the 
  66. network situation can be represented by Figure 1, below.  The user is 
  67. connected to the network via a two wire twisted pair [4] copper line.  At 
  68. the central office, this twisted pair line is terminated by a special type 
  69. of transformer, called a hybrid, which converts from two wire to four wire 
  70. [5] .  This four wire connection is then connected to a codec.  In the 
  71. United States, this codec is called a mu-law codec, named for the technique 
  72. used to space the sample points (which are also called quantization levels 
  73. or quantization points).  In Europe, a different technique is used for 
  74. spacing these points, called A-law. The mu-law codec is, in turn, connected 
  75. to the digital network.  The full duple x digital data, to and from the 
  76. codec, is switched through the network to the central site modem DSP, 
  77. allowing the central site modem DSP to communicate digitally with the 
  78. mu-law codec. 
  79.  
  80. The mu-law codec has 255 non-uniformly spaced quantization levels which are 
  81. closer together for small signal values and spread farther apart for large 
  82. signal values.  The modem DSP at the central site can generate any 
  83. quantization point voltage on the analog line simply by sending the 
  84. appropriate eight bit sample to the mu-law codec.  Since the PCM codec 
  85. sampling rate is 8-KHz, these voltage levels will be generated 8,000 times 
  86. per second. 
  87.  
  88. For the modem at the user's home, the major challenge is to be able to 
  89. determine which quantization point was generated by the eight bits sent by 
  90. the central site modem, and to do it 8,000 times per second. To do this, 
  91. the modem in the home must synchronize its sample clock to the network 
  92. codec's 8-KHz clock.  Clock recovery is done in existing analog modems and 
  93. equivalent techniques are used to recover the network clock in this new 
  94. application. 
  95.  
  96. Now let's look at how data is sent.  Assume that the modem DSP at the 
  97. Internet service provider can send only two different sample values to the 
  98. mu-law codec, say the values representing the two outermost points.  The 
  99. two voltage levels on the analog line which result from sending these 
  100. sample values can be used to represent two binary values (0 and 1).  These 
  101. sample values will be sent 8,000 times per second, the network clock rate. 
  102. Further assume that the modem in the home can discriminate between the two 
  103. voltages, 8,000 times per second.  In this case, the central site modem can 
  104. send data to the user at 8,000 bits per second (bps). 
  105.  
  106. Now let's assume that the modem DSP at the Internet service provider can 
  107. send four different sample values, representing four different voltage 
  108. levels. Since there will now be four different voltage levels on the analog 
  109. line, we can assign two bits to each voltage level (00, 01, 10, and 11). 
  110. Again, sample values will be sent 8,000 times per second.  If the modem in 
  111. the home can discriminate between these four different voltage levels, 
  112. 8,000 times per second, then 16,000 bps can be transmitted. Table 1, 
  113. following, shows how the data rate increases as more voltage levels can be 
  114. transmitted and discriminated. 
  115.  
  116.                   Number of       Bits per      Line Rate 
  117.                 voltage levels    level          (bps) 
  118.                 ==============    ========      ========== 
  119.                        2             1             8,000 
  120.                        4             2            16,000 
  121.                        8             3            24,000 
  122.                       16             4            32,000 
  123.                       32             5            40,000 
  124.                       64             6            48,000 
  125.                      128             7            56,000 
  126.                      256             8            64,000 
  127.  
  128. Table 1:  The relationship between the number of voltage levels on the 
  129. analog l ine, the number of bits communicated per voltage level and the 
  130. resulting line rate. 
  131.  
  132.  
  133. DEALING WITH THE COMMUNICATIONS PATH 
  134.  
  135. To make this technology work over the analog loop, the modem must 
  136. "equalize" the line.  But this is easier said than done. 
  137.  
  138. Some of the problems encountered in equalizing the loop are caused by the 
  139. central office codecs, which are designed for voice and not data.  Also, 
  140. the transformer hybrids connecting the transmit and receive paths to the 
  141. loop introduce spectral nulls at DC.  Some of the solutions developed by 
  142. RSS engineers for these problems are being submitted as patent 
  143. applications. 
  144.  
  145. Once these issues are dealt with, the quantization levels on the analog 
  146. line are simply treated as symbols [6] in modem symbol space, in exactly 
  147. the same way as combinations of amplitude an d phase are treated as symbols 
  148. in an analog modem QAM space [7] .  And once you're in symbol space, you 
  149. can use many of the techniques already developed for traditional analog 
  150. modems to improve the modem receiver's ability to discriminate between 
  151. quantization levels, thereby improving communications accuracy and speed. 
  152.  
  153. For example, new trellis8 codes, which recognize the non-uniform spacing of 
  154. the symbols, can be created and applied to allow better discrimination 
  155. between the quantization levels, especially those near the origin.  While 
  156. not all of the existing modem coding techniques can be applied to this new 
  157. communications technology, a great many can. 
  158.  
  159. PROBLEMS IN THE NETWORK 
  160.  
  161. If everything could be done perfectly, this technique would allow 
  162. communications at 64 Kbps (8 bits per sample times 8,000 samples per 
  163. second). However, there are a number of problems which prevent operation at 
  164. this speed. 
  165.  
  166. First of all, in the United States, the link between the network and the 
  167. central site modems can be a T1 line utilizing "robbed bit signaling" for 
  168. call progress indication.  Robbed bit signaling "steals" the low order 
  169. sample bit in two of the samples per frame to indicate the status of an 
  170. incoming (or outgoing) call.  The use of this bit by the network means that 
  171. the central site modem cannot always access 8 bits per sample and this 
  172. reduces the achievable data rate. 
  173.  
  174. Additionally, the codecs in the network are not perfect.  Many have a DC 
  175. offset problem which limits the ability to utilize the quantization points 
  176. near the origin.  There may also be a significant amount of nonlinear 
  177. distortion in the circuit.  This further limits the achievable data rate. 
  178.  
  179. Finally, there is the problem of accurately determining the quantization 
  180. point which was "sent" by the central site modem DSP.  Since the 
  181. quantization points are closer together near the origin, it is more 
  182. difficult to discriminate between these points.  Depending upon the 
  183. channel, more or less of these points may have to be given up. 
  184.  
  185. Taken together, these limitations reduce the achievable data rate to about 
  186. 56,0 00 bps. 
  187.  
  188. SHANNON'S LIMIT 
  189.  
  190. Shannon's limit is determined by a number of parameters but for ordinary 
  191. telephone channels it is, to a large degree, determined by the channel's 
  192. signal to noise ratio. 
  193.  
  194. Conventional modems treat the telephone network as a pure analog channel, 
  195. so the analog signals generated by these modems see a PCM codec 
  196. quantization distortion of about 36 dB.  This distortion represents a 
  197. significant impairment as data rates are increased and limits the channel 
  198. to about 35 Kbps. The effects of PCM quantization distortion are avoided by 
  199. using a form of amplitude modulation in which the amplitude levels are 
  200. chosen to be the quantization levels of the PCM codec in the central 
  201. office.  The user's data is encoded into this quantization-level symbol 
  202. alphabet and transmitted across the local loop in digital form. 
  203.  
  204. The problem then is to equalize the local loop such that the signal samples 
  205. seen by the user's modem are equivalent to the quantization levels at the 
  206. central office codec.  This equalization problem is significantly reduced 
  207. by limiting the data transmission to a single local loop.  With this 
  208. approach of "hooking" into the middle of the channel and avoiding one of 
  209. the encoding or decoding PCM steps, the PCM quantization distortion can be 
  210. treated as a deterministic impairment, and not as a random noise source, 
  211. which is the case for the conventional analog modem.  This raises the 
  212. theoretical Shannon's limit very close to 64 Kbps, depending upon the local 
  213. loop. 
  214.  
  215. THE UPSTREAM CHANNEL 
  216.  
  217. It is more difficult to equalize the upstream channel, and therefore more 
  218. difficult to achieve the same high data rates as are achieved in the 
  219. downstream channel.  However, for Internet access, the data rate in the 
  220. upstream direction is less important than downstream, since the upstream 
  221. channel transmits mostly "key strokes and mouse clicks".  At present, a 
  222. data rate of around 30 Kbps can be attained in the upstream direction, but 
  223. research continues toward increasing the rate. 
  224.  
  225. STANDARDIZATION 
  226.  
  227. Like any dial modem technology, this new technology will have the greatest 
  228. value to users if it is standardized, so that products from different 
  229. vendors can interoperate.  RSS will be working with partners to submit the 
  230. specifications for this technology to appropriate standards groups in an 
  231. effort to gain international acceptance.  The standards bodies are attended 
  232. by some of the best minds in the modem industry so improvements should be 
  233. expected by the time the technology achieves standardization. 
  234.  
  235. This technology provides so much value to bit starved Internet users that 
  236. we expect it to be rapidly addressed by the standards bodies, especially 
  237. ITU Study Group 14 which achieved the V.34 standard, and/or ANSI TR30. 
  238.  
  239. CONNECTION  LIMITATIONS 
  240.  
  241. For this technology to operate, several things are required: 
  242.  
  243.  
  244. The modems on both ends of the link must implement this new technology. 
  245. During startup, the modems "identify" themselves and their capabilities to 
  246. each other.  Only if both modems have this capability do they try to 
  247. establish a 56 Kbps connection. 
  248.  
  249. The central site modem pool must have a digital connection to the network, 
  250. such as with a T1 or E1 line (which may or may not be ISDN). 
  251.  
  252. There must be no conversions of the digital signal within the network.  Any 
  253. conversions will prevent the modem DSP in the central site from generating 
  254. the proper voltage levels on the analog line which will prevent this 
  255. technique from operating.  Examples of digital conversions are: (1) mu-law 
  256. to A-law or vice versa (this means users will not be able to use this 
  257. technology for communications between the US and Europe), (2) conversion to 
  258. ADPCM, such as occurs in transatlantic submarine cables, (3) conversion to 
  259. analog and back to digital somewhere along the link, or (4) other signal 
  260. conversions such as ATT's TrueVoice [9] . 
  261.  
  262. To check if a fully digital path exists, with no conversions, the modems 
  263. send a "probing" signal between themselves.  If conversions are detected, 
  264. the connection is established at V.34 rates. 
  265.  
  266. These limitations are not serious, especially for Internet access which 
  267. generally involves a local telephone call. 
  268.  
  269. SUMMARY 
  270.  
  271. The 56 Kbps technique announced by Rockwell Semiconductor Systems is 
  272. achieved by viewing the public switched telephone network as a digital 
  273. network instead of an analog network.  Overcoming the limitations of the 
  274. analog loop at the customer site is not easy but can be accomplished 
  275. through the use of standard modem techniques. 
  276.  
  277. It is easier to overcome these limitations in the "downstream" direction, 
  278. resulting in an asymmetrical modem technology with higher data rates from 
  279. the service provider to the user than in the return direction. 
  280.  
  281. The theoretical Shannon's limit for this technique is close to 64 Kbps, 
  282. depending upon the local loop. 
  283.  
  284. Rockwell will work with partners to submit this specification to the 
  285. appropriate standards bodies so that an interoperability specification can 
  286. be ratified and published. 
  287.  
  288. This new communication technology announced by Rockwell Semiconductor 
  289. Systems promises to provide a new era in dial up communications 
  290. capabilities, especially for bit starved Internet power users, and another 
  291. life extension for the "analog" modem. 
  292.  
  293.  
  294. Rockwell Semiconductor Systems is the fastest growing business segment of 
  295. Rockwell. Based in Newport Beach, Calif., it comprises the Multimedia 
  296. Communications Division and the Wireless Communications Division. The 
  297. Multimedia Communications Division is the world leader in facsimile and PC 
  298. modem devices for personal communications electronics. The Wireless 
  299. -!- timEd/2 1.10+ 
  300.  - Origin: Home of the Fidonet COMM Echo * 713-458-0237 * (1:106/2001) 
  301. ============================================================================= 
  302. ~NAME All 
  303. Hi All , hope you are having a nice day 
  304.  
  305. Chad Simmons
  306. <chads@unix.collider.com>
  307. Written on Sun 29 Sep 1996 at 00:36:21.
  308. ... BEWARE - Tagline Thief in this echo
  309. --- Terminate 4.00/Pro
  310.  * Origin: Chads Point via Terminate 4.0 (1:142/550.4)
  311. ───────────────
  312.  
  313. FIDO MESSAGE AREA==> TOPIC: 105 HIGH SPEED MODEM Ref: DDW00098Date: 09/29/96
  314. From: CHAD SIMMONS                                          Time: 12:36am
  315. \/To: ALL                                                 (Read 4 times)
  316. Subj: 2 56Kbps Modems
  317.  
  318. ============================================================================= 
  319. * Forwarded by Chad Simmons (1:142/550.4) 
  320. * Area : REMEMBER 
  321. * From : Craig Ford, 1:142/550 (25-Sep-96  22:57:47) 
  322. * To   : All 
  323. * Subj : 2 56Kbps Modems 
  324. ============================================================================= 
  325. * Copied from: COMM 
  326. Communications Division offers total system solutions for advanced cordless 
  327. telephony and global positioning system (GPS) receiver engines and is 
  328. developing products and technologies to address the Personal Communications 
  329. Services (PCS) and wireless packet data markets. 
  330.  
  331.  
  332. FOOTNOTES 
  333.  
  334. 1. Central site modems are those installed at a service provider, such as 
  335. an Internet service provider, or at a corporation to allow many 
  336. simultaneous connections for Remote LAN access.  They are generally 
  337. manufactured as cards containing many modems which plug into the device 
  338. which provides the appropriate access. 
  339.  
  340. 2. A T1 line is a digital service provided by the telephone company to 
  341. provision the equivalent of 24 individual voice lines.  It operates at 
  342. 1.544 Mbps.  An E1 line is the European equivalent and provisions the 
  343. equivalent of 30 individual voice lines.  It operates at 2.048 Mbps. 
  344.  
  345. 3. Coder/decoder.  The device which sits between the digital portion of the 
  346. network and the analog local loop and converts between analog and digital. 
  347.  
  348. 4. The physical connection between the central office and the home is two 
  349. individual copper wires of 24 or 26 gauge twisted about each other to 
  350. minimize crosstalk.  It's length depends upon the distance from the home to 
  351. the central office but is normally less than 18,000 feet. 
  352.  
  353. 5. The network carries the two sides of a voice call in two separate 
  354. channels. However, the connection to the home is only two wires.  The 
  355. hybrid converts between this separate channel system, referred to as four 
  356. wire, and the two wires serving the home. 
  357.  
  358. 6. A "symbol" is an information carrying token.  In this 56 Kbps 
  359. technology, a symbol is a voltage level.  In ordinary modem technology, a 
  360. symbol is a combination of amplitude and phase.  The term "symbol" was 
  361. adopted after the original term, "baud", became corrupted in common usage. 
  362.  
  363. 7. The symbols in QAM space are created by simultaneously modulating a 
  364. carrier in amplitude and phase 
  365.  
  366. 8. A trellis code is a technique to improve the modem receiver's ability to 
  367. discriminate between two adjacent symbols. 
  368.  
  369. 9. However, TrueVoice can be disabled using the same techniques as are used 
  370. to disable echo suppressors. 
  371.  
  372. Copyright (R) 1996 Rockwell International, all rights reserved 
  373. ============================================================================ 
  374.  
  375. Regards... 
  376.  
  377. Craig 
  378. aka: cford@ix.netcom.com 
  379.