Online-Bibliothek

Scrambler

Dieser Artikel erläutert beschreibt den "Scrambler" in der Telekommunikation. Für die gleichnamige Kategorie von Motorrädern siehe Scrambler (Motorrad).

Ein Scrambler (dt. Verwürfler) verwendet linear rückgekoppelte Schieberegister (LFSR) oder fixe Tabellen, um ein Digitalsignal nach einem relativ einfachem Algorithmus umkehrbar umzustellen. Erreicht wird dabei eine Änderung der Bitreihenfolge bzw. die Generierung einer neuen Bitfolge um beispielsweise bestimmte Anforderung an den Übertragungskanal zu erreichen, über welchen die binäre Datenfolge übertragen werden soll. Allgemein gesprochen wird das Digitalsignal in ein Pseudo-Zufalls-Signal mit demselben Informationsgehalt und derselben Bitrate verwandelt. Ein Scrambler basierend auf fixen Tabellen bzw. LFSR stellt wegen der einfachen und bekannten Verfahren keine brauchbare Verschlüsselung von Daten dar.

Anwendung

Ziel des Verfahrens ist unter eine Anpassung der Nutzdatenfolge an die Übertragungseigenschaften eines Übertragungskanals zwecks Datenübertragung. Beispielsweise können bestimmte Übertragungskanäle wie ein Funkkanal keine gleichanteilbehafteten Bitfolgen übertragen. Mit Hilfe eines entsprechende Scramblers können Gleichanteile aus der Sendefolge beseitig werden. Das Ausgangssignal des Scrambler besitzt ein kontinuierlichereres Spektrum als das Eingangssignal und damit werden Energiespitzen, die Störungen in benachbarten Signalen herbeiführen können, vermieden. Zum Beispiel wird ein Scrambler bei dem Datenübertragungsverfahren ADSL oder bei ISDN verwendet. Auch Video- oder Audiodaten werden zur Kanalcodierung gescrambelt, ein beispiel ist das Serial Digital Interface welches digitale Videodaten ohne Kompression überträgt.

Realisierung

Ein Scrambler wird durch linear rückgekoppelte Schieberegister (LFSR) realisiert. Dabei wird meistens die pro Schieberegisterlänge maximale mögliche Codelänge verwendet. Dabei wird zwischen folgenden wesentlichen Strukturen unterschieden:

Synchrone (additive) Scrambler

Synchroner Scrambler/Descrambler wie er bei bei dem digitalen Fernsehstandard DVB-T verwendet wird.

Synchrone oder auch additive Scrambler benötigen einen definierten Startwert ungleich 0 im LFS-Register und der Empfänger muss durch geeignete Massnahmen, wie beispielsweise einem speziellen Sync-Wort, die genaue Codephaselage des Senders mitgeteilt bekommen. Ist dem Empfänger die korrekte Codephasenlage nicht bekannt, kann er das gescramblte Datensignal nicht richtig dekodieren.

Der Vorteil von synchronen Scramblern ist die Unabhängigkeit des LFSR vom Nutzdatenstrom. Nachteilig ist die zusätzliche Logik welche für das Erkennen des notwendigen Sync-Wortes notwendig ist und für die zusätzliche notwendige Übertragungskapazität (engl. overhead) am Übertragungskanal.

Die Struktur von Scrambler im Sender und Descrambler im Empfänger ist bei diesem Typ ident.

Selbstsynchronisierende (multiplikative) Scrambler

Selbstsynchronisierender Scrambler wie er bei dem Standard V.34 Verwendung findet

Der zu V.34 passende selbstsynchronisiernde Descrambler.

Selbstsychronisierende oder auch multiplikative Scrambler benötigen keinen definierten Startwert und auch kein Sync-Wort um die Codephase des Empfängers mit der Codephase des Senders abzugleichen. Auch kann der Startwert des LFSR beliebig sein, auch alle Register auf logisch 0 oder logisch 1 zu setzen ist zulässig. Erreicht wird die Funktion der Selbstsynchronität dadurch, dass die Nutzdatenfolge direkt auf den Inhalt des LFSR einwirkt.

Nachteilig ist die Abhängigkeit des Scramblers von der Nutzdatenfolge. So können bestimmte Nutzdatenfolgen den Scrambler vollständig "auslöschen". Das heisst, der Scrambler erzeugt dann in Folge bis zur nächsten Nutzdatenbitänderung nur noch statisch eine logische 1 oder 0. Weiters pflanzen sich Übertragungsfehler bei selbstsynchronisierenden Scrambler fort: Ein einzelner Bitfehler am Empfänger wird bei diesen Typ von Scrambler je nach Typ des Schieberegisters mindestens verdoppelt. Dieser Umstand ist bei der Wahl entsprechender fehlererkennender und korrigierender Leitungskodes zu beachten.

Nebenstehend sind der selbstsynchronisierende Scrambler und Descrambler dargestellt wie er bei der Modem-Norm V.34 verwendet wird. Erkennbar ist, dass beim Descrambler die empfangende Nutzdatenfolge direkt in das LFSR geladen wird - Bitfehler pflanzen sich damit über mehrere Stellen hinweg fort, maximal bis zu Länge des LFSR. Daher ist man zur Minimierung der Fehlerfortpflanzung bei der Anwendung von selbstsynchronisiernden Scramblern bestrebt nichtprimitive Generatorpolynome für das LFSR mit möglichst wenig Rückkopplungsstellen einzusetzen.