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[lectures/latex.git] / modem / modem_script.tex

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\author{Melanie Lenk\\{\texttt mali@malinet.org}}
\title{Das Modem - die Schnittstelle ins Internet\\{\small Vom kalten Krieg bis zur digitalen Revolution}}

\begin{document}

\frontmatter{}
\maketitle
\tableofcontents

\mainmatter{}
\chapter{Einleitung}
Das Internet \cite{wiki_internet_de} ist heutzutage nicht mehr weg zu denken.
Zu wichtig und hilfreich sind die hohe Anzahl an M"oglichkeiten die es bietet.
Einen der wohl wichtigsten Dienste des Internets stellt das {\em World Wide Web} dar, ein "uber das Internet abrufbares {\em Hypertext-System}, in denen die Anwender mit Hilfe eines {\em Webbrowsers} Dokumente von einem {\em Webserver} herunterladen, anschauen und sogenannten {\em Hyperlinks} auf andere {\em Webseiten} folgen k"onnen \cite{wiki_www_de}.
Dieser Dienst wird oft mit dem Internet gleichgesetzt, ist aber j"unger und stellt nur eine m"oglich Nutzung des Internets dar.
Weitere bekannte Dienste sind zum Beispiel die {\em E-Mail}, das Chat-Protokoll {\em IRC} und die Kommunikationsm"oglihckeit durch das {\em Telnet}-Protokoll.

\begin{figure}[!h]
\begin{center}
\includegraphics[width=15cm]{internet-modem.eps}
\caption{Grobes Schema einer Verbindung eines Heimcomputers mit dem Internet durch ein Modem}
\label{img:internet_modem}
\end{center}
\end{figure}
Abbildung \ref{img:internet_modem} zeigt, wie man mit Hilfe eines Modems \cite{wiki_modem_de} seinen Computer zu Hause "uber die Telefonleitung ins Internet verbinden kann.
Im der vorliegenden Arbeit soll das Szenario dieser Abbildung verstanden und detailierter betrachtet werden, es wird uns aus diesem Grund noch einige weitere Male begegnen.

Zun"achst setzt sich die Arbeit im ersten Kapitel mit dem Modem auseinander.
Im zweiten Kapitel wird das Internet behandelt.
Zu beiden Errungenschaften des digitalen Zeitalters wird ein grober geschichtlicher Ablauf gegeben, was den Titel dieser Arbeit erkl"aren wird.

\chapter{Das Modem}

\section{Begriffserkl"arung}

Das Modem ist aus den zwei W"ortern {\bf Mod}ulator/{\bf Dem}odulator zusammengesetzt.
Es dient zur "Ubertragung digitaler Daten "uber analoge Leitungen, wie etwa der Telefonleitung.
Dazu wandelt es digitale Information durch Modulation der Daten auf ein analoges Tr"agersignal.
An der Gegenstelle, einem weiteren Modem, passiert genau der umgekehrte Prozess.
Das modulierte analoge Signal wird demoduliert und die digitalen Informationen zur"uckgewonnen.
Das analoge Signal ist dabei den Besonderheiten des Telefonnetzes angepasst.
F"ur die "Ubertragung stand in dem alten analogen Telefonnetz zun"achst das Frequenzband von $300 \, Hz$ bis $3.4 \, kHz$ zur Verf"ugung.
\begin{figure}[!h]
\begin{center}
\includegraphics[width=14cm]{modulation.eps}
\caption{Amplituden-, Frequenz- und Phasenmodulation eines digitalen Signals}
\label{img:modulation}
\end{center}
\end{figure}
Abbildung \ref{img:modulation} zeigt drei verschiedene und einfache Modulationsverfahren.

\section{Geschichtliche Entwicklung}

In den Zeiten des kalten Krieges um 1950 wurde von den Vereinigten Staaten ein computergest"utztes Luftverteidigungssystem mit dem Namen SAGE \cite{wiki_sage_en} entwickelt.
Dieses sollte in der Lage sein, feindliche sowjetische Bomber aufzusp"uren, zu verfolgen und abzufangen.
Es war das erste landesweit vernetzte Radarsystem.
Zum Zeitpunkt der Fertigstellung durch {\em IBM} (sieh Abbildung \ref{img:whirlwind}) war die Bedrohung durch Bomber l"angst der durch Raketen gewichen.
F"ur diesen Zweck war {\em SAGE} v"ollig ungeeignet.
Jedoch hatte das Projekt entscheidenden Einfluss auf die Entwicklung von Computersystemen, Echtzeitverarbeitung von Informationen und der Vernetzung durch Modems.
1957 baute {\em IBM} zusammen mit {\em American Airlines} eine kleine Variante der {\em SAGE} f"ur den zentralisierten Vertrieb von Flugtickets.
\begin{figure}[!h]
\begin{center}
  \includegraphics[height=3.7cm]{sage_computer.eps}
  \includegraphics[height=3.7cm]{sage_building.eps}
  \includegraphics[height=3.7cm]{sage_terminal.eps}
\caption{IBM AN/FSQ-7 Whirlwind II R"ohrenrechner, Geb"aude und Terminal}
\label{img:whirlwind}
\end{center}
\end{figure}


Die Notwendigkeit eines schnellen Informationsaustauschs lag also vor.
Da sehr gro"se Datenmengen nur durch Computer verarbeitet werden k"onnen, lag es nahe, eine Daten"ubertragung zwischen Computern zu realisieren.
Da das Telefonnetz, mit seinem Ursprung 1880, zu dieser Zeit gut ausgebaut war, kam die Idee, die Computer "uber die Telefonleitung miteinander kommunizieren zu lassen.
Das Telefonnetz war jedoch nur zur Sprach"ubertragung gedacht, weshalb ein Ger"at zur Wandlung digitaler Information in T"one und zur"uck ben"otigt wurde, das Modem.

Der nordamerikanische Telefonkonzern {\em AT\&T} genoss eine Monopolstellung in den USA und Kanada.
Nur Ger"ate von {\em AT\&T} selbst durften elektrisch mit ihrem Netzwerk verbunden werden.
{\em At\&T} brachte 1958 zwei {\em digital subset} Ger"ate f"ur die stark ansteigende Anzahl der Computernutzer heraus.
Diese Ger"ate hatten eine "Ubertragungsrate von $200 \, baud$, $1 \, baud = 1 \, \frac{bit}{s}$.
1960 wurde der Name {\em Data-Phone} eingef"uhrt und ersetzte den Begriff {\em digital subset}.
Ein sehr bekanntes Modem ist das {\em 103A Data-Phone}, das 1962 auf den Markt kam.
Es schaffte eine "Ubertragungsrate von $300 \, baud$ in beide Richtungen (vollduplex) "uber die normale Telefonleitung.

Auf Grund der Monopolstellung von {\em At\&T} und dem Verbot nicht-{\em AT\&T} Ger"ate elektrisch mit dem Telefonnetz zu verbinden, entstand die Idee der Akustikkoppler \cite{wiki_akustikkoppler_en}.
\begin{figure}[!h]
\begin{center}
\includegraphics[width=10cm]{akustikkoppler.eps}
\caption{Akustikkoppler}
\label{img:akustikkoppler}
\end{center}
\end{figure}
Abbildung \ref{img:akustikkoppler} zeigt einen solchen Akustikkoppler.
An Mikrofon und Lautsprecher des Telefonh"orers werden die entsprechenden Gegenst"ucke des Akustikkopplers befestigt.
Somit k"onnen die modulierten analogen Signale in beiden Richtungen durch das Telefonnetz "ubertragen werden, ohne dass das Modem elektrisch mit der Telefonleitung verbunden ist.

Mit einem Gerichtsurteil von 1968 wurden nun auch nicht-{\em AT\&T} Ger"ate am Telefonnetz erlaubt.
Diese mussten allerdings komplexe und teure Tests bestehen, weshalb der Akustikkoppler bis 1980 weit verbreitet blieb.

1972 brachte {\em Vadic} das {\em VA3400} mit einer beachtliche vollduplex Daten"ubertragung von $1200 \, baud$ "uber eine Standard-Telefonleitung auf den Markt.

Der n"achste Meilenstein in der Modemtechnologie war die Entwicklung des Smartmodems durch den Herrn Hayes.
Dieses besteht aus einem Standard-Modemchip und einem zus"atzlichen Befehls-Controller.
Das Modem arbeitet in zwei m"oglichen Modi.
Im sogenannten {\em data mode} werden alle Daten wie gehabt an die Gegenstelle gesendet.
Im {\em command mode} werden die Daten als Befehle von dem Controller interpretiert und ausgef"uhrt.
Hayes entwickelte das {\em Hayes command set}, auch AT-Befehlssatz genannt, der bis heute Basis computergesteuerter Modems ist.
Das Modem war nun selbstst"andig in der Lage zu w"ahlen beziehungsweise abzuheben und aufzulegen.
Abbildung \ref{img:hayes} zeigt ein solches Modem.
\begin{figure}[!h]
\begin{center}
\includegraphics[width=10cm]{hayesmodem.eps}
\caption{Hayes Modem}
\label{img:hayes}
\end{center}
\end{figure}

Bis Mitte der 80er Jahre erreichte man Geschwindigkeiten von $300$ bis $1200 \, baud$.
Die Akustikkoppler wichen den weiterentwickelten Smartmodems.
In den sp"aten 80er Jahren waren "Ubertragungsraten bis zu $2400 \, baud$ m"oglich.
{\em Minitel}, ein franz"osischer Vidiotext Online Service Anbieter, f"uhrte erstmals hohe Geschwindigkeiten f"ur den Empfang von Daten und niedrige Geschwindigkeiten f"ur den Versand von Daten ein.
Studien zeigten n"amlich, dass die Empfangsrichtung deutlich mehr genutzt wird.
1984 bot {\em Trailblazer Modems} Ger"ate an, die eine dynamische "Ubertragungsrate f"ur den Empfang und den Versand erlaubten.
Die "Ubertragungsrate wurde "uber einen extra Kanal je nach Bedarf ausgehandelt.
Damit waren "Ubertragungsraten von $19000 \, baud$ m"oglich.

Ende der 80er Jahre wurde mit Hilfe der Echounterdr"uckung \cite{wiki_echo_en} eine vollduplex "Ubertragungsrate von $9600 \, baud$ m"oglich gemacht.
Daraus entwickelte sich der {\em v.32} Standard.

1994 wurde der  {\em v.34 Standard} verabschiedet.
Die speziellen Modemchips wurden durch flexiblere DSP und Microcontroller L"osungen ersetzt.
So konnte man Kompatibilit"at zu "alteren Standards realisieren.
Die {\em v.34} Generation erm"oglichte "Ubertragungsraten von $28,800 \, baud$.

Mit der Digitalisierung des Telefonnetzes seit 1990 entstand der {\em v.90} Standard.
Durch Anschliessen der Teilnehmeranschlussleitungen an digitale Vermittlungsstellen konnte der Frequenzbereich auf $0$ bis $4 \, kHz$ erweitert werden.
Jedes Sample ist $16 \, Bit$ breit, was zu einer "Ubertragungsrate von $64 \,kbps$ f"uhrt.
Da jedoch ein $Bit$ pro $Byte$ als Meta- beziehungsweise Kontrolldaten genutzt werden, erreicht man effektive "Ubertragungsraten von $56 \, kbps$.

Da bei einer vorhandenen digitalen Leitung die AD/DA-Wandlung keinen Sinn mehr macht, wurde der vollst"andig digitale {\em v.91} Standard entwickelt.
Die Entwicklung starb auf Grund von ADSL und Kabelmodems aus.

\begin{figure}[!h]
\begin{center}
  \includegraphics[height=4.7cm]{btx-modem.eps}
  \includegraphics[height=4.7cm]{btx-terminal.eps}
\caption{{\em BTX}-Modem und {em BTX}-Terminal-Telefon-Kombination}
\label{img:post}
\end{center}
\end{figure}
In Deutschland waren bis Mitte der 80er Jahre auch nur posteigene Modems erlaubt.
Das Modem ist als Netzabschluss zu sehen und liegt damit im Hoheitsbereich der staatlichen Deutschen Post.
Seit 1983 bot die Deutsche Post {\em BTX (Bildschirmtext)} an, einen interaktiven Onlinedienst.
Das Modemmonopol liess sich jedoch auf Grund immer billiger und schneller werdender Modems anderer Anbieter ab 1990 nicht l"anger aufrecht erhalten.
Abbildung \ref{img:post} zeigt ein {\em BTX}-Modem und eine {\em BTX}-Terminal-Telefon-Kombination.

Ab 1990 wurden eine Reihe von {\em DSL}-Verfahren entwickelt.
{\em DSL} steht dabei f"ur {\em Digital Subscriber Line} was digitale Teilnehmeranschlussleitung bedeutet.
"Uber diese Leitung "ubertr"agt ein {\em DSL}-Modem (auch NTBBA: Network Termination Broadband Access) die Daten in einem hochfrequenten Signal.
Die starke D"ampfung des hochfrequenten Signals begrenzt die Reichweite bis zur n"achsten Vermittlungsstele auf $3 \, km$.
\begin{figure}[!h]
\begin{center}
\includegraphics[width=6.0cm]{dsl.eps}
\caption{Splitter, NTBA und ADSL-Modem}
\label{img:dsl}
\end{center}
\end{figure}
Abbildung \ref{img:dsl} zeigt ein ADSL-Modem (rechts) und ben"otigtes Zubeh"or.

Das {\em DSL}-Modem geh"ort zu den sogenannten Standleitungsmodems, da man immer mit einer festen Gegenstelle verbunden ist.
Eine andere Variante eines Standleitungsmodems stellt das Kabelmodem dar.
Hier erfolgt die Daten"ubertragung "uber das TV-Kabelnetz.

\section{Modem-Varianten}

Man unterscheidet folgende Modemtypen:
\begin{itemize}
  \item Telefonmodems
  \item Standleitungsmodems
  \item Funkmodems
  \item Stromleitungsmodems
\end{itemize}
Zu den Telefonmodems geh"oren der bereits kennengelernet Akustikkoppler und das Smartmodem, sowie das Fax-, Voice- und Softmodem.
Standleitungsmodems, also Modems mit einer Punkt-zu-Punkt-Verbindung zu einer festen Vermittlungsstelle sind die {\em xDSL}- und die Kabelnetzmodems.
Funkmodems basieren auf dem selben Prinzip wie Telefonmodems, mit dem Unterschied, dass die digitale Information auf ein analoges Radiosignal moduliert wird.
Stromleitungsmodems modulieren das Datensignal auf die Stromleitung.

Ein Fax- bzw. Voicemodem beherrscht neben der gew"ohnlichen Funktion zur Daten"ubertragung ein Protokoll zur "Ubertragung von Faxen bzw. ist in der Lage ein Audiosignal auf die Telefonleitung zu geben.

Bei dem Softmodem handelt es sich um ein Modem mit stark reduzierter Hardware.
Die fehlende Hardwarefunktionalit"at wird auf die Software (den Treiber) ausgelagert.
Die Onboard Soundhardware ersetzt die analoge Komponente des normalen Modems und ist zust"andig f"ur die Tonerzeugung.
Damit sind Softmodems billiger und flexibler als herk"ommliche Modems, allerdings muss man mit einer h"oheren CPU Auslastung f"ur die nichttriviale Tonerzeugung rechnen.
Ausserdem ist man stark abh"angig vom Treiber, der eventuell auf alternativen Betriebssystemen beziehungsweise f"ur spezielle Betrriebssystemversionen nicht erh"altlich ist.

Ein Funkmodem wird ben"otigt f"ur die digitale Daten"ubertragung durch die Luft.
Dabei werden digitale Signale auf ein analoges Radiosignal moduliert.
Beispiele f"ur eine solche Funk"ubertragung sind {\em Wireless LAN}, {\em GSM} (Mobilfunk), {\em GPS} (Navigation) und digitales Fernsehen via Satelit oder terristrisch.
\begin{figure}[!h]
\begin{center}
\includegraphics[width=8.0cm]{wlan.eps}
\caption{{\em 802.11 WLAN-PCI}-Karte}
\label{img:wlan}
\end{center}
\end{figure}
Abbildung \ref{img:wlan} zeigt eine {\em 802.11 WLAN}-Karte f"ur den {\em PCI} Steckplatz.

Bei einem Stromleitungsmodem werden die digitalen Daten auf die Stromleitung moduliert.
Beispiele hierf"ur findet man in der Rundsteuertechnik der Energieversorgungsunternehmen beim Umschalten der Stromz"ahler auf Tag und Nacht und zum Beispiel beim sogenannten Babyfon.
Nachteil der Stromleitungsmodems ist ihre hohe St"orungsanf"alligkeit und Abh"orbarkeit.

\section{Bauformen und Anschluss am PC}

Im Folgenden sind die unterschiedlichen Bauformen und Schnittstellen zum PC aufgez"ahlt.
Man unterscheidet externe Modems, Steckkartenmodems und Modems die sich auf der Hauptplatine (onboard) befinden.
Abbildung \ref{img:bauformen} zeigt all diese Typen bis auf das Onboard-Modem.
Die externen Modems werden meist per RS232 (D-Sub 9/25) mit dem PC verbunden und durch ein Steckernetzteil mit Strom versorgt.
Im Falle des {\em DSL}-Modems wird ein Ethernetkabel zur Verbindung mit einer Netzwerkkarte am PC ben"otigt.
Die Steckkartenmodems findet man als {\em PCI}, {\em ISA}, {\em PCMCIA} oder als Variante mit propriet"arem Sockel wieder.
Die Stromversorgung erfolgt "uber den jeweiligen Bus.
\begin{figure}[!h]
\begin{center}
\includegraphics[height=5.0cm]{smartmodem.eps}
\includegraphics[height=5.0cm]{dslmodem.eps}
\includegraphics[height=2.5cm]{isamodem.eps}
\includegraphics[height=2.5cm]{pcimodem.eps}
\caption{Verschiedene Modem-Bauformen}
\label{img:bauformen}
\end{center}
\end{figure}

\section{Aufbau und Funktionsweise}

Um den Aufbau und die Funktionsweise eines Modems zu verstehen ist es n"otig kurz auf die Aufgaben eines Modems einzugehen.
Dazu geh"oren:
  \begin{itemize}
    \item Schnittstelle zur Telefonleitung
    \item Kontrolle "uber die Telefonleitung "ubernehmen (go off-hook)
    \item Rufaufbau durch W"ahlen der Telefonnummer
    \item Einigung auf gemeinsame Sprache (Protokoll) mit Modem der Gegenstelle
    \item Umwandlung digitaler Daten in analoge Signale und umgekehrt
          (f"ur Kommunikation "uber die Telefonleitung)
    \item "Ubertragen und Empfangen von Daten
    \item Terminieren der Verbindung (go on-hook)
  \end{itemize}

\begin{figure}[!h]
\begin{center}
\includegraphics[width=16cm]{aufbau.eps}
\caption{Funktioneller Aufbau eines Modems}
\label{img:aufbau}
\end{center}
\end{figure}
F"ur die Bewerkstelligung dieser Aufgaben besteht das Modem aus den vier Komponenten, wie sie in Abbildung \ref{img:aufbau} dargestellt sind.
\begin{itemize}
  \item Die {\bf D}ata {\bf A}ccess {\bf A}rrangement Komponente stellt die Schnittstelle des Modems zum Telefonnetz dar.
        Hier findet die galvanische Entkopplung vom Telefonnetz statt.
        Desweiteren ist die {\em DAA} in der Lage den Klingelton und Anrufnummernsignale zu erkennen.
        Sie ist f"ur die Ausf"uhrung des Abhebe- und Auflegevorganges verantwortlich.

  \item Das {\bf A}nalog {\bf F}ront {\bf E}nd, oft auch als Modem Coder/Decoder (modem codec) bezeichnet, "ubernimmt die Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandlung.

  \item Bei dem {\bf D}igital {\bf S}ignal {\bf P}rocessor handelt es sich um einen speziellen Mikroprozessor der f"ur mathematische Operationen wie die Fast Fourier Transformation optimiert ist.
        Er "ubernimmt die Modulation und Demodulation der Daten beziehungsweise des Tr"agersignals und kann mittels mathematischer Operationen das Rauschen unterdr"ucken beziehungsweise rausrechnen.

  \item Die {\em Modem Control} ist die Schnittstelle zum Computer.
        Sie steuert den {\em DSP}, interpretiert AT-Kommandos, korregiert Fehler in der "Ubertragung und kompremiert die Daten.

\end{itemize}

Speziell bei der {\em DSL}-Technik wird zu dem Frequenzbereich des Telefonnetzes ($300 \, Hz$-$3.4 \, kHz$) der {\em DSL}-Frequenzbereich ($138 \, kHz$-$1.04 \, MHz$) auf die Telefonleitung aufgebracht.
Dazu wird eine weitere Hardware, die {\em BBAE} (Breitbandanschlusseinheit) oder auch {\em Splitter} genannt, zur Trennung beziehungsweise zum Zusammenf"ugen der Frequenzbereiche.
Dieses Ger"at ist in Abbildung \ref{img:splitter} zu sehen.
\begin{figure}[!h]
\begin{center}
  \includegraphics[height=4cm]{splitter.eps}
  \includegraphics[height=4cm]{splitter-offen.eps}
\caption{BBAE: Breitbandanschlusseinheit (Splitter)}
\label{img:splitter}
\end{center}
\end{figure}

\section{Anschaffungskriterien}

Auf Grund der sehr hohen Downloadraten (bis zu $16 \, Mbps$) von {\em DSa}L, sollte man als erstes die Verf"ugbarkeit von {\em DSL} pr"ufen.
Modem und Splitter werden meist kostenlos vom Anbieter zur Verf"ugung gestellt.
Je nachdem welchen Anbieter man favorisiert muss man zwischen $10$ und $15$ Euro f"ur den monatlichen Anschluss und $10$ bis $20$ Euro f"ur einen Tarif rechnen.

Sollte {\em DSL} nicht zur Verf"ugung stehen, hat man noch die M"oglichkeit des {\em skyDSL}.
Hierbei empf"angt man die Daten per Satelitenreceiver.
Der R"uckkanal geht nicht per Satelit sondern er muss "uber eine {\em 56k}- beziehungsweise {\em ISDN}-Leitung erfolgen.
Diest ist zum einen sehr langsam und kann zum anderen mit versteckten Kosten f"ur diesen Kanal verbunden sein.
Desweiteren muss eine Satelitensch"ussel mit {\em LNB} ausgerichtet und eine {\em DVB-S}-Karte vorhanden sein.

Hat man zus"atzlich keinen Sichtkontakt zu einem Sateliten so bleibt nur noch die M"oglichkeit sich "uber ein {\em 56k}- oder ein {\em ISDN}-Modem einzuw"ahlen.
Dies ist die langsamste Alternative.
Desweiteren sind keine Pauschaltarife vorhanden.
Die neu aufgekommenen {\em Telefonflats} d"urfen daf"ur nicht genutzt werden.

\section{Zusammenfassung}

\begin{figure}[!h]
\begin{center}
  \includegraphics[height=14cm]{internet-modem_n.eps}
\caption{Grobes Schema einer Verbindung eines Heimcomputers mit dem Internet durch ein Modem}
\label{img:internet-modem_n}
\end{center}
\end{figure}
In Abbildung \ref{img:internet-modem_n} sieht man erneut das Schema einer Verbindung eines Heimcomputers ins Internet.
Dabei wurde der blau markierte Bereich besprochen.
Es ist nun klar, wie mit Hilfe des Modems, zwei Rechner miteinander kommunizieren k"onnen.
In diesem Falle wird eine Verbindung mit einem Uni-Rechner eingegangen.
Es ist der Rechner ppp001.rz.uni-augsburg.de, allerdings kenen wir ihn bisher nur als den Computer der hinter der Telefonnummer 0821/257750 steht.
Was es mit diesem Hostnamen und seiner IP-Adresse auf sich hat, soll im Folgenden genauer betrachtet werden.

\chapter{Das Internet}

\backmatter{}
\begin{thebibliography}{99}
  \bibitem{wiki_internet_de} Wikipedia, Internet. http://de.wikipedia.org/wiki/Internet
  \bibitem{wiki_www_de} Wikipedia, World Wide Web. http://de.wikipedia.org/wiki/World\_Wide\_Web
  \bibitem{wiki_modem_de} Wikipedia, Modem. http://de.wikipedia.org/wiki/Modem
  \bibitem{wiki_sage_en} Wikipedia, SAGE. http://en.wikipedia.org/wiki/Semi\_Automatic\_Ground\_Environment
  \bibitem{wiki_akustikkoppler_en} Wikipedia, Acoustic coupler. http://en.wikipedia.org/wiki/Acoustic\_coupler
  \bibitem{wiki_echo_en} Wikipedia, Echo cancellation. http://en.wikipedia.org/wiki/Echo\_cancellation
\end{thebibliography}

\end{document}