Лекции по "Основы построения телекоммуникационных систем"

Лекция 17.  Подключение к глобальным сетям с помощью модемов

 

 

Модемы (модуляторы /демодуляторы) широко используются для передачи и  приема

цифровых данных с  аналоговой модуляцией по телефонным сетям общего назначения

(POTS) и частным линиям. Данные передаются в цифровом формате , и телефонный канал

рассчитан на передачу голосовых  сигналов в полосе частот от 300 до 3000 Гц. Для

телефонного канала передачи характерны высокий уровень искажений  шума,

перекрестные искажения, рассогласования полного сопротивления, паразитные эхо -

сигналы и другие недостатки. Подобные явления незначительно  искажают речевые

сигналы, но могут привести к многочисленным ошибкам при  цифровой передаче данных.

Основное назначение передающей части модема состоит  в том, чтобы подготовить

цифровые данные для передачи по аналоговой голосовой линии (обеспечить заданную полосу частот, амплитуду и мощность сигнала для достижения большого отношения сигнал/шум) с максимальной скоростью.

 Цель приемной части  модема состоит в том, чтобы  получить сигнал в аналоговой форме и восстановить исходные цифровые данные при наличии приемлемого уровня ошибок. Современные высокопроизводительные модемы используют методы цифровой обработки для

выполнения таких функций, как модуляция , демодуляция , обнаружение  и исправление

ошибок, настройка параметров передачи и подавление эхо. Внимание к характеристикам модемов, их внутреннему  устройству и принципам работы вызвано  отнюдь не абстрактным соображением о пользе знаний вообще, и даже не чисто прагматическим взглядом на проблему выбора конкретного типа модема. Дело в том, что модемы, используемые для передачи уязвимым по отношению к помехам цифровых данных по неидеальным линиям передачи, являются хорошим примером «торжества человеческой мысли», воплощенном в достаточно компактном и зачастую интеллектуальном техническом устройстве. Для модемов, работающих на аналоговых телефонных линиях, в настоящее время достигнут теоретический предел, определяемый теоремами Шеннона.

Блок - схема обычного телефонного канала (POTS) показана на рис .1.

 

Помехи

      Ближнее

                эхо Дальнее

                Линия               эхо

 передачи

 

 Аналоговый канал

Дискретный канал

Дискретный канал

 

 

Рис.1 Общая структурная  схема канала передачи

 

 

Чаще всего телефонная связь осуществляется с помощью  нескольких соединений в телефонной сети .

Наиболее широко распространенная абонентская линия представляет собой

двухпроводную витую  пару, которая на телефонной станции  преобразуется в

четырехпроводную . При этом два проводника работают на передачу и два на прием .

Сигнал преобразуется  обратно к 2-проводной паре на линии  удаленного абонента .

Преобразование двухпроводной  линии в четырехпроводную осуществляется с помощью

так называемой гибридной  схемы. Гибридная схема преднамеренно вносит

рассогласование импеданса, чтобы предотвратить колебательный  процесс в

четырехпроводной магистральной  линии. Рассогласование приводит к  отражению части

переданного сигнала  и возникновению эхо - сигнала  на приемной стороне. Это эхо может

привести к потере данных, которые приемник получает от удаленного модема.

Полудуплексные модемы могут поочередно, а не одновременно принимать и передавать

данные по двухпроводной  линии. Дуплексные модемы также работают на двухпроводную

линию , но способны совмещать передачу и прием данных . Работа в дуплексном режиме

требует от модема способности  отделения принимаемого сигнала  от отражения (эха )

передаваемого сигнала . Это достигается или назначением  для сигналов разного

направления различных частотных диапазонов , разделяемых с помощью фильтрации , или

подавлением эха , при  котором синтезируется «эхо »  – копия отраженного передаваемого

сигнала и оно вычитается из принимаемого смешанного сигнала .

Рассмотрим функции  других блоков, приведенных на рис.1.

Кодер/декодер в конкретной схеме может совмещать, на первый взгляд, прямо противоположные функции.

Во-первых, кодер может  быть использован для внесения избыточности в передаваемую информацию с целью  обнаружения влияния шумов и  помех на приемном конце. Избыточность проявляется в добавлении к передаваемой полезной информации проверочных разрядов с использованием циклических кодов CRC  -Cyclic Redundancy Check.( 2 или 4 байта независимо от длины пакета). Это помехоустойчивое  кодирование.

Во-вторых, при больших объемах передаваемой информации она подвергается сжатию методами статистического кодирования (алгоритмы сжатия изображений JPEG или MPEG – для аудио и видеопотоков.

Модулятор/демодулятор  занимаются согласованием полосы частот сигналов с полосой пропускания линии передачи. Выходные каскады реализуют усиление сигналов по мощности и амплитуде для обеспечения необходимого соотношения сигнал/шум.

В традиционной телефонной связи существует два типа эха. Первое эхо – это отражение

от ближней (входной) гибридной схемы телефонной станции, а второе эхо – от дальней

(выходной) гибридной  схемы.

Для передачи по телефонным сетям синусоидальная несущая модулируется цифровым

сигналом, в результате чего получается модулированный сигнал звуковой частоты.

Частота несущей выбирается так , чтобы укладываться в пределы полосы частот

телефонного канала . В  режиме передачи модем модулирует цифровыми  данными

несущую частоту , в режиме приема модем детектирует звуковую несущую и выделяет из

нее цифровые данные .

Цифровой сигнал может быть использован для модуляции амплитуды , частоты или фазы

звуковой несущей , в  зависимости от того , какая скорость передачи данных требуется . Эти

три типа модуляции известны как амплитудно -манипулированная (amplitude shift keying -

ASK), частотно -манипулированная (frequency shift keying - FSK) или фазоманипули -

рованная (phase shift keying - PSK). В простейшем случае модулированная несущая в

каждый момент времени  имеет одно из двух фиксированных  значений параметров , то

есть одну из двух амплитуд , одну из двух частот или один из двух фазовых сдвигов . Эти

два фиксированных значения представляют собой логический 0 или  логическую 1.

При низких и средних  скоростях передачи данных (до 1200 бит /с ) используется частотная

модуляция (FSK). Многофазные PSK используются при скоростях передачи данных от

2400 бит /с до 4800 бит  /с . PSK более эффективно использует  ширину диапазона , чем FSK,

но ее реализация значительно  дороже . ASK наименее эффективна и используется только

для очень низких скоростей передачи (менее чем 100 бит /с ). Для скоростей от 9600 бит /с

до 33600 бит /с используется комбинация PSK и ASK, называемая квадратурной

амплитудной модуляцией (QAM).

 

Формула Шеннона для  аналогового канала проста

 

V_макс = Δf ·ĺog₂(1+S/N)

Для многопозиционного дискретного канала, построенного на базе предыдущего непрерывного канала, в отсутствие ошибок при приеме имеет вид:

V_макс = 2 Δf ·ĺog₂ n

Где n –общее число вариантов дискретного цифрового сигнала, если за время посылки передается информация о k двоичных разрядах, то n = 2^k.

Практически расширение алфавита для дискретных сигналов приводит к появлению все менее различимых элементарных посылок, так что величина n ограничивается сверху все тем же отношением сигнал/шум в аналоговом канале.

Поскольку телефонная линия имеет фиксированную полосу пропускания 3100 Гц, а практический предел отношения сигнал/шум в аналоговой линии передачи составляет примерно 35 дБ (более 3000 раз по мощности или более 56 раз по амплитуде), что соответствует  максимальной скорости 34822 бит/с (стандартно 33,6 Кбит/с). Модемы 56 К реализуют заявленную скорость только в одну сторону и только при условии работы на цифровой линии передачи.

Задача проектирования высокоэффективных модемов состоит  в том , чтобы достичь

максимально возможной скорости передачи данных по телефонным сетям общего

пользования и избежать расходов на использование частных  телефонных линий . Стандарт

V.90, рекомендованный CCITT, описывает дуплексный режим работы (одновременные

передача и прием ) модема , работающего в сети POTS. Спецификация V.90

предусматривает передачу данных с телефонной станции на модем  абонента со скоростью

56 000 бит /с с использованием  импульсно -кодовой модуляции  (РСМ ). Поток данных от

абонента к телефонной станции регламентируется стандартом V.34, рассчитанным на

скорость до 33 600 бит /с (QAM).

Упрощенная блок -схема  аналоговых модемов стандарта V.90 показана на рис . 2. Как

следует из нее , большая  часть обработки сигналов выполняется  в цифровой форме . И

приемная , и передающая части модема используют множество различных алгоритмов для

цифровой обработки  сигналов , для эффективного выполнения которых вполне могут

использоваться современные процессоры .

 

 

ПЕРЕДАВАЕМЫЕ ДАННЫЕ 

 f s

       sin ù t

 

 

 

 

 

          cos ù t

         ЛИНИЯ

 ТЕЛЕФОННАЯ 

ПРИНИМАЕМЫЕ ДАННЫЕ

      

       sin ù t

 f s

 

 

        cos ù t

 

 

 

Рис.3 УПРОЩЕННАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА  АНАЛОГОВОГО МОДЕМА СТАНДАРТА V.90

 

Последовательный поток  данных , предназначенных для передачи , сначала

скремблируется (т .е . осуществляется перемежение данных , изменение порядка

следования ) и кодируется . Скремблирование позволяет получить из входного потока

данных псевдослучайную  последовательность . Цель скремблирования  состоит в том ,

чтобы привести спектр передаваемых данных к спектру белого шума . Без

скремблирования длинная  последовательность идентичных символов могла бы привести к

неверному опознаванию  приемником несущей . Скремблирование  приближает спектр

передаваемых сигналов к белому шуму , способствуя более эффективному использованию

ширины диапазона канала , облегчая восстановление несущей  и временную

синхронизацию и делая  возможным адаптивную подстройку и  подавление эхосигнала .

Скремблируемый битовый  поток разделяется на группы бит , и уже группы сначала

подвергаются дифференциальному  кодированию , а затем — сверточному  кодированию .

После этого полученные символы отображаются в пространство сигналов QAM в

соответствии со стандартом V.34. Отображение сигнала позволяет  получить две

координаты : одну для действительной части QAM-модулятора и одну для его мнимой

части . В качестве примера можно  привести рис . 3, где точками показана совокупность

значений ("созвездие ") I и Q. Таким образом, четыре бита кодируются посредством одного

символа . Такой вид  квадратурной модуляции называется 16-QAM. Более сложные

совокупности I и Q используются в модемах стандарта V.90, и фактический  размер этой

совокупности адаптивно  изменяется и определяется в процессе обучения , или во время

установления связи , когда модемы синхронизируют между  собой режимы приема и