Лекции по "Основы построения телекоммуникационных систем"

передачи сигналов .

На практике используются созвездия, содержащие от четырех до нескольких тысяч точек. Ниже показаны некоторые созвездия, используемые модемами, предназначенными для передачи данных по телефонным линиям.

Созвездие протокола V.32         Созвездие протокола V.32bis           Созвездие протокола V.34

(16 точек –  9600 бит/с) (128 точек – 14400 бит/с)     (640 точек – 28800 бит/с)

          Рис. 3  Различные виды QAM-модуляции

Слева показано 16-точечное созвездие, используемое в  протоколе V.32 при передаче данных со скоростью 9600 бит/с. Созвездие в центре имеет 128 точек, оно соответствует протоколу V.32bis и скорости передачи данных 14 400 бит/с. Наконец, созвездие, показанное справа, содержит 640 точек, оно используется модемами, работающими согласно протоколу V.34 при скорости передачи данных 28 800 бит/с.

 

 

На рис . 4 приводится сравнение  модемов стандартов V.34 и V.90. Обратите внимание,

что по стандарту V.34 соединение осуществляется между двумя аналоговыми

модемами . Это требует  применения АЦП и ЦАП в передающих и приемных трактах , как

показано на рисунке . Стандарт V.90 предусматривает использование  полностью

цифровых сетей и  цифровых модемов. Можно заметить, что  отказ от применения АЦП /ЦАП позволяет  увеличить скорость приема данных до значений, превышающих 56 Кбит /с . В принимаемом аналоговым модемом стандарта V.90 потоке данных использована импульсно -кодовая модуляция со скоростью передачи 64 Кбит /с, которая является стандартной для всех цифровых телефонных сетей .

Этот последовательный поток данных преобразуется посредством импульсно -амплитудной

модуляции (РАМ ) (8-bits, 8 kSPS) с помощью 8-разрядного ЦАП. Сигнал с  ЦАП поступает на аналоговый модем  в виде кода , принимающего значения из совокупности  ("созвездия ") в 256 значений , то есть приемник аналогового модема должен определить, какому из 256 возможных уровней сигнала соответствует символьная последовательность .

Стандарт V.90 позволяет  увеличить скорость приема данных до 56 Кбит /с и скорость

передачи данных до 33.6 Кбит /с (V. 34). Новый стандарт V.92 предусматривает скорость

обмена до 56 Кбит /с  в обоих направлениях .

 

 

 

 33,6 Кбит/с

                  ДАННЫЕ В 

                                                  ВИДЕ QAM

 

 

 33,6 Кбит/с

 

 

 

56 Кбит/с

 33,6 Кбит/с

 

 

РИС. 4    СРАВНЕНИЕ  МОДЕМОВ СТАНДАРТА V.34 И V.90

Способы решения проблем  передачи данных по абонентской линии

В предыдущих параграфах были перечислены проблемы, которые  должны быть решены для обеспечения  эффективной и высокоскоростной передачи данных по медным проводам. Для того, чтобы быть привлекательной для потребителя, технология должна обеспечить как можно большую скорость передачи данных. Однако, повышение скорости, с которой передаются данные по медному проводу, приводит к ухудшению качества принимаемого сигнала и к возрастанию помех, которые данный информационный сигнал оказывает на соседние каналы. Для того чтобы обеспечить возможность решения совокупности этих проблем, применяются специальные методы линейного кодирования (алгоритмы модуляции), использование которых позволяет передавать данные с достаточно высокими скоростями. При этом передаваемый в линию информационный сигнал имеет такие параметры, которые обеспечивают возможность достоверного приема и не оказывают катастрофического влияния на качество соседних информационных каналов.

В начале 90-х  годов развитие цифровых способов обработки  сигнала привело к созданию HDSL, основанной на линейном кодировании 2B1Q, обеспечившей скорость передачи потока Е1 – 2048 Кбит/с вначале на 3-х парах, затем на 2-х и наконец на 1-ой.

Далее были разработаны  технологии IDSL – низкоскоростная передача данных по 1-й паре для ISDN-BRI, а также построенная на этом методе аппаратура цифрового уплотнения абонентских линий.

Затем были разработаны технологии ADSL и VDSL и, наконец, HDSL2 и G.SHDSL

Эволюция развития систем передачи

Характеристики некоторых  алгоритмов

В настоящее  время наибольшее распространение  получили несколько вариантов QAM: алгоритм модуляции QAM-4, который кодирует информационный сигнал изменением фазы несущего колебания с шагом p/2. Этот алгоритм модуляции имеет название QPSK (Quadrature Phase Shift Keying, Квадратурная фазовая манипуляция). Большое распространение получили также алгоритмы QAM-16, 32, 64, 128 и 256. Алгоритм квадратурной амплитудной модуляции, по сути, является разновидностью алгоритма гармонической амплитудной модуляции и поэтому обладает следующими важными свойствами:

• Ширина спектра QAM модулированного колебания не превышает ширину спектра модулирующего сигнала
• Положение спектра QAM модулированного колебания в частотной области определяется номиналом частоты несущего колебания

 

 

 

ADSL модемы. (Asymmetric Digital Subscriber Line)

Модемы с асимметричной  полосой пропускания в разных направлениях используют полезные свойства данного алгоритма для создания высокоскоростных ADSL систем передачи данных по двухпроводной линии с  частотным разделением принимаемого (downstream) и передаваемого (upstream) информационных потоков.

Энергетический спектр сигнала

На рис. 5 представлено схематическое изображение маски  для исходящего (UPSTREAM) и входящего (DOWNSTREAM потока ADSL.

 

Исходящий поток

Входящий поток

 
 
Рис. 5. Маска исходящего (UPSTREAM) и входящего (DOWNSTREAM) потока ADSL

Помехоустойчивость  алгоритма QAM обратно пропорциональна его спектральной эффективности. Воздействие помех приводит к возникновению не контролируемых изменений амплитуды и фазы передаваемого по линии сигнала. При увеличении числа кодовых точек на фазовой плоскости расстояние между ними P уменьшается и, следовательно, возрастает вероятность ошибочного распознавания искаженного принятого вектора Z_m* на приемной стороне. Рис. 11 иллюстрирует принцип изменения вектора модулированного колебания (зеленый цвет) при воздействии на него амплитудной и фазовой помехи. На рис. 11 вектор результирующего колебания при воздействии помех отмечен красным цветом, реальная и мнимая компоненты этого вектора отмечены красным пунктиром. Предельный уровень допустимых амплитудных и фазовых искажений модулированного QAM сигнала представляет собой круг диаметром P. Центр этого круга совпадает с узлом квадратурной сетки на фазовой плоскости. Заштрихованные области на рисунке соответствуют координатам искаженного вектора модулированного QAM-колебания при воздействии на полезный сигнал помехи, относительный уровень которой определяется соотношением 20 dB SNR 30dB.

Достоинства алгоритма

Алгоритм квадратурной амплитудной модуляции является относительно простым для реализации и в то же время достаточно эффективным  алгоритмом линейного кодирования xDSL сигналов. Современные реализации этого алгоритма  обеспечивают достаточно высокие показатели спектральной эффективности. Как уже было отмечено выше, ограниченность спектра, относительно высокий уровень помехоустойчивости QAM-модулированного сигнала обеспечивают возможность построения на основе этой технологии высокоскоростных ADSL и VDSL систем передачи данных по двухпроводной линии с частотным разделением принимаемого и передаваемого информационных потоков.

Недостатки алгоритма

К недостаткам  алгоритма можно отнести относительно невысокий уровень полезного сигнала в спектре модулированного колебания. Этот недостаток является общим для  алгоритмов гармонической амплитудной модуляции и выражается в том, что максимальную амплитуду в спектре модулированного колебания имеет гармоника с частотой несущего колебания. Поэтому данный алгоритм в чистом виде достаточно редко используется на практике. Гораздо большее распространение получают алгоритмы, которые используют основные принципы QAM и в то же время свободны от его недостатков (например, алгоритм CAP).

Алгоритм модуляции CAP

Алгоритм амплитудно-фазовой  модуляции с подавлением несущей Carrier less Amplitude modulation / Phase modulation (CAP) является одним из наиболее широко используемых в настоящее время на DSL линиях алгоритмов модуляции. Этот алгоритм был разработан специалистами компании GlobeSpan Inc. в то время, когда эта компания была частью компании Paradyne в составе AT&T. В настоящее время патент на использование алгоритма амплитудно-фазовой модуляции с подавлением несущей для формирования линейного кода принадлежит компании GlobeSpan Inc. Алгоритм CAP представляет собой одну из разновидностей алгоритма QAM, его особенность заключается в специальной обработке модулированного информационного сигнала перед его отправкой в линию. В процессе этой обработки из спектра модулированного сигнала исключается составляющая, которая соответствует частоте несущего колебания QAM. После того, как приемник принимает переданный информационный сигнал, он сначала восстанавливает частоту несущего колебания, а после этого восстанавливает информационный сигнал. Такие манипуляции со спектром выполняются для того, чтобы уменьшить долю неинформативной составляющей в спектре передаваемого информационного сигнала. Это в свою очередь делается для того, чтобы обеспечить большую дальность распространения сигнала и уменьшить уровень перекрестных помех у сигналов, которые передаются одновременно в одном кабеле.

Описание алгоритма

На первый взгляд, название алгоритма звучит достаточно парадоксально и заставляет вспомнить  сюжет русской народной сказки о каше из топора. Действительно, из модулированного сигнала предлагается исключить именно ту гармоническую составляющую, которая должна была использоваться для переноса полезного сигнала. Однако если более подробно рассмотреть схему формирования сигнала, станет понятно, что алгоритм CAP в части формирования линейного кода практически ничем не отличается от классических алгоритмов    гармонической амплитудной модуляции.

 
Рис. 6. Формирование спектра CAP–модулированного сигнала

Синим цветом на рис. 6 отмечен спектр передаваемого  полезного сигнала. Максимальная частота  этого сигнала имеет значение f_max. Частота модулирующего колебания – носителя имеет значение f_c. После выполнения процедуры гармонической амплитудной модуляции спектр полезного сигнала переносится в область частоты f_c и приобретает зеркальные составляющие. На рисунке этот спектр помечен зеленым цветом. Для обеспечения восстановления переданного сигнала на приемном окончании достаточно передать только одну из зеркальных компонент спектра модулированного сигнала. Гармоника с частотой f_c также является компонентом спектра модулированного сигнала, однако при восстановлении сигнала и без неё тоже можно обойтись. Теоретически, амплитуда этой гармоники несет информацию об уровне постоянной составляющей передаваемого сигнала (составляющая спектра сигнала с частотой = 0). В силу этого данная гармоника не является в полной мере информативной, и её потеря не повлияет на качество восстановленного принятого сигнала. Хотя исключение гармоники f_c из передаваемого сигнала приводит к возникновению определенных трудностей при восстановлении принятого сигнала, эта процедура вполне оправдана, поскольку позволяет существенно уменьшить уровень неинформативного сигнала, который передается в линию. Красным цветом на приведенном выше рисунке показан спектр модулированного колебания, который сформирован в соответствии с принципами алгоритма CAP.

Таким образом, основные принципы формирования линейного кода алгоритма CAP соответствуют принципам формирования линейного кода QAM. Отличия указанных алгоритмов заключаются во включении дополнительных процедур, которые используются для формирования и восстановления спектра САР-модулированного сигнала. 

Характеристики алгоритма

Алгоритм CAP может  быть использован для формирования линейного кода в различных технологиях DSL. На рис. 7 представлено схематическое  изображение спектров САР–модулированных MSDSL сигналов  
Рис. 7. Спектры САР–модулированных сигналов (режим echo cancellation)

В данном случае применение алгоритма САР целесообразно, поскольку при использовании  пересекающихся частотных диапазонов передаваемого и принимаемого сигналов одним из основных факторов, который ограничивает дальность распространения сигнала в линии, является степень эффективности подавления в приемнике эха передаваемого сигнала (echo cancellation). Поскольку в общем случае, уровень сигнала который передается в линию формирователями CAP , ниже (за счет подавления несущей), следовательно, меньше будет и уровень эха от передатчика.

С не меньшим  успехом этот алгоритм может быть использован для формирования линейного  кода в асимметричных высокоскоростных приемо-передающих системах технологий ADSL и VDSL. Для этих технологий существенным фактором является возможность частотного разделения информационных сигналов, которые одновременно принимаются и передаются по одной паре проводов. На рис. 8 представлено схематическое изображение спектра CAP-модулированного RADSL сигнала.

 
Рис.8. Спектр САР–модулированного  сигнала (режим частотного разделения)

Зеленым цветом на рис. 8 обозначен спектр передаваемого  пользователем сигнала (Upstream). Красным  цветом — спектр сигнала, который принимается пользователем (Downstream). Пунктирной линией на рисунке обозначены уровни перекрестных помех, которые вызваны передачей сигналов такого же типа по всем остальным 49 парам проводов данного кабеля и регистрируются на ближнем конце (NEXT).

Тип кода SNR* (dB) CAP-4 14,5 CAP-8 18,0 CAP-16 21,5 CAP-32 24,5 CAP-64 27,7 CAP-128 30,6 CAP-256 33,8