Проекции сигналов на комплексную плоскость для метода модуляции TCM при числе точек, равном 24, 128, 256 и 960Стоит сделать замечание относительно двух возможных способов описания скоростей модемов. Скорость в бодах (baudrate) представляет собой физическую частоту смены посылок. Она обычно ограничена полосой пропускания телефонной линии (от 300 до 3400 Гц, то есть 3100 Гц). Частота несущей выбирается близкой к середине полосы пропускания телефонной линии; для стандарта V.34 предусмотрен ряд возможных частот несущей в диапазоне от 1600 до 2000 Гц ("уход" в ту или иную сторону от центра полосы пропускания может несколько улучшить качество связи). Таким образом, бодовый интервал (длительность одной элементарной посылки) может содержать менее одного периода гармонического колебания (в отличие от случая, показанного на ). Информационная скорость передачи может задаваться либо в бит/с (в англоязычной литературе в bps bit per second,), либо в числе символов байт/с (в англоязычной литературе в cps -characters per second). Скорость в бит/с всегда больше или равна скорости в бодах, причем отношение этих скоростей совпадает с числом бит, приходящихся на один бодовый интервал в том или ином методе модуляции. Произведение 3100 (стандартная полоса
Сравнение двух методов модуляции (16-DPSK и 16-QAM)по величине минимального расстояния между посылками d Рис. 18.7.P
Фрагмент сигнала для простой бинарной дифференциальной фазовой модуляции (2 DPSK) и его отображение на комплексной плоскости Рис. 18.6.P
Качественное сравнение "классических" методов модуляции по степени устойчивости к помехамНа показан фрагмент сигнала для простой бинарной дифференциальной фазовой модуляции (DPSK), при использовании которой передаче логической 1 в исходной цифровой последовательности соответствует сдвиг фазы гармонической посылки на 180`, а логическому 0 отсутствие такого сдвига. В аналитическом виде этот сигнал описывается соотношением s(t) = cos(ωctaπ/2) и на комплексной плоскости представляется в виде двух точек на окружности. В современных высокоскоростных модемах этот вид модуляции не используется, хотя применялся ранее в модемах со скоростью передачи до 4800 бит/с. Ограничение скорости передачи связано с неэффективным размещением сигналов в пространстве, при котором минимальное расстояние между ними (а значит, и степень устойчивости к помехам) далеко от теоретического предела. Для метода DPSK максимальное число бит, информация о которых может быть "закодирована" в одной посылке гармонического сигнала (на одном бодовом интервале), составляет 3, что означает улучшение скорости передачи по сравнению с бинарным кодированием только в 3 раза и общее число гармонических посылок, различающихся по фазе, равное 23=8. При попытке дальнейшего "дробления" фаз метод модуляции DPSK становится неконкурентноспособным с точки зрения помехоустойчивости в сравнении с более совершенными комбинированными амплитудно-фазовыми методами модуляции. Переход от фазовой к амплитудно-фазовой модуляции позволяет увеличить минимальное достижимое расстояние между гармоническими посылками (в смысле расстояния между точками в евклидовом пространстве) при заданном числе этих посылок, как это показано на . На этом рисунке сравниваются два метода модуляции (16-DPSK и 16-QAM), причем минимальное расстояние между посылками d, очевидно, больше для второго метода модуляции. Здесь QAM (Quadrature Amplitude Modulation) многопозиционная амплитудно-фазовая модуляция, при использовании которой достижимое число бит на один бодовый интервал может быть увеличено до 8. Существует усовершенствованный метод модуляции TCM (Trellis Coded Modulation), модуляция с решетчатым кодированием или треллис-модуляция. Преимущество метода TCM перед QAM состоит не столько в увеличении числа бит, передаваемых за время посылки (оно может составлять от 1 до 9), сколько в снижении требования к телефонной линии по величине отношения сигнал-шум на 3...6 дБ. Если ограничиться кратким пояснением без привлечения ряда дополнительных и необязательных для широкого круга пользователей терминов, то к одним из основных решений, заложенных в метод модуляции TCM, следует отнести введение избыточного бита, полученного с помощью сверточного кодирования. После этого применяется метод модуляции QAM. Несмотря на то, что введение избыточного бита приводит к увеличению общего числа посылок в два раза, использование при декодировании эффективного алгоритма обработки сигналов на фоне шумов и помех (алгоритма Виттерби) позволяет компенсировать эту избыточность и получить отмеченный выше выигрыш в отношении сигнал-шум. Анализ принятого избыточного бита и учет ранее принятых сигналов дает возможность более уверенно выбрать наиболее вероятную точку в пространстве сигналов. Усложнение алгоритмов обработки сигналов и увеличение общего числа посылок ведет к увеличению требуемой производительности (вычислительной мощности) декодера, однако современный уровень развития цифровых сигнальных процессоров позволяет решить эту задачу. Модемы со скоростью передачи до 33600 бит/с, предназначенные для работы на аналоговых телефонных линиях и отвечающие рекомендациям стандарта V.34, используют метод модуляции TCM. На в качестве примера представлены проекции сигналов на комплексную плоскость для метода модуляции TCM при числе точек, равном 24, 128, 256 и 960 (соответствующие скорости передачи в стандарте V.34 9600, 19200, 24000 и 28800+200 бит/с). В последнем случае за счет временного уплотнения помимо основного канала вводится независимый дополнительный (параллельный) низкоскоростной канал (со скоростью передачи 200 бит/с), который может использоваться для служебных целей. Общий вид проекций сигналов на комплексную плоскость на делает понятными ранее упоминаемые варианты названий квадратурных диаграмм: констелляционные (constellation созвездие) или треллис (решетчатые). Рис. 18.5.P
Идеальная компенсация эквалайзером зависимости группового времени запаздывания в линии от частотыВ приемной части модемов, работающих в дуплексном режиме на обычной двухпроводной телефонной линии, требуется осуществлять также эхо-компенсацию. Соответствующий функциональный узел не показан. Проблема состоит в том, что при дуплексном обмене передающий модем может воспринять порожденный им же сигнал, отраженный от другого конца линии, как пришедший от удаленного модема. В стандартах для высокоскоростных модемов (в частности, в стандарте V.34) предусмотрена процедура эхо-компенсации и установлены ограничения на уровень отраженного сигнала (он должен быть меньше полезного сигнала не менее чем на 25...30 дБ) и его максимальную задержку (не более 200...300 мс). Практическая реализация эхо-компенсации в высокоскоростных модемах предусматривает автоматическое определение параметров отраженного сигнала (его амплитуды и задержки) на этапе установления соединения.Фильтры и усилители на являются традиционными устройствами при обработке сигналов на фоне шумов и помех и не нуждаются в более подробном описании. В то же время модулятор и демодулятор в модемах реализуют специфические и достаточно сложные методы модуляции, которые рассматриваются в разделе "Методы модуляции, используемые в высокоскоростных модемах".В современных модемах большая часть функций выполняется программой, управляющей работой цифрового сигнального процессора (ЦСП). Для исключения эффекта наложения спектров принципиально использование непрерывных аналоговых фильтров. Нужны также аналоговые усилители, АЦП и ЦАП для преобразования аналоговых сигналов в цифровые и обратно. Методы модуляции, используемые в высокоскоростных модемахИзвестно, что "классические" методы модуляции при прочих равных условиях существенно отличаются между собой по степени устойчивости к помехам. В отношении посылок ограниченных во времени отрезков синусоидальных сигналов, несущих информацию о логических нулях и единицах, возможна простая интерпретация преимущества одних методов модуляции перед другими (см. ). На s1(t) и s2(t) сигналы, соответствующие логическому нулю и единице (при бинарной передаче, когда каждая элементарная посылка несет информацию только об одном бите). АМ, ЧМ и ФМ соответственно амплитудная, частотная и фазовая модуляция. Из графиков на видно, что в наибольшей степени отличаются между собой посылки сигналов при фазовой модуляции, в наименьшей при амплитудной модуляции. Поэтому по степени устойчивости к помехам "классические" методы модуляции должны быть расставлены в том же порядке:АМЧМФМВ высокоскоростных модемах для дальнейшего улучшения помехоустойчивости (при неизменном отношении сигнал-шум в линии) используются обычно комбинации из "классических" методов модуляции, в частности, различные варианты амплитудно-фазовой модуляции. Для пояснения преимущества таких комбинированных методов модуляции над "классическими" методами могут быть применены так называемые констелляционные (от слова constellation созвездие) или треллис (от слова trellis решетка) диаграммы. Используется еще и третий вариант названия квадратурные диаграммы, напрямую связанный со способом изображения на комплексной плоскости гармонических функций при их разложении на синусоидальную ("мнимую" Im) и косинусоидальную ("вещественную" Re) составляющие. Рис. 18.4.P
Пример представления части словаря при работе протокола сжатия V.42bis Скремблер/дескремблер производят такое преобразование передаваемого и принятого сигналов, которое исключает влияние длинных цепочек из логических нулей или единиц, а также коротких повторяющихся последовательностей на надежность синхронизации в приемной части модема. Скремблер при необходимости "разреживает" такие последовательности за счет принудительно вставляемых логических нулей или единиц, делая преобразованные данные псевдослучайными, а дескремблер удаляет лишние биты, восстанавливая исходный вид данных. Описанная проблема (зависимость качества синхронизации от вида передаваемых данных) существенна, конечно, не только при модемной связи, но и при любых видах обменов цифровыми данными по последовательной линии передачи, в которой не предусмотрена посылка отдельного синхросигнала. Такая ситуация характерна для компьютерных сетей, в которых для решения указанной проблемы вместо простых кодов передачи используются самосинхронизирующиеся коды (типа двухуровневых кодов Манчестер-2 или трехуровневых кодов с высокой плотностью единиц КВП или BNZS в английском варианте названия). Эквалайзер включается в приемной части модема и служит для компенсации зависимости группового времени запаздывания в линии от частоты. Для улучшения качества передачи речевых сигналов их спектральные составляющие на разных частотах должны приходить к удаленному модему с одинаковой задержкой. Идеальная компенсация показана на . На практике в высокоскоростных модемах собственное групповое время запаздывания эквалайзера подстраивается автоматически. Рис. 18.3.P
Структурная схема модема Кодер/декодер предназначены для защиты от ошибок и "сжатия" данных. Защита от ошибок предполагает включение в пакеты передаваемых данных избыточного циклического кода (CRC), как и в локальных компьютерных сетях (см. раздел "Использование помехоустойчивых кодов для обнаружения ошибок в сети" Лекции 10). При этом в качестве стандартных протоколов, более подробно описывающих форматы данных (в том числе число бит в коде CRC 16 или 32), используются протоколы серии MNP (Microcom Networking Protocol компании Microcom) или V.42 / V.44 (международный стандарт ITU-T). Протокол V.42bis представляет собой протокол сжатия данных. Если нельзя увеличить пропускную способность линии передачи из-за ограничения, накладываемого теоремой Шеннона, то можно уменьшить избыточность передаваемой текстовой информации, используя свойство повторяемости цепочек символов в словах. Для этого на передающем и приемном конце линии модемы (точнее, их кодеры и декодеры) организуют и поддерживают идентичные динамические словари в виде структур типа дерева с отдельными символами в качестве узлов (см. ). Достаточно передавать не сами слова, а, фактически, специальным образом описанные (в виде чисел) части словарей (пути в дереве), содержащие требуемые последовательности символов. Так, часть словаря на позволяет описать строки символов A, B, BA, BAG, BAR, BI, BIN, C, D, DE, DO и DOG относительно соответствующих корневых узлов. Рис. 18.2.P
Структура модемаОдна из возможных структурных схем модема показана на . Она содержит типовые функциональные узлы обработки и преобразования сигналов, из числа которых намеренно исключены некоторые второстепенные узлы, предназначенные для организации синхронизации и обработки служебных сигналов. Далее узлы, осуществляющие прямое и обратное преобразования в передающей и приемной части модема, рассматриваются попарно. Рис. 18.1.P
В данной лекции рассматриваются типовая структурная схема модема для аналоговых телефонных линий, методы модуляции, используемые в высокоскоростных модемах, особенности стандартов V34, V.90 и V.92, классификация модемов и программные средства для них.
Структура модема, методы модуляции, стандарты и программные средства для модемов: версия для печати и PDA
Основы локальных сетей
Интернет-Университет Информационных Технологий
INTUIT.ru::Интернет-Университет Информационных Технологий
Комментариев нет:
Отправить комментарий