На начальном этапе применения одновременной передачи использовался метод частотного разделения (стандарты Bell 103 и Bell 212A, Рекомендация V.22). Вся полоса пропускания канала разделяется на два частотных подканала, по каждому из которых производится передача в одном направлении. Из-за уменьшения практически в 2 раза полосы частот, выделяемой для передачи сигналов в каждом из направлений, при этом методе применяются более многопозиционные т.е. менее помехоустойчивые методы модуляции. Этот метод не позволяет использовать возможности канала в полном объеме ввиду значительного сужения полосы пропускания. Тем более, что для исключения проникновения боковых гармоник в соседний подканал, разносить их приходится со значительным "зазором", в результате чего частотные подканалы занимают отнюдь не половину полного спектра. Поэтому данный метод разделения направлений передачи получил распространение для скоростей передачи до 2400 бит/с, а Рекомендация V.22bis стала фактическим стандартом на скорость передачи 2400 бит/с.
Нашла также применение разновидность данного метода – асимметричный дуплекс (напр., в Рекомендации V.23 – комбинация скоростей 1200/75 бит/с). Дело в том, что ряд протоколов обеспечивают и более скоростную связь, но в одном направлении, в то время как обратный канал – значительно медленнее. Разделение частот в этом случае осуществляется на неравные по ширине полосы пропускания подканалы. Эта разновидность дуплексной связи называется асимметричной.
Наиболее эффективным, но и самым сложным в реализации, является метод одновременной передачи с помощью эхо-компенсации. В данном варианте используется вся полоса частот канала связи и наиболее помехоустойчивые для данной скорости методы модуляции. Модемы, обладая информацией о собственном выходном сигнале, могут использовать это знание для фильтрации собственного "рукотворного" шума из принимаемого сигнала. На этапе вхождения в связь каждый модем, посылая некий зондирующий сигнал, определяет параметры эхо-отражения: время запаздывания и мощность отраженного сигнала. А в процессе сеанса связи эхо-компенсатор модема "вычитает" из принимаемого входного сигнала свой собственный выходной сигнал, скорректированный в соответствии с полученными параметрами эхо- отражения. Эта технология позволяет использовать для дуплексной передачи информации всю ширину полосы пропускания канала, однако требует при реализации весьма серьезных вычислительных ресурсов на сигнальную обработку. Этот метод применен в модеме по Рекомендациям V.26ter (2400 бит/с), V.32 (9600 бит/с). Первые модемы, соответствующие Рекомендации V.32, были созданы в 1985г. Модемы по Рекомендации V.26ter не получили широкого распространения, на начальном этапе это было вызвано конкуренцией с более простыми и дешевыми модемами по Рекомендации V.22bis. В настоящее время модемы по Рекомендации V.26ter, имеющие более высокую помехоустойчивость (в них используется метод ДОФМ), могут быть реализованы более экономично, но их не выпускают из-за несовместимости с распространенными типами модемов.
Следует отметить, что модемы для коммутируемых каналов, наряду с выполнением основных функций модуляции-демодуляции, аналогичных реализуемым в модемах для арендованных каналов, решают ряд дополнительных сложных задач, обусловленных особенностями коммутируемых телефонных каналов. Кроме разделения сигналов, передаваемых в противоположных направлениях по одной паре проводов, к этим задачам относятся: сопряжение с коммутируемым каналом (создание шлейфа по постоянному току, формирование и передача сигналов набора и автоответа, прием вызова и других служебных тональных сигналов); обеспечение высокой достоверности передачи информации по каналам пониженного по сравнению с арендованными каналами качества.
Модуляция
В современных модемах используются три основных типа модуляции:
При частотной модуляции (ЧМ, FSK–Frequency Shift Keying) значениям 0 и 1 информационного бита соответствуют свои частоты физического сигнала при неизменной его амплитуде. Частотная модуляция весьма помехоустойчива, поскольку искажению при помехах подвергается в основном амплитуда сигнала, а не частота. При этом достоверность демодуляции, а значит и помехоустойчивость тем выше, чем больше периодов сигнала попадает в бодовый интервал. Но увеличение бодового интервала по понятным причинам снижает скорость передачи информации. С другой стороны, необходимая для этого вида модуляции ширина спектра сигнала может быть значительно уже всей полосы канала. Отсюда вытекает область применения ЧМ – низкоскоростные, но высоконадежные стандарты, позволяющие осуществлять связь на каналах с большими искажениями амплитудно-частотной характеристики, или даже с усеченной полосой пропускания.
При фазоразностной модуляции (ДОФМ, ТОФМ, DPSK – Differential Phase Shift Keying) изменяемым в зависимости от значения информационного элемента параметром является фаза сигнала при неизменных амплитуде и частоте. При этом каждому информационному элементу ставится в соответствие не абсолютное значение фазы, а ее изменение относительно предыдущего значения. Если информационный элемент есть дибит, то в зависимости от его значения (00, 01, 10 или 11) фаза сигнала может измениться на 90, 180, 270 градусов или не измениться вовсе. Из теории информации известно, что фазовая модуляция наиболее информативна, однако увеличение числа кодируемых бит выше трех (8 позиций поворота фазы) приводит к резкому снижению помехоустойчивости. Поэтому на высоких скоростях применяются комбинированные амплитудно-фазовые методы модуляции.
Миогопозиционную амплитудно-фазовую модуляцию называют еще квадратурной амплитудной модуляцией (КАМ-n, QAM – Quadrature Amplitude Modulation). Здесь помимо изменения фазы сигнала используется манипуляция его амплитудой, что позволяет увеличивать число кодируемых бит. В настоящее время используются модуляции, в которых количество кодируемых на одном бодовом интервале информационных бит может доходить до 8, а, соответственно, число позиций сигнала а сигнальном пространстве – до 256. Однако, применение многоточечной QAM в чистом виде сталкивается с серьезными проблемами, связанными с недостаточной помехоустойчивостью кодирования. Поэтому во всех современных высокоскоростных протоколах используется разновидность этого вида модуляции, т.н. модуляция с решетчатым кодированием или треллис-кодированием (ТСМ, Trellis Coded Modulation), которая позволяет повысить помехозащищенность передачи информации – снизить требования к отношению сигнал/шум в канале на величину от 3 до 6 дБ. Суть этого кодирования заключается в введении избыточности. Пространство сигналов расширяется вдвое путем добавления к информационным битам еще одного, который образуется посредством сверточного кодирования над частью информационных бит и введения элементов запаздывания. Расширенная таким образом группа подвергается все той же многопозиционной амплитудно-фазовой модуляции. В процессе демодуляции принятого сигнала производится его декодирование по весьма изощренному алгоритму Виттерби, позволяющему за счет введенной избыточности и знания предистории выбрать по критерию максимального правдоподобия из сигнального пространства наиболее достоверную точку и, тем самым, определить значения информационных бит.
В модемах с высокой удельной скоростью передачи для коррекции межсимвольной интерференции используются адаптивные корректоры межсимвольных искажений (АКМИ). На практике наиболее широкое применение нашли АКМИ, реализованные на базе нерекурсивного фильтра (трансверсальный фильтр). Причем в качестве алгоритма адаптации весовых коэффициентов фильтра используются алгоритмы стохастической аппроксимации, минимизирующие величину среднего квадрата ошибки недокоррекции. Коррекция осуществляется либо в полосовой области (в диапазоне частот передаваемого сигнала), либо в области низких частот, используя двумерное представление сигнала данных. Следует отметить, что применение АКМИ обеспечивает оптимальную поэлементную обработку принимаемого сигнала при межсимвольных интерференции из-за фазовых искажений передаточной функции канала связи.
В передатчике модема выполняются следующие операции: 1. посредством скремблера формируется псевдослучайная информационная последовательность, которая в преобразователе кода отображается в последовательность двумерных сигналов данных (x/n/); 1. цифровой формирователь спектра осуществляет формирование спектра единичного элемента сигналов, который в ряде случаев выполняет функцию блока предыскажения, компенсирующего детерминированную часть межсимвольной интерференции, вносимой каналом связи; 1. модулятор переносит спектр сигнала в заданную область частот.
На приеме сигнал данных подвергается обратным преобразованиям. Линейные блоки приемника осуществляют согласование по уровню с принимаемым сигналом (АРУ), расщепление сигнала на квадратурные компоненты и выборку отсчетов двумерного сигнала данных ( x`/n/, y`/n/) путем дискретизации во времени в АЦП.
При коррекции в области нижних частот расщепление принимаемого сигнала на квадратурные составляющие осуществляется в демодуляторе (при аналоговой реализации входных блоков приемника) или в преобразователе Гильберта – при цифровой реализации.
Задача компенсации межсимвольной интерференции обеспечивается, если линейный тракт передачи удовлетворяет условию селективности сквозной импульсной реакции (при этом сквозная передаточная функция тракта удовлетворяет критерию Найквиста). На практике получило распространение формирование сквозных передаточных функций с косинус-квадратичным скруглением (иногда такой вид скругления называют "приподнятым косинусом"). Причем обычно для предотвращения снижения помехоустойчивости по отношению к флуктуационному шуму передаточную функцию модема разделяют поровну между коэффициентами передачи формирователя спектра на передачи и фильтром входного блока приемника.
Страницы: 1, 2, 3
