Технологии и средства связи

22 октября

Выпуск #011

Архив

МОДЕМЫ 
(продолжение)

III. Многоуровневые сигналы и код Грея. 

Простым примером использования двухуровневого сигнала (±n) служит телеграфный аппарат. Его принцип работы можно распространить на общий случай m уровней, когда цифровой сигнал представляется в виде сигнального алфавита размером «m». Термин «уровень» может относиться к амплитуде, частоте, фазе или же к комбинации любых двух из этих параметров.

Если принять m = 2ⁿ (т. е. n = log₂ m), то m-уровневый символ данных представляется «n» двоичными цифрами, каждая из которых может быть «0» или «1». Так, например, для 8-уровневого сигнала n = 3, а двоичные последовательности для каждого из восьми уровней имеют вид 000, 001, 001, 010, 110, 111, 101 и 100. Отметим, что эти последовательности отличаются только одной цифрой для каждого перехода между соседними уровнями; такая система кодирования для двоичных сигналов известна как код Грея. В этих условиях ошибки детектирования m-уровневого элемента, которые возникают при пересечении порога решения, приводят к минимальному отклонению от восстанавливаемого сигнала.

Для многоуровневого сигнала, когда каждый элемент содержит «n» битов (n = log₂m), а скорость передачи элементов сигнала равна В Бод (элементы/с), скорость передачи данных будет равна Вlog₂m бит /с.

IV. Квадратурная амплитудная модуляция QAM

и модуляция с решетчатым кодированием TSM.

Чтобы скорость надежной передачи данных превысила 2400 бит/с, необходимо усложнить сигнал, передаваемый в линию. Для этого вместо фазовых сдвигов несущей (что потребовало бы детектирования очень небольших разностей фаз), используются изменения и фазы, и амплитуды.

При квадратурной амплитудной модуляции QAM (Quadrature Amplitude Modulation) применяется метод относительной передачи сигнала, когда принимающий модем определяет изменения амплитуды и фазы сигнала в интервале передачи одного сигнального символа относительно параметров предыдущего символа. Диаграмма состояний сигнала (созвездие), представленная на рис. 3, показывает, как сигнал формируется и амплитудой, и фазой. Чтобы описать созвездие, иногда используется термин «сигнальное пространство». Каждый символ должен иметь собственное сигнальное пространство, тогда амплитудные и фазовые шумы будут заставлять сигнал находиться в общей зоне точки созвездия.

На рис. 3 показаны положения векторов, концы которых образуют точки так называемого электронно- лучевого изображения созвездия, используемого для оценки векторной модуляции.

Любой QAM-сигнал F(t) на рис. 3 может быть представлен следующим образом:

Рис. 3. Диаграмма состояний сигнала

где I(t) и Q(t) —синфазная и квадратурная составляющие модулирующего сигнала. Для интервала времени t, в котором I(t) и Q(t) могут считаться постоянными величинами,

где

В приемнике системы 64-уровневой QAM применяется адаптивная коррекция для компенсации затухания сигнала в линии, которое может меняться во времени. Демодулированный сигнал в полосе модулирующих частот используется для регулировки коэффициен­тов усиления в отводах цифрового фильтра, чтобы его частотная характеристика была обратной по отношению к частотной характеристике линии, идущей от передатчика.

Модуляция с решетчатым кодированием ТСМ (Trellis Coded Modulation) представляет собой комбинацию QAM и сверточного кодирования и заключается в том, что фазу и амплитуду каждого символа сигнала определяет вид цифрового потока в интервале, превышающем длительность одного символа. При этом учитываются не только биты, которые передаются данным символом, но и биты, уже использованные в предыдущих символах, и биты, предназначенные для последующих символов. Таким образом, последовательность изменений фазы и амплитуды косвенно определяется последовательностью данных. Для улучшения условий обнаружения и исправления ошибок некоторые последовательности переходов точек созвездия запрещаются.

Стандарт, определяемый рекомендацией V.22 bis, допускает передачу со скоростью 2400 бит/с при скорости модуляции 600 Бод. При этом используются две несущие частоты, как в модеме V.22, поэтому приемный и передающий тракты могут быть разделены с помощью фильтрации. Несущие частоты равны 1200 и 2400 Гц. Однако в этом случае вместо четырех точек созвездия используются 16 точек — по 4 точки в каждом квадранте сигнального пространства. Каждая точка в созвездии представляет 4 бита данных. Два бита определяют амплитуду, а два других бита — фазу передаваемого сигнала.

В модеме стандарта V.32 скорость передачи данных повышается до 9600 бит/с. В нем применяется модуляция либо QAM с 16-точечным созвездием, либо с решетчатым кодированием ТСМ. Скорость модуляции составляет 2400 Вод, частота несущей — 1800 Гц.

Для повышения скорости передачи данных до 14,4 кбит/с в модеме стандарта V.32 bis используется еще больше точек созвездия. Скорость модуляции составляет 2400 Вод, частота несущей — 1800 Гц. Максимальное число кодируемых битов равно шести, для чего требуется 128-точечное созвездие. Пониженные скорости передачи — 12 кбит/с (5 бит/символ), 9,6 кбит/с (4 бит/символ), 7,2 кбит/с (3 бит/символ) и 4,8 кбит/с (2 бит/символ); для всех скоростей передачи данных применяется ТСМ.

Для модема стандарта V.32 ter максимальная скорость передачи данных равна 19,2 кбит/с, скорость модуляции — 2400 Вод, несущая частота — 1800 Гц. Предусмотрены пониженные скорости передачи данных — 16,8 и 14 кбит/с. Для всех скоростей передачи данных применяется ТСМ.

Модем стандарта V.34 — последний аналоговый модем с предельной скоростью передачи данных 33,6 кбит/с. Считается, что эта скорость — максимально возможная в коммутируемой телефонной сети общего пользования. Данное ограничение обусловлено двумя факторами: 1) полоса частот сигнала, допустимая при аналого-цифровом преобразовании на телефонной станции, составляет 300 Гц—3,4 кГц; 2) преобразователь использует 8-битовое кодирование сигнала по А- или µ-закону, обеспечивая отношение сигнал/шум 38 дБ в динамическом диапазоне от -40 дБм до -15 дБм. Ограничение полосы частот приводит к ограничению скорости модуляции. Отношение сигнал/шум ограничивает число уровней сигнала, которые можно различить.

На реальных линиях модемы V.34 позволяют передавать данные со скоростью не более 28,8 кбит/с, а «головокружительная» скорость 33,6 кбит/с достигается модемом V.34 plus. В отличие от других модемов в рассмотренных модемах от качества линии зависят и скорость передачи данных, и несущая частота. Чтобы анализировать условия работы на линии, оба модема передают друг другу тональные сигналы. При хороших условиях скорость модуляции повышается до 3429 Бод. Для всех скоростей передачи применяется ТСМ.

V. Время задержки модема.

Фильтры, корректоры и другие элементы схемы модема приводят к задержкам сигнала порядка нескольких миллисекунд.  В высокоскоростные модемы (> 2400 бит/с) для эхокомпенсации включаются адаптивные корректоры, время сходимости которых может составлять от 100 мс до нескольких секунд.

Источником задержки, даже на коротких линиях с низкоскоростными модемами, служит так называемое время оборота модема, например интервал времени между сообщением «Запрос на передачу» и ответом «Готов к передаче».

VI. Эхоподавление и эхокомпенсация.

Оконечное оборудование редко точно согласовано с линией. Рассогласования наблюдаются также везде, где используются дифференциальные системы, например для перехода от 2-проводной линии к 4-проводной. Эффект рассогласования в сети состоит в том, что отраженные сигналы от мест рассогласования возвращаются на передающий конец и говорящий абонент слышит свой собственный голос как эхо. На коротких линиях этот эффект не создает проблем, поскольку фактически проявляется как местный эффект. На международных линиях добавляются эхозаградители к промежуточным усилителям в 4-проводных цепях. Эти устройства детектируют выходное напряжение промежуточного усилителя передающей линии и используют его для уменьшения усиления промежуточного усилителя «приемной» линии в этом же пункте. При передаче данных (например, между двумя модемами) в дуплексном режиме должны быть предусмотрены средства отключения эхозаградителей.

Рис. 4. Маршрут эхосигналов от ближнего и дальнего концов.

Путь передачи ->; эхо ближнего конца - - ->; эхо дальнего конца ...->.

Для дуплексной передачи данных между модемами на двухпроводной линии можно применять методы эхокомпенсации — цифровую обработку сигнала, при которой адаптивные трансверсальные фильтры имитируют путь прохождения эхосигнала от передатчика к приемнику, позволяя затем вычитать эхосигнал из принятого сигнала. Изменения длины линии и рассогласований импеданса можно компенсировать, изменяя коэффициенты передачи фильтра, хранящиеся в ПЗУ, с помощью микропроцессора. На рис. 4 показан маршрут, по которому эхосигналы от ближнего и дальнего концов достигают приемника, а на рис. 5 — схема эхокомпенсатора с адаптивным фильтром. Типичное значение ослабления для дифференциальной системы для ближнего эха составляет 10 дБ, тогда как затухание на линии может достигать 40 дБ. Таким образом, уровень ближнего эхосигнала может быть на 30 дБ выше уровня приходящего сигнала. Уровень дальнего эхосигнала ниже, но он задерживается на несколько миллисекунд.

Рис. 5. Схема эхокомпенсатора с адаптивным фильтром

Микропроцессор, определяющий коэффициенты цифрового фильтра, работает по алгоритму, минимизирующему ошибку в принятом сигнале. Были исследованы различные алгоритмы, и результаты, полученные при испытаниях в Норвегии, показали, что характеристики удовлетворяют требованиям передачи данных со скоростью манипуляции 12 кбит/с на расстояние 15 км по кабелю диаметром 0,6 мм с затуханием 50 дБ с коэффициентом ошибки в бите 10^-7. Интервал сходимости эхокомпенсации (т.е. время настройки фильтра) составлял при этом 2-3 с после включения питания.