Основная функция модема — преобразование несущего гармонического колебания (одного или нескольких его параметров) в соответствии с законом изменения передаваемой информационной последовательности. Такое преобразование аналогового сигнала называется модуляцией.
Способ модуляции играет основную роль в достижении максимально возможной скорости передачи информации при заданной вероятности ошибочного приема. Предельные возможности системы передачи можно оценить с помощью известной формулы Шеннона, определяющей зависимость пропускной способности С непрерывного канала с белым гауссовским шумом от используемой полосы частот F и отношения мощностей сигнала и шума PS /Рц '.
C=F log^l+Ps/P^),
где PS=E^V — средняя мощность сигнала; Еь — энергия, затрачиваемая на передачу одного бита информации; V — скорость передачи информации;
Ру=.\'дДР — средняя мощность шума в полосе частот ДР ; Ng/2 — спектральная плотность мощности шума.
Пропускная способность определяется как верхняя граница реальной скорости передачи информации V. Приведенное выше выражение позволяет найти максимальное значение скорости передачи, которое может быть достигнуто
Рис. 6.1. Зависимость удельной скорости передачи от отношения сигнал/шум
в гауссовском канале с заданными значениями &.F и Ps / Р^ . Например, если отношение сигнал/шум равно 20 дБ, т.е. мощность сигнала на входе модема в 100 раз выше мощности шума, и используется полная полоса телефонного канала тональной частоты (3100 Гц), то максимально достижимая скорость не может превышать 20640 бит/с.
Вероятность ошибочного приема бита в конкретной системе передачи определяется отношением Ei,/No • Из формулы Шеннона следует, что возрастание удельной скорости передачи V/&.F требует увеличения энергетических затрат (Ei,) на один бит (рис. 6.1).
Любая система передачи может быть описана точкой, лежащей ниже приведенной на рисунке кривой (область В). Эту кривую часто называют границей или пределом Шеннона. Для любой точки в области В можно создать такую систему связи, вероятность ошибочного приема у которой может быть настолько малой, насколько это требуется. История развития как систем связи в целом, так и модемной техники, в частности, представляет собой непрекращающуюся серию попыток приблизить их к границе Шеннона, сохраняя при этом низкую вероятность ошибочного приема информационного бита (такие системы используют современные способы модуляции и кодирования).
Современные системы передачи данных требуют, чтобы вероятность необнаруженной ошибки была не выше величины 10~ ...Ю"1 . Эти значения обеспечивают протоколы исправления ошибок типа MNP1 — MNP4 и V.42, которые будут рассмотрены ниже.
В модемах для телефонных каналов, как правило, используются три вида модуляции: частотная, относительная фазовая (фазоразностная) и квадратурная амплитудная модуляция, часто называемая многопозиционной амплитуд-но-фазовой.
При частотной модуляции (ЧМ, FSK — Frequency Shift Keying) значениям "О" и "1" информационной последовательности соответствуют определенные частоты аналогового сигнала при неизменной амплитуде. Частотная модуляция весьма помехоустойчива, поскольку помехи телефонного канала искажают в основном амплитуду, а не частоту сигнала. Однако при частотной модуляции неэкономно расходуется ресурс полосы частот телефонного канала. Поэтому этот вид модуляции применяется в низкоскоростных протоколах, позволяющих осуществлять связь по каналам с низким отношением сигнал/шум.
При относительной фазовой модуляции (ОФМ, DPSK — Differential Phase Shift Keying) в зависимости от значения информационного элемента изменяется только фаза сигнала при неизменной амплитуде и частоте. Причем каждому информационному биту ставится в соответствие не абсолютное значение фазы, а ее изменение относительно предыдущего значения.
Чаще применяется четырехфазная ОФМ (ОФМ-4), или двукратная ОФМ (.ДОФМ), основанная на передаче четырех сигналов, каждый из которых несет информацию о двух битах (дибите) исходной двоичной последовательности. Обычно используется два набора фаз: в зависимости от значения диби-та (00, 01, 10 или 11) фаза сигнала может измениться на 0°, 90°, 180°, 270° или 45°, 135°, 225°, 315° соответственно. При этом, если число кодируемых бит более трех (8 позиций поворота фазы), резко снижается помехоустойчивость ОФМ. По этой причине для высокоскоростной передачи данных ОФМ не используется.
6.2.3. Квадратурная амплитудная модуляция
При квадратурной амплитудной модуляции (КАМ, QAM - Quadrature Amplitude Modulation) изменяется как фаза, так и амплитуда сигнала, что позволяет увеличить количество кодируемых бит и при этом существенно повысить помехоустойчивость. В настоящее время используются способы модуляции, в которых число кодируемых на одном бодовом интервале информационных бит может достигать 8...9, а число позиций сигнала в сигнальном пространстве - 256...512.
Квадратурное представление сигналов является удобным и достаточно универсальным средством их описания. Квадратурное представление заключается в выражении колебания линейной комбинацией двух ортогональных составляющих — синусоидальной и косинусоидальной:
S(t)=x(.t)sin(wt+(p)+y(t)cos(wt+(p),
где x(t) и y(t) — биполярные дискретные величины. Такая дискретная модуляция (манипуляция) осуществляется по двум каналам на несущих, сдвинутых на 90° друг относительно друга, т.е. находящихся в квадратуре (отсюда и название представления и метода формирования сигналов).
Поясним работу квадратурной схемы (рис. 6.2) на примере формирования сигналов четырехфазной ФМ (ФМ-4).
Исходная последовательность двоичных символов длительностью Т при помощи регистра сдвига разделяется на нечетные импульсы у, которые подаются в квадратурный канал (coswt), и четные — х, поступающие в синфазный канал (sinwt). Обе последовательности импульсов поступают на входы соответствующих формирователей манипулирующих импульсов, на выходах которых образуются последовательности биполярных импульсов x(t) и y(t). Манипулирующие импульсы имеют амплитуду С/д/^з и длительность 2Г. Импульсы x(t) и y(t) поступают на входы канальных перемножителей, на выходах которых формируются двухфазные (0,л) ФМ колебания. После суммирования они образуют сигнал ФМ-4. В соответствии с методом формирования сигнал ФМ-4 также называют квадратурным ФМ сигналом (QPSK — Quadrature PSK).
При одновременной смене символов в обоих каналах модулятора (с 10 на 01, или с 00 на 11) в сигнале ДОФМ происходит скачок фазы на 180° (я).
Рис. 6.2. Схема квадратурного модулятора
Рис. 6.3. Формирование сигналов OQPSK
Такие скачки фазы, также имеющие место и при обыкновенной двухфазной модуляции (ФМ-2), вызывают паразитную амплитудную модуляцию огибающей сигнала. В результате этого при прохождении сигнала через узкополосный фильтр возникают провалы огибающей до нуля. Такие изменения сигнала нежелательны, поскольку приводят к увеличению энергии боковых полос и помех в канале связи.
Четырехфазная ФМ со сдвигом (OQPSK - Offset QPSK) (рис. 6.3) позволяет избежать скачков фазы на 180° и, следовательно, глубокой модуляции огибающей. Формирование сигнала в квадратурной схеме происходит так же, как и в модуляторе ФМ-4, за исключением того, что манипуляционные элементы информационной последовательности x(t) и y(t) смещены во времени на длительность одного элемента Т, как показано на рис. 6.3, б, в. Изменение фазы при таком смещении модулирующих потоков определяется лишь одним элементом последовательности, а не двумя, как при ФМ-4. В результате скачки фазы на 180" отсутствуют, так как каждый элемент последовательности, поступающий на вход модулятора синфазного или квадратурного канала, может вызвать изменение фазы на 0°, +90° или -90°.
Для приведенного в начале раздела 6.2.3 выражения для описания сигнала характерна взаимная независимость многоуровневых манипулирующих импульсов x(t), y(t) в каналах, т.е. единичному уровню в одном канале может соответствовать единичный или нулевой уровень в другом канале. В результате выходной сигнал квадратурной схемы изменяется не только по фазе, но и по амплитуде. Поскольку в каждом канале осуществляется амплитудная манипуляция, этот вид модуляции называют квадратурной манипуляцией с изменением амплитуды (QASK — Quadrature Amplitude Shift Keying) или просто квадратурной амплитудной модуляцией — КАМ.
Пользуясь геометрической трактовкой, каждый сигнал КАМ можно изобразить вектором в сигнальном пространстве. Отмечая только концы векторов, для сигналов КАМ получаем изображение в виде сигнальной точки, координаты которой определяются значениями x(t) и y(t). Совокупность сигнальных точек образует так называемое сигнальное созвездие (signal constellation).
На рис. 6.4 показана структурная схема модулятора и-сигнальное созвездие для случая, когдал-(0 и y(t) принимают значения ±1, ±3 (4-х уровневая КАМ).
Рис. 6.4. Схема модулятора и сигнальная диаграмма КАМ-4
Величины ±1, ±3 определяют уровни модуляции и имеют относительный характер. Созвездие содержит 16 сигнальных точек, каждая из которых соответствует четырем передаваемым информационным битам.
Комбинация уровней ±1, ±3, ±5 может сформировать созвездие из 36 сигнальных точек. Однако из них в протоколах ITU-T используется только 16 равномерно распределенных в сигнальном пространстве точек.
Существует несколько способов практической реализации 4-х уровневой КАМ, наиболее распространенным из которых является так называемый способ модуляции наложением (SPM — Supersposed Modulation). В схеме, реализующей данный способ, используются два одинаковых 4-х фазных модулятора (рис. 6.2). Структурная схема модулятора SPM и диаграммы, поясняющие его работу приведены на рис. 6.5.
Из теории связи известно, что при равном числе точек в сигнальном созвездии спектр сигналов КАМ идентичен спектру сигналов ФМ. Однако помехоустойчивость систем ФМ и КАМ различна. При большом числе точек сигналы системы КАМ имеют лучшие характеристики, чем системы ФМ. Основная причина этого состоит в том, что расстояние между сигнальными точками в системе ФМ меньше расстояния между сигнальными точками в системе КАМ.
На рис. 6.6 представлены сигнальные созвездия систем КАМ-16 и ФМ-16 при одинаковой мощности сигнала. Расстояние d между соседними точками сигнального созвездия в системе КАМ с L уровнями модуляции определяется выражением:
c?=v2/(JL-l). Аналогично для ФМ
d=2sin(n/M), где М — число фаз.
Рис 6 5 Схема модулятора КАМ-16
И ч приведенных выражений следует, что при при увеличении значения М и одном и том же уровне мощности системы КАМ предпочтительнее систем ФМ Например, при М=16 (Ј=4) </кАМ=0.47 и </фм=0,396, а при М=32 (L=6) й/кАМ=0,28, с?фм=0,174
Рис 6 6 Сигнальные созвездия КАМ 16 и ФМ-16
6.3. Сигнально-кодовые конструкции (треллис-модуляция)
Применение многопозиционной КАМ в чистом виде сопряжено с проблемой недостаточной помехоустойчивости. Поэтому во всех современных высокоскоростных протоколах КАМ используется совместно с решетчатым кодированием — специальным видом сверточного кодирования. В результате появился новый способ модуляции, называемый треллис-модуляцией (ТСМ — Trellis Coded Modulation). Выбранная определенным образом комбинация конкретной КАМ помехоустойчивого кода в отечественной технической литературе носит название сигналъно-кодовой конструкции (СКК). СКК позволяют повысить помехозащищенность передачи информации наряду со снижением требований к отношению сигнал/шум в канале на 3—6 дБ. При этом число сигнальных точек увеличивается вдвое за счет добавления к информационным битам одного избыточного, образованного путем сверточного кодирования. Расширенный таким образом блок битов подвергается все той же КАМ. В процессе демодуляции производится декодирование принятого сигнала по алгоритму Витерби. Именно этот алгоритм за счет использования введенной избыточности и знания предыстории процесса приема позволяет по критерию максимального правдоподобия выбрать из сигнального пространства наиболее достоверную эталонную точку.
Выбор способов модуляции и кодирования сводится к поиску такого заполнения сигнального пространства, при котором обеспечивается высокая скорость и высокая помехоустойчивость. Комбинирование различных ансамблей многопозиционных сигналов и помехоустойчивых кодов порождает множество вариантов сигнальных конструкций. Согласованные определенным образом варианты, обеспечивающие улучшение энергетической и частотной эффективности, и являются сигнально-кодовыми конструкциями. Задача поиска наилучшей СКК является одной из наиболее сложных задач теории связи. Современные высокоскоростные протоколы модуляции (V.32, V.32bis, V.34 и др.) предполагают обязательное применение сигнально-кодовых конструкций.
Все применяемые сегодня СКК используют сверточное кодирование со скоростью (га—1 /п), т.е. при передаче одного сигнального элемента используется только один избыточный двоичный символ.
Типичный кодер, применяемый совместно с модулятором ФМ-8 представлен на рис. 6.7. Он является сверточным кодером с относительной скоростью кода, равной 2/3. Каждым двум информационным битам на входе кодер сопоставляет трехсимвольные двоичные блоки на своем выходе, которые и поступают на модулятор ФМ-8.
Рис. 6.7. Схема сверточного 2/3 кодера
Применение сигналов ФМ связано с разрешением проблемы неоднозначности фазы восстановленной на приеме несущей. Данная проблема решается за счет относительного (дифференциального) кодирования, что в системах без помехоустойчивого кодирования приводит к размножению ошибок. В системах с помехоустойчивым кодированием относительное кодирование также используется. В этом случае имеет значение последовательность включения относительного и помехоустойчивого кодера.
Различают внешнее и внутреннее относительное кодирование. При внутреннем кодировании относительный кодер расположен на выходе помехоустойчивого кодера, а на приемной стороне относительный декодер включен на входе помехоустойчивого декодера (рис. 6.8, а). В этом случае помехоустойчивый кодер должен уметь бороться с группирующимися ошибками.
Внешнее относительное кодирование в ряде случаев является более выгодным, так как источник размножения ошибок — относительный декодер — включен на выходе помехоустойчивого декодера (рис. 6.8, б). Однако при этом теперь возникают трудности декодирования, вызванные неоднозначностью фазы опорного колебания при демодуляции. При ФМ-2 неоднозначность фазы опорного колебания (0 или я) приводит к явлению "обратной работы", заключающейся в том, что передаваемые единичные биты принимаются нулевыми, а нулевые — наоборот единичными. При большем числе позиций фазы возможна не только инверсия, но и перестановка двоичных символов. Решение этой проблемы заключается в использовании помехоустойчивых кодов, прозрачных, т.е. нечувствительных, к неопределенности фазы опорного колебания. Известно несколько видов СКК, обеспечивающих прозрачность к неопределенности фазы восстановленной несущей. Они также основаны на свер-точном кодировании со скоростью (п—\/п), т.е. используется только один избыточный двоичный символ.
Рис. 6.8. Схема внутреннего (а) и внешнего (б) включения относительного кодера
6.4. Основные протоколы модуляции
6.4.1. Протоколы V.21, Bell 103J
Основой Рекомендации ITU-T V.21 послужил протокол Bell 103J, разработанный американской фирмой AT&T. Протокол V.21 является дуплексным и использует частотную модуляцию и частотное разделение каналов. Полоса частот телефонного канала тональной частоты делится на два подканала. Один из них (нижний) используется вызывающим модемом для передачи своих данных, а другой (верхний) — для передачи информации от отвечающего модема. При этом, в нижнем подканале "1" передается с частотой 980 Гц, а "О" — 1180 Гц. В верхнем подканале "1" передается частотой 1650 Гц, а "О" — 1850 Гц (рис. 6.9).
Рис. 6.9. Спектр сигналов взаимодействующих модемов V.21
Скорость модуляции и скорость передачи данных в этом случае равны 300 Бод и 300 бит/с, соответственно. Несмотря на низкую скорость передачи, протокол V.21 широко используется в качестве "аварийного". Кроме того, он применяется в высокоскоростных протоколах на этапе установления соединения, что предусмотрено рекомендацией V.8. Данный протокол используется также для передачи управляющих команд при факсимильной связи (только по верхнему каналу).
Протокол Bell 103J соответствует протоколу V.21 с точностью до номиналов используемых частот. В нижнем подканале логический "О" передается частотой 1070 Гц, а "1" - 1270Гц, в верхнем подканале: "О"- 2025 Гц, "1" - 2225 Гц, соответственно.
6.4.2. Протоколы V.22, V.22bis
Протокол V.22 является дуплексным протоколом модуляции, предусматривающим использование относительной фазовой модуляции при частотном разделении каналов передачи взаимодействующих модемов. Нижний подканал, как и в протоколе V.21, использует вызывающий модем. Он передает на несущей частоте 1200 Гц. Отвечающий модем, в свою очередь, использует частоту передачи 2400 Гц (рис. 6.10). Скорость модуляции равна 600 Бод. Протокол предусматривает два режима модуляции — ОФМ и ДОФМ. В первом случае скорость передачи достигает значения 600 бит/с, а во втором — 1200 бит/с.
В отличие от V.21, протоколом V.22 впервые предусмотрено использование корректора фазовых искажений (эквалайзера) с фиксированными характеристиками.
Рекомендация V.22bis совпадает с V.22 по значениям несущих частот и скорости модуляции. Предусматриваются два режима модуляции — четырехпозиционная (КАМ-4) и шестнадцатипозиционная (КАМ-16) квадратурная модуляции с передачей двух (дибит) и четырех (квадбит) бит на один сигнальный отсчет. Скорость передачи данных может быть 1200 либо 2400 бит/с соответственно. В режиме 1200 бит/с протокол V.22bis полностью совместим с V.22.
Рис. 6.10. Спектр сигналов модемов V.22
Согласно Рекомендации V.22bis при передаче со скоростью 2400 бит/с поток данных разделяется на группы из квадбитов. Первые два бита определяют изменение фазового квадранта по отношению к квадранту, в котором находился предыдущий сигнальный элемент. Последние два бита каждого квадбита определяют один из четырех сигнальных элементов в новом квадранте. Первые биты каждой пары в табл. 6.1 и на рис. 6.11 являются также первыми в потоке данных, поступающем в модулятор после скремблирования.
Таблица 6.1. Кодирование сигнала согласно V.22bis
| Значения первых двух бит в квадбите (2400 бит/с) и дибите (1200 бит/с) | Изменение фазово | го квадранта |
| 00 | 1^2 2-»3 3^4 4-J |
90° |
| 01 | 1-»1 2-»2 3^3 4^4 |
Оо |
| 11 | 1^4 2-»1 32 4-.2 |
270° |
| 10 | 13 2->4 3»1 4-*2 | 180° |
При передаче со скоростью 1200 бит/с поток данных разделяется на диби-ты, которые определяют изменение фазового квадранта по отношению к квадранту, в котором находился предыдущий сигнальный элемент. Сигнальные элементы, соответствующие точкам 01 на сигнальной диаграмме (рис. 6.11) передаются независимо от рассматриваемого квадранта. Это обеспечивает совместимость с протоколом V.22.
Рис. 6.11. Сигнальная диаграмма V.22bis
Согласно Рекомендациям V.22 и V.22bis передаваемые данные подвергаются скремблированию. Схема скремблера и дескремблера V.22/V.22bis представлена на рис. 6.12.
Протоколы V.22 и V.22bis предусматривают возможность использования защитного тонального сигнала с частотой 1800 Гц. Необязательное (альтернативное) значение частоты защитного сигнала может равняться 550 Гц. Уровень защитного сигнала на частотах 1800 Гц и 550 Гц должен быть, соответственно, на 6 и 3 дБ ниже уровня мощности сигнала в верхнем канале, который, в свою очередь, должен быть еще на 1 дБ ниже, чем мощность сигнала в нижнем канале.
Рис. 6.12. Скремблер (а) и дескремблер (б) V.22/V.22bis
Протокол V.22bis фактически является стандартом для всех среднескорост-ных модемов.
6.4.3. Протокол V.23
Рекомендация V.23 описывает способ передачи информации по коммутируемым каналам со скоростью 600 и 1200 бит/с с частотной модуляцией. Более высокие, по сравнению с протоколом V.21, скорости достигаются за счет полудуплексного режима передачи. В этом случае как вызывающим, так и отвечающим модемами используется вся полоса частот телефонного канала, но в разные моменты времени.
При работе со скоростью 1200 бит/с для передачи логической "1" используется несущая с частотой 1300 Гц, а для логического "О" — 2100 Гц. При скорости 600 бит/с "1" передается той же частотой, а "О" — частотой 1700 Гц. Рекомендация V.23 предусматривает использование неадаптивного эквалайзера. Кроме того, на частоте 420 Гц предусмотрена организация вспомогательного обратного канала со скоростью передачи 75 бит/с и девиацией частоты ±30 Гц. Другими словами, в обратном канале "1" передается частотой 390 Гц, а "О" — 450 Гц.
Данный протокол практически вышел из употребления, и его поддерживает далеко не каждый модем. Благодаря простоте, высокой помехоустойчивости и приличной скорости, он стал базовым для некоторых нестандартных модемов. Протокол V.23 нашел применение в пакетных радиомодемах, использующихся совместно с KB и УКВ радиостанциями. Кроме того, в ряде европейских стран протокол V.23 применяется в информационной системе Videotex.
6.4.4. Протоколы V.26, V.26bis, V.26ter
Все три протокола используют одинаковый вид модуляции — ДОФМ. Частота несущей равна 1800 Гц, скорость модуляции — 1200 Бод. V.26 обеспечивает дуплексную передачу данных только по четырехпроводным выделенным линиям. V.26bis является полудуплексным протоколом, предназначенным для работы по двухпроводным коммутируемым линиям. А протокол V.26ter, благодаря реализации технологии эхоподавления и адаптивной коррекции фазовых искажений, обеспечивает полнодуплексную передачу по коммутируемым двухпроводным линиям.
Протоколы V.26 и V.26bis могут работать в асимметричном дуплексном режиме с обратным каналом со скоростью 75 бит/с в соответствии с протоколом V.23. Все три протокола обеспечивают скорость передачи информации 2400 бит/с при использовании ДОФМ, a V.26bis и V.26ter работают также на скорости 1200 бит/с при использовании двухпозиционной ОФМ.
6.4.5. Протокол V.32
Протокол V.32 основывается на модифицированной КАМ и предполагает полнодуплексную передачу по двухпроводным телефонным каналам. Это означает, что модемы V.32 должны реализовывать функцию эхоподавления.
Основные характеристики протокола V.32 следующие:
- дуплексная передача по двухпроводным телефонным каналам общего пользования;
- использование КАМ со скоростью модуляции 2400 Бод;
- поддержка скоростей передачи в 9600, 4800, 2400 бит/с;
- реализация альтернативных схем модуляции при скорости 9600 бит/с:
-КАМ-16;
—КАМ-32 с применением треллис-кодирования (СКК-32);
- возможность поддержки асинхронного режима передачи;
- значение частоты несущей составляет 1800±7 Гц;
- полоса частот, занимаемая сигналом, от 600 до 3000 Гц.
Сигнальные созвездия (диаграммы) для скоростей передачи 9600 бит/с и 4800 бит/с без применения избыточного кодирования представлены на рис. 6.13 и рис. 6.14 соответственно.
Рис. 6.13. Сигнальная диаграмма для скорости 9600 бит/с
Рис. 6.14. Сигнальная диаграмма для скорости 4800 бит/с
Реализация сигнально-кодовой конструкции связана с внесением одного избыточного бита в расчете на один сигнальный отсчет. В результате этого каждый сигнальный отсчет несет информацию о пяти битах. Скорость передачи в данном случае остается равной 9600 бит/с за счет того, что число возможных сигнальных позиций увеличено ровно в два раза. Теперь их стало 32. Такой режим работы позволяет значительно повысить помехоустойчивость передачи. Схема кодирования информации в модеме V.32 с получением треллис-бита YOn приведена на рис. 6.15, а соответствующая сигнально-кодовая конструкция из 32 позиций изображена на рис. 6.16.
Рис. 6.15. Схема кодирования в модемах V.32
Рис. 6.16. Сигнальная диаграмма для скорости 9600 бит/с
Обозначения А, В, С, D на рис. 6.16 соответствуют синхронизирующим сигнальным элементам. Более подробное описание работы дифференциального (относительного) кодера и соответствия сигнальных точек входной информационной последовательности приведено в разделе 6.4.6.
6.4.6. Протокол V.32bis
Протокол модуляции V.32bis разработан для обеспечения передачи данных со скоростью до 14400 бит/с по двухпроводным коммутируемым и выделенным телефонным каналам. Данный протокол принят в качестве стандарта ITU-Т в 1991 году. Основные характеристики модемов, поддерживающих данный протокол, следующие:
> дуплексный режим работы по коммутируемым каналам телефонных сетей общего пользования и арендуемым двухпроводным линиям передачи;
- реализация эхоподавления;
- применение КАМ для режимов синхронной передачи со скоростью модуляции 2400 Бод;
- частота несущей равна 1800 Гц;
> приемник модема должен обеспечивать бесперебойную работу при не стабильности частоты принимаемого сигнала не более ±7 Гц;
- скорости передачи данных:
- 14400, 1200, 9600, 7200 бит/с с треллис-кодированием;
— 4800 бит/с без кодирования;
- совместимость с модемами V.32 на скоростях 9600 и 4800 бит/с;
> обмен управляющими последовательностями и выбор скорости передачи в течение процедуры установления связи;
> процедура смены скорости передачи в течение сеанса связи без разрыва соединения;
- режим асимметричной передачи не поддерживается; другими словами, скорости передачи и приема каждого взаимодействующего модема должны быть одинаковы;
- спектр сигнала ограничен полосой частот от 600 Гц до 3000 Гц.
Устройство кодирования по протоколу V.32bis показано на рис. 6.17. При скорости передачи 14400 бит/с на вход кодера подаются все шесть битов Qln — Q6n в параллельном коде. При скорости 12000 бит/с входная информационная последовательность разделяется на блоки по пять битов Qln—Q5n. Аналогично, при скоростях 9600, 7200 и 4800 бит/с задействуются четыре (Qln—Q4n), три (Q1n—Q3n) и два (Qln -Q2n) входа соответственно.
Рис. 6.17. Схема кодирования информации в модеме V.32bis
Таблица. 6.2. Правило дифференциального кодирования при использовании сигнально-кодовои конструкции
| Вход | Предыдущий выход | Выход | |||
| Q1n | Q2n | Y1n-1 | Y2n-1 | Y1n | Y2n |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | о | 1 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | о | 0 | 1 |
| 0 | 1 | о | 1 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | о | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | о | о | 1 | 0 |
| 1 | 0 | о | 1 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | о | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | о | о | 1 | 1 |
| 1 | 1 | о | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | о | 0' | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 |
Два первых бита Qln и Q2n в каждом блоке при любой скорости передачи (индекс п обозначает последов ательный номер блока информационной последовательности) поступают на дифференциальный кодер, где они перекодируются в биты Y1n и Y2n согласно табл. 6.2.
Дифференциальные биты Y1n и Y2n используются в качестве входных для систематического сверточного кодера, который генерирует избыточный бит YOn. Этот избыточный бит и шесть информационных бит Y1n, Y2n, Q3n, Q4n, Q5n, Q6n поступают на устройство сигнального отображения, которое формирует элементы сигнального созвездия, представленного на рис. 6.18.
Двоичные числа на рис. 6.18 соответствуют последовательности битов YOn, Y1n, Y2n, Q3n, Q4n, Q5n, Q6n, а обозначения А, В, С, D — синхронизирующим сигнальным элементам.
На скорости передачи 12000 бит/с входной проскремблированный поток данных делится на группы по пять бит. Процесс дифференциального кодирования и кодирования сверточным кодом принципиально ничем не отличается от кодирования при скорости 14400 бит/с. При скорости 12000 бит/с формируются элементы сигнального созвездия, приведенного на рис. 6.19.
Двоичные числа на рис. 6.19 соответствуют последовательности шести битов YOn, Y1n, Y2n, Q3n, Q4n, Q5n, а обозначения А, В, С, D, как и ранее, соответствуют синхронизирующим сигнальным элементам.
Рис. 6.18. Сигнальная диаграмма для скорости 14400 бит/с
При скорости передачи 9600 бит/с входной проскремблированный поток данных делится уже на блоки по четыре бита Q1n, Q2n, Q3n, Q4n. В результате этого схема кодера V.32bis при скорости 9600 бит/с соответствуют кодеру V.32. Пространственная сигнальная диаграмма соответствует диаграмме модемов V.32 при той же скорости передачи (рис. 6.16).
Двоичные числа на диаграмме соответствуют последовательности пяти битов YOn, Yln, Y2n, Q3n, Q4n, поступающих на вход устройства сигнального отображения.
При скорости передачи 7200 бит/с входной проскремблированный поток данных делится на блоки по три бита Qln, Q2n, Q3n. Пространственная сигнальная диаграмма для такой скорости передачи приведена на рис. 6.20.
В этом случае двоичные числа соответствуют последовательности четырех • бит YOn, Yln, Y2n, Q3n, поступающих на вход устройства сигнального отображения.
При скорости 4800 бит/с скемблированный входной поток данных разбивается на блоки по два бита Qln и Q2n, которые и поступают на вход относительного кодера, работающего согласно табл. 6.3.
С выхода относительного кодера биты Yln и Y2n отображаются в передаваемые сигнальные элементы согласно диаграммы, изображенной на рис. 6.14. Таким образом, при скорости 4800 бит/с кодирования избыточным сверточ-ным кодом не происходит.
Рис. 6.19. Сигнальная диаграмма для скорости 12000 бит/с
Двоичные числа на рис. 6.14 соответствуют последовательности двух бит Yln и Y2n, поступающих на вход устройства сигнального отображения.
Согласно протокола V.32bis модемы должны иметь два самосинхронизирующихся скремблера. В каждом направлении передачи используется свой
Рис. 6,20. Сигнальная диаграмма для скорости 7200 бит/с
Таблица 6.3. Правило дифференциального кодирования при скорости передачи 4800 бит/с
| Вход | Предыдущий | Изменение | Выход | Сигнальная точка | |||
| выход | фазы | для 4800 бит/с | |||||
| Q1n | Q2n | Y1n-1 | Y2n-1 | Y1n | Y2n | ||
| 0 | 0 | 0 | 0 | +90° | . 0 | 1 | В |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | С | |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | А | |
| 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 0 | D | |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0° | 0 | 0 | А |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | В | |
| 0 | 1 | 1 | о , | 1 | 0 | D | |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | С | |
| 1 | 0 | о | о | +180° | 1 | 1 | С |
| 1 | 0 | о | 1 | 1 | 0 | D | |
| 1 | 0 | 1 | о | 0 | 1 | В | |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | А | |
| 1 | 1 | о | о | +270° | 1 | 0 | D |
| 1 | 1 | о | 1 | 0 | 0 | А | |
| 1 | 1 | 1 | о | 1 | 1 | С | |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 1 | В | |
скремблер. Вызывающий модем использует скремблер с образующим полиномом
1+х-^х-23, а отвечающий модем пользуется скремблером с образующим полиномом
1+х-^х-23
6.4.7. Протокол V.33
Протокол V.33 предназначен для обеспечения дуплексной связи по четьт-рехпроводным выделенным каналам на частоте 1800 Гц и со скоростью модуляции 2400 Бод. В режимах протокола СКК-64 и СКК-128 используется квадратурная амплитудная модуляция совместно с решетчатым кодированием. Благодаря этому достигаются скорости передачи 12000 и 14400 бит/с. Этот протокол очень напоминает V.32bis без эхоподавления. Схема модема содержит дифференциальный кодер и сверточный кодер со скоростью 2/3, аналогичный модемам V.32bis.
Манипулирующий входной поток скремблируется самосинхронизирующим скремблером с образующим полиномом 1+х~ +х~ . Схема скремблера представлена на рис. 6.21.
С учетом дополнительного бита за счет треллис-кодирования скорость передачи выходного потока, модема составляет 2400х7=16800 бит/с.
Рис. 6.21. Скремблер V.33
Протокол предусматривает подключение мультиплексора на входе модема. Благодаря этому возможна организация нескольких каналов со скоростями 12000, 9600, 7200, 4800 и 2400 бит/с в одном групповом потоке 14400 бит/с. Возможные варианты организации таких каналов для разных скоростей передачи приведены в табл. 6.4 и 6.5.
Таблица 6.4. Варианты мультиплексирования при скорости передачи 14400 бит/с
| Номер конфигурации | Скорость в подканалах, бит/с | Канал мультиплексирования | Модуляционные биты | |||||
| Q1 | Q2 | Q3 | Q4 | Q5 | Q6 | |||
| 1 | 14400 | А | х | х | х | х | х | х |
| 2 | 12000 2400 | А В |
х | Х | х | х | х | х |
| 3 | 9600 4800 | А В |
х | х | х | х | х | х |
| 4 | 9600 2400 2400 | А В С | х | х | х | х | х | х |
| 5 | 7200 7200 | А В |
х | х | х | х | х | х |
| 6 | 7200 4800 2400 | А В С | х | х | х | х | х | х |
| 7 | 7200 2400 2400 2400 | А В С D | х | х | х | х | х | х |
| 8 | 4800 4800 4800 | А В С | х | х | х | х | х | х |
| 9 | 4800 4800 | А В |
х | х | х | х | ||
| 9 | 2400 | С | х | |||||
| 2400 | D | х | ||||||
| 10 | 4800 | A | х | х | ||||
| 2400 | В | х | ||||||
| 2400 | С | х | ||||||
| 2400 | D | х | ||||||
| 2400 | Е | х | ||||||
| 11 | 2400 | А | х | |||||
| 2400 | В | х | ||||||
| 2400 | С | х | ||||||
| 2400 | D | х | ||||||
| 2400 | Е | х | ||||||
| 2400 | F | х |
Таблица 6.5. Варианты мультиплексирования при скорости передачи 12000 бит/с
| Номер конфигурации | Скорость в подканалах, бит/с | Канал мультиплексирования | Модуляционные биты | |||||
| Q1 | Q2 | Q3 | Q4 | Q5 | Q6 | |||
| 1 | 12000 | А | х | х | х | х | х | |
| 2 | 9600 | А | х | х | х | х | ||
| 2400 | В | х | ||||||
| 3 | 7200 | А | х | х | х | |||
| 4800 | В | х | х | |||||
| 4 | 7200 | А | х | х | х | |||
| 2400 | В | х | ||||||
| 2400 | С | х | ||||||
| 5 | 4800 | А | х | " х | ||||
| 4800 | В | х | х | |||||
| 2400 | С | х | ||||||
| 6 | 4800 | А | х | х | ||||
| 2400 | В | х | ||||||
| 2400 | С | х | ||||||
| 2400 | D | х | ||||||
| 7 | 2400 | А | х | |||||
| 2400 | В | х | ||||||
| 2400 | С | х | ||||||
| 2400 | D | х | ||||||
| 2400 | Е | х | ||||||
6.4.8. Протоколы V.34, V.34+, V.Fast
Рекомендация V.34 была принята ITU-Т 20 сентября 1994 г. Она регламентирует процедуры передачи данных по коммутируемым телефонным каналам со скоростями до 28 800 бит/с. Модем, соответствующий V.34, называют "модемом, обеспечивающим передачу данных со скоростью до 28800 бит/с, для использования в коммутируемой сети общего пользования и на двухточечных двухпроводных выделенных каналах телефонного типа". До принятия этой рекомендации многие производители пользовались промежуточной Рекомендацией V.Fast, которая не предусматривала большого числа нововведений, однако позволяла передавать данные со скоростью 28,8 Кбит/с.
Стандарт предусматривает возможность использования интерфейсов двух типов. Первый интерфейс (предпочтительный) представляет собой разъем с 25 или 26 контактами, причем сигналы данных и синхронизации передаются в симметричном режиме, а сигналы управления — в несимметричном. Такой интерфейс предпочтителен для использования в синхронном режиме передачи. Второй вариант интерфейса (альтернативный) совместим с RS-232C. Выпускаемые в настоящее время модемы V.34, как правило, имеют интерфейс RS-232C с UART 16550, порты ЕРР, ЕСР, PCMCIA или V.35.
Протокол V.34 предполагает большое количество режимов работы и сервиса. Остановимся на некоторых из них.
Скорость модуляции и передачи
Скорость передачи данных выбирается из множества допустимых значений в диапазоне от 2400 до 28800 бит/с с шагом 2400 бит/с. Таким образом возможен выбор 12 значений, а также изменение скорости передачи в процессе сеанса связи. В отличие от более ранних протоколов, скорость модуляции не является фиксированной величиной. Рекомендация предусматривает шесть скоростей модуляции, равных 2400, 2743, 2800, 3000, 3200 и 3429 символам в секунду. Следует отметить, что в Рекомендации V.34 вместо единицы измерения "Бод" введено понятие "символ в секунду".
Для достижения большей скорости передачи необходимо выбирать большее значение скорости модуляции. Однако для полосы пропускания стандартного телефонного канала 3100 Гц (300 — 3400 Гц) две последние модуляционные скорости являются неприемлемыми. Этот факт следует из теоремы Найквиста. Тем не менее, работа на таких скоростях возможна в основном благодаря неидеальности характеристик фильтров каналообразующей аппаратуры.
При введении таких "запредельных" скоростей была учтена тенденция увеличения в КТСОП доли систем передачи с импульсно-кодовой модуляцией (И КМ), в которых реальная полоса пропускания телефонного канала может достигать 3500 Гц.
Кроме того, при установлении соединения через КТСОП в пределах города канал связи чаще всего представляет собой соединение нескольких физических (кабельных) линий. Такой канал при наличии специальных средств частотной коррекции также может обеспечить передачу сигнала с более широким спектром.
Для канала, не позволяющего расширить стандартную полосу пропускания, максимально допустимой символьной скоростью является значение 3000 сим-вблов в секунду. При этой символьной скорости возможно установление соединения со скоростью до 26400 бит/с.
Особенности модуляции
В модемах V.34 применяется многопозиционная КАМ с решетчатым кодированием. В отличие от более ранней Рекомендации V.32, в V.34 увеличена размерность кодируемого информационного элемента.
В предыдущих протоколах с КАМ информационный элемент был двумерным, так как значение элемента характеризовалось амплитудой и фазой сигнала. Рекомендация V.34 предусматривает использование третьего параметра — времени, который порождает еще два измерения информационного элемента. В этом случае каждый кодируемый элемент включает в себя два последовательно передаваемых символа, представляющих собой сигналы, промодулированные по амплитуде и фазе. Таким образом, в четырехмерном пространстве каждый информационный элемент (сигнальная точка) имеет четыре координаты и передается за два символьных интервала. В самой Рекомендации представлено 50 различных сигнальных созвездий, которые обеспечивают работу на всех скоростях. Переход к четырехмерным СКК позволил существенно увеличить общее число сигнальных точек, что, в свою очередь, позволило повысить скорость кода без ухудшения помехоустойчивости. За один символьный интервал теперь может передаваться от одного до девяти бит, т.е. одной точке в четырехмерном пространстве может соответствовать одновременно 18 бит. Однако при формировании ее позиционного номера, как и ранее, используется лишь один избыточный бит решетчатого кодера.
В Рекомендации V.34 сделан шаг вперед и в области треллис-кодирования. Здесь используется сверточный код на 16, 32 и 64 состояния, что позволяет повысить помехоустойчивость всей системы сигналов за счет увеличения свободного евклидова расстояния между соседними путями на решетчатой диаграмме. Однако это приводит к увеличению задержки на принятие решения и к повышению требований к объему памяти и вычислительной мощности процессора модема.
Значение частоты несущей согласно V.34 также не является фиксированным. Оно выбирается из ряда: 1600, 1646, 1680, 1800, 1829, 1867, 1920, 1959, 2000 Гц.
Большое число возможных значений скорости модуляции, скорости-передачи и несущей частоты предоставляет модему возможность использовать имеющуюся полосу частот с максимальной эффективностью.
Особенности дуплексной передачи
Нововведение протокола V.34 в области организации дуплексной связи заключается в его асимметричности по многим параметрам. Передача данных между двумя модемами V.34 может осуществляться не только с разными скоростями, но и на разных несущих частотах с использованием различных СКК.
В стандарте также предусмотрен режим полудуплексной передачи, которая предполагает взаимодействие модемов без схем эхокомпенсации. l
Кроме того, Рекомендация V.34 предусматривает наличие дополнительного канала со скоростью передачи 200 бит/с, который образуется за счет временного уплотнения (мультиплексирования). Этот канал может быть использован как самим модемом для обмена служебной информацией, так и DTE. В последнем случае он называется вторичным каналом. Вторичный канал является асинхронным.
Возможности адаптации
В предыдущих поколениях модемов адаптивная подстройка под конкретные характеристики канала осуществлялась исключительно на приемном конце. В отличие от них в модемах V.34 идея адаптации носит глобальный характер.
В передающую часть модема введен так называемый генератор колец, способствующий синтезу требуемой формы выходного сигнала. При КАМ с большим сигнальным пространством диапазон возможных амплитуд сигналов довольно велик. Из-за этого может возникнуть статистическая зависимость между передаваемой информацией и уровнем сигнала на выходе. Что может повлечь за собой ситуации, при которых выходной сигнал будет иметь малую амплитуду в течение длительного времени. В таких ситуациях возможны сбои декодера и потеря сигнала на приемной стороне. Также возможно формирование сигнала с большим пик-фактором (отношение пикового значения мощности к среднему значению), что приводит к ухудшению общих характеристик системы (увеличивает уровень взаимных и нелинейных искажений). Для решения этой проблемы Рекомендация предлагает специальное предкодирование, в котором двумерное созвездие разбивается на концентрические кольца, содержащие равные количества сигнальных точек с близкой или одинаковой амплитудой.
Стандарт V.34 предусматривает амплитудно-фазовую предкоррекцию сигнала передатчика для устранения межсимвольной интерференции. Эта пред-коррекция позволяет получить выигрыш более 3,5 дБ по сравнению с линейной коррекцией, применяемой в протоколе V.32. Предыскажения на передающей стороне вводятся с помощью цифрового фильтра третьего порядка с комплексными коэффициентами, значения которых передаются от удаленного модема на этапе вхождения в связь. В результате этой процедуры передаваемый сигнал имеет искажения, компенсирующие те, которые он приобретает при прохождении по каналу. За счет этого существенно облегчается работа адаптивного эквалайзера на приемной стороне.
Помимо этого в Рекомендации заложена возможность выбора одного из 11 заранее заданных шаблонов для спектра передатчика. Эти шаблоны предусматривают подъем высокочастотных составляющих спектра, что компенсирует искажения, вносимые абонентскими и соединительными линиями.
В стандарте V.34 предусмотрено введение в передаваемый сигнал нелинейных предыскажений. Это позволяет частично скомпенсировать остаточные специфические искажения сигнала, вносимые аппаратурой ИКМ. Предыскажения приводят к неоднозначной трансформации сигнального пространства, увеличивая защищенность его периферийных точек.
Нововведением является использование иерархической кадровой структуры на физическом уровне. Сигнальные кадры, состоящие из 4-х четырехмерных информационных элементов (8 символов), объединяются в кадры данных, которые, в свою очередь, составляют суперкадр. Суперкадр имеет фиксированную длительность 280 мс. Вследствие этого в систему введены средства для поддержания синхронизации по кадрам.
Широкие возможности адаптации предусмотрены и на этапе вхождения в связь.
Вхождение в связь
Процедура-вхождения в связь состоит из четырех фаз. На первой фазе модемы выбирают наивысший протокол ITU-T серии V, реализованный в обоих модемах. На этом этапе соединение устанавливается согласно Рекомендациям V.25 и V.8. Если оба модема поддерживают протокол V.34, то они переходят ко второй фазе, в ходе которой производится классификация канала связи. В течение 3 и 4 фазы происходит обучение адаптивного эквалайзера, эхокомпен-сатора и ряда других систем модема.
После установления соединения процедура адаптации к каналу связи начинается с того, что передатчик модема посылает в линию специальный тестовый сигнал, представляющий собой последовательность из 21 гармонического колебания разных частот в диапазоне от 150 до 3750 Гц. Приемник удаленного модема, принимая этот сигнал, рассчитывает частотную характеристику канала связи, степень нелинейных искажений, сдвиг частот и ряд других характеристик канала. Затем выбирается, номинальная скорость модуляции, значение несу 111ей частоты, уровень передачи, номер шаблона и коэффициенты предкор-рёктора, скорость передачи данных, число состояний решетчатого кодера, тип СКК, параметры нелинейного кодера и другая информация о желаемой конфигурации удаленного передатчика. Такая же процедура выполняется и в противоположном направлении.
Далее оба модема обмениваются этими установками. Для этого используются протоколы V.22 (скорость 600 бит/с, ОФМ в частотно-разделенных каналах на несущих 1200 и 2400 Гц) и V.42.
Преимущества V.34
Рекомендация V.34 реализует системный подход к решению проблемы помехоустойчивости. Поэтому модем V.34 может работать с большей скоростью, чем другие на каналах такого же качества. Оценочное место протокола V.34 относительно других протоколов модуляции и граница Шеннона иллюстрируются рис. 6.22. Здесь значение вероятности ошибочного приема принято равным 10~4.
Рис. 6.22. Место протокола V.34
В Рекомендации V.34 предусмотрена возможность передачи данных со скоростью 33,6 Кбит/с, однако юридически она была закреплена в виде поправки к стандарту в октябре 1996 г. в Женеве на международной конференции по стандартизации в области телекоммуникаций. Модемы, поддерживающие такую скорость, часто называют модемами V.34+ или V.34bis.
6.5. Факс-протоколы модуляции
6.5.1. Протоколы V.27, V.27bis, V.27ter
Из протоколов V.27, V.27bis, V.27ter два первых предназначены для использования на четырехпроводных арендованных линиях, а V.27ter — на двухпроводных коммутируемых каналах связи. В этих протоколах применяется относительная фазовая модуляция с частотой несущей 1800 Гц. Возможна работа на скоростях 2400 и 4800 бит/с. Скорость передачи 2400 бит/с достигается при скорости модуляции 1200 Бод и использовании ОФМ-4 (ДОФМ). Соответствие между дибитами и разностью фаз следующее: 00 — 0°, 01 — 90°, 11 — 180°, 10 — 270°. Скорость 4800 бит/с, в свою очередь, достигается посредством выбора скорости модуляции 1600 Бод и ОФМ-8. Закон кодирования трибитов значением фазы приведен в табл. 6.6.
Протокол V.27 предусматривает применение самосинхронизирующего скрем-блера с образующим полиномом \+x~6+x~7. Схема скремблера приведена на рис. 6.23.
Таблица 6.6. Кодирование трибитов в модемах V.27
| Трибит | Разность фаз | Трибит | Разность фаз |
| 001 | 0° | 111 | 180° |
| 000 | 45° | 110 | 225° |
| 010 | 90° | 100 | 225° |
| 011 | 135° | 101 | 315° |
Протокол V.27bis позволяет организовать полнодуплексную передачу на четырехпроводных линиях и полудуплексную на телефонных каналах с двухпроводным окончанием. При этом скорость передачи по обратному каналу составляет 75 бит/с.
Протокол V.27ter предусматривает использование автоматического адаптивного корректора. Для настройки корректора применяется специальный генератор двухфазного сигнала.
Рис. 6.23. Скремблер V.27
6.5.2. Протокол V.29
Протокол V.29 предусматривает возможность работы со скоростями 9600, 7200 и 4800 бит/с по четырехпроводным арендованным телефонным каналам. Частота несущего сигнала равна 1700 Гц, а скорость модуляции — 2400 Бод. Применена квадратурная амплитудная модуляция. Сигнальное созвездие протокола изображено на рис. 6.24. При скорости 9600 бит/с поток двоичных символов разделяется на блоки по 4 бита (Ql, Q2, Q3, Q4). Второй (Q2), третий (Q3), четвертый (Q4) биты в блоке определяют изменение фазы сигнала по отношению к фазе предшествующего элемента в соответствии с табл. 6.7, реализуя таким образом закон относительного кодирования. Амплитуда передаваемого сигнального элемента определяется первым битом (Ql) и величиной абсолютной фазы сигнального элемента в соответствии с табл. 6.8.
Принцип формирования сигнала рассмотрим на примере передачи последовательности 1011 0000 1101 0110 0011 0101. Значения амплитуд и фаз сигналов в соответствии с диаграммой на рис. 6.24 представлены в табл. 6.9 (за исходную фазу предыдущей посылки по диаграмме выбрана фаза 135°). Значения фазы 270° и амплитуды 5 первой строки табл. 6.9 получились следующим образом. Для блока Q2Q3Q4=011 по табл. 6.7 находится фаза, равная 135°.
Рис. 6.24. Сигнальная диаграмма протокола V.29 Таблица 6.7. Закон изменения фазы сигнала для протокола V.29
| Q2 | Q3 | 04 | Изменение фазы |
| 0 | о | 1 | 0° |
| 0 | о | 0 | 45° |
| о | 1 | 0 | 90° |
| о | 1 | 1 | 135° |
| 1 | 1 | 1 | 180° |
| 1 | 1 | 0 | 225° |
| 1 | 0 | 0 | 270° |
| 1 | 0 | 1 | 315° |
Это значение определяет скачок фазы по отношению к фазе предыдущей посылки, равной также 135°. В результате абсолютному значению фазы 270° и значению бита Q1=1 по табл. 6.8 соответствует амплитуда, равная 5.
При скорости 9600 бит/с в соответствии с диаграммой на рис. 6.24 применяется сигнал КАМ-16 с четырьмя градациями амплитуды и восемью градациями фазы. На скорости 7200 бит/с при объединении в блок трех бит достаточно 8-и позиционного сигнала. Согласно V.29 в этом случае используются 2 значения амплитуды (3 и v2) и все 8 градаций фаз. Трехбитный блок образуют 3 последние цифры комбинаций, указанных на рис. 6.24.
Таблица 6.8. Закон изменения амплитуды сигнала для протокола V.29
| Абсолютная фаза | Q1 | Амплитуда |
| 0°,90°, 180°,270° | 0 | 3 |
| 1 | 5 | |
| 45°, 135°, 225°, 315° | 0 | /Ъ v2 |
| 1 | 3v2 |
На скорости 4800 бит/с при объединении в блок двух бит для передачи требуется четыре элементарных сигнала. В данном случае эти сигналы имеют вид обычной ФМ-4. Двухбитный блок образуют два средних двоичных знака комбинаций, указанных на рис. 6.24.
Протокол V.29 предусматривает возможность многоканальной передачи. Это означает, что вместо четырех объединенных бит можно организовать передачу
Таблица 6.9. Пример кодирования фазы и амплитуды при передачи последовательности данных по протоколу V.29.
| Блок данных | Абсолютна фаза | Амплитуда |
| 1011 | 270° | 5 |
| 0000 | 315° | ^'2 |
| 1101 | 270° | 5 |
| 0110 | 135° | V2 |
| 0011 | 270° | 3 |
| 0101 | 225° | 4-1 |
по четырем каналам со скоростью 9600/4=2400 бит/с. Возможны также комбинации скоростей 2400, 4800, 7200 бит/с, дающие в сумме скорость 9600 бит/с. Многоканальный режим также может быть осуществлен при скорости передачи модема 7200 бит/с (объединение до трех каналов) и 4800 бит/с (два канала по 2400 бит/с). Более подробная информация о режимах работы внешнего мультиплексора приведена в табл. 6.10.
Варианты конфигурации 1 —5 рассчитаны на групповую скорость 9600 бит/ с, варианты 6—8 — на скорость 7200 бит/с, а варианты 9—10 — на скорость 4800 бит/с.
В модемах V.29 применяется адаптивный корректор (эквалайзер) и скрем-блер. Скремблирование передаваемых данных осуществляется по закону образующего полинома l-l-:!;"18-)-;»:"23.
6.5.3. Протокол V.17
Протокол V.17 является самым скоростным факс-протоколом модуляции. По своим же параметрам он похож на протокол V.32bis.
Частота несущего колебания принята равной 1800 Гц, а скорость модуляции — 2400 Бод. При этом используются режимы СКК-16, СКК-32, СКК-64 и СКК-128.
Таблица 6.10. Варианты работы мультиплексора V.29
| Номер конфигурации | Скорость в подканалах, бит/с | Канал мультиплексирования | Модуляционные биты | |||
| Q1 | Q2 | Q3 | Q4 | |||
| 1 | 9600 | А | х | х | х | х |
| 2 | 7200 | А | х | х | х | |
| 2400 | В | х | ||||
| 3 | 4800 | А | х | х | ||
| 4800 | В | х | х | |||
| 4 | 4800 | А | х | х | ||
| 2400 | В | х | ||||
| 2400 | С | х | ||||
| 5 | 2400 | А | х | |||
| 2400 | В | х | ||||
| 2400 | С | х | ||||
| 2400 | D | х | ||||
| 6 | 7200 | А | х | х | х | |
| 7 | 4800 | А | х | х | ||
| 2400 | В | х | ||||
| 8 | 2400 | А | х | |||
| 2400 | В | х | ||||
| 2400 | С | х | ||||
| 9 | 4800 | А | х | х | ||
| 10 | 2400 | А | х | |||
| 2400 | В | х | ||||
Соответственно информационная скорость передачи может быть 7200, 9600, 12000 и 14400 бит/с.
6.6. Фирменные протоколы модуляции
6.6.1. Протокол V.32terbo
Протокол V.32terbo был разработан фирмой AT&T. Он опубликован и доступен разработчикам модемов. За исключением модемов фирмы AT&T данный протокол реализован в большинстве модемов корпорации MultiTech и некоторых модемах фирмы U.S. Robotics. Протокол V.32terbo предусматривает более развитые технические решений, чем те, которые предусмотрены в V.32bis:
технология эхоподавления, модуляция с решетчатым кодированием (СКК). В данном протоколе скорость модуляции принята равной 2400 Бод, а несущая частота 1800 Гц. В отличие от V.32bis, за счет применения СКК-256 и СКК-512 обеспечиваются скорости передачи 16800 и 19200 бит/с.
Модемы V.32terbo предъявляют жесткие требования к качеству используемого телефонного канала. Так, для устойчивой работы на скорости 19200 бит/с необходимо, чтобы отношение сигнал/шум в канале было не менее 30 дБ.
6.6.2. Протоколы ZyX, ZyCELL
Протокол ZyX разработан корпорацией ZyXEL Communications и реализован в ее собственных модемах. Данный протокол, также как и V.32terbo, обеспечивает скорости передачи 16800 и 19200 бит/с. Предусмотрено применение технологии эхо-подавления и модуляции решетчатым кодом несущего колебания с частотой 1800 Гц. Скорость модуляции 2400 Бод сохраняется лишь для скорости передачи 16800 бит/с. Скорость 19200 бит/с обеспечивается за счет повышения модуляционной скорости до 2743 Бод при сохранении 256-позици-онной СКК для обеих скоростей передачи. Такое решение позволило снизить требования к качеству канала связи на 2,4 дБ. Однако расширение спектра сигнала за счет увеличения скорости модуляции может негативно сказаться на качестве связи в каналах с большой неравномерностью амплитудно-частотной характеристики.
Протокол ZyCELL разработан специально для передачи информации по телефонным каналам низкого качества (с высоким уровнем помех), какими также являются каналы сотовых сетей связи.
Технология ZyCELL включает в себя 5 процедур физического уровня и 2 процедуры канального, улучшающие реализацию протокола исправления ошибок V.42. Поэтому протокол ZyCELL является не только протоколом модуляции, но и протоколом исправления ошибок.
Процедуры физического уровня:
- быстрая повторная синхронизация;
- кодирование с прямым исправлением ошибок^ > автоматическое регулирование уровня передачи;
S-' динамический выбор скорости передачи;
- улучшенная процедура вхождения в связь. Процедуры канального уровня:
- модифицированная процедура адаптивного изменения размера передаваемого кадра;
- процедура селективного повтора кадра (ARO типа SR или SREJ).
При перемещении мобильного телефона из одной соты в другую происходит переключение с одного радиоканала на другой. При изменении расстояния от сотового радиотелефона до базовой станции производится автоматическое переключецие мощности передатчика. В результате таких переключении радиосвязь, а значит и несущая частота модема, прерывается на 0,2... 1,2 с. Обычный модем реагирует на такой перерыв связи процедурой повторного соединения, которая обычно продолжается около 10с, или даже рассоединением. При смене сот или изменении мощности сигнала протокол ZyCELL предусматривает применение процедуры быстрой повторной синхронизации (FRS — Fast ReSynchronization).
Большой проблемой при обеспечении безошибочной передачи данных через сотовые системы связи являются замирания сигнала, вызванные его многократным отражением. Из-за различия фаз сигналов, пришедших к приемнику разными путями, возникает интерференция, которая в зависимости от места расположения приемника влияет на мощность принятого сигнала. В результате колебаний амплитуды несущей при передаче данных возникают ошибки и нарушается режим работы модема. Для уменьшения влияния эффекта замирания сигнала в протоколе ZyCELL применяется кодирование с прямым исправлением ошибок (FEC — Forward Error Correction), названное фирмой сотовым FEC (CFEC — Cellular FEC). Применение такого "кода позволяет на приемной стороне исправить ряд ошибок, не запрашивая повторной передачи искаженных кадров. Повторная передача запрашивается только в том случае, когда корректирующей способности кода FEC для исправления всех ошибок оказывается недостаточно. Таким образом, протокол ZyCELL предусматривает гибридное кодирование как кодом с обнаружением ошибок для формирования контрольного поля кадра в рамках протокола канального уровня типа V.42, так и кодом с исправлением ошибок. При очень низком качестве канала это позволяет резко снизить число повторных передач и, следовательно, повысить реальную скорость передачи.
Аналоговые системы сотовой связи первоначально были разработаны для голосовой связи. Они используют компандирование и предварительную коррекцию, которые вносят дополнительные искажения в передаваемый сигнал. Очень сильный сигнал может исказиться компандером при его ограничении по амплитуде. Слишком слабый сигнал даст низкое отношение сигнал/шум на приемной стороне. Поэтому для установки оптимального уровня передаваемого сигнала используется процедура автоматической регулировки уровня передачи (АТРА — Automatic Transmit Power Adjustment).
Протокол ZyCELL для быстрого выбора рабочей скорости передачи и режимов кодирования с целью максимизации пропускной способности предусматривает димал<мческмй сотовый выбор скорости (DCSS — Dynamic Cellular Speed Selection).
Улучшенная процедура квитирования (RHE — Reliable Handshake Еп-hancments) обеспечивает надежное вхождение в связь без повторных попыток даже на линиях с очень высоким уровнем шума.
Протокол ZyCELL обеспечивает скорость передачи данных в диапазоне от 2400 до 14400 бит/с. В нем используется два новых фирменных метода модуляции: ZyCELL-T и ZyCELL-C.
Метод ZyCELL-Т используется при относительно низком уровне помех и обеспечивает передачу данных со скоростями 14400, 12000, 9600, 7200 и 4800 бит/с. При этом используются СКК на 128, 64, 32, 16 и 8 сигнальных позиций соответственно. В режиме ZyCELL-Т на скорости 4800 бит/с реализация СКК-8 дает более высокие показатели допустимого отношения сигнал/шум, по сравнению с режимом ДОФМ протокола V.32 для такой же скорости.
Метод ZyCELL-C применяется при относительно высоком уровне помех и обеспечивает передачу данных со скоростями 4800, 3600 и 2400 бит/с при использовании 8-позиционной СКК. В этом режиме используется кодирование CFEC.
При работе по каналам низкого качества модем может автоматически переключаться между режимами ZyCELL-Т и ZyCELL-C, выбирая наилучший из них для текущих условий передачи. В обоих режимах при всех скоростях передачи скорость модуляции равна 2400 Бод.
Сотовый режим работы можно рекомендовать не только для использования с мобильным сотовым радиотелефоном, но и для работы на обычных телефонных линиях с повышенным уровнем помех. Особенно эффективно его использование на фоне преобладания импульсных помех, кратковременных пропаданий сигнала и повышенном уровне шума.
По результатам тестов ряда авторитетных специализированных журналов ZyCELL признан лучшим, по сравнению с другими протоколами для сотовых систем связи, такими как ETC фирмы AT&T и MNP10.
6.6.3. Протоколы HST, RHST
Протокол HST (High Speed Technology) разработан компанией U.S Robotics и реализован в ее модемах серии Courier. Это асимметричный дуплексный протокол с частотным разделением каналов. Скорость передачи по обратному каналу может составлять 300 или 450 бит/с. Основной канал обеспечивает скорость передачи 4800, 7200, 9600, 1200, 14400 и 16800 бит/с. Скорость модуляции равна 2400 Бод. Применены сигнально-кодовые конструкции на основе решетчатого кодирования. Протокол HST относительно прост и помехоустойчив, так как отсутствует взаимное влияние встречных каналов передачи и не требуется эхо-компенсация.
За счет использования процедуры ASL (Adaptive Speed Leveling) протокол HST позволяет подстраивать скорость передачи под текущее качество используемого телефонного канала. Данная процедура позволяет не только снижать скорость передачи при ухудшении качества канала связи, но и повышать ее при улучшении параметров телефонного канала. Благодаря этому в каждый момент времени передача данных происходит с максимально возможной скоростью для текущего состояния канала.
Отечественное расширение протокола HST, носящее название RHST отличается от базового варианта следующими характеристиками:
- максимальная скорость передачи повышена до 21600 бит/с;
- на скоростях 16800 бит/с и ниже используется более устойчивый вид модуляции сигнала;
- введен режим расширенного управления скоростью передачи. Протокол RHST поддерживается только модемами Русский Курьер 21600.
6.6.4. Протоколы PEP, TurboPEP
Протоколы семейства PEP (Packetized Ensamble Protocol) разработаны фирмой Telebit и реализованы в ее модемах серий TrailBlaizer (PEP) и WorldBlaizer (TurboPEP). Данные протоколы являются полудуплексными. Согласно этим протоколам для обеспечения высокоскоростной передачи полоса пропускания канала тональной частоты разбивается на множество узкополосных частотных подканалов, в каждом из которых происходит независимая передача порции бит из общего двоичного потока. Такие протоколы называют многоканальными, параллельными или протоколами с множеством несущих (multicarrier).
В протоколе PEP полоса тонального канала разбивается на 511 подканалов. В каждом подканале шириной около 6 Гц данные передаются со скоростью модуляции от 2 до 6 Бод. С помощью КАМ один сигнальный элемент переносит от 2 до 6 бит. Максимальная скорость передачи по протоколу PEP составляет 19200 бит/с.
При установке соединения каждый отдельный подканал тестируется на предмет возможности его использования, выбора скорости модуляции и скорости передачи данных в нем. Протокол предусматривает возможность изменения параметров подканалов или их полного отключения в зависимости от изменяющейся помеховой обстановки в течение сеанса связи. При этом дискретность изменения скорости передачи не превышает 100 бит/с.
Протокол TurboPEP за счет увеличения числа частотных подканалов и количества кодируемых бит одним сигнальным элементом может обеспечивать скорость передачи до 23000 бит/с. В отличие от PEP, протокол TurboPEP предусматривает применение СКК с решетчатым кодом, что увеличивает его помехоустойчивость.
Преимущество данных протоколов, по сравнению с традиционными, основанными на модуляции одной несущей, заключается в малой чувствительности к неравномерности АЧХ канала и влиянию импульсных помех.
Основные характеристики рассмотренных выше протоколов модуляции, используемых в модемах для КТСОП представлены в табл. 6.11. Под режимом передачи в данной таблице понимается режим передачи (синхронный либо асинхронный) собственно в канале связи.
Таблица 6.11. Характеристики протоколов модуляции модемов для КТСОП
| Рекомендация | Скорость модуляции, Бод | Скорость передачи, бит/с | Режим передачи | Дуплекс/ полудуплокс | Модуляция | Тип линии | Тип окончания |
| V. 17 (fax) | 2400 | 14400.1200, 9600,7200 | Синхр | пдп | СКК128.64, 32,16 | Комм. | 2ПР |
| V.21 | 300 | 300 | Любой | дпл | чм | Комм, выд. | 2ПР |
| V.22 | 600 | 1200,600 | Любой | ДПЛ | ДОФМ, ОФМ | Комм, выд. | 2ПР |
| V.22Di8 | 600 | 2400,1200 | Любой | дпл | КАМ16, КАМ4 | Комм. | 2ПР |
| V.23 | 1200,600 | 1200,600 | Любой | дпл | ЧМ | Комм. | 2ПР, 4ПР |
| V.26 | 1200 | 2400 | Синхр. | ДПЛ | ДОФМ | Выд. | 4ПР |
| V.26blS | 1200 | 2400,1200 | Синхр. | ПДП | ДОФМ, ОФМ | Комм. | 2ПР |
| V.26ter | 1200 | 2400,1200 | Любой | ДПЛ | ДОФМ, ОФМ | Комм. | 2ПР |
| V.27 (fax) | 1600 | 4800 | Синхр. | Любой | Выд. | 4ПР | |
| V.27bi8 (fax) | 1200, 1600 | 4800,2400 | Синхр. | Любой | ОФМ8, ДОФМ | Выд. | 2ПР.4ПР |
| V.27ter (fax) | 1200, 1600 | 4800,2400 | Синхр. | ПДП | ОФМ8, ДОФМ | Комм. | 2ПР |
| V.29 (fax) | 2400 | 9600,7200,4800 | Синхр. | Любой | КАМ16, 8 | Выд. | |
| V.32 | 2400 | 9600, 4800. 2400 | Синхр. | ДПЛ | СКК32,16, КАМ4, ОФМ | Комм. | 2ПР.4ПР |
| V.32bi8 | 2400 | 14400,1200,9600, 7200,4800 | Синхр. | ДПЛ | СКК128.64, 32. 16 | Комм. | 2ПР.4ПР |
| V.32terbo | 2400 | 19200,16800 | Синхр. | ДПЛ | СКК256.512 | Комм. | 2ПР.4ПР |
| V.33 | 2400 | 14400,12000 | Синхр. | дпл | СКК128.64 | Выд. | 4ПР |
| V.34 | 2400, 2743, 2800,3000. 3200.3429 | 28800,26400, 24000,21600, 19200,16800, 14400,1200, 9600,7200,4800, 2400 | Синхр. | дпл | Многомерные СКК | Комм., выд. | 2ПР |
| V.34bis (V.34+) | 33600 | Синхр. | ДПЛ | Многомерные СКК | Комм., выд | 2ПР | |
| Belll03j | 300 | 300 | Любой | дпл | ЧМ | Комм. | 2ПР |
| Bell 202 | 1200 | Любой | ДПЛ | ЧМ | Комм., выд. | ||
| Bell 208 | 4800 | дпл | Комм. | ||||
| Bell 212a | 1200 | ДПЛ | Комм. | 2ПР | |||
| HST | 2400 | 300, 450/4800, 7200, 9600. 1200, 14400,16800 | Синхр. | Асимм. ДПЛ | Комм. | 2ПР |
Приведенные характеристики протоколов модуляции необходимо учитывать на этапе выбора модема и исходя из задач, для решения которых планируется его использовать. Зная только перечень поддерживаемых модемом протоколов модуляции, можно определить его максимальную скорость работы, а также возможности по передаче факсимильных сообщений и работе по каналам определенного типа.
Как правило, по умолчанию модемы настроены на автоматических выбор протокола модуляции и его параметров. Это происходит на этапе установления соединения. Модемы стараются выбрать наиболее скоростной из совместно поддерживаемых протоколов модуляции. К сожалению, реальная скорость передачи данных часто оказывается слишком низкой из-за частых повторных передач искаженных информационных блоков протоколов исправления ошибок и (или) протоколов передачи файлов. Принудительное снижение скорости или выбор другого протокола модуляции в таких случаях может привести к значительному увеличению реальной скорости передачи.
Для обоснованного выбора требуемого протокола модуляции и соответствующего модема необходимо знать характеристики качества, а точнее дестабилизирующие факторы, используемого канала связи. Основными из них являются отношение сигнал/шум, уровень мощности принимаемого сигнала, дрожание и скачки фазы, смещение несущей частоты, эхо-затухание на ближнем и дальнем концах линии, параметры импульсных помех и др. В табл. 6.12 приведены основные требования к характеристикам канала, необходимые для нормальной работы модемов с протоколами V.22, V.22bis, V.33, V.32bis и V.34.
Узнать перечисленные выше характеристики используемого канала можно только при помощи специальных измерительных приборов, например отечественного анализатора телефонных каналов AnCOM TDA-3 производства НПП "Аналитик-ТС".
Ряд модемов позволяет измерять некоторые из характеристик канала и выводить из значения либо на жидкокристаллическое табло, либо выдавать в компьютер по соответствующей АТ-команде. Это в основном касается профессиональных моделей модемов.
Наиболее информативными в этом смысле из модемов, известных автору, являются отечественные модемы серии ST-2442 производства НПП "Аналитик-ТС".
Таблица 6.12. Диапазоны помехозащищенности модемов
| Скорость в линии, бит/с | |||||||
| Дестабилизирующий фактор | V.34 | V.34biS, V.32 | V.22MS, V.22 | ||||
| 28800 | 19200 | 14400 | 9800 | 4800 | 2400 | 1200 | |
| Допустимое количество транзитов по ТЧ для каналов АСП.п | 0...2 | 0...4 | 0...6 | 2...12 | |||
| Отношение сигнал/шум, дБ | 29...42 | 23...34 | >23 | >16 | >9 | 14...18 | 7...10 |
| Чувствительность, дБм | не хуже -30 | -38...-50 | -42...-56 | ||||
| Дрожание фазы (размах), угловых градусов | 0...2 | >8 | >15 | >45 | 15...50 | >45 | |
| Скачки фазы, утл. град. | 0...2 | >5 | >15 | >60 | 15...20 | >б0 | |
| Смещение несущей частоты, Гц | — | К7...24) | |||||
| Эхо-сигнал передающего модема | не более 1 -го эхо с задержкой не более 10. „250 мс | не влияет на помехозащищенность | |||||
| Затухание эхо-сигнала принимающего модема, дБ | — | >28 | >20 | >12 | >20 | >12 | |
| Пачки (серии длительностью более 1 с) импульсных помех, шумовые всплески и замирания сигнала, в том числе: | распознавание срыва синхронизации и запроса переустанова соединения (retrain) с возможным понижением скорости | retrain, но возможно и самовосстановление синхронизма | самовосстановление | ||||
| — допустимая величина кратковременного (2 с) провала или скачка мощности, дБ | не хуже 1 | 2...10 | 3...40 | 6...40 | |||
| —допустимое кратковременное (2 с) превышение уровня шума над сигналом, дБ | — | >9 | >7 | >14 | 0...40 | ||
Эти модемы имеют так называемый измерительный интерфейс, базирующийся на стандартном механизме АТ-команд и предоставляющий возможность доступа к внутренней памяти DSP со стороны микроконтроллера. Поставляемая вместе с модемами программа ST24view позволяет в графическом виде отобразить мгновенные и осредненные значения параметров, полученных от модема:
мощность принимаемого и передаваемого сигналов, отношение сигнал/шум, частота несущей принимаемого сигнала, искажения спектра сигнала в полосе приема, групповое время прохождения, ошибки систем тактовой и фазовой синхронизации, значения коэффициентов адаптивного корректора, результаты принятия решения о бодовом значении сигнального элемента.
Полученные тем или иным способом характеристики канала, могут быть использованы для обоснования выбора необходимого модема и его протокола модуляции. При этом могут быть использованы данные из табл. 6.12 и рис. 6.22.
Если вы вынуждены использовать низкий по качеству канал и не можете его улучшить, то резонно будет остановиться на низкоскоростном протоколе и соответственно недорогом модеме.
|
|
 |
