Модемы и коммуникационные протоколы

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.

В случае, когда канал связи вносит амплитудно-частотные искажения,

линейные методы коррекции не обеспечивают оптимальную обработку сигнала.

Поэтому прибегают к нелинейным методам коррекции (корректор с решающей

обратной связью) и/или – к нелинейной процедуре оценивания принимаемой

информационной последовательности, используя алгоритм Витерби, либо его

модификации.

Помехоустойчивость модема с высокой удельной скоростью в значительной

мере определяется независимыми ошибками за счет воздействия Гауссовского

шума и недокоррекции межсимвольной интерференции. Традиционным методом

повышения помехоустойчивости является применение кодирования передаваемой

информации путем введения избыточности. При независимых ошибках

использование сверточного кодирования позволяет существенно улучшить

помехоустойчивость модема. Поэтому в Рекомендациях МККТТ V.32 и V.33

регламентируется совместное использование квадратурной АМ и сверточного

кодирования – решетчатого кодирования.

Введение решетчатого кодирования для скорости 14400 бит/с (добавление

одного проверочного бита в каждую исходную последовательность из 6 бит

информации) позволяет повысить помехоустойчивость на 3,8 дБ. При этом число

позиций сигнала данных равно 128 (т.е. 2 в степени 6+1 ). Следует

отметить, что применение решетчатого кодирования для скорости 19200 бит/с

приводит к повышению помехоустойчивости на 5.4 дБ. Широкое распространение

решетчатого кодирования связано с возможностью использования на приеме

эффективной процедуры декодирования по максимуму правдоподобия на базе

алгоритма Витерби.

В Рекомендациях V.32 и V.33 метод построения модема с использованием

решетчатого кодирования указан как предпочтительный. Однако, в этих

Рекомендациях оговаривается возможность применения и других методов

модуляции. Например, в одной из работ приводится описание и результаты

испытаний цифрового модема на скорость 14400 бит/с с использованием

амплитудно-фазовой модуляции с одной боковой полосой.

Модемные протоколы (краткий обзор)

V.21 Это дуплексный протокол с частотным разделением каналов и

частотной модуляцией. На нижнем канале (его обычно использует для передачи

вызывающий модем) "1" передается частотой 980 Гц, а "0" – 1180 Гц. На

верхнем канале (передает отвечающий) "1" передается частотой 1650 Гц, а "0"

– 1850 Гц. Модуляционная и информационная скорости равны – 300 бод, 300

бит/с. Несмотря на невысокую скорость, данный протокол находит применение

прежде всего в качестве "аварийного", при невозможности вследствие высокого

уровня помех использовать другие протоколы физического уровня. Кроме того,

ввиду своей неприхотливости и помехоустойчивости, он используется в

специальных высокоуровневых приложениях, требующих высокой надежности

передачи. Например, при установке соединения между модемами по новой

Рекомендации V.8, или для передачи управляющих команд при факсимильной

связи (верхний канал).

V.22 Это дуплексный протокол с частотным разделением каналов и

модуляцией DPSK. Несущая частота нижнего канала (передает вызывающий) –

1200 Гц, верхнего (передает отвечающий) – 2400 Гц. Модуляционная скорость –

600 бод. Имеет режимы двухпозиционной (кодируется бит) и четырехпозиционной

(дибит) фазоразностной модуляции с фазовым расстоянием между точками,

соответственно, в 180 и 90 град. Соответственно, информационная скорость

может быть 600 или 1200 бит/с. Этот протокол фактически поглощен протоколом

V.22bis.

V.22bis Это дуплексный протокол с частотным разделением каналов и

модуляцией QAM. Несущая частота нижнего канала (передает вызывающий) – 1200

Гц, верхнего – 2400 Гц. Модуляционная скорость – 600 бод. Имеет режимы

четырехпозиционной (кодируется дибит) и шестнадцатипозиционной (кодируется

квадробит) квадратурной амплитудной модуляции. Соответственно,

информационная скорость может быть 1200 или 2400 бит/с. Режим 1200 бит/с

полностью совместим с V.22, несмотря на другой тип модуляции. Дело в том,

что первые два бита в режиме 16-QAM (квадро-бит) определяют изменение

фазового квадранта относительно предыдущего сигнального элемента и потому

за амплитуду не отвечают, а последние два бита определяют положение

сигнального элемента внутри квадранта с вариацией амплитуды. Таким образом,

DPSK можно рассматривать как частный случай QAM, где два последних бита не

меняют своих значений. В результате из шестнадцати позиций выбираются

четыре в разных квадрантах, но с одинаковым положением внутри квадранта, в

том числе и с одинаковой амплитудой. Протокол V.22bis является стандартом

де-факто для всех среднескоростных модемов.

V.32 Это дуплексный протокол с эхо-подавлением и квадратурной

амплитудной модуляцией или модуляцией с решетчатым кодированием. Частота

несущего сигнала – 1800 Гц, модуляционная скорость – 2400 бод. Таким

образом, используется спектр шириной от 600 до 3000 Гц. Имеет режимы

двухпозиционной (бит), четырехпозиционной (дибит) и шестнадцатипозиционной

(квадробит) QAM. Соответственно, информационная скорость может быть 2400,

4800 и 9600 бит/с. Кроме того, для скорости 9600 бит/с имеет место

альтернативная модуляция – 32-позиционная ТСМ.

V.32bis Это дуплексный протокол с эхо-подавлением и модуляцией ТСМ.

Используются те же, что в V.32, частота несущего сигнала – 1800 Гц, и

модуляционная скорость – 2400 бод. Имеет режимы 16-ТСМ, 32-ТСМ, 64-ТСМ и

128-ТСМ. Соответственно, информационная скорость может быть 7200, 9600,

12000 и 14400 бит/с. Режим 32-ТСМ полностью совместим с соответствующим

режимом V.32.

Что такое K56flex?

K56flex – это совместно разработанный компаниями Lucent и Rockwell

протокол модемной связи, позволяющий загружать данные из Internet по

стандартным телефонным линиям со скоростью до 56 кбит/с. Эта технология,

которая служит своего роста мостом между существующими методами передачи

данных по аналоговым линиям и цифровым сетям, например, ISDN. Однако он

обеспечивает повышенную скорость обмена данными, не требуя в отличие от

ISDN дополнительных капиталовложений в цифровые линии связи.

На сегодняшний день K56flex практически полностью вытеснен протоколом x2

с рынка коммуникационного оборудования. По сути, K56flex и х2 – близнецы-

братья, просто за х2 стоит более крупный производитель – US Robotics,

точнее – корпорация 3Com.

[pic]

Технология х2, разработанная USRobotics позволяет модемам принимать

данные со скоростью до 56Kbps на обычных коммутируемых линиях. х2

преодолевает теоретический порог, наложенный на стандартные аналоговые

модемы, задействуя цифровые соединения, которые в подавляющем большинстве

используются Интернет-провайдерами вплоть до аналоговой части обычных

линий.

Обычно, единственным аналоговым соединением в телефонной сети является

телефонный кабель от абонента до АТС. За последние несколько месяцев

телефонные компании начали процесс замены частей изначально аналоговых

соединений цифровыми. Однако самым отстающим звеном в этом деле остается

тот кабель, который соединяет вас и вашу АТС.

х2 не требует никаких изменений в телефонных сетях, которые сейчас

используются. Все, что необходимо для изменения качественного уровня пула

модемов провайдера – программный апгрейд. USRobotics назвал модемы, имеющие

прямое цифровое соединение с аналоговыми линиями х2-серверными модемами.

Аналогично, преобразование аналогового модема Courier V.Everything в х2-

клиет модем также просто, как установка новой программы.

Почему V.34 не оказался последним достижением в передаче данных?

Модемы V.34 оптимизированы для работы на полностью аналоговых линиях. Hо

сегодня имеет смысл принять во внимание тот факт, что сервисные провайдеры

обладают цифровыми каналами вплоть до обычной телефонной линии.

V.34-модемы оптимизированы для соединений типа аналог-аналог

Hесмотря на то, что большая часть сети цифровая, модемы, работающие на

протоколе V.34 используют ее как полностью аналоговую. V.34-модемы очень

мощны, но тем не менее, они не могут получить максимум выигрыша от

расширенной полосы пропускания, открывающейся, если на одном из концов

цифровая линия. Эти модемы были разработаны, исходя из предположения, что

оба конца линии испытывают резкое ухудшение связи из-за помех АЦП.

[pic]

Рисунок 1 Соединение V34

Аналоговая информация должна быть преобразована в цифровую, чтобы быть

посланной по телефонной сети. Исходный аналоговый сигнал изменяется 8000

раз в секунду, и каждый раз его амплитуда записывается в виде PCM-кода.

Система, производящая преобразование (модуляцию) использует 256-дискретный

8-битный PCM код.

В связи с тем, что аналоговый сигнал непрерывен, а цифровая информация

дискретна, данные, посылаемые по линии приблизительно соответствует

оригинальному сигналу. Разница между исходным сигналом и восстановленным

демодулированным сигналом называется модуляционными помехами, которые и

ограничивают скоростные качества модемов.

Вышеописанные помехи ограничивают скорость передачи данных

приблизительно до 35Kbps. Однако они [помехи] влияют только на

преобразование аналог-цифра, но не на цифра-аналог. Это и является основой

технологии х2: Если между х2-сервер-модемом и коммутируемой линией нет

преобразования аналог-цифра, и если модулятор использует 255-дискретное

преобразование сигнала, то тогда исходная цифровая информация в точности

достигает клиента.

Отношение Сигнал-Шум

Даже при самых благополучных обстоятельствах, когда сигнал претерпевает

аналого-цифровое преобразование, отношение составляет 38-39 dB ("нижний

шумовой порог"), которое и ограничивает скорости на V.34 до 33.6 Kbps.

Итак:

1. Сервер подключается по цифровому каналу к кабелю телефонной

компании.

2. Сигналы сервера заставляют использовать только 256 PCM

модуляционного шума, код. Иными словами, нет появляющегося при

конвертации аналоговых сигналов к кодам. дискретным PCM

3. Эти PCM коды преобразуются в соответствующий дискретный аналоговый

сигнал и отсылается клиенту по тем же коммутируемым аналоговым

линиям. Hет никаких потерь информации (см.график "Соединение х2".)

4. Клиент принимает сигнал и восстанавливает исходные PCM коды из

аналогового сигнала.

Каналы: туда и сюда. Ассиметричные х2 соединения используют одну часть

двунаправленного канала (туда и сюда). Клиентский х2 модем способен

принимать данные с большей скоростью по одной части канала по той причине,

что часть информации не теряется при цифра-аналог преобразованиях. Однако

при посылке данных клиентским модемом по второй части канала (туда), сигнал

претерпевает преобразование аналог-цифра, что и ограничивает возможность

использования х2 и навязывает V.34.

Подробнее о кодировании

Как уже было рассказано, данные, посланные с х2-сервер модема передаются

по телефонной линии в двоичной форме. Hо чтобы удовлетворить условиям

пункта 2 (см.выше), х2-сервер модем передает данные (восемь битов в

секунду) к ЦАП (цифро-аналоговому преобразователю) с той же частотой,на

которой работает телефонная линия (8000 герц). Это означает, что частота

модема должна совпадать с частотой линии.

[pic]

Рисунок 2 Соединение x2

Во время установления связи, х2 модемы испытывают линию на использование

аналог-цифровых преобразователей в сторону клиента. При обнаружении

подобных конвертаций, модемы соединятся просто на V.34. Клиентский модем

также пытается установить связь на V.34 при невозможности серверного модема

использования х2.

Задача х2-клиентского модема – распознать в сигнале PCM-коды с частотой

8000 герц. Если это удается, тогда скорость в сторону клиента будет около

64 килобит/с (8000*8 бит в коде). В то же время, некоторые проблемы все

таки возникают, что немного сокращает скорость.

Во-первых, несмотря на то, что модуляторный шум удален, другой, намного

меньший шум возникает при работе цифра-аналогового преобразователя и

местной АТС. Этот шум возникает в связи с различными нелинейными

искажениями и посторонними шумами от других соединений.

Во-вторых, телефонные ЦАПы - не линейные преобразователи, а используют

несколько иной закон конвертации (µU Law - в США, А Law - в других

странах).

В результате, PCM коды представляющие собой слабые сигналы получаются на

выходе ЦАПа слабыми сигналами, тогда как большие сигналы-коды получаются

большими после выхода (Т.е. скачкообразно изменяющийся сигнал вместо

линейного, постепенно меняющегося - прим. перевода).

Эти две проблемы исключают возможность использованию всех 256 дискретных

кодов, так как соответствующий выходной после ЦАПа сигнал (слабый) слишком

тесно зажат в границах пропускной способности локальной АТСи не может

абсолютно корректно анализировать данные. (Замечание: каждый PCM-код

соотносится с выходным после ЦАПа сигналом). Таким образом, х2 кодировщик

использует различные уровни 256-кодов, что делает ЦАП более чувствительным

к помехам. Hапример, 128 уровней используется для передачи данных со

скоростью 56 кбит/с, 92 - 52 кбит/с и так далее. Использование еще более

меньшего числа уровней деет большую надежность, но и снижает скорость.

Требования х2

х2 требует выполнения следующих условий:

1. Цифровой канал в одном конце. Один конец соединения должен

оканчиваться на магистральную цифровую линию, например, T1, ISDN PRI или

ISDN BRI.

Локальные линии T1 не будут давать нужных результатов, так как на них

будут иметь место дополнительные преобразования аналог-цифра и цифра-

аналог. В магистральных каналах сигнал преобразовывается лишь однажды, а

после этого свободно достигает по каналам Т1, PRI или BRI серверного х2-

модема.

2. х2 должен поддерживаться модемами на обоих концах соединения: у

клиента и на сервере провайдера. Предполагается, что клиентским модемом

станет USRobotics Sportster, Courier TM или Megahertzo, а у провайдера

USRobotics MP I-Modem, NetServer I-Modem, Courier I-Modem или Total

Control Enterprise NetWork Hub.

3. Может быть только одно преобразование аналог-цифра на пути от

клиентского модема до сервера. Если используется линия Т1, то это должна

быть магистральная линия, а не локальная. Применяя локальное соединение Т1,

местные телефонные компании используют обычно еще ряд дополнительных

преобразований.

Только USRobotics может обеспечить технологию х2

Оборудование USRobotics, такое как например Total Control Enerprise

Network Hub, уже сейчас позволяет обрабатывать цифровые сигналы с цифровых

линий. Серверное оборудование может быть модернизировано до х2 программным

путем. Другие компании, не производящие цифровых моделей модемов, должны

будут затратить большое количество финансов и времени на

разработку собственных изделий.

Модемы USRobotics поставляемые сейчас позволяют модернизировать их до

технологии х2.

Глоссарий

Basic Rate InterFace (BRI)

Линия ISDN, дающая возможность использования двух 64-килобитных В-

каналов и одного 16-битного D-канала на одной двупроводной телефонной

линии. В-каналы переносят данные или голосовую информацию, а D-канал

управляющие сигналы для передачи данных.

Цифровой сигнальный процессор (Digital Signal Processor – DSP)

Процессор, оптимизированный для работы со сложными математическими

операциями, происходящими при обработке цифровых сигналов. Дискретный

процессор может быть перепрограммирован. Процессор же интегрированный в

чипсет обычно несет в себе микросхему ROM и как следствие не может быть

перепрограммирован.

Е1

Четырех проводная цифровая линия, магистраль, которая переносит данные

со скоростями до 2 мегабит/с.

Локальная Т1

Канал Т1, на котором сигнал испытывает преобразование на пути от

серверного модема до локальной АТС.

Primary rate Interface (PRI)

В Северной Америке PRI – четырех-проводный ISDN-канал (магистраль) с

теми же скоростными возможностями, что и Т1, 1.554 мегабит/с. PRI содержит

23 В-канала 64 килобит/с и один D-канал 64 килобит/с. В других странах PRI

содержит 30 В-каналов 64 килобит/с и один D-канал 64 килобит/с.

Четырех проводная ISDN линия с теми же скоростными характеристиками, что и

Е1, 2.048 мегабит/с. D-канал переносит сигналы контроля передачи данных для

всех В-каналов.

Пульсовая модуляция кода (Pulse Code Modulation PCM)

Технология преобразования аналоговых сигналов с бесконечным числом

возможных значений в дискретные цифровые сигналы с ограниченным числом

значений. После оцифровки аналоговых сигналов, они разбиваются на PCM-коды.

Т1

Четырех проводная цифровая линия (магистраль) переносящая 1.554

мегабит/с. Т1 содержит 24 линии DSO, каждая из которых переносит 56

килобит/с. (Сигналы контроля соединения переносятся внутри DSO)

х2 клиент-модем

Модем оборудованный усовершенствованиями х2 и подключенный к обычной

аналоговой линии. Для получения соединения на скоростях х2 (56 килобит/с),

модем на другом конце соединения должен представлять собой х2-модем,

подключенный к магистральной линии Т1, BRI или PRI.

х2 сервер-модем

Цифровой модем, подключенный к магистральной линии Т1, BRI или PRI.

Клиентский модем также должен поддерживать стандарт х2 для получения

скоростей х2 (56 килобит/с). В настоящее время х2-сервер модемами могут

выступать Total Control Enterprise Network Hub, Netserver I-modem, MP I-

modem и Courier TM I-modem.

Страницы: 1, 2