Види модуляції.
Частотна модуляція.
Коли нулі передаються сигналом однієї частоти, а одиниці іншої тоді ми маємо справу з частотною модуляцією. ЧМ реалізується дуже просто і працює досить надійно, але має обмеження щодо швидкості передачі.
3100
Гц
0 300 3400 4000 f,Гц
Якщо навіть весь період сигналу віддати одному біту, то швидкість передачі не може перевищувати половини смуги пропускання 1500 біт/с.
Такий вид модуляції закріплений за стандартом V.21. Власне в такому режимі сучасні модеми починають свою роботу.
V – передача даних телефонними лініями.
Амплітудна модуляція.
При амплітудній модуляції нулі передаються сигналами однієї гучності, а одиниці іншої.
Технічно реалізувати амплітудну модуляцію ще простіше ніж частотну, але надійність передачі при цьому є малою і тому використовують її дуже обмежено.
В сучасних модемах її комбінують з фазовою модуляцією, щоб передати більше інформації в одному періоді сигналу.
Фазова (фазорізницева модуляція).
Метод фазової модуляції заснований на зсуві фаз між двома гармонічними (синусоїдальними) коливаннями, який можна виявити, виміряти і використати для передачі даних.
За допомогою фазової модуляції можна закодувати в одному періоді сигналу декілька біт інформації. Зсув 0º - 00, 90º - 01, 180º - 10, 270º - 11.
А
зсув 90º
Б
0º 90º 180º 270º 360º
Зсув фази для одного сигналу немає змісту обов’язково потрібно пару сигналів для порівняння. Тому фазову модуляцію частіше називають фазорізницевою.
Фазові діаграми (ФД).
Це графічний спосіб представлення фазорізницевого кодування.
ФД – будується у фазовій площині і має полярну систему координат. φ – кут повороту (фаза), R – радіус вектор (амплітуда).
Якщо модем розрізняє чотири фазових зсуви з точністю до 90º, тоді одним зсувом можна закодувати два біти даних (дибіт), якщо вісім з точністю 45º, тоді одним зсувом можна закодувати три біти даних (трибіт).
01
90º
011 010
100
011
180º 0º
10
00
101 000
110 111
270º 11
Точки на ФД, які відповідають стану сигналу в певний момент часу називаються точками стану.
Через наявність шумів і інших дестабілізуючих факторів в лініях, реальні сигнали не попадають точно в точки стану, а розсіюються у вигляді хмаринки.
Коли точок стану мало і вони знаходяться далеко, то модем ще може розрізнити до якої точки належить сигнал.
Але із збільшенням біт даних закодованих в одному сигналі на зашумлених лініях модем може збиватися.
Отже виникає необхідність використання спеціальних заходів, які засновані на складній математиці, щоб якомога більше даних закодувати в одному сигналі, і забезпечити також стабільність роботи модема.
Амплітудно фазова модуляція.
Реалізується шляхом поєднання двох видів модуляції.
Основна її мета – створити на фазовій діаграмі якнайбільше точок стану і при цьому збільшити віддаль між ними.
Однак амплітуда сигналу в телефонних лініях найбільше спотворюється, що обмежує використання такої модуляції.
При такій модуляції не всі точки є дозволеними, тому що наперед важко вгадати, які з точок є більш надійними, а які менш.
Це залежить від конкретних умов зв’язку і обумовлено протоколом модуляції.
Модем відправляючи чергову групу бітів даних, додає до них спеціальні кодові біти, за якими приймаючий модем вибирає тільки дозволенні точки стану, при розкодуванні наступного періоду сигналу, потім процес повторюється.
В модемах середньої продуктивності (4800 – 9600 біт/с), які працюють за протоколами V.22 i V.22 bis все це обумовлено специфікацією протоколів.
Квадратурно-амплітудна модуляція.
Перехід від полярних до прямокутних координат можливий за допомогою математичного перетворення, яке називається квадратурним.
Відповідно, амплітудно-фазову модуляцію представлену на малюнку будуть називати квадратурно-амплітудною модуляцією КАМ.
Фізична суть модуляції при цьому не змінюється, інформація кодується амплітудою і фазовим зсувом сигналу. Це якби інша назва АФМ.
В залежності від кількості точок стану розрізняють КАМ – 4, КАМ – 8, КАМ – 16, 32,64,128.
Чим більше точок стану, тим більше бітів даних можна посадити на один бод, звичайно при цьому зростає інформаційна швидкість модему.
Гратчаста - (Решітчаста) модуляція.
Для збільшення швидкості точок на діаграмі стану використовують гратчасту модуляцію, при якій використовують гратчасте кодування, яке ще називають трелліс кодуванням.
При трелліс кодуванні використовують наперед відому більшу діаграму стану, що дозволяє в одному боді більше біт даних ( здебільшого додатково вводяться два біти ), в яких є інформація про дозволені точки.
Приймаючий модем визначає амплітуду і фазу прийнятого сигналу і починає підбирати до них найбільш близьку точку стану.
Якщо вона дозволена, тоді все в порядку, коли вона не дозволена, він починає за спеціальним алгоритмом (алгоритм Вітербі) перевіряти інші точки стану.
На якісних лініях зв’язку виграшу від таких перетворень практично не має. Але на реальних лініях є дуже відчутний виграш.
Трелліс кодування було введено в модемах, що працюють за протоколами V.32 i V.32 bis., з інформаційною швидкістю 14400 біт/сек. Працюючи на бодовій швидкості 2400 бод.
Таке треліс кодування називають плоским або двомірним, на фазовій діаграмі ми маємо дві координати фазу і амплітуду.
Трелліс кодування крім модемів використовують також у цифровому і супутниковому телебаченні.
Кількісні параметри швидкості передачі.
В пристроях з паралельною передачею даних швидкість вимірюють в байтах за секунду. Байт – це взаємозв’язана послідовність з восьми бітів.
В телефонних модемах дані передаються послідовно – біт за бітом, тому пропускну здатність модемів вимірюють в бітах за секунду.
Інколи можна зустріти таке твердження, що одиницею продуктивності модемів є бод.
Але бодами вимірюють частоту зміни стану сигналу і ні один аналоговий модем не зміг би мати продуктивність більшу ніж 3400 бод.
Наприклад, якщо при швидкості 2400 бод в одному періоді закодовано два біти, то продуктивність модема буде 4800 біт/сек.
В деяких випадках групу бітів, що передається одним бодом, називають символом. Але їх не треба плутати з інформаційними символами, з яких складають тексти повідомлень.
Тому що не всі біти є інформаційні, деякі призначені для передачі дозволів на точки стану.
Наприклад, бодова швидкість 2400 бод, розмір символу 8 біт, з яких 6 – інформаційні, 2 – службові, отже інформаційна швидкість буде
2400*6=14400 біт/сек.
Деякі комунікаційні програми вимірюють швидкість передачі в символах за секунду (characters per second, cps) тут мова йде про звичайні інформаційні символи довжиною 8 біт.
Модеми можуть працювати дуже швидко, але якщо при цьому відбувається багато помилок, тоді передача одних і тих самих даних багаторазово повторюється, і тоді програма покаже низьку швидкість передачі 6 cps.
Стандарти і протоколи.
Рекомендації (МККТТ) тепер ITU міжнародного союзу електрозв’язку називають стандартами або протоколами.
Комп’ютерний зв'язок телефонними лініями відповідає протоколам серії «V», які умовно можна розглядати в чотирьох категоріях:
протоколи взаємодії;
протоколи модуляції;
протоколи корекції помилок;
протоколи компресії даних.
В протоколах взаємодії обумовлений порядок взаємодії модемів між собою. В них вказується, що повинен повідомити про себе викликаючий модем і що повинен відповісти викликаний.
Відповідно до протоколу взаємодії обидва модеми вступають у діалог і обмінюються параметрами, для створення надійного і максимально продуктивного з’єднання. На даний час протоколом взаємодії є V.8.
Протоколи модуляції визначають принцип модуляції, який використовують модеми.
Протокол V.21. закріпив вимоги до модемів з швидкістю обміну 300 біт/с з ЧМ. Такий протокол дещо застарів, але використовується для початку сумісної роботи модемів.
Протокол V.21. підтримує дуплексний режим роботи модемів.
Звичайно дуплексний режим продуктивніший від напівдуплексного, але з ним зв’язані деякі складності, коли на вхід приймача проникають відбиті сигнали (ближні і дальні).
Для боротьби з відбитими сигналами використовують спеціальні компенсуючі пристрої (які віднімають від приймаючого сигналу деяку величину, величина компенсації залежить від властивостей лінії зв’язку).
На початку роботи модеми відправляють в лінію контрольні посилки, за допомогою яких перевіряють властивості лінії і розраховують параметри погашення відбитих сигналів.
Розділення вхідного і вихідного сигналів в модемах V.21. організоване частотними каналами. Викликаючий модем (0-1180 Гц) (1-980 Гц) партнер відповідає на більш високих частотах (0-1850 Гц) і (1-1650 Гц).
Протокол V.22. продуктивність 1200біт/с з ФМ. дуплексний режим роботи. V.22 bis продуктивність 2400 біт/с з КАМ.
Модеми середньої продуктивності працюють з протоколами V.32 i V/32 bis.
V. 32, KAM – 16 або гратчаста модуляція з трелліс кодуванням.
- продуктивність 4800 біт/с з КАМ – 16 і 9600 біт/с з трелліс кодуванням (діаграма має 25=32 точки) V.32 bis продуктивність 14400 біт/с (модуляція заснована на 128 позиційній діаграмі стану з кодуванням 7 біт на одну точку).
Модеми високої продуктивності забезпечують інформаційну швидкість передачі даних від 14400 біт/с до 33600 біт/с і працюють відповідно з протоколом V.34 до 28800 біт/с,V.34 bis до 33600 біт/с.
Такі протоколи мають можливість тестувати лінії зв’язку і підбирати оптимальні параметри роботи.
Використовується чотирьохмірне трелліс кодування на відміну від двохмірного у моделях V.32, що суттєво збільшує кількість точок стану на діаграмі.
Ще однією особливістю V.34 стали методи нелінійного перетворення точок стану (метод згортки).
Збільшення віддалі між точками здійснюється за рахунок того, що, якщо амплітуда більша, то вона додатково збільшується, якщо менша, то додатково зменшується.
Швидкісні модеми 56к використовують протокол V.90. Це протокол дуплексної передачі інформації, який забезпечує продуктивність 56 кбіт/с.
Відповідно до цього протоколу модем може приймати дані з швидкістю 56 кбіт/с (реально така швидкість навіть на якісних лініях недосяжна), а передавати дані з швидкістю 33,6 кб/с.
На даний час розроблений новий протокол V.92. з швидкістю прийому 56 кбіт/с і швидкістю передачі 48 кбіт/с. Крім цього такий протокол підтримує дуже корисне нововведення, (функцію тимчасового утримання з’єднання, протягом до 16 хв).
Зустрічаються протоколи V.42 i V.42 bis з продуктивністю 33,6 кбіт/с, які більш ефективно використовують функції корекції помилок і компресії даних.
Функція корекції помилок може бути активною або пасивною.
При пасивній корекції дані передаються групами (кадрами) при цьому кожен кадр супроводжується контрольною сумою.
Коли модем закінчує прийом кадру, він вираховує контрольну суму і звіряє її з цією, яку передав відправник.
Якщо контрольні суми відрізняються, дається запит на повторну передачу цілого кадру.
При активній корекції приймаючий модем може не завжди запитувати повторну передачу.
Разом з кадром даних він отримує деякий додатковий надлишковий код і якщо помилок в кадрі не багато, то надлишковий код відновлює втрачене.
Після відновлення перевіряється контрольна сума, якщо відновлення пройшло успішно, то передача кадру не повторюється.
Компресія даних здійснюється за рахунок виключення послідовностей символів, які часто зустрічаються, і заміну їх на код символу і коефіцієнт повторення.
Інший прийом компресії даних полягає в тому, що символи які в повідомленні зустрічаються частіше, кодуються більш короткими послідовностями бітів.
Сучасний модем фактично не можливо собі уявити без функцій компресії і корекції помилок.