Телекоммуникационные_системы_и_сети_Т_1_Современные_технологии_620

Соответствующий аналог передачи с РОС можно найти и в телефонной связи. Если вследствие действия помех не расслышано слово, то обычно просят его повторить.

В системах с ИОС принятая кодовая комбинация Ai* возвращается на передающую сторону по обратному каналу, где она сравнивается с переданной комбинацией Ai . Последнюю можно рассматривать как эталонную комбинацию. Если комбинации Ai* и Ai различаются, то комбинация Ai передается повторно. При разговоре по телефону также часто используют ИОС, когда в условиях сильных помех просят собеседника повторить переданное ему сообщение, чтобы убедиться, что он его воспринял правильно.

Системы с РОС получили наибольшее практическое распространение. Существуют различные разновидности этих систем.

Простейший и довольно часто применяемый на практике алгоритм работы системы с РОС заключается в следующем. Источник сообщений ИС выдает в кодер (рис. 12.2) первую кодовую комбинацию (или блок, состоящий из нескольких кодовых комбинаций). К исходным элементам в кодере добавляются проверочные. Комбинация выдается в дискретный канал и одновременно записывается в накопитель Н1 (накопитель передачи). После выдачи первой кодовой комбинации источник ждет ответа о том, как она принята.

Принятая кодовая комбинация декодируется. Информационные элементы записываются в накопитель приема (Н2). Если ошибка не обнаружена, то по команде управляющего устройства информационные элементы из накопителя выдаются получателю, а по обратному каналу выдается сигнал «Да», подтверждающий правильность приема переданной кодовой комбинации номер один (обратный канал будем пока считать идеальным). По сигналу «Да» управляющее устройство стирает из Н1 кодовую комбинацию и дает разрешение на выдачу от источника следующей кодовой комбинации. Если следующая комбинация исказилась и ошибки на приеме обнаружены, то по команде УУ2 информация из Н2 стирается, а по обратному каналу выда-

Дискретный канал

Прямой

канал ИС Кодер Передатчик Приемник Декодер Н2 ПС

УУ1 Приемник Передатчик УУ2

Рис. 12.2. Функциональная схема системы с РОС-ОЖ

ется сигнал «Нет». По этому сигналу на передающем конце УУ1 запрещает выдачу следующей кодовой комбинации от источника и дает команду о повторной выдаче искаженной комбинации из накопителя Н1. Теоретически кодовая комбинация может повторяться бесконечное число раз. Обычно после определенного числа повторений (например, трех) кодовая комбинация стирается. Очевидно, что чем больше повторений на анализируемом интервале времени, тем хуже качество канала, тем дольше длится «перекачка» сообщения от источника и тем ниже скорость передачи информации.

Рассматриваемый алгоритм работы системы называется алгоритмом с ожиданием, а сама система передачи дискретных сообщений – системой с решающей обратной связью и ожиданием (РОС-ОЖ). Такие системы довольно часто используются для передачи дискретных сообщений. Основное их достоинство – простая техническая реализация. К недостаткам следует отнести существенные потери скорости передачи информации, источником которых, помимо введенных в кодовую комбинацию проверочных элементов и переспросов, являются потери на ожидание ответа со стороны приемника. При этом скорость передачи информации определяется выражением

тери скорости, обусловленные наличием в кодовой комбинации проверочных элементов; ожиданием сигнала решения о качестве приема; повторными передачами кодовых комбинаций. Очевидно, что процент потерь скорости определяется как (1 – γ1)100 %.

Учитывая, что время, необходимое для передачи информационных элементов одной кодовой комбинации, равно kτ0 , а время, затрачиваемое на передачу одной кодовой комбинации при однократной передаче, равно nτ0 +tож , где tож – время ожидания сигнала решения (время от момента передачи в канал одной кодовой комбинации до момента передачи следующей), получаем

Следовательно, потери на ожидание будут тем меньше, чем меньше скорость модуляции (больше τ0 ) или при данной скорости модуляции больше длина кодовой комбинации. Коэффициент γ3 в (12.13) есть

величина, определяемая как (1 – Роо), где Роо – вероятность обнаружения в кодовой комбинации ошибок. Чем больше длина кодовой комбинации, тем больше Роо и меньше γ3 . Нетрудно догадаться, что из этого следует возможность оптимизации скорости путем изменения длины кодовой комбинации.

Всистемах с РОС и непрерывной передачей информации отсутст-

вуют потери на ожидание ( tож = 0, γ2 = 1). В этих системах при обнаружении ошибок в принятой кодовой комбинации производится повторение этой комбинации и ряда других, примыкающих к ней. Для уменьшения потерь на переспросы иногда по каналу обратной связи передается адрес (номер) кодовой комбинации, которую надо повторить. Такой метод применяется в системах с РОС и адресным переспросом. Однако непрерывная передача информации и тем более адресный переспрос требуют существенного усложнения аппаратуры ПД, что, в свою очередь, приводит к ее удорожанию и снижению надежности.

Впростейших системах с ИОС для передачи информации по прямому каналу можно использовать простые коды (без избыточности) и тогда обратный канал должен иметь такую же пропускную способность, что и прямой.

Всистемах с РОС любого типа по обратному каналу передаются только сигналы решения и обратный канал имеет существенно меньшую пропускную способность. Так, при передаче информации со скоростью 600/1200 Бод по прямому каналу в обратном узкополосном канале передача осуществляется со скоростью не более чем 75 Бод.

Возможность использования узкополосного канала в качестве обратного – существенное преимущество систем с РОС, делающее их

применение на практике более предпочтительным по сравнению

ссистемами с ИОС.

12.2.Сигналы и виды модуляции, используемые в современных модемах

Сигналы, вырабатываемые телеграфным аппаратом или ЭВМ, – цифровые. Их спектр лежит в диапазоне 0 – Fmax (где Fmax – максимальная частота спектра, определяемая длительностью единичного элемента). В то же время полоса пропускания канала находится в

диапазоне Fmin* −Fmax* , где Fmin* , как правило, больше нуля, отсюда вытекает задача номер один – задача преобразования исходного спек-

тра таким образом, чтобы сигнал «прошел» через канал (задача переноса исходного спектра в диапазон Fmin* −Fmax* ). Кроме этого надо сформировать сигнал, посылаемый в канал связи так, чтобы обеспечить достаточно высокую скорость передачи информации (бит/с)

вканале связи и при этом получить достаточно высокую помехоустойчивость. Поставленные требования противоречивы, что интуитивно понятно.

Различают низкоскоростные устройства преобразования сигналов – скорость передачи информации до 300 бит/с; среднескоростные обеспечивают работу со скоростью выше 300 бит/с (это скорости 600, 1200, 2400, 4800, 7200, 9600, 28 800 бит/с) по стандартному телефон-

ному каналу; высокоскоростные – это модемы для работы по каналам первичной, вторичной и т.д. широкополосных групп.

Внизко- и среднескоростных до 1200 бит/с используется частотная модуляция. Для работы со скоростью 2400 бит/с и выше уже применяются фазовая (относительная фазовая) и амплитудно-фазовая модуляция.

Частотная модуляция. При передаче двоичных сигналов (0 или 1)

вканал посылается частота f1 (для 1) и f2 (для 0), при этом согласно международным рекомендациям f2 > f1 (рис. 12.3). Задачу формиро-

вания сигнала на передаче выполняет модулятор, а опознавание принятой последовательности сигналов (превращение частотномодулированных сигналов в 0 и 1) – демодулятор.

Существует несколько рекомендаций MСЭ-T, в соответствии с которыми создаются модемы (модем – сокращение модулятордемодулятор) с ЧМ. Это прежде всего рекомендация V.21. Согласно V.21 стандартный телефонный канал 0,3…3.4 кГц делится на две равные полосы. В нижнем диапазоне частот (его обычно использует для передачи вызывающий модем) 1 передается частотой 980 Гц, а 0 – 1180 Гц. В верхнем диапазоне (передает отвечающий) 1 передается частотой 1650 Гц, а 0 – 1850 Гц. Модуляционная и информационная скорости равны 300 Бод и 300 бит/с соответственно. Несмотря на невысокую скорость, протокол V.21 находит в настоящее время применение в качестве «аварийного»,

предусмотрен вспомогательный (обратный) канал для передачи сигналов подтверждения о качестве приема со скоростью 75 бит/с.

Модемы, работающие со скоростью 300 и 600/1200 Бод, самые дешевые. Однако сегодня такая скорость передачи уже никого не устраивает. При малой скорости передачи долго придется передавать большие файлы, а, следовательно, экономия на покупке модема обернется большими затратами на оплату времени занятия канала. Поэтому модемы на скорость 300 Бод (или даже 600/1200 Бод) сейчас уже никто не покупает.

Фазовая модуляция. Если при частотной модуляции информация о виде передаваемого сигнала (0 или 1) заложена в значении частоты несущей, то при фазовой модуляции информационным параметром является фаза передаваемого сигнала (рис. 12.4 и табл. 12.3).

Упрощенная схема дискретного канала с ФМ приведена на рис. 12.5. Процесс модуляции осуществляется в фазовом модуляторе ФМ.

Полосовой фильтр ПФпер ограничивает спектр сигнала, выдаваемого в канал связи (непрерывный канал). Ограничение спектра передаваемых частот с помощью ПФпер уменьшает взаимное влияние каналов в многоканальной аппаратуре с частотным разделением

зывают, абсолютной фазовой модуляции для того, чтобы подчеркнуть

ееотличие от относительной фазовой модуляции.

Относительная фазовая (фазоразностная) модуляция. При от-

носительной фазовой модуляции (ОФМ) явление «обратной работы» отсутствует, но достигается это ценой некоторого снижения помехоустойчивости. При ОФМ сигнал формируется в соответствии с табл. 12.4.

Отличие табл. 12.4 от табл. 12.3 заключается в том, что отсчет передаваемого сигнала ( ϕ) при ОФМ осуществляется не относительно фазы несущей, а относительно фазы предыдущего сигнала. Так, при передаче элемента 0 передаваемый сигнал должен иметь сдвиг относительно предыдущего на 180° (рис. 12.6). Так как для первого единичного элемента нет предыдущего, то фаза соответствующего ему сигнала Uфм(t) может быть произвольной. Прием начнем со второго элемента, для которого опорным является первый.

Чаще всего в качестве фазового модулятора при ОФМ используется такое же устройство, как и при абсолютной фазовой модуляции. Тогда для получения на выходе модулятора сигнала вида, изображенного на рис. 12.7, б, исходный сигнал, прежде чем подать его на модулятор, необходимо перекодировать (см. рис. 12.7, в). Временные диаграммы, иллюстрирующие процесс получения ОФМ-сигнала, представлены на рис. 12.7.

Информация о виде переданного единичного элемента заключена в разности фаз i-го и (i – 1)-го ОФМ-сигнала. Следовательно, извлечь эту информацию можно, сравнивая фазу i-го и (i – 1)-го ОФМ-сигнала в фазовом демодуляторе (рис. 12.8). Для задержки сигнала на время, равное длительности единичного интервала, применяется элемент памяти ЭП. Схема, представленная на рис. 12.8, осуществляет автокорреляционный (некогерентный) прием. Иногда такой метод приема называют «методом сравнения фаз». Скачок фазы

опорного напряжения на 180° вызовет одиночную ошибку, а не поток ошибок, как при абсолютной фазовой модуляции.

Если для приема использовать фазовый демодулятор, на который подается когерентное опорное напряжение, то после решающего устройства будем иметь сигнал, совпадающий (при отсутствии ошибок) с перекодированным на передаче. Такой сигнал нуждается в обратном перекодировании. Структурная схема такого приемника изображена на рис. 12.9. Здесь осуществляется корреляционный (когерентный) прием, называемый иногда «методом сравнения полярностей». Сравнение полярностей осуществляется в перекодирующем устройстве приема ПКУпр. Если полярности (i – 1)-го и i-го элементов совпадают, то на выходе ПКУпр в качестве i-го элемента выдается 1. Если полярности (i – 1)-го и i-го элементов разные, то на выходе ПКУпр выдается 0.

Очевидно, что i-й элемент на выходе ПКУпр будет воспроизведен неправильно, если на его входе исказился (i – 1)-й или i-й элемент. Вероятность появления неправильного элемента на входе ПКУпр рош = = рфм, так как тогда вероятность неправильного приема

Обычно pош ≤10–3, тогда рофм ≈ 2рфм.

При автокорреляционном приеме в ФД происходит сравнение по фазе i-го и (i – 1)-го зашумленных сигналов, что приводит к увеличению вероятности неправильного приема по сравнению с корреляционным, при котором в ФД сравнивается по фазе зашумленный сигнал с «чистым» опорным напряжением.

Относительная фазовая модуляция используется в модемах, разработанных по рекомендациям МСЭ-Т V.26 для работы со скоростью 1200 бит/с; для работы со скоростью 2400 бит/с применяется многопозиционная (двукратная) относительная фазовая модуляция.

Многопозиционная фазовая и амплитудно-фазовая модуля-

ция. Последний вид модуляции называют еще квадратурной ампли-

тудной модуляцией (QAM – Quadrature Amplitude Modulation).

Известно, что если сообщение передается двоичными посылками (двоичным кодом), то скорость передачи информации не может превышать 2 Fk бит/с, или 2 бит/с на 1 Гц полосы пропускания канала. Для повышения удельной скорости передачи информации необходимо перейти к многократной модуляции (многопозиционным кодам), при которой каждая элементарная посылка несет более 1 бита информации.

Наибольшее применение многократные методы нашли при фазовой модуляции. Здесь каждой комбинации из n единичных двоичных элементов, поступивших от источника, ставится в соответствие определенное значение фазы отрезка несущей. Правило отображения двоичной последовательности {ai } в последовательность сигналов {si , k (t)} называется модуляционным кодом. Так, при двукратной фазовой модуляции (ДФМ) передаваемая последовательность разбивается на комбинации из двух элементов. Очевидно, что число различных комбинаций длины m равно 2m. Для ДФМ 2m = 4. Передача информации осуществляется дибитами в соответствии с модуляционным кодом (табл. 12.5).

Применительно к двукратной относительной фазовой модуляции (ДОФМ) Δϕ соответствует сдвигу фаз между i-м и (i – 1)-м сигналами. На приеме в зависимости от сдвига Δϕ в соответствии с табл. 12.5 выдается одна из комбинаций. При одной и той же скорости модуляции ДОФМ позволяет обеспечить вдвое большую скорость передачи информации, чем ОФМ. Но так как при ДОФМ минимальный сдвиг по фазе между сигналами 90, а не 180°, как при ОФМ, вероятность ошибки при ДОФМ выше. Двукратная относительная фазовая модуляция в соответствии с рекомендациями МСЭ-Т применяется для передачи информации со скоростью 2400 бит/с.

Увеличение удельных скоростей передачи до 3 бит/(Гц с) и выше может быть получено совместным использованием амплитудной и фазовой модуляций, причем для сокращения спектра сигнала в канал передается одна боковая полоса частот [2].

Система сигналов, применяемая при передаче информации, должна выбираться так, чтобы обеспечить минимальную вероятность неправильного приема элемента при заданной средней мощности передатчика. В наилучшей системе сигналов минимальное из расстояний между парами сигналов должно быть максимальным.

На практике при m = 16 во многих УПС применяется так называемая квадратурная амплитудная модуляция КАМ-16 (рис. 12.10). Про-

Рис. 12.10. Сигналы квадратурной амплитудной модуляции КАМ-16

игрыш в помехоустойчивости при КАМ по сравнению с оптимальной системой сигналов составляет приблизительно 0,5 дБ.

Отметим, что изменение свойств помехи приводит к изменению структуры оптимальных систем сигналов. Для каналов, в которых имеются фазовые флуктуации (дрожание фазы), следует выбирать сигналы, существенно разнесенные по углу. Такая система сигналов представлена на рис. 12.11. Она отвечает рекомендации МСЭ-Т V.29 и обеспечивает минимальный угол между векторами 45°, что более чем в 2 раза превышает аналогичный показатель системы КАМ-16.

Следует отметить, что достижение высокой удельной скорости возможно только в том случае, если УПС являются адаптивными. Это связано с непостоянством параметров канала связи по времени, а также нестационарным характером действующих в нем мультипликативных и аддитивных помех. Для адаптации в состав УПС включаются блоки идентификации параметров канала и помех, оценки которых используются для изменения параметров и структуры блоков формирования и обработки сигналов.

К современным протоколам, используемым в модемах, широко представленных различными фирмами, относятся V.32, V32bis и недавно появившийся протокол V.34 [2]. В V.32 используется квадратурная амплитудная модуляция. Частота несущего колебания 1800 Гц, скорость модуляции 2400 Бод. Имеются режимы двух-, четырех- и шестнадцатипозиционной QAM. Соответственно информационная скорость может быть 2400, 4800 и 9600 бит/с. Кроме того, для скорости 9600 бит/с имеет место альтернативная модуляция – 32позиционная TCM (Trellis Code Modulation). Применение модуляции с решетчатым или треллис-кодированием позволяет повысить помехозащищенность передачи информации. Суть этого кодирования заключается в введении избыточности и использовании при декодировании алгоритма Витерби [1].