Как же увеличить скорость модемов выше 33.6 Кбит?

В коммутируемом соединении, даже в цифровой сети, имеющей аналоговые абонентские окончания, это сделать практически нельзя. Напомним, что скорость 33.6К была стандартизована ITU-T для работы по почти идеальным коммутируемым каналам систем ИКМ с аналоговыми абонентскими окончаниями. Эта скорость достижима, если все помехи, кроме шума квантования, исчезающе малы. Остался один выход - попытаться убрать шум квантования ! Сделать это с двух сторон канала - эквивалентно переходу к полностью цифровым соединениям, т.е. к ISDN со всеми экономическими последствиями, которые мы уже обсуждали. А с одной стороны, со стороны тех самых могущественных провайдеров или коммуникационных серверов? Оказывается можно и технически,и организационно, и экономически.

Чтобы разобраться в том, как это можно сделать, необходимо немного ознакомиться с устройством современных модемов. Не стоит пугаться. Мы не будем изучать принцип работы модемов - изделий в научном плане необычайно сложных. Рассмотрим лишь каким техническим путём достигается решение столь сложных задач.

Вспомним, что модем излучает при передаче в канал связи сложные аналоговые сигналы и принимает от противоположного модема из канала, естественно, такого же вида аналоговые сигналы, но существенно искаженные каналом связи. В то же время те, кому приходилось рассматривать внутренне устройство современного модема (или знакомиться со схемотехникой модемов), знают, что эта схемотехника достаточно проста (рис1) и состоит в основном из пяти частей: узла сопряжения модема с линией связи, двух цифровых вычислителей (однокристального скоростного цифрового сигнального процессора - DSP и однокристальной микроЭВМ - контроллера протоколов V.42/MNP, факс протоколов и управления), узла сопряжения этих вычислителей с линейным узлом и, наконец, узла сопряжения модема с компьютером.

От аналога к цифре и наоборот

Проследим цепочку преобразований цифра-аналог, аналог-цифра линейных сигналов, между двумя взаимодействующими модемами:

• модулированный сигнал передатчика модема в оцифрованном виде с помощью своего ЦАП и сглаживающего фильтра превращается в аналоговый сигнал передачи;

• этот аналоговый сигнал по абонентской паре попадает на местную АТС, с помощью АЦП местной АТС, если она цифровая, или АЦП канала связи, если она не цифровая, снова превращается в цифровой сигнал и передаётся в последовательном коде в составе цифровых сигналов других каналов ИКМ системы (групповой поток) на противоположную АТС;

• на противоположном конце канала при демультиплексировании группового потока ИКМ системы выделяется из этого потока интересующий нас канал с цифровым сигналом противоположного модема ; с помощью ЦАП и сглаживающего фильтра этого канала цифровой сигнал (уже теперь принимаемый) вновь приобретает аналоговую форму;

• этот аналоговый сигнал по абонентской паре попадает на вход принимающего модема, где с помощью местного АЦП вновь преобразуется в цифровой вид.

В обратном направлении связи имеет место точно такой же симметричный алгоритм преобразований.

Рис 2. Взаимодействие двух "обычных" модемов 33.6 кбит/сек через канал ИКМ

С первого взгляда кажется явно избыточным такое количество преобразований. Однако это не так: в модемах применяют цифровую обработку сигналов исключительно с целью реализации сложнейших процессов, свойственных современным видам модуляции, и группа ЦАП-АЦП с соответствующими фильтрами в модемах обеспечивают согласование с обычным аналоговым каналом связи.

В каналах связи ИКМ систем уплотнения абонентская группа АЦП-ЦАП со своими фильтрами (абонентский кодек) также обеспечивает согласование с аналоговыми абонентскими окончаниями, превращая индивидуальные цифровые каналы этой системы уплотнения в привычные аналоговые телефонные каналы. Можно ли придумать такой вид модема, у которого отсутствовали бы аналоговые узлы, АЦП и ЦАП, однако он способен был бы принимать сигналы от обычного модема, находящегося на аналоговом окончании цифрового коммутируемого канала связи?

Рис 3. Взаимодействие "обычного" модема c цифровым модемом. Вариант с 56 кбит/сек.

Оказывается да! Для этой цели необходимо обеспечить с помощью какого-то специального дополнительного устройства, очевидно демультиплексора группового ИКМ потока, попадание на вход приёмника нашего "урезанного" модема из этого группового потока только канала с интересующим нас оцифрованными сигналами противоположного модема. Нашему новому модему, который назовём цифровым, не надо на входе осуществлять преобразование принимаемого модулированного аналогового сигнала с помощью АЦП в цифровой вид, т.к. к нему уже поступает с противоположного конца канала именно такой вид оцифрованных сигналов.

В обратном направлении модулированный сигнал передачи нашего цифрового модема нового типа в виде оцифрованных отсчетов некоторого модуляционного процесса необходимо объединить с цифровыми потоками сигналов передачи других источников (например, таких же "урезанных" модемов) в групповой цифровой поток ИКМ системы уплотнения и направить его по линии связи на противоположную АТС.

Может ли обычный модем, находящийся на другом, аналоговом окончании коммутируемого соединения, принимать модулированные сигналы от цифрового модема, взаимодействующего напрямую с цифровым каналом?

• Конечно да! Потому что ЦАП совместно с сглаживающим фильтром противоположного конца ИКМ системы уплотнения (или ЦАП кодека абонентского комплекта противоположной АТС, если она цифровая) преобразует цифровой модулированный сигнал передачи нашего "урезанного" модема в аналоговый вид.

Важнейшим нюансом этой идеи является прямое взаимодействие цифрового модема с цифровым окончанием конкретного канала ИКМ системы связи (минуя индивидуальный абонентский кодек - ЦАП/ЦАП). В тоже время известно, что в обычных цифровых АТС такое индивидуальное цифровое взаимодействие с каким либо абонентом не предусмотрено. Как преодолевают эту преграду мы обсудим позднее. Пока же будем считать, что такое взаимодействие работает.

Обратим внимание на то, что в этом обратном направлении связи в канале нет ни одного АЦП и, следовательно, ничто не порождает шум квантования! А если это так, то есть реальная возможность увеличить скорость передачи в этом направлении, строго следуя принципам теоремы К.Шеннона.

В этом то и заключена вся идея 56К технологий. Более того, цифровой модем-это по сути обычный модем, у которого функции узла ЦАП/АЦП с соответствующими фильтрами выполняет кодек противоположного конца цифрового канала связи. Единственный нюанс - разрядность этих преобразований не может превышать 8.

Для сигналов передачи одному цифровому модему предоставляется, таким образом, один из цифровых каналов ВРК с пропускной способностью 64 Кбит/сек. Следует особо подчеркнуть, что речь идёт не о потоке данных с этой скоростью, а лишь о потоке в 8000 в секунду цифровых 8-битных кодов отсчётов мгновенных значений сигналов передачи этого модема. Можно вложить в этот поток цифровые коды отсчётов мгновенных значений сигналов передачи любых общепринятых методов модуляции,например, в соответствии со стандартом V.34/V.34+ITU-T.

Собственно так и было сделано в известной аппаратуре Total Control, уже 4 года выпускаемой популярнейшей американской компанией U.S.Robotics (теперь 3Сом), которая первая придумала "урезанные" цифровые модемы, состоящие из двух самостоятельных конструктивных частей: цифровой (процессоры и узел сопряжения с компьютером) и аналоговой (АЦП/ЦАП, фильтры и узел сопряжения с аналоговым каналом). Такая конструкция позволяет использовать эти модемы как в роли обычных аналоговых модемов, так и в роли цифровых. В последнем случае в Total Control предусмотрено взаимодействие со своей районной цифровой АТС с использованием всего группового (2048Кбит/сек) потока ИКМ системы уплотнения. Задачи демультиплексирования принимаемого потока на отдельные 64К каналы и мультиплексирование отдельных каналов 64К в групповой поток для обратного направления связи в этом случае берёт на себя Total Control. В этом случае эта аппаратура выступает как бы в роли учережденческой или офисной станции для своей районной АТС, взаимодействующей с этой АТС по единственной групповой 2048К соединительной линии.

Заметим, что речь идет не о том групповом потоке, по одному из каналов которого работает с нашим цифровым модемом обычный аналоговый модем, а о новом потоке, сформированным( после процессов коммутации) этой самой цифровой АТС из индивидуальных цифровых каналов различных систем ИКМ уплотнения, по которым к цифровым модемам Total Control выходят различные абоненты телефонной сети общего пользования через свои районные АТС. К счастью, обычная цифровая АТС обладают возможностью создания такого нового группового потока, например, для взаимодействия с учережденческими АТС и подстанциями (рис4)

Рис. 4

Собственно в этом и заключалась новизна идеи, реализованная в то время в Total Control: избавиться от большого числа вечно дефицитных абонентских кабельных пар, заменив 30 таких пар (для Европы) одной соединительной линией со своей АТС.

Казалось бы, что если это так, то обсуждать нечего - всё давно придумано и реализовано ! На самом то деле в Total Control были использованы "обычные" модемы популярной серии COURIER, выполненные аппаратно в виде упомянутых выше двух частей, но, работающие в соответствии со стандартами ITU-T и максимальной линейной скоростью 33600 бит/сек. Только во второй половине 1996 года специалисты U.S.Robotics, похоже неожиданно для себя, обнаружили очень высокое качество связи в направлении передачи от модемов Total Control к модемам клиентов и была понята причин этого - наличие запаса помехоустойчивости за счет отсутствия шумов квантования в этом направлении связи. Вывод был очевиден : необходимо найти такой вид модуляции, который позволил бы повысить скорость передачи, используя образовавшийся запас.

Итак, цифровой передатчик "урезанного" модема может посылать в секунду 8000 двоичных 8-ми битных кодов (отсчетов) по одному цифровому 64-х Кбит каналу. Очевидно, что один из разрядов 8-ми битного кода отсчета несёт информацию о знаке (фазе) будущего импульса-отсчёта, который сформирует ЦАП противоположного конца этого канала (или АТС, если она цифровая), а с помощью 7-ми остальных разрядов может быть закодирован любой из допустимых 128 уровней этого импульса (амплитуда). Таким образом, на выходе ЦАП может иметь, например, место 8-ми кратная амплитудно-фазовая импульсная модуляция - 8АФИМ : знак кода - это положительный или отрицательный сигнал (фазовая манипуляция), а остальные 7разрядов задают уровень этого сигнала (амплитудная модуляция). Низкочастотный фильтр ЦАП с полосой пропускания от 0 примерно до 4 КГц обеспечит формирования аналогового сигнала с 128 уровневой амплитудно-фазовой модуляцией (8АФМ).

Говоря профессиональным языком, скорость модуляции в этом случае равен 8000 Бод/сек, а скорость передачи данных 8000х8=64000 бит/сек, т.е пропускной способности одиночного цифрового канала. Уместен вопрос: а при чём тут формула Шеннона и почему создатели новой скоростной технологии ограничивают скорость значением 56000 бит/сек?.

При существующем методе реализации цифровых каналов в системах с ВРК максимальная линейная скорость передачи цифрового потока в одиночном канале не может превышать 64 Кбит/сек даже при полном отсутствии шума в канале просто потому, что номинал скорости равен этой величине.

Так почему же все-таки не более 56000? Причин тут несколько!

• Дело в том, что в эксплуатации находятся ИКМ системы, разработанные и внедренные на всем временном интервале их существования, начиная с середины 60 годов. В те годы, да и позднее, реализация дешевых 8-ми разрядных версий ЦАП/АЦП встречала определенные технологические трудности. Известно, что для получения уверенного, например, 8-ми разрядного преобразования цифра-пропорциональный импульс (ЦАП) необходим более разрядный (например 9-10) преобразователь, чтобы не ощущалась так называемая инструментальная погрешность преобразователя. В США, например, младший 8-й разряд вообще не участвовал в ЦАП преобразованиях. Его использовали в служебных целях для так называемой поканальной сигнализации.

• Неравной помехоустойчивостью к воздействию шума обладают различных по уровню сигналы, формируемых ЦАП и выходным фильтром каждого цифрового канала системы с ВРК, за счёт процесса экспандирования этих сигналов в кодеке канала (мы ранее кратко обсуждали необходимость экспандирования на выходе ЦАП как компенсатора m - или А законов компрессии входе канала). Экспандер как обязательный элемент в структуре стандартного кодека окончания цифрового канала связи естественно не может быть изъят из его состава или обойден. Эту проблему неравной помехоустойчивости (нелинейно уменьшающейся с уменьшением величины амплитуды принимаемого сигнала ) при "привычных" методах модуляции (например, V.34) преодолевают, в передатчике цифрового модема Total Control путём внесения в исходные коды оцифровки сигналов передачи некоторых множителей, приводящих к нелинейным предискажениям, эквивалентным процедуре и законам компрессии. В 56К технологиях нет динамического запаса по разрядности кода и вопрос предискажений в передатчике весьма проблематичен. Единственный путь - изъять младший 8-й разряд из процесса формирования сигналов ЦАП абонентского кодека, чтобы в вариантах рабочих сигналов не присутствовал очень маленький уровень, соизмеримый с уровнем шумов.

• Строгие требования, предъявляемые к симметрии абонентской линии с целью минимизации влияния соседних пар, привели к наличию на входе модемов симметрирующих трансформаторов, которые, естественно, не пропускают очень низкочастотных спектральных компонент и постоянного тока. Что в свою очередь требует применения специального вида сигналов передачи от цифрового модема, не содержащего этих компонент.Обычно - это сигналы, где "нуль" является одним из рабочих уровней. Естественно, необходима определенная дистанция между этим "нулевым" рабочим уровнем и ближайшим следующим рабочим уровнем. Семиразрядное кодирование и в этом случае помогает.

Именно поэтому разработчики протокола К56flex решили использовать максимум 128 уровней квантования. Таким образом, даже в самом благоприятном случае за шаг (одним символом) могут передаваться только 7 бит (табл. 2); соответственно, максимально возможная скорость составила 56 кбит/с. В процессе установления связи узловой и абонентский модем "договариваются" между собой о количестве распознаваемых уровней напряжения при текущем состоянии абонентской линии. Скорость соединения по протоколу K56flex устанавливается от 32 до 56 кбит/с с шагом по 2 кбит/с.

Таблица 2. Напряжение определяет скорость.

Число уровней напряжения	Число бит на символ	Скорость в линии, кбит/с
2	1	8
4	2	16
8	3	24
16	4	32
32	5	40
64	6	48
128	7	56
256	8	64