ОСТВПД / ОСТ__ИТ_ЗФ_2013 / Практические занятия / Аналоговая модуляция_3зан

Аналоговая модуляция сигнала данных.

Аналоговая модуляция сигнала данных используется при коммутируемом доступе в сеть передачи данных по линиям сети ТФ-ОП и в технологии ADSL (асимметричная цифровая абонентская линия) при использовании дискретной многоканальной модуляции (DMT – Discrete Multi Tone).

Полоса пропускания стандартного телефонного канала находится в диапазоне 300-3400 Гц. Необходимо преобразовать исходный спектр так, чтобы он оказался в полосе частот F_min=300 Гц – F_max=3400 Гц. Кроме того, необходимо сформировать такую систему сигналов, чтобы обеспечить достаточно высокую скорость передачи информации в бит/с и высокую помехоустойчивость. А эти требования всегда являются противоречивыми.

Модем осуществляет модуляцию несущего колебания f(t)=Acos(_t+) передаваемым первичным сигналом данных. Несущий сигнал можно модулировать по амплитуде А, частоте  или фазе  или изменять несколько параметров одновременно. В результате основные компоненты спектра первичного (модулирующего) сигнала перемещаются в область несущей частоты _. Спектр модулированного сигнала является двухполосным, симметричным относительно несущей частоты, и как минимум, в два раза шире спектра исходного модулирующего сигнала.

По критерию Найквиста при передаче модулированных сигналов по каналу в виде полосового фильтра с полосой пропускания

F=F_min - F_max

максимально допустимая скорость модуляции (скорость изменения параметров несущего сигнала) в канале составляетB_max =F

для стандартного канала ТЧ  B_max=3100 Бод.

В современной научно-популярной литературе эту скорость часто именуют символьной, а в программном обеспечении работы модемов, например, Hyper Terminal, она имеет размерность  cps .

При этом необходимо учитывать, что при передаче данных в используемой полосе частот амплитудно-частотная характеристика канала должна быть равномерной, а фазо-частотная характеристика – линейной. (Соответственно, групповое время замедления ГВЗ, которое представляет собой производную от ФЧХ, должно быть постоянным). Каналы ТЧ, изначально предназначенные для передачи речи, а теперь попутно используемые для передачи данных, во многих случаях не удовлетворяют этим требованиям.

Скорость передачи информации определяется числом двоичных символов, передаваемых за секунду (бит/с). Так как скорость модуляции в канале ТЧ ограничена, единичный интервал модулированного сигнала t₀ обычно соответствует не одному, а двум и более битам (импульсам) исходного сигнала данных ₀ (в современных модемах – до 9).

Если на единичном интервале линейного сигнала t₀ кодируется n бит, то скорость передачи информации равна  V=nB бит/с, а число возможных состояний несущего сигнала (число линейных сигналов) равно N=2ⁿ.

Правило отображения двоичной последовательности (первичного сигнала) в последовательность линейных сигналов называется модуляционным кодом.

ОФМ

Информация передается за счет сдвига фазы передаваемого единичного элемента модулированного сигнала относительно фазы предыдущего элемента сигнала. Например, при передаче "1" изменения фазы не происходит, при передаче "0" фаза сигнала изменяется на 180⁰ по отношению к предыдущему сигналу.

Многопозиционные (многократные) виды модуляции

ДОФМ

Двойная относительная фазовая модуляция. При использовании ДОФМ каждые два бита сигнала данных (дибит) кодируются одним линейным сигналом с определенным значением фазы. Например, используется следующий модуляционный код:

Дибит	Фаза
00	0
01	900
10	2700
11	1800

При выборе модуляционного кода необходимо обеспечить минимальное число ошибок при декодировании. Поэтому, пары соседних сигналов, отличающиеся минимальным изменением фазы, должны соответствовать двоичным последовательностям, которые различаются в одном символе.

Диаграмма сигналов на фазовой плоскости имеет вид

Каждый сигнал изображается в виде вектора, исходящего из центра диаграммы и имеющего определенную амплитуду и фазу, или просто в виде точки, являющейся окончанием вектора.

ТОФМ

Тройная относительная фазовая модуляция.

Каждые три бита сигнала данных кодируются одним линейным сигналом с определенным значением фазы. Используется 2³=8 линейных сигналов с различными фазами. Фазовый сдвиг между соседними сигналами при передаче составляет минимум 45⁰. Эта величина является минимально допустимой с точки обеспечения помехоустойчивого приема.

Для построения модуляционного кода с обеспечением минимального числа ошибок в битах при приеме используют код Грея:

Пусть старшие разряды в числах равны нулю. Младший разряд в последовательности чисел в коде Грея принимает значения 0 и 1. Затем следующий по старшинству разряд становится единичным, а младший разряд принимает свои значения уже в обратном порядке (1, 0). Этим и объясняется название кода - "отражённый". Соответственно, про нулевом бите в третьем старшем разряде два младших разряда принимают значения 00, 01, 11, 10. Тогда, при единичном бите в старшем разряде, те же значения в обратном порядке (10, 11, 01, 00). И так далее. Ниже дана таблица, показывающая первые восемь чисел в двоичном коде и в коде Грея.

N	двоичный код	код Грея	N	двоичный код	код Грея
0	000	000	4	100	110
1	001	001	5	101	111
2	010	011	6	110	101
3	011	010	7	111	100

Диаграмма сигналов на фазовой плоскости имеет вид

КАМ

Квадратурная амплитудная модуляция представляет собой амплитудно-фазовую модуляцию. Обеспечивает кодирование каждых 4-х бит сигнала данных одним линейным сигналом с определенным значением фазы и амплитуды. Используются 8 значений фаз и 4 значения амплитуды. Всего необходимо N=2⁴=16 линейных сигналов.

Модуляционное кодирование производится в соответствии с двумя таблицами. Обозначим кодируемый квадбит а₁ а₂ а₃ а₄.

Абсолютная фаза а1 Относительная амплитуда 0, 90, 180, 270 0 3 1 5 45, 135, 225, 315 0 2 1 32 Двоичные символы			Изменение фазы
а2	а3	а4
0	0	1	0
0	0	0	45
0	1	0	90
0	1	1	135
1	1	1	180
1	1	0	225
1	0	0	270
1	0	1	315

Первая таблица соответствует модуляционному коду, используемому при ТОФМ.

Диаграмма сигналов на фазовой плоскости для КАМ-16 (сигнально-точечная диаграмма)

Для всех случаев уметь рисовать временную диаграмму сигнала на выходе модема при заданной двоичной последовательности на входе.

Значение несущей частоты обычно выбирается в средней части канала ТЧ (в области равномерной АЧХ и линейной ФЧХ канала) и равно 1700 – 1800 Гц.

Режимы работы модема

При организации передачи данных по 2-х проводному каналу ТЧ возможна работа в одном из двух режимов:

• Полудуплекс (поочередная передача в двух направлениях).

• Дуплекс (одновременная двухсторонняя передача).

Способы разделения направлений передачи и приема

При дуплексном режиме работы модема по 2-х проводному каналу ТЧ необходимо обеспечить разделение сигналов передачи и приема. Рассмотрим способы такого разделения.

1. Частотное разделение каналов. Полоса пропускания канала ТЧ разделяется на два частотных подканала, по каждому из которых производится передача в одном направлении. Так как необходимо обеспечить полосу расфильтровки и в связи с искажениями частотных характеристик канала, каждый подканал занимает значительно меньше половины полного спектра.

2. Для обеспечения симметричного дуплекса во всех высокоскоростных модемах используется технология эхо-подавления (эхо-компенсации). Эта технология позволяет использовать для дуплексной передачи всю ширину полосы пропускания канала.

УФКС – устройство формирования компенсационного сигнала

При подключении 2-проводной линии через дифсистему и согласовании выходного сопротивления передатчика с комплексным сопротивлением линии, амплитуда сигнала в линии будет равна половине амплитуды передаваемого сигнала S.

Задача демодулятора модема заключается в распознавании входного сигнала R на фоне отраженного от аппаратуры АТС собственного выходного сигнала S₀ , который становится для модема шумом. Его мощность в большинстве случаев превосходит мощность принимаемого полезного сигнала R.

На этапе вхождения в связь модем посылает зондирующий сигнал, который определяет параметры эхо-отражения: время запаздывания и мощность отраженного сигнала. В соответствии с полученными параметрами УФКС формирует собственный отраженный сигнал S₀, а устройство вычитания удаляет его из принятого сигнала. В простейшем случае УФКС – это искусственная линия задержки с затуханием 2а_ал и временем задержки сигнала 2  _{распространения}.

Рекомендации серии V для модемов канала ТЧ

Модем по рекомендации V.32 bis использует амплитудно-фазовую модуляцию. При этом задействуется 128 векторов в сигнальном пространстве, скорость модуляции равна 2400 Бод, кратность модуляции равна 6. Для повышения помехоустойчивости используется решетчатое кодирование (треллис – кодирование, ТСМ). Треллис-кодирование совместно с КАМ позволяют получить так называемую сигнально-кодовую конструкцию СКК с числом сигнальных точек до 128 на одной фазовой плоскости. Кодирование осуществляется по следующему принципу. Шесть информационных бит поступают в кодер и разделяются на две части. Первые 4 бита определяют положение сигнальной точки внутри четверти фазовой плоскости. Последние два бита совместно с последними битами предыдущей шестерки осуществляют в схеме треллис-кодера такую перекодировку, которая приводит к обязательному перемещению вектора сигнала в другую четверть фазовой плоскости по отношению к предыдущему сигналу.

В технологии (G.SHDSL) применен новый тип линейного кодирования, называемый ТС-РАМ. ТС-РАМ расшифровывается как Trellis Coded Pulse Amplitude Modulation (импульсная амплитудно-фазовая модуляция с треллис-кодированием). Суть данного метода кодировки состоит в увеличении числа уровней линейного сигнала с 4 (как в 2B1Q) до 16 и применении специального механизма коррекции ошибок.

Дискретная многоканальная модуляция

Весь спектр рабочих частот ADSL линии разделяется на частотные подканалы шириной 4,3 КГц. Эффективная полоса пропускания каждого подканала составляет 4 КГц, а 0,3 КГц отводится на расфильтровку подканалов. Подканалы нумеруются с 1-го до 255-го.

Для ТФ-ОП отводится первый подканал.

Для передачи трафика от пользователя в сеть (Upstream) – подканалы с 7-го по 29-й.

Для передачи трафика к пользователю из сети (Downstream) – подканалы с 38-го по 255-й (полная схема распределения подканалов, Full) или подканалы с 38-го по 127-й (облегченная схема, Lite).

По теореме Шеннона-Хартли пропускная способность линии связи зависит от диапазона используемых частот BW (Bandwidth) и отношения сигнал/шум SNR (Signal to Noise Ratio):

C=BW*log₂(1+SNR)

В каждом частотном подканале в зависимости от полученного значения SNR выбирается кратность модуляции:

КАМ-16 (число бит/символ равно 4) – SNR=21,8дБ

КАМ-64 (число бит/символ равно 6) – SNR=27,8дБ

…………………………………………………………..

КАМ-16384 (число бит/символ равно 14) – SNR=51,9дБ

В каждом подканале используется скорость модуляции 4000Бод. Общая скорость определяется суммой скоростей по всем подканалам данного направления.