Sistemy_shirokopolosnoy_radiosvyazi_2009

7.7. Проблема синхронизации. Относительная фазовая манипуляция 261

сигнал на выходе устройства формирования опорного напряжения (УФОН) имеет следующий вид: Sоп (t) Sоп sin( опt оп ) . Напряжение на выходе интегратора (ФНЧ) определяется соотношением

Uфнч (t) (S0 Sоп / 2)cos[( 0 оп ) ( 0 оп )] .

После вхождения УФОН в синхронизм по частоте — ( 0 оп ) 0

— выходное напряжение интегратора

Если по каким — либо причинам фаза опорного сигнала оп изменится на , то, как следует из последнего выражения, полярность выходных символов изменится на обратную.

От эффекта обратной работы свободен метод относительной фазовой модуляции (ОФМ), предложенный Н. Т. Петровичем, при которой единичному элементу каждой полярности соответствует передача в канал сигнала, сдвинутого по фазе на определенный угол относительно фазы предыдущего сигнала. Таким образом, фаза текущего сигнала при ОФМ зависит от значения передаваемого символа i (0,1) и от значения фазы предыдущего сигнала, как это показано с помощью данных табл. 7.4, для случая, когда .

Таблица 7.4

Очевидно, что процедура ОФМ эквивалентна преобразованию потока символов { i } в поток символов { i } по правилу логического кодирования с операцией сложения по mod2

Ясно, что правило логического декодирования имеет вид

7.8. Принципы построения модемов для передачи данных по телефонному каналу 263

Семь составных частей СПД между точками А— В информационной сети:

1.Оконечное оборудование данных — ООД или DTE (Data Terminal Equipment) в точке А.

2.Интерфейс стык С2 — RS-232.

3.Интерфейс стык С1 — С1-ТФ.

4.Аппаратура передачи данных — АПД или DCE (Data Communication Equipment) в точке А.

5.Канал передачи данных, например, коммутируемая телефонная сеть общего пользования (КТСОП) или сеть Internet.

6.Аппаратура передачи данных —АПД (или DCE) в точке В.

7.Оконечное оборудование данных — ООД (или DTE) в точке В.

Рис 7.14. Типовая система передачи данных

Входной сигнал модема (модулятора-демодулятора) является, как правило, цифровым и называется модулирующим. Выходной модулированный сигнал — обычно аналоговый. В настоящее время модемы наиболее широко используются для передачи данных между компьютерами через коммутируемую телефонную сеть общего пользования (КТСОП). Важную роль во взаимодействии DTE и DCE играет их интерфейс, который состоит из входящих/исходящих цепей в DTE и DCE, разъемов и соединительных кабелей. В отечественной литературе интерфейсы называют термином «стык».

Цифровой канал связи является битовым трактом с цифровым (импульсным) сигналом на входе и выходе. Ясно, что при использовании прямоугольных импульсов спектр результирующего сигнала получается весьма широким. Цифровые каналы строятся на основе метода временного разделения каналов (ВРК).

В аналоговых каналах связи входной и выходной сигналы являются аналоговыми. Типичным примером аналогового канала является

264 Глава 7 | Сигнально-кодовые конструкции. (Треллис-модуляция)

канал тональной частоты, а также групповые тракты на 12, 60 и более каналов тональной частоты, построенные на основе метода частотного разделения каналов (ЧРК). Применение синусоиды приводит к спектру гораздо меньшей ширины при той же скорости передачи информации, что и в цифровой системе. Однако сложность технической реализации синусоидальной модуляции гораздо выше.

Современный модем представляет собой высокоинтеллектуальное устройство, поддерживающее совместимый набор АТ-команд. АТ (Attention — внимание) — это префикс, который ставится перед одной или несколькими командами. Кроме того, для выполнения своих функций модемы должны взаимодействовать как между собой, так и с различного рода оконечным оборудованием. Средствами такого взаимодействия являются различного рода протоколы:

•Протоколы взаимодействия (какими сигналами должны обмениваться два модема по КТСОП при начальной организации сеанса передачи данных, автоматический набор номера удаленного модема, запрос и автоматический ответ, автоматический выбор скорости передачи данных).

•Протоколы модуляции (выбор параметров сигнально-кодовых конструкций для передачи данных).

Протоколы исправления ошибок (обнаружение ошибок — по-

символьный контроль четности, поблочный контроль четности, расчет контрольной суммы, контроль избыточным циклическим кодом (CRC [85,87]); исправление ошибок — сверточные коды).

Протоколы сжатия данных (кодирование повторов, алгоритм Хаффмена, алгоритм LZW — Лемпеля-Зива-Уэлча (до 4:1), арифметические методы, методы сжатия видеопродукции и мультимедиа с потерями, например MPEG 2 и др., обеспечивающие коэффициент сжатия до 20:1 и более).

Протоколы шифрования (защита данных от несанкционированного доступа).

Наличие пакета телекоммуникационного программного обеспечения.

Характеристики телефонного канала и сигналы КАМ. Путем экспериментальных исследований установлено, что для получения хорошей разборчивости и узнаваемости речи достаточно полосы пропускания 0,3—3,4 кГц. Каналы с указанными параметрами стандартизированы и получили название каналов тональной частоты (ТЧ). Ясно, что когда возникла потребность передавать дискретную (цифровую)

7.8. Принципы построения модемов для передачи данных по телефонному каналу 265

информацию, то оказалось, что каналы ТЧ не очень — то приспособлены для этих целей. В связи с этим возникла задача построения модемов, осуществляющих преобразование дискретной информации к виду, удобному для передачи по телефонному каналу.

Квадратурная амплитудная модуляция (КАМ) является одним из наиболее эффективных методов модуляции, применяемых в современных телефонных модемах [70]. Частота несущей выбирается в центре полосы частот телефонного канала и для рекомендации V.32, V.32bis равна 1,8 кГц — рис. 7.15.

Рис. 7.15. Спектр КАМ-сигнала модема по рекомендации V. 32bis в полосе телефонного канала тональной частоты

Одновременно модулируются два гармонических колебания, которые имеют одну и ту же частоту, но сдвинуты по фазе на 90 . Разбивая ЦПД на пакеты размера k , сформируем с помощью модулятора сигналы КАМ- m , где параметр m 2k . Модем по рекомендации V. 32bis может в зависимости от качества (степени зашумленности) канала связи соединяться с удаленным модемом на одной из скоростей: 2400 бит/с, 4800 бит/с, 9600 бит/с, 12000 бит/с, 14400 бит/с. Изменение скорости происходит путем изменения кратности модуляции m 2k . Если модем при установлении соединения определяет, что шум в канале невелик, это значит, что он может использовать для передачи сигнальное созвездие большой кратности, например КАМ-64, т. е. на один такт приходится 6 бит. Если уровень шума высок, то модем снижает скорость путем уменьшения кратности сигнального созвездия.

Разделение сигналов встречных направлений. Современные модемы [70] обеспечивают дуплексный режим работы, т. е. возможность передавать информацию на удаленный компьютер и одновременно (а не поочередно) получать от него информацию. Классические методы разделения каналов (ЧРК, ВРК, КРК), как показала практика, недостаточно эффективны. Наибольшее распространение при построении

266 Глава 7 | Сигнально-кодовые конструкции. (Треллис-модуляция)

современных модемов нашел метод эхокомпенсационного разделения сигналов встречных направлений — рис. 7.16.

На рис. 7.16 показаны передатчик с двухпроводным выходом и приемник с двухпроводным входом. Эти две двухпроводные пары соединяются с так называемой дифференциальной системой (ДС), которая представляет собой устройство с четырьмя парами входов. К двум из них подключаются передатчик и приемник, а к двум остальным — двухпроводное окончание канала связи и балансное сопротивление (БС). Дифсистема позволяет сигналу проходить исключительно из канала в приемник, а от передатчика — в канал. Для того чтобы дифсистема качественно выполняла свои функции, необходимо, чтобы балансное сопротивление в точности равнялось сопротивлению линии связи. Достичь этого согласования для каждого канала связи практически затруднительно, поэтому с выхода передатчика на вход приемника просачивается сигнал ближнего эха. Для компенсации эхосигнала служит устройство, называемое эхокомпенсатором. Эхокомпенсатор представляет собой адаптивный трансверсальный фильтр — устройство, позволяющее имитировать характеристики пути прохождения ближнего и дальнего эхосигналов.

Рис. 7.16. Применение метода эхокомпенсации для разделения КАМ-сигналов встречных направлений

На первоначальном этапе модемы обмениваются тональными сигналами, основное назначение этой процедуры состоит в измерении смещения частоты. В процессе обмена тональными сигналами производится также синхронизация модемов. Затем поочередно передается широкополосный сигнал настройки корректора для выравнивания частотных характеристик канала связи. Таким образом, в фазе установления

7.8. Принципы построения модемов для передачи данных по телефонному каналу 267

соединения происходит настройка как корректора, так и эхокомпенсатора. В процессе работы компенсация линейных искажений сигнала осуществляется с помощью адаптивного корректора (эквалайзера).

Устройство современного модема. Заметим, что все рассмотренные ранее операции по формированию сигнально-кодовых конструкций не подразумевают в современном модеме физических устройств, а реализуются программно на цифровом сигнальном процессоре. Один из вариантов исполнения модема представлен на рис. 7.17. Порты согласуют электрические параметры соответственно с оконечным оборудованием данных и каналом связи. Память ПЗУ хранит микропрограмму управления работой модема. В ППЗУ хранятся установки модема на время его выключения. Память ОЗУ интенсивно используется для временного хранения данных и выполнения промежуточных вычислений как универсальным, так и цифровым сигнальным процессорами.

Рис. 7.17. Типовое устройство современного модема

Универсальный процессор выполняет функции управления взаимодействием с DTE и схемами индикации состояния модема. Именно PU выполняет посылаемые DTE АТ-команды и управляет режимами работы остальных составных частей модема. Кроме того, PU может реализовывать алгоритмы сжатия передаваемых данных.

Цифровой сигнальный процессор выполняет задачи по реализации основных функций протоколов модуляции: кодирование сверточным кодом (как правило, кодируются старшие разряды информационных

268 Глава 7 | Сигнально-кодовые конструкции. (Треллис-модуляция)

пакетов), относительное кодирование, скремблирование на основе М-последовательностей и т. д.

Операции модуляции/демодуляции КАМ-сигналов обычно выполняются специализированным модемным процессором.

Рекомендации V. 34 предусматривают гораздо более высокий уровень адаптации модемов к характеристикам телефонного канала, при этом для повышения скорости передачи информации широко используют: расширение полосы частот при связи на малых расстояниях, в рамках одной АТС; более эффективные алгоритмы решетчатого кодирования; методы компандирования; линейное предсказание; методы компенсации нелинейных искажений.

В последнее время усиленно разрабатываются цифровые модемы со скоростью передачи до 56 кбит/с. Дело в том, что для аналоговых телефонных каналов, в которых действует высокоэнтропийный аддитивный белый гауссовый шум (АБГШ), существует теоретический предел Шеннона скорости передачи, равный 35 кбит/с. Новые цифровые модемы учитывают, что основным источником шума цифрового каналообразующего оборудования является шум квантования, статистика которого отличается от гауссового закона, и, следовательно, шум квантования имеет меньшую энтропию (меньшую разрушающую силу). Идея, лежащая в основе модемов на 56 кбит/с, весьма плодотворна, и несмотря на ряд ограничений, такие модемы получают в настоящее время широкое распространение.

Из рассмотренных примеров построения модемов следует, что фундаментальной основой построения современных модемов является синтез оптимальных сигнально-кодовых конструкций — СКК, именно свойства ССК главным образом обеспечивают повышение энергетической -эффективности и частотной -эффективности, важнейших показателей качества работы модемов.

7.9.Методы борьбы с замираниями сигналов

в многолучевых каналах

Типовые модели каналов связи. При анализе характеристик систем радиосвязи отправной точкой является выбор адекватной модели канала связи. Наиболее распространенными моделями каналов связи [5] являются модель гауссового канала с АБГШ и модель релеевского канала с многолучевым распространением сигнала — рис. 7.18.