2.2 Лінійні сигнали цал

ІКМ не може бути застосовані в швидкісних модемах із-за широкого спектру лінійного сигналу і, в наслідок цього, малої довжини ділянки регенерації. Основна ідея при звуженні лінійного спектру – використання гармонічних сигналів для передачі цифрових даних. Для цього застосовують квадратурно-амплітудну модуляцію QAM, Quadrature Amplitude Modulation), що по суті є амплітудно-фазовою модуляцією (АФМ). За цим алгоритмом модуляції передаваний сигнал кодується одночасною зміною амплітуди синфазної Icosω_нt та квадратурної Qsinω_нt компонент несучого гармонічного сигналу частоти ω_н, які мають між собою зсув за фазою на /2. Результуючий лінійний сигнал формується шляхом складання цих коливань.

Для опису і аналізу лінійних сигналів QAM значне поширення одержало їхнє геометричне подання (рис. 2.3. а, b) – так зване сигнальне сузір’я. Ортогональні несучі сигнали cosω_нt і sinω_нt розглядаються як ортогональні осі координат, а передані на тактовому інтервалі сигнали a_p і b_p визначають координати сигнальних точок на двомірній площині в цій системі координат. Число біт інформації, передане за один такт, є цілочисельним з набору n = 1, 2, 3, …, n_max (як правило, n_max не перевищує 15), і відповідне число сигнальних точок у двомірній системі координат визначається числом M = 2ⁿ. Сукупність сигнальних точок на площині являє собою сигнальне сузір'я. Сигнальне сузір'я для n = 4 (M = 2⁴ = 16), що містить 16 сигнальних точок (QAM-16), наведено на рис. 2.3. а. На рис. 2.3 б наведене сигнальне сузір'я, що містить 32 точки (QAM-32). Для завдання координат точок цього сузір'я п'ять бітів передаваної інформації перекодуються в координати сигнальних точок a_p і b_p. Нескладно побудувати на базі описаних прикладів сузір'я QAM-64, QAM-128 та інші. Отже для формату QAM-4 передається 2 біти на символ, QAM-8 – 3 біти; QAM-16 – 4 біти; QAM-32 – 5 біт; QAM-64 – 6 біт; QAM-128 – 7 біт і. т. д.

У 1987 р. професор Стенфордського університету Джон М. Сиоффі (John M. Cioffi) запропонував новий вигляд лінійного кодування-модуляції – дискретну багатотонову модуляцію (DMT – Discret MultiTone), що є методом передачі даних за допомогою багатьох гармонічних піднесучих (принцип ЧРК). Ідея DMT виявилася вдалою і стала міжнародним стандартом. У чому її суть?

В есь частотний діапазон розбивається на підканали (звичайно 256 в ADSL) з шириною смуги 4,3125 кГц кожен, рис. 2.4. У кожному з підканалів здійснюється QAM-модуляція піднесучої (її значення дорівнює центральній частоті підканалу) із спектральною ефективністю до 15 біт/символ/Гц. Це можна трактувати як одночасну роботу 256 аналогових модемів з максимальною швидкістю 4000 Гц х 15 біт/символ/Гц = 60 кбіт/с кожен. Отже, теоретично можлива швидкість передачі при використанні DMT – близько 15 Мбіт/с. В реальній ситуації використовується тільки частина піднесучих і швидкість даних в кожному підканалі може знижуватися до 4 біт/символ/Гц і нижче (наприклад, за наявності завад або при значній довжині абонентської лінії).

Ідея DMT виявилася досить вдалою і стала стандартом для асиметричних DSL. Перш за все, вона допускає дуже гнучке динамічне частотне планування, дозволяючи (автоматично) уникати ділянки спектру де є зосереджена за спектром завада, область телефонії і т. п. DMT є “високоінтелектуальною” технологією. Модем автоматично визначає рівень шуму в кожному з підканалів та задає оптимальну кількість бітів на символ для кожної з піднесучих, рис. 2.5.

а) б)

Рисунок 2.5 – Залежність швидкості передавання підканалами у СП з вузькосмуговими сигналами а) від АЧХ H(iω) каналу зв’язку і потужності зосередженої завади б)

Окрім цього імпульсні перешкоди (широкосмугові) менш небезпечні для сигналу DMT, ніж для інших типів лінійних сигналів. Істотно, що DMT дозволяє гнучко змінювати (з кроком 32 кбіт/с) швидкість передачі, підстроюючись під конкретну лінію з індивідуальною завадами. Так само гнучко міняється співвідношення швидкостей висхідного/низхідного потоків.

Певну складність при установці ADSL-модему створював сплітер – пристрій, що складається з пари фільтрів нижніх (ФНЧ) та верхніх частот (ФВЧ) для спектрального розділення сигналів телефонії і потоку даних від ADSL-модему (варіант а на рис. 2.6). А без нього працювати по одній лінії спільно з телефоном модему складно. Телефони у момент набору, зняття/опускання трубки, виклику (дзвінка) створюють імпульсні перешкоди в спектральній області ADSL (25...40 кГц). До того ж телефонна проводка фактично є приймальною антеною для радіостанцій, особливо якщо лінія немає навантаження (у телефонну розетку без фільтру не підключений телефонний апарат). Крім того, телефонна апаратура змінює параметри передачі лінії (робоче загасання, хвилевий опір) як в процесі роботи, так і при підключенні/відключенні додаткового телефону. Ось навіщо потрібен пристрій для відділення НЧ спектру телефонного сигналу (до 4 кГц) від ВЧ спектру лінійного сигналу модему. Дослідження показали, що в певних випадках є можливість позбавитися сплітера на боці абонента (варіант б на рис. 2.6).

В результаті народився стандарт G.Lite (полегшена ADSL, без сплітера) з швидкостями низхідного потоку до 1,5 Мбіт/с і висхідного – до 512 Кбіт/с (рек. ITU G.992.2, 1999 р.). Вартість модему страндарту G.Lite сьогодні наближається до ціни аналоговим модемів (близько 30 дол). Проте досвід їх експлуатації виявив ряд проблем. Все ж таки, іноді позначається відсутність сплітера. До того ж, при зміні параметрів лінії модему потрібен час на адаптацію, а у ряді випадків, наприклад, при передачі голосу (Voice Over ADSL), це неприпустимо. Але знов знайшлося достатньо просте рішення – використовувати НЧ мікрофільтр в кожному телефонному апараті, наприклад ФНЧ типу Чебишева другого порядку (варіант в на рис. 2.6). Вартість таких фільтрів – близько 2 дол., установка не викликає яких-небудь проблем, а ефект відчутний.