3.3. Аналоговая и цифровая связь
Существует аналоговая и цифровая связь. Аналоговые сигналы распространяются по линиям связи в виде непрерывно меняющихся синусоидальных электромагнитных волн, которые характеризуются частотой, фазой и амплитудой. На рис. 3.3 приведен один период такого синусоидального колебания 1 Гц.
Р
ис.
3.3. Синусоидальная волна с частотой 1Гц
Волна, которая, например, 10 раз в течение одной секунды проходит через максимум (+U вольт) имеет частоту 10 Гц. Полоса, в которой распределяются звуковые сигналы (голос) между абонентами аналоговой связи по телефонной сети общего пользования ТфОП составляет 3100Гц (диапазон 300-3400Гц). Такой канал называется каналом тональной частоты. В случае необходимости высококачественного воспроизведения речи и музыкальных программ (на уровне радиовещательных сигналов) требуется увеличение полосы до 10кГц и выше.
На рис. 3.4 приведена амплитудно-частотная характеристика канала тональной частоты.
Рис. 3.4. Амплитудно-частотная характеристика канала тональной частоты
На рис. 3.5 приведены две синусоидальные волны с разными частотами (рис. 3.5, a) и фазами (рис. 3.5, б).
Рис. 3.5. Синусоидальные волны с разными частотами и фазами
Цифровая связь осуществляет передачу сообщений с помощью битов. Как аналоговым, так и цифровым сигналам присуща нестабильность при передаче. Оба сигнала с увеличением дальности распространения ослабевают, затухают и подвергаются воздействию помех. Однако цифровые сигналы поддаются коррекции и восстановлению лучше, чем аналоговые. Из рисунка 3.6 видно, что когда цифровой сигнал, подвергающийся воздействию помехи, начинает затухать, предназначенное для его усиления устройство на линии связи без искажений восстанавливает сигнал (т.е. единицу или нуль). Помеха отбрасывается, а не регенерируется и не усиливается, как в случае с аналоговым сигналом.
Рис. 3.6. Усиление помехи в аналоговых линиях и устранение ее в цифровых линиях
Помимо чистоты передачи аудиосигналов, цифровая связь обеспечивает пересылку данных с
меньшим числом ошибок. В аналоговых линиях, где происходит усиление и сигнала помехи, принимающие устройства могут интерпретировать этот сигнал как бит информации. В цифровой связи сигнал помехи отбрасывается и поэтому искажения и ошибки при передаче данных наблюдаются реже.
Хотя аналоговая связь, имеет недостатки перед цифровой связью (сложнее оборудование, больше вероятность ошибок, ниже скорости передачи, хуже чистота звуков), много оборудования местных телефонных сетей общего пользования России остается на аналоговых линиях.
3.4. Модем и цифровая абонентская линия adsl
Для передачи двоичной информации (бит) по аналоговым каналам используются модемы, установленные между компьютером и аналоговой линией. Рассмотрим принцип работы модема. Применяемая в них модуляция используется не только для передачи данных по каналам тональной частоты, но и:
в высокоскоростном канале абонентского доступа ADSL и др.;
в мобильных сетях GSM, EDGE, Wi-Fi, WiMAX, UMTS.
В сетях передачи данных по каналам тональной частоты и на участке абонентского доступа в цифровых абонентских xDSL модемы служат для выполнения двух функций:
преобразования цифровых сигналов в аналоговые и обратно (модуляция и демодуляция);
увеличение скорости передачи.
В некоторых из перечисленных сетей связи ограничиваются только первой функцией. Работа модема в канале тональной частоты построена на модуляции (амплитудной, частотной и фазовой) непрерывной синусоидальной несущей частоты от 1000 до 2000Гц.
При амплитудной модуляции используются различные значения амплитуды синусоидальной несущей частоты. В качестве синонима “модуляции” часто используется термин “манипуляция”. При частотной модуляции используется несколько различных частот синусоидальной несущей, а при фазовой модуляции – несколько сдвигов фаз на постоянный угол. Для реализации модемов делается 2400 или 4000 отсчетов в секунду. За каждый отсчет передается один символ, который может выражать один или несколько бит цифрового сигнала. Число отсчетов в секунду измеряется в бодах. Если при амплитудной модуляции символ может принимать одно из двух значений амплитуды синусоидальной несущей, то цифровая скорость составляет 2400 бит/с. Если каждый символ может принимать четыре значения (выраженные двумя битами), то цифровая скорость составляет 4800 бит/с при той же линии 2400 бод. То же самое происходит, если менять не амплитуду, а частоту или фазу.
Битовой скоростью называется объем информации, передаваемой по каналу за секунду. Битовая скорость равна произведению числа символов на число бит на один символ.
Модемы часто используют комбинированный метод модуляции сигналов. Одним из них является комбинация амплитуды и фазовых сдвигов.
На рис. 3.7 изображен комбинированный метод модуляции, использующий 16 комбинаций - 4 комбинации амплитуды и 12 комбинаций фазовых сдвигов.
Такая схема называется квадратурной амплитудной модуляцией или QAM-16 (Quadrature Amplitude Modulation) использующей 4 бита на символ. Такой модем позволяет по линии с пропускной способностью 2400 бод передавать с скоростью 9600 бит/с.
Рис. 3.7. Комбинированный метод модуляции QAM-16
Чем больше точек находится на амплитудно-фазовой диаграмме, тем больше вероятность воздействия помех (шума) при детектировании амплитуды или фазы, т.е. искажения бита. Для уменьшения вероятности такого воздействия были разработаны стандарты, предусматривающие включение в состав каждого отсчета дополнительные биты коррекции. Так, например, стандарт ITU-T V.32 предусматривает 32 точки на диаграмме для передачи 4 бит/символ и 1 контрольный бит (т.е. всего 5 бит на символ).
Согласно теореме Найквиста-Котельникова для канала с диапазоном частот f максимальное число отсчетов в секунду равно 2f. Стандарт V.32 предоставляет пользователю максимальную скорость передачи данных по каналу тональной частоты 64000 бит/с. При этом максимальное число отсчетов в секунду – 8000, а число бит на отсчет равно 8. В США 1 бит является контрольным, что позволяет работать с битовой скоростью 56000 бит/с. Эти скорости предоставляются модемом при передаче от сети абоненту. В обратную сторону скорость 33,6 Кбит/с.
В Европе все 8 бит являются информационными, поэтому, в принципе, максимальная скорость может быть 64 Кбит/с, однако международным соглашением установлено ограничение в 56 Кбит/с.
Телефонные компании разработали так называемые множества широкополосных цифровых абонентских линий, носящие общее название xDSL (Digital Subscriber Line). Одной из них является ADSL (Asymmetric DSL – асимметричная DSL). На существующих местных (т.е. городских и сельских) линиях ADSL предоставляет работу отдельно по телефону и по передаче данных с битовой скоростью, значительно превышающей 56 Кбит/с.
В ADSL на передачу отводится не диапазон в 3100 Гц, выделяемый на АТС фильтром, а весь спектр местной линии, который составляет примерно 1,1 МГц. Весь этот диапазон частот разделен на 256 независимых каналов, одни из которых отводится под телефонную связь, а 5 каналов не используются. Из оставшихся 250 каналов одни занят контролем передачи в сторону провайдера, один – в сторону пользователя, а 248 доступны для передачи данных. Провайдер может самостоятельно определить сколько каналов использовать под исходящий трафик, сколько под входящий.
В каждом канале используется метод квадратурной амплитудной модуляции QAM, количество бит на бод достигает при этом 15 (скорость отсчета 4000 бод), а амплитудно-фазовая диаграмма аналогична представленной на рис. 3.7. Пропускная способность входящего трафика при отведенных для него 224 каналах составляет 13,44 Мбит/с. Помехи в каналах связи не позволяют достигнуть такой скорости, однако 8 Мбит/с на коротких качественных линиях – это реально.
Приведем в качестве примера (для канала с определенным качеством) соответствие между скоростями передачи и расстоянием от абонента до телефонного узла.
5,5 км 1,544 Мбит/с,
4,9 км 2,048 Мбит/с,
3,7 км 6,312 Мбит/с,
2,7 км 8,448 Мбит/с.
С появлением первых ADSL-модемов, провайдеры увидели перспективность данной технологии и начали использовать её для предоставления доступа к сети Интернет. Несмотря на появление более быстрых беспроводных технологий доступа WiFi, WiMAX, LTE (которые подлежат рассмотрению в следующих главах) технология ADSL по-прежнему актуальна для крупных городов, имеющих развитую инфраструктуру проводной связи. В ряде европейских стран ADSL является стандартом де факто при обеспечении населения достаточно быстрым и недорогим интернетом. Так, в Финляндии, где каждому жителю страны законодательством с июня 2010 г. гарантирован доступ в интернет, подключение большинства домов производится именно по технологии ADSL.
Скорость потока данных от пользователя на телефонный узел в диапазоне от 16 до 640 Кбит/с. Возможны и другие виды модуляции. В сетях связи используется также фазовая модуляция - бинарная фазовая модуляция BPSK (Binary Shift Keying), при которой фаза меняется на 180o при изменении бита данных.