Конспект лекций

Передаваемые DTE данные поступают в передатчик модема, который выполняет операции скремблирования, относительного кодирования, синхронизации и иногда вносит предыскажения, частично компенсирующие нелинейность амплитудой и фазочастотной характеристик (АЧХ и ФЧХ) используемого телефонного канала. Схема передатчика приведена на рисунке.

Схема синхронизации передатчика получает сигнал опорной частоты от внутреннего генератора или получать его от DTE. В последнем случае модем обязан поддерживать синхронный режим работы не только по каналу с удаленным модемом, но и по интерфейсу DTE-DCE. Скремблер предназначен для придания свойств случайности (рандомизации) передаваемой последовательности данных с целью облегчения выделения тактовой частоты приемником удаленного модема. При использовании сигналов ФМ и производных от них, применение относительного кодирования позволяет решить проблему неоднозначности фазы, восстановленной на приеме несущей.

Приемник типового синхронного модема в свою очередь содержит адаптивный эквалайзер со схемой управления, модулятор с задающим генератором, демодулятор, относительный декодер, дескремблер и схему синхронизации.

Модулятор приемника совместно с задающим генератором позволяют перенести спектр принимаемого сигнала (300—3400 Гц) в область более высоких частот. Это делается для облегчения операций фильтрации и демодуляции. Относительный декодер и дескремблер выполняют операции, обратные выполняемым в передатчике. Схема синхронизации выделяет тактовую частоту из принимаемого сигнала и подает его на другие узлы приемника.

Адаптивный эквалайзер приемника, как и эквалайзер передатчика, позволяет компенсировать нелинейные искажения, вносимые каналом передачи. Адаптивность эквалайзера заключается в его способности подстраиваться под изменяющиеся параметры канала в течение сеанса связи.

Скремблирование

Двоичный сигнал на входе модема может иметь произвольную статистическую структуру, которая не всегда удовлетворяет требованиям, предъявляемым синхронным способом передачи. Среди этих требований основными являются следующие.

Частота смены символов (1, 0) должна обеспечивать надежное выделение тактовой частоты непосредственно из принимаемого сигнала.

Спектральная плотность мощности передаваемого сигнала должна быть, по возможности, постоянной и сосредоточенной в заданной области частот с целью снижения взаимного влияния каналов.

Приведенные требования должны выполняться независимо от структуры передаваемого сообщения. Поэтому в синхронных модемах исходная последовательность двоичных посылок часто подвергается определенной обработке. Смысл такой обработки состоит в получении последовательности, в которой статистика появления нулей и единиц приближается к случайной, что позволяет удовлетворить двум названным выше требованиям.

Одним из способов такой обработки является скремблирование (scramble

— перемешивание). Скремблирование — это обратимое преобразование структуры цифрового потока без изменения скорости передачи с целью получения свойств случайной последовательности. Скремблирование производится на передающей стороне с помощью скремблера, реализующего логическую операцию суммирования по модулю два исходного и псевдослучайного двоичных сигналов. На приемной стороне осуществляется

последовательности исходную информационную последовательность.

Основной частью скремблера является генератор псевдослучайной последовательности (ПСП) в виде регистра с обратными связями, формирующий последовательность максимальной длины 2n-1. Различают два основных типа скремблеров-дескремблеров - самосинхронизирующиеся и

с начальной установкой (аддитивные).

Одним из недостатков самосинхронизирующих скремблеровдескремблеров является присущее им свойство размножения ошибок. Так, для схемы на при одной ошибке в последовательности bnmошибочными оказываются также 6-й и 7-й символы.

Недостатки, присущие самосинхронизирующим скремблерудескремблеру, практически отсутствуют при аддитивном скремблировании

Однако в этом случае требуется предварительная идентичная установка состояний регистров скремблера и дескремблера. В скремблере с начальной установкой, как и в самосинхронизирующем скремблере, производится суммирование входного сигнала и ПСП, но результирующий сигнал не поступает на вход регистра. В дескремблере скремблированная последовательность также не проходит через регистр сдвига, поэтому размножения ошибок не происходит. Суммируемые в скремблере последовательности независимы, поэтому критических ситуаций не наступает. Отсутствие эффекта размножения ошибок и необходимость специальной защиты от нежелательных ситуаций делают способ аддитивного скремблирования предпочтительнее и экономически эффективнее, если не учитывать затрат на решение задачи взаимной синхронизации пары скремблер-дескремблер.

Эхо-подавление

Организация дуплексной высокоскоростной передачи является не простой задачей при использовании коммутируемых каналов с двухпроводным окончанием. В отличие от выделенных четырехпроводных каналов, характерной особенностью телефонного канала КТСОП является наличие участков перехода двухпроводной части канала в четырехпроводную. Переход осуществляется при помощи дифференциальных систем (ДC), обеспечивающих необходимое затухание по встречным направлениям передачи. Если эти затухания очень велики, то схему связи можно практически считать четырехпроводной, представляещей собой электрически разомкнутую систему. Однако идеальных дифференциальных систем не существует. В результате, как и во всякой электрически замкнутой системе, в двухпроводном телефонном канале присутствуют токи обратной связи, вызывающие искажения амплитудночастотных и фазочастотных характеристик прямого и обратного каналов. Собственный отраженный и задержанный сигнал поступает на вход демодулятора, являясь для него помехой. Чем большей задержкой обладает эхо-сигнал, тем труднее с ним бороться.

Для борьбы с электрическим эхом возможно использование следующих методов:

частотное разделение каналов;

применение самобалансирующихся дифференциальных систем;

компенсация зхо-сигнала.

При использовании первого метода вся полоса пропускания канала разделяется на два частотных подканала, по каждому из которых передается сигнал в одном направлении. Очевидно, в этом случае нет возможности использовать полосу канала в полном объеме. Более того, для исключения проникновения боковых гармоник между подканалами приходится вводить защитный частотный интервал. В результате этого подканалы займут меньше половины полной полосы пропускания канала. Существующие протоколы модуляции с частотным разделением каналов, например V.21 и V.22,

обеспечивают симметричнуюдуплексную связь со скоростью не выше 2400 бит/с. Ряд протоколов с частотным разделением, например HST, обеспечивает и более скоростную связь, но в одном направлении. В то время как скорость передачи по обратному каналу значительно меньше. Такая разновидность дуплексной связи называется асимметричной.

Применение автоматически настраиваемых дифференциальных систем экономически невыгодно из-за высокой сложности их технической реализации.

Технология эхо-компенсации позволяет отвести для дуплексной передачи всю ширину полосы пропускания телефонного канала, однако требует немалых вычислительных ресурсов для обработки сигнала.

Протоколы

Протокол — это набор формализованных правил, процедур и спецификаций, определяющих формат и способ передачи данных.

Протоколы, предназначенные для работы модемов по телефонным каналам, представлены в рекомендациях ITU-T и обозначаются V.xx.

С функциональной точки зрения модемные протоколы могут быть разделены на следующие группы:

определяющие нормы взаимодействия модема с каналом связи (V.2, V.25)

Напр., в V.25 определено автоматическое вызывное устройство, которое позволяет со стороны компьютера, используя номер нужного абонента, установить связь через коммутируемую телефонную сеть с удаленным DTE

регламентирующие соединение и алгоритмы взаимодействия модема с

DTE (V.10, V.11, V.24)

См.: Последовательные интерфейсы, в частности, наиболее популярный из них интерфейс RS-232. V.24 – “Перечень определений цепей стыка между оконечным оборудованием данных

иаппаратурой окончания канала данных”

определяющие основные характеристики модемов, предназначенных для коммутируемых и выделенных телефонных каналов (V.17,V.22, V.32,V.34,HST, ZyX)

Это собственно, основные протоколы модуляции

коррекции ошибок (V.41, V.42, MNP1-MNP4)

При передаче данных по каналам связи всегда существуют ошибки, Причины различны, но результат один – данные искажаются и не могут быть использованы на приемной стороне для дальнейшей обработки. Борьба с возникающими ошибками ведется на разных уровнях семиуровневой модели OSI. В модемах наиболее широкое

распространение нашел подход обнаружения ошибок с автоматическим запросом повторения.

сжатия передаваемых данных (MNP5, MNP7, V.42.bis)

Применение сжатие полезно при передаче информации в любых сетях связи, т.к. появляется возможность передать значительно меньшие объемы данных, а следовательно, требуются меньшие ресурсы пропускной способности каналов для передачи той же самой информации.

определяющие процедуры диагностики модемов, испытания и измерения параметров канала связи (V.51, V.52, V.53. ,V.54, V.56)

согласование параметров связи на этапе ее установления (handshaking), например V.8

V.8 – “Процедура начала сеансов передачи данных по коммутируемой телефонной сети общего пользования”. Определяет, какими сигналами должны обмениваться два модема при начальной организации сеанса передачи данных.

Основные характеристики протоколов модуляции

Примечания:

V.21, не смотря на низкую скорость, широко используется в качестве «аварийного», (ЧМ -> помехоустойчивый) а также в высокоскоростных модемах на этапе установления соединения, что предусмотрено рекомендацией V.8.

V.23 практически вышел из употребления. Но благодаря простоте, высокой помехоустойчивости он стал базовым для некоторых нестандартных модемов (стандартные могут даже не поддерживать его). Нашел применение в пакетных радиомодемах, исп-ся совместно с КВ и УКВ радиостанциями, а также в информационной системе Videotex ряда европейских стран.

V.26 обеспечивает дуплексную передачу только по четырехпроводным выделенным линиям, если развитие – V.26bis и V.26ter с полудуплексной и полнодуплексной (за счет эхо-подавления) передачей по двухпроводным линиям.

V.32 основывается на модифицированной КАМ (СКК) и предлагает полнодуплексную передачу по двухпроводным телефонным каналам.

V.34 предоставляет выбирать скорость передачи данных, особенность модуляции (третий параметр – время), возможность адаптации. Может работать с большей скорость, чем другие на каналах того же качества.

Рассмотрим процедуру вхождения в связь на примере протокола V.34:

1)На первой фазе модемы выбирают наивысший протокол ITU-T серии V, реализованный в обоих модемах. На этом этапе соединение устанавливается согласно рекомендациям V.25 и V.8. Если оба модема поддерживают V.34, то они переходят ко второй фазе.

2)Определяется классификация канала связи

3) Обучение адаптивного эквалайзера, эхо-компенсатора и ряда других систем модема

После установления соединения процедура адаптации к каналу связи начинается с того, что передатчик модема посылает в линию специальный тестовый сигнал, представляющий собой последовательность из 21 гармонического колебания разных частот в диапазоне от 150 до 3750 Гц. Приемник удаленного модема, принимая сигнал, рассчитывает частотную характеристику канала связи, степень нелинейных искажений, сдвиг частот и ряд других характеристик канала. Затем выбирается нормальная скорость модуляции, значение несущей частоты, уровень передачи, номер шаблона и коэффициенты предкорректора и другая информация о желаемой конфигурации. Такая же процедура выполняется в противоположном направлении.

4) Далее оба модема обмениваются этими установками. Для этого используются сигналы ОФМ модуляции с параметрами, аналогичными V.22 (скорость 600бит/с, частотно-разделенные каналы на несущих 1200 и 2400

Гц) и V.42.

Модемные пулы

Абоненты коммутируемых линий подключаются к интернету через модемный пул оператора связи.

Модемный пул - это совокупность телефонных линий и модемов, которые обеспечивают доступ к Интернет.

Модемный пул состоит из сервера доступа, который является специализированным компьютером, предназначенным для соединения модемов с сетью. Пользователь устанавливает соединение через модем с сервером доступа, затем соединяется оттуда с сетью Интернет. Некоторые серверы доступа имеют средства безопасности, которые могут ограничить соединения только определенными системами, или потребовать от пользователя аутентификации. Или же сервер доступа может быть обычной машиной с присоединенными к ней модемами.

Модемный пул физически представляет из себя стандартный каркас, где размещается какое-то количество бескорпусных модемов.

xDSL-модемы

Технология цифровой абонентской линии (DSL - Digital Subscriber Line) в последнее время стала одной из самых перспективных для решения проблемы доведения высокоскоростных информационных потоков до конечных пользователей. Под аббревиатурой xDSL скрывается целое семейство технологий абонентского доступа типа «точка-точка», позволяющее предоставлять услуги передачи данных, голоса и видео по обычным телефонным проводам между оборудованием поставщика услуг сетевого доступа NAP (Network Access Provider) и узлом потребителя.

Возросшая популярность Internet очень быстро сделала линию, соединяющую пользовательское оборудование с узлом NAP, узким местом всей сети доступа. Внедрение графики, элементов мультимедиа и видео на Web-страницы стало массовым явлением. Все эти процессы привели к тому, что последние достижения в области технологии аналоговых модемов, как, впрочем, и возможности традиционных каналов ISDN BRI, все чаще стали восприниматься в качестве промежуточного решения. Повышение пропускной способности канала «последней мили», по крайней мере на прядок, превратилось в настоятельную необходимость. Причем, такое повышение должно было быть произведено максимально экономичным образом, т.е. прежде всего с сохранением существующей коммуникационной инфраструктуры.

Необходимость разработки принципиально новой технологии по обычным телефонным линиям диктовалась и еще одним соображением. Оборудование, производившееся и устанавливаемое в узлах телефонных компаний, проектировалось, исходя из определенных статистических параметров сеансов телефонной связи. Например, из учета того факта, что средняя продолжительность телефонного разговора составляет 3-5 мин. Активное использование телефонных линий для доступа в Internet и корпоративные сети внесло существенные коррективы в эту картину: средняя продолжительность сеанса модемной связи составляет 20 мин, а каждый пятый такой сеанс длится больше часа. В результате, использование «классических» телефонных линий для передачи данных повысило нагрузки на телефонные станции до такого уровня, на который они изначально не были рассчитаны.

Технология xDSL явилась решением указанных проблем, позволив в десятки раз поднять скорость передачи трафика по обычному телефонному проводу и одновременно предложив низкозатратный способ разгрузить коммутаторы телефонных станций от возросшего объема неголосового трафика. Использование существующей наиболее распространенной коммуникационной инфраструктуры, значительное повышение скорости передачи относительно классических модемных или ISDN-соединений, возможность организации множества сервисов на единой платформе и являются важнейшими преимуществами технологии xDSL.

Увеличение полосы пропускания и максимальной длины непрерывного соединения основывалось на двух технологических идеях - использовании более широкого частотного спектра несущих и повышении эффективности его использования (плотности транспортируемых данных в пересчете на один бод). В технологии xDSL полоса используемых частот была расширена вплоть до мегагерцового диапазона. Эффективное использование полосы частот достигается путем применение методов модуляции 2B1Q, САР и

DMT:

CAP-модуляция

Амплитудно-фазовая модуляция с подавлением несущей (САР - Carrier less Amplitude modulation/Phase modulation) является одним из наиболее широко используемых в настоящее время на DSL линиях способов модуляции. Этот способ был разработан специалистами компании GlobeSpan Inc.

САР-модуляция представляет собой одну из разновидностей КАМ, ее особенность заключается в специальной обработке модулированного информационного сигнала перед отправкой его в линию. В процессе этой обработки из спектра модулированного сигнала исключается составляющая, которая соответствует частоте несущего колебания КАМ. После того как приемник принимает переданный информационный сигнал, он сначала восстанавливает частоту несущего колебания, а уже после этого восстанавливает информационный сигнал. Такие манипуляции со спектром выполняются для того, чтобы уменьшить долю неинформативной составляющей в спектре передаваемого информационного сигнала. Это в свою очередь делается для обеспечения большей энергетики сигнала и уменьшения уровня перекрестных помех у сигналов, которые передаются одновременно в одном кабеле.

На первый взгляд, название алгоритма звучит достаточно парадоксально. Действительно, из модулированного сигнала предлагается исключить именно ту гармоническую составляющую, которая должна была использоваться для переноса полезного сигнала. Однако, если более подробно рассмотреть схему формирования сигнала, станет понятно, что алгоритм CAP в части формирования линейного кода практически ничем не отличается от классических алгоритмов гармонической амплитудной модуляции.

рисунке этот спектр помечен зеленым цветом. Для восстановления переданного сигнала на приемной стороне достаточно передать только одну из зеркальных компонент спектра модулированного сигнала. Гармоника с частотой fc также является компонентом спектра модулированного сигнала, однако при восстановлении сигнала без неё также можно обойтись. Теоретически, амплитуда этой гармоники несет информацию об уровне