Чаще применяется четырехфазная ОФМ (ОФМ-4), или двукратная ОФМ (. ДОФМ), основанная на передаче четырех сигналов, каждый из которых несет информацию о двух битах (дибите) исходной двоичной последовательности. Обычно используется два набора фаз: в зависимости от значения диби-та (00, 01, 10 или 11) фаза сигнала может измениться на 0°, 90°, 180°, 270° или 45°, 135°, 225°, 315° соответственно. При этом, если число кодируемых бит более трех (8 позиций поворота фазы), резко снижается помехоустойчивость ОФМ. По этой причине для высокоскоростной передачи данных ОФМ не используется.
3. 2. 3. Квадратурная амплитудная модуляция
При квадратурной амплитудной модуляции (КАМ, QAM - Quadrature Amplitude Modulation)изменяется как фаза, так и амплитуда сигнала, что позволяет увеличить количество кодируемых бит и при этом существенно повысить помехоустойчивость. В настоящее время используются способы модуляции, в которых число кодируемых на одном бодовом интервале информационных бит может достигать 8.... 9, а число позиций сигнала в сигнальном пространстве 256.... 512.
Квадратурное представление сигналов является удобным и достаточно универсальным средством их описания. Квадратурное представление заключается в выражении колебания линейной комбинацией двух ортогональных составляющих— синусоидальной и косинусоидальной: S(t)=x(. t)sin(w t+(j)+y(t)cos(w t+(j),
где x(t) и y(t) —биполярные дискретные величины. Такая дискретная модуляция (манипуляция) осуществляется по двум каналам на несущих, сдвинутых на 90° друг относительно друга, т. е. находящихся в квадратуре (отсюда и название представления и метода формирования сигналов).
3. 3. Основные протоколы модуляции
3. 3. 1. Протоколы V. 21, Bell 103J
Основой Рекомендации ITU-T V. 21 послужил протокол Bell 103J, разработанный американской фирмой AT&T. Протокол V. 21 является дуплексным и использует частотную модуляцию и частотное разделение каналов. Полоса частот телефонного канала тональной частоты делится на два подканала. Один из них (нижний) используется вызывающим модемом для передачи своих данных, а другой (верхний)—для передачи информации от отвечающего модема. При этом, в нижнем подканале "1" передается с частотой 980 Гц, а "О"— 1180 Гц. В верхнем подканале "1" передается частотой 1650 Гц, а "О" — 1850 Гц (рис. 3. 2).
Рис. 3. 2. Спектр сигналов взаимодействующих модемов V. 21
Скорость модуляции и скорость передачи данных в этом случае равны 300 Бод и 300 бит/с, соответственно. Несмотря на низкую скорость передачи, протокол V. 21 широко используется в качестве "аварийного". Кроме того, он применяется в высокоскоростных протоколах на этапе установления соединения, что предусмотрено рекомендацией V. 8. Данный протокол используется также для передачи управляющих команд при факсимильной связи (только по верхнему каналу).
Протокол Bell 103J соответствует протоколу V. 21 с точностью до номиналов используемых частот. В нижнем подканале логический "О" передается частотой 1070 Гц, а "1" - 1270Гц, в верхнем подканале: "О"- 2025 Гц, "1" - 2225 Гц, соответственно.
3. 3. 2. Протоколы V. 22, V. 22bis
Протокол V. 22 является дуплексным протоколом модуляции, предусматривающим использование относительной фазовой модуляции при частотном разделении каналов передачи взаимодействующих модемов. Нижний подканал, как и в протоколе V. 21, использует вызывающий модем. Он передает на несущей частоте 1200 Гц. Отвечающий модем, в свою очередь, использует частоту передачи 2400 Гц (рис. 3. 3). Скорость модуляции равна 600 Бод. Протокол предусматривает два режима модуляции—ОФМ и ДОФМ. В первом случае скорость передачи достигает значения 600 бит/с, а во втором— 1200 бит/с.
В отличие от V. 21, протоколом V. 22 впервые предусмотрено использование корректора фазовых искажений (эквалайзера) с фиксированными характеристиками. Рекомендация V. 22bis совпадает с V. 22 по значениям несущих частот и скорости модуляции. Предусматриваются два режима модуляции—четырехпозиционная (КАМ-4) и шестнадцатипозиционная (КАМ-16) квадратурная модуляции с передачей двух (дибит) и четырех (квадбит) бит на один сигнальный отсчет. Скорость передачи данных может быть 1200 либо 2400 бит/с соответственно. В режиме 1200 бит/с протокол V. 22bis полностью совместим с V. 22.
Рис. 3. 3. Спектр сигналов модемов V. 22
Таблица 3. 1. Кодирование сигнала согласно V. 22bis
Значения первых двух бит в квадбите (2400 бит/с) и дибите (1200 бит/с) Изменение фазово
го квадранта
00
1®2
2®3
3®4
4®1
90°
01
1®1
2®2
3®3
4®4
0о
11
1®4
2®1
3®2
4®2
270°
10
1®3
2®4
3®1
4®2
180°
3. 3. 3. Протокол V. 23
Рекомендация V. 23 описывает способ передачи информации по коммутируемым каналам со скоростью 600 и 1200 бит/с с частотной модуляцией. Более высокие, по сравнению с протоколом V. 21, скорости достигаются за счет полудуплексного режима передачи. В этом случае как вызывающим, так и отвечающим модемами используется вся полоса частот телефонного канала, но в разные моменты времени.
При работе со скоростью 1200 бит/с для передачи логической "1" используется несущая с частотой 1300 Гц, а для логического "0"— 2100 Гц. При скорости 600 бит/с "1" передается той же частотой, а "0" —частотой 1700 Гц. Рекомендация V. 23 предусматривает использование неадаптивного эквалайзера. Кроме того, на частоте 420 Гц предусмотрена организация вспомогательного обратного канала со скоростью передачи 75 бит/с и девиацией частоты ±30 Гц. Другими словами, в обратном канале "1" передается частотой 390 Гц, а "0"— 450 Гц.
Данный протокол практически вышел из употребления, и его поддерживает далеко не каждый модем. Благодаря простоте, высокой помехоустойчивости и приличной скорости, он стал базовым для некоторых нестандартных модемов. Протокол V. 23 нашел применение в пакетных радиомодемах, использующихся совместно с KB и УКВ радиостанциями. Кроме того, в ряде европейских стран протокол V. 23 применяется в информационной системе Videotex.
3. 3. 4. Протоколы V. 26, V. 26bis, V. 26ter
Все три протокола используют одинаковый вид модуляции — ДОФМ. Частота несущей равна 1800 Гц, скорость модуляции —1200 Бод. V. 26 обеспечивает дуплексную передачу данных только по четырехпроводным выделенным линиям. V. 26bis является полудуплексным протоколом, предназначенным для работы по двухпроводным коммутируемым линиям. А протокол V. 26ter, благодаря реализации технологии эхоподавления и адаптивной коррекции фазовых искажений, обеспечивает полнодуплексную передачу по коммутируемым двухпроводным линиям.
Протоколы V. 26 и V. 26bis могут работать в асимметричном дуплексном режиме с обратным каналом со скоростью 75 бит/с в соответствии с протоколом V. 23. Все три протокола обеспечивают скорость передачи информации 2400 бит/с при использовании ДОФМ, a V. 26bis и V. 26ter работают также на скорости 1200 бит/с при использовании двухпозиционной ОФМ.
3. 3. 5. Протокол V. 32
Протокол V. 32 основывается на модифицированной КАМ и предполагает полнодуплексную передачу по двухпроводным телефонным каналам. Это означает, что модемы V. 32 должны реализовывать функцию эхоподавления.
Основные характеристики протокола V. 32 следующие:
дуплексная передача по двухпроводным телефонным каналам общего пользования; использование КАМ со скоростью модуляции 2400 Бод;
поддержка скоростей передачи в 9600, 4800, 2400 бит/с;
реализация альтернативных схем модуляции при скорости 9600 бит/с: КАМ-16;
КАМ-32 с применением треллис-кодирования (СКК-32);
возможность поддержки асинхронного режима передачи;
значение частоты несущей составляет 1800±7 Гц;
полоса частот, занимаемая сигналом, от 600 до 3000 Гц.
3. 3. 6. Протокол V. 32bis
Протокол модуляции V. 32bis разработан для обеспечения передачи данных со скоростью до 14400 бит/с по двухпроводным коммутируемым и выделенным телефонным каналам. Данный протокол принят в качестве стандарта ITU-Т в 1991 году. Основные характеристики модемов, поддерживающих данный протокол, следующие: дуплексный режим работы по коммутируемым каналам телефонных сетей общего пользования и арендуемым двухпроводным линиям передачи;
реализация эхоподавления;
применение КАМ для режимов синхронной передачи со скоростью модуляции 2400 Бод; частота несущей равна 1800 Гц;
приемник модема должен обеспечивать бесперебойную работу при не стабильности частоты принимаемого сигнала не более ±7 Гц;
4 скорости передачи данных:
14400, 1200, 9600, 7200 бит/с с треллис-кодированием;
800 бит/с без кодирования;
совместимость с модемами V. 32 на скоростях 9600 и 4800 бит/с; обмен управляющими последовательностями и выбор скорости передачи в течение процедуры установления связи;
процедура смены скорости передачи в течение сеанса связи без разрыва соединения;
режим асимметричной передачи не поддерживается; другими словами, скорости передачи и приема каждого взаимодействующего модема должны быть одинаковы; спектр сигнала ограничен полосой частот от 600 Гц до 3000 Гц.
3. 3. 7. Протокол V. 33
Протокол V. 33 предназначен для обеспечения дуплексной связи по четы-рехпроводным выделенным каналам на частоте 1800 Гц и со скоростью модуляции 2400 Бод. В режимах протокола СКК-64 и СКК-128 используется квадратурная амплитудная модуляция совместно с решетчатым кодированием. Благодаря этому достигаются скорости передачи 12000 и 14400 бит/с. Этот протокол очень напоминает V. 32bis без эхоподавления. Схема модема содержит дифференциальный кодер и сверточный кодер со скоростью 2/3, аналогичный модемам V. 32bis.
3. 3. 8. Протоколы V. 34, V. 34+, V. Fast
Рекомендация V. 34 была принята ITU-Т 20 сентября 1994 г. Она регламентирует процедуры передачи данных по коммутируемым телефонным каналам со скоростями до 28 800 бит/с. Модем, соответствующий V. 34, называют "модемом, обеспечивающим передачу данных со скоростью до 28800 бит/с, для использования в коммутируемой сети общего пользования и на двухточечных двухпроводных выделенных каналах телефонного типа". До принятия этой рекомендации многие производители пользовались промежуточной Рекомендацией V. Fast, которая не предусматривала большого числа нововведений, однако позволяла передавать данные со скоростью 28, 8 Кбит/с.
Стандарт предусматривает возможность использования интерфейсов двух типов. Первый интерфейс (предпочтительный) представляет собой разъем с 25 или 26 контактами, причем сигналы данных и синхронизации передаются в симметричном режиме, а сигналы управления—в несимметричном. Такой интерфейс предпочтителен для использования в синхронном режиме передачи. Второй вариант интерфейса (альтернативный) совместим с RS-232C. Выпускаемые в настоящее время модемы V. 34, как правило, имеют интерфейс RS-232C с UART 16550, порты ЕРР, ЕСР, PCMCIA или V. 35. Протокол V. 34 предполагает большое количество режимов работы и сервиса. Остановимся на некоторых из них.
Скорость модуляции и передачи
Скорость передачи данных выбирается из множества допустимых значений в диапазоне от 2400 до 28800 бит/с с шагом 2400 бит/с. Таким образом возможен выбор 12 значений, а также изменение скорости передачи в процессе сеанса связи. В отличие от более ранних протоколов, скорость модуляции не является фиксированной величиной. Рекомендация предусматривает шесть скоростей модуляции, равных 2400, 2743, 2800, 3000, 3200 и 3429 символам в секунду. Следует отметить, что в Рекомендации V. 34 вместо единицы измерения "Бод" введено понятие "символ в секунду".
Для достижения большей скорости передачи необходимо выбирать большее значение скорости модуляции. Однако для полосы пропускания стандартного телефонного канала 3100 Гц (300—3400 Гц) две последние модуляционные скорости являются неприемлемыми. Этот факт следует из теоремы Найквиста. Тем не менее, работа на таких скоростях возможна в основном благодаря неидеальности характеристик фильтров каналообразующей аппаратуры.
При введении таких "запредельных" скоростей была учтена тенденция увеличения в КТСОП доли систем передачи симпульсно-кодовой модуляцией (И КМ), в которых реальная полоса пропускания телефонного канала может достигать 3500 Гц.
Кроме того, при установлении соединения через КТСОП в пределах города канал связи чаще всего представляет собой соединение нескольких физических (кабельных) линий. Такой канал при наличии специальных средств частотной коррекции также может обеспечить передачу сигнала с более широким спектром. Для канала, не позволяющего расширить стандартную полосу пропускания, максимально допустимой символьной скоростью является значение 3000 сим-вблов в секунду. При этой символьной скорости возможно установление соединения со скоростью до 26400 бит/с.
Особенности модуляции
В модемах V. 34 применяется многопозиционная КАМ с решетчатым кодированием. В отличие от более ранней Рекомендации V. 32, в V. 34 увеличена размерность кодируемого информационного элемента.
В предыдущих протоколах с КАМ информационный элемент был двумерным, так как значение элемента характеризовалось амплитудой и фазой сигнала. Рекомендация V. 34 предусматривает использование третьего параметра—времени, который порождает еще два измерения информационного элемента. В этом случае каждый кодируемый элемент включает в себя два последовательно передаваемых символа, представляющих собой сигналы, промодулированные по амплитуде и фазе. Таким образом, в четырехмерном пространстве каждый информационный элемент (сигнальная точка) имеет четыре координаты и передается за два символьных интервала. В самой Рекомендации представлено 50 различных сигнальных созвездий, которые обеспечивают работу на всех скоростях. Переход к четырехмерным СКК позволил существенно увеличить общее число сигнальных точек, что, в свою очередь, позволило повысить скорость кода без ухудшения помехоустойчивости. За один символьный интервал теперь может передаваться от одного до девяти бит, т. е. одной точке в четырехмерном пространстве может соответствовать одновременно 18 бит. Однако при формировании ее позиционного номера, как и ранее, используется лишь один избыточный бит решетчатого кодера. В Рекомендации V. 34 сделан шаг вперед и в области треллис-кодирования. Здесь используется сверточный код на 16, 32 и 64 состояния, что позволяет повысить помехоустойчивость всей системы сигналов за счет увеличения свободного евклидова расстояния между соседними путями на решетчатой диаграмме. Однако это приводит к увеличению задержки на принятие решения и к повышению требований к объему памяти и вычислительной мощности процессора модема.
Значение частоты несущей согласно V. 34 также не является фиксированным. Оно выбирается из ряда: 1600, 1646, 1680, 1800, 1829, 1867, 1920, 1959, 2000 Гц. Большое число возможных значений скорости модуляции, скорости-передачи и несущей частоты предоставляет модему возможность использовать имеющуюся полосу частот с максимальной эффективностью.
Особенности дуплексной передачи
Нововведение протокола V. 34 в области организации дуплексной связи заключается в его асимметричности по многим параметрам. Передача данных между двумя модемами V. 34 может осуществляться не только с разными скоростями, но и на разных несущих частотах с использованием различных СКК. В стандарте также предусмотрен режим полудуплексной передачи, которая предполагает взаимодействие модемов без схем эхокомпенсации. l Кроме того, Рекомендация V. 34 предусматривает наличие дополнительного канала со скоростью передачи 200 бит/с, который образуется за счет временного уплотнения (мультиплексирования). Этот канал может быть использован как самим модемом для обмена служебной информацией, так и DTE. В последнем случае он называется вторичным каналом. Вторичный канал является асинхронным.
Возможности адаптации
В предыдущих поколениях модемов адаптивная подстройка под конкретные характеристики канала осуществлялась исключительно на приемном конце. В отличие от них в модемах V. 34 идея адаптации носит глобальный характер. В передающую часть модема введен так называемый генератор колец, способствующий синтезу требуемой формы выходного сигнала. При КАМ с большим сигнальным пространством диапазон возможных амплитуд сигналов довольно велик. Из-за этого может возникнуть статистическая зависимость между передаваемой информацией и уровнем сигнала на выходе. Что может повлечь за собой ситуации, при которых выходной сигнал будет иметь малую амплитуду в течение длительного времени. В таких ситуациях возможны сбои декодера и потеря сигнала на приемной стороне. Также возможно формирование сигнала с большим пик-фактором (отношение пикового значения мощности к среднему значению), что приводит к ухудшению общих характеристик системы (увеличивает уровень взаимных и нелинейных искажений). Для решения этой проблемы Рекомендация предлагает специальное предкодирование, в котором двумерное созвездие разбивается на концентрические кольца, содержащие равные количества сигнальных точек с близкой или одинаковой амплитудой. Стандарт V. 34 предусматривает амплитудно-фазовую предкоррекцию сигнала передатчика для устранения межсимвольной интерференции. Эта пред-коррекция позволяет получить выигрыш более 3, 5 дБ по сравнению с линейной коррекцией, применяемой в протоколе V. 32. Предыскажения на передающей стороне вводятся с помощью цифрового фильтра третьего порядка с комплексными коэффициентами, значения которых передаются от удаленного модема на этапе вхождения в связь. В результате этой процедуры передаваемый сигнал имеет искажения, компенсирующие те, которые он приобретает при прохождении по каналу. За счет этого существенно облегчается работа адаптивного эквалайзера на приемной стороне. Помимо этого в Рекомендации заложена возможность выбора одного из 11 заранее заданных шаблонов для спектра передатчика. Эти шаблоны предусматривают подъем высокочастотных составляющих спектра, что компенсирует искажения, вносимые абонентскими и соединительными линиями.
В стандарте V. 34 предусмотрено введение в передаваемый сигнал нелинейных предыскажений. Это позволяет частично скомпенсировать остаточные специфические искажения сигнала, вносимые аппаратурой ИКМ. Предыскажения приводят к неоднозначной трансформации сигнального пространства, увеличивая защищенность его периферийных точек.
