Модемы. Виды модуляции

Помимо вышеперечисленных  аспектов в ряд стандартов могут  возводиться новые возможности, повышающие удобство использования  модемов.  Например, последний протокол V.92, адресованный модемам для коммутируемого доступа, позволяет сократить время на установку соединения, работая в Интернете, получить уведомление о входящем телефонном вызове с указанием номера вызывающего абонента, принять звонок, одновременно удерживая линию модемом.[23]  К сожалению, выход данного стандарта пришёлся на 1999 г., поэтому ввиду последующего распространения технологий широкополосного доступа внедрение вышеперечисленных удобств, несущее немалые затраты для провайдеров, не получило большого распространения. 

Глава III.  Виды модуляции, применяемые в модемах

Модуляция есть изменение одного или нескольких параметров несущего колебания по закону изменения первичного сигнала.  В качестве таких параметров может выступать амплитуда, частота и начальная фаза колебания.  В зависимости от типа канала передачи данных и ряда других условий (качества линии и др.) современные модемы для коммутируемого доступа используют частотную, фазоразностную и многопозиционную амплитудно-фазовую модуляцию.[24] 

Совершенствование методов модуляции является одним  из основных условий повышения скорости передачи информации.  В первых модемах (протокол V.21 в Европе и Японии, в США – Bell 103) использовалась частотная модуляция, позволявшая передавать за 1 Бод 1 бит со скоростью 300 Бит/с.  Так как максимальная скорость распространения несущего сигнала в среде не может превышать отведённой ему частотной полосы, то единственно возможным средством дальнейшего ускорения передачи информации является передача за один период (иначе называемый символом или бодовым интервалом) большего количества битов.  Так, если ширина пропускания телефонной линии при диапазоне занимаемых частот от 300 до 3400 Гц составляет 3100 Гц, то для достижения скорости передачи современных модемов, работающих в этом диапазоне, (56 Кб/с) необходимо, чтобы за один период передавалось в среднем 18 битов информации.  Метод модуляции определяет как скорость распространения сигнала в Бодах, так и количество передаваемых битов информации за один Бод.  Помимо скорости передачи данных важным факторами, стимулирующими разработку новых методов модуляции, являются помехоустойчивость, ширина пропускания и др.

Амплитудная модуляция  сама по себе не применяется из-за чувствительности к ошибкам, вызываемым помехами и  замираниями сигнала.

При частотной  модуляции значениям нуля и единицы  соответствуют  свои  частоты  сигнала  при неизменной  его  амплитуде.  Частотная  модуляция  весьма   помехоустойчива, поскольку искажению при помехах подвергается в основном  амплитуда  сигнала, а  не  частота.  При   этом   достоверность   демодуляции,   а   значит   и помехоустойчивость тем выше, чем больше периодов сигнала попадает в  бодовый интервал. Однако увеличение бодового  интервала  снижает скорость передачи информации.  Поэтому  область  применения  частотной модуляции — низкоскоростные,   но высоконадежные  стандарты,  позволяющие  осуществлять  связь  на  каналах  с большими  искажениями  амплитудно-частотной  характеристики. Частотная модуляция эффективна при передаче данных со скоростью, не превышающей 1200 Бит/с.

При фазоразностной модуляции в зависимости от значения информационного элемента изменяется фаза сигнала при неизменных амплитуде  и частоте. При этом каждому информационному  элементу ставится в соответствие не абсолютное значение фазы, а ее изменение  относительно предыдущего значения. Если информационный элемент - двойной  бит, то в зависимости от его значения (00, 01, 10 или 11) фаза сигнала может  измениться на 90, 180, 270 градусов или  не измениться вовсе. Фазовая модуляция  наиболее информативна, однако если число  кодируемых битов выше трех (8 позиций  поворота фазы), резко снижается  помехоустойчивость. Поэтому на высоких  скоростях применяются комбинированные  амплитудно-фазовые методы модуляции.

Многопозиционную  амплитудно-фазовую модуляцию называют еще квадратурной амплитудной модуляцией. Здесь изменяются и фаза, и амплитуда  сигнала, что позволяет увеличивать  число кодируемых битов.  Поток данных x(t) расщепляется на два потока битов a(t) и b(t), первый из которых модулирует сигнал cos(ωt), а второй — sin(ωt), где величина ω связана с несущей частотой соотношением f=ω/2π.  Затем оба промодулированных сигнала суммируются в сигнал x(t)=a(t)∙cos(ωt)+b(t)∙sin(ωt) и передаются по каналу связи.  Составляющие модулирующих потоков данных используются для амплитудной модуляции каждого тонального сигнала. Эти сигналы (cos(ωt) и sin(ωt)) сдвинуты по фазе на 90 градусов, т. е. находятся в квадратуре. Отсюда и происходит название метода.[25]

Например, в протоколе V.29 при скорости 4800 Бит/с за один период передаётся 2 бита, обозначаемые поворотами фазы на 0, 90, 180 и 270 градусов при постоянной амплитуде, равной 3.  То есть, в данном случае применяется чисто фазовая модуляция.  При скорости же 7200 Бит/с за один бодовый интервал передаётся три бита при помощи восьми поворотов фазы и двух величин амплитуды. Если фаза передаваемого элемента равняется 0, 90, 180 и 270 градусов, то амплитуда сигнала равняется 3, а при фазе 45, 135, 225 и 315 она равна √2. Таким образом, если демодулятор по какой-то причине получит на входе сигнал с фазой, отклонившейся от восьми вышеперечисленных величин, то распознать его поможет значение амплитуды.  При скорости 9600 Бит/с за один Бод передаётся уже не три, а четыре бита информации.  Первые три бита используются для определения значения фазы, как при скорости 7200 Бит/с, а четвёртый — для определения амплитуды.  То есть, вместо двух значений амплитуды при скорости 7200 Бит/с здесь уже имеется четыре значения амплитуды: если четвёртый бит равен нулю, то значения амплитуды для фаз 0, 90, 180, 270 градусов принимает значение 3, для 45, 135, 225 и 315 — √2 (как в случае со скоростью 7200 Бит/с), но если он равен единице, то амплитуда принимает значения 5 и 3√2 соответственно.  Отметим, что во всех трёх случаях скорость прохождения электрического сигнала по каналу связи оставалась одинаковой, равняясь 2400 Бода.

При демодуляции  принятый сигнал расщепляется в преобразователе  Гилберта на два потока, сдвинутых  по фазе на 90 градусов.  Далее оба сигнала умножаются на две квадратурные составляющие по формулам, обратным формуле модулированного сигнала (a(t)=x(t)∙cos(ωt)-x(t+90°)∙sin(ωt) и b(t)=x(t)∙sin(ωt)-x(+90°)∙cos(ωt)), и пропускаются через фильтр низких частот для выделения модулирующих компонент.

Применение многоточечной  квадратурной амплитудной модуляции  в чистом виде сопряжено с серьезными проблемами, связанными с недостаточной  помехоустойчивостью кодирования. Поэтому во всех современных высокоскоростных протоколах используется вариант этого  вида модуляции — так называемая модуляция с решетчатым кодированием, или треллис-кодированием. Она позволяет  повысить помехозащищенность передачи информации, снижая тем самым требования к отношению сигнал/шум в канале на 3 - 6 дБ. Суть этого кодирования  заключается во введении избыточности. Пространство сигналов расширяется  вдвое путем добавления к информационным битам еще одного, образованного  посредством сверхточного кодирования  над частью информационных битов  и введения элементов запаздывания. Расширенная таким образом группа подвергается все той же многопозиционной амплитудно-фазовой модуляции. В  процессе демодуляции принятого  сигнала производится его декодирование  по весьма изощренному алгоритму  Виттерби, позволяющему по критерию максимального  правдоподобия выбрать из сигнального  пространства наиболее достоверную  эталонную точку за счет введенной  избыточности и знания предыстории, и тем самым определить значения информационных битов.

В настоящее  время модемы для коммутируемого доступа используют ряд разновидностей квадратурной амплитудной модуляции  для аналоговой передачи и импульсно-кодовой  модуляции для цифровых линий, в  которых количество кодируемых на одном  бодовом интервале информационных битов может доходить до 8.  Повышение скорости передачи связано, главным образом, с цифровизацией телефонных систем, которая исключала одно аналого-цифровое преобразование и связанный с ним шум квантования на этапе передачи сигнала от цифровой АТС до цифрового модема провайдера.  Современные цифровые линии позволяют передавать голос с частотой дискретизации 8 КГц при 8 битах на 1 Бод. Таким образом, скорость передачи теоретически возросла до 64 Кбит/с., однако, поскольку на каждые шесть байт, как правило, полагается один контрольный бит, вместо 64 Кбит/с получается всего 56 Кбит/с.  Протокол V.90, стандартизовавший данную скорость, был принят в 1998 г.  Согласно этому документу, цифровой поток данных со скоростью 56 Кбит/с идёт только в одном направлении, от провайдера к абоненту.  В обратном направлении передача происходит в аналоговом режиме со скоростью 33,6 Кбит/с.  Принятый на следующий год последний протокол V.92 предусматривает цифровую передачу в обоих направлениях, поэтому скорость исходящего потока возросла до 48 Кбит/с.[26]

Методы модуляции, применяемые для широкополосной передачи по аналоговым каналам кабельного телевидения, являются разновидностями  квадратурной модуляции.  Для исходящего потока используется 4-значная квадратурная фазовая и рассмотренная выше 16-значная квадратурная амплитудная модуляции, передающие за один Бод 2 и 4 бита. При этом скорость прохождения сигнала для полосы пропускания в 200 КГц составляет 160000 Бод (320 Кбит/с при квадратурной фазовой и 640 Кбит/с при квадратурной амплитудной модуляции), для полосы в 0,4 МГц — 0,32 МБод (0,64 и 1,28 Мбит/с соответственно), для максимальной в домашних условиях полосы в 3,2 МГц — 2,56 МБод (5,12 и 10,24 Мбит/с).  В сетях кабельного телевидения скорость входящего потока значительно выше исходящего. Она достигается использованием 64-значной и 256-значной квадратурной амплитудной модуляциями, передающими 6 и 8 битов за 1 символ (бодовый интервал) по частотной полосе шириной 6 МГц. [27]

Для передачи данных по цифровым абонентским линиям используются два вида модуляции: амплитудно-фазовая  модуляция без подачи несущей (carrierless amplitude phase modulation, CAP) и дискретная многотональная модуляция (discrete multi-tone modulation, DMT).[28]  Первый метод представляет собой разновидность квадратурной амплитудной модуляции.  Его особенность состоит в получении модулированного сигнала без предварительной генерации фазовой и квадратурной составляющей несущей.  Это делается для уменьшения передачи неинформативного сигнала.   Для улучшения качества здесь также применяется треллис-кодирование.  Данный стандарт предполагает частотное разделение входящего и исходящего потоков, поэтому проблема эхо-подавления здесь отсутствует.  При скорости распространения сигнала в 1088 Кбод и передаче за один символ 8 байтов входящего потока превышает 7 Мбит/с.  В основе второго метода лежит идея одновременной работы нескольких низкоскоростных каналов в разных спектрах диапазона (отсюда и название «многотональная»).  Перед передачей цифровой сигнал расщепляется модулятором на несколько битовых потоков с разными непересекающимися частотными спектрами.  Число таких потоков может быть до 255.  Символы каждого потока кодируются по методу квадратурной амплитудной модуляции.  Затем полученный с помощью обратного преобразования Фурье сигнал отдаётся декодеру и отправляется в линию.  Для достижения оптимальной скорости передачи субканалам с более высоким соотношением сигнала и шума отдаётся большее число битов. 

В модемах, используемых при передаче данных по каналам мобильной  и спутниковой связи, наиболее часто  используются 2-значная, 4-значная, 8-значная  фазовая модуляция и 16-значная  квадратурная амплитудная модуляция.  При этом скорость зависит от используемой пропускной полосы канала.  В этом отношении спутниковые каналы похожи на цифровые абонентские линии.  Мобильная связь такой ширины не имеет, поэтому скорости передачи данных через сотовые телефоны, используемые в качестве модемов, невысоки. 

Таким образом, разработка новых методов модуляции  играло главную роль в повышении  скорости передачи вплоть до появления  скоростных широкополосных технологий.  Необходимости их совершенствования объяснялось долговременным использованием узкого спектра частот, на которых передавался телефонный сигнал.   К моменту начала использования всего диапазона частот, который теоретически может быть передан по телефонным проводам, возможности дальнейшего совершенствования методов модуляции оказались исчерпанными.[29]  Поэтому в новейших технологиях повышение скорости передачи идёт исключительно за счёт увеличения полосы пропускания и новых алгоритмов кодирования, что особенно актуально для радиосвязи.  При этом методы, используемые при передаче сигнала по цифровым линиям, по сути, представляют лишь разновидности применяющихся в традиционных модемов для коммутируемого доступа квадратурной амплитудной и фазовой модуляций. 

Заключение

В современных  технологиях передачи данных модемы занимают важное место.  Их основное предназначение состоит в изменении цифрового сигнала до частоты, удобной для передачи по каналам электрической связи, и последующем восстановлении после приёма.  Необходимость данных преобразований диктуется недостаточной пропускной способностью современных линий.  Сфера применения модемов ограничивается, как правило, абонентскими линиями и не распространяется на локальные сети, передающие цифровой поток на скоростях 10, 1000, 1000 Мбит/с.  Внутри корпоративных сетей данные устройства используются, в основном, для связи с удалёнными подразделениями.

В ходе исследования доказано, что процессы модуляции  и демодуляции имеют место  как при аналоговой передаче, так  и на цифровых линиях.  Поэтому традиционное сведение их природы к преобразованию цифрового сигнала в аналоговый и восстановлению цифрового сигнала из аналогового после передачи является упрощением.  На сегодняшний день модуляция и демодуляция применяется практически во всех рассмотренных средах распространения сигнала, используемых для аналоговой и цифровой передачи данных по абонентским линиям, включая оптоволоконные, ширина пропускания которых в десятки раз превышает любые другие каналы.  Совершенствование их методов долгое время играло важную роль в повышении скорости передачи по каналам телефонной связи в голосовом спектре частот.  При этом большое значение для повышения надёжности и скорости передачи также играют такие факторы, как сжатие, коррекция ошибок и методы помехозащищённости.