Квадратурная амплитудная модуляция (КАМ)

Называют также QAM (Quadrature Amplitude Modulation).

Здесь изменяется как амплитуда сигнала, так и фаза, что позволяет увеличить количество кодируемых бит и при этом существенно повысить помехоустойчивость.

В настоящее время используются способы модуляции, в которых число кодируемых в одном бодовом интервале информационных бит может достигать 8 9, а число позиций в сигнальном пространстве — 256512.

Каждый сигнал КАМ (при геометрической трактовке) можно изобразить вектором в сигнальном пространстве. Совокупность сигнальных точек образует так называемое сигнальное созвездие (signal constellation). Пример такого созвездия, представляющего сразу 4 бита информации, показан на рисунке.

Сигнально-кодовые конструкции (триллис-модуляция).

Для повышения помехоустойчивости в современных высокоскоростных модемах КАМ используется совместно с решетчатым кодированием – специальным типом сверточного кодирования. За рубежом это определяют как триллис-модуляцию TCM (Trellis Coded Modulation), а у нас – как сигнально-кодовые конструкции (СКК).

СКК позволяет повысить помехозащищенность передачи. При этом число сигнальных точек увеличивается вдвое за счет добавления к информационным битам одного избыточного, образованного путем сверточного кодирования. Расширенный таким образом блок битов подвергается КАМ.

Все современные высокоскоростные модемы (с протоколами V.32, V.32 bis, V.34 и т.д.) предполагают обязательное применение СКК.

Основные протоколы модуляции

Протокол V.21

Используется частотная модуляция. Полоса частот телефонного канала делится на 2 подканала – для вызывающего и отвечающего модемов. В 1-м канале: «1» — 980 Гц, «0» — 1180 Гц. Во втором канале: «1» — 1650 Гц, «0» — 1850 Гц. Предусматривается дуплексная передача. Скорость модуляции и скорость передачи в этом случае равны соответственно 300 бод и 300 бит/с.

Рис.8.15.

Протокол V.22 bis

Рис.8.16.

Протокол V.32 bis.

Передача ведется с триллис-кодированием. На вход кодека информация подается порциями по 6 бит, формируется 7-битовый код путем сверточного кодирования. Эти 7 бит поступают на устройство сигнального отображения, формирующее элементы сигнального созвездия. Протокол обеспечивает скорость 14400 бит/с.

Протокол V.34 bis.

Этот протокол был принят в 1996 году. Скорость была доведена до 33,6 Кбит/с. Применяется многопозиционная КАМ с решетчатым кодированием. Отображение элементов ведется в 4-мерном пространстве, каждая точка которого отображает сразу блок из 18 бит. Используется триллис-кодирование и сверточный код.

Применяется сложная процедура вхождения в связь.

· Сначала модемы выбирают наивысший протокол серии V, реализованный на обоих модемах.

· Затем производится классификация канала связи. Передатчик модема посылает в канал тестовый сигнал, представляющий собой последовательность из 21 частоты от 150 до 3750 Гц. Приемник удаленного модема, принимая этот сигнал, рассчитывает частотную характеристику канала связи, степень нелинейных искажений, сдвиг частот и другие характеристики канала.

· После этого выбирается номинальная скорость модуляции, значение несущей частоты, уровень передачи, номер шаблона, коэффициенты предкорректора, скорость передачи данных, число состояний решетчатого кодера, тип СКК, параметры нелинейного кодера и т.д.

· Такая же процедура выполняется и в противоположном направлении.

·

В процессе передачи возможно изменение скорости (рис.8.17.).

Рис.8.17.

Протокол ZyX.

Протокол был разработан фирмой ZyXEL Communications специально для работы по телефонным каналам низкого качества. Укажем ряд особенностей этого протокола.

· Применяется метод СКК.

· Используется быстрая повторная синхронизация.

· Применяются как код с исправлением ошибок, так и код с обнаружением ошибок. Последний применяется в том случае, если не хватает способности кода с исправлением ошибок.

· Автоматическое регулирование уровня передачи.

· Динамический выбор скорости передачи.

· Улучшенная процедура вхождения в связь.

· Адаптивное изменение размера передаваемого кадра.

· Процедура селективного повтора кадра (с помощью команды SREJ).

Стандарт 56K

В 1996 году ряд фирм (в том числе Motorola, U.S. Robotics и другие) выпустили модемы, позволяющие работать с телефонной сетью со скоростью 56 Кбит/с. Были предложены 2 рекомендации: K56 flex (Motorola, Rockwell и др.) и x.2 (U.S. Robotics, Texas Instruments и др.). В дальнейшем появилась и компромиссная рекомендация V.90.

Рис.8.18.

Однако даже в России это далеко не так. Большая часть телефонных магистральных каналов в мире являются цифровыми (Т1/Е1). Все время растет число узлов Интернет-провайдеров и предприятий, подключенных к телефонной сети общего пользования цифровыми линиями (Т1 – в Америке, Е1 – в Европе).

Разработчики модемов 56К рассматривали телефонную сеть общего пользования как цифровую магистраль с одним плохим участком (абонентская линия до ближайшей АТС). На этой АТС расположен кодек, имеющий выход в цифровую сеть. Далее сигнал без преобразования следует в цифровом виде до цифрового модема на оконечном узле (см. рис.). Шум квантования возникает только при аналого-цифровом преобразовании. Таким образом при такой структуре скорость передачи в одном направлении (к пользователю), там где стоит только ЦАП, может достигнуть 56 Кбит/с.

В цифровой сети используется метод импульсно-кодовой модуляции. Производится квантование аналогового сигнала на входе 8000 раз в секунду (каждые 125 мкс) и снятые значения передаются 8-битовым кодом. Таким образом скорость передачи составляет 64 Кбит/с. Однако технология 56К была разработана в США, где на каналах системы Т1 младший 8-й бит байта используется для целей синхронизации. Поэтому полезная скорость цифрового канала составляет 56Кбит/с (В Европе теоретически возможна скорость 64 Кбит/с, т.к. здесь для синхронизации введен специальный канал).

Протоколы исправления ошибок.

Вероятность искажения бита на уровне физического канала составляет от 10^-2 до 10^-6. Требования же пользователей к безошибочности — 10^-7  10^-12.

Методы борьбы с ошибками подразделяются на использующие и не использующие обратную связь (ОС). При отсутствии ОС производится декодирование на приемной стороне с исправлением ошибок. В системах же с ОС используются процедуры обнаружения ошибок и переспроса, которые называют решающей ОС или обнаружением ошибок с автоматическим запросом повторения ARQ (Automatic Repeat Request).

В модемах чаще всего используются методы ARQ (но иногда применяются и комбинированные методы, например, исправление ошибок и ARQ в протоколе ZyX).

Рис.8.18.

Здесь FCS (Frame Check Sequence) – контрольная последовательность кадра. Часто это поле называют также CRC (Cyclic Redundancy Check) – полем избыточного циклического кода. Flag — это уникальная последовательность 01111110, которая служит для распознавания начала и конца кадра, а также для синхронизации. Control — поле управления кадра. Information — поле данных кадра.

Кодонезависимость протокола достигается за счет использования флаговой комбинации 01111110. Для предотвращения появления в передаваемом кадре этой комбинации битов применяется процедура битстафинга (bit staffing). Это вставка (а затем удаление на приемной стороне) «0» после пяти идущих подряд единиц при передаче в канал связи.

Кроме этого флага HDLC-подобные протоколы используют еще 2 служебных сигнала:

· От 7 до 14 подряд идущих единиц — интерпретируется как сигнал аварийного завершения;

· От 15 и более подряд идущих единиц — сигнал покоя канала (в полудуплексном режиме он означает разрешение на изменение направления передачи).

Обнаружение ошибок. В основном применяется циклический код CRC. Содержимое кадра делится на образующий полином g(x). Остаток от деления помещается в контрольное поле FCS. На приемной стороне производится такое же деление и сравнение результата с FCS.

В основном используют следующие полиномы g(x):

МККТТ-16 — g(x) = x¹⁶+x¹²+x⁵+1

CRC-16 — g(x) = x¹⁶+x¹⁵+x²+1

CRC-32 — g(x) = x³²+x²⁶+x²³+x²²+x¹⁶+x¹¹+x¹⁰+x⁸+x⁷+x⁵+x⁴+x²+x+1

CRC-12 — g(x) = x¹²+x¹¹+x³+1

Техническая реализация вычисления CRC основана обычно на сдвиговом регистре с сумматорами по mod 2.

Методы повторной передачи (ARQ).

1) Стартстопный метод (передача с остановкой и ожиданием) SAW (Stop and Wait). Часто называют еще блочным методом передачи.

2) С возвращением на N кадров GBN (Go Back N). Называют также потоковым методом передачи или ARQ типа REJ по названию служебных кадров с отрицательной квитанцией.

3) Метод выборочного (селективного) повтора SR (Selective Repeat). Еще одно название данного метода – ARQ типа SREJ.

Протокол V.42

Рис.8.19.

Обмен по протоколу V.42.

Фаза обнаружения.

Каждый из модемов определяет, к какому классу относится его корреспондент. Один из модемов становится инициатором соединения, а другой – ответчиком. Каждый модем определяет возможности партнера.

Фаза установления соединения.

Производится обмен кадрами XID, содержащими информацию о конкретных возможностях модема. Согласуются значения параметров и ряда необязательных процедур:

· использование селективной повторной передачи (SREJ);

· шлейфовые испытания;

· размер контрольной последовательности (16 или 32 бита).

Фаза испытания канала (не обязательна).

Производится обмен пакетами TEST. По результатам делаются выводы о качестве канала связи.