Страница 275 из 436
Глава 9
Применение DSP
Уолт Кестер
Высокопроизводительные модемы для передачи данных по традиционным телефонным линиям (POTS)
Модемы (модуляторы/демодуляторы) широко используются для передачи и приема цифровых данных с аналоговой модуляцией по телефонным сетям общего назначения (POTS) и частным линиям. Данные передаются в цифровом формате, и телефонный канал рассчитан на передачу голосовых сигналов в полосе частот от 300 до 3000 Гц. Для телефонного канала передачи характерны высокий уровень искажений, шума, перекрестные искажения, рассогласования полного сопротивления, паразитные эхо-сигналы и другие недостатки. Подобные явления незначительно искажают речевые сигналы, но могут привести к многочисленным ошибкам при цифровой передаче данных. Основное назначение передающей части модема состоит в том, чтобы подготовить цифровые данные для передачи по аналоговой голосовой линии. Цель приемной части модема состоит в том, чтобы получить сигнал в аналоговой форме и восстановить исходные цифровые данные при наличии приемлемого уровня ошибок. Современные высокопроизводительные модемы используют методы цифровой обработки для выполнения таких функций, как модуляция, демодуляция, обнаружение и исправление ошибок, настройка параметров передачи и подавление эхо.
Блок-схема обычного телефонного канала (POTS) показана на рис. 9.1.
Чаще всего телефонная связь осуществляется с помощью нескольких соединений в телефонной сети. Наиболее широко распространенная абонентская линия представляет собой двухпроводную витую пару, которая на телефонной станции преобразуется в четырехпроводную. При этом два проводника работают на передачу и два на прием. Сигнал преобразуется обратно к 2-проводной паре на линии удаленного абонента. Преобразование двухпроводной линии в четырехпроводную осуществляется с помощью так называемой гибридной схемы. Гибридная схема преднамеренно вносит рассогласование импеданса, чтобы предотвратить колебательный процесс в четырехпроводной магистральной линии. Рассогласование приводит к отражению части переданного сигнала и возникновению эхо-сигнала на приемной стороне. Это эхо может привести к потере данных, которые приемник получает от удаленного модема.
Полудуплексные модемы могут поочередно, а не одновременно принимать и передавать данные по двухпроводной линии. Дуплексные модемы также работают на двухпроводную линию, но способны совмещать передачу и прием данных. Работа в дуплексном режиме требует от модема способности отделения принимаемого сигнала от отражения (эха) передаваемого сигнала. Это достигается или назначением для сигналов разного направления различных частотных диапазонов, разделяемых с помощью фильтрации, или подавлением эха, при котором синтезируется «эхо» — копия отраженного передаваемого сигнала и оно вычитается из принимаемого смешанного сигнала.
В традиционной телефонной связи существует два типа эха. Первое эхо — это отражение от ближней (входной) гибридной схемы телефонной станции, а второе эхо — от дальней (выходной) гибридной схемы. В процессе передачи сигнала на большое расстояние передаваемый сигнал подвергается преобразованиям несущей частоты с помощью гетеродина. Так как частоты гетеродинов в сети не совсем совпадают, несущая частота эхо-сигнала, отраженного от выходной гибридной схемы, может отличаться от несущей частоты передаваемого сигнала. В современных приложениях этот сдвиг может ухудшить степень подавления эхо-сигнала. Поэтому для схемы эхоподавления желательно компенсировать этот частотный сдвиг.
Для передачи по телефонным сетям синусоидальная несущая модулируется цифровым сигналом, в результате чего получается модулированный сигнал звуковой частоты. Частота несущей выбирается так, чтобы укладываться в пределы полосы частот телефонного канала. В режиме передачи модем модулирует цифровыми данными несущую частоту, в режиме приема модем детектирует звуковую несущую и выделяет из нее цифровые данные.
Цифровой сигнал может быть использован для модуляции амплитуды, частоты или фазы звуковой несущей, в зависимости от того, какая скорость передачи данных требуется. Эти три типа модуляции известны как амплитудно-манипулированная (amplitude shift keying — ASK), частотно-манипулированная (frequency shift keying — FSK) или фазоманипулированная (phase shift keying — PSK). В простейшем случае модулированная несущая в каждый момент времени имеет одно из двух фиксированных значений параметров, то есть одну из двух амплитуд, одну из двух частот или один из двух фазовых сдвигов. Эти два фиксированных значения представляют собой логический 0 или логическую 1.
При низких и средних скоростях передачи данных (до 1200 бит/с) используется частотная модуляция (FSK). Многофазные PSK используются при скоростях передачи данных от 2400 бит/с до 4800 бит/с. PSK более эффективно использует ширину диапазона, чем FSK, но ее реализация значительно дороже. ASK наименее эффективна и используется только для очень низких скоростей передачи (менее чем 100 бит/с). Для скоростей от 9600 бит/с до 33600 бпт/с используется комбинация PSK и ASK, называемая квадратурной амплитудной модуляцией (QAM).
Международный комитет по телеграфной и телефонной связи (ITTC) (CCITT во Франции) установил стандарты и спецификации для модемов, которые приведены на рис. 9.2.
Задача проектирования высокоэффективных модемов состоит в том, чтобы достичь максимально возможной скорости передачи данных по телефонным сетям общего пользования и избежать расходов на использование частных телефонных линий. Стандарт V.90, рекомендованный CCITT, описывает дуплексный режим работы (одновременные передача и прием) модема, работающего в сети POTS. Спецификация V.90 предусматривает передачу данных с телефонной станции на модем абонента со скоростью 56 000 бит/с с использованием импульсно-кодовой модуляции (РСМ). Поток данных от абонента к телефонной станции регламентируется стандартом V.34, рассчитанным на скорость до 33 600 бит/с (QAM).
Упрощенная блок-схема аналоговых модемов стандарта V.90 показана на рис. 9.3. Как следует из нее, большая часть обработки сигналов выполняется в цифровой форме. И приемная, и передающая части модема используют множество различных алгоритмов для цифровой обработки сигналов, для эффективного выполнения которых вполне могут использоваться современные процессоры.
Последовательный поток данных, предназначенных для передачи, сначала скремблируется (т. е. осуществляется перемежение данных, изменение порядка следования) и кодируется. Скремблирование позволяет получить из входного потока данных псевдослучайную последовательность. Цель скремблирования состоит в том, чтобы привести спектр передаваемых данных к спектру белого шума. Без скремблирования длинная последовательность идентичных символов могла бы привести к неверному опознаванию приемником несущей. Скремблирование приближает спектр передаваемых сигналов к белому шуму, способствуя более эффективному использованию ширины диапазона канала, облегчая восстановление несущей и временную синхронизацию и делая возможным адаптивную подстройку и подавление эхосигнала.
Скремблируемый битовый поток разделяется на группы бит, и уже группы сначала подвергаются дифференциальному кодированию, а затем — сверточному кодированию.
После этого полученные символы отображаются в пространство сигналов QAM в соответствии со стандартом V.34. Отображение сигнала позволяет получить две координаты: одну для действительной части QAM-модулятора и одну для его мнимой части. В качестве примера можно привести рис. 9.4, где точками показана совокупность значений ("созвездие") I и Q. Таким образом четыре бита кодируются посредством одного символа. Такой вид квадратурной модуляции называется 16-QAM. Более сложные совокупности I и Q используются в модемах стандарта V.90, и фактический размер этой совокупности адаптивно изменяется и определяется в процессе обучения, или во время установления связи, когда модемы синхронизируют между собой режимы приема и передачи сигналов.