Види модуляції

Принципи функціонування модему

Цифрові технології передачі даних

Пристрій, призначений для обміну інформацією між віддаленими комп’ютерами по каналам зв’язку, прийнято називати модемом (МОдулятор+ДЕМодулятор). При цьому під каналом зв’язку розуміють фізичні лінії (провідникові, кабельні, радіо та ін.), спосіб їх використання (комутовані або виділені) і спосіб передачі даних. В залежності від типу каналу зв’язку пристрої прийому-передачі поділяють на радіомодеми, кабельні модеми і т.д..

Для точності формулювань відмітимо, що при обміні даними по цифрових каналах зв’язку термін “модем” стосовно пристроїв, які обслуговують такий обмін, не завжди коректний. Зокрема, модуляція цифрового сигналу не відбувається при використанні багатьох технологій цифрової передачі даних. В таких випадках доречно говорити нет про модем, а про адаптер. Але, для простоти, ми надалі у всіх випадках будем застосовувати термін “модем”.

Зважаючи на специфіку вітчизняного зв’язку, ми детальніше зупинимося на модемах, призначених для підключення до комутованих телефонних ліній зв’язку.

Цифрові дані, що поступають в модем із комп’ютера, перетворюються в ньому шляхом модуляції (по амплітуді, частоті, фазі) у відповідності з вибраним стандартом (протоколом) і направляються у телефонну лінію. Модем-приймач, який розуміє даний протокол, проводить зворотнє перетворення (демодуляцію) і пересилає відтворені цифрові дані у свій комп’ютер. Таким чином, для забезпечення стійкого зв’язку необхідно, щоби ваш модем підтримував загальновживаний протокол, був підключений безпосередньо до комп’ютера, а лінія зв’язку по своїх параметрах могла пропускати модульовані сигнали [1].

2.3.2.1 Частотна модуляція

Коли нулі передаються сигналом однієї частоти, а одиниці – іншої, ми маємо справу з частотною модуляцією (ЧМ). Частотна модуляція реалізується найпростіше і працює досить надійно, але має межу пов’язану з тим, що полоса пропускання телефонного каналу дуже мала. Теоретично вона складає всього 4кГц, але через те, що на початку і в кінці полоси пропускання великі нелінійні спотворення, реально доступний діапазон від 300Гц до 3400Гц. А це означає, що навіть якщо весь період сигналу віддати одному біту, то швидкість передачі не може перевищувати половини полоси пропускання. Тому, якщо би в модемах використовувалась тільки частотна модуляція, то вони до сьогоднішнього дня працювали б зі швидкістю 1200-1500біт/сек. Зато на малих швидкостях частотна модуляція працює дуже надійно.

Цей вид модуляції був закріплений стандартом V.21 і застосовувався у ранніх модемах, хоча не забутий і сьогодні. Саме в такому режимі сучасні модеми починають свою роботу. Виходячи на зв’язок модем ще “не знає”, якими властивостями володіє його партнер, і двом модемам потрібний який-небудь переговорний процес для узгодження параметрів подальшої роботи. Тому у перший момент модеми обмінюються посилками на низькій швидкості, модульованими по частоті.

2.3.2.2 Амплітудна модуляція

Якщо нулі передаються сигналами однєї гучності, а одиниці – іншої, то це амплітудна модуляція (АМ). Технічно створити амплітудну модуляцію ще простіше, ніж частотну, але надійність передачі при цьому мала, тому амплітудну модуляцію використовують дуже обмежено. У сучасних модемах її використовують разом з фазовою модуляцією для того, щоби передати більше інформації (більше одного біта даних) в одному періоді сигналу.

2.3.2.3 Фазова і фазочастотна модуляція

Метод фазової модуляції (ФМ) базується на тому, що якщо два гармонійних (синусоїдальних) сигнали мають зсув по фазі, то його можна виявити, заміряти і використати для передачі даних. Хоча в телефонних мережах є пристрої, здатні спотворити фазу сигналу, тим не менше, цей метод модуляції дозволяє впевненіше виділяти корисні дані на фоні шуму, ніж амплітудна і частотна модуляція.

За допомогою фазової модуляції можна закодувати в одному періоді сигналу декілька біт інформації. Наприклад, зсуву в 0^о можна присвоїти двохбітне значення 00, зсуву у 90^о – значення 01, зсуву в 180^о – значення 10, а зсуву в 270^о – значення 11 (рис.2.7).

Рисунок 2.7 - Зсув синусоїдального сигналу по фазі

Зверніть увагу на те, що зсув по фазі для одного сигналу не має змісту – обов’язково потрібна пара сигналів, щоби було що порівнювати. В модемах замірюється зсув по фазі чергового сигналу відносно попереднього. Таким чином, грає роль не те, яка у даного сигналу фаза, а який перехід пройшов у фазі при прийомі чергового сигналу. Якщо попередній сигнал мав фазу 0^о, а наступний фазу 90^о, то це те ж саме, що і перехід від 180^о до 270^о, і, відповідно, те ж, що і перехід від 270^о до 0^о. Тому, фазову модуляцію ще дуже часто називають фазорізницевою модуляцією. Цим підкреслюють що вимірюють не фазу, а різницю фаз між двома послідовними сигналами і по ній визначають, які були передані дані.

2.3.2.4 Фазові діаграми

Фазова діаграма – це графічний спосіб представлення методу фазорізницевого кодування. Фазова діаграма будується на так звані1й фазовій площині, і має полярну систему координат. Точки фазової діаграми мають дві координати: кут повороту (φ) і радіус-вектор (r). Кут повороту відповідає фазовому зсуву сигналу, а модуль радіус-вектора відповідає амплітуді сигналу.

Якщо модем розрізняє чотири різних фазових зсуви з точністю до 90^о, то одним зсувом можна закодувати два біти даних (так званий дибіт). Якщо модем здатний розрізнити вісім різних фазових зсувів з точністю до 45^о, то одним зсувом можна закодувати три біти даних (трибіт). На перший погляд хочеться і далі збільшувати кількість дозволених фазових станів, щоби в одному періоді сигналу кодувати квадробіт (чотири біти) і більше, але у всього є межа, оскільки в будь-якій лінії є шуми.

Точки на фазовій діаграмі, які відповідають стану сигналу в той чи інший момент часу, називаються точками стану. Через шуми, які є в лінії, реальні сигнали не лягають точно в точки стану, а розсіюються кругом них у вигляді деякої випадкової хмарки.

Коли точок стану мало, вони знаходяться далеко одна від одної, і модем може розібратись, до якої точки відноситься той чи інший сигнал. Але чим більше біт даних закодовано в одному сигналі, тим більше в ньому точок стану і тим важче модему розрізнити до якої ж точки із декількох можливих відноситься той чи інший сигнал. Тому на зашумлених лініях модем може збиватись. Щоби цього не відбувалось, застосовують спеціальні заходи і дуже вишукані методи. Вони базуються на складній математиці. За допомогою математичних методів вдається в одному періоді сигналу закодувати не три-чотири, а вісім, десять, дванадцять і навіть більше біт даних.

2.3.2.5 Амплітудно-фазова модуляція

Амплітудно-фазова модуляція – це поєднання двох методів модуляції. Її мета зрозуміла – створити на фазовій діаграмі як можна більше точок і при тому зробити їх віддаленими одна від одної. Якщо точки стану рознести ще і по амплітуді, то можливих значень стане більше (рис.2.8).

В принципі, можна виділити 16 різних точок стану і, тим самим закодувати в одному сигналі квадробіт (чотири біта). Але амплітуда сигналу піддається в телефонних лініях найбільшим спотворенням і тому її використовують обмежено. Тут важливо зрозуміти, що не всі можливі точки стану є роздільними.

Рисунок 2.8 - Фазова діаграма

2.3.2.6 Діаграми стану

В сучасних модемах застосовують решітчату модуляцію(не тільки в модемах, але й у цифровому та супутниковому телебаченні), а її сигнал краще розглядати не в полярних, а в прямокутних координатах (рис.2.9).

Перехід від полярних координат до прямокутних виконується математичним перетворенням, яке називається квадратурним. Відповідно, амплітудно-фазову-модуляцію, представлену не у вигляді фазової діаграми, а у вигляді діаграми стану, називають квадратурно-амплітудною модуляцією(КАМ), хоча фізична суть модуляції при цьому не змінюється. Так само інформація кодується амплітудою і фазовим зсувом сигналу. Можна рахувати, що КАМ – це інша назва амплітудно-фазової модуляції.

В залежності від кількості точок стану розрізняють КАМ-4, КАМ-8, КАМ-16 і т. д.. Чим більше точок стану, тим більше бітів даних можна посадити на один бод і тим вища інформаційна швидкість модему. Але в той же час тим більша ймовірність збою при прийомі, адже чим ближче одна до одної розміщуються точки діаграми стану, тим важче приймаючому модему “вгадати”, до якої ж точки насправді відноситься реальний сигнал, якщо він попав між декількома точками.

Рисунок 2.9 - Діаграми стану

2.3.2.7 Решітчата модуляція

Бажання збільшити число точок на діаграмі стану зрозуміло, але без спеціальних методів неможливо. В якості такого методу застосовують решітчасте кодування – Трелліс-кодування. Його зміст полягає в наступному. По-перше, спочатку використовують завідомо більшу, ніж потрібно, діаграму стану, що дозволяє передати одному боді більше біт даних (звичайно додатково вводять два біта). В результаті точки стану лягають так близько одна до одної, що помилки здавалось би неминучі. Однак не всі точки стану роблять дозволеними. Інформація про те, які точки стану дозволені і передається в цих додаткових бітах.

Приймаючий модем визначає амплдітуду і фазу прийнятого сигналу і пробує підібрати до них найближчу точку стану. Якщо вона дозволена(а він знає про це з результатів декодування попереднього символа, то все в порядку. Якщо ж вона не дозволена, то він розуміє, що відбулась помилка і починає по спеціальному алгоритму, який називається алгоритмом Вітербі, перевіряти інші точки стану. При цьому є велика (хоча і не стовідсоткова) ймовірність, що він знайде саме ту точку, яку потрібно.

На перший погляд, доцільності у такій операції не дуже багато, оскільки якщо з однієї сторони збільшується кількість точок на діаграмі стану, то з іншої сторони вводяться додаткові службові біти, які також треба кодувати і передавати. Дійсно, на дуже якісних, тестових лініях зв”язку, які вносять мало перешкод, виграшу від таких перетворень немає. Зате на реальних лініях зв”язку виграш є при тому дуже істотний. Виграш тим помітніший, чим гірші параметри лінії зв’язку.

Трелліс-кодування було введено в модемах, які працюють по протоколах V.32 I V.32bis. Воно дозволило довести інформаційну швидкість до 14400 б/с, працюючи на бодовій швидкості 2400 бод.

В модемах V.32 I V.32bis Трелліс-кодування називається плоским або двомірним. Це зрозуміло, адже на фазовій діаграмі у нас тільки дві координати: фаза і амплітуда.

В модемах V.32 I V.32bis (33600 б/с) застосовано складніше, чотиримірне трелліс-кодування. На справді параметрів модуляції лишається два: фаза і амплітуда, але на одну діаграму виносяться фази і амплітуди від двох послідовно передаваних символів, і координат стає чотири. Ми не показуємо, як виглядає діаграма стану в чотиримірному просторі, але скажемо, що при цьому математичним перетворенням згортки вдається ще дальше рознести одна від одної точки стану, що дозволяє кодувати в одному боді дуже довгі бітові групи і досягати високих інформаційних швидкостей.

Підводячи підсумок сказаному, відмітимо, що сучасний модем виконує величезну кількість математичних операцій. По своїй операційній потужності він приблизно рівний комп”ютеру третього покоління.

2.3.2.8 Байти, біти, боди і символи

Мета розробки і впровадження досконаліших методів модуляції очевидна: зробити так, щоби “посадити”на один період хвилі сигналу як можна більше даних, а для цбого нам потрібно зрозуміти, як вимірюються дані і швидкість їх передачі.

В комп”ютері дані прийнято вимірювати байтами. В пристроях, які проводять паралельну передачу даних, швидкість передачі вимірюється в байтах в секунду. До таких пристроїв відносяться, наприклад, всі пристрої, що підключаються до паралельного порту. В них одночасно по групі провідників передаються відразу вісім бітів, які складають байт. Відразу скажемо, що телефонний модем до них не відноситься. Через нього дані передаються послідовно - біт за бітом. Тому вимірювати пропускну здатність (продуктивність модему) в байтах в секунду не принято, тільки в бітах в секунду.

Бодами вимірюють частоту зміни стану сигналу. В цьому сенсі ні один аналоговий модем не може мати продуктивність більше, ніж 3400 бод. Але оскільки одним періодом сигналу кодується далеко не один біт даних, то сигнал отримує дуже складну форму, а далі все просто. Якщо, наприклад, при швідкості 2400 бод в одному періоді сигналу закодовано 2 біти, то продуктивність модему –4800 біт/с, якщо три біта – 7200 біт/с і т.д.. В деяких випадках групу бітів, що передається одним бодом називають символом. Але не треба плутати цей символ з тими інформаційними символами, з яких складаються тексти повідомлень. Рахуйте, що це технічні символи. В такому технічному символі може бути довільне число біт, наприклад, 6, 7 або 12.

Не всі ці біти інформаційні. Деякі з них службові і призначені не для передачі даних, а для передачі відомостей про те, які точки стану є дозволеними при передачі наступного символа.

Так, наприклад, якщо бодова швидкість модема рівна 2400 і розмір символа рівний восьми бітам, із яких тільки шість біт інформаційні, два біта службові, то інформаційна швидкість модема рівна: 2400´6 = 14400 біт/с.

Дата добавления: 2014-11-25