Модуляция.

Для передачи данных на большие расстояния издавна используют телефонные сети общего пользования. Однако для непосредственной передачи цифровых данных обычные аналоговые телефонные линии непригодны – требуются модемы на сторонах обоих абонентов.

Связь может осуществляться следующими способами:

· дуплексный способ Передача и прием ведутся устройством одновременно по двум физически разделённым каналам связи

· полудуплексный (англ. half-duplex) способ связи устройство в один момент времени может либо передавать, либо принимать информацию. (разговор по рации)

· симплексный способ — способ односторонней связи, например радио

Бод (baud) — количество изменений состояния линии за одну секунду. В простейшем случае модуляции используются два состояния сигнала (например, две частоты), и тогда скорость передачи двоичной информации, определяемая как число бит, передаваемых за 1 секунду, bps (bit per second, бит/с), будет совпадать со скоростью передачи в бодах.

Однако в более эффективных методах модуляции применяют множество возможных состояний сигнала. Это позволяет одним состоянием сигнала кодировать несколько бит данных, в результате чего скорость передачи данных bps превышает скорость изменения сигнала baud. Конечного пользователя больше интересует эффективная скорость передачи полезной информации, которую измеряют в количестве переданных байт или символов за секунду — cps (characters per second). Казалось бы естественным соотношение cps == bps/8 (для восьмибитных символов), но на самом деле оно ниже за счет служебных бит (старт- и стоп-биты,) и накладных расходов протокола передачи.

Тем самым бодами выражают полную ёмкость канала.

Стандарты протоколов обмена для модемов устанавливает комитет CCITT (Consultative Committee on International Telephone and Telegraph) (Ранее занималась еще и фирма Bell Labs). Под протоколом подразумевается способ организации связи между двумя устройствами.

Наиболее распространены следующие способы модуляции:

· частотная модуляции (FSK — FrequencyShift Keying),

· фазовая модуляции (PSK — PhaseShift Keying)

· амплитуднофазовая модуляция (АФМ или QAM — QuadratureAmplitude Modulation).

Фазовая модуляции

При переходе от 0 к 1 фаза меняется на 180^о Единице соответствует положительный период в начале цикла, а нулю – отрицательный.

При способе фазовой манипуляции 4-ФМ сдвиг по фазе составляет 45°, при этом он кодируется следующим образом:

- для 11 — сдвиг +45° (π/4);

- для 10 —сдвиг+135° (3 π /4);

- при 00 — сдвиг +225° (-3 π/4);

- при 01 — сдвиг 315° (-π /4).

Фаза определяется с помощью измерения значения косинусоидального сигнала в начале периода.

Слева на рисунках показаны круговые диаграммы синусоидального сигнала. Изменение значения синусоидального сигнала сопоставляется со значением, изображаемым на круге. При этом с изменением времени воображаемый вектор (радиус, помещенный в центр круга) вращается против часовой стрелки. Точка на круге показывает значение синусоидального сигнала в данный момент времени. Нижняя точка на круге соответствует минимальному отрицательному значению амплитуды и сопоставляется с дискретной единицей, а высшая точка соответствует максимальному значению и отождествляется с дискретным нулем. Для диаграммы, показывающей четырехкратный сдвиг фазы, намечены 4 точки.

В отличие от амплитудной модуляции, фазовая манипуляция менее подвержена воздействию на уровень передачи (влиянию на амплитуду) и частоту. Она наиболее приспособлена к передаче многоуровневых сигналов, которые, как следует, позволяют повысить скорость передачи информации, не повышая линейную скорость в канале. Однако на нее сильно влияют индуктивные и емкостные параметры кабеля.

Форма модулированного сигнала при фазовой манипуляции определяется формулой

где Δφ = 2π/п — величина, на которую отличаются фазы соседних сигналов; m _n — симметричный n-уровневый сигнал в виде импульсов постоянного тока без возвращения к нулю, а значения уровней равны ±1, ±3 и т.д.

Последнее выражение легко приводится к виду:

Формула позволяет свести процесс фазовой манипуляции к комбинации амплитудной модуляции двух последовательностей сигналов.

Представление синусоидального колебания как линейной комбинации синусоидального и косинусоидального колебаний с нулевой начальной фазой называется квадратурным представлением.

Квадратурно-амплитудная модуляция

Квадратурно-амплитудная модуляция (КАМ) представляет собой дальнейшее развитие фазовой манипуляции. Как мы убедились, фазовая манипуляция может быть представлена как сумма двух амплитудно-модулированных сигналов, которые при сложении в канале дают фазово-модулированный сигнал.

Этот способ, названный способом квадратурного представления, получил дальнейшее развитие, когда каждый из каналов независимо друг от друга получает многоуровневый импульсный сигнал. В этом случае каждый уровень может кодироваться различной амплитудой в каждом (своем) канале, как в случае пространства сигналов системы 16-KAM. При этом амплитуды сигналов в каждом из каналов могут принимать 4 значения (уровня), а их комбинация дает 16 значений. Таким образом, можно кодировать 16-уровневый сигнал, что увеличивает информационную емкость сигнала в 4 раза (1 бод в этом случае равен 4 битам). В настоящее время уже существует 64-КАМ (в этом случае 1 бод равен 6 битам) и, следовательно, скорость возрастает в 6 раз, в перспективе — внедрение 128-КАМ.

Стандарты на модуляцию

Стандарт	Скорость, бит/с	Примечания
Bell 103		определяет асинхронное, полно-дуплексное соединение. Тип модуляции — FSK, каждому состоянию сигнала соответствует один бит. Нижний - используется вызывающим модемом для передачи своих данных, а верхний — для передачи информации от отвечающего модема. В нижнем подканале "1" передается с частотой 980 Гц, а "0" — 1180 Гц. В верхнем подканале "1" передается частотой 1650 Гц, а "О" — 1850 Гц
Bell 212A	1200 (600 бод)	В нем используется дифференциальная фазовая манипуляция (DPSK — Differential PhaseShift Keying) в каждом состоянии сигнала кодируются два бита данных
V.17	14 400, 1200, 9600,7200,4800	Полудуплекс (совместим с V.29) Факсимильный протокол
V.21		Из-за различий в используемых частотах несовместим с Bell 103, но алгоритм тот же. В нижнем подканале логический "0" передается частотой 1070 Гц, а "1" - 1270Гц, в верхнем подканале: "0"- 2025 Гц, "1" - 2225 Гц
V.22		Несовместим с Bell 212A, в частности, по способу ответа на вызов, но алгоритм тот же
V.22bis	2400(600 бод)	Слово bis означает "второй” В нем применяется амплитуднофазовая модуляция (QAM), в каждом состоянии сигнала кодируются четыре бита.
V.23	1200/75	В этом стандарте предусмотрена передача данных со скоростью 1200 бит/с в одном направлении и 75 бит/с — в обратном (т.е. он ассиметричный). В результате модем оказывается псевдодуплексным, т.е. он может обмениваться данными в обоих направлениях, но с разными скоростями. Стандарт V.23 был разработан для того, чтобы снизить стоимость модемов со скоростью передачи данных 1200 бит/с, которые в начале 80х годов были довольно дорогими.
V.29	9600,7200	В этом стандарте определяется полудуплексный (однонаправленный) способ передачи данных со скоростью 9600 бит/с. Обычно он используется в факсимильных аппаратах (факсах) так называемой группы III и очень редко — в модемах.
V.32	9600,4800 (2400 бод)	Это стандарт дуплексной (двунаправленной) передачи данных со скоростью 9600 бит/с. В нем определены методы коррекции ошибок и способы установления связи. Модуляция — амплитуднофазовая с так называемым ячеистым кодированием (TCQAM — Trellis Coded Quadrature Amplitude Modulation), каждому состоянию сигнала соответствуют четыре бита. При ячеистом кодировании вместе с каждой группой из четырех бит передается дополнительный контрольный бит. Помехоустойчивый.
V.32bis		Принят в 1991 году. В течение процедуры связи происходит обмен управляющими последовательностями и выбор скорости передачи. Режим асимметричной передачи не поддерживается, то есть скорости передачи и приема каждого взаимо­действующего модема должны быть одинаковы. (несущая равна 1800 Гц)
V.32fast	19 200	Расширение V.32bit.
V.34	28 800(3429бод)	Принят 20 сентября 1994 года. Скорость передачи данных выбирается из множества допустимых значений в диапазоне от 2400 до 28800 бит/с с шагом 2400 бит/с. Передача данных между двумя модемами V.34 может осуществляться не только с разными скоростями, но и на разных несущих частотах.
V.34+	33 600	Расширение V.34
V.90 (x2),V.92	56 000/33 600	Принят в феврале 1998 года. Цифровое подключение со стороны АТС.

В модемной связи важную роль играют протоколы коррекции ошибок, неизбежных в линии связи, и сжатия данных. Законодателем мод в этой области стала, фирма Microcom, по имени которой названо семейство протоколов MNP — Microcom Networking Protocol. Это семейство де-факто стандартных протоколов коррекции ошибок и сжатия данных включает 9 классов, определяющих различный сервис. Классы 2-4 предназначены для обеспечения безошибочной передачи, классы 5 и 7 — для сжатия данных, класс 6 — расширенный сервис, класс 9 — оптимизация протокольных процедур, класс 10 — адаптация к каналам связи, класс 8 — пропущен. Старшие классы обычно включают в себя и возможности младших. Дадим краткую характеристику этих классов.

· MNP-1. Асинхронный байт-ориентированный полудуплекс с минимальными требованиями к скорости процессора. Только исправление. Эффективность передачи данных — 70 % от обычного варианта, в модемы уже не включается.

· MNP-2. Асинхронный байт-ориентированный дуплекс. Только исправление. Эффективность — 84 %.

· MNP-3. Бит-ориентированный дуплекс с синхронной связью между модемами, асинхронный для пользователя. Эффективность — 108 % (254 cps при 2400 bps).

· MNP-4. Адаптивная сборка пакетов (длина пакета зависит от качества линии) и сокращение избыточности (повторяющаяся служебная информация удаляется из потока данных) Эффективность — 120 % (до 150 %).

· MNP-5. Сжатие данных в реальном времени. Эффективность — 150 %. На сжатых (ZIP, ARJ...) файлах снижает скорость передачи.

· MNP-6. Выполняет универсальное согласование связи — настройку скорости модема в диапазоне 300-9600 бод в зависимости от возможностей модема на другом конце линии. Симулирует дуплекс («статистический дуплекс»).

· MNP-7. Выполняет более эффективное сжатие данных, чем MNP-5. Эффективность — 300 %.

· MNP-9. Сокращает время на протокольные процедуры подтверждения приема сообщения и повторной передачи после ошибки.

· MNP-10. Коррекция ошибок. Борьба с плохими линиями: множественные агрессивные попытки установления связи, адаптация размера пакета к уровням помех, согласование и динамическое изменение скорости.

Еще существуют стандарты:

· V.42 — коррекция ошибок. На 20 % эффективнее MNP-4. Использует стандарт LAPM (Link Access Procedure for Modems) — протокол безошибочной передачи данных по телефонным линиям.

· VA2bis — сжатие данных. Включает в себя V.42 — коррекцию ошибок. На 35 % эффективнее MNP-5, не пытается сжимать уже сжатые данные.

Дата добавления: 2015-07-08