АРХИВ СТАТЕЙ ЖУРНАЛА «МОЙ КОМПЬЮТЕР» ЗА 2003 ГОД

Вариации на тему модуляции

• Все журналы \ Номер 49/272 `2003 от 09.12.2003 \ Вариации на тему модуляции

Александр ТУРИЛО

Многим из нас хоть раз в жизни да приходилось подключать модем к своему любимому настольному другу. Одни модемы сразу после установки цепко и уверенно держат линию, другие по истечении нескольких часов упорного сопротивления сдаются, третьи будут долго и усердно играть на наших нервах…

Модные модуляции

Затрагивая такую обширную тему, как коммутируемое соединение, грех будет не сказать пару слов о методе «общения» модемов по обычному двужильному телефонному кабелю. Здесь следует отметить, что модем, в первую очередь, служит для модуляции данных, которые он «насаживает» на несущий сигнал (рис. 1), последний при минимальном коэффициенте затухания преодолевает расстояние между «общающимися» модемами.

Итак, передаваемая модемами информация модулируется с помощью дополнительного сигнала. Существует несколько способов модуляции.

Частотная модуляция (ЧМ). В этом случае при передаче цифровых данных нули передаются сигналом одной частоты, а единицы — другой. Данный вид модуляции реализуется проще всего, причем работает весьма надежно. Но из-за того, что полоса пропускания достигает всего 4 кГц, с учетом нелинейных искажений в начале и конце этой же полосы пропускания получаем диапазон от 300 Гц до 3400 Гц. А это означает, что если отдать весь период сигнала одному биту, то скорость передачи не превысит даже половины полосы пропускания. Т.е. если бы при передачи данных использовался только этот вид модуляции, то скорость не превысила бы даже 1.2 Кбит/с. Поэтому частотная модуляция широко применяется на первой стадии подключения (протокол V.21), когда модемы «договариваются» о дальнейшем сотрудничестве.

Амплитудная модуляция (АМ). В этом случае нули передаются сигналом одной громкости (амплитуды сигнала), а единицы — другой. Надежность такой передачи данных очень мала. Для более эффективной передачи данных в одном периоде сигнала амплитудную модуляцию в современных модемах сочетают с фазовой модуляцией.

Сдвиг по фазе

Фазовая и фазоразностная модуляция (ФМ). Суть ФМ заключается в том, что один из двух синусоидальных сигналов имеет некоторый сдвиг по фазе, и этот сдвиг при помощи другого сигнала можно замерить и использовать для передачи данных. Например, в одном периоде сигнала можно закодировать несколько бит информации: сдвигу на 0 градусов можно присвоить двухбитное значение 11, сдвигу на 90 градусов — 10, на 180 градусов — 10, на 270 градусов — 00 (рис. 2. Сдвиг по фазе двух сигналов на 90 градусов.).

Нужно обратить внимание читателя на то, что сдвиг по фазе очередного сигнала замеряется относительно предыдущей фазы. Другими словами, при передачи данных важно не то, какая у сигнала фаза, а какой переход был с одной фазы в другую. Поэтому фазовую модуляцию еще очень часто называют фазоразностной модуляцией.

Для более наглядного представления ФМ изобразим фазовую диаграмму в полярной системе координат. Точки фазовой диаграммы имеют две координаты: угол поворота (ц, соответствует фазовому сдвигу сигнала) и радиус-вектор (r, соответствует амплитуде сигнала). На рисунке 3а изображена фазовая диаграмма с четырьмя фазовыми сдвигами в 90 градусов. Если модем способен различать восемь разных фазовых сдвига, то в одной амплитуде сигнала можно закодировать три бита (рис. 3b). Конечно же, каждому здраво мыслящему человеку захотелось бы увеличить число фазовых сдвигов, тем самым повысив число передаваемых битов. Но везде есть свой предел, и в этом случае нас ограничивает зашумленность линии: ведь в реальности сигнал не попадает прямо в точки состояния, а ложится вокруг них в виде некого облака (рис. 3с). Таким образом, чем больше точек состояния, тем труднее модему разобраться, какое положение сигнала принадлежит той или иной точке состояния, и тем больше вероятность ошибки. Казалось бы, все, это придел. Но нет! Благодаря использованию математических вычислений в одном периоде сигнала можно передать не три-четыре, а десять, шестнадцать и даже больше бит данных!

Высшая математика

Амплитудно-фазовая модуляция (АФМ). Принцип АФМ основан на ФМ, но размещение точек состояния зависит еще и от амплитуды сигнала (рис. 4). В принципе, здесь можно выделить 16 разных точек состояния, т.е. в одном периоде сигнала закодировать четыре бита (квадробит).

Поскольку амплитуда сигнала в телефонных линиях подвергается наибольшему искажению, возникают т.н. запрещенные точки, т.е. точки, которые модем может не правильно распознать. Чтобы избежать этого, в очередную группу бит данных подмешиваются специальные биты, по которым принимающий модем определяет, какие точки являются запрещенными.

Решетчатая модуляция (РМ). РМ широко используется не только в современных модемах, но и в спутниковом и цифровом телевидении. В этом случае информация по-прежнему кодируется амплитудой и фазовым сдвигом сигнала. Но модуляцию сигнала в этом случае нужно рассматривать не в полярной, а в прямоугольной системе координат. Для перехода из полярной в прямоугольную систему применяют сложное квадратурное математические преобразование. Соответственно, амплитудно-фазовую модуляцию, представленную не в виде фазовой диаграммы, а в виде диаграммы состояния, называют квадратурно-амплитудной модуляцией (КАМ) (рис. 5 КАМ с четырьмя точками состояния.). В зависимости от числа точек состояния различают КАМ-4, КАМ-8, КАМ-16 и т.д.

Желание увеличить число бит данных в одном боде (единица измерения частоты переключения сигнала в устройствах связи) понятно и естественно, но без специальных методов это невозможно. Один из таких методов — это решетчатое кодирование, или т.н. треллис-кодирование. Суть его заключается в том, что используют большую, чем нужно диаграмму состояния, что в свою очередь, позволяет в одном боде передать больше бит. Но с увеличением числа точек состояния, как было сказано выше, возрастает вероятность ошибки. Чтобы избежать этого негативного явления, в очередной порции данных вводятся разрешенные и не разрешенные точки, модемы заблаговременно договариваются о них. Таким образом, приняв очередной сигнал, модем определяет, какой точки состояния он принадлежит. Если сигнал попал в разрешенную точку, то все в порядке, ну а если в не разрешенную, то модем понимает, что произошла ошибка, и начинает по специальному алгоритму Витерби проверять остальные точки диаграммы, чтобы все-таки найти соответствующую точку.

На первый взгляд, смысла в подобном кодировании очень мало. Но это на первый взгляд… Пользы от него тем больше, чем хуже качество линии связи.

Модулированный итог

Вот мы и рассмотрели наиболее используемые виды модуляции в современных модемах. На их основе базируется множество протоколов передачи данных, которые мы рассмотрим в других статьях этого цикла.

И в заключение хотелось бы добавить, что современный модем, выполняющий сложнейшие математические операции, можно было бы приравнять к компьютеру третьего поколения, который в свое время стоил не малые деньги. Но благодаря стремительному развитию техники мы уже сегодня можем купить его за несколько десятков зеленых…

Идёт загрузка...

Данную страницу никто не комментировал. Вы можете стать первым.

Ваше имя:
Ваша почта:
Комментарий:
Введите символы или вычислите пример: * Обновить