Доклад: Устройство современных модемов
> Спектральная плотность мощности передаваемого сигнала должна быть, по возможности, постоянной и сосредоточенной в заданной области частот с целью снижения взаимного влияния каналов.
Приведенные требования должны выполняться независимо от структуры передаваемого сообщения. Поэтому в синхронных модемах исходная последовательность двоичных посылок часто подвергается определенной обработке. Смысл такой обработки состоит в получении последовательности, в которой статистика появления нулей и единиц приближается к случайной, что позволяет удовлетворить двум названным выше требованиям.
Одним из способов такой обработки является скремблирование (scramble — перемешивание). Скремблирование — это обратимое преобразование структуры цифрового потока без изменения скорости передачи с целью получения свойств случайной последовательности. Скремблирование производится на передающей стороне с помощью скремблера, реализующего логическую операцию суммирования по модулю два исходного и псевдослучайного двоичных сигналов. На приемной стороне осуществляется обратное преобразование — дес-кремблирование, выполняемое дескремблером. Дескремблер выделяет из принятой последовательности исходную информационную последовательность. На рис. 2. 6 показано включение скремблера и дескремблера в канал связи.
Основной частью скремблера является генератор псевдослучайной последовательности (ПСП) в виде линейного и-каскадного регистра с обратными связями, формирующий последовательность максимальной длины 2"—1. Различа-
Рис. 2. 6. Схема включения скремблера и дескремблера в канал связи
Рис. 2. 7. Схема скремблирования с самосинхронизацией
ют два основных типа скремблеров-дескремблеров — самосинхронизирующиеся и с начальной установкой (аддитивные)
Схема пары самосинхронизирующихся скремблер-дескремблер представлена на рис. 2. 7. Особенностью самосинхронизирующего скремблера является то, что он управляется самой скремблированной последовательностью, т. е. той, которая поступает в канал. Поэтому в данном случае не требуется специальной установки состояний скремблера и дескремблера, поскольку они оказываются идентичными в результате записи в их регистры сдвига скремблированной пос-тедовательности.
При потере синхронизма между скремблером и дескремблером время его восстановления не превышает числа тактов, равного числу ячеек регистра скремблера. На приемной стороне выделение информационной последовательности происходит сложением по модулю два принятой скремблированной последовательности с псевдослучайной последовательностью (ПСП) регистра Например, для схемы, изображенной на рис. 2. 7, входная последовательность а „ с помощью скремблера в соответствии с выражением Ьп=а „Ф (Ь „_бФ Ь „_7)
преобразуется в двоичную последовательность Ь „, посылаемую в канал. В приемнике из этой последовательности таким же регистром сдвига, как и на передаче, формируется последовательность
а^=Ьп (В (Ьп_вф Ь „_7),
которая идентична последовательности a „. Это легко проверяется при преобразовании первого выражения к виду
д „=Ь „Ф (Ь „_бФ fon-z) -и сравнении полученного выражения с предыдущим.
Рис. 2. 8. Схема скремблирования с начальной установкой
Рис. 2. 9. Спектр сигнала до (а) и после (б) скремблирования
Одним из недостатков самосинхронизирующих скремблеров-дескремблеров является присущее им свойство размножения ошибок. Так, для схемы на рис. 2. 7 при одной ошибке в последовательности Ь „ ошибочными оказываются также 6-й и 7-й символы. В общем случае влияние ошибочно принятого бита будет проявляться а раз, где а — число обратных связей. Данный недостаток ограничивает число обратных связей в регистре сдвига, которое практически не превышает а=2, т. е. полином регистра является триномом вида x"+ x"+ \. Второй недостаток самосинхронизирующихся скремблеров связан с возможностью появления на его входе так называемых "критических ситуаций", когда выходная последовательность приобретает периодический характер с периодом, меньшим длины ПСП. Для предотвращения таких ситуаций в скремблере и дескрембле-ре согласно рекомендациям ITU-T предусматриваются специальные дополнительные схемы контроля, которые выявляют периодичность элементов на входе и нарушают ее.
Недостатки, присущие самосинхронизирующим скремблеру-дескремблеру, практически отсутствуют при аддитивном скремблировании (рис. 2. 8).
Однако в этом случае требуется предварительная идентичная установка состояний регистров скремблера и дескремблера. В скремблере с начальной установкой, как и в самосинхронизирующем скремблере, производится суммирование входного сигнала и ПСП, но результирующий сигнал не поступает на вход регистра. В дескремблере скремблированная последовательность также не проходит через регистр сдвига, поэтому размножения ошибок не происходит. Суммируемые в скремблере последовательности независимы, поэтому критических ситуаций не наступает. Отсутствие эффекта размножения ошибок и необходимость специальной защиты от нежелательных ситуаций делают способ аддитивного скремблирования предпочтительнее и экономически эффективнее, если не учитывать затрат на решение задачи взаимной синхронизации пары скрем-блер-дескремблер.
Рассмотрим влияние скремблирования на энергетический спектр двоичного сигнала. На рис. 2. 9, а изображен пример энергетического спектра для периодического сигнала с периодом Т, содержащим 6 двоичных элементов с длительностью То. После скремблирования ПСП сМ=2"—1 элементами спектр существенно "обогащается" (рис. 2. 9, б). В примере число составляющих спектра увеличилось в М раз, одновременно уровень каждой составляющей уменьшается в такое же число раз.
2. 4. Эхо-подавление
Организация дуплексной высокоскоростной передачи является не простой задачей при использовании коммутируемых каналов с двухпроводным окончанием. В отличие от выделенных четырехпроводных каналов (рис. 2. 10, а), характерной особенностью телефонного канала КТСОП является наличие участков перехода двухпроводной части канала в четырехпроводную. Переход осуществляется при помощи дифференциальных систем (ДО, обеспечивающих необходимое затухание по встречным направлениям передачи. Если эти затухания очень велики, то схему связи можно практически считать четырехпроводной, представляещей собой электрически разомкнутую систему. Однако идеальных дифференциальных систем не существует. В результате, как и во всякой электрически замкнутой системе, в двухпроводном телефонном канале присутствуют токи обратной связи, вызывающие искажения амплиту дно-частотных и фазочастотных характеристик прямого и обратного каналов. В каче-
Рис. 2. 10. Схема телефонных каналов с четырехпроводным (а) и двухпроводным окончанием (6) с путями прохождения эхо-сигналов (1, 2, 3)
Рис. 2. 11. Схема мостовой трансформаторной дифференциальной системы
стве примера на рис. 2. 10, б приведена типичная схема модемного канала с тремя дифференциальными системами и, соответственно, тремя путями прохождения эхо-сигналов. Собственный отраженный и задержанный сигнал поступает на вход демодулятора, являясь для него помехой. Чем большей задержкой обладает эхо-сигнал, тем труднее с ним бороться.
Рассмотрим один из возможных вариантов дифференциальных систем — мостовую трансформаторную дифференциальную систему (рис. 2. 11). Такая дифференциальная система будет обеспечивать достаточное затухание (более 50 дБ) во встречных направлениях приема-передачи лишь при условии выполнения ее баланса. Однако обеспечить точный баланс не так просто, как может показаться на первый взгляд. Причиной этому является как изменения комплексных сопротивлений двух- (zznp) и четырехпроводных (7прд4 и znpM4) линий, так и их несоответствие номинальным значениям. Это происходит вследствие, например, неодинаковой длины и различного качества абонентских линий, или в случае параллельного подключения модема к телефонному аппарату.
Известны так называемые самобалансирующиеся дифференциальные системы, автоматически подстраиваемые под параметры используемой линии связи. Их рассмотрение выходит за рамки данной книги. Стоит лишь отметить, что они представляют собой достаточно сложные электронные устройства.
Рис. 2. 12. Схема эхо-компенсатора
Для борьбы с электрическим эхом возможно использование следующих методов:
> частотное разделение каналов;