Реферат: Модемы и коммуникационные протоколы

Вопреки предсказанному спаду, связанному с введением цифровых сетей, в последние годы значительно расширилась сфера применения и увеличился объем выпуска модемов, предназначенных для организации передачи данных по телефонным каналам. Основной причиной этого стало существенное увеличение скорости передачи (до 40-60 кбит/с) при высокой надежности доставки информации, что делает экономичным использование широко доступных аналоговых телефонных каналов. Новыми областями применения модемов стали телематические службы (телетекс, электронная почта, видеотекст, телефакс и др.), связь между персональными компьютерами, локальными сетями, Internet.

Такой прогресс в области модемов стал возможен только благодаря тому, что за последнее десятилетие были разработаны новые методы модуляции и цифровой обработки сигналов (адаптивная коррекция, эхокомпенсация, сверточное кодирование и декодирование), введены в модемы коррекция ошибок и сжатие данных, найдены высокоэффективные способы реализации модемов на базе микропроцессоров (МП), цифровых сигнальных процессоров (ЦСП). В серийном производстве были освоены специализированные БИС для модемов, а также высокопроизводительные ЦСП, что позволило создать более совершенные модемы, имеющие меньшие габариты, вес, энергопотребление, стоимость и лучшие потребительские характеристики.

Модемы классифицируются, в основном, по величине скорости и типу канала, для которого они предназначены (выделенная или коммутируемая линия). Cовместимость модемов разных изготовителей обеспечивается соответствием их нормам международных Рекомендаций серии V Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии МККТТ. В таблице приведены основные характеристики модемов на разные скорости и соответствующие номера Рекомендаций, в которых изложены технические требования к модемам. При этом приняты следующие условные обозначения:

ЧМ – частотная модуляция;

ДОФМ, ТОФМ – двухкратная (4-позиционная), трехкратная (8-позиционная) относительная фазовая модуляция, соответственно;

КАМ-n – "n"-позиционная квадратурная амплитудная модуляция;

АФМ-n – "n"-позиционная амплитудно-фазовая модуляция;

КК – коммутируемый телефонный канал общего пользования;

КА – некоммутируемый, или арендованный телефонный канал;

дупл. – дуплексный;

п/дупл – полудуплексный;

фикс. – фиксированный;

автом. – автоматический

Скорость передачи данных, бит/с	300	1200	2400	1200	2400	2400	2400
Вид модуляции	ЧМ	ДОФМ	КАМ	ЧМ	ДОФМ	ДОФМ	ДОФМ
Тип канала связи	КК	КК	КК	КК	КА	КК	КК
Режим работы	Дупл.	Дупл.	Дупл.	П/Дупл.	П/ Дупл.	Дупл.	Дупл.
Тип корректора	–	Автом.	Автом.	Фикс.	Фикс.	Фикс.	Автом.
Рекомендация МККТТ	V.21	V.22	V.22bis	V.23	V.26	V.26bis	V.26ter

Скорость передачи данных, бит/с	4800	4800	9600	9600	14400	19200	33600
Вид модуляции	ТОФМ	ТОФМ	КАМ-16	АФМ-16	АФМ-128	АФМ-160	АФМ-256
Тип канала связи	КА	КК	КК	КК	КА	КА	KK
Режим работы	Дупл.	П/Дупл.	Дупл.	Дупл.	Дупл.	Дупл.	Дупл.
Тип корректора	Фикс	Автом.	Автом.	Автом.	Автом.	Автом.	Автом.
Рекомендация МККТТ	V.27	V.27ter	V.29	V.32	V.33	V.33	V.34+

Таблица 1

Аналоговые каналы тональной частоты характеризуются тем, что спектр передаваемого по ним сигнала ограничен диапазоном от 300 Гц до 3400 Гц. Именно это ограничение спектра и является основн ой преградой в использовании телефонных каналов для высокоскоростной передачи цифровой информации. Скорость передачи информации по каналу с ограниченным спектром не может превосходить ширины этого спектра, т.е. 3100 бод в нашем случае. Но как же тогда быть с модемами, передающими информацию со скоростями 4800, 9600, 14400 бит/с и даже больше? В аналоговой технике передачи данных бод и бит/с не одно и то же. Для прояснения этого тезиса стоит рассмотреть внимательнее физический уровень работы модема.

Электрический сигнал, распространяющийся по каналу, характеризуется тремя параметрами – амплитудой, частотой и фазой. Именно изменение одного из этих параметров, или даже совместно некоторой их совокупности в зависимости от значений информационных бит и составляет физическую сущность процесса модуляции. Каждому информационному элементу соответствует фиксированный отрезок времени, на котором электрический сигнал имеет определенные значения своих параметров, характеризующих значение этого информационного элемента. Этот отрезок времени называют бодовым интервалом. Если кодируемый элемент соответствует одному биту информации, который может принимать значение 0 или 1, то на бодовом интервале параметры сигнала соответственно могут принимать одну из двух предопределенных совокупностей значений амплитуды, частоты и фазы. В этом случае модуляционная скорость (еще ее называют линейной или бодовой) равна информационной, т.е. 1 бод= 1 бит/с. Но кодируемый элемент может соответствовать не одному, а, например, двум битам информации. В этом случае информационная скорость будет вдвое превосходить бодовую, а параметры сигнала на бодовом интервале могут принимать одну из четырех совокупностей значений, соответствующих 00, 01, 10 или 11.

В общем случае, если на бодовом интервале кодируется n бит, то информационная скорость будет превосходить бодовую в n раз. Но количество возможных состояний сигнала в трехмерном (в общем случае) пространстве – амплитуда, частота, фаза – будет равно 2ⁿ . Это значит, что демодулятор модема, получив на бодовом интервале некий сигнал, должен будет сравнить его с 2ⁿ эталонными сигналами и безошибочно выбрать один из них для декодирования искомых n бит. Таким образом, с увеличением емкости кодирования и ростом информационной скорости относительно бодовой, расстояние в сигнальном пространстве между двумя соседними точками сокращается в степенной прогрессии. А это, в свою очередь, накладывает все более жесткие требования к "чистоте" канала передачи. Теоретически возможная скорость в реальном канале определяется известной формулой Шеннона:

V = Flog (1+S/N) , где F – ши ри на полосы про пускания канала, S/N – отношение сигнал/шум.

Второй сомножитель и определяет возможности канала с точки зрения его зашумленности по достоверной передаче сигнала, кодирующего не один бит информации в бодовом интервале. Так, например, если отношение сигнал/шум соответствует 20 dB, т.е. мощность сигнала, доходящего до удаленного модема, в 100 раз превосходит мощность шума, и используется полная полоса канала тональной частоты (3100 Гц), максимальная граница по Шеннону равна 20640 бит/с.

Основной задачей модема является преобразование исходной цифровой информации в вид, пригодный для передачи по каналу связи, и обратное преобразование на приеме. Вид модуляции и метод построения модема в значительной степени определяют скорость передачи данных и эффективность использования канала связи. Применительно к передаче данных по телефонным каналам, виды модуляции, используемые в модемах, регламентируются МККТТ. В Рекомендациях МККТТ определены основные технические характеристики модема, такие, как форма спектра передаваемого сигнала, структура настроечной комбинации, образующий полином скремблера (дескремблера) и другие параметры, обеспечивающие совместимость модемов, выпускаемых разными изготовителями.

Качество работы модема определяется способностью противодействовать мешающим факторам, а, именно:

· Гауссовскому шуму;

· межсимвольной интерференции, вызванной неидеальностью передаточной функции канала связи;

· флуктуациям фазы несущей частоты, обусловленным низкочастотной паразитной модуляцией в генераторном оборудовании систем передачи с частотным разделением каналов.

Поэтому для повышения качества работы модема требуется применение оптимальных (либо близких к ним) алгоритмов обработки сигналов, позволяющих уменьшить влияние мешающих факторов.

Повышение эффективности использования канала связи, т.е. удельной скорости передачи (числа передаваемых бит на единицу полосы пропускания канала связи), требует применения в модеме следующих систем:

· адаптивного корректора сигнала для уменьшения межсимвольной интерференции в принимаемом сигнале;

· дискретного (или цифрового) формирователя спектра сигнала на передаче (в качестве его дополнительной функции может быть введение предыскажений с целью компенсации межсимвольной интерференции);

· скремблера (на передаче) и дескремблера (на приеме) для преобразования исходной последовательности данных в псевдослучайную и обратного преобразования на приеме;

· системы компенсации флуктуаций фазы несущей частоты,

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--