Введение в новейшие телекоммуникационные технологии

1.3. Модуляция и кодирование при передаче данных

Передача данных уже на самых ранних этапах использовала цифровые подходы (например, коды Бодо). Понятно, что когда информация предназначена непосредственно для человека, она должна быть соответствующим образом преобразована. Это прежде всего относится к передаче голоса. По каналам связи передаются, как правило, модулированные сигналы. Несущая частота передачи, (например, при трансляции по радиоканалу) на порядок превосходит частоты голосового сигнала. Модуляция позволяет решить проблему согласования частот. Но следует иметь в виду, что модуляция используется не только в радиоканалах. Современные цифровые методы передачи также немыслимы без применения модуляции.

Человек - аналоговое устройство с точки зрения средств коммуникаций, которыми он располагает. Элементы цифровой техники можно обнаружить лишь на глазном дне.

Существует множество различных видов модуляции. Исторически первыми появились аналоговые способы модуляции: амплитудная, частотная, фазовая и различные их комбинации. Это было связано с технологической простотой их реализации. Цифровые методы стали использоваться лишь около 50 лет назад.

Для преобразования частот используется перемножение сигналов. Пусть мы имеем два синусоидальных сигнала: и . Из тригонометрии известно, что

( 1.3)

Это означает, что в результате перемножения вместо двух частот и мы имеем две новые частоты и с амплитудой . Если входной сигнал имеет полосу , то после перемножения с сигналом, имеющим частоту (несущая частота), получим сигнал с полосой в интервале от до . Это преобразование проиллюстрировано на рис. 1.3 (по вертикальной оси отложена спектральная плотность сигнала ). На практике это преобразование выполняется с помощью смесителей или гетеродинов, частота называется сигналом гетеродина или несущей.

Рис. 1.3. Частотное преобразование

Получение исходного сигнала из преобразованного достигается путем обратного преобразования, которое сводится к умножению полученного сигнала на , где . При таком обратном преобразовании мы получим сигнал с исходным частотным диапазоном. Помимо этого будет получен сигнал с полосой от до . Так как обычно много больше , серьезных проблем это не вызывает - достаточно воспользоваться соответствующим фильтром. Этому методу обратного преобразования присущи некоторые недостатки. Если сигнал имеет фазовый сдвиг по отношению к тому, что имел сигнал, использованный при прямом преобразовании, то амплитуда выходного сигнала будет пропорциональна . Понятно, что при вариации фазы амплитуда будет меняться, а при станет нулевой. По этой причине должны быть предприняты специальные меры для синхронизации этих сигналов ( передатчика и приемника).

Синхронизация передатчика и приемника в каналах коммуникаций является одной из важнейших задач.

Соотношение (1.1) используется при реализации амплитудной, частотной или фазовой модуляции. Так, в случае амплитудной модуляции, при временной вариации будет изменяться и амплитуда выходного сигнала ( - амплитуда несущей частоты при этом остается постоянной; при этом может также варьироваться). Форма сигнала на выходе такого преобразователя имеет вид . Для получения формы исходного сигнала на принимающей стороне используется схема детектора, на выходе которого получается сигнал, пропорциональный модулю огибающей функции входного сигнала. Существуют и другие методы демодуляции амплитудно-модулированного сигнала. Главным недостатком метода амплитудной модуляции является возможность нелинейных искажений из-за перемодуляции (когда амплитуда модулирующего сигнала слишком велика).

При частотной и фазовой модуляции амплитуда передаваемого сигнала остается почти постоянной, что исключает нелинейные искажения, связанные с широким динамическим амплитудным диапазоном. Выходной сигнал для этого вида модуляции имеет вид , где зависит от формы преобразуемого входного сигнала. Часто используется комбинация амплитудной и фазовой модуляции, которая носит название квадратурной модуляции.

Системы передачи данных с амплитудной или частотной модуляцией являются аналоговыми системами и по этой причине весьма чувствительны к шумам на входе приемника.

Применение цифровых методов пересылки информации увеличивает вероятность корректной доставки. Если для аналоговой передачи требуется отношение "сигнал/шум" на уровне 40-60 дБ, то при цифровой передаче достаточно 10-12 дБ.

Выбор типа модуляции зависит от стоящей задачи и от характеристик канала (полосы пропускания, ослабления сигнала и т.д.). Частотная модуляция менее чувствительна к амплитудным флуктуациям сигнала. Ослабление сигнала может варьироваться во времени из-за изменений в транспортной среде, что довольно типично для коммутируемых телефонных сетей. В любом случае на передающей стороне необходим модулятор, а на принимающей - демодулятор. Так как обмен обычно двунаправлен, эти устройства объединяются в одном приборе, который называется модемом.

В модемах применимы несколько видов модуляции (Таблица 1.1).

В QAM -модуляции используется 8/16 комбинаций "амплитуда-фаза" (см. рис. 1.4). Понятно, что такой тип модуляции более уязвим для шумов.

Если имеется субъектов, которые хотят осуществлять обмен информацией в одном и том же частотном диапазоне, они должны осуществлять обмен по очереди (метод мультиплексирования по времени - TDM) или передаваемые ими сигналы должны отличаться каким-то еще параметром помимо частоты (например, амплитудой или направлением излучения). Если это условие не выполнено, весьма вероятно искажение данных при доставке. Вы наверняка сталкивались с этим, когда за праздничным столом пытаются говорить сразу несколько человек.

Таблица 1.1.

FSK	(Frequency Shift Keying) - ступенчатое переключение частоты синусоидального сигнала от к при неизменной амплитуде; частоте ставится в соответствие логический нуль, а - логическая единица
BPSK	(Binary Phase-Shift Keying) - скачкообразное переключение фазы синусоидального сигнала на при неизменной амплитуде; при этом фазе 0 ставится в соответствие логический нуль, а - логическая единица
DPSK	(Differential Phase Shift Keying) - метод, при котором изменяется фаза несущей частоты при постоянной амплитуде и частоте. Разновидность PSK, при которой кодируется лишь изменение сигнала
QAM	(Quadrature Amplitude Modulation) - комбинация амплитудной и фазовой модуляции, позволяет осуществить кодирование 8 бит на бод
QPSK	(Quadrature Phase-Shift Keying) - квадратурная фазовая модуляция. Использует 4 фиксированных значения фазы 0, , и , требует в два раза более узкую полосу, чем PSK, и по этой причине весьма популярна
TCM	(Trellis mathd Modulation) - метод предполагает использование избыточности, каждый бод несет дополнительный бит, который позволяет более точно восстановить информационную битовую последовательность. При кодировании сигнала используется метод QAM. Метод реализован в современных высокоскоростных модемах и позволяет снизить требования к отношению "сигнал/ шум " на 4-5 дБ

Рис. 1.4. QAM-модуляция с 3 битами на бод (слева) и 4 битами на бод (справа)

Передаваемый сигнал характеризуется большим числом параметров - частотой, фазой, амплитудой, параметрами, определяющими его пространственное распространение, уровнем шума и т.д. В случае использования широкополосного сигнала, который представляет собой суперпозицию определенного числа синусоидальных составляющих, число параметров пропорционально возрастает. Чем больше таких параметров анализируется принимающей стороной одновременно, тем большее отношение "сигнал- шум " может быть достигнуто.

Будущее за системами, анализирующими всю совокупность параметров входного сигнала. Современные мощные и относительно дешевые сигнальные процессоры создают технологическую базу для этого.

Впервые импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) была применена для голосового сигнала в 1937 году Алеком Ривсом. Это было сделано для преодоления проблемы накопления искажений и шумов в процессе ретрансляции аналоговых сигналов. Тогда впервые было использовано стробирование с частотой 8кГц при 8-битовом аналого-цифровом преобразовании (АЦП). В то время еще не существовало эффективных технологических средств для реализации такой схемы.

Цифровая связь берет свое начало в 1970-х годах. Именно в это время начинается разработка больших интегральных схем оптоэлектроники. В процессе разработки ISDN-системы решались следующие проблемы.

• Требовалось создать систему, способную предоставить клиенту канал с пропускной способностью 64 Кбит/с (8 бит*8 КГц). При этом предполагалось использовать существующую проводную сеть с полосой пропускания 4 КГц. Данное ограничение не является абсолютным, но расширение полосы канала и спектра сигнала в сторону высоких частот неизбежно приводит к увеличению ослабления этой части спектра из-за омического сопротивления проводов и к увеличению перекрестных наводок между соседними скрученными парами. Замена проводов оптическим волокном, безусловно, решает проблему, но заметно удорожает систему (да и нельзя не учитывать, что провода уже существуют). Кроме того провода позволяли подвести питание к терминальному оборудованию, например к телефонному аппарату.
• Интерфейс клиента должен был предоставлять определенный спектр услуг. В частности, такой интерфейс должен позволять подключение нескольких независимых телефонных аппаратов, факсов или ЭВМ, использующих общую телефонную линию. Решение не должно было ограничивать клиенту возможность использования нескольких каналов, например двух 64 Кбит/с (В-каналы) и одного сигнального с полосой 16 Кбит/с (D-канал ISDN).

В 1984 году CCITT опубликовало рекомендации для стандартов интерфейсов и услуг ISDN (Integrated System Digital Network). Впервые услуги ISDN стали доступны благодаря усилиям British Telecom в июне 1985 года. В 1986 году принят стандарт Х.21. К 1988 году такие услуги стали доступны в 60 городах Великобритании. С этого времени система ISDN стала признанным международным стандартом цифровой телефонной и факсимильной связи. При этом пользователи продолжали пользоваться двухпроводными аналоговыми телефонными аппаратами.

С 1985 года Международный телекоммуникационный союз (ITU) начал обсуждать возможность создания широкополосной версии ISDN. Сначала речь шла о полосе 45-53 Мбит/c (вместо 1,544 Мбит/с). Такой стандарт был создан в июне 1989 года. Базовыми частотами передачи, помимо упомянутых выше, были признаны 155 Мбит/с (STM-1), 622 Мбит/с (STM-4) и 2,4 Гбит/c (STS-48C).

На физическом уровне в ISDN используется кодово-импульсная модуляция с частотой стробирования 8 кГц (что превосходит ограничение теоремы Найквиста-Котельникова = 2*3,3 КГц, где 3,3 КГц - полоса пропускания канала для традиционной телефонной сети).

Tеорема Найквиста требует, чтобы частота стробирования сигнала всегда превосходила полосу обрабатываемого сигнала более чем в два раза.

Очевидность этой теоремы понятна и без доказательства. Например, при частоте стробирования в два раза больше преобразуемой частоты результат зависит от фазы, и при сдвиге фаз, равном нулю, результат стробирования будет всегда давать нулевой уровень сигнала.

Схема ИКМ входного () сигнала показана на рис. 1.5. Совокупность представленных модулей обычно называется кодеком (кодер-декодер). Блок Sample&hold ("устройство выборки и хранения") служит для формирования последовательности импульсов с амплитудой, равной мгновенному значению уровня входного сигнала в момент прихода строб-импульса.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) имеет логарифмическую характеристику и конвертирует амплитуду импульса на выходе Sample&hold в 8-битовый код в Европе и в 7-битовый - в США и Японии. Этот код передается в интерфейс ISDN и далее в сеть. Получатель воспринимает коды через цифровой интерфейс, осуществляет преобразование 8-битовых кодов в 12-битовые. При этом понятно, что не всякие коды будут возможны (преобразование носит экспоненциальный характер). Полученные 12-битовые коды передаются на вход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Полученный ступенчатый сигнал сглаживается выходным фильтром и передается на устройство воспроизведения. Даже из этой достаточно общей схемы видно, что в процессе прямого (АЦП) и обратного (ЦАП) преобразований вносятся неизбежные искажения. Источником ошибок служит каждый из показанных на рисунке блоков. Но главным источником искажений является АЦП, так как здесь непрерывный спектр аналоговых значений замещается рядом дискретных уровней, которые больше или меньше реального значения в среднем на половину дискрета преобразования (1/256). Эти искажения называются шумом дискретизации.

Рис. 1.5. Схема импульсно-кодовой модуляции

При разумных предположениях (биполярность сигнала , однородность распределения уровня сигнала в рабочем диапазоне, ошибка квантования будет не более , где - шаг квантования, и т.д.) ( - шум квантования - при этом равен ). Это означает, что при уровнях квантования и при условии, что входной сигнал может варьироваться во всем рабочем диапазоне АЦП, отношение "сигнал-шум" (), связанное с самим процессом квантования, будет равно (при оно составит 48 дБ). Отсюда следует известное значение относительного расстояния между уровнями квантования, равное 6 дБ. Все вышесказанное справедливо только для преобразования голоса.