Основні види і протоколи модуляції в модемах (стр. 2 из 3)

Фазова модуляція. Існує декілька варіантів двопозиційної (бінарної) і багатопозиційної ФМ. Найпростішою є бінарна ФМ, коли фаза носійної змінюється на 0 або 180° при зміні полярності двійкових символів (рис.2г):

. (3)

Точний еталон фази, необхідний для когерентного детектування в фазовому детекторі (ФД), отримують нелінійним перетворенням вхідного фазомодульованого сигналу (рис.5а).

Подвоєння частоти сигналу, модульованого за фазою на 180° (3), призводить у цій схемі до усунення модуляції. Це дозволяє увімкнути після помножувача вузькосмуговий фільтр для послаблення завад. Потім діленням частоти на два отримують початкове коливання без модуляції фази і з меншим рівнем завад.

Однак фаза отриманої опорної напруги неоднозначна і може приймати одне з двох значень, зсунутих на 180°. Крім того, під впливом завад можливі стрибки фази опорної напруги на 180°, що приводить до зміни полярності посилок на виході ФД на зворотні, тобто до так званої «зворотної роботи».

Для усунення цього недоліку ФМ використовується відносна фазова модуляція (ВФМ) (рис.2д). При ВФМ інформація передається зміною фази носійної залежно від символа, що передається: наприклад, при передачі «-1» фаза носійної не змінюється, а при передачі «1» - стрибком змінюється на 180°. Оскільки при такому кодуванні помилка в прийнятті рішення за поточним двійковим символом викликатиме помилку і в наступному символі, то імовірність помилкового прийому при ВФМ вище, ніж при ФМ. Для ВФМ зазвичай використовується автокореляційний метод прийому, коли у ФД виконується порівняння фаз двох сусідніх посилок (рис.5б).

Щоб збільшити пропускну здатність, використовують багатопозиційну ФМ. Чотирипозиційна (дворівнева) ФМ (ФМ-4, QPSK - Quadrature Phase Shift Keying) передбачає передачу двох двійкових символів (дібітів) одночасно.

Дібітам ставлять у відповідність початкові фази двох сусідніх елементів сигналу в лінії, наприклад: 00 - 45°, 01 - 135°, 11 - 225°, 10 - 315°.

На рис.6а зображена структурна схема модулятора ФМ-4.

Перетворювач коду (ПрК) перетворює вхідний ІКМ сигнал в два паралельних сигнали I і II (рис.6б), кожний з яких модулює за фазою на 180° синфазну (СИНФ) і квадратурну (KB) складові (рис.6в). В результаті підсумовування виходить сигнал з ФМ-4:

. (4)

Тобто сигнал з ФМ-4 буде, якщо у виразі (1) покласти

.

Векторна діаграма утворення сигналу з ФМ-4 зображена на рис.6в. Так, якщо передавати в синфазному і квадратурному каналах символи «+1», сигнал з ФМ-4 згідно (1) становитиме:

,

тобто, сумарний сигнал зсувається на 45° відносно синфазної і квадратурної складових.

У демодуляторі сигналу ФМ-4 (рис.7) для зняття модуляції використовується множення частоти вхідного сигналу на чотири. Після вузькосмугової фільтрації виконується ділення частоти і отриманий сигнал обертається на 45° для отримання синфазної складової (рис.6в), а квадратурну складову опорного сигналу одержують додатковим зсувом синфазної складової на 90° (рис.7).

Щоб зменшити смугу частот, використовують також вдосконалений варіант, який отримав назву квадратурної ФМ зі зсувом (OQPSK – Offset QPSK), коли канал II системи ФМ-4 (рис.6б) зсувається на Т секунд відносно каналу I. Правила маніпуляції фаз у каналах вибираються такими, щоб при підсумовуванні сигналів максимальний стрибок фази не перевищив 90° (при ФМ-4 можливі стрибки на 90 і 180°, які викликають паразитну амплітудну модуляцію обвідної). Отже, для OQPSK фазові зсуви відбуваються кожні Т секунд, а не 2Т, як при QPSK. Відсутність різких стрибків фази зумовлює меншу ширину енергетичного спектра OQPSK порівняно з QPSK.

Квадратурна амплітудна модуляція.

Зростаючі вимоги до скорочення смуги частот, яку займають високо-швидкісні цифрові сигнали, обумовили використання багатопозиційних способів амплітудно-фазової модуляції, яка передбачає амплітудну модуляцію синфазної та квадратурної складових. Якщо у формулі (1) модулюючі сигнали

приймають значення ±1, маємо ФМ-4. Якщо ж для модуляції використовуються чотирирівневі сигнали , виходить 4-рівнева (16-позиційна) КАМ, сигнал з якою можна записати у вигляді:

.

В результаті вихідний сигнал квадратурної схеми змінюється не тільки за фазою, але і за амплітудою. Оскільки в кожному каналі здійснюється амплітудна маніпуляція, цей вид модуляції називають квадратурною маніпуляцією із зміною амплітуди (QASK – Quadrature Amplitude Shift Keying) або просто квадратурною амплітудною модуляцією КАМ.

Користуючись геометричним трактуванням, кожний сигнал КАМ можна зобразити вектором в сигнальному (амплитудно-фазовому) просторі (рис.8). Позначаючи тільки кінці векторів, отримуємо зображення у вигляді сигнальної точки, координати якої визначаються значеннями

; .

Сукупність сигнальних точок утворює так зване сигнальне сузір'я (signal constellation). Сузір'я на рис.8 містить 16 сигнальних точок, кожна з яких відповідає чотирьом інформаційним бітам, що передаються.

Існує декілька способів практичної реалізації КАМ-16, найпоширенішим з яких є спосіб модуляції накладанням (SPM – Supersposed Modulation). У схемі, що реалізовує даний спосіб, використовуються два однакових модулятора ФМ-4 (рис.6). Структурна схема модулятора SPM і діаграми, що пояснюють його роботу, зображені на рис.9.

Розглянемо основні протоколи, які використовують ВФМ і КАМ.

Протоколи V.22, V.22bis

Протокол V.22 є дуплексним протоколом модуляції, що передбачає використання ВФМ при частотному розділенні каналів передачі взаємодіючих модемів. Модем, що передає, використовує носійну частоту 1200 Гц; відповідаючий модем – частоту 2400 Гц.

Протокол передбачає два режими модуляції – ВФМ і ФМ-4. У першому випадку швидкість передачі – 600 біт/с, у другому – 1200 біт/с.

V.22bis збігається з V.22 за значеннями носійних частот і швидкості модуляції. Передбачаються два режими модуляції – ФМ-4 і КАМ-16 з швидкістю передачі 1200 або 2400 біт/с відповідно.

Рисунок 9 – Схема модулятора КАМ-16

Протокол V.32, V.32bis.

Протокол V.32 базується на модифікованій КАМ (швидкості передачі 9600, 4800, 2400 біт/с) і передбачає повнодуплексну передачу по двопровідних телефонних каналах (з реалізацією ехо-компенсації). Підтримує КАМ-16; КАМ-32 із застосуванням треліс-кодування (СКК-32).

Протокол модуляції V.32bis забезпечує передачу даних зі швидкістю до 14400 біт/с.

3. Сигнально-кодові конструкції, інші види модуляції

Багатопозиційна КАМ у чистому вигляді недостатньо завадостійка. Тому в усіх сучасних високошвидкісних протоколах КАМ використовують спільно з решітковим кодуванням – спеціальним видом згорткового кодування.

У результаті з'явився новий спосіб модуляції, званий треліс-модуляцією (ТСМ – Trellis Coded Modulation).

Комбінація конкретної КАМ і завадостійкого коду називається сигнально-кодовою конструкцією (СКК). СКК дозволяють підвищити завадостійкість передачі інформації поряд зі зниженням вимог до відношення сигнал/шум у каналі на 3-6 дБ.

При цьому кількість сигнальних точок збільшується удвічі за рахунок додавання до інформаційних біт одного надмірного, утвореного шляхом згорткового кодування. Всі СКК, які застосовуються сьогодні, використовують згорткове кодування зі швидкістю (n-1)/n, тобто передаючи один сигнальний елемент, використовують один надмірний двійковий символ.

Розширений у такий спосіб блок бітів модулюють тією самою КАМ. У сучасних високошвидкісних протоколах модуляції (V.32, V.32bis, V.34, V.90 та ін.) обов'язково застосовуються СКК.

Протокол V.34 забезпечує швидкість передачі 28800 біт/с, використовує КАМ-16, 32 і 64 з решітковим кодуванням. У даному протоколі значення носійної частоти не фіксоване і вибирається з ряду 1600, 1646, 1680, 1800, 1829, 1867, 1920, 1959, 2000 Гц. Крім того широко використовуються можливості адаптації:

· передкодування, в якому двовимірне сузір'я розбивається на концент-ричні кільця, які містять рівні кількості сигнальних точок з приблизно однаковою амплітудою;

· амплітудно-фазова предкорекція сигналу передавача для усунення міжсимвольної інтерференції;

· вибір одного із 11 заздалегідь заданих шаблонів для спектра сигналу передавача для підвищення рівня високочастотних складових спектру, що компенсує спотворення сигналу в абонентських і з'єднувальних лініях.

Протокол V.90 використовує 128-рівневу амплітудно-фазову модуляцію (АФМ-128).

Протокол V.90 за наявності цифрової АТС забезпечує асиметричний обмін даними між сервером і користувачем: зі швидкістю 56 кбіт/с з мережі (за рахунок відсутності аналого-цифрового перетворення в цьому напрямі); зі швидкістю 33,6 кбіт/с – до мережі.

Протокол V.92 стандартизує максимальну швидкість на ділянці від абонента до сервера, яка дорівнює 48 кбіт/с. Крім того, забезпечується:

· прискорена процедура з'єднання (Quick Connect) – модем V.92 вимагає менше 10 с для входження в зв'язок, на відміну від типових 20 с для модемів, які застосовувалися раніше;