Структура модема, методы модуляции, стандарты и программные средства для модемов

В данной лекции рассматриваются типовая структурная схема модема для аналоговых телефонных линий, методы модуляции, используемые в высокоскоростных модемах, особенности стандартов V34, V.90 и V.92, классификация модемов и программные средства для них.

Структура модема

Одна из возможных структурных схем модема показана на рисунке 18.1. Она содержит типовые функциональные узлы обработки и преобразования сигналов, из числа которых намеренно исключены некоторые второстепенные узлы, предназначенные для организации синхронизации и обработки служебных сигналов. Далее узлы, осуществляющие прямое и обратное преобразования в передающей и приемной части модема, рассматриваются попарно.

Рисунок 18.1 – Структурная схема модема

Кодер/декодер предназначены для защиты от ошибок и "сжатия" данных. Защита от ошибок предполагает включение в пакеты передаваемых данных избыточного циклического кода (CRC), как и в локальных компьютерных сетях (см. раздел "Использование помехоустойчивых кодов для обнаружения ошибок в сети" Лекции 10). При этом в качестве стандартных протоколов, более подробно описывающих форматы данных (в том числе число бит в коде CRC – 16 или 32), используются протоколы серии MNP (Microcom Networking Protocol компании Microcom) или V.42 / V.44 (международный стандарт ITU–T). Протокол V.42bis представляет собой протокол сжатия данных. Если нельзя увеличить пропускную способность линии передачи из–за ограничения, накладываемого теоремой Шеннона, то можно уменьшить избыточность передаваемой текстовой информации, используя свойство повторяемости цепочек символов в словах. Для этого на передающем и приемном конце линии модемы (точнее, их кодеры и декодеры) организуют и поддерживают идентичные динамические словари в виде структур типа дерева с отдельными символами в качестве узлов (см. рисунок 18.2). Достаточно передавать не сами слова, а, фактически, специальным образом описанные (в виде чисел) части словарей (пути в дереве), содержащие требуемые последовательности символов. Так, часть словаря на рисунке 18.2 позволяет описать строки символов A, B, BA, BAG, BAR, BI, BIN, C, D, DE, DO и DOG относительно соответствующих корневых узлов.

Рисунок 18.2 – Пример представления части словаря при работе протокола сжатия V.42bis

Скремблер/дескремблер производят такое преобразование передаваемого и принятого сигналов, которое исключает влияние длинных цепочек из логических нулей или единиц, а также коротких повторяющихся последовательностей на надежность синхронизации в приемной части модема. Скремблер при необходимости "разреживает" такие последовательности за счет принудительно вставляемых логических нулей или единиц, делая преобразованные данные псевдослучайными, а дескремблер удаляет лишние биты, восстанавливая исходный вид данных. Описанная проблема (зависимость качества синхронизации от вида передаваемых данных) существенна, конечно, не только при модемной связи, но и при любых видах обменов цифровыми данными по последовательной линии передачи, в которой не предусмотрена посылка отдельного синхросигнала. Такая ситуация характерна для компьютерных сетей, в которых для решения указанной проблемы вместо простых кодов передачи используются самосинхронизирующиеся коды (типа двухуровневых кодов Манчестер–2 или трехуровневых кодов с высокой плотностью единиц – КВП или BNZS в английском варианте названия).

Эквалайзер включается в приемной части модема и служит для компенсации зависимости группового времени запаздывания в линии от частоты. Для улучшения качества передачи речевых сигналов их спектральные составляющие на разных частотах должны приходить к удаленному модему с одинаковой задержкой. Идеальная компенсация показана на рисунке 18.3. На практике в высокоскоростных модемах собственное групповое время запаздывания эквалайзера подстраивается автоматически.

Рисунок 18.3 – Идеальная компенсация эквалайзером зависимости группового времени запаздывания в линии от частоты

В приемной части модемов, работающих в дуплексном режиме на обычной двухпроводной телефонной линии, требуется осуществлять также эхо–компенсацию. Соответствующий функциональный узел на рисунке 18.1 не показан. Проблема состоит в том, что при дуплексном обмене передающий модем может воспринять порожденный им же сигнал, отраженный от другого конца линии, как пришедший от удаленного модема. В стандартах для высокоскоростных модемов (в частности, в стандарте V.34) предусмотрена процедура эхо–компенсации и установлены ограничения на уровень отраженного сигнала (он должен быть меньше полезного сигнала не менее чем на 25...30 дБ) и его максимальную задержку (не более 200...300 мс). Практическая реализация эхо–компенсации в высокоскоростных модемах предусматривает автоматическое определение параметров отраженного сигнала (его амплитуды и задержки) на этапе установления соединения.

Фильтры и усилители на рисунке 18.1 являются традиционными устройствами при обработке сигналов на фоне шумов и помех и не нуждаются в более подробном описании. В то же время модулятор и демодулятор в модемах реализуют специфические и достаточно сложные методы модуляции, которые рассматриваются в разделе "Методы модуляции, используемые в высокоскоростных модемах".

В современных модемах большая часть функций выполняется программой, управляющей работой цифрового сигнального процессора (ЦСП). Для исключения эффекта наложения спектров принципиально использование непрерывных аналоговых фильтров. Нужны также аналоговые усилители, АЦП и ЦАП для преобразования аналоговых сигналов в цифровые и обратно.