Модемные устройства систем связи

Изобретение относится к электросвязи. Технический результат заключается в расширении области применения способа формирования сигнально-кодовой конструкции (СКК). В способе при расчете конечной скорости помехоустойчивого кода учитываются кратности манипуляции всех частотных подканалов, что позволяет добиться внесения такого количества избыточности, которое обеспечивает постоянство заданного объема передаваемой информации в единицу времени и, таким образом, расширяет область применения способа как для синхронных, так и для асинхронных систем передачи. 6 ил.

Изобретение относится к электросвязи, а именно к способам передачи дискретной информации, в частности к способам формирования сигнально-кодовых конструкций (СКК). Способ может быть использован для передачи информации от синхронных источников нагрузки по каналам радиосвязи декаметрового диапазона, а также по другим каналам с нестационарными параметрами. Заявленное техническое решение расширяет арсенал средств аналогичного назначения. Известен способ формирования СКК (см., например, патент США 5396518, 1995г.), в котором от источника сообщений принимают информационный блок символов, демультиплексируют его на два потока, один из которых кодируют помехоустойчивым кодом и перфорируют. Далее оба потока преобразуют из последовательного вида к параллельному и кодируют манипуляционным кодом, а затем формируют манипулированные сигналы и передают их в канал связи. Недостатком данного способа является избыточность сформированной им СКК, что обусловлено необходимостью применения мощных помехоустойчивых кодов и простейших методов манипуляции для обеспечения заданного качества передачи информации. Такой способ формирования СКК при использовании его на каналах с нестационарными параметрами приводит к снижению пропускной способности системы передачи. Также известен способ формирования СКК (см. , например, патент США 5457705, 1995г.), в котором от источника сообщений принимают информационный блок символов, преобразуют его из последовательного вида к параллельному. Затем кодируют его помехоустойчивым кодом. Далее кодированный блок символов перфорируют и кодируют манипуляционным кодом, после чего формируют манипулированные сигналы и передают их в канал связи. Недостатком данного способа также является избыточность сформированной им СКК, что обусловлено необходимостью применения мощных помехоустойчивых кодов и простейших методов манипуляции для обеспечения заданного качества передачи информации. Такой способ формирования СКК при использовании его на каналах с нестационарными параметрами тоже приводит к снижению пропускной способности системы передачи. Наиболее близким по технической сущности к заявленному является способ формирования СКК (см., например, патент США 6330277, 2001г.), в котором от источника сообщений принимают информационный блок символов и кодируют его помехоустойчивым кодом с исходной скоростью. Одновременно с этим формируют тестовые сигналы в частотных подканалах, которые передают в канал связи, а на приемной стороне канала связи по ним оценивают качество работы подканалов. Полученные данные о качестве работы подканалов по каналу обратной связи передают на передающую сторону канала связи, где по ним для каждого частотного подканала определяют кратность манипуляции и рассчитывают конечную скорость кода. Затем перфорируют избыточные проверочные символы в кодированном блоке символов, после чего его перемежают. Далее формируют манипулированные сигналы в частотных подканалах и объединяют их в групповой сигнал, который передают в канал связи. На приемной стороне его принимают и детектируют в каждом частотном подканале, а затем деперемежают, после чего блок символов деперфорируют, а затем декодируют и передают в нагрузку. Известный способ-прототип обеспечивает в сравнении с рассмотренными выше аналогами некоторое снижение избыточности благодаря адаптивному изменению параметров СКК, таких как кратность манипуляции в частотных подканалах, а также скорость помехоустойчивого кода. Недостаток прототипа заключается в узкой области его применения. Это объясняется широким диапазоном изменения избыточности сформированной им СКК и скорости передачи информации в канале, обусловленных большими вариациями параметров канала связи, что приводит в конечном итоге к высокой вероятности нарушения связи и делает способ-прототип неприемлемым для синхронных систем передачи, требующих постоянства объема информации, передаваемой в единицу времени. Целью изобретения является разработка способа формирования СКК, расширяющего область его применения как для синхронных, так и для асинхронных систем передачи. Поставленная цель достигается тем, что в известном способе формирования СКК, заключающемся в том, что от источника сообщений принимают со скоростью V ист информационный блок символов, кодируют его помехоустойчивым кодом с исходной скоростью R иcx , формируют тестовые сигналы в К частотных подканалах, где 6К48, которые передают в канал связи, а на приемной стороне канала связи по ним оценивают качество работы подканалов, полученные данные о качестве работы подканалов по каналу обратной связи передают на передающую сторону канала связи, где по ним для каждого i-го частотного подканала определяют кратность манипуляции М i , где i= 1, 2, ..., К, рассчитывают конечную скорость кода R кон, перфорируют избыточные проверочные символы в кодированном блоке символов, после чего его перемежают, формируют манипулированные сигналы в К частотных подканалах на единичном интервале с длительностью t uнm , формируют групповой сигнал, который передают в канал связи, принимают его на приемной стороне и детектируют в каждом частотном подканале, а затем деперемежают, после чего блок символов деперфорируют, а затем декодируют и передают в нагрузку, предварительно рассчитывают минимально допустимое для передачи в канале количество символов N min за один единичный интервал t инт по формуле N min =V ист t инт. После определения кратностей манипуляции М i для всех подканалов их суммируют, а из полученной суммы N вычитают значение N min . При положительной разности конечную скорость кода R кон рассчитывают по формуле R кон =N min /N, а при отрицательной разности качество канала признается неудовлетворительным. Для оценки качества всех частотных подканалов измеряют в каждом подканале на приемной стороне канала связи соотношение сигнал/помеха. Кратность манипуляции М i в i-ом частотном подканале определяют в соответствии с предварительно рассчитанной таблицей зависимостей значений кратности манипуляции от качества работы частотного подканала для выбранного режима работы. Длительность t uнm единичного интервала выбирают в интервале 220 мс. Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе при расчете конечной скорости помехоустойчивого кода учитываются кратности манипуляции всех частотных подканалов, что позволяет добиться внесения такого количества избыточности, которое обеспечивает постоянство заданного объема информации в единицу времени и, таким образом, расширяет область применения заявленного способа как для синхронных, так и для асинхронных систем передачи. Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности "новизна". Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень". Заявленный способ поясняется чертежами: фиг.1 - функциональная схема системы передачи; фиг. 2 - диаграмма, иллюстрирующая процесс передачи и приема тестовых сигналов; фиг. 3 - диаграмма, иллюстрирующая процесс прохождения информации в тракте передачи; фиг. 4 - таблица зависимостей значений кратности манипуляции от качества работы частотного подканала; фиг. 5 - диаграмма, иллюстрирующая процесс прохождения информации в тракте приема; фиг. 6 - графики зависимости скорости передачи информации от пропускной способности канала связи. Заявленный способ может быть реализован следующим образом. Известные подходы к реализации способов формирования СКК (см., например, Прокис Дж. "Цифровая связь" М.: Радио и связь, 2000, стр. 319-322 или Григорьев В. А. "Передача сигналов в зарубежных информационно-технических системах" С-Пб.: ВАС, 1995, стр.10-13) включают в себя действия, присущие описанным выше аналогам. Система передачи в общем виде включает передающую и приемную стороны (фиг.1), соединенные каналом связи. Параметры СКК в такой системе устанавливают единовременно на весь период ее функционирования, исходя из наихудших условий работы канала связи. Достижение максимальной пропускной способности при этом возможно только на каналах с постоянными параметрами (стационарных каналах). Большинство реальных каналов связи относится к числу нестационарных, состояние и качество которых меняется во времени. Типичным примером нестационарного канала является коротковолновый радиоканал с использованием ионосферного распространения электромагнитных волн. Для повышения помехоустойчивости при работе в каналах с нестационарными параметрами в системе передачи дискретной информации применяют частотное разнесение, при котором манипулированные сигналы могут передаваться в К частотных подканалах. Количество используемых подканалов определяется общей полосой рабочих частот F, выделенной для работы канала связи, и длительностью единичного интервала сигнала t инт. Исходя из того, что длительность единичного интервала задается проектировщиком из соображений достаточности мощности сигнала, то полоса частот подканала f и число подканалов К определяются соответственно выражениями (см. , например, "Военно-технические основы построения средств и комплексов связи" / Под. ред. А.А. Колесникова Л.: ВАС, 1977г., с.65): Соответственно, скорость передачи информационных символов V ист, которую можно обеспечить по каналу с заданной достоверностью, рассчитывают как:

R - скорость помехоустойчивого кода;
М i - кратность манипуляции в i-ом подканале, где i=1K. Например, значение длительности единичного интервала для сигналов ФМ выбирают из диапазона 220 мс (см. , например, Петрович Н.Т. "Передача дискретной информации в каналах с фазовой манипуляцией". М.: Советское радио, 1965 г., 262 с.). Следовательно, ширина полосы частот каждого подканала может занимать соответственно 500 - 50 Гц. Если учесть, что усредненная по всем подканалам кратность манипуляции М cр равна 2, а скорость помехоустойчивого кода R кон равна 1/2, то можно прийти к выводу, что при полосе рабочих частот, равной эффективно передаваемой полосе частот канала тональной частоты 3100 Гц, количество подканалов К, необходимое для обеспечения требуемой скорости передачи сообщений V ист, равной 1200 бит/с, будет лежать в диапазоне 648. В адаптивных системах возникает необходимость контроля качества каналов. Чаще всего контроль осуществляют на приемной стороне и информацию о результатах контроля посылают по каналу обратной связи (пунктирная линия на фиг.1) на передающую сторону. На основании этой информации возможно внесение тех или иных изменений в процесс передачи сообщения: увеличение или уменьшение кратности манипуляции, внесение или исключение избыточности посредством помехоустойчивого кодирования и перфорации. Однако изменение параметров канала передачи может происходить в довольно широком диапазоне значений и приводить к таким же глобальным изменениям параметров СКК, ведущим к флуктуациям скорости передачи информации. Из литературы (см. , например, Григорьев В.А. "Передача сигналов в зарубежных информационно-технических системах" С-Пб.: ВАС, 1995, стр.10-13) известно, что передача синхронных видов нагрузки, таких как, например, речевой или видеосигналы, требует поддержания скорости передачи информации постоянной. Следовательно, передача синхронных видов нагрузки в таких системах может оказаться малоэффективной и ненадежной. Таким образом, возникает противоречие между необходимостью формирования структуры СКК, при которой в канал связи передается одинаковый объем информации в единицу времени и возможными флуктуациями параметров канала, требующими изменения этого объема. На разрешение данного противоречия и направлен заявленный способ, который поясняется следующим образом. Информационный блок символов (фиг.3 а), состоящий из m знаков, где m= 1,2,3. . . , принимают от источника сообщений со скоростью передачи V ист. Каждый знак состоит из k двоичных символов, где k=1,2,3... (фиг.3а). Известно (см. , например, Финк Л.М. "Теория передачи дискретных сообщений" М. : Советское радио, 1970, стр. 82-89), что для достижения требуемой достоверности, передаваемой по каналу цифровой информации, используют помехоустойчивое кодирование. В заявленном способе для этого выполняют избыточное кодирование, заключающееся в добавлении к каждому знаку из k символов дополнительных г проверочных символов (фиг.3 б). Количество проверочных символов выбирают из условия достижения исправляющей способности кода для наихудшего качества канала связи (см., например, "Элементы теории передачи дискретной информации"/Под ред. Л.П. Пуртова, М.: Связь, 1972, стр.140-143), при этом исходная скорость кода определяется выражением:

Реальные параметры канала связи непрерывно изменяются. В этих условиях число проверочных символов может оказаться избыточным для достижения требуемой достоверности передаваемой информации, что приведет к неоправданному снижению скорости передачи информации. Исключить это можно операцией выкалывания (перфорацией) лишних проверочных символов (см. , например, Григорьев В.А. "Передача сигналов в зарубежных информационно-технических системах" С-Пб.: ВАС, 1995, стр.52). Причем число выкалываемых символов должно соотноситься с параметрами канала связи. Для этой цели в заявленном способе предварительно определяют параметры качества канала связи, например, путем оценки соотношения уровней сигнал/помеха на приемной стороне канала связи. Для этого на передающей стороне в каждом из частотных подканалов генерируют тестовые сигналы (фиг.2 а), из которых формируют групповой сигнал, передаваемый затем по каналу связи. Групповой сигнал, принятый на приемной стороне, расфильтровывают и измеряют для каждого подканала соотношение сигнал/помеха (фиг.2 б). Известно (см. , например, Финк Л.М. "Теория передачи дискретных сообщений" М. : Советское радио, 1970, стр. 604, рис. 9.10), что при определенном уровне сигнал/помеха для достижения требуемой достоверности передачи СКК необходимо выбрать соответствующую ему кратность манипуляции. Например, при использовании фазовой манипуляции уровни сигнал/помеха и соответствующие им значения кратностей манипуляции приведены в таблице на фиг.4. С использованием приведенных в таблице на фиг.4 данных для каждого i-го подканала, где i=1,2,..., К, определяют необходимую кратность манипуляции M i . Известно, что в системах синхронной связи для обеспечения ее надежности необходимо поддерживать постоянство объема передаваемой в канал информации в единицу времени на протяжении всего сеанса связи. Для этого, прежде всего, требуется определить величину этого объема. С этой целью в заявленном способе предварительно рассчитывают количество информационных символов N min , минимально допустимое для передачи в канале за один единичный интервал t инт, по формуле:
N min =V ист t инт. (5)
Величина N min характеризует минимально допустимую пропускную способность канала связи, требуемую для обеспечения передачи информации со скоростью V ист. После этого необходимо определить реальную (фактическую) пропускную способность канала связи, обусловленную его качеством, и сделать вывод о достаточности или недостаточности этой пропускной способности для передачи требуемого объема информации. С этой целью для вычисления реальной пропускной способности N канала связи суммируют предварительно определенные значения кратностей манипуляции М i всех частотных подканалов, которые, в свою очередь, равны пропускным способностям этих подканалов. Очевидно, что для выполнения условия достаточности необходимо, чтобы реальная пропускная способность N канала связи превосходила минимально допустимую пропускную способность канала связи или другими словами, чтобы выполнялось неравенство:
= N-N min 0. (6)
Величина определяет запас по пропускной способности, который используется для введения избыточности в сообщение на этапе помехоустойчивого кодирования. Однако количество избыточности, введенное в процессе кодирования с исходной скоростью R иcx может оказаться больше, чем допустимое количество избыточности, определяемое величиной , что может привести к уменьшению доли информации, передаваемой в канал ниже величины N min , а следовательно, и к нарушению связи. Для предотвращения этого необходимо снизить количество избыточности, т. е. увеличить скорость помехоустойчивого кода. Увеличение скорости помехоустойчивого кода можно осуществить путем перфорации "лишних" проверочных символов. При этом значение конечной скорости кода R кон будет определяться выражением:

В том случае, если запаса по пропускной способности не окажется, т.е. величина будет меньше 0, то передача информации со скоростью V ист окажется невозможной. Канал связи неработоспособен для заданных условий. Далее для достижения более высокой достоверности передаваемой информации в заявленном способе выполняют операцию перемежения символов, что делает возникающие ошибки статистически независимыми (см. , например, Прокис Дж. "Цифровая связь" М.: Радио и связь, 2000, стр. 400-402). Принцип перемежения поясняется на фиг.3 в, 3 г. Блоки выходных символов формируют из символов входных блоков, имеющих одинаковые индексы (фиг.3 г). Например, первый блок выходных символов формируется из первых символов первого и последующих блоков, второй - из вторых и т.д. После этого для каждого подканала формируют манипулированные сигналы (фиг. 3 д) путем преобразования двоичного символа в гармонический сигнал для согласования с непрерывным каналом связи. Далее формируют групповой сигнал (фиг.3 д) в рабочей полосе частот канала передачи путем линейного сложения манипулированных сигналов частотных подканалов, который передают в канал связи. Передача перфорированного блока символов может осуществляться на z единичных интервалах t инт, как показано на фиг. 3д. Значение z прямо пропорционально длине перфорированного блока и обратно пропорционально количеству частотных подканалов и установленным для этих подканалов кратностям манипуляции. Например, для передачи перфорированного блока длиной 40 символов по 20 подканалам, в каждом из которых кратность манипуляции равна 2, будет необходим 1 единичный интервал, т.е. z будет равна 1. На приемной стороне канала (фиг.5) принимают групповой сигнал (фиг.5 а) и детектируют его во всех частотных подканалах (фиг.5 б). После этого принятые символы деперемежают (фиг.5 б, 5 в). Операция деперемежения является обратной по отношению к перемежению и заключается в восстановлении первоначального порядка следования символов. Далее деперфорируют кодированный блок символов (фиг.5 в), т.е. в принятом блоке обозначают перфорированные разряды, вставив на их место случайные символы (например, нули) (см., например, Григорьев В.А. "Передача сигналов в зарубежных информационно-технических системах" С-Пб.: ВАС, 1995, стр.52). После этого декодируют (фиг.5 г) деперфорированный блок с целью восстановления по проверочным символам информационных символов, искаженных помехой. Декодирование кодов, полученных перфорацией исходного кода, выполняют на исходной скорости R исх Полученный информационный блок символов передают в нагрузку. Возможность получения указанного технического результата можно продемонстрировать при помощи сравнительной характеристики зависимости информационной скорости в канале передачи от его пропускной способности. Пусть скорость передачи источника сообщений составляет V ист =1200 бит/с, исходная скорость кода R иcx равна 1/2, значения кратности манипуляции в частотных подканалах принимают значения "1", "2","3", длительность единичного интервала равна t инт равна 20 мс, а количество частотных подканалов К равно 48. Минимальное допустимое количество символов, передаваемых за один единичный интервал, обеспечивающее скорость V ист, будет равно 24, а за одну секунду - 1200. Зависимости скорости передачи информации от пропускной способности канала, т.е. от его качества, для прототипа и заявленного способа получены в результате имитационного моделирования и представлены на фиг.6. Анализ данных зависимостей показывает, что изменение пропускной способности канала вызывает изменение скорости передачи информации в прототипе, в то время как скорость передачи информации в системе, работающей по заявленному способу, остается постоянной, что обеспечивает надежную работу каналов связи с использованием как синхронной, так и асинхронной нагрузки, т.е. расширяет область применения заявленного способа.

Формула изобретения

1. Способ формирования сигнально-кодовой конструкции, заключающийся в том, что от источника сообщений принимают со скоростью V ист информационный блок символов, кодируют его помехоустойчивым кодом с исходной скоростью, формируют тестовые сигналы в К частотных подканалах, где 6К48, которые передают в канал связи, а на приемной стороне канала связи по ним оценивают качество работы подканалов, полученные данные о качестве работы подканалов по каналу обратной связи передают на передающую сторону канала связи, где по ним для каждого i-го частотного подканала определяют кратность манипуляции М i , где i=1, 2,...,К, рассчитывают конечную скорость кода R кон перфорируют избыточные проверочные символы в кодированном блоке символов, после чего его перемежают, формируют манипулированные сигналы в К частотных подканалах на единичном интервале с длительностью t инт, формируют групповой сигнал, который передают в канал связи, принимают его на приемной стороне и детектируют в каждом частотном подканале, а затем полученный после детектирования блок символов деперемежают, деперфорируют, после чего, декодируют и передают в нагрузку, отличающийся тем, что для расчета конечной скорости кода R кон предварительно рассчитывают минимально допустимое для передачи в канале количество символов N min за один единичный интервал t инт по формуле N min = V иcт t инт, а после определения кратностей манипуляции М i для всех подканалов их суммируют, а из полученной суммы N вычитают значение N min и при положительной разности конечную скорость кода R кон рассчитывают по формуле R кон = N min /N, а при отрицательной - качество канала признается неудовлетворительным. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для оценки качества всех частотных подканалов измеряют в каждом подканале на приемной стороне канала связи соотношение сигнал/помеха. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что кратность манипуляции M i в i-м частотном подканале определяют в соответствии с предварительно рассчитанной таблицей зависимостей значений кратности манипуляции от качества работы частотного подканала для выбранного режима работы. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что длительность t инт единичного интервала выбирают в интервале 220 мс.

Применение многопозиционной КАМ в чистом виде сопряжено с проблемой недостаточной помехоустойчивости. Поэтому во всех современных высокоскоростных протоколах КАМ используется совместно с решетчатым кодированием - специальным видом сверточного кодирования. В результате появился новый способ модуляции, называемый треллис-модуляцией (ТСМ - Trellis Coded Modulation). Выбранная определенным образом комбинация конкретной КАМ помехоустойчивого кода в отечественной технической литературе носит название сигналъно-кодовой конструкции (СКК). СКК позволяют повысить помехозащищенность передачи информации наряду со снижением требований к отношению сигнал/шум в канале на 3-6 дБ. При этом число сигнальных точек увеличивается вдвое за счет добавления к информационным битам одного избыточного, образованного путем сверточного кодирования. Расширенный таким образом блок битов подвергается все той же КАМ. В процессе демодуляции производится декодирование принятого сигнала по алгоритму Витерби. Именно этот алгоритм за счет использования введенной избыточности и знания предыстории процесса приема позволяет по критерию максимального правдоподобия выбрать из сигнального пространства наиболее достоверную эталонную точку.

Выбор способов модуляции и кодирования сводится к поиску такого заполнения сигнального пространства, при котором обеспечивается высокая скорость и высокая помехоустойчивость. Комбинирование различных ансамблей многопозиционных сигналов и помехоустойчивых кодов порождает множество вариантов сигнальных конструкций. Согласованные определенным образом варианты, обеспечивающие улучшение энергетической и частотной эффективности, и являются сигнально-кодовыми конструкциями. Задача поиска наилучшей СКК является одной из наиболее сложных задач теории связи. Современные высокоскоростные протоколы модуляции (V.32, V.32bis, V.34 и др.) предполагают обязательное применение сигнально-кодовых конструкций.

Все применяемые сегодня СКК используют сверточное кодирование со скоростью (га-1 /п), т.е. при передаче одного сигнального элемента используется только один избыточный двоичный символ.

Типичный кодер, применяемый совместно с модулятором ФМ-8 представлен на рис. 6.7. Он является сверточным кодером с относительной скоростью кода, равной 2/3. Каждым двум информационным битам на входе кодер сопоставляет трехсимвольные двоичные блоки на своем выходе, которые и поступают на модулятор ФМ-8.

Рис. 6.7.

Применение сигналов ФМ связано с разрешением проблемы неоднозначности фазы восстановленной на приеме несущей. Данная проблема решается за счет относительного (дифференциального) кодирования, что в системах без помехоустойчивого кодирования приводит к размножению ошибок. В системах с помехоустойчивым кодированием относительное кодирование также используется. В этом случае имеет значение последовательность включения относительного и помехоустойчивого кодера.
Различают внешнее и внутреннее относительное кодирование. При внутреннем кодировании относительный кодер расположен на выходе помехоустойчивого кодера, а на приемной стороне относительный декодер включен на входе помехоустойчивого декодера (рис. 6.8, а). В этом случае помехоустойчивый кодер должен уметь бороться с группирующимися ошибками.

Внешнее относительное кодирование в ряде случаев является более выгодным, так как источник размножения ошибок - относительный декодер - включен на выходе помехоустойчивого декодера (рис. 6.8, б). Однако при этом теперь возникают трудности декодирования, вызванные неоднозначностью фазы опорного колебания при демодуляции. При ФМ-2 неоднозначность фазы опорного колебания (0 или я) приводит к явлению "обратной работы", заключающейся в том, что передаваемые единичные биты принимаются нулевыми, а нулевые - наоборот единичными. При большем числе позиций фазы возможна не только инверсия, но и перестановка двоичных символов. Решение этой проблемы заключается в использовании помехоустойчивых кодов, прозрачных, т.е. нечувствительных, к неопределенности фазы опорного колебания. Известно несколько видов СКК, обеспечивающих прозрачность к неопределенности фазы восстановленной несущей. Они также основаны на свер-точном кодировании со скоростью (п-\/п), т.е. используется только один избыточный двоичный символ.

Многопозиционные сигналы с плотной упаковкой (например, ФМ, АФМ) обеспечивают высокую удельную скорость у за счёт снижения энергетической эффективности . С другой стороны, корректирующие коды позволяют повысить энергетическую эффективность при определённом снижении удельной скорости. Каждый из этих способов даёт выигрыш по одному показателю в обмен на ухудшение другого. Вместе с тем во многих случаях важным является одновременное повышение как энергетической, так и частотной эффективности. Решение этой задачи возможно при использовании ансамблей многопозиционных сигналов совместно с помехоустойчивым кодированием. При этом, очевидно, необходимо сформировать такие сигнальные последовательности, точки которых в многомерном пространстве плотно упакованы (чтобы обеспечить высокую частотную эффективность) и достаточно разнесены (чтобы обеспечить достаточно высокую энергетическую эффективность). Такие сигнальные последовательности, построенные на базе помехоустойчивых кодов и многопозиционных сигналов, называются сигнально-кодовыми конструкциями (см. гл. 7). В качестве помехоустойчивых кодов обычно используются в СКК свёрточные и каскадные коды, а в качестве многопозиционных сигналов - сигналы ФМ, АФМ и ЧМНФ.

Устройство, реализующее СКК, состоит из кодека, модема и согласующих устройств. Для согласования кодека двоичного помехоустойчивого кода и модема -позиционных сигналов часто используется манипуляционный код Грэя, при котором большему расстоянию по Хэммингу между блоками кодовых символов соответствует большее расстояние по Евклиду между соответствующими им сигналами. Код Грэя, включённый между помехоустойчивым кодеком и модемом, преобразует -позиционный канал без памяти в двоичный канал с памятью длиной символов. Однако код Грэя не является оптимальным. Двоичное представление канальных символов требует, как правило, неравной защиты с помощью корректирующего кода. Это обусловлено тем, что используемые в каналах ансамбли многопозиционных сигналов в большинстве случаев оказываются в месте приёма неэквидистантными. Неэквидистантны также и соответствующие им наборы двоичных символов манипуляционного кода. В настоящее время известны и другие способы согласования источников сообщений и каналов. В частности, способы, основанные на иерархическом

разбиении ансамбля сигналов на набор вложенных подансамблей с монотонно-возрастающими расстояниями между ними и подбором кодов для каждого уровня иерархии так, чтобы выровнять результирующие расстояния. Более плодотворным в этом направлении является способ построения СКК на основе обобщённого каскадного кодирования. В этом случае внешние помехоустойчивые коды согласуются с внутренними кодами, в качестве которых используются вложенные подансамбли сигналов . Пример построения сигнально-кодовой конструкции (комбинированной модуляции) с использованием решётчатых кодов Ангербоека приведён в § 7.3.

Возможно построение СКК и на основе многомерных сигналов, позволяющих увеличить число позиций сигнала без существенного уменьшения расстояния между ними. Однако следует помнить, что построение более совершенных СКК связано с неизбежным усложнением их реализации.

Показатели эффективности СКК определяются следующими соотношениями:

где и ум - показатели эффективности системы модуляции (модема); ДРК - энергетический выигрыш кодирования (кодека); частотная эффективность кодека.

Результаты расчётов показывают (рис. 11.6), что применение СКК позволяет получить одновременно выигрыш как по энергетической, так и по частотной эффективности и, во всяком случае, выигрыш по одному показателю, не ухудшая другой. Так, система ФМ-8-СК при использовании перфорированного свёрточного кода со скоростью обеспечивает энергетический выигрыш без снижения удельной скорости у, а система АФМ-16-СК при и кодовом ограничении выигрыш по удельной скорости без снижения энергетической эффективности Информационная эффективность этих систем

Значительный интерес представляют сигнально-кодовые конструкции построенные на основе ЧМНФ сигналов и свёрточных кодов. Фазовые изменения ЧМНФ сигналов имеют вид регулярной решётки аналогично решётчатой диаграмме СК. Это позволяет совместить в системе ЧМНФ-СК процедуры демодуляции и декодирования путём обработки сигналов на приёме по единой сигнально-кодовой решётке с использованием алгоритма Витерби (АВ) или алгоритма Кловского-Николаева (АКН).

Применение многопозиционной квадратурной амплитудной модуляции (КАМ) сопряжено с проблемой недостаточной помехоустойчивости. Поэтому в современных высокоскоростных протоколах КАМ используют совместно с решетчатым кодированием - специальным видом сверточного кодирования. В результате появилась треллис-модуляция.

Сигнально-кодовые конструкции в модемах.

Выбранная определенным образом комбинация КАМ и помехоустойчивого кода относится к сигнально-кодовой конструкции (СКК). СКК позволяют повысить помехозащищенность систем передачи информации наряду со снижением требований к отношению сигнал/шум в канале на 3-6 дБ. При этом число сигнальных точек увеличивается вдвое за счет добавления к информационным битам одного избыточного, образованного путем сверточного кодирования. Расширенный таким образом блок битов подвергается КАМ. В процессе демодуляции производится декодирование принятого сигнала по алгоритму Витсрби.

Современные системы связи - это модемные технологии, реализованные под конкретные скорости и объемы передачи информации. Сведения о внутреннем устройстве и архитектуре последних моделей модемов не настолько доступны, как, например, информация об устройстве компьютеров. Одна из причин - отсутствие каких бы то ни было промышленных стандартов на конструкцию модемов. Другая причина состоит в том, что модемы строятся на наборах специализированных микросхем, которые реализуют основные функции. Это приводит к тому, что в отличных по конструкции модемах одни и те же методы и протоколы реализованы различными способами. Практически все современные модемы имеют похожие структурные схемы, содержащие (рис. 7.31):

• порты канального и DTE - DCE интерфейсов;
• основной или универсальный процессор (PU);
• цифровой сигнальный процессор (ЦСП);
• модемный процессор (МП);
• постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, ROM)
• перепрограммируемое запоминающее устройство (ППЗУ, ERPROM );

Рис. 731.

• оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, RAM);
• схемы индикаторов состояния модема.

Аббревиатурой DTE (data terminal equipment - оконечное оборудование передачи данных) обозначают оконечные цифровые устройства, генерирующие или получающие данные. Аббревиатурой DCE (data communication equipment - оборудование передачи данных) обозначают модемы. Линия связи в DCE - аналоговая, между DCE и DTE - цифровая.

Порт интерфейса DTE - DCE обеспечивает взаимодействие с DTE. Если для связи DTE и DCE используется унифицированный цифровой интерфейс, то это часто дает возможность связать два расположенных рядом DTE прямой цифровой линией - так называемым нуль-модемнъш кабелем. В случае разнесения DTE на большое расстояние в разрыв вместо нуль-модемного кабеля включаются пара модемов и аналоговая линия связи, обеспечивая прозрачное соединение и передачу данных.

Универсальный процессор выполняет функции управления взаимодействием с DTE и схемами индикации состояния модема. Он выполняет посылаемые DTE АТ- команды (А Г-команды представляют собой последовательности символов, начинающиеся с латинских букв АТ; они используются для настройки и управления работой модема) и управляет режимами работы остальных составных частей. Универсальный процессор отвечает за прием и выполнение команд, буферизацию, обработку некоторых данных, а также за управление сигнальным процессором. Интеллектуальные возможности модема определяются типом PU и микропрограммой управления, хранящейся в ROM.

На ДСП возлагаются задачи по реализации основных функций протоколов модуляции (кодирование сверточным кодом, относительное кодирование, скремблирование, декодирование, компрессии/декомпрессии).

МП занимается модуляцией/демодуляцией, разделением частотных полос, эхо-подавлением и т.п. В зависимости от сложности модема интеллектуальная нагрузка смещается в сторону МП. В низкоскоростных (300-2400 бит/с) модемах основную работу выполняет МП, в скоростных (4800 бит/с и выше) - ЦСП.

В ПЗУ хранятся программы для основного и сигнального микропроцессоров (СМП), а также микропрограмма управления - прошивка, включающая в себя наборы команд и данных для управления модемом. ПЗУ может быть однократно программируемым (PROM), перепрограммируемым со стиранием ультрафиолетом (EPROM) или перепрограммируемым электрически (EEPROM ). Последний тип ПЗУ позволяет оперативно менять прошивки по мере исправления ошибок или появления новых возможностей. Путем замены или перепрограммирования ROM иногда можно достичь существенного улучшения свойств модема, т.е. произвести его модернизацию (апгрейд). Такого рода модернизация некоторых моделей модемов может обеспечить поддержку новых протоколов или сервисных функций, таких как автоматическое определение номера (АОН) вызывающего абонента. Для облегчения такой модернизации в последнее время вместо микросхем ROM стали широко применяться микросхемы флеш-памяти (FLASHROM ). Флеш-память позволяет легко обновлять микропрограмму модема, исправляя ошибки разработчиков и расширяя возможности устройства.

ППЗУ позволяет сохранять установки модема в так называемых профайлах (профилях) на время выключения. Большинство команд изменения состояния действует только на текущий набор параметров, теряющий свои значения при отключении или сбросе модема. Содержимое текущего набора может быть записано в один из сохраненных ранее наборов в ППЗУ; кроме этого, ряд команд может непосредственно изменять содержимое ППЗУ. Обычно имеется две сохраняемые установки - основная (profile 0) и дополнительная (profile 1). По умолчанию для инициализации используется основной набор, но есть возможность переключиться на дополнительный.

ОЗУ интенсивно используют для временного хранения данных, работы алгоритмов сжатия и выполнения промежуточных вычислений как универсальным, так и цифровым сигнальным процессорами. В ОЗУ хранится также текущий набор параметров модема (active profile).

Современный телефонный модем располагает еще и аналоговой частью, ответственной за сопряжение модема с телефонной сетью, - устройство набора номера, усилитель, АЦП и ЦАП. Практически все телефонные (и другие) модемы производят обработку информации в цифровой форме, без сколь-либо сложной аналоговой предобработки, так как это позволяет добиться высокой стабильности и в значительной степени упростить разработку и анализ алгоритмов. При этом обычно частота дискретизации находится в пределах 7-12 кГц и более. Количество уровней квантования для ЦАП и АЦП современных модемов достигает десятков тысяч. Обычно, поскольку с «цифровой стороны» ЦАП и АЦП пишутся или читаются в виде числа, говорят о количестве разрядов у ЦАП/АЦП, т.е. количестве разрядов двоичного числа, требуемого для представления всех возможных уровней, например 16-разрядный АЦП может распознавать 65 536 уровней, обозначаемых числами от 32 768 до +32 767.

Классификация модемов. В настоящее время строгой классификации модемов не существует. Тем не менее можно выделить ряд их классификационных признаков: область применения; функциональное назначение; тип канала; поддержка протоколов модуляции, исправления ошибок и сжатия данных. Делят модемы и по скоростям передачи информации (14 400 бит/с, 28 800 бит/с, 33 600 бит/с, 56 Кбит/с).

По области применения модемы можно разделить на ряд основных групп:

• для сотовых систем связи;
• радиомодемы;
• для пакетных радиосетей;
• для локальных радиосетей;
• спутниковые;
• для цифровых систем передачи данных (ISDN);
• кабельные;
• для выделенных телефонных каналов (?>5Х-модемы);
• для оптоволоконных линий.

Сотовые модемы используют для мобильной радиотелефонии. Эти модемы не содержат радиостанции (в отличие от радиомодемов), а лишь передают в нее свой сигнал. Модемы для сотовых систем связи отличаются компактностью исполнения и поддержкой специальных протоколов модуляции и исправления ошибок, позволяющих эффективно передавать данные в условиях сотовых каналов с высоким уровнем помех и постоянно изменяющимися параметрами. При пересечении границы сот (в случае сотовой связи) происходят переключение на другую радиостанцию и связанное с этим временное пропадание сигнала. Большинство обычных модемов в этих условиях или пытается возобновить соединение, или рвет его, что неправильно. За счет отражения сигнала от зданий приходят несколько сигналов и их наложения, сигнал искажается или вообще периодически пропадает. Ясно, что для такой работы нужны специальные протоколы. Ведущие производители поставляют модемы такого типа.

Радиомодемы используют свободное пространство как среду передачи сигналов. Поэтому вместо телефонного разъема радиомодем имеет антенный разъем, куда вставляется антенна или антенный кабель. Кроме того, радиомодем содержит передатчик/приемник. Радиомодем выглядит как настольный и подключается к компьютеру через стандартный интерфейс RS- 232С, только имеет антенный вывод. В него подключается или штыревая антенна небольшого размера, или антенный кабель, усилитель и направленная антенна.

В современных радиомодемах стали использоваться шумоподобные сигналы, которые достаточно устойчивы к обычным помехам и ставят практически непреодолимые препятствия для перехвата данных. Однако используемая высокая частота (около 900 МГц и выше) требует прямой видимости, хотя есть возможность обойти это ограничение, построив ретрансляцию по ломаной линии.

Передачу данных в системах проводной связи абонентского доступа можно существенно улучшить с помощью модемной технологии (аппаратура «последней мили»), решив проблему увеличения скорости передачи информации на участке «абонент - станция» без замены телефонных кабелей на оптоволоконные.

Пакетные радиомодемы предназначены для передачи данных по радиоканалу между мобильными пользователями. При этом несколько радиомодемов используют один и тот же радиоканал в режиме многостанционного доступа. Радиоканал но своим характеристикам близок к телефонному и организуется с использованием типовых радиостанций, настроенных на одну и ту же частоту в метровом или дециметровом диапазоне.

Локальные радиосети являются развивающейся перспективной сетевой технологией, дополняющей обычные локальные сети. Ключевой их элемент - специализированные радиомодемы локальных радиосетей. В отличие от пакетных радиомодемов такие модемы обеспечивают передачу данных на небольшие расстояния (до 300 м) с высокой скоростью (2-10 Мбит/с), сопоставимой со скоростью передачи в проводных локальных сетях. Кроме того, радиомодемы локальных сетей работают в определенном диапазоне частот с применением сигналов сложной формы, таких как сигналы с псевдослучайной перестройкой частоты.

Модемы для физических линий отличаются от других типов модемов тем, что полоса пропускания физических линий не ограничена значением 3,4 кГц. Однако полоса пропускания физической линии также является ограниченной и зависит в основном от типа физической среды (экранированная и неэкранированная витая пара, коаксиальный кабель и др.) и ее длины. С точки зрения используемых для передачи сигналов модемы для физических линий могут быть разделены на модемы низкого уровня и модемы основной полосы , в которых применяются методы модуляции, аналогичные применяемым в модемах для телефонных каналов. В модемах первой группы обычно используются цифровые методы биимпульсной передачи, позволяющие формировать импульсные сигналы без постоянной составляющей и часто занимающие более узкую полосу частот, чем исходная цифровая последовательность. В модемах второй группы часто используются различные виды квадратурной амплитудной модуляции, позволяющие радикально сократить требуемую для передачи полосу частот.

Модемы для передачи на короткие расстояния используют для связи между компьютерами, маршрутизаторами и другой аппаратурой цифровой связи, например внутри зданий, в границах города.

Спутниковые модемы предназначены для передачи информации по спутниковым каналам связи. Выпускаемые в настоящее время спутниковые модемы работают в различных диапазонах частот, имеют возможность перестройки и установки основных параметров, включая рабочую частоту, коэффициент усиления, выходную мощность, тин модуляции, скорость кодирования, тип скремблирования, размеры буферов для данных и т.д. Эти параметры могут изменяться с малым шагом в широком диапазоне значений.

Модемы для цифровых систем передачи данных напоминают модемы низкого уровня, однако в отличие от них обеспечивают подключение к стандартным цифровым каналам, таким как ISDN , и поддерживают функции соответствующих канальных интерфейсов.

Кабельные модемы используют для обмена данными по специализированным кабелям - к примеру, через кабель коллективного телевидения. Вместо телефонных линий кабельные модемы используют коаксиальные кабели с широкой полосой пропускания, применяемые для передачи видеоинформации. До сотни телевизионных каналов - лишь небольшая часть той информации, что фактически может быть передана в квартиру. Если бы весь кабель был использован для передачи информации, ее можно было бы получать со скоростью, превышающей 750 Мбит/с, что в тысячи раз быстрее телефонного соединения.

DAL-модемы (DSL - digital subscriber line - цифровая абонентская линия) используют для организации связи выделенные обычные телефонные линии. Абонент, пользующийся в настоящий момент обычной телефонной связью, имеет возможность с помощью технологии DSL значительно увеличить скорость соединения, например, с сетью модемов для физических линий. В результате он получает доступ в Интернет с сохранением нормальной работы телефонной связи.

Оптоволоконные модемы работают как на одномодовом, с длиной волны 860 нм, так и на многомодовом оптоволокне с длиной волны 1300 или 1550 нм:

• 860 нм - наиболее популярны, но имеют существенное ограничение на длину кабеля - до 5 км по многомодовому кабелю. Источник излучения - светодиод;
• 1300 нм - более универсальны - до 20 км по одномодовому волокну со светодиодом, до 50 км с применением полупроводникового лазера;
• 1550 нм - но одномодовому волокну с применением полупроводникового лазера до 100 км. Максимальная дистанция зависит и от диаметра кабеля.

По методу передачи модемы делятся на асинхронные и синхронные. При этом обычно подразумевают передачу по каналу связи между модемами. Как правило, синхронизация реализуется одним из двух способов, связанных с тем, как работают тактовые генераторы отправителя и получателя: независимо друг от друга (асинхронно) или согласованно (синхронно).

Асинхронный режим передачи используется тогда, когда передаваемые данные генерируются в случайные моменты времени. При такой передаче приемник должен восстанавливать синхронизацию в начале каждого получаемого символа. Для этого каждый передаваемый символ обрамляется дополнительным стартовым и одним или более стоповыми битами. Такой режим часто применяют при передаче данных но интерфейсу DTE - DCE. При передаче цифровых данных по канату связи возможности применения асинхронного режима во многом ограничены низкой эффективностью и необходимостью использования простых методов модуляции, таких как амплитудная и частотная.

Контроль ошибок. Вероятность ошибок не исключена, поэтому в асинхронной передаче используется специальный бит - бит четности. Применяемую схему проверки и коррекции ошибок называют контролем четности. Синхронный режим основан на синхронизации, согласованной между двумя устройствами. Ее цель - выделить биты из группы при передаче их блоками. Для установления синхронизации и проверки правильности работы используют специальные символы. Поскольку информационные биты находятся в синхронном режиме, стартовые и стоновые биты не нужны. Передача данных завершается в конце одного кадра и начинаются в начале другого.

Протоколы, используемые в модемах, делятся на четыре основные группы: модуляции и передачи данных; коррекции ошибок; сжатия передаваемых данных; связи DTE п DCE.

Первая группа протоколов устанавливает правила вхождения модемов в связь, ее поддержки и разрыва, параметры аналоговых сигналов, правила модуляции и кодирования. Протоколы непосредственно относятся к сигналам, передаваемым по межмодемной аналоговой линии связи. Соединение двух модемов возможно лишь в случае поддержки ими каких-либо общих или совместимых протоколов этой группы. В семиуровневой иерархии протоколов связи OSI эта группа протоколов имеет уровень 1 (физический) и формирует канал цифровой связи в реальном времени, однако не защищенный от ошибок передачи.

Вторая группа устанавливает правила обнаружения и коррекции ошибок, возникающих на этапе передачи с помощью протоколов первой группы. Эти протоколы имеют дело лишь с цифровой информацией; для проверки целостности информации она разделяется на пакеты, снабжаемые контрольными избыточными кодами. При несовпадении контрольного кода па приемном конце переданный пакет считается ошибочным и запрашивается его повторная передача. Эта группа протоколов формирует из ненадежного физического канала надежный (защищенный от ошибок) канал более высокого уровня, но это приводит к потере связи в реальном времени и дается ценой определенных накладных расходов. В модели OSI эта группа соответствует уровню 2 (канальному).

Третья группа устанавливает правила сжатия передаваемых данных. При этом на передающем конце происходят их анализ и упаковка, а на приемном - распаковка в исходный вид. Сжатие позволяет повысить скорость передачи сверх физической пропускной способности канала. Реализация сжатия требует некоторых накладных расходов на анализ информации и формирование пакетов; в случае неэффективного сжатия скорость передачи может оказаться ниже скорости физического канала.

Четвертая группа протоколов задает правила взаимодействия DTE и DCE.

Интеллектуальные возможности модемов. Сейчас модемы являются интеллектуальными устройствами, позволяющими помимо своей главной задачи - преобразования передаваемых сигналов - реализовать множество других функций, предоставляя дополнительные удобства пользователю. Эти модемы называют интеллектуальными или smart-модемами. Интеллектуальные возможности модемов реализуются благодаря наличию схемы управления, выполненной на основе того или иного микропроцессора.