Технологии и средства связи

14 октября

Выпуск #010

Архив

МОДЕМЫ 

 

МОДЕМ (МОДулятор/ДЕМодулятор) устанавливается на конце линии передачи данных, чтобы преобразовать последовательный цифровой поток от источника данных в сигналы тональной частоты, пригодные для передачи по телефонной сети (PSTN). На другом конце этой линии модем преобразует сигналы тональной частоты в последовательные двоичные данные для последующей передачи к терминалу данных. Модем может работать в одном из трех следующих режимов:

1. Симплекс. Модем предназначен только для приема или передачи.

2. Полудуплекс. Модем работает и на прием, и на передачу, но поочередно.

3. Дуплекс. Модем работает одновременно в обоих направлениях.

Поскольку отдельные участки частотного спектра телефонных каналов PSTN используются для сигнализации и контроля, передача данных осуществляется только в полосах частот 300-500 Гц и 900-2100 Гц. Низкоскоростные системы передачи данных (скорости до 1200 бит/с) обычно используют частотную манипуляцию FSK (Frequency Shift Keying), при которой 1 и 0 представляются двумя разными тональными частотами. В высокоскоростных модемах (2400 бит/с и выше) данные перед модуляцией кодируются с целью понижения скорости передачи. Один из таких методов состоит в том, что два бита объединяются и образуют одну из четырех возможных комбинаций 00, 01, 10 и 11, которые называются дибитами. Процесс можно усложнить так, что смена модуляционного состояния (фазовый сдвиг) будет происходить для каждых трех битов передаваемой информации и т.д.

Кроме частотной манипуляции FSK используются еще несколько методов модуляции; среди них фазовая манипуляция, относительная фазовая манипуляция, квадратурная амплитудная модуляция и амплитудная модуляция с частично подавленной боковой полосой частот.

Для использования модемов на телефонных линиях необходимо получить разрешение местных властей. При этом модем должен обеспечивать электроизоляцию между PSTN и другой аппаратурой с опасным напряжением питания, например напряжением сети 240 В и частотой 50 Гц.

Для соединения модема и абонентских линий применяются два метода. В модемах с FSK используются звуковые преобразователи для акустической связи с телефонной трубкой. Для других типов модуляции модем может быть связан с телефонным выходом с помощью трансформатора. Оба метода обеспечивают достаточно хорошую электрическую изоляцию.

 

I. Частотная манипуляция (Frequency Shift Keying)

 Модемы, соответствующие стандарту, определяемому рекомендацией V.21 ITU-T (модемы типа Bell 103), передают данные со скоростью до 300 бит/с в обоих направлениях одновременно (т. е. обеспечивают дуплекс). Эти модемы весьма просты в работе, поскольку для передачи логической 1 или логического 0 используют тональные сигналы фиксированных частот. Система двусторонней передачи конфигурируется так, что тональные сигналы, передаваемые с одного конца, отличаются от тональных сигналов, передаваемых с другого. Одновременная передача данных на линии возможна благодаря тому, что частотные спектры используемых сигналов не перекрываются. В противном случае одновременная передача была бы невозможна.

Передаваемые частоты, определяемые стандартом V.21 ITU-T, приведены в табл. 1.

Модемы стандарта V.21 позволяют осуществить надежную передачу данных по радиолиниям. На двухпроводных линиях они работают только в телексной сети.

Таблица №1

Частоты передач для модемов V.21

Канал Средняя частота, Гц Логическая 1, Гц Логический 0, Гц
1
2
1080
1750
980
1650
1180
1850

 

Модемы, соответствующие рекомендации V.23 (модемы типа Bell 202), в настоящее время применяются редко, однако модемы, которые могли бы работать быстрее, чем модемы V.21, еще требуются для терминалов, расположенных на определенном расстоянии от больших ЭВМ. Стандарт V.23 обеспечивает максимальную скорость передачи 1200 бит/с. Однако предусмотрена и пониженная скорость передачи 600 бит/с при использовании плохих аналоговых линий между модемами. Данные, которые нужно передать обратно на ЭВМ, вводятся с клавиатуры очень медленно, поэтому для передачи в этом направлении обеспечивается максимальная скорость 75 бит/с.

Передаваемые частоты, определяемые стандартом V.23, приведены в табл. 2.

Таблица №2

Частоты передач для модемов V.23

Канал Средняя частота, Гц Логическая 1, Гц Логический 0, Гц

1 (600 бит/с)
2 (1200 бит/с)
3 (75 бит/с)

1500
1700
420
1300
1300
390
1700
2100
450

 

 

II. Фазовая манипуляция PSK (Phase Shift Keying)

В модемах с фазовой манипуляцией обычно используют метод «относительной фазовой манипуляции», когда двоичную 1 или двоичный 0 определяют изменения фазы, а не ее абсолютные значения. Поэтому конкретный фазовый сдвиг может соответствовать 1 или О в зависимости от значения предыдущего бита. Благодаря этому не нужен опорный сигнал постоянной фазы (он бы потребовался, если бы 1 и 0 были привязаны к фиксированным позициям фазы).

Широко применяется метод с четырьмя фазовыми сдвигами, каждый из которых представляет два бита данных (т.е. дибит). В этом случае уменьшается ширина полосы частот, требуемой для передачи, поскольку основная частота сигнала, преобразованного в дибиты, составляет 1/4 скорости передачи. Четыре фазовых сдвига для указания вида дибита используют модемы, соответствующие рекомендации V.22 ITU-T (модемы типа Bell 212) и V.26 ITU-T (модемы типа Bell 201).

Модемы стандарта V.22 допускают полудуплексную передачу данных со скоростью 1200 бит/с. Поскольку для каждых двух битов передается один символ, символьная скорость (её часто называют скоростью модуляции) равна 600 Бод. Модем, инициировавший соединение, для передачи данных использует несущую частоту 1200 Гц, отвечающий модем для передачи данных в обратном направлении — 2400 Гц.

Максимальная скорость работы модема стандарта V.26 равна 2400 бит/с, пониженная скорость — 1200 бит/с. Чтобы повысить скорость передачи данных до 2400 бит/с, используется фазовая манипуляция несущей частоты 1800 Гц. Кроме того, каждый символ, передаваемый в линию, представляет два бита данных. Максимальная скорость модуляции поэтому равна 1200 Бод, пониженная — 600 Бод.

В модемах стандарта V.26 применяются режимы А и В. В режиме А используются фазовые сдвиги 0, 90, 180 и 270° для каждой пары битов. В режиме В используются фазовые сдвиги 45, 1350, 225 и 315° для каждой пары битов (табл. 3). В коммутируемой сети общего пользования применяются модемы стандарта V.26 bis с фазовой манипуляцией в режиме В. В 4-проводной выделенной линии можно использовать модемы V.26 с фазовой манипуляцией в любом режиме (в модемах V.26 чаще используется режим А).

Таблица №3

Фазовые сдвиги в модемах V.22, V.26 и V.26 bis

Дибиты V.22 V.26 (режим А) V.26 (режим B)

00
01
11
10

90°

270°
180°

50°
180°
270°
45°
135°
225°
315°

 

Для этого вида манипуляции частота несущей обычно равна 1800 Гц, поскольку на этой частоте искажения групповой задержки в телефонном канале малы. На рис. 1 приведена упрощенная структурная схема модема V.26 с 4-уровневой манипуляцией в режиме А. В этой схеме последовательный поток данных со скоростью 2400 бит/с поступает в двухразрядный сдвиговый регистр, который формирует дибиты со скоростью 1200 бит/с. Первый бит пары направляется в модулятор канала Р, а второй —- в модулятор канала Q. На модулятор Р подается также несущая частота 1800 Гц, которая с фазовым сдвигом на 90° поступает и на модулятор Q. Два модулированных по фазе сигнала суммируются и подаются в линию через фильтр нижних частот (ФНЧ).

 

Рис. 1. Структурная схема модема V.26

 

В принимающем модеме несущая частота 1800 Гц восстанавливается (с фазами 0° и 90°) с помощью сигнала местного гетеродина и схемы ФАПЧ, а фазовые сдвиги, определяемые фазовыми детекторами Р- и Q-каналов, в декодирующей схеме преобразуются в исходный поток со скоростью 2400 бит/с. Очевидно, что для правильного детектирования фазовых сдвигов в приходящем сигнале необходима точная синхронизация между передающим и принимающим модемами.

Так как угловая скорость (w = 2) является производной фазы по времени, фазовая модуляция логическим сигналом приводит к изменениям мгновенной частоты несущей. Действительные значения частот, генерируемых при передаче каждого дибита в модемах V.26 А и V.26 В (скорость передачи данных равна 2400 бит/с), приведены в табл. 4.

Таблица №4

Частоты передач при повторяющихся дибитах в модемах  V.26 и V.26 bis

Дибиты 00 01 10 11
Режим А

Режим B
1800

750
1950
900
2100
1050
2250
1500
2700
1650
2850
1200
2400
1350
2550

 

Требуемая ширина полосы частот равна соответственно (2700 — 900 = 1800 Гц) и (2850 - 750 = 2100 Гц), и в обоих случаях она меньше ширины полосы частот, необходимой для передачи потока со скоростью 2400 бит/с в системе с FSK (т. е. 2400 Гц). Огибающая относительных амплитуд спектральных составляющих подчиняется закону (sin х/х)2, как показано на рис. 2 для повторяющихся дибитов. Для сложной структуры модулирующего сигнала энергия рассеивается по спектру более равномерно.

 

Рис. 2. Распределение энергии для повторяющихся дибитов

Для снижения межсимвольной интерференции при любых изохронных передачах необходимо применять фильтрацию, чтобы получить спад энергетического спектра в области частоты Найквиста (т. е. на частоте, равной половине частоты манипуляции, выраженной в бодах). В рассматриваемом случае спад частотной характеристики должен быть на частотах, расположенных на 600 Гц выше и ниже частоты несущей. В передатчике с помощью фильтрации можно устранить только боковые лепестки спектра более высокого порядка, чтобы не потерять информацию о тактовой частоте в потоке передаваемых данных; при манипуляции в режиме В особого внимания заслуживает случай передачи дибитов 00 и 01.

В протоколе, определяемом рекомендацией V.27 ITU-T, за счет соответствия одному боду трех битов достигается скорость передачи данных 4800 бит/с. Скорость манипуляции, таким образом, равна 1600 бод. С помощью трех битов можно отобразить 8 возможных состояний, поэтому в модеме V.27 используются 8 фазовых сдвигов несущей частоты 1800 Гц. Так как границы областей фазовых состояний при этом сужаются, необходимо, чтобы линия была выровнена, т. е. отрегулирована так, чтобы уменьшить вносимые ею фазовые сдвиги.

Относительные фазовые сдвиги для модемов стандарта V.27 приведены в табл. 5.

Таблица №5

Частоты передач при повторяющихся дибитах в модемах  V.26 и V.26 bis

Биты данных Изменение фазы, град.
001
000
010
011
111
110
100
101
0
45
90
135
180
225
270
315

 

В модеме V.27, используемом на высококачественных выделенных телефонных каналах, имеется корректор линии с ручной настройкой, который регулируется во время установки и ввода в эксплуатацию. Модем V.27 bis предназначен для использования на выделенных телефонных каналах обычного качества. Его корректор линии автоматически адаптируется к условиям линии. Модем V.27 ter применяется на коммутируемых сетях общего пользования. В нем предусмотрен автоматический корректор линии и режим пониженной скорости передачи, соответствующий протоколу V.26A (т.е., скорость 2400 бит/с), когда качество линии не позволяет работать на более высокой скорости.

 

Если Вы хотите что-нибудь опубликовать, пишите:  TechNet@mail.ru
Ведущий рассылки: Алексей

Сайт создан в системе uCoz