Telefonní přístroje, modulační metody a telefonní modemy

Telefonní přístroje, modulační metody a telefonní modemy

11.přednáška
Telefonní přístroje, modulační metody
a telefonní modemy
Ing. Bc. Ivan Pravda
1
Telefonní přístroj – princip funkce
-
klasická analogová telefonní přípojka (POTS – Plain Old Telephone Service)
přenáší analogový telefonní signál v základním pásmu 300 Hz až 3400 Hz po
jediném účastnickém vedení (symetrickém páru) k telefonní ústředně a naopak
-
z telefonní ústředny je po vedení (tzv. účastnická smyčka) napájen i telefonní
přístroj
-
současně je třeba přenášet i účastnickou signalizaci (vyzvednutí, volba
účastnického čísla, zavěšení)
-
ve funkci hovorových obvodů slouží uhlíkový mikrofon v sérii se sluchátkem,
avšak v praxi se používá můstkové zapojení pro snížení intenzity vlastního
hovoru ve sluchátku → moderní telefonní přístroje mají hovorové obvody
řešené elektronicky
-
k vyzvánění se používá generátor vyzváněcího signálu připojovaný v účastnické
sadě telefonní ústředny
-
signalizace se provádí uzavíráním a rozpojováním stejnosměrné smyčky
2
Telefonní přístroj – princip funkce
-
při vyzvednutí mikrotelefonu se uzavře stejnosměrná smyčka, což signalizuje
v případě volajícího požadavek na zahájení volání, v případě volaného
účastníka jeho přihlášení → pokud obdrží volající účastník oznamovací tón,
může neprodleně zahájit volbu účastnického čísla volaného
3
Účastnická signalizace při sestavování spojení
4
Telefonní přístroj – volba účastnického čísla
-
klasická impulsní volba související s předchozími obrázky vychází z použití
rotační číselnice → využití rozpojování a uzavírání stejnosměrné smyčky
s frekvencí 10 Hz a čítání impulsů:
-
u ústředen 1. generace přímo ovládaly krokové voliče
-
u ústředen 2. generace se čítání impulsů zaznamenávalo do registru → volené číslo
bylo následně předáno do určovatele, který zajistil realizaci sestavení spojení na
základě voleného čísla
-
dnešní telefonní přístroje používají tzv. tónovou volbu (multifrekvenční
volba pomocí MFC kódu), která se přenáší v hovorovém pásmu jako
kombinace dvou současně vysílaných kmitočtů, kdy každý je vybírán ze skupiny
čtyř možných kmitočtů
-
frekvenční volba umožňuje:
-
rychlejší volbu než při použití impulsní volby
možnost využití pro podporu dalších služeb i během probíhajícího hovoru
5
Multifrekvenční volba (MFC kód)
6
Moderní telefonní přístroj – blokové schéma
7
Modulační metody - přehled
-
přenášený signál může mít obecně analogový nebo diskrétní (digitální)
charakter → ve spojitosti s harmonickým signálem (nosná vlna) hovoříme o
spojité, resp. analogové modulaci, ve spojitosti s průběhem, který má
charakter impulsů (taktovací signál), hovoříme o impulsní modulaci
-
modulace spočívá v ovlivňování nosné vlny modulačním signálem, čímž
vzniká modulovaná vlna → přenos analogového nebo digitálního signálu
v tzv. přeloženém pásmu
8
Modulační metody - přehled
-
podle způsobu, jakým je ovlivňována nosná vlna lze rozeznat tři základní typy
analogových modulací → amplitudová modulace (AM), frekvenční
modulace (FM) a fázová modulace (PM)
-
při digitálních modulacích nabývá modulační signál omezeného počtu
diskrétních hodnot → specifický způsob ovlivňování nosné vlny diskrétním
signálem (v nejjednodušším případě nabývajícího dvou stavů) se nazývá
klíčování (Shift Keying) → digitální modulace pak můžeme v souladu s obecným
dělením modulací rozdělit takto:
-
amplitudové klíčování ASK (Amplitude Shift Keying) → kombinuje se
s vícestavovým kódováním → pulsně-amplitudová modulace (PAM)
frekvenční klíčování FSK (Frequency Shift Keying)
fázové klíčování PSK (Phase Shift Keying) → nejvíce rozšířené především v
kombinaci s amplitudovým klíčováním (QASK – Quadrature ASK), resp. ve shodě
s odpovídající analogovou modulační metodou QAM (Quadrature Amplitude
Modulation) či jako amplitudově-fázové klíčování bez nosné CAP (Carrierless
Amplitude and Phase)
9
Modulační metody - přehled
-
modulační metody můžeme rozdělit do dvou oblastí podle počtu využitých
nosných frekvencí:
-
modulace s jednou nosnou označovaná zkratkou SCM (Single-Carrier Modulation),
což jsou modulace PSK, QAM, CAP apod.
modulace s více nosnými označovaná zkratkou MCM (Multi-Carrier Modulation), což
jsou modulace DMT (Discrete Multi-Tone), se kterou se setkáme u přípojek ADSL
a VDSL, dále OQAM (Orthogonally multiplexed Quadrature Amplitude Modulation),
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) používaná např. v digitálním
televizním vysílání formátu DVB (Digital Video Broadcast)
-
dvojkové klíčování BPSK mívá vyjádřeny dva stavy nosnou vlnou s fází 0 a p
-
čtyřstavové klíčování fáze 4-PSK je pak charakterizováno čtyřmi stavy nosné
s fází 0, p/2, p a 3p/2
-
modulace QPSK je mírně modifikovaná 4-PSK, liší se pouze pootočením
konstelace (množiny stavů fáze) o p/4 → žádný vliv na vlastnosti modulace,
výhoda spočívá ve zjednodušení algoritmů na straně demodulátoru
10
Modulační metody - přehled
-
-
stavy modulace QPSK lze znázornit jako body ležící na jednotkové kružnici
-
modulační rychlost na výstupu bude při
čtyřech stavech polovinou vstupní
přenosové rychlosti → jeden
modulační prvek vyjadřuje dvojici
binárních symbolů (0,1)
-
čtyřstavová fázová modulace QPSK je
pak totožná s modulací se čtyřstavovou
modulací 4-QAM
-
QAM však v praxi využívá většího
počtu stavů díky kombinaci amplitudového a fázového klíčování
v případě 16-QAM se ze vstupní sériové dvojkové posloupnosti vydělují
skupiny 4 bitů – tzv. kvadbity [a b c d]
11
Modulační metody – modulace QAM
-
každý kvadbit je na výstupu principiálně vyjádřen jedním signálovým prvkem
Sk(t) = Ck∙cos(wt + fk) s příslušnou amplitudou Ck a fází fk → celkem se může
vyskytnout 16 různých kvadbitů, kterým musíme přiřadit 16 různých kombinací
amplitud Ck a fází fk
-
kvadbit vstupního toku dat [a b c d] se rozdělí na dva dibity → dibit [a b]
bude směrován do horní větve modulátoru a dibit [c d] bude směrován do
dolní větve modulátoru
-
kombinace dibitu [a b] je zakódována pomocí PAM do jedné ze čtyř úrovní
podle následujících tabulek a filtrováním pro redukci šířky pásma pomocí dolní
propusti (LF - Low Frequency) získáme modulační signál I soufázové cesty,
obdobný proces platí pro kvadraturní cestu s modulačním signálem Q
I
A2
A1
-A1
-A2
Q
A2
A1
-A1
-A2
ab
11
10
00
01
cd
11
10
00
01
12
Modulační metody – modulace QAM
-
modulační signály I a Q představují vstupní modulační signály pro modulátory
s nosnou frekvencí fc posunutou pro kvadraturní cestu o 90º → znázornění
stavů 16-QAM v rovině je možné na konstelačním diagramu → výsledný
signál QAM získáme sečtením signálů z obou cest (modulační rychlost bude
rovna čtvrtině přenosové rychlosti → jeden modulační prvek vyjadřuje čtveřici
binárních symbolů (0,1))
-
použitím vícestavové modulace ušetříme frekvenční pásmo, ovšem se
vzrůstem počtu stavů modulace se signál stává mnohem náchylnější na rušení
-
pro modulaci 16-QAM se udává nutný odstup signálu od šumu 21,5 dB, který
zaručuje chybovost řádově 10-7 až 10-6, s každým dalším přidaným bitem
ke skupině [a b c d], čili se zdvojnásobením počtu stavů, se požadavek zvětšuje
o 3 dB Þ z tohoto důvodu je nutné volit kompromis mezi chybovostí,
přenosovou rychlostí a šířkou použitého frekvenčního spektra
-
v praxi se používá běžně modulace 64-QAM a 256-QAM
13
Modulační metody – modulátor QAM (schéma)
14
Modulační metody – konstelační diagram QAM
15
Modulační metody – modulace DMT
-
u digitálních účastnických přípojek (DSL) se dále setkáváme s modulací s více
nosnými MCM (Multi-Carrier Modulation) pod označením DMT, resp. OFDM
-
modulace MCM se výhodně realizuje pomocí signálových procesorů a
pokročilých metod digitálního zpracování signálů, protože by nebylo efektivní
provádět paralelně např. modulaci 256 nosných
-
při modulaci se využívá tzv. inverzní Fourierovy transformace (IFT), která
převádí vyjádření ve frekvenční oblasti do časové a při demodulaci Fourierovy
transformace (FT), která naopak signál vyjádřený v časové oblasti převádí do
oblasti frekvenční
-
Př. mějme např. modulaci s šestnácti nosnými (N=16) → přenášený digitální
tok nejprve rozdělíme na šestnáct dílčích toků pro jednotlivé nosné kmitočty
→ při použití 16-QAM bude na každé nosné přenášena čtveřice bitů (viz
konstelační diagram), takže jeden symbol DMT přenese 16×4 = 64 bitů
16
Modulační metody – modulace DMT
-
příslušný stav QAM se pro každou nosnou vyjádří ve formě komplexního čísla
Si = I + jQ, kde I představuje úroveň soufázové složky a Q úroveň kvadraturní
složky (viz princip QAM) → jednotlivé hodnoty Si seřazené podle stoupajícího
pořadového čísla nosné představují obraz modulovaného signálu DMT ve
frekvenční oblasti
-
hodnoty Si jsou transformovány pomocí inverzní Fourierovy transformace,
kterou standardně provádějí signálové procesory v diskrétní formě (IDFT inverzní diskrétní FT) pomocí optimalizovaného algoritmu jako tzv. inverzní
rychlou Fourierovu transformaci (IFFT)
-
tak se z N komplexních čísel získá 2×N vzorků reálného signálu, který
představuje superpozici všech šestnácti modulovaných nosných kmitočtů,
a platí, že šířka pásma ΔF odpovídá polovině vzorkovací frekvence fs, se kterou
se vzorky posílají na výstup v sériovém tvaru (paralelně-sériový převod (P/S))
přes digitálně-analogový převodník (D/A)
17
Modulační metody – modulace DMT
-
pro odstup nosných kmitočtů pak platí:
DF
fs
Df = f i +1 - f i =
=
N
2× N
-
prakticky pro uvedený příklad s šestnácti nosnými bychom vysílali vzorky
s frekvencí fs = 32 kHz Þ tomu odpovídá šířka pásma ΔF = 16 kHz a odstup
nosných Δf = 1 kHz → to dovoluje teoreticky použít modulační rychlost
vm = 1 kBd pro každou nosnou
-
při šestnáctistavové modulaci (M = 16) tak jeden symbol DMT přenese
N∙b = N∙log2 M = 16∙4 = 64 bitů přenosovou rychlostí vp = N∙b∙vm = 16∙4∙1 =
= 64 kbit/s → v praxi se volí určitá rezerva, a modulační rychlost je nižší než
odstup nosných, čímž se snižují interference mezi nosnými
18
Modulační metody – modulace DMT
-
pro zvýšení odolnosti proti rušení (zvýšení pravděpodobnosti správného
dekódování stavu) se používá PAM, QAM či CAP v kombinaci s mřížkovým
(trellis) kódováním TC (Trellis Code) → používá konvoluci dvou signálových
prvků (současného a předchozího) → vzniká podmíněná posloupnost ve
vhodně navrženém konstelačním diagramu → kódové slovo je složeno z
informačních bitů a ze zabezpečovacích bitů, které realizují provázanost
posloupnosti
-
kodér Trellis kódu (TC) musí být vybaven pamětí, která je schopna uchovat
předcházející signálový prvek
19
Telefonní modemy
-
jsou velmi rozšířeným prostředkem přenosu dat → využití telefonních vedení
a hostitelské telefonní sítě
-
přenosová rychlost je limitována šířkou pásma telefonního kanálu (3,1 kHz)
a může maximálně dosáhnout hodnoty 56 kbit/s
-
výhodou uvedené šířky pásma je možnost použití telefonní ústředny bez
nutnosti budování specifické sítě pro přenos dat
-
před vytvořením datového spojení je nutné (pokud modemy nejsou nasazeny
na pevném okruhu) nejprve sestavit spojení přes telefonní síť pomocí
účastnické volby čísla cílové stanice (tzv. dial-up) Þ po celou dobu trvání
komunikace zůstává spojení přes telefonní síť vytvořené a je odpovídajícím
způsobem zpoplatněné (pro komunikaci přes vybrané poskytovatele připojení
k síti Internet platí zvláštní tarify)
-
telefonní modemy jsou řešeny buď jako samostatné přístroje nebo integrované
do počítače
20
Telefonní modemy
-
moderní telefonní modemy používají vícestavové modulace QAM rozšířené o
použití mřížkového kódování (TCM) a jsou vybaveny výkonnými signálovými
procesory
-
historicky nejstarší telefonní modemy používají dvoustavové frekvenční
modulace 2-FSK (ITU-T V.21, ITU-T V.23)
-
dále následovaly poloduplexní modemy s vícestavovou diferenční fázovou
modulací DPSK (ITU-T V.26, ITU-T V.27), a potom poloduplexní modem
s kvadraturní amplitudovou modulací QAM (ITU-T V.29)
-
následujícími telefonními modemy ve vývojové řadě byly duplexní modemy s
vícestavovou diferenční fázovou modulací DPSK (V.22 a V22.bis), další
duplexní modemy ve vývojové řadě užívají opět vícestavovou kvadraturní
amplitudovou modulaci QAM → modemy podle doporučení (ITU-T V.32,
ITU-T V.32bis a ITU-T V.34) jsou duplexní a používají pro přenos v obou
směrech stejného frekvenčního pásma a metody potlačení ozvěny.
21
Moderní telefonní modemy
-
telefonní modem podle doporučení (ITU-T V.90) může být užíván pouze
v digitalizovaných telefonních sítích (analogová účastnická přípojka do digitální
ústředny) → ve vysílacím směru je po přípojném dvoudrátovém vedení přenášen
datový signál kvadraturní amplitudovou modulací QAM až do místa PCM
převodníku v ústředně maximálně s přenosovou rychlostí 33,6 kbit/s,
v opačném směru je použito pulsně amplitudové modulace PAM, pomocí
které lze dosáhnout přenosové rychlosti (bez použití komprese) až 56 kbit/s
-
k vybavení moderních modemů patří protokoly, zabezpečující přenos
datového signálu proti chybám při přenosu ve vlastním datovém okruhu:
-
-
protokoly MNP – protokoly úrovně 1 až 4 (zajišťují pouze detekci a korekci
chyb), protokoly úrovně 5 až 10 (vedle detekci a korekci chyb zavádějí do přenosu
navíc datovou kompresi) → pro detekci chyby v přijatém bloku dat se užívá
zabezpečení cyklickým kódem (CRC)
protokol LAP-M → vychází z HDLC, detekce chyby pomocí CRC (16 bitů)
protokol dle ITU-T V.42 → zahrnuje vlastnosti předchozích protokolů
22
Telefonní modemy - přehled
23