Интернет-журнал 'Домашняя лаборатория', 2007 №8 - Журнал «Домашняя лаборатория»

1200 бит/с) используется частотная модуляция (FSK). Многофазные PSK используются при скоростях передачи данных от 2400 бит/с до 4800 бит/с. PSK более эффективно использует ширину диапазона, чем FSK, но ее реализация значительно дороже. ASK наименее эффективна и используется только для очень низких скоростей передачи (менее чем 100 бит/с). Для скоростей от 9600 бит/с до 33600 бпт/с используется комбинация PSK и ASK, называемая квадратурной амплитудной модуляцией (QAM).

Международный комитет по телеграфной и телефонной связи (ITTC) (CCITT во Франции) установил стандарты и спецификации для модемов, которые приведены на рис. 9.2.

Задача проектирования высокоэффективных модемов состоит в том, чтобы достичь максимально возможной скорости передачи данных по телефонным сетям общего пользования и избежать расходов на использование частных телефонных линий. Стандарт V.90, рекомендованный CCITT, описывает дуплексный режим работы (одновременные передача и прием) модема, работающего в сети POTS. Спецификация V.90 предусматривает передачу данных с телефонной станции на модем абонента со скоростью 56 000 бит/с с использованием импульсно-кодовой модуляции (РСМ). Поток данных от абонента к телефонной станции регламентируется стандартом V.34, рассчитанным на скорость до 33 600 бит/с (QAM).

Упрощенная блок-схема аналоговых модемов стандарта V.90 показана на рис. 9.3. Как следует из нее, большая часть обработки сигналов выполняется в цифровой форме. И приемная, и передающая части модема используют множество различных алгоритмов для цифровой обработки сигналов, для эффективного выполнения которых вполне могут использоваться современные процессоры.

Последовательный поток данных, предназначенных для передачи, сначала скремблируется (т. е. осуществляется перемежение данных, изменение порядка следования) и кодируется. Скремблирование позволяет получить из входного потока данных псевдослучайную последовательность. Цель скремблирования состоит в том, чтобы привести спектр передаваемых данных к спектру белого шума. Без скремблирования длинная последовательность идентичных символов могла бы привести к неверному опознаванию приемником несущей. Скремблирование приближает спектр передаваемых сигналов к белому шуму, способствуя более эффективному использованию ширины диапазона канала, облегчая восстановление несущей и временную синхронизацию и делая возможным адаптивную подстройку и подавление эхосигнала.

Скремблируемый битовый поток разделяется на группы бит, и уже группы сначала подвергаются дифференциальному кодированию, а затем — сверточному кодированию.

После этого полученные символы отображаются в пространство сигналов QAM в соответствии со стандартом V.34. Отображение сигнала позволяет получить две координаты: одну для действительной части QAM-модулятора и одну для его мнимой части. В качестве примера можно привести рис. 9.4, где точками показана совокупность значений ("созвездие") I и Q. Таким образом четыре бита кодируются посредством одного символа. Такой вид квадратурной модуляции называется 16-QAM. Более сложные совокупности I и Q используются в модемах стандарта V.90, и фактический размер этой совокупности адаптивно изменяется и определяется в процессе обучения, или во время установления связи, когда модемы синхронизируют между собой режимы приема и передачи сигналов.

До модуляции цифровой импульс проходит через цифровые фильтры, подавляющие спектральные составляющие с частотой выше половины частоты дискретизации (частоты Найквиста), которые появляются в процессе формирования сигнала. Кроме того, эти фильтры имеют нули на соответствующих частотах для подавления межсимвольной интерференции.

Алгоритм QAM-модуляции может быть легко реализован с помощью современных DSP-процессоров. Алгоритм модуляции требует: доступ к значениям синусов или косинусов, входной символ (X- или Y-координата) и умножение. Параллельная архитектура семейства ADSP-21XX позволяет все три операции производить за один процессорный цикл.

С выхода цифрового модулятора сигнал поступает на ЦАП. После ЦАП сигнал пропускается через аналоговый НЧ-фильтр и выводится в двухпроводную телефонную линию для передачи по телефонной линии.

Приемник состоит из нескольких функциональных блоков: входного антиалайзингового фильтра и АЦП, демодулятора, адаптивного эквалайзера, декодера Витерби, подавителя эхо-сигнала, дифференциального декодера и дескремблера. Реализуемые в приемнике алгоритмы цифровой обработки требуют высокой скорости обмена данными с памятью при высокой вычислительной мощности. Семейство сигнальных процессоров ADSP-218X удовлетворяет этим требованиям, обеспечивая достаточный объем ОЗУ программ на кристалле (как для программ, так и для данных), ОЗУ данных на кристалле и скорость выполнения инструкции до 75 MIPS.

Антиалиазинговый фильтр и АЦП в приемнике должны иметь достаточно широкий динамический диапазон, позволяющий обрабатывать слабый сигнал на фоне более сильного эхо-сигнала. Полученный сигнал может иметь уровень -40 дБм, в то время как эхо-сигнал от входной гибридной схемы может достигать -6 дБм. Чтобы гарантировать отсутствие дополнительных погрешностей при приеме сигналов в таких условиях, аналоговый тракт приемника должен обеспечивать мгновенный динамический диапазон 84 дБ и отношение сигнал-шум 72 дБ.

Чтобы компенсировать амплитудные и фазовые искажения в телефонном канале, необходимо применение эквалайзера, позволяющего снизить уровень ошибок в битовом потоке. Быстрое изменение условий прохождения сигнала по телефонной линии требует адаптивной подстройки параметров эквалайзера, оговоренной в части стандарта V.90, относящейся к приемной части модема. Адаптивный эквалайзер может быть выполнен на основе цифрового КИХ-фильтра с адаптивно подстраиваемыми коэффициентами фильтрации в зависимости от текущего состояния линии.

Разделение между передаваемым и принимаемым сигналами в модемах стандарта V.90 реализовано с использованием системы подавления эхо-сигнала. Такое решение позволяет подавить оба вида эхо-сигнала и обеспечить надежную связь. Подавление эхо-сигнала достигается за счет вычитания ожидаемого уровня отраженного эха из фактически полученного сигнала. Ожидаемый уровень эхо-сигнала предсказывается посредством обработки переданного сигнала в адаптивном фильтре с передаточной функцией, эмулирующей телефонный канал. Адаптивный фильтр, обычно используемый в системах подавления эхо-сигнала, представляет собой цифровой фильтр с конечной импульсной характеристикой (такой выбор определяется высокой стабильностью и линейностью ФЧХ КИХ-фильтра). Величина отклика определяется алгоритмом наименьшей среднеквадратичной ошибки — так называемым LMS-алгоритмом, выполняемым в течение нескольких тестовых последовательностей сигналов до начала дуплексной связи.

Для расшифровки полученных данных чаще всего используется декодер Viterbi. Названный по имени изобретателя, Viterbi-алгоритм представляет собой наиболее универсальное средство для коррекции ошибок в потоке данных. Декодер Viterbi обеспечивает надежное исправления ошибок, затрачивая на исследование полученной битовой последовательности дополнительное время для определения наиболее вероятного ее значения, передаваемого в текущий момент времени. Декодирование по алгоритму Viterbi требует весьма интенсивных вычислений. Необходима запись предыстории для всех возможных символов, передаваемых в каждой символьной последовательности. В символьных последовательностях рассчитывается запаздывание по времени от каждого возможного полученного символа до символа, посланного некоторое время назад.

Символ, который имеет минимальное запаздывание по отношению к исходному сигналу, признается истинным декодированным символом. Полное описание декодера Viterbi и его реализация на базе семейства процессоров ADSP-21XX приведены в документации, поставляемой Analog Devices [2].

На рис. 9.5 приводится сравнение модемов стандартов V.34 и V.90.

Обратите внимание, что по стандарту V.34 (рис. 9.5, а) соединение осуществляется между двумя аналоговыми модемами. Это требует применения