Реализация квадратурных модемов

Модем предназначен для передачи/приема информации по обычным телефонным проводам. В этом смысле модем осуществляет роль интерфейса между компьютером и телефонной сетью. Его основная задача заключается в преобразовании передаваемой информации к виду, приемлемому для передачи по телефонным каналам связи, и в преобразовании принимаемой информации к виду, приемлемому для компьютера. Как известно, компьютер способен обрабатывать и передавать информацию в двоичном коде, то есть в виде последовательности логических нулей и единиц, называемых битами. Логической единице можно поставить в соответствие высокий уровень напряжения, а логическому нулю — низкий. При передаче информации по телефонным проводам необходимо, чтобы характеристики передаваемых электрических сигналов (мощность, спектральный состав и т.д.) соответствовали требованиям приемной аппаратуры АТС. Одно из основных требований заключается в том, чтобы спектр сигнала лежал в диапазоне от 300 до 3400 Гц, то есть имел ширину не более 3100 Гц. Для того чтобы удовлетворить этому и многим другим требованиям, данные подвергаются соответствующему кодированию, которым, собственно, и занимается модем. Существует несколько способов возможной кодировки, при которых данные можно передавать по абонентским коммутируемым каналам. Эти способы отличаются друг от друга, как скоростью передачи, так и помехоустойчивостью. В то же время, независимо от способа кодировки, данные передаются по абонентским каналам только в аналоговом виде. Это означает, что для передачи информации используется синусоидальный несущий сигнал, который подвергается аналоговой модуляции. Применение аналоговой модуляции приводит к спектру гораздо меньшей ширины при неизменной скорости передачи информации. Аналоговая модуляция — это такой способ физического кодирования, при котором информация кодируется изменением амплитуды, частоты и фазы синусоидального сигнала несущей частоты. Существует несколько базовых способов аналоговой модуляции: амплитудная, частотная и относительная фазовая. В модемах используются перечисленные способы модуляции, но не по отдельности, а все вместе. К примеру, амплитудная модуляция может использоваться совместно с фазовой модуляцией (амплитудно-фазовая модуляция). Главная проблема, возникающая при передаче информации по абонентским каналам, — это повышение скорости. Скорость ограничивается шириной спектральной полосы пропускания канала связи. Однако имеется способ, позволяющий значительно повысить скорость передачи информации без увеличения ширины спектра сигнала. Основная идея такого способа заключается в использовании многопозиционного кодирования. Последовательность бит данных разбивается на группы (символы), каждой из которых ставится в соответствие некоторое дискретное состояние сигнала. Например, используя 16 различных состояний сигнала (они могут отличаться друг от друга, как по амплитуде, так и по фазе), можно закодировать все возможные комбинации для последовательностей из 4 бит. Соответственно 32 дискретных состояния позволят закодировать в одном состоянии группу из пяти бит. На практике для повышения скорости передачи информации используется в основном многопозиционная амплитудно-фазовая модуляция с несколькими возможными значениями уровней амплитуды и сдвига фазы сигнала. Такой тип модуляции получил название квадратурной амплитудной модуляции (КАМ). В случае КАМ состояния сигнала удобно изображать на сигнальной плоскости. Каждая точка сигнальной плоскости имеет две координаты: амплитуду и фазу сигнала и представляет собой закодированную комбинацию последовательности бит. Для повышения помехоустойчивости квадратурной амплитудной модуляции может использоваться так называемая треллис-модуляция (Trellis Code Modulation, ТСМ) или, иначе, решетчатое кодирование. При треллис-модуляции к каждой группе бит, передаваемых за одно дискретное состояние сигнала, добавляется еще один избыточный треллис-бит. Если, к примеру, информационные биты разбиты на группы по 4 бита (всего возможно 16 различных комбинаций), то в сигнальной плоскости размещается 16 сигнальных точек. Добавление пятого треллис-бита приведет к тому, что возможных комбинаций окажется 32, то есть количество сигнальных точек увеличится вдвое. Однако не все комбинации бит являются разрешенными, то есть имеющими смысл. В этом и заключается идея треллис-кодирования. Значение добавляемого треллис-бита определяется по особому алгоритму. Расчетом добавляемого треллис-бита занимается специальный кодер. На принимающем модеме для анализа поступающих последовательностей битов предназначен специальный декодер — так называемый декодер Витерби. Если принимаемые последовательности являются разрешенными, то считается, что передача происходит без ошибок и треллис-бит просто удаляется. Если же среди принимаемых последовательностей встречаются запрещенные последовательности, то при помощи особого алгоритма декодер Витерби находит наиболее подходящую разрешенную последовательность, исправляя, таким образом, ошибки передачи. Итак, смысл решетчатого кодирования — ценой сравнительно небольшой избыточности повысить помехоустойчивость передачи. Использование треллис-кодирования позволяет главным образом, защитить от перепутывания именно соседние в сигнальном пространстве точки, которые как раз более всего подвержены возможности «перепутаться» под действием помех.