Как работают модемы (стр. 3 )

Как модем борется с проблемами на линии.

1. Чрезмерное ослабление сигнала (слышно тихо).

Для того, чтобы основные подсистемы модема работали хорошо, необходимо, чтобы сигнал на их входе был в области допустимых значений, т. е. не переполнял разрядную сетку и не был слишком мал.

Для нормирования мощности сигнала на входе, практически все модемы имеют систему АРУ (Автоматическую Регулировку Усиления), призванную приводить мощность сигнала к требуемому последующими системами модема уровню. Базовая идея системы достаточно проста - необходимо периодически измерять мощность сигнала на входе и так подстраивать коэффициент усиления (множитель, на который умножается входной сигнал в простейшем случае), чтобы после этого коэффициента мощность сигнала соответствовала ожидаемой. Т. е. происходит ослабление или усиление входного сигнала.

Очевиден тот факт, что при усилении тихого сигнала вместе с полезным сигналом во столько же раз усиливаются и шумы, т. е., соотношение сигнал/шум улучшено быть не может в любом случае. А вот ухудшено может быть легко. Например, если АРУ выполнено исключительно в цифровой части модема (после АЦП), и АЦП имеет небольшое количество разрядов, возможно, что подавляющая часть разрядов АЦП будет использоваться только при работе с очень громкими сигналами, а на обычной телефонной линии реально "работать" будут немного разрядов, например, как будто использован не 16-разрядный АЦП, а 3-разрядный. Небольшое количество разрядов (и, соответственно, распознаваемых уровней напряжения для АЦП) может привести к тому, что цифровой сигнал будет неточно соответствовать аналоговому сигналу на входе модема. При этом неизбежно ухудшение связи. Эффект очень похож на добавление шума в линию, с мгновенными значениями равными половине разницы между соседними уровнями квантования - недаром такие шумы называются "шумами квантования". Для уменьшения шумов квантования АЦП должен иметь достаточно высокое разрешение (количество разрядов) для того, чтобы обеспечивать требуемую точность во всем диапазоне входных сигналов (с учетом работы внутреннего АРУ). Иногда в "продвинутых" модемах в аналоговую часть встраиваются системы управления усилением входного сигнала еще до АЦП (для увеличения количества разрядов АЦП, реально используемых при работе модема).

2. Эхо ("заворот" собственного сигнала назад или отражения от дальних объектов).

Практически все скоростные протоколы передачи данных, предназначенные по телефонной сети, используют один и тот же диапазон частот и для передачи и для приема (напомним, что современные протоколы, такие как V.32 и V.34, являются дуплексными, т. е., передача ведется одновременно в двух направлениях). Несмотря на то, что два сигнала в одном диапазоне, казалось бы, должны мешать друг другу, этого не происходит. Дело в том, что при правильном согласовании сопротивления модема, телефонного кабеля и станционного оборудования, модем не должен слышать сигнала, который сам передает. Между АТС, как правило, используется каналообразующая аппаратура, в которой прием и передача вообще разделены. И если удаленный модем, кабель от него до абонентского комплекта и сам абонентский комплект также правильно согласованы, то передатчик нашего локального модема в принципе не должен мешать работать его приемнику. На практике, к сожалению, все не так просто. Из-за рассогласованности сопротивлений аппаратуры и кабелей, "заворот" сигнала передатчика на свой же приемник может во много раз превышать сигнал удаленного модема, особенно, если он сильно ослаблен из-за плохого состояния кабелей или разрегулированности аппаратуры АТС. Кроме того, возможно возвращение задержанного по времени "эха" сигнала, возникающего по той же причине, с противоположного конца. Возможно даже наличие нескольких "эхо", возникающих благодаря некачественным стыкам кабелей, участкам переприема, и т. п. К счастью, большинство причин возникновения "эхо" стационарны (не изменяются или медленно меняются во времени), и могут быть описаны линейной моделью канала. Это делает возможным для модемов оценить вид "эхо" на этапе установления соединения (или после установления соединения соединения в ходе "ретрейна"), построить модель канала, и в дальнейшем, зная, какой сигнал передается, рассчитывать ожидаемое "эхо" и вычитать его из принимаемого сигнала, делая возможным распознавание сигнала удаленного модема даже на фоне достаточно громкого "заворота" собственного сигнала.

Задачей оценки и подавления эхо собственного сигнала занимается подсистема под названием "эхогаситель" ("echo-canceller"). Как и большинство задач в обработке сигналов, эта задача может решаться более или менее успешно. Как правило, эхогаситель моделирует образование эхо в канале, используя линейный фильтр с конечным размером временного отклика, размер которого определяется количеством коэффициентов фильтра. Если этот размер недостаточен для того, чтобы адекватно "покрыть" эхо, часть эхо-сигнала останется непогашенной, и, соответственно, прибавится на последующих стадиях обработки к остальным шумам. Если по тем или иным причинам модель канала рассчитана не точно (шумы помешали правильно настроить фильтр, разрядности коэффициентов фильтра не хватило, алгоритм настройки был выбран неудачно), ошибка в оценке эхо также прибавится к шумам в дальнейшем. Кроме того, если эхо имеет нелинейную природу и не может быть описано применяемой моделью, также погасить его не удастся. К счастью, последнее бывает достаточно редко.

В худшем случае, если остаточная ошибка будет настолько велика, что не позволит нормально детектировать сигнал удаленного модема, связь установить не удастся.

3. Перекос АЧХ (глухой звук, плохая разборчивость)

Практически любой телефонный канал в той или иной степени искажает амплитудно-частотную характеристику сигнала. В результате, какие-то частоты ослабляются (обычно на краях полосы пропускания, особенно сверху), какие-то усиливаются. Это приводит к тому, что на определенных переходах между символами (соответствующих усиливаемым частотам) сигнал усиливается, на других (соответствующих ослабляемым частотам) сигнал ослабляется. В результате, символы могут смещаться и "заезжать" слегка друг на друга. Для того, чтобы продетектировать их на приемном конце, необходимо компенсировать эти искажения.

Этой задачей обычно занимается "эквалайзер" модема, выполняющий функции, сходные с функциями эквалайзера бытовой аудиоаппаратуры, с той лишь разницей, что обычно количество параметров его гораздо больше, настраивается он автоматически на этапе установления соединения или "ретрейна", и качество его настройки может быть охарактеризовано количественно - тем, насколько близок сигнал на его выходе к желаемому. Как правило, эквалайзер выполняется в виде линейного адаптивного фильтра, т. е. исходят из линейной модели канала, что обычно очень близко к реальности. Также, как и в случае с эхогасителем, все, что не смог компенсировать эквалайзер, становится дополнительными шумами, мешающими работать последующим подсистемам модема.

Компенсация искажений на приемной стороне эквалайзером имеет свою оборотную сторону. Если мы поднимаем частоты, сильно ослабленные каналом, происходит также усиление шумов на этих частотах. Для сохранения соотношения сигнал-шум в современных протоколах (например, V.34) применяют предыскажение сигнала на передающей стороне, например, подъем верхних частот (продолжая аналогию с бытовой аудиоаппаратурой, можно заметить, что популярная в свое время в бытовой аналоговой звукозаписи система шумоподавления "Dolby B" идет тем же путем - при записи на магнитофон высокие частоты искусственно усиливаются, при воспроизведении - ослабляются, в результате высокочастотные шумы магнитофона меньше слышны при воспроизведении). В протоколе V.34 предусмотрено два вида предыскажений сигнала при передаче: "pre-emphasis" и "non-linear precoding". Первое есть ни что иное, как использование одного из нескольких предусмотренных стандартом фиксированных фильтров, в большей или меньшей степени поднимающих верхнюю часть спектра сигнала при передаче. Второй вид предыскажений ("нелинейный прекодер") использует настраиваемые коэффициенты, определяемые принимающим модемом при установлении соединения с тем, чтобы внести в сигнал предыскажения, по возможности точно компенсирующие искажения, вносимые каналом связи. Фактически, это "кусочек" эквалайзера принимающего модема, перенесенный на передающую сторону. Слово "нелинейный" объясняется тем, что при внесении предыскажений прекодер может "скачкообразно" заменить передаваемые символы с целью гарантирования стабильности фильтра прекодера (поскольку последний имеет обратную связь).

Не следует путать "нелинейный прекодер" с еще одной "нелинейной" штукой - "нелинейным кодированием созвездия", которое некоторые модемы называют "warping". Последнее есть нелинейное (точнее, близкое к логарифмическому) отображение передаваемых символов, при котором символы, имеющие большую амплитуду, оказываются на большем расстоянии друг от друга, а имеющие относительно небольшую амплитуду - оказываются расположенными более плотно. Возможность такого кодирования предусмотрена на таких протоколах, как V.34, а также V32Terbo. "Нелинейное кодирование созвездия" производится для того, чтобы расстояния между символами примерно соответствовали уровням квантования телефонного сигнала, передаваемого через цифровую каналообразующую аппаратуру, получившую большое распространение во всем мире. Цифровые телефонные системы передают звук в цифровом виде, в аналоговую форму он преобразуется только на "концах" канала, где происходит сопряжение с аналоговой аппаратурой и собственно абонентской линией с использованием ЦАП и АЦП (почти как в модеме). А поскольку эти системы изначально разрабатывались и используются в первую очередь для передачи человеческого голоса, их АЦП и ЦАП обычно используют такую сетку квантования уровней напряжения в линии, в которой чем больше напряжение - тем дальше друг от друга располагаются уровни квантования. Такая "логарифмическая" шкала примерно соответствует чувствительности человеческого уха, что позволяет при использовании относительно небольшого количества уровней закодировать звук, сохраняя субъективное его качество.