Как работают модемы (стр. 4 )

Если модем будет использовать для передачи по такому каналу равномерно распределенные уровни, то символы с большой амплитудой будут получать большие ошибки из-за "логарифмического квантования" канала. При использовании "нелинейного кодирования созвездия", уровни сигнала, используемые модемом, лучше соответствуют "логарифмическому квантованию" канала. И наоборот, если канал связи не использует логарифмического квантования (не содержит цифровых каналообразующих систем, а есть либо просто "кусок провода", либо проходит только через аналоговую аппаратуру), использование "нелинейного кодирования созвездия" может ухудшить качество связи, поскольку символы с малыми уровнями будут более подвержены шуму, чем были бы все символы, если бы использовалась равномерная шкала. Поэтому большинство модемов позволяют включать или выключать это кодирование.

4. Постоянные помехи (фон, гудение, разговор соседей, музыка от радио)

Помехи (шум, посторонние звуки) в канале складываются с сигналом передающего модема, в результате принимаемые на противоположной стороне символы отличаются от того, что должно было бы быть получено. И, если искажения АЧХ канала модем может оценить и компенсировать, то случайные воздействия на сигнал из-за помех предсказать и учесть невозможно в принципе. Если помехи имеют локализованный частотный спектр, т. е., не совсем случайны - например, помехи в области нижних частот из-за "помех питания" - 50Гц и их гармоники, или высокочастотные шумы с верхней стороны спектра, то модем может попытаться выбрать для работы такую полосу частот, которая не перекрывается со спектром шумов. Например, протокол V.34 для этого имеет возможность некоторого варьирования ширины используемой для работы полосы частот (выбором одной из 6 символьных скоростей) и перемещения ее "вверх" или "вниз" по спектру путем выбора одной из двух несущих. Возможность использования той или иной полосы частот для работы выбирается на этапе установления соединения или "ретрейна", по результатам тестирования линии. Другие стандартные протоколы не имеют и таких возможностей. К сожалению, для обеспечения высокой скорости передачи требуется широкая полоса сигнала, поэтому, если шумы не локализованы в нижней или верхней части спектра, скорее всего, их полоса перекроется с полосой, используемой для передачи данных, даже если шум узкополосный. Иногда это приводит к полной невозможности использования скоростного протокола, типа V.34 или V.32. В таких случая, возможно, удастся передать данные с использованием низкоскоростных протоколов (например, V.22/V.22bis), обеспечивающих передачу со скоростями 1200 или 2400бит/с, или даже V.21 (300бит/c).

Если шумы находятся в той же полосе частот, что и полезный сигнал, разделить их невозможно и они неизбежно приведут к искажению символов при приеме. Тем не менее, если шумы не очень велики, возможно, что путем уменьшения "глубины модуляции" т. е. увеличения расстояния между символами за счет уменьшения количества используемых символов удастся добиться того, что искажения будут меньше расстояний между символами, и последние будут детектироваться правильно. При этом, конечно, снизится скорость передачи данных, поскольку для кодирования данных будет использоваться меньшее количество символов. До появления V.34 (например, на протоколе V.32), изменение скорости передачи (глубины модуляции) было единственным "рычагом", позволяющим учесть особенности линии и найти компромисс между устойчивостью работы и скоростью передачи. Собственно, и на V.34 нахождение этого компромисса остается одним из главнейших условий качественной работы модема. Задача усложняется тем, что шумы зачастую пропадают и появляются вновь, изменяются по своей мощности, а модем должен это отслеживать и в идеале в каждый момент времени обеспечивать оптимальный баланс устойчивости связи и скорости передачи данных.

Помимо того, что шумы непосредственно вносят ошибки в работу детектирующей системы модема, они могут наносить вред опосредовано, через влияние на работу других подсистем. Например, шумы во время настройки эхогасителя или эквалайзера модема могут привести к тому, что эти подсистемы настроятся не до конца, или неправильно, и в дальнейшем уже они сами будут вносить дополнительные шумы, с теми же последствиями, что и шумы канала. Или, сильный шум может привести к расстройке подсистемы синхронизации модема (подсистемы, определяющей позиции принимаемых символов в сигнале, и отслеживающей временные расхождения, вызванные разницей в скоростях работ передающего и принимающего модемов, и дрожанием фазы сигнала из-за дефектов каналообразующей аппаратуры). При расстройке этой системы принимающий модем не сможет корректно распознавать символы, поскольку он не будет "знать", где кончается один символ и начинается следующий.

5. Импульсные помехи (трески, щелчки, резкие изменения громкости и т. п.)

Зачастую помехи носят импульсный характер, т. е. имеют вид очень кратковременных выбросов сигнала, тресков. Специфика таких помех заключается в их обычно большой амплитуде (больше среднего уровня шумов канала) и малой продолжительности. Практически все современные скоростные протоколы (V.32 и V.34) имеют средства для борьбы с кратковременными (порядка одного или нескольких символов) сериями "больших шумов". Это - корректирующие коды. В рассматриваемых протоколах нашли применение так называемые сверточные коды. Суть кодирования заключается в том, что передаваемые символы формируются не независимо "каждый сам по себе", а каждый последующий символ зависит как от данных, которые он кодирует, так и от текущего состояния кодера, т. е., некоторой предыстории. В каждом конкретном состоянии кодера возможно использование только некоторого подмножества символов. В результате не все последовательности символов разрешены. Код называется "сверточным", потому что кодирование происходит непрерывно, путем "сворачивания" поступающих на вход кодера информационных и избыточных битов, выбирающих разрешенные в каждом состоянии подмножества символов (другая разновидность корректирующих кодов - "блочные" коды, в которых информация кодируется блоками, с добавлением в каждый блок избыточных символов - не нашла применения в современных модемных протоколах).

Зная ограничения, накладываемые на последовательность символов кодером, принимающий модем может оценивать достоверность уже не отдельных принимаемых символов, а последовательности символов. В результате, если на один символ шум оказал большое влияние, а другие соседние остались не сильно искаженными - модем может исправить эту ошибку, оценив последовательность в целом. В конечном итоге использование корректирующего кода приводит к тому, что обеспечивается большая надежность связи (или можно выбрать большую скорость передачи данных).

Отрицательным моментом использования корректирующих кодов является большая вычислительная сложность их декодирования. Обычно, принимающий модем должен рассматривать непрерывно несколько гипотез о принимаемых последовательностях символов и на каждом шаге выбирать из них лучшую. Для достижения компромисса между помехоустойчивостью и вычислительной сложностью, стандарт V.34 предусматривает три вида корректирующих кодов возрастающей сложности (и, соответственно, помехозащищенности). Модем, удовлетворяющий стандарту V.34, может иметь декодер не на все три кода, или может не обеспечивать работу более сложных декодеров на старших символьных скоростях (требующих большего быстродействия процессора модема). Кроме того, длина анализируемой последовательности символов может быть уменьшена для экономии памяти или быстродействия. Все это может привесит к тому, что V.34 модем не реализует всего потенциала, заложенного в протоколе.

6. Нелинейные искажения (дребезжащий голос)

К сожалению, нелинейные искажения в общем случае необратимы, и, соответственно, не могут быть адекватно компенсированы принимающим модемом. Одна из наиболее типичных причин нелинейных искажений - искажения из-за перегрузки канала. Если передаваемый сигнал имеет слишком сильную амплитуду, он может быть нелинейно ограничен сверху - грубо говоря, "обрезан". При этом форма сигнала может измениться достаточно сильно. Единственное решение, которое может помочь в этом случае - уменьшить амплитуду сигнала на передаче, чтобы не вызывать перегрузок. Уменьшение мощности передатчика имеет и другой плюс - поскольку эхогаситель работает не идеально, часть передаваемого сигнала все же попадает в приемник в виде шумов. Уменьшение мощности передатчика уменьшит и это остаточное эхо, что улучшит условия работы собственного приемника. Многие модемы предусматривают возможность ручной регулировки уровня передачи. Протокол V.34 предусматривает возможность уменьшения уровня передачи передающим модемом по рекомендации принимающей стороны. Наиболее "продвинутые" модемы могут также иметь "интеллектуальные" системы управления мощностью своего передатчика в зависимости от условий на линии, преимущественного направления передачи данных и т. д.

7. Дрожание фазы и амплитуды (как пленка проскакивает на магнитофоне)

Быстротекущие дрожания фазы сигнала могут происходить из-за нестабильности задающих генераторов каналообразующей аппаратуры. Более протяженные во времени эффекты могут быть связаны с буферизацией или потерей данных в цифровой каналообразующей аппаратуре. В зависимости от скорости изменения, эти эффекты в большей или меньшей степени успешно могут отслеживаться подсистемой символьной синхронизации, поскольку именно к небольшим перемещениям символов по временной оси вперед-назад сводятся подобные искажения сигнала. Нескомпенсированные искажения "участвуют" в дальнейшей обработке сигнала как дополнительные шумы. Значительные искажения могут привести к срыву символьной синхронизации вообще и необходимости ретрейна для восстановления синхронизации.

8. Смещение спектра сигнала (обычно не слышно ухом)

Смещение спектра сигнала вверх или вниз возможно из-за расстроенности генераторов аналоговой каналообразующей аппаратуры. При этом временная шкала не искажается, но происходит равномерный сдвиг всех частот вверх или вниз, обычно относительно несильный, такой, что человеческое ухо этого не слышит. Например, несущая становится не 1800Гц, а 1805Гц. Модемы обычно имеют подсистему синхронизации частоты, которая отслеживает и компенсирует сдвиг частоты.