• ВСЕ, ЧТО ВЫ ХОТЕЛИ ЗНАТЬ О МОДЕМАХ, НО БОЯЛИСЬ СПРОСИТЬ •  

:: МОДЕМЫ 56К - на острие скорости ::

Публикуется с разрешения редакции журнала и автора!

Автор: Эдуард МИНКИН, к.т.н., руководитель технического
отдела компании RRC.
Источник: "СЕТИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ" №1 (11), 2000

Сегодня компьютерные и сетевые журналы, каталоги и предложения коммуникационных фирм, сайты Интернета насыщены информацией о суперскоростных магистралях SDH, технологиях Frame Relay и АТМ. Отзвучали гимны ISDN, на повестке дня проблемы доступа в Интернет по телевизионным кабельным сетям.

Создается впечатление, что и дома и на работе всем нам уже совершенно не хватает пропускной способности "банальных" цифровых каналов со скоростью 64 кбит/с, которые как бы уже давным-давно подведены к нашим квартирам и офисам. В то же время всем хорошо известно, что сидим мы в подавляющем большинстве случаев пока лишь около своих обожаемых модемов и с замиранием сердца следим, как эти рабочие лошадки, не очень-то торопясь, перекачивают информацию по обычному коммутируемому телефонному каналу. И, как это ни странно, профессиональный и дилетантский спор о том, какой модем лучше, не угасает и по сей день.

Никто не спорит, что потребность в скоростном и качественном доступе к информационным рекам, особенно к Интернету, резко возросла. Многие с удовольствием воспользовались бы хотя бы индивидуальными каналами ВRI, если бы все наши сети были бы сплошь ISDN, но… А нельзя ли существенно увеличить скорость обычных модемов? Да по обычным телефонным каналам? Удивительно, но факт, что задумались над этой проблемой и нашли ее решение в США, стране с самой современной инфраструктурой сетей связи. Может быть, дело в том, что в США, как и у нас, исторически ISDN-сети развиты слабо?

В конце 1996 года на коробках модемов Sportster и Courier компании U.S.Robotics запестрела броская на клейка с тремя символами "56K". Появились заметки в журналах и на сайтах в Интернете. Заговорили о разгоревшейся в США "войне" между титанами модемной индустрии 3Com и U.S.Robotics - с одной стороны, и группой суперкомпаний в лице Rockwell Semiconductor System, Lucent Technologies и "примкнувшей к ним" Моtorola - c другой.

Все еще не успели очнуться от молниеносного скачка скорости от 28,8 кбит/с к 33,6 кбит/с и постоянных возгласов о том, что сеансы с этими скоростями нереальны, как - на тебе! - новая "напасть" - 56 кбит/с.

Авторы этой технологии заявили: если районная ATC какого-либо провайдера Интернета цифровая и если телефонные каналы связи, соединяющие эту АТС с вашей районной АТС, являются каналами ИКМ (то есть тоже цифровыми), то у вас появилась реальная возможность перекачивать информацию из узла доступа к Интернету с линейной скоростью около 56 кбит/с. Если, конечно, провайдер предпримет ряд необходимых для этой технологии шагов.

Для профессионалов эти цифры показались совершенно невероятными и противоречащими известному закону К.Шеннона о пропускной способности полосноограниченного канала. Нарушен ли на самом деле знаменитый закон и так ли непостижима эта технология?

Самое интересное в том, что нет тут никаких чудес. И то, что новый номинал скорости превышает почти в два раза стандарт ITU-T V.34 - 28,8 кбит/с, вовсе не означает, что нарушен фундаментальный закон Шеннона о предельном значении скорости передачи в зашумленном канале с ограниченной полосой частот (см. "Клод Шеннон и его теорема").

Вспомним организацию коммутируемого канала

Наш телефонный аппарат (или модем) подсоединен к коммутационному оборудованию родной ATC с помощью пары проводов, называемых абонентской линией. Кстати, эта последняя представляет собою витую пару в многопарном кабеле. Остальные пары кабеля отданы соседям по нашему дому (или соседним домам) с той же целью.

После коммутационного оборудования ATC наш сигнал (если, конечно, мы набрали номер и установили с кем-нибудь соединение, как говорят связисты) проходит по другой паре проводов, называемой соединительной линией, к другой ATC, к которой подключена абонентская линия нашего собеседника. Отметим одну важную деталь: число соединительных линий между двумя АТС значительно меньше емкости каждой из АТС. Причина проста: не все же абоненты одной АТС (их обычно много тысяч) хотят одновременно связаться именно со всеми абонентами той, другой АТС. Иными словами, соединительные линии меду АТС являются групповыми элементами сети, и само оборудование АТС в большей своей части является групповым, т.е. им пользуются в данный момент лишь те, кто затребовал соединения. Число пар соединительного кабеля между двумя АТС зависит от взаимного тяготения, или, как говорят связисты, от предполагаемого трафика. Обычно число таких пар может равняться нескольким десяткам (30-60 пар или более). Не слишком ли накладно прокладывать дорогой кабель с таким количеством пар? Конечно, накладно. Тем более, что прокладка кабеля тоже дорогое удовольствие. Так делают только тогда, когда АТС расположены друг от друга в радиусе нескольких километров. Ну а если далеко? Тогда используется специальное оборудование - аппаратура многоканального уплотнения, обеспечивающая организацию уже по каждой симметричной паре соединительного кабеля 30 телефонных каналов. В разных странах эта цифра может быть другой, например в США - 24. И хотя сегодня межстанционный обмен часто проходит по оптическим кабелям с гигантской пропускной способностью, строительным элементом для оптических межстанционных магистралей остаются все те же 30-канальные системы уплотнения. Ну а если АТС находятся в разных городах? Тогда в составе нашего соединения появятся еще три звена: две междугородные станции коммутации (МТС) и междугородный канал связи. Наша АТС связана с МТС нашего города опять же с помощью соединительных каналов или линий. Междугородный канал - это один из каналов многоканальной магистральной системы уплотнения, соединяющих две МТС между собой. Общее число каналов в таких системах может достигать нескольких (а то и многих!) тысяч.

Клод Шеннон и его теорема Модемные технологии, впрочем, как и любые технологии передачи сигналов, на крепко связаны с характеристикой среды, по которой сигналы передаются. Например, какова предельная скорость передачи двоичных данных по некоторой реальной физической среде, предположим, по тому самому телефонному каналу, по которому сегодня данные передаются с помощью модемов? Заслуга знаменитого американца Клода Шеннона в том и состоит, что он показал, чему может равняться эта скорость и от чего она зависит: всего-навсего от двух параметров - ширины полосы частот, которые пропускает канал, и от соотношения мощности полезного сигнала к мощности помехи. Закон К. Шеннона опубликован полвека тому назад (в 1948 г.), но только в последние несколько лет человечество достаточно плотно приблизилось к реализации этого предела. Приблизилось в реализациях тех самых модемов, с которыми мы повседневно имеем дело. Более того, в других технологиях, связанных с передачей сигналов в любых средах, до предела Шеннона еще весьма далеко. Кстати, К. Шеннон открыл свой закон, работая в той самой Lucent Technologies (Великолепные Технологии), ранее называвшейся Bell Labs (Белловские лаборатории), в которой и родилась идея 56K.

Многоканальные системы уплотнения

Для создания многоканальных систем применяется две системы уплотнения телефонных каналов: часотная и временная.

Компандирование сигнала При уменьшении уровня сигнала на входе АЦП снижается соотношение сигнал/шум квантования. Чтобы получить примерно постоянное, не зависящее от уровня сигнала, соотношение сигнал/шум квантования, необходимо использовать переменную ширину шага квантования - малую для малых сигналов и большую для больших. Однако для упрощения работы АЦП можно поступить иначе: аналоговый сигнал пропустить через так называемый компрессор с соответствующей характеристикой, а затем подать на АЦП с равномерным шагом квантования. Компрессор имеет специальную нелинейную характеристику, обеспечивающую существенное усиление малых сигналов и определенное подавление больших. В последнее время функция компрессии и АЦП совмещены в одном устройстве. Существенно, что в соответствии со стандартами ITU-T применяют два вида кривых компрессии: М-закон (в США, Канаде, Японии) и А-закон (в Европе). Первоначальное назначение компрессии - уменьшение субъективно воспринимаемого уровня шумов квантования при передаче речи по трактам цифровых систем передачи. Минимизация влияния шума квантования важна была в свое время не только для слухового восприятия, но и для вторичных систем уплотнения телефонных каналов - особенно многоканальной телеграфии. На входе цифрового канала (перед АЦП) производится компрессия - сжатие. На выходе канала (после ЦАП), перед тем, как сигнал будет передан абоненту, производится обратная операция - экспандирование. Экспандер имеет характеристику, обратную характеристике компрессора. При этом "слабые отсчеты" сигнала, которые были "неоправданно усилены" при их передаче в канал, уменьшаются, а "сильные", которые были искусственно занижены, - наоборот усиливаются. Совместно компрессор и экспандер носят название компандера, а операция, которая состоит в прямом и обратном преобразовании, называется компандированием.

Частотная система, называемая также системой с частотным разделением каналов (ЧРК), является аналоговой и в общем-то отжила свой век, но у нас, естественно, остается пока весьма распространенной. Каналы связи, образованные в такой системе, также аналоговые, и наш речевой (или модемный) линейный сигнал передается по этому каналу в своем "первозданном", аналоговом виде. Расстояние между каналами в ЧРК-системах принято равным 4000 Гц. Каналы расположены по диапазону частот последовательно один за другим и разделены фильтрами. Частотные интервалы слева и справа от основной полосы пропускания каждого канала (ширина полосы частот, занимаемая стандартным телефонным каналом, равна 3100 Гц) используется для взаимной расфильтровки соседних каналов. Групповой сигнал, передаваемый в линию связи, представляет собою линейную сумму (суперпозицию) аналоговых сигналов всех каналов. Важнейшими недостатками систем с частотным уплотнением являются рост уровня шума в каждом канале с увеличением километрической длины канала; возможность межканального влияния при превышении допустимой мощности сигнала в каналах системы за счет возникающих при этом нелинейных искажений группового сигнала; серьезные частотные искажения, вносимые в спектр передаваемого сигнала разделительными канальными фильтрами, имеющими интенсивно и нелинейно нарастающую характеристику затухания и группового времени запаздывания к краям рабочего диапазона частот. Временная сисема уплотнения (называемая часто системой с временным разделением каналов - ВРК) появилась значительно позже, как альтернатива частотной. Основное преимущество принципа ВРК заключено, конечно, в значительном уменьшении влияния уровня канального шума на передаваемый сигнал. Объясняется это в первую очередь тем, что в системах ВРК по линии связи передаются двоичные сигналы (или сигналы, близкие по природе к двоичным), при приеме которых в точках так называемой регенерации сигнала применяют пороговые схемы принятия решения. В нашем обсуждении идеи модемной технологии 56К системы с ВРК играют важнейшую роль, поэтому остановимся на их свойствах подробнее. Как оцифровывается аналоговый сигнал Вначале аналоговый сигнал, поступающий на вход какого-нибудь канала системы, заменяется эквивалентной ему по информационному содержанию последовательностью дискретных отсчетов сигнала. Операция такой замены, называемая дискретизацией, основывается на гениальной теореме Котельникова1, гласящей: Если спектр сигнала не содержит частотных составляющих выше F Гц, то этот сигнал полностью определяется последовательностью своих мгновенных значений в моменты, отстоящие друг от друга на время 1/2F, и может быть восстановлен по этим отсчетам. Для телефонных систем отсчеты в каждом канале берутся с более высокой частотой, чем это требуется по теореме Котельникова - 2F = 8000 Гц. Такой процесс называется амплитудно-импульсной модуляцией АИМ. Если максимально возможные значения сигнала на входе канала известны (или лимитированы нормами на канал), то известно максимально возможное значение отсчета. Далее каждый отсчет заменяется

некоторым двоичным кодом, учитывающим знак и амплитуду отсчета. Такой процесс носит название импульсно-кодовой модуляции - ИКМ, а преобразование отсчет-код производится в известном устройстве - аналого-цифровом преобразователе АЦП. С какой же точностью может быть зафиксирована амплитуда каждого отсчета?

Сегодняшние АЦП позволяют производить оцифровку сигнала с огромной точностью, например при использовании 20-разрядного АЦП ошибка составляет менее одной миллионной доли.

Отметим существеннейший для нашего рассмотрения факт. Как бы точно ни пытались представить реальное напряжение отсчета сигнала с помощью кода с конечным числом разрядов, всегда существует вероятность неточности представления за счет конечности кода. Более того, в реальных системах с ВРК используют всего-навсего 8-разрядное ИКМ-преобразование - компромисс между желанием минимизировать ошибку представления отсчетов сигналов и скорость передачи ИКМ-кодов по линии связи. Неточность представления отсчета кодом с ограниченной разрядностью порождает особый вид помех, который носит название шумов квантования.

Для работы модема 56К важно, чтобы весь сквозной канал от АТС абонента до АТС провайдера был цифровым каналом ИКМ-систем без так называемых переприемов по низкой частоте.

Первая специфическая особенность этого вида помехи состоит в том, что при отсутствии сигнала нет и шума квантования. Шум квантования не зависит от величины отсчета сигнала, а определяется только шагом квантования в АЦП - в этом вторая специфическая особенность этой помехи.

Забегая вперед, заметим, что изобретение метода передачи данных с линейной скоростью 56 кбит/с по телефонным каналам систем с ВРК связано с обнаруженной возможностью устранения аналого-цифрового преобразования в одном из направлений передачи.

Но об этом чуть ниже.

О передаче ИКМ-кодов по линиям связи

Давайте ограничимся пока в нашем рассмотрении передачей по линии (например, по паре соединительного кабеля) последовательности двоичных ИКМ-импульсов напряжения определенной формы, соответствующих телефонному сигналу. Нетрудно подсчитать, что при 8-разрядной ИКМ скорость передачи будет равна 2F / 8 = 2 / 4000 / 8 =64000 бит/с (не правда ли, знакомая всем цифра!). Что же происходит на приемной стороне?

Последовательность принимаемых двоичных импульсов разбивается на восьмерки (коды принятых отсчетов), которые затем в параллельном виде подаются на вход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Импульсы напряжения (или тока), амплитуда которых пропорциональна принятым ИКМ-кодам, возникают на выходе ЦАП. Известно, что если эти амплитудно-модулированные импульсы пропустить через низкочастотный фильтр с частотой среза F, то будет восстановлен почти тот же самый аналоговый сигнал, который поступил на вход канала на передающей стороне.

Почему "почти"?

Во-первых, за счет погрешности аналого-цифрового преобразования, ограничивающего разрядность кода представления отсчетов (шум квантования).

Во-вторых, за счет неточности взаимообратной пары кривых компрессор-экспандер.

В-третьих, если помехи в линии связи достаточно велики, возможна ошибка при приеме отдельных разрядов принятого кода отсчета, а значит, величины или знака (или того и другого) импульса, воссозданного на выходе ЦАП.

Как телефонные каналы объединяются в единую систему с ВРК

В системе с ВРК несколько телефонных ИКМ-каналов объединяются в один групповой поток методом мультиплексирования. Для упрощения этой задачи аналого-цифровое преобразование в соседних каналах системы с ВРК производится с временным сдвигом, равным 1/(2 * F * N), где N - число каналов в системе, включая служебные².

Служебные каналы обеспечивают в первую очередь фазирование цикла мультиплексирования каналов, а на приемной стороне - правильное демультиплексирование и, следовательно, фазирование 8-битных кодов ИКМ-преобразования, что необходимо для правильной работы ЦАП. Кроме того, по служебным каналам передается межстанционная сигнализация.

Следовательно, скорость группового потока равна N * 64 кбит/с. Так, для 30-канальных европейских версий систем с ВРК (например, для оборудования ИКМ-30) она равна 64000 * 32 = 2048 кбит/с. Опять знакомый всем номинал скорости потока Е1. В США, которые как всегда "идут своим путем", применяются 24-канальные ИКМ-системы с групповой скоростью 1544 кбит/с - групповой поток Т1.

Интересно отметить, что необходимая полоса частот для ИКМ-систем значительно превосходит полосу частот систем с ЧРК. Так, для 30-канальной ИКМ необходима полоса в 2048 кГц, в то время как для эквивалентной по канальности системе с ЧРК - всего 30 * 4 кГц = 120 кГц. Однако благодаря высокой помехоустойчивости цифровых систем требования к характеристикам кабелей связи значительно "мягче". Это позволяет использовать для организации цифровых соединительных трактов пары обычных симметричных кабелей местных сетей, ранее применявшихся для межстанционной связи с использованием систем с ЧРК.

Цифровая телефонная сеть - это не только каналы

Процесс замены систем с ЧРК на цифровые ИКМ-системы для межстанционного обмена идет медленно. Когда он наберет полную силу и закончится - предсказать трудно. Более того, проложены и прокладываются оптоволоконные линии связи, обеспечивающие огромную скорость передачи цифровых потоков, которые позволят связать цифровыми каналами все АТС и МТС города.

Существенный вклад в поток ошибок вносят наши АТС, в подавляющей массе с механической системой коммутации: координатные и декадно-шаговые. Если "облагораживание" сети телефонных каналов происходит сравнительно интенсивно, то замена устаревших АТС и МТС на современные электронно-цифровые производится крайне медленно. В то же время современная технология электронной коммутации, основанная на принципе временной коммутации каналов, находится в близком родстве с технологиями цифровых каналов связи систем с ВРК.

Более того, аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование, которые обсуждались ранее, производятся в этом случае электронной цифровой АТС на уровне абонентских трактов соответственно передачи и приема, а не в аппаратуре цифрового уплотнения межстанционных каналов связи. Это помимо всего прочего порождает два тракта коммутации (для прямого и обратного направлений связи) и соответственно 4-проводный интерфейс (передача и прием) каждого соединения с каналом аппаратуры многоканального уплотнения с ВРК.

Использование цифровых методов в канальных и коммутационных технологиях позволяет перейти напрямую к сетям с интеграцией услуг - ISDN. Известно, что в ISDN каждому абоненту могут быть предоставлены сразу два цифровых канала по 64 кбит/с и еще один служебный на 16 кбит/с. Причем для связи ISDN-станции и абонента может использоваться обычная абонентская пара. К сожалению, далеко не все цифровые АТС - это ISDN-станции. Переоборудование таких АТС, включая абонентские участки и окончания, - дело весьма дорогостоящее.

В поисках более дешевой альтернативы и была в конце 1996 года предложена новая модемная технология - 56К. При этом разработчики принимали во внимание высокую степень цифровизации обычной телефонной коммутируемой сети общего пользования (PSTN). Технология 56К позволяет абоненту телефонной сети,

• во-первых, "перекачивать" информацию с повышенной скоростью до 56 кбит/с входящий поток - Downstream) лишь к себе, отсылая свою информацию с "привычной" скоростью не более 33,6 кбит/с (исходящий поток - Upstream);
• во-вторых, скорость входящего потока до 56 кбит/с обеспечивается только при обращении к провайдерам Интернета или серьезным информационным службам аналогичного типа (например, многоканальным коммуникационным серверам удаленного доступа), которые будут согласны применить специальную аппаратуру и модемы, рассчитанные для работы в этой технологии, а также специальный вид взаимодействия с их районными цифровыми АТС. Ну и, конечно, необходимо согласие служб этих АТС на подобное взаимодействие.

Для соединений же типа абонентабонент по коммутируемой телефонной сети общего пользования новые технологии непригодны, и, следовательно, работа будет возможна только на "обычных" скоростях (не выше 33,6 кбит/с).

Как повысили скорость модемов

Повысить скорость работы модемов на коммутируемых соединениях даже в цифровой сети, имеющей аналоговые абонентские окончания, практически нельзя. Напомним, что скорость 33,6 кбит/с была стандартизована ITU-T для работы по почти идеальным коммутируемым каналам систем ИКМ с аналоговыми абонентскими окончаниями. Эта скорость достижима, если все помехи, кроме шума квантования, совершенно незначительны. Оставалось убрать шум квантования! Сделать это с обеих сторон канала было бы эквивалентно переходу к полностью цифровым соединениям, т.е. к ISDN, со всеми экономическими последствиями. А вот частично, со стороны тех же самых провайдеров Интернета или коммуникационных серверов, - оказывается можно.

Рассмотрим, каким техническим путем достигается решение столь сложных задач. Для этого вспомним, что модем при передаче в канал связи формирует сложные аналоговые сигналы и принимает от противоположного модема из канала, естественно, такого же вида аналоговые сигналы, но существенно искаженные³.

В то же время те, кому приходилось рассматривать внутреннее устройство современного модема или знакомиться с его схемотехникой, знают, что последняя достаточно проста (рис. 1) и состоит в основном из пяти частей: узла сопряжения модема с линией связи, двух цифровых вычислителей (однокристалльного скоростного цифрового сигнального процессора - DSP и однокристалльной микроЭВМ - контроллера протоколов V.42/V.42bis/MNP, факс-протоколов и управления), узла сопряжения этих вычислителей с линейным узлом и, наконец, узла сопряжения модема с компьютером.

Зачем понадобились цифровые вычислители, и в первую очередь DSP, модему, имеющему дело с аналоговыми сигналами?

Дело в том, что сформировать сложные аналоговые сигналы для передачи и тем более обеспечить оптимальный помехоустойчивый прием таких сигналов, искаженных каналом связи и помехами, сегодня возможно только с применением цифровых методов и алгоритмов. Иными словами, DSP под управлением своей программы готовит в цифровом виде ИКМ-коды отсчетов сигнала, которые затем поступают на ЦАП модема. Амплитудно-модулированные отсчеты (АИМ) с выхода ЦАП после сглаживающего фильтра передачи превращаются в аналоговые сигналы, выдаваемые модемом в линию связи. Сглаживающий фильтр обеспечивает формирование аналогового сигнала из АИМ-импульсов и одновременно фильтрацию высокочастотных составляющих, свойственных дискретному методу формирования. Не правда ли, все это уже нам знакомо по организации канала в ИКМ?

В приемнике модема приходящий аналоговый линейный сигнал после предварительной фильтрации, обеспечивающей подавление высокочастотных шумов абонентской линии, подвергается дискретизации и оцифровке с помощью встроенного АЦП (опять знакомый процесс). Таким образом, в соответствии с алгоритмом приема обрабатывается (в том же DSP) не сам принимаемый аналоговый сигнал, а его дискретно-цифровой эквивалент. Разрядность АЦП в модемах с целью минимизации шума квантования выбирается достаточно высокой - 14-16 разрядов.

Примерно такая же разрядность ЦАП обеспечивает минимизацию ошибки при формировании аналоговых сигналов на выходе сглаживающего фильтра передачи.

АЦП и ЦАП, а также фильтры передачи и приема входят в состав узла сопряжения цифровых вычислителей с узлом сопряжения модема с линией связи.

От аналога к цифре и наоборот

Проследим цепочку преобразований цифра-аналог, аналог-цифра линейных сигналов между двумя взаимодействующими модемами (рис. 2):

• модулированный сигнал передатчика модема в оцифрованном виде с помощью своего ЦАП и сглаживающего фильтра превращается в аналоговый сигнал передачи;
• этот аналоговый сигнал по абонентской паре попадает на местную АТС; с помощью АЦП местной АТС, если она цифровая, или АЦП канала связи, если она не цифровая, снова превращается в цифровой сигнал и передается в последовательном коде в составе цифровых сигналов других каналов ИКМ-системы (групповой поток) на противоположную АТС;
• на противоположном конце канала при демультиплексировании группового ИКМ-потока выделяется интересующий нас канал, содержащий цифровой сигнал от противоположного модема; с помощью ЦАП и сглаживающего фильтра цифровой сигнал вновь приобретает аналоговую форму;
• этот аналоговый сигнал по абонентской паре попадает на вход принимающего модема, где с помощью местного АЦП вновь преобразуется в цифровой вид.

С первого взгляда такое количество преобразований кажется явно избыточным. Однако это не так: в модемах применяют цифровую обработку сигналов исключительно с целью реализации сложнейших процессов, свойственных современным видам модуляции, и группа ЦАП-АЦП с соответствующими фильтрами в модемах обеспечивает согласование с обычным аналоговым каналом связи.

В каналах связи ИКМ-систем уплотнения абонентская группа АЦП-ЦАП со своими фильтрами (абонентский кодек) также обеспечивает согласование с аналоговыми абонентскими окончаниями, превращая индивидуальные цифровые каналы этой системы уплотнения в аналоговые телефонные каналы.

Можно ли придумать такой вид модема, у которого отсутствовали бы аналоговые узлы, АЦП и ЦАП, однако он был бы способен принимать сигналы от обычного модема, находящегося на аналоговом окончании цифрового коммутируемого канала связи?

Оказывается, да! Для этой цели необходимо обеспечить с помощью какого-то специального дополнительного устройства, очевидно, демультиплексора группового ИКМ-потока, попадание на вход приемника нашего "урезанного" модема из этого группового потока только канала с интересующими нас оцифрованными сигналами противоположного модема. Нашему новому модему, который назовем цифровым, не надо на входе осуществлять преобразование принимаемого модулированного аналогового сигнала с помощью АЦП в цифровой вид, так как оцифрованный сигнал уже поступает к нему с противоположного конца канала (рис. 3).

В обратном направлении модулированный сигнал передачи нашего цифрового модема нового типа в виде оцифрованных отсчетов некоторого модуляционного процесса необходимо объединить с цифровыми потоками сигналов передачи других источников (например, таких же "урезанных" модемов) в групповой цифровой поток ИКМ-системы уплотнения и направить его по линии связи на противоположную АТС.

Может ли обычный модем, находящийся на другом, аналоговом окончании коммутируемого соединения, принимать модулированные сигналы от цифрового модема, взаимодействующего напрямую с цифровым каналом?

Конечно, да! Потому что ЦАП совместно со сглаживающим фильтром противоположного конца ИКМ-системы уплотнения (или ЦАП кодека абонентского комплекта противоположной АТС, если она цифровая) преобразует цифровой модулированный сигнал передачи нашего "урезанного" модема в аналоговый вид.

Важнейшим нюансом этой идеи является прямое взаимодействие цифрового модема с цифровым окончанием конкретного канала ИКМ-системы связи (минуя индивидуальный абонентский кодек - АЦП/ЦАП). В то же время известно, что в обычных цифровых АТС такое индивидуальное цифровое взаимодействие с каким-либо абонентом не предусмотрено. Как преодолевают эту преграду, мы обсудим позднее. Пока же будем считать, что такое взаимодействие работает.

Обратим внимание на то, что в этом обратном направлении связи в канале нет ни одного АЦП и, следовательно, ничто не порождает шумов квантования! А если это так, то есть реальная возможность увеличить скорость передачи в этом направлении, строго следуя принципам теоремы К.Шеннона.

В этом-то и заключена идея 56К-технологий.

Более того, цифровой модем - это по сути обычный модем, у которого функции узла ЦАП/АЦП с соответствующими фильтрами выполняет кодек противоположного конца цифрового канала связи. Единственный нюанс - разрядность этих преобразований не может превышать 8.

Аналого-цифровые манипуляции

Таким образом, мы пришли к тому, что цифровому модему предоставляется один из цифровых каналов ВРК с пропускной способностью 64 кбит/с. Следует особо подчеркнуть, что речь идет не о потоке данных с этой скоростью, а лишь о потоке цифровых 8-битных кодов отсчетов мгновенных значений сигналов. В этот поток можно вложить цифровые коды отсчетов мгновенных значений сигналов передачи любых общепринятых методов модуляции, например V.34/V.34bis.

Собственно, так и было сделано в известной аппаратуре Total Control, выпускаемой 3Com/U.S.Robotics, которая первая придумала "урезанные" цифровые модемы. Они состоят из двух самостоятельных конструктивных частей: цифровой (процессоры и узел сопряжения с компьютером) и аналоговой (АЦП/ЦАП, фильтры и узел сопряжения с аналоговым каналом). Такая конструкция позволяет использовать эти модемы как в роли обычных аналоговых модемов, так и в роли цифровых. В последнем случае в Total Control предусмотрено взаимодействие со своей районной цифровой АТС с использованием всего группового (2048 кбит/с) потока ИКМ-системы уплотнения. Задачи демультиплексирования принимаемого потока на отдельные 64-кбит/с каналы и их мультиплексирование в групповой поток для обратного направления связи в этом случае берет на себя Total Control. Тогда аппаратура выступает как бы в роли учрежденческой или офисной станции для своей районной АТС, взаимодействующей с этой АТС по единственной групповой 2048-кбит/с соединительной линии.

Заметим, что речь идет не о том групповом потоке, по одному из каналов которого работает с нашим цифровым модемом обычный аналоговый, а о новом потоке, сформированном (после процессов коммутации) этой самой цифровой АТС из индивидуальных цифровых каналов различных систем ИКМ-уплотнения, по которым к цифровым модемам Total Control выходят различные абоненты телефонной сети общего пользования через свои районные АТС. К счастью, обычные цифровые АТС обладают возможностью создания такого нового группового потока, например, для взаимодействия с учрежденческими АТС и подстанциями (рис. 4).

В этом и заключалась новизна идеи, реализованная в то время в Total Control: избавиться от большого числа вечно дефицитных абонентских кабельных пар, заменив 30 таких пар (для Европы) одной соединительной линией со своей АТС.

Если идея только в этом, то обсуждать нечего - все давно придумано и реализовано! На самом-то деле в Total Control были использованы "обычные" модемы популярной серии COURIER, выполненные аппаратно в виде упомянутых выше двух частей, но работающие с максимальной линейной скоростью 33 600 бит/с. Только во второй половине 1996 года специалисты U.S.Robotics, похоже, неожиданно для себя, обнаружили очень высокое качество связи в направлении передачи от модемов Total Control к модемам клиентов. Стала понятна и причина этого - наличие запаса помехоустойчивости за счет отсутствия шумов квантования в этом направлении связи. Вывод очевиден: необходимо было найти такой вид модуляции, который позволил бы повысить скорость передачи, используя образовавшийся запас помехоустойчивости.

Итак, цифровой передатчик "урезанного" модема в течение секунды посылает 8000 двоичных 8-битных кодов по одному цифровому 64-кбит/с каналу. Очевидно, что один из разрядов 8-битного кода отсчета несет информацию о знаке (фазе) будущего импульса-отсчета, который сформирует ЦАП противоположного конца этого канала (или АТС, если она цифровая), а с помощью семи остальных разрядов может быть закодирован любой из допустимых 128 уровней этого импульса (амплитуда).

Таким образом, можно представить, что на выходе ЦАП имеет место 8-кратная амплитудно-фазовая импульсная модуляция - 8АФИМ: фазовая манипуляция определяет знак кода, а остальные 7 разрядов - амплитудная модуляция - задают уровень этого сигнала. Низкочастотный фильтр ЦАП обеспечит формирование аналогового сигнала с 128-уровневой амплитудно-фазовой модуляцией (8АФМ).

Скорость модуляции в этом случае равна 8000 Бод/с, а скорость передачи данных 8000 * 8 = 64 000 бит/с, то есть равна пропускной способности одиночного цифрового канала. Это означает, что в канале провайдер-клиент невозможно получить скорость выше, чем 64 кбит/с. И принципиальной причиной этого является ограниченная разрядность ЦАП каналообразующего оборудования или абонентского окончания АТС - 8 разрядов.

Аналого-цифровые манипуляции

Влияние шума, без сомнения, будет ощутимо сказываться на аналоговом абонентском участке окончания канала (последней миле): в первую очередь за счет переходных помех от соседних пар многопарного абонентского кабеля и частотных искажений, вносимых приемным фильтром абонентского кодека и кабелем в спектр принимаемого сигнала и приводящих к межсимвольному влиянию между соседними сигналами. Определенного негативного влияния можно ожидать от "шероховатостей" работы компенсатора ближнего эха внутри самого абонентского модема, особенно если кто-то из пользователей захочет чрезмерно увеличить уровень передачи.

Кстати, заметим, что при использовании 56К-технологии нет дальнего эха, так как работа "усеченных" цифровых модемов коммуникационного узла провайдера (или иных коммуникационных узлов) происходит в четырехпроводном режиме. С межсимвольным влиянием обычно успешно справляется та или иная структура адаптивного гармонического корректора модема, специально для этого предназначенная.

Помехоустойчивость приема сигнала, таким образом, в значительной степени будет зависеть не от протяженного многокилометрового канала связи, а от нескольких сотен метров (ну, одного-двух километров!) физической пары абонентской линии.

Одним из очевидных способов повышения помехоустойчивости на этом участке является использование не восьми-, а семиразрядного активного кода отсчетов сигналов передатчика, что приведет к существенному выигрышу помехоустойчивости за счет увеличения расстояния между разрешенными позициями сигнала - как нетрудно догадаться - в два раза! Это приведет и к реальному снижению скорости до 8000 * 8 - 8000 * 1 = 56 000 бит/с.

Вот, собственно, откуда и появился этот номинал скорости, определивший название новых технологий.

И где же тут К. Шеннон?

Казалось бы, при чем тут теорема К. Шеннона? Могли бы иметь скорость 64 кбит/с, а за счет плохих ЦАП потеряли младший 8-й разряд - вот вам и скорость 56 кбит/с.

Здесь следует возразить. Сначала надо было преодолеть предел Клода Шеннона, чтобы подняться выше 33,6 кбит/с - убрав часть шумов квантования! Потом на самом деле потеряли разряд, но не только за счет плохих ЦАП, но и за счет страха перед некоторым шумом. Не следует забывать, что на выходе цифрового канала последовательно с выходом

ЦАП включен ФНЧ с частотой среза около 4 кГц. Таким образом, имеется в наличии явно выраженная частотно-ограниченная система, для которой теорема Шеннона применима.

Наличие компрессии и экспандирования в кодеках ИКМ - это сегодня обязательные процессы в телефонных окончаниях любого из каналов ИКМ. Со стороны провайдера в новых (цифровых) окончаниях канала нет ни компрессора, ни экспандера, поэтому при формировании цифровых отсчетов модулированных сигналов компрессия осуществляется цифровым методом путем внесения в коды отсчетов нелинейных предыскажений.

Но с какой бы разрядностью не имел дело цифровой процессор в цифровом модеме провайдера, он обязан выставить в виде отсчета не более 8 разрядов - таковы возможности цифрового тракта и ЦАП противоположного окончания канала связи. Когда мы имеем дело с амплитудной модуляцией (а именно она является основой квадратурной модуляции, применяемой в модемах V.34), то совершенно ясно, что 8 разрядов ЦАП - это очень мало. При переходе на V.90 скорость может быть поднята только одним способом - увеличением числа уровней в многоуровневой модуляции. При наличии 8-разрядного ЦАП может быть реализовано не более 128 уровней (без учета разряда на знак). Именно поэтому каждый из 8-разрядных кодов передатчика в новом методе 56К является значащим и нет никакого запаса на компрессию и даже на решетчатое кодирование (да оно там и не нужно).

При ограниченном максимальном уровне сигнала на выходе ИКМ-канала в сторону абонента число разрядов ЦАП (в кодеке) определяет расстояние между разрешенными уровнями импульсных сигналов на его выходе и, следовательно, разрешенными уровнями аналоговых сигналов многоуровневой модуляции на выходе фильтра кодека. А это расстояние определяет, как известно, помехоустойчивость. Как только разрядность представления кодов на входе этого ЦАП будет уменьшена на один младший разряд (7 вместо 8), то расстояние между разрешенными позициями сигналов увеличивается в два раза (что эквивалентно выигрышу в помехоустойчивости на 3 дБ!). Но при этом теряется возможная скорость64 кбит/с для этого нового метода и остается только 56 кбит/с!

А зачем нужен этот выигрыш по помехоустойчивости, и оправдана ли потеря целых 8 кбит/с по скорости!? Конечно, неидеальность ЦАП кодеков ИКМ (инструментальная погрешность) могла бы играть решающую роль, но только "вчера". Сегодня принципы реализации ЦАП таковы, что точность преобразования существенно выше 8 разрядов (обычно 12-14), что могло бы позволить в принципе даже реализовать экспандированиев самом ЦАП цифровым путем. При этом 8-разрядное ИКМ-преобразование, конечно же, осуществляется с достаточно высокой точностью.

Как бы то ни было, на выходе ИКМ-кодека канала экспандер всегда присутствует. Осуществить же компандирование в цифровом модеме практически невозможно из-за недостаточной разрядности представления кода. Значит, на выходе экспандера сигналы с малыми уровнями сближаются (закон экспандирования) и взаимно теряют помехоустойчивость. Ну и, конечно, никуда не девались шумы абонентской линии.

Все это потребовало повышения потенциальной помехоустойчивости, что и было реализовано путем изъятия младшего разряда. Попутно была решена проблема работы по каналам старых ИКМ-систем с "плохими" ЦАП (которые у нас есть, а у "них" - давно нет!). Не это является главной причиной перехода на 7-битное кодирование и результирующее снижение скорости до 56 кбит/с.

Собственно, метод модуляции и его реализация и составили предмет глубоких исследований и конкурентных баталий между U.S.Robotics - с одной стороны и Rockwell Semiconductor System, Lucent Technologies и Моtorola - c другой. U.S.Robotics назвали свою вариацию метода как X2 (умножить на два), а коалиция из трех фирм - как 56flex (от flexible - гибкий).

В феврале 1998 года ITU-T Study Group 16 в Женеве была принята первая международная редакция стандарта V.90, положившая конец эти баталиям. В сентябре того же года ITU-T принял окончательное решение о ратификации стандарта V.90 56K. Это решение закрепляет спецификации стандарта, согласованные производителями на совещании в феврале 1998 г.

В соответствии с правилами Федеральной комиссии по связи США, регламентирующими выходную мощность сигнала, скорость приема (downlink) данных ограничена величиной 53 кбит/с.

Забегая вперед, отметим, что в стандарте ITU-T V.90 принят шаг изменения линейной скорости по downlink, равный 8000/6 = 1333 бит/с, начиная с минимальной скорости, равной 28 000, а не 28 800 бит/с, как можно было бы ожидать. Поэтому не удивляйтесь странным номиналам скоростей в режиме Х2 или V.90.

А что же в обратном направлении?

Скорость передачи от модема клиента к цифровому модему сервера остается прежней - не более 33 600 бит/с. Причина проста: в канале присутствуют две цепочки аналого-цифрового преобразования и, следовательно, шумы квантования. Вездесущая Федеральная комиссия по связи, опять же руководствуясь допустимыми значениями мощности сигнала, ограничила скорость передачи данных в этом направлении связи до 31,2 кбит/с.

Важные детали

Очевидно, что эксперимент с 56К-технологиями может быть удачен, если АТС клиента имеет цифровые каналы связи с цифровой АТС провайдера. Особо отметим, что районная АТС клиента совершенно необязательно должна быть цифровой. Не имеет значения, где расположен абонент, а важно, чтобы весь сквозной канал от АТС абонента до АТС провайдера был цифровым каналом ИКМ-систем без так называемых переприемов по низкой частоте. Это понятно, так как наличие переприема означает появление в каждом направлении связи пары ЦАП/АЦП, что зачеркивает возможность использования 56К-технологий.

Следует отметить еще несколько важных деталей:

• в качестве цифровых каналов нельзя использовать цифровые каналы с адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляцией (АДИКМ - 32 кбит/с на канал), иногда применяемой на городских сетях для увеличения числа каналов межстанционного обмена и для многоканального уплотнения абонентских пар;
• нельзя использовать номера офисных АТС, даже если они цифровые, но соединяются с районной АТС аналоговыми соединительными линиями;
• безусловно, очень важны характеристики аналоговой абонентской линии клиента (но тут уж как повезет!); желательно, но не обязательно, чтобы АТС клиента тоже была цифровой.

V.90 - каковы результаты?

Широкое внедрение рекомендации ITU-T V.90, определяющей стандарт технологии 56К, идет полным ходом. Практически все первичные и многие вторичные провайдеры Интернета используют на своих узлах доступа модемы V.90. Но возросла ли на самом деле скорость общения с Интернетом у всех любителей "всемирной паутины", использующих модемы с V.90?

К сожалению, картина не столь благостная, как того бы хотелось! И как всегда, мешают морально устаревшие городские телефонные сети с их "древними" АТС и далеко не всегда цифровыми соединительными межстанционными каналами. Наиболее часто решающую роль играют характеристики абонентской линии - ее большая длина, существенное затухание, перекос частотной характеристики и высокий уровень переходных помех от соседних пар.

Те, кто использует модемы V.90, часто слышат, как комбинация настройки (handshaking), уже почти заканчивающаяся особым, характерным для V.90, "улюлюканьем", вдруг неожиданно срывается на привычные тона V.34. Это говорит о том, что трасса связи пригодна для сеанса V.90, но, скорее всего, низкий уровень приема и малое соотношение сигнал/шум мешают этому.

Ну а что дальше ?

А дальше уже "ничего", если речь идет о модемах для телефонных каналов. Это единственное направление в теории и технике передачи информации, почти достигшее теоретического предела. Опять почти! Дело в том, что Клод Шеннон в своей знаменитой теореме о пропускной способности частотно-ограниченного зашумленного канала добавил одну крамольную фразу, звучавшую примерно так: "При этой скорости не будет ни одной ошибки!". Как этого добиться, пока не знает никто. Применяемые в модемах методы коррекции ошибок с использованием избыточного кодирования и запросом поврежденных блоков информации и даже с адресным переспросом, а также методы решетчатых кодов изымают часть полезной мощности сигнала на кодовую избыточность.

Именно поэтому в модемных технологиях реально предел Шеннона еще не достигнут! К сожалению, прибавка скорости, даже если будет найден способ точной реализации предела Шеннона, не будет превышать нескольких килобит в секунду. Экономический эффект от применения этого потенциального суперспособа по сравнению с сегодняшними достижимыми скоростями работы модемов в современных технологиях (V.34bis, V.90 и компрессии по V.42bis) будет, скорее всего, ничтожен.

Тогда и были предложены другие методы выхода на супермагистрали Интернета с огромными скоростями, исчисляемыми уже мегабитами в секунду, - это методы так называемых цифровых абонентских линий xDSL (в первую очередь - ADSL). Они полностью используют все то, что было достигнуто, исследовано и апробировано в обычных модемных технологиях для телефонных каналов.

Design by Graj © "ЦСС-ЕВРОКОМ"