Особенности стандарта V.34

Оглавление

Ключевым моментом, позволившим увеличить скорость, является более полное использование той полосы частот, которую имеет аппаратура, входящая в состав коммутируемой сети. Так, рекомендация V.32 определяет использование фиксированной полосы частот шириной 2.4 кГц (600...3000 Гц), которая почти всегда меньше фактической полосы пропускания современного каналообразующего оборудования. Современные цифровые системы передачи (ЦСП), использующие ИКМ со скоростью 64 кбит/с, имеют частоту дискретизации аналогового сигнала 8 кГц и полосу пропускания не менее 3.5 кГц. Даже когда сигнал проходит через канал, образованный как цифровой, так и аналоговой аппаратурой, пригодная для передачи данных полоса частот шире 3 кГц.

1. По этим причинам используемая модемом по рекомендации V.34 полоса частот должна быть адаптивно-меняющейся величиной. Рекомендацией предусматривается шесть символьных скоростей 8, равных 2400, 2743, 2800, 3000, 3200 и 3429 символов/с (в рекомендации V.34 не упоминается единица измерения скорости модуляции "Бод", что связано со спецификой используемых сигналов, размерность которых больше двух) и ряд значений несущей частоты: 1600, 1646, 1680, 1800, 1829, 1867, 1920, 1959, 2000 Гц. Это дает модему возможность использовать имеющуюся полосу частот с максимальной эффективностью. Вообще, идея адаптивной подстройки под конкретные характеристики канала, которая в предыдущих поколениях модемов реализуется лишь в приемной части модема, в данной рекомендации обрела глобальный характер. Даже сама скорость передачи данных R выбирается из множества допустимых, лежащих в диапазоне от 2400 до 28800 бит/с, кратных 2400 бит/с, и может меняться в ходе работы. При этом за один символьный интервал, длительность которого равна 1/8, может передаваться от 1 до 9 бит. Наивысшая скорость - 28800 бит/ с возможна только на символьных скоростях 3200 и 3429 символов/с, при этом ширина спектра линейного сигнала превышает полосу пропускания канала тональной частоты, которая как известно равна 3100 Гц. Поэтому способность модема работать на скорости 28800 бит/с через такой канал характеризует искусство его разработчиков.
   
   
2. Другим, не менее важным, моментом является система помехоустойчивого кодирования. Техника TCM (Trellis Coded Modulation- модуляция с решетчатым кодированием) значительно продвинулась вперед по сравнению с той, какая заложена в рекомендации V.32. В ней двухмерная сигнально-кодовая конструкция (СКК), представляющая собой 32-х точечную квадратурную амплитудную модуляцию с нелинейным сверточным кодом на 8 состояний, была значительным достижением для 1984 года. Но уже в публикациях 1987 года описывались 2, 4, 8 и 16-мерные СКК, позволяющие получить энергетический выигрыш от кодирования от 4.01 до 6.05 дБ. Замечательные результаты научных исследований в области синтеза СКК, а также алгоритмов их приема позволили ввести в рекомендацию V.34 четырехмерную СКК со сверточным кодом на 16,32 и 64 состояния. С увеличением числа состояний кодера растет свободное евклидово расстояние между соседними путями на решетчатой диаграмме, в результате чего улучшается помехоустойчивость в системы сигналов. С другой стороны, эта тенденция ведет к усложнению декодера и увеличению задержки на принятие решения.

   Всего в рекомендации представлено 50 различных сигнальных созвездий (проекций), которые и обеспечивают работу на всех скоростях. 

   В четырехмерном пространстве каждая точка имеет четыре координаты, передается за два символы интервала и при формировании ее позиционного номера используется один избыточный бит. Переход к  четырехмерным СКК позволил существенно увеличить общее число сигнальных точек, что дало возможность поднять кодовую скорость (отношение числа информационных бит к общему числу бит) без ухудшения помехоустойчивости. Интересно, что количество сигнальных точек в четырехмерном пространстве может достигать величины порядка 10E11 (L= 960) и тогда, например, чтобы передать все возможные сигнальные точки, модем должен круглосуточно работать около трех лет.

   Считается, что в этом случае целесообразнее использовать нелинейный корректор с обратной связью по решению DFE (decision feedback equalizer), использующий результат декодирования. Но, к сожалению, DFE не может быть использован в соединении с решетчатым кодом из-за задержки на декодирование в приемнике. Тем не менее, предкоррекция на передаче может обеспечить такие же характеристики, что и идеальный DFE. Мягкая предкоррекция со спектральными предискажениями, которая введена в рекомендацию V.34, представляет собой решение, позволяющее получить выигрыш более 3.5 дБ в соотношении сигнал/ шум по сравнению с линейной коррекцией. Предискажения на передаче вводятся при помощи цифрового фильтра третьего порядка с комплексными коэффициентами, которые пересылаются от удаленного модема на этапе вхождения в связь. Таким образом, сигнал передатчика имеет искажения, обратные тем, которые он приобретает при прохождении по каналу, и за счет этого существенно облегчается задача адаптивного корректора на приемной стороне.
   
   

3. Кроме того, в рекомендации заложена возможность выбора одного из 11 заранее оговоренных шаблонов для спектра сигнала передатчика. Эти шаблоны предполагают подъем высокочастотных составляющих спектра, что должно скомпенсировать искажения, вносимые абонентскими и соединительными линиями.
   
   
4. Другим немаловажным фактором, обеспечивающим устойчивую работу модема, в первую очередь по каналам с ИКМ, стало введение в передаваемый сигнал нелинейных предискажении. Это позволяет частично скомпенсировать остаточные специфические нелинейные искажения сигнала, вносимые аппаратурой ИКМ. Предискажения приводят к неоднородной трансформации сигнального пространства, увеличивая защищенность периферийных точек.
   
   
5. Интересной особенностью рекомендации является процедура адаптации к каналу связи после установления соединения. При этом передатчик модема дважды посылает в линию специальный зондирующий сигнал, который представляет собой последовательность из 21 гармонического колебания разных частот в диапазоне от 150 до 3750 Гц. Приемник удаленного модема при помощи этого сигнала осуществляет расчет частотной характеристики канала связи, степени нелинейных искажений, сдвига частот и других характеристик канала. Далее, в соответствии с этим выбирается номинальная символьная скорость, значение несущей частоты, уровень передачи, номер шаблона и коэффициенты предкорректора, скорость передачи данных, число состояний решетчатого кодера, тип СКК, параметр нелинейного кодера и другая информация о желаемой конфигурации удаленного передатчика. Аналогичная процедура осуществляется и в противоположном направлении. Затем оба модема одновременно обмениваются этими установками, передавая их со скоростью 600 бит/с при помощи относительной фазовой модуляции в частотно-разделенных каналах на несущих 1200 и 2400 Гц. Эта информация защищена от ошибок циклическим кодом, аналогично тому, как это делается в рекомендации V.42.
   
   
6. Несколько слов о других особенностях V.34. Новинкой стало введение кадров - сигнальный кадр, кадр данных и суперкадр, образующих иерархическую структуру. Последний имеет фиксированную длительность - 280 мс, что и определяет длительность всего цикла. Как следствие, в систему введены средства для поддержания синхронизации по кадрам. Серьезное внимание уделено процедуре вхождения в связь, которая состоит из четырех фаз. Первая фаза - установление соединения согласно рекомендациям V.25 и V.8, при которой модемы выбирают рекомендацию МСЭ-Т серии V., реализованную в обоих модемах. Если оба модема поддерживают V.34, то они переходят ко второй фазе, в ходе которой производится опробирование и классификация канала связи, о котором уже шла речь. Третья и четвертая фазы служат для обучения адаптивного корректора, эхокомпенсатора и других систем приемника модема. Отличительной чертой V.34 также является развитый сервис, который включает в себя такие возможности:
   • асимметричная передача. При этом подразумевается, что два модема, работающие по V.34, могут иметь не только разные скорости передачи, но и разные несущие частоты, разные СКК и т.д.;
   • полудуплексная работа. Такая возможность предполагает взаимодействие модемов без схем эхокомпенсации и  реализацию факсимильной передачи по рекомендации V.34;
   • дополнительный канал. В рекомендации заложен параллельный канал со скоростью передачи 200 бит/с, который образован за счет временного уплотнения и является информационно-независимым от основного канала. Этот канал может быть использован как самим модемом для обмена служебной информацией, так и оконечным оборудованием данных, и тогда он будет называться вторичным каналом. Вторичный канал является асинхронным и, видимо, основным его назначением станет функция менеджмента сети.

   Подводя итог, необходимо сказать, что доминирующим принципом V.34 по праву является системный подход к проблеме помехоустойчивости.

   В заключение, хотелось бы несколько слов сказать о конкретных реализациях V.34. Ресурсоемкие алгоритмы, лежащие в основе рекомендации, требуют определенной вычислительной мощности. По самым скромным оценкам, производительность сигнального процессора в модеме, удовлетворяющего рекомендации V.34, должна быть порядка 40 MIPS, что достижимо, например, в двухпроцессорной системе на базе TMS320C5X с тактовой частотой 40 МГц. Управляющие функции могут быть возложены, например, на контроллеры M68302 или i386EX.

Предыдущий

Следующий