11.přednáška Telefonní přístroje, modulační metody a telefonní modemy Ing. Bc. Ivan Pravda
1
Telefonní přístroj – princip funkce -
klasická analogová telefonní přípojka (POTS – Plain Old Telephone Service) přenáší analogový telefonní signál v základním pásmu 300 Hz až 3400 Hz po jediném účastnickém vedení (symetrickém páru) k telefonní ústředně a naopak
-
z telefonní ústředny je po vedení (tzv. účastnická smyčka) napájen i telefonní přístroj
-
současně je třeba přenášet i účastnickou signalizaci (vyzvednutí, volba účastnického čísla, zavěšení)
-
ve funkci hovorových obvodů slouží uhlíkový mikrofon v sérii se sluchátkem, avšak v praxi se používá můstkové zapojení pro snížení intenzity vlastního hovoru ve sluchátku → moderní telefonní přístroje mají hovorové obvody řešené elektronicky
-
k vyzvánění se používá generátor vyzváněcího signálu připojovaný v účastnické sadě telefonní ústředny
-
signalizace se provádí uzavíráním a rozpojováním stejnosměrné smyčky 2
Telefonní přístroj – princip funkce -
při vyzvednutí mikrotelefonu se uzavře stejnosměrná smyčka, což signalizuje v případě volajícího požadavek na zahájení volání, v případě volaného účastníka jeho přihlášení → pokud obdrží volající účastník oznamovací tón, může neprodleně zahájit volbu účastnického čísla volaného
3
Účastnická signalizace při sestavování spojení
4
Telefonní přístroj – volba účastnického čísla -
klasická impulsní volba související s předchozími obrázky vychází z použití rotační číselnice → využití rozpojování a uzavírání stejnosměrné smyčky s frekvencí 10 Hz a čítání impulsů: -
u ústředen 1. generace přímo ovládaly krokové voliče
-
u ústředen 2. generace se čítání impulsů zaznamenávalo do registru → volené číslo bylo následně předáno do určovatele, který zajistil realizaci sestavení spojení na základě voleného čísla
-
dnešní telefonní přístroje používají tzv. tónovou volbu (multifrekvenční volba pomocí MFC kódu), která se přenáší v hovorovém pásmu jako kombinace dvou současně vysílaných kmitočtů, kdy každý je vybírán ze skupiny čtyř možných kmitočtů
-
frekvenční volba umožňuje: -
rychlejší volbu než při použití impulsní volby možnost využití pro podporu dalších služeb i během probíhajícího hovoru 5
Multifrekvenční volba (MFC kód)
6
Moderní telefonní přístroj – blokové schéma
7
Modulační metody - přehled -
přenášený signál může mít obecně analogový nebo diskrétní (digitální) charakter → ve spojitosti s harmonickým signálem (nosná vlna) hovoříme o spojité, resp. analogové modulaci, ve spojitosti s průběhem, který má charakter impulsů (taktovací signál), hovoříme o impulsní modulaci
-
modulace spočívá v ovlivňování nosné vlny modulačním signálem, čímž vzniká modulovaná vlna → přenos analogového nebo digitálního signálu v tzv. přeloženém pásmu 8
Modulační metody - přehled -
podle způsobu, jakým je ovlivňována nosná vlna lze rozeznat tři základní typy analogových modulací → amplitudová modulace (AM), frekvenční modulace (FM) a fázová modulace (PM)
-
při digitálních modulacích nabývá modulační signál omezeného počtu diskrétních hodnot → specifický způsob ovlivňování nosné vlny diskrétním signálem (v nejjednodušším případě nabývajícího dvou stavů) se nazývá klíčování (Shift Keying) → digitální modulace pak můžeme v souladu s obecným dělením modulací rozdělit takto: -
amplitudové klíčování ASK (Amplitude Shift Keying) → kombinuje se s vícestavovým kódováním → pulsně-amplitudová modulace (PAM) frekvenční klíčování FSK (Frequency Shift Keying) fázové klíčování PSK (Phase Shift Keying) → nejvíce rozšířené především v kombinaci s amplitudovým klíčováním (QASK – Quadrature ASK), resp. ve shodě s odpovídající analogovou modulační metodou QAM (Quadrature Amplitude Modulation) či jako amplitudově-fázové klíčování bez nosné CAP (Carrierless Amplitude and Phase) 9
Modulační metody - přehled -
modulační metody můžeme rozdělit do dvou oblastí podle počtu využitých nosných frekvencí: -
modulace s jednou nosnou označovaná zkratkou SCM (Single-Carrier Modulation), což jsou modulace PSK, QAM, CAP apod. modulace s více nosnými označovaná zkratkou MCM (Multi-Carrier Modulation), což jsou modulace DMT (Discrete Multi-Tone), se kterou se setkáme u přípojek ADSL a VDSL, dále OQAM (Orthogonally multiplexed Quadrature Amplitude Modulation), OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) používaná např. v digitálním televizním vysílání formátu DVB (Digital Video Broadcast)
-
dvojkové klíčování BPSK mívá vyjádřeny dva stavy nosnou vlnou s fází 0 a p
-
čtyřstavové klíčování fáze 4-PSK je pak charakterizováno čtyřmi stavy nosné s fází 0, p/2, p a 3p/2
-
modulace QPSK je mírně modifikovaná 4-PSK, liší se pouze pootočením konstelace (množiny stavů fáze) o p/4 → žádný vliv na vlastnosti modulace, výhoda spočívá ve zjednodušení algoritmů na straně demodulátoru 10
Modulační metody - přehled -
-
stavy modulace QPSK lze znázornit jako body ležící na jednotkové kružnici -
modulační rychlost na výstupu bude při čtyřech stavech polovinou vstupní přenosové rychlosti → jeden modulační prvek vyjadřuje dvojici binárních symbolů (0,1)
-
čtyřstavová fázová modulace QPSK je pak totožná s modulací se čtyřstavovou modulací 4-QAM
-
QAM však v praxi využívá většího počtu stavů díky kombinaci amplitudového a fázového klíčování
v případě 16-QAM se ze vstupní sériové dvojkové posloupnosti vydělují skupiny 4 bitů – tzv. kvadbity [a b c d] 11
Modulační metody – modulace QAM -
každý kvadbit je na výstupu principiálně vyjádřen jedním signálovým prvkem Sk(t) = Ck∙cos(wt + fk) s příslušnou amplitudou Ck a fází fk → celkem se může vyskytnout 16 různých kvadbitů, kterým musíme přiřadit 16 různých kombinací amplitud Ck a fází fk
-
kvadbit vstupního toku dat [a b c d] se rozdělí na dva dibity → dibit [a b] bude směrován do horní větve modulátoru a dibit [c d] bude směrován do dolní větve modulátoru
-
kombinace dibitu [a b] je zakódována pomocí PAM do jedné ze čtyř úrovní podle následujících tabulek a filtrováním pro redukci šířky pásma pomocí dolní propusti (LF - Low Frequency) získáme modulační signál I soufázové cesty, obdobný proces platí pro kvadraturní cestu s modulačním signálem Q I
A2
A1
-A1
-A2
Q
A2
A1
-A1
-A2
ab
11
10
00
01
cd
11
10
00
01 12
Modulační metody – modulace QAM -
modulační signály I a Q představují vstupní modulační signály pro modulátory s nosnou frekvencí fc posunutou pro kvadraturní cestu o 90º → znázornění stavů 16-QAM v rovině je možné na konstelačním diagramu → výsledný signál QAM získáme sečtením signálů z obou cest (modulační rychlost bude rovna čtvrtině přenosové rychlosti → jeden modulační prvek vyjadřuje čtveřici binárních symbolů (0,1))
-
použitím vícestavové modulace ušetříme frekvenční pásmo, ovšem se vzrůstem počtu stavů modulace se signál stává mnohem náchylnější na rušení
-
pro modulaci 16-QAM se udává nutný odstup signálu od šumu 21,5 dB, který zaručuje chybovost řádově 10-7 až 10-6, s každým dalším přidaným bitem ke skupině [a b c d], čili se zdvojnásobením počtu stavů, se požadavek zvětšuje o 3 dB Þ z tohoto důvodu je nutné volit kompromis mezi chybovostí, přenosovou rychlostí a šířkou použitého frekvenčního spektra
-
v praxi se používá běžně modulace 64-QAM a 256-QAM 13
Modulační metody – modulátor QAM (schéma)
14
Modulační metody – konstelační diagram QAM
15
Modulační metody – modulace DMT -
u digitálních účastnických přípojek (DSL) se dále setkáváme s modulací s více nosnými MCM (Multi-Carrier Modulation) pod označením DMT, resp. OFDM
-
modulace MCM se výhodně realizuje pomocí signálových procesorů a pokročilých metod digitálního zpracování signálů, protože by nebylo efektivní provádět paralelně např. modulaci 256 nosných
-
při modulaci se využívá tzv. inverzní Fourierovy transformace (IFT), která převádí vyjádření ve frekvenční oblasti do časové a při demodulaci Fourierovy transformace (FT), která naopak signál vyjádřený v časové oblasti převádí do oblasti frekvenční
-
Př. mějme např. modulaci s šestnácti nosnými (N=16) → přenášený digitální tok nejprve rozdělíme na šestnáct dílčích toků pro jednotlivé nosné kmitočty → při použití 16-QAM bude na každé nosné přenášena čtveřice bitů (viz konstelační diagram), takže jeden symbol DMT přenese 16×4 = 64 bitů
16
Modulační metody – modulace DMT -
příslušný stav QAM se pro každou nosnou vyjádří ve formě komplexního čísla Si = I + jQ, kde I představuje úroveň soufázové složky a Q úroveň kvadraturní složky (viz princip QAM) → jednotlivé hodnoty Si seřazené podle stoupajícího pořadového čísla nosné představují obraz modulovaného signálu DMT ve frekvenční oblasti
-
hodnoty Si jsou transformovány pomocí inverzní Fourierovy transformace, kterou standardně provádějí signálové procesory v diskrétní formě (IDFT inverzní diskrétní FT) pomocí optimalizovaného algoritmu jako tzv. inverzní rychlou Fourierovu transformaci (IFFT)
-
tak se z N komplexních čísel získá 2×N vzorků reálného signálu, který představuje superpozici všech šestnácti modulovaných nosných kmitočtů, a platí, že šířka pásma ΔF odpovídá polovině vzorkovací frekvence fs, se kterou se vzorky posílají na výstup v sériovém tvaru (paralelně-sériový převod (P/S)) přes digitálně-analogový převodník (D/A) 17
Modulační metody – modulace DMT -
pro odstup nosných kmitočtů pak platí:
DF fs Df = f i +1 - f i = = N 2× N -
prakticky pro uvedený příklad s šestnácti nosnými bychom vysílali vzorky s frekvencí fs = 32 kHz Þ tomu odpovídá šířka pásma ΔF = 16 kHz a odstup nosných Δf = 1 kHz → to dovoluje teoreticky použít modulační rychlost vm = 1 kBd pro každou nosnou
-
při šestnáctistavové modulaci (M = 16) tak jeden symbol DMT přenese N∙b = N∙log2 M = 16∙4 = 64 bitů přenosovou rychlostí vp = N∙b∙vm = 16∙4∙1 = = 64 kbit/s → v praxi se volí určitá rezerva, a modulační rychlost je nižší než odstup nosných, čímž se snižují interference mezi nosnými 18
Modulační metody – modulace DMT
-
pro zvýšení odolnosti proti rušení (zvýšení pravděpodobnosti správného dekódování stavu) se používá PAM, QAM či CAP v kombinaci s mřížkovým (trellis) kódováním TC (Trellis Code) → používá konvoluci dvou signálových prvků (současného a předchozího) → vzniká podmíněná posloupnost ve vhodně navrženém konstelačním diagramu → kódové slovo je složeno z informačních bitů a ze zabezpečovacích bitů, které realizují provázanost posloupnosti
-
kodér Trellis kódu (TC) musí být vybaven pamětí, která je schopna uchovat předcházející signálový prvek 19
Telefonní modemy -
jsou velmi rozšířeným prostředkem přenosu dat → využití telefonních vedení a hostitelské telefonní sítě
-
přenosová rychlost je limitována šířkou pásma telefonního kanálu (3,1 kHz) a může maximálně dosáhnout hodnoty 56 kbit/s
-
výhodou uvedené šířky pásma je možnost použití telefonní ústředny bez nutnosti budování specifické sítě pro přenos dat
-
před vytvořením datového spojení je nutné (pokud modemy nejsou nasazeny na pevném okruhu) nejprve sestavit spojení přes telefonní síť pomocí účastnické volby čísla cílové stanice (tzv. dial-up) Þ po celou dobu trvání komunikace zůstává spojení přes telefonní síť vytvořené a je odpovídajícím způsobem zpoplatněné (pro komunikaci přes vybrané poskytovatele připojení k síti Internet platí zvláštní tarify)
-
telefonní modemy jsou řešeny buď jako samostatné přístroje nebo integrované do počítače 20
Telefonní modemy -
moderní telefonní modemy používají vícestavové modulace QAM rozšířené o použití mřížkového kódování (TCM) a jsou vybaveny výkonnými signálovými procesory
-
historicky nejstarší telefonní modemy používají dvoustavové frekvenční modulace 2-FSK (ITU-T V.21, ITU-T V.23)
-
dále následovaly poloduplexní modemy s vícestavovou diferenční fázovou modulací DPSK (ITU-T V.26, ITU-T V.27), a potom poloduplexní modem s kvadraturní amplitudovou modulací QAM (ITU-T V.29)
-
následujícími telefonními modemy ve vývojové řadě byly duplexní modemy s vícestavovou diferenční fázovou modulací DPSK (V.22 a V22.bis), další duplexní modemy ve vývojové řadě užívají opět vícestavovou kvadraturní amplitudovou modulaci QAM → modemy podle doporučení (ITU-T V.32, ITU-T V.32bis a ITU-T V.34) jsou duplexní a používají pro přenos v obou směrech stejného frekvenčního pásma a metody potlačení ozvěny. 21
Moderní telefonní modemy -
telefonní modem podle doporučení (ITU-T V.90) může být užíván pouze v digitalizovaných telefonních sítích (analogová účastnická přípojka do digitální ústředny) → ve vysílacím směru je po přípojném dvoudrátovém vedení přenášen datový signál kvadraturní amplitudovou modulací QAM až do místa PCM převodníku v ústředně maximálně s přenosovou rychlostí 33,6 kbit/s, v opačném směru je použito pulsně amplitudové modulace PAM, pomocí které lze dosáhnout přenosové rychlosti (bez použití komprese) až 56 kbit/s
-
k vybavení moderních modemů patří protokoly, zabezpečující přenos datového signálu proti chybám při přenosu ve vlastním datovém okruhu: -
-
protokoly MNP – protokoly úrovně 1 až 4 (zajišťují pouze detekci a korekci chyb), protokoly úrovně 5 až 10 (vedle detekci a korekci chyb zavádějí do přenosu navíc datovou kompresi) → pro detekci chyby v přijatém bloku dat se užívá zabezpečení cyklickým kódem (CRC) protokol LAP-M → vychází z HDLC, detekce chyby pomocí CRC (16 bitů) protokol dle ITU-T V.42 → zahrnuje vlastnosti předchozích protokolů 22
Telefonní modemy - přehled
23
