Аналоговые каналы передачи данных. Спектры сигналов. Виды модуляции. Модемы

Аналоговые каналы передачи данных

Типичным и наиболее распространенным типом аналого­вых каналов являются телефонные каналы общего пользования (каналы тональной частоты). В каналах тональной частоты полоса пропускания составляет 0,3...3,4 кГц, что соответствует спектру человеческой речи.

Для передачи дискретной информации по каналам тональ­ной частоты необходимы устройства преобразования сигналов, согласующие характеристики дискретных сигналов и аналого­вых линий. Кроме того, в случае непосредственной передачи двоичных сигналов по телефонному каналу с полосой пропус­кания 0,3...3,4 кГц скорость передачи не превысит 3 кбит/с. Действительно, пусть на передачу одного бита требуются два перепада напряжения, а длительность одного перепада Tв=(3...4)/(6,28Fв), где Fв– верхняя частота полосы пропуска­ния. Тогда скорость передачи V< 1/(2Тв).

Согласование параметров сигналов и среды при использо­вании аналоговых каналов осуществляется с помощью вопло­щения сигнала, выражающего передаваемое сообщение, в не­котором процессе, называемом переносчиком и приспособлен­ном к реализации в данной среде. Переносчик в системах связи представлен электромагнитными колебаниями U некоторой частоты, называемой несущей частотой:

где Um– амплитуда; – частота;  – фаза колебаний несущей.

Изменение параметров несущей (переносчика) по закону пере­даваемого сообщения называется модуляцией. Если это измене­ние относится к амплитуде Um, то модуляцию называют амп­литудной (AM), если к частоте  – частотной (ЧМ) и если к фазе  – фазовой (ФМ). При приеме сообщения предусмат­ривается обратная процедура извлечения полезного сигнала из переносчика, называемая демодуляцией. Модуляция и демоду­ляция выполняются в устройстве, называемом модемом.

Модемы

Модем – устройство преобразования электрических сигна­лов, представляющих передаваемые данные, при взаимодейст­вии аппаратуры окончания канала данных и линий связи. Слово “модем” образовано из частей слов “модуляция” и “де­модуляция”, что подчеркивает способы согласования парамет­ров сигналов и линий связи – сигнал, подаваемый в линию связи, модулируется, а при приеме данных из линии сигналы подвергаются обратному преобразованию (рис. 2.1).

Модем выполняет функции аппаратуры окончания канала данных. В качестве оконечного оборудования обычно высту­пает компьютер, в котором имеется приемопередатчик – мик­росхема UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter). Приемопередатчик подключается к модему через один из по­следовательных портов компьютера и последовательный интерфейс RS-232C, в котором обеспечивается скорость не ниже 9,6 кбит/с на расстоянии до 15 м.

Более высокая скорость (до 1000 кбит/с на расстояниях до 100 м) обеспечивается интерфейсом RS-422, в котором исполь­зуются две витые пары проводов с согласующими сопротивле­ниями на концах, образующие сбалансированную линию.

Организация дуплексной связи

Для организации дуплексной связи используются следую­щие способы:

 четырехпроводная линия связи – одна пара проводов для прямой и другая для обратной передачи;

 частотное разделение – прямая и обратная передачи ведутся на разных частотах, т.е. полоса для каждого направления су­жается более чем вдвое по сравнению с полосой симплексной связи;

 эхо-компенсация – при установлении соединения с помо­щью посылки зондирующего сигнала определяются параметры (запаздывание и мощность) эха – отраженного собственного сигнала; в дальнейшем из принимаемого сигнала вычитается эхо собственного сигнала (рис. 2.2).

Многоканальная аппаратура

В многоканальной аппаратуре одна (или несколько) линия связи разделяется между сообщениями по частоте или времени. В широкополосных аналоговых каналах используется частотное разделение. Каналы группируются в первичные (полоса 60...108 кГц), вторичные (312...552 кГц), третичные (812...2044 кГц) и т.д. В группе первичных каналов помещаются 12 каналов тональной частоты, в группе вторичных каналов – пять пер­вичных групп и т.д.

В современных телекоммуникационных технологиях наиболь­шее распространение получили цифровые каналы передачи данных.

Виды модуляции

Амплитудная модуляция

При амплитудной модуляции на входы модулятора посту­пают сигнал V и несущая U. Например, если сигнал есть гармоническое колебание

с амплитудой Vm, частотой  и фазой , то на выходе нели­нейного элемента в модуляторе будут модулированные колеба­ния

где m=Vm/Um– коэффициент модуляции. На выходе моду­лятора в спектре сигнала присутствуют несущая частота  и две боковые частоты + и –. Если сигнал занимает некоторую полосу частот, то в спектре модулированного коле­бания появятся две боковые полосы (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Спектры модулирующего и модулированного сигналов при AM

При амплитудной модуляции во избежание искажений, на­зываемых качанием фронта, нужно выполнение условия  >> , где  и  – соответственно несущая и модулирующая частоты. Соблюдение этого условия при стандартной (для среднескоростной аппаратуры передачи данных) несущей частоте 1700 Гц не может обеспечить информационные скорости выше 300 бит/с. Поэтому в модемах применяют дополнительное пре­образование частоты: сначала производят модуляцию несущей, имеющей повышенную частоту, например 10 кГц, затем с помощью фильтра выделяют спектр модулированного сигнала и с помощью преобразователя частоты переносят модулирую­щие колебания на промежуточную частоту, например 1700 Гц. Тогда при боковых полосах до 1400 Гц спектр сигнала согла­суется с полосой пропускания телефонных линий. Однако до­стигаемые при этом скорости передачи данных остаются не­высокими.

Скорости передачи повышаются с помощью квадратурно-амплитудной или фазовой модуляции за счет того, что вместо двоичных модулирующих сигналов используются дискретные сигналы с большим числом возможных значений.