11.předn ednáška Telefonní přístroje, modulační metody a telefonní modemy Ing. Bc. Ivan Pravda
Telefonní přístroj princip funkce - klasická analogová telefonní přípojka (POTS Plain Old Telephone Service) přenáší analogový telefonní signál v základním pásmu 300Hz až3400hz 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 vsérii se sluchátkem, avšak v praxi se používá můstkové zapojení pro snížení intenzity vlastního hovoru ve sluchátku moderní telefonní přístroje mají hovorové obvody řešené elektronicky - kvyzvánění se používá generátor vyzváněcího signálu připojovaný v účastnické sadě telefonní ústředny - signalizace se provádí uzavíráním a rozpojováním stejnosměrné smyčky
Telefonní přístroj princip funkce - při vyzvednutí mikrotelefonu se uzavře stejnosměrná smyčka, cožsignalizuje vpřípadě volajícího požadavek na zahájenívolání, v případě volaného účastníka jeho přihlášení pokud obdrží volající účastník oznamovacítón, může neprodleně zahájit volbu účastnického čísla volaného
Účastnická signalizace při p i sestavování spojení
Telefonní přístroj volba účastnického čísla - klasická impulsnívolba související s předchozími obrázky vychází zpoužití rotační číselnice využití rozpojování auzavírání stejnosměrné smyčky sfrekvencí 10 Hz a čítání impulsů: - uústředen 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 pomocímfc kódu), která se přenáší vhovorovém 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
Multifrekvenční volba (MFC kód) k
Moderní telefonní přístroj blokové schéma
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 (taktovacísignál), hovoříme o impulsnímodulaci - modulace spočívá vovlivňovánínosné vlny modulačním signálem, čímž vzniká modulovaná vlna přenos analogového nebo digitálního signálu vtzv. přeloženém pásmu
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 sobecným dělením modulací rozdělit takto: - amplitudové klíčování ASK (Amplitude Shift Keying) kombinuje se svícestavovým kódováním pulsně-amplitudovámodulace (PAM) - frekvenční klíčování FSK (Frequency Shift Keying) - fázové klíčování PSK (Phase Shift Keying) nejvíce rozšířenépředevším v kombinaci s amplitudovým klíčováním (QASK Quadrature ASK), resp. ve shodě sodpovídající analogovou modulační metodou QAM (Quadrature Amplitude Modulation) či jako amplitudově-fázovéklíčování bez nosnécap (Carrierless Amplitude andphase)
Modulační metody - přehled - modulační metody můžeme rozdělit do dvou oblastí podle počtu využitých nosných frekvencí: - modulace sjednou nosnou označovanázkratkou SCM (Single-Carrier Modulation), což jsou modulace PSK, QAM, CAP apod. - modulace svíce nosnými označovanázkratkou MCM (Multi-Carrier Modulation), což jsou modulace DMT (Discrete Multi-Tone), se kterou se setkáme u přípojek ADSL avdsl, dále OQAM (Orthogonally multiplexedquadrature Amplitude Modulation), OFDM (OrthogonalFrequency Division Multiplexing) používanánapř. v digitálním televizním vysílání formátu DVB (Digital Video Broadcast) - dvojkové klíčování BPSK mívá vyjádřeny dva stavy nosnou vlnou sfází 0 a π - čtyřstavové klíčování fáze 4-PSK je pak charakterizováno čtyřmi stavy nosné sfází 0, π/2, π a 3π/2 - modulace QPSK je mírně modifikovaná 4-PSK, liší se pouze pootočením konstelace (množiny stavů fáze) o π/4 žádný vliv na vlastnosti modulace, výhoda spočívá ve zjednodušení algoritmů na straně demodulátoru
Modulační metody - přehled - vpřípadě 16-QAM se ze vstupní sériové dvojkové posloupnosti vydělují skupiny 4 bitů tzv. kvadbity [a b c d] - 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 smodulací se čtyřstavovou modulací 4-QAM - QAM však v praxi využívá většího počtu stavů díky kombinaci amplitudovéhoa fázového klíčování
Modulační metody modulace QAM - každý kvadbit je na výstupu principiálně vyjádřen jedním signálovým prvkem S k (t) = C k cos(ωt + φ k ) spříslušnou amplitudou C k afází φ k celkem se může vyskytnout 16 různých kvadbitů, kterým musíme přiřadit 16 různých kombinací amplitud C k afází φ k - 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 kvadraturnícestu s modulačním signálem Q I A 2 A 1 -A 1 -A 2 Q A 2 A 1 -A 1 -A 2 a b 1 1 1 0 0 0 0 1 c d 1 1 1 0 0 0 0 1
Modulační metody modulace QAM - modulační signály I a Q představují vstupní modulační signály pro modulátory snosnou frekvencí f c posunutou pro kvadraturní cestu o 90º znázornění stavů 16-QAM vrovině je možné na konstelačním diagramu výsledný signál QAM získáme sečtením signálů zobou cest (modulační rychlost bude rovna čtvrtině přenosové rychlosti jeden modulační prvek vyjadřuje čtveřici binárních symbolů (0,1)) - použitím vícestavové modulace ušetříme frekvenčnípásmo, ovšem se vzrůstem počtu stavů modulace se signál stává mnohem náchylnější na rušení - pro modulaci 16-QAM se udává nutný odstup signálu od šumu 21,5dB, který zaručuje chybovost řádově 10-7 až10-6, skaždým dalším přidaným bitem ke skupině [a b c d], čili se zdvojnásobením počtu stavů, se požadavek zvětšuje o 3 db ztohoto důvodu je nutné volit kompromis mezi chybovostí, přenosovou rychlostí ašířkou použitého frekvenčního spektra - vpraxi se používá běžně modulace 64-QAM a 256-QAM
Modulační metody modulátor QAM (schéma)
Modulační metody konstelační diagram QAM
Modulační metody modulace DMT - udigitálních účastnických přípojek (DSL) se dále setkáváme s modulacís 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. inverznífourierovy 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 sšestnácti 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
Modulační metody modulace DMT - příslušný stav QAM se pro každou nosnou vyjádří ve formě komplexního čísla S i =I+jQ, kde I představuje úroveň soufázové složky a Q úroveň kvadraturní složky (viz princip QAM) jednotlivé hodnoty S i seřazené podle stoupajícího pořadového čísla nosné představují obraz modulovaného signálu DMT ve frekvenční oblasti - hodnoty S i 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, aplatí, že šířka pásma ΔF odpovídá polovině vzorkovací frekvence f s, se kterou se vzorky posílají na výstup v sériovém tvaru (paralelně-sériový převod (P/S)) přes digitálně-analogový převodník (D/A)
Modulační metody modulace DMT - pro odstup nosných kmitočtů pak platí: f = fi+ 1 f i = F N = 2 f s N - prakticky pro uvedený příklad s šestnácti nosnými bychom vysílali vzorky sfrekvencí f s =32kHz tomu odpovídá šířka pásma ΔF =16kHza odstup nosných Δf=1kHz to dovoluje teoreticky použít modulační rychlost v m =1kBd pro každou nosnou - při šestnáctistavové modulaci (M=16) tak jeden symbol DMT přenese N b = N log 2 M =16 4=64bitů přenosovou rychlostí v p =N b v m =16 4 1= =64 kbit/s vpraxi se volí určitá rezerva, a modulační rychlost je nižší než odstup nosných, čímžse snižují interference mezi nosnými
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 Trelliskódu (TC) musí být vybaven pamětí, která je schopna uchovat předcházející signálový prvek
Telefonní modemy - jsou velmi rozšířeným prostředkem přenosu dat využití telefonních vedení ahostitelské telefonní sítě - přenosová rychlost je limitována šířkou pásma telefonního kanálu (3,1kHz) amůže maximálně dosáhnout hodnoty 56kbit/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) po celou dobu trvání komunikace zůstává spojení přes telefonní síť vytvořené a je odpovídajícím způsobem zpoplatněné (pro komunikaci přes vybrané poskytovatele připojení ksíti Internet platí zvláštní tarify) - telefonní modemy jsou řešeny buď jako samostatné přístroje nebo integrované do počítače
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 diferenčnífázovou modulacídpsk (ITU-T V.26, ITU-T V.27), a potom poloduplexní modem s kvadraturníamplitudovou modulacíqam (ITU-T V.29) - následujícími telefonními modemy ve vývojové řadě byly duplexní modemy s vícestavovou diferenčnífázovou modulacídpsk (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.
Moderní telefonní modemy - telefonní modem podle doporučení (ITU-T V.90) může být užíván pouze vdigitalizovaných telefonních sítích (analogová účastnická přípojka do digitální ústředny) ve vysílacím směru je po přípojném dvoudrátovém vedení přenášen datový signál kvadraturníamplitudovou modulacíqam aždo místa PCM převodníku v ústředně maximálně s přenosovou rychlostí 33,6kbit/s, vopačném směru je použito pulsně amplitudové modulace PAM, pomocí které lze dosáhnout přenosové rychlosti (bez použití komprese) až56kbit/s - kvybavení moderních modemů patří protokoly, zabezpečujícípřenos 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
Telefonní modemy - přehled