2.3 Средства и методы передачи сигналов в проводных

2.3 Средства и методы передачи сигналов в проводных электрических и оптических линиях

Передача сигналов в СД в основном производится в цифровом формате, т.е. в виде двоичных «1» и «0». При этом возможна передача непосредственно и через аналоговые модемы.

Непосредственная передача цифровых сигналов в электрических и оптических линиях, как правило, происходит с использованием преобразователей или конверторов линейных сигналов, в которых, прежде всего, на передаче формируется линейный сигнал в подходящем коде. Для согласования электрической линии и передатчика используется трансформатор. Для передачи информации по оптической линии происходит преобразование электрического сигнала в оптический сигнал путем модуляции источника света. Источник света (светодиод или полупроводниковый лазер) должен быть согласован по характеристикам с оптическим волокном. Наибольшую мощность и концентрацию энергии в пространстве обеспечивает лазер, но при этом преобразователь имеет и большую стоимость, чем светодиодный вариант передатчика.

Приемник сигналов электрической линии согласуется с парой проводов через трансформатор. При этом приемник регенерирует (восстанавливает) форму и длительность электрических импульсов. Приемник сигналов оптической линии преобразует энергию оптического излучения, пришедшего от передатчика по световоду, в электрический сигнал, усиливает его и также регенерирует, т.е. восстанавливает форму и длительность каждого электрического импульса.
Линейное кодирование сигналов для электрической и оптической линий, как правило, различное. Например, в электрических линиях часто используются коды:
HDB-3, High Density Bipolar – биполярный код высокой плотности порядка 3;
AMI, Alternate Mark Inversion – линейный код с инвертированием;
NRZ, Non Return to Zero – без возвращения к нулю на тактовом интервале;
2B1Q, код с преобразованием двух двоичных символов в один четверичный.

Временные диаграммы этих кодов приведены на рисунке 2.18 , а спектральные на рисунке 2.19.

Использование рассмотренных кодов для передачи сигналов в оптических линиях проблематично, т.к. передавать отрицательную оптическую мощность невозможно, а использование многоуровневой модуляции яркости излучения потребует построения очень сложной схемы приемника. Поэтому в оптической передаче почти исключительно применяются двухуровневые линейные коды. Примеры этих кодов:

CMI, Coded Mark Inversion – код с инверсией символов (рисунок 2.18);

mBnB – блочный код, где m двоичных символов замещаются группой из n двоичных символов, причем n > m;

Скремблированный NRZ – код в котором производится установление паритетного числа двоичных «0» и «1» через процедуру сложения по модулю два информационной и квазислучайной двоичных последовательностей. Примеры характеристик этих кодов можно найти в [72].
В сети доступа для передачи сигналов могут быть задействованы:

Использование одной пары проводов для встречной передачи возможно благодаря применению адаптивной компенсации помех передатчика своему приемнику. Использование одного оптического световода возможно для передачи и приема на разных длинах волн и на одной волне благодаря направленным оптическим разветвителям.
Использование двух пар проводов или пары световодов надежно обеспечивает раздельную передачу и прием сигналов. Кроме того, в 4-х проводной электрической линии может быть гарантирована передача электрического тока для питания промежуточных регенераторов. Схема передачи тока питания показана на рисунке 2.20.

На рисунке обозначено:
Пер – передатчик электрического сигнала;
Пр – приемник электрического сигнала;
ПДП – плата дистанционного питания.

Передача сигналов электрических в линиях с помощью модемов получила в последние годы широкую популярность. Это обусловлено возможностью доставки широкополосных сигналов (высокоскоростных сообщений) до пользователей по низкочастотным линиям (по телефонным линиям). При этом, как правило, обеспечивается высокая помехоустойчивость информационных сигналов и достаточно большие участки передачи (от сотен метров до нескольких километров). Общее название модемных методов широкополосной передачи – xDSL, x Digital Subscriber Line, x цифровая абонентская линия. Индекс X обозначает одну из разновидностей технологии:

Рисунок 2.20 Схема электропитания регенератора

А – асимметричная; RA – асимметричная с автоматической настройкой скорости передачи; М – поддерживает многие скорости передачи; S – простая двухпроводная передача; I – низкоскоростная для ISDN; H – высокоскоростная; SH – симметричная высокоскоростная; V – очень быстрая передача.

Технология xDSL имеет внутренние подразделения на низкоскоростные и высокоскоростные решения, которые зависят и от вида аналоговой или цифровой модуляции. Например, может применяться модуляция 2B1Q, QAM, CAP, DMT и другие [8, 10, 27, 45, 37].

QAM, Quadrature Amplitude Modulation – квадратурная амплитудная модуляция.

CAP, Carrierless Amplitude/Phase – амплитудно-фазовая модуляция без несущей (пример спектра сигнала в этом коде на рисунке 2.19).

DMT, Discrete Multitone – дискретная многочастотная модуляция.

Модуляция QAM представляет собой разновидность многопозиционной амплитудно-фазовой модуляции. Алгоритм QAM широко используется для построения модемов. При этом передаваемый сигнал кодируется одновременными изменениями амплитуды синфазной (I) и квадратурной (Q) компонент несущего гармонического колебания (fc), которые сдвинуты по фазе друг относительно друга на ?/2 радиан. Результирующий сигнал формируется при суммировании этих колебаний:
, (2.8)
где t имеет диапазон изменений (m – 1)´ D t … mxDt; m – порядковый номер дискрета; Dt – шаг квантования входного сигнала во времени; I_m = a_mxр; Q_m = b_mxp; р – шаг квантования входного сигнала по амплитуде; a_m и b_m – модуляционные коэффициенты.

Таким образом, при использовании QAM передаваемая информация кодируется одновременным изменением амплитуды и фазы несущего колебания. QAM имеет разновидности, которые обозначаются числом, кратным 2^N, где N соответствует показателю спектральной эффективности. В настоящее время наибольшее распространение получили QAM-4, 16, 32, 64, 128, 256.

Алгоритм кодирования QAM-4 известен под названием QPSK (Quadrature Phase Shift Keying – квадратурная фазовая манипуляция).

Достоинство QAM – это простота реализации, достаточно высокие показатели спектральной эффективности, т.е. незначительное расширение спектра, высокая помехоустойчивость, возможность применения в дуплексных системах.

Недостаток QAM – это относительно невысокий уровень полезного сигнала в спектре модулированного колебания.

Рисунок 2.21 Спектры модуляции DMT

Модуляция САР – представляет собой одну из разновидностей QAM. Его особенность заключается в специальной обработке модулированного информационного сигнала перед передачей в линию. В процессе этой обработки из спектра модулированного сигнала исключается составляющая, которая соответствует частоте несущего колебания QAM. Приемник должен восстановить несущее колебание, а затем информационный сигнал.

Модуляция САР способна обеспечить максимальное соотношение сигнал/помеха и обеспечить передачу сигналов на большие расстояния по медным линиям.

Модуляция DMT относится к основным видам модуляции для технологий ADSL и VDSL. В DMT принципиально иное построение алгоритма модуляции, чем в QAM-CAP. Здесь применяется не одна, а группа частот несущих колебаний. В DMT предусмотрено делить весь расчетный частотный диапазон на несколько участков по 4,3125 кГц. Каждый спектральный участок используется для организации независимого канала передачи данных. На рисунке 2.21 представлены возможные варианты частотных спектров для передачи по медным линиям.

В каждом частотном канале может происходить проверка помеховой ситуации. По результатам оценки помеховой ситуации в каждом из каналов выбирается подходящая модуляционная схема. В чистых каналах могут применяться QAM 64, а в зашумленных QPSK.

Достоинство DMT это обеспечение высокоскоростных режимов передачи данных. Недостаток DMT – это его нетехнологичность и сложность реализации аппаратными средствами.