Модем и цифровая абонентская линия ADSL

Для передачи двоичной информации (бит) по аналоговым каналам используются модемы, установленные между компьютером и аналоговой линией. Рассмотрим принцип работы модема. Применяемая в них модуляция используется не только для передачи данных по каналам тональной частоты, но и:

· в высокоскоростном канале абонентского доступа ADSL и др.;

· в мобильных сетях GSM, EDGE, Wi-Fi, UMTS, WiMAX, LTE.

В сетях передачи данных по каналам тональной частоты и на участке абонентского доступа в цифровых абонентских xDSL,в мобильных сетях модемы служат для выполнения двух функций:

1. преобразования цифровых сигналов в аналоговые и обратно (модуляция и демодуляция);

2. увеличение скорости передачи.

В некоторых из перечисленных сетей связи ограничиваются только первой функцией. Работа модема в канале тональной частоты построена на модуляции (амплитудной, частотной и фазовой) непрерывной синусоидальной несущей частоты от 1000 до 2000 Гц.

При амплитудной модуляции используются различные значения амплитуды синусоидальной несущей частоты. При частотной модуляции используется несколько различных частот синусоидальной несущей, а при фазовой модуляции – несколько сдвигов фаз на постоянный угол. Для реализации модемов делается 2400, 4000 или 8000 отсчетов в секунду. За каждый отсчет передается один символ, который может выражать один или несколько бит цифрового сигнала. Число отсчетов в секунду измеряется в бодах. Если при амплитудной модуляции символ может принимать одно из двух значений амплитуды синусоидальной несущей, то на линии 2400 бод цифровая скорость составляет 2400 бит/с. Если каждый символ может принимать четыре значения (выраженные двумя битами), то цифровая скорость составляет 4800 бит/с при той же линии 2400 бод. То же самое происходит, если менять не амплитуду, а частоту или фазу.

Битовой скоростью называется объем информации, передаваемой по каналу за секунду. Битовая скорость равна произведению числа символов отсчетов на число бит на один символ в секунду.

Модемы часто используют комбинированный метод модуляции сигналов. Одним из них является комбинация амплитуды и фазовых сдвигов.

На рис. 3.7 изображен комбинированный метод модуляции, использующий 16 комбинаций - 4 комбинации амплитуды и 12 комбинаций фазовых сдвигов. Такая схема называется квадратурной амплитудной модуляцией или QAM-16 (Quadrature Amplitude Modulation) использующей 4 бита на символ. Такой модем позволяет по линии с пропускной способностью 2400 бод передавать с скоростью 9600 бит/с.

Рис. 3.7. Комбинированный метод модуляции QAM-16

Чем больше точек находится на амплитудно-фазовой диаграмме, тем больше вероятность воздействия помех (шума) при детектировании амплитуды или фазы, т.е. искажения бита. Для уменьшения вероятности такого воздействия были разработаны стандарты, предусматривающие включение в состав каждого отсчета дополнительные биты коррекции. Так, например, стандарт ITU-T V.32 предусматривает 32 точки на диаграмме для передачи 4 бит/символ и 1 контрольный бит (т.е. всего 5 бит на символ).

Согласно теоремы Котельникова-Найквиста для канала с диапазоном частот f максимальное число отсчетов в секунду равно 2f. Стандарт V.32 предоставляет пользователю максимальную скорость передачи данных по каналу тональной частоты 64000 бит/с. При этом максимальное число отсчетов в секунду – 8000, а число бит на отсчет равно 8. В США 1 бит является контрольным, что позволяет работать с битовой скоростью 56000 бит/с. Эти скорости предоставляются модемом при передаче от сети абоненту. В обратную сторону скорость 33,6 Кбит/с. В Европе все 8 бит являются информационными, поэтому, в принципе, максимальная скорость может быть 64 Кбит/с, однако международным соглашением установлено ограничение в 56 Кбит/с.

Телефонные компании разработали так называемые множества широкополосных цифровых абонентских линий, носящие общее название xDSL (Digital Subscriber Line). Одной из них является ADSL (Asymmetric DSL – асимметричная DSL). На существующих местных (т.е. городских и сельских) линиях ADSL предоставляет работу отдельно по телефону и по передаче данных с битовой скоростью, значительно превышающей 56 Кбит/с.

В ADSL на передачу отводится не диапазон в 3100 Гц, выделяемый на АТС фильтром, а весь спектр местной линии, который составляет примерно 1,1 МГц. Весь этот диапазон частот разделен на 256 независимых каналов тональной часоты, одни из которых отводится под телефонную связь, а 5 каналов не используются. Из оставшихся 250 каналов одни занят контролем передачи в сторону провайдера, один – в сторону пользователя, а 248 доступны для передачи данных. Провайдер может самостоятельно определить сколько каналов использовать под исходящий трафик, сколько под входящий.

В каждом канале используется метод квадратурной амплитудной модуляции QAM, количество бит на бод достигает при этом 15 (скорость отсчета 4000 бод), а амплитудно-фазовая диаграмма аналогична представленной на рис. 3.7. Пропускная способность входящего трафика при отведенных для него 224 каналах составляет 13,44 Мбит/с. Помехи в каналах связи не позволяют достигнуть такой скорости, однако 8 Мбит/с на коротких качественных линиях – это реально.

Приведем в качестве примера (для канала с определенным качеством) соответствие между скоростями передачи и расстоянием от абонента до телефонного узла.

· 5,5 км 1,544 Мбит/с,

· 4,9 км 2,048 Мбит/с,

· 3,7 км 6,312 Мбит/с,

· 2,7 км 8,448 Мбит/с.

С появлением первых ADSL-модемов, провайдеры увидели перспективность данной технологии и начали использовать её для предоставления доступа к сети Интернет. Несмотря на появление более быстрых беспроводных технологий доступа WiFi, WiMAX, LTE (которые подлежат рассмотрению в следующих главах) технология ADSL по-прежнему актуальна для крупных городов, имеющих развитую инфраструктуру проводной связи. В ряде европейских стран ADSL является стандартом де факто при обеспечении населения достаточно быстрым и недорогим интернетом. Так, в Финляндии, где каждому жителю страны законодательством с июня 2010 г. гарантирован доступ в интернет, подключение большинства домов производится именно по технологии ADSL.

Скорость потока данных от пользователя на телефонный узел в диапазоне от 16 до 640 Кбит/с. Возможны и другие виды модуляции. В сетях связи используется также фазовая модуляция - бинарная фазовая модуляция BPSK (Binary Shift Keying), при которой фаза меняется на 180 o при изменении бита данных.