Глава 9
Применение DSP
Уолт Кестер
Модемы (модуляторы/демодуляторы) широко используются для передачи и приема цифровых данных с аналоговой модуляцией по телефонным сетям общего назначения (POTS) и частным линиям. Данные передаются в цифровом формате, и телефонный канал рассчитан на передачу голосовых сигналов в полосе частот от 300 до 3000 Гц. Для телефонного канала передачи характерны высокий уровень искажений, шума, перекрестные искажения, рассогласования полного сопротивления, паразитные эхо-сигналы и другие недостатки. Подобные явления незначительно искажают речевые сигналы, но могут привести к многочисленным ошибкам при цифровой передаче данных. Основное назначение передающей части модема состоит в том, чтобы подготовить цифровые данные для передачи по аналоговой голосовой линии. Цель приемной части модема состоит в том, чтобы получить сигнал в аналоговой форме и восстановить исходные цифровые данные при наличии приемлемого уровня ошибок. Современные высокопроизводительные модемы используют методы цифровой обработки для выполнения таких функций, как модуляция, демодуляция, обнаружение и исправление ошибок, настройка параметров передачи и подавление эхо.
Блок-схема обычного телефонного канала (POTS) показана на рис. 9.1.
Чаще всего телефонная связь осуществляется с помощью нескольких соединений в телефонной сети. Наиболее широко распространенная абонентская линия представляет собой двухпроводную витую пару, которая на телефонной станции преобразуется в четырехпроводную. При этом два проводника работают на передачу и два на прием. Сигнал преобразуется обратно к 2-проводной паре на линии удаленного абонента. Преобразование двухпроводной линии в четырехпроводную осуществляется с помощью так называемой гибридной схемы. Гибридная схема преднамеренно вносит рассогласование импеданса, чтобы предотвратить колебательный процесс в четырехпроводной магистральной линии. Рассогласование приводит к отражению части переданного сигнала и возникновению эхо-сигнала на приемной стороне. Это эхо может привести к потере данных, которые приемник получает от удаленного модема.
Полудуплексные модемы могут поочередно, а не одновременно принимать и передавать данные по двухпроводной линии. Дуплексные модемы также работают на двухпроводную линию, но способны совмещать передачу и прием данных. Работа в дуплексном режиме требует от модема способности отделения принимаемого сигнала от отражения (эха) передаваемого сигнала. Это достигается или назначением для сигналов разного направления различных частотных диапазонов, разделяемых с помощью фильтрации, или подавлением эха, при котором синтезируется «эхо» — копия отраженного передаваемого сигнала и оно вычитается из принимаемого смешанного сигнала.
В традиционной телефонной связи существует два типа эха. Первое эхо — это отражение от ближней (входной) гибридной схемы телефонной станции, а второе эхо — от дальней (выходной) гибридной схемы. В процессе передачи сигнала на большое расстояние передаваемый сигнал подвергается преобразованиям несущей частоты с помощью гетеродина. Так как частоты гетеродинов в сети не совсем совпадают, несущая частота эхо-сигнала, отраженного от выходной гибридной схемы, может отличаться от несущей частоты передаваемого сигнала. В современных приложениях этот сдвиг может ухудшить степень подавления эхо-сигнала. Поэтому для схемы эхоподавления желательно компенсировать этот частотный сдвиг.
Для передачи по телефонным сетям синусоидальная несущая модулируется цифровым сигналом, в результате чего получается модулированный сигнал звуковой частоты. Частота несущей выбирается так, чтобы укладываться в пределы полосы частот телефонного канала. В режиме передачи модем модулирует цифровыми данными несущую частоту, в режиме приема модем детектирует звуковую несущую и выделяет из нее цифровые данные.