Начало Алгоритмы модуляции технологий xDSL

Алгоритм модуляции 2B1Q

Описание алгоритма

Алгоритм линейного кодирования 2B1Q (2 Binary 1 Quandary) был первоначально предложен для  использования в качестве протокола физического уровня в точке сопряжения U для BRI интерфейса сети ISDN. Алгоритм 2B1Q представляет собой один из вариантов реализации алгоритма амплитудно-импульсной модуляции с четырьмя уровнями выходного напряжения без возвращения к нулевому уровню (NRZ).

Для формирования линейного кода входной информационный поток делится на кодовые группы по два бита в каждой. В зависимости от комбинации значений битов кодовой группы ей ставится в соответствие один из четырёх кодовых символов, каждому из которых в свою очередь ставится в соответствие один из уровней кодового напряжения.

Таким образом, закодированный в соответствии с правилами алгоритма 2B1Q сигнал представляет собой последовательность скачкообразно изменяющихся напряжений. На рис.2 представлено схематическое изображение линейного сигнала 2B1Q при передаче произвольной последовательности бит.

Рис. 2. Линейный сигнал 2B1Q

Поскольку в данном случае двум битам немодулированного сигнала ставится в соответствие один кодовый символ, информационная скорость (data rate, скорость передачи данных) в два раза превышает символьную (symbol rate), это означает, что модуляционная схема 2B1Q обеспечивает постоянную величину спектральной эффективности модулированного сигнала q = 2 бита/Гц.

В отличие от некоторых других алгоритмов линейного кодирования (например, AMI) рассматриваемый алгоритм не обеспечивает поддержание баланса положительных и отрицательных импульсов выходного напряжения и, следовательно, входной код 2B1Q должен быть предварительно обработан специальными процедурами, которые должны обеспечить подавление постоянной составляющей (скремблирование).

Системы передачи данных, которые используют этот алгоритм линейного кодирования, способны обеспечить скорость передачи данных от 64 Кбит/сек до 2320 Кбит/сек. Нормативными документами не определена величина шага изменения информационной скорости, поэтому, в различных реализациях эта величина может принимать различные значения (от 8 до 64 Кбит/сек).

Характеристики алгоритма

Энергетический спектр сигнала

Огибающая линия спектра сигнала, который модулирован в соответствии с алгоритмом 2B1Q, может быть аппроксимирована функцией вида:

В приведенной выше формуле f_sym соответствует конкретному значению символьной скорости, которая в данном случае в два раза меньше скорости передачи данных. Ниже приведены графики спектральных плотностей (Power Spectrum Density, PSD) 2B1Q-модулированных сигналов, которые обеспечивают передачу данных со скоростями 1168 и 2320 Кбит/сек. Существенным является то, что частотный спектр 2B1Q-модулированных сигналов не является ограниченным, что вообще характерно для спектров импульсно-модулированных колебаний. На рис. 3. представлены графики PSD 2B1Q-модулированных сигналов, которые обеспечивают передачу данных со скоростью 1168 Кбит/сек (красная линия) и 2320 Кбит/сек (зеленая линия).

Рис. 3. Частотные зависимости PSD сигналов 2B1Q

Мощность передаваемого в линию сигнала

Значение мощности 2B1Q-модулированного сигнала, измеренное в диапазоне от 0 Гц до f_sym при импедансе линии 135 Ом, должно удовлетворять соотношению:

Требования к характеристикам линейных устройств

Значение величины затухания возвращаемого сигнала (Return Loss, RL), измеренного по отношению к 135 Ом в диапазоне от 0 Гц до F_sym, должно быть не менее 12 dB (этот параметр определяет значение допустимого воздействия передаваемого в линию сигнала на принимаемый сигнал.)

Соотношение сигнал/шум

На диаграмме, которая приведена на рис. 4, представлена зависимость соотношения SNR (Signal-Noise Ratio) от расстояния распространения 2B1Q–модулированных сигналов, обеспечивающих передачу данных со скоростями 1168 и 2320 Кбит/сек.

Рис. 4. Зависимости соотношения сигнал/шум от дальности распространения сигнала

Приведенные значения соотношения сигнал/шум были вычислены для линии с проводом 26-AWG (0.4 мм) по отношению к пороговому значению SNR (21.3 dB) и учитывают только помехи, которые вызваны воздействием передаваемого сигнала на принимаемый сигнал (Near End Cross Talk Noise, NEXT). Отмеченное на диаграмме пунктиром значение SNR* равное 6 dB соответствует минимальному превышению соотношением SNR уровня 21.3 dB, который гарантирует частоту появления ошибок (Bit Error Rate, BER) не более 10^-7.

Область применения алгоритма

Помимо своего основного применения в ISDN алгоритм линейного кодирования 2В1Q нашел достаточно широкое применение в устройствах xDSL с симметричными скоростями передачи данных HDSL и SDSL. Поскольку из-за особенностей спектра 2В1Q-модулированного сигнала передаваемый и принимаемый сигнал не могут быть разнесены в различные частотные области, реализации SDSL в данном случае должны использовать механизм подавления эха передаваемого сигнала в приемнике (echo-cancellation).

Достоинства и недостатки алгоритма 2B1Q

Несомненным достоинством данного алгоритма является простота и дешевизна его реализации. Немаловажным фактором является также наличие большого числа регламентирующих документов (в том числе спецификация ANSI T 1.601-1999, ISDN Basic Access Interface for Use on Metallic Loops for Application at the Network Side of NT, Layer 1 Specification ).

К недостаткам этого метода линейного кодирования следует отнести крайне невысокую спектральную эффективность и, следовательно, ограниченные возможности для передачи информационного сигнала по зашумленным линиям с большим затуханием. Возможности использования амплитудной модуляции вообще не очень высоки, так как в данном случае число уровней квантования растет со скоростью 2^N, где N — число передаваемых за период модулированного сигнала разрядов, что приводит к резкому уменьшению теоретически достижимого соотношения сигнал/шум. Кроме того, спектр амплитудно-импульсного модулированного сигнала, как было показано выше, является бесконечным и его максимум приходится на диапазон звуковых частот.

Несмотря на то, что перечисленные выше факторы, несомненно, будут ограничивать применение этого типа линейного кодирования в перспективных xDSL системах с интеграцией услуг, несомненные достоинства алгоритма 2B1Q позволят достаточно эффективно его применять для построения дешевых систем симметричного доступа.

Предыдущая глава Основные причины, ограничивающие скорость и дальность передачи информационного сигнала

Следующая глава Алгоритм модуляции QAM