Начало Алгоритмы модуляции технологий xDSL

Алгоритм модуляции CAP

Алгоритм амплитудно-фазовой модуляции с подавлением несущей Carrier less Amplitude modulation / Phase modulation (CAP) является одним из наиболее широко используемых в настоящее время на DSL линиях алгоритмов модуляции. Этот алгоритм был разработан специалистами компании GlobeSpan Inc. в то время, когда эта компания была частью компании Paradyne в составе AT&T. В настоящее время патент на использование алгоритма амплитудно-фазовой модуляции с подавлением несущей для формирования линейного кода принадлежит компании GlobeSpan Inc. Алгоритм CAP представляет собой одну из разновидностей алгоритма QAM, его особенность заключается в специальной обработке модулированного информационного сигнала перед его отправкой в линию. В процессе этой обработки из спектра модулированного сигнала исключается составляющая, которая соответствует частоте несущего колебания QAM. После того, как приемник принимает переданный информационный сигнал, он сначала восстанавливает частоту несущего колебания, а после этого восстанавливает информационный сигнал. Такие манипуляции со спектром выполняются для того, чтобы уменьшить долю неинформативной составляющей в спектре передаваемого информационного сигнала. Это в свою очередь делается для того, чтобы обеспечить большую дальность распространения сигнала и уменьшить уровень перекрестных помех у сигналов, которые передаются одновременно в одном кабеле.

Описание алгоритма

На первый взгляд, название алгоритма звучит достаточно парадоксально и заставляет вспомнить сюжет русской народной сказки о каше из топора. Действительно, из модулированного сигнала предлагается исключить именно ту гармоническую составляющую, которая должна была использоваться для переноса полезного сигнала. Однако если более подробно рассмотреть схему формирования сигнала, станет понятно, что алгоритм CAP в части формирования линейного кода практически ничем не отличается от классических алгоритмов    гармонической амплитудной модуляции.

Рис. 13. Формирование спектра CAP–модулированного сигнала

Синим цветом на рис. 13 отмечен спектр передаваемого полезного сигнала. Максимальная частота этого сигнала имеет значение f_max. Частота модулирующего колебания – носителя имеет значение f_c. После выполнения процедуры гармонической амплитудной модуляции спектр полезного сигнала переносится в область частоты f_c и приобретает зеркальные составляющие. На рисунке этот спектр помечен зеленым цветом. Для обеспечения восстановления переданного сигнала на приемном окончании достаточно передать только одну из зеркальных компонент спектра модулированного сигнала. Гармоника с частотой f_c также является компонентом спектра модулированного сигнала, однако при восстановлении сигнала и без неё тоже можно обойтись. Теоретически, амплитуда этой гармоники несет информацию об уровне постоянной составляющей передаваемого сигнала (составляющая спектра сигнала с частотой = 0). В силу этого данная гармоника не является в полной мере информативной, и её потеря не повлияет на качество восстановленного принятого сигнала. Хотя исключение гармоники f_c из передаваемого сигнала приводит к возникновению определенных трудностей при восстановлении принятого сигнала, эта процедура вполне оправдана, поскольку позволяет существенно уменьшить уровень неинформативного сигнала, который передается в линию. Красным цветом на приведенном выше рисунке показан спектр модулированного колебания, который сформирован в соответствии с принципами алгоритма CAP.

Таким образом, основные принципы формирования линейного кода алгоритма CAP соответствуют принципам формирования линейного кода QAM. Отличия указанных алгоритмов заключаются во включении дополнительных процедур, которые используются для формирования и восстановления спектра САР-модулированного сигнала.

Одна из возможных функциональных схем формирования сигнала, модулированного в соответствии с принципами алгоритма CAP, представлена на рис. 14.

Рис. 14. Функциональная схема формирования САР-модулированного сигнала

В данном случае для подавления гармоники несущего колебания используются синфазный и квадратурный фильтры. Для адекватного восстановления сформированного таким образом сигнала на приемной стороне должны быть выполнены соответствующие процедуры по восстановлению несущего колебания. После восстановления несущего колебания, приемник, который функционирует в соответствии с алгоритмом CAP, восстанавливает собственно переданный сигнал, используя при этом те же алгоритмы, что и приемник QAM–модулированного колебания. Поэтому, по крайней мере, теоретически, приемник CAP может взаимодействовать с передатчиком QAM.

Характеристики алгоритма

Алгоритм CAP может быть использован для формирования линейного кода в различных технологиях DSL. На рис. 15 представлено схематическое изображение спектров САР–модулированных MSDSL сигналов.

Рис. 15. Спектры САР–модулированных сигналов (режим echo cancellation)

В данном случае применение алгоритма САР целесообразно, поскольку при использовании пересекающихся частотных диапазонов передаваемого и принимаемого сигналов одним из основных факторов, который ограничивает дальность распространения сигнала в линии, является степень эффективности подавления в приемнике эха передаваемого сигнала (echo cancellation). Поскольку в общем случае, уровень сигнала который передается в линию формирователями CAP , ниже (за счет подавления несущей), следовательно, меньше будет и уровень эха от передатчика.

С не меньшим успехом этот алгоритм может быть использован для формирования линейного кода в асимметричных высокоскоростных приемо-передающих системах технологий ADSL и VDSL. Для этих технологий существенным фактором является возможность частотного разделения информационных сигналов, которые одновременно принимаются и передаются по одной паре проводов. На рис. 16 представлено схематическое изображение спектра CAP-модулированного RADSL сигнала.

Рис.16. Спектр САР–модулированного сигнала (режим частотного разделения)

Зеленым цветом на рис. 16 обозначен спектр передаваемого пользователем сигнала (Upstream). Красным цветом — спектр сигнала, который принимается пользователем (Downstream). Пунктирной линией на рисунке обозначены уровни перекрестных помех, которые вызваны передачей сигналов такого же типа по всем остальным 49 парам проводов данного кабеля и регистрируются на ближнем конце (NEXT).

Приведенная справа таблица представляет зависимость относительного соотношения сигнал/шум SNR* от типа используемого алгоритма CAP. В соответствии с определением значение относительного соотношения SNR* соответствует уровню помехи, при которой BER у принимаемого сигнала не будет превышать значения 10^-7. Обращает на себя внимание тот факт, что, как и в случае QAM, помехоустойчивость алгоритма модуляции уменьшается при повышении его спектральной эффективности.

Достоинства алгоритма

Поскольку алгоритм амплитудно-фазовой модуляции с подавлением несущей является, по сути, алгоритмом типа QAM, ему свойственны все положительные качества, которые присущи этому классу алгоритмов: относительная простота реализации и высокая спектральная эффективность. Несомненным достоинством собственно алгоритма САР является высокая энергетическая эффективность формируемого сигнала. Именно этот алгоритм теоретически способен обеспечить максимальные значения соотношения SNR и, следовательно, передачу сигнала на наибольшие расстояния. Все эти полезные качества алгоритма модуляции CAP позволяют применять его для построения эффективных и экономичных приемо-передающих устройств широкого спектра технологий DSL: от SDSL до VDSL.

Недостатки алгоритма

Основным недостатком этого метода является отсутствие стандартизирующего документа, который определяет процедуры, в соответствии с которыми выполняется преобразование сигнала. Отсутствие этого документа объясняется рядом политических и экономических причин. Одной из причин, которые приводят к сдерживанию внедрения этой технологии, является сильная поддержка альтернативной по отношению к САР технологии DMT, которую оказывает комитет T1E1 ANSI. Другой причиной является недостаточная гибкость лицензионной политики, которую проводит хозяин патента на CAP компания GlobeSpan. Эти причины, которые нельзя назвать техническими в то же время являются достаточно вескими, для того, чтобы сдерживать процессы внедрения алгоритма САР в перспективные системы DSL.

Предыдущая глава Алгоритм модуляции QAM

Следующая глава Алгоритм модуляции DMT