Обратный канал

Кабельные модемы используют радиочастотный сигнал для передачи данных по гибридным коаксиально-оптическим сетям (HFC — hybrid fiber-coaxial) в соответствие со спецификацией DOCSIS. Далее будут обсуждаться ключевые пололежиня спецификации DOCSIS относительно того, как кабельные модемы взаимодействуют с CMTS, тем самым осуществляя двунапраленную передачу трафика Ethernet по кабельной телевизионной сети.

Существует 3 основных и одна промежуточная версии спецификации DOCSIS: 1.0, 1.1, 2.0 и 3.0. Каждая из основных версий DOCSIS несет в себе значительные изменения в описании именно обратного канала, поскольку именно он всегда был узким местом в плане пропускной способности.

В версиях DOCSIS 1.0 и 1.1 используется два типа модуляции в обратном канале: QPSK и 16-QAM. Согласно спецификациям данных версий, допустимыми симольными скоростями являются: 160, 320, 640, 1280 и 2560 ксимв/с. Дополнительно спецификация устанавливает, что кабельный модем должен оснащаться фильтром низких частот с коэффициентом скругления спектральной характеристики \alpha=o.20 или 25%. Отлично! Но как это относится к скорости передачи данных?

Для начала рассмотрим констелляционные диаграммы QPSK и 16-QAM:

На них показана расстановка символов для соответствующих «созвездий». Заметим, что в QPSK есть 4 символа, по 2 бита каждый, в то время, как при помощи 16-QAM можно передавать 16 символов по 4 бита каждый. Это значит, что 16-QAM переносит больше информации, чем QPSK. но при этом следует учитывать, что сигнал с высшим порядко модуляции более чувствителен к шуму, так как символы расположены ближе один к другому, что в свою очередь усложняет прием такого сигнала, поскольку сложнее точно определить какой символ в данный момент передается.

Рассчет скорости передачи производится следующим образом:

Скорость пер. = число бит/симв * симв. скорость;

Пример: модуляция 16-QAM, симв. скорость 2560 ксимв/с.

Симв. скорость = 2560 ксимв/с

Число бит/симв. = 4

Скорость передачи = 4 * 2560 = 10.24 Мбит/с

Полученная скорсть передачи, 10.24 Мбит/с, максимально возможный теоретический порог для DOCSIS 1.1. В действительности, скорость передачи для абонента не превышает приблизительно 8 Мбит/с, поскольку DOCSIS использует часть пропускной способности для обмена служебной информацией между кабельными модемами и CMTS.

Теперь несколько слов о фильтре низких частот. Назначение этого фильтра — минимизировать энергию гармоник, продуцируемых кабельным модемом, с целью уменьшения интерференции с сигналами за пределами полосы частот рабочего канала. Причина, по которой необходимо разобраться с фактором скругленности спектральной характеристики ФНЧ (α = 0,25), заключается в том, что этот показатель участвует в вычислении полосы, занимаемой РЧ сигналом. Для примера, приведенного выше, ширина полосы рассчитывается следующим образом:

ΔF = (1+α)·R = (1+0,25)·2560 = 3,2 МГц

Этот простой рассчет может быть применен и для дугих версий DOCSIS. Ниже приведены изменения внесенные в более поздние версии:

  • DOCSIS 2.0. Добавлены модуляции в ОК 8-QAM, 32-QAM, 64-QAM; максимальная символьная повышена до 5120 ксимв/с. Таким образом,  теоретически достижимый предел пропускной способности ОК равен 30.72 Мбит/с и 27 Мбит/с для пользовательского трафика.
  • DOCSIS 3.0. Появилась возможность объединять до 8 прямых и 8 обратных физических каналов в один логический. Таким образом, при символьной скорости 5120 ксимв/с, модуляции 64-QAM и объединении 4 обратных каналов, теоретически достижимая пропускная способность ОК составляет 122.88 Мбит/с.

Главным лейтмотивом этих изменений было увеличение пропускной способности в обратном канале, что успешно осуществлялось в каждом из релизов. Скорость в ОК DOCSIS 2.0 возвросла в 3 раза по сравнению с DOCSIS 1.1, a в DOCSIS 3.0 появилась возможность передавать данные со скоростью более, чем в 4 раза превышающей таковую в DOCSIS 2.0.

 

 

Рубрика: DOCSIS: Теория | Добавить комментарий

Модуляция РЧ-сигнала

За долгое время в телекоммуникациях были разработаны и применяются сложные типы модуляции, подразумевающие изменение амплитуды сигнала, его фазы и частоты для передачи большого количества данных с высокой скоростью. Описание этих методов модуляции приводится с целью обяснить, как квадратурно-амплитудная модуляция (QAM) используется в технологии DOCSIS.

Мы все живем в «аналоговом» мире. Конечно, сегодня нас окружают «цифровые» технологии и реклама «цифровых» коммуникаций, но все сигналы по своей природе аналоговые. Исключение можно сделать лишь для виртуального мира программаного обеспечения, в котором царит булева логика в чистом виде без аналоговой составляющей. Но на стыке программа-микропроцессор все преобразовуется в аналоговый вид.

Транзисторные логические цепи являются фундаментальными элементами построения цифровых схем с 1961 года. Цифровые технологии и коммуникации на их самом низком уровне состоят из нулей и единиц, элементарных двоичных состояний. Вся информация передается путем комбинирования этих двух цифр. Для аппаратного передатчика, чтобы передать эти нули и единицы, нужно изменять какие-то величины, чтобы аппаратный приемник смог отличить одно состояние от другого. Как пример можно привести ТТЛ, в которой «ноль» представлен напряжением от 0 до +0,8 В, а  »единица» — от +2,2 до +5 В. Все, что выше +0,8 В и ниже +2,2 В игнорируется приемником. Таким образом в данном примере передатчик использует изменение АНАЛОГОВОГО напряжения для передачи ЦИФРОВЫХ данных к ресиверу.

 

Сигналы и модуляция

Изначально любой сложный сигнал состоит из совокупности гармонических колебаний, которые описываются формулой:

где

A — амплитуда гармоники;

s(t) — сигнал как функция времени;

f — частота гармоники,

Θ — фаза.

Так же как и в примере с ТТЛ, данные могут передаваться путем изменения одного из параметров гармонического колебания.

Амплитудная модуляция

Амплитудная модуляция (АМ) — метод передаци информации, при котором несущее колебание изменяется прямо-пропорционально модулирующему колебанию, которое, в случае передачи цифровых данных, представлено импульсами «1″ и их отсутствием — »0″.

Следует также уяснить следующие фундаментальные понятия:

  • Амплитуда — разность между максимальным и минимальнм значением напряжения.
  • При амплитудной манипуляции (модуляции двоичными импульсами) амплитуда меняется от пика к пику.
  • Частота — скорость изменения амплитуды. Измеряется в Герцах (Гц).

АМ-приемник состоит из настраиваемого фильтра и детектора огибающей, функцию которого в простейшем случае выполняет один диод, на выходе которого получается сигнал несущей частоты по ямплитуде повторяющий форму модулирующего колебания. Удивительно, но это все что нужно для восстановления исходного аудио-сигнала. На практике, все же, применяется конденсатор для удаления высокочастотной составляющей и устранения сдвига по напряжению, внесенного передатчиком в процессе модуляции. После этого готовый низкочастотный сигнал подается на аудио-усилитель.

На рисунке показан пример модуляции сигнала с высокой частотой, низкочастотным колебанием. Синей линией показано результирующее модулированное колебание. На приемной стороне данный сигнал демодулируется и таким образом извлекается передаваемая информация.

Частотная модуляция

Как и при амплитутдной модуляции, частотно-модулированный сигнал также имеет несущую (f0), но ее амплитуда остается неизменной. Для формирования частотно-модулированного сигнала пропорционально информационному сигналу изменяется сама частота несущего колебания.

  • Изменяется частота сигнала. На рисунке ниже видно, что пики сигнала расположены неравномерно — они распрделены под влиением информационного сигнала на несущую.
  • Амплитуда сигнала постоянна. Размах напряжения не изменяется во времени, что показано на нижнем рисунке.


Фазовая модуляция

Фазовая модуляция это изменение мгновенной фазы сигнала пропорционально информационному сигналу. Следует заметить, что изменение частоты сигнала влечет за собой изменение фазы. Математически эти два типа модуляции связаны через производную и интеграл.

На рисунке ниже показано, как информационный сигнал (красная линия) влияет на нусщую (зеленая линия). В результате получается модулированное колебание (синяя линия), напоминающее ЧМ сигнал. Тем не менее, в даном случае изменяется фаза, а не частота. Построение приемника ФМ-сигналов является более сложной задачей, чем в случае с АМ и ЧМ.

 

Фазовая манипуляция

Фазовая манипуляция (PSK — Phase-shift keying) — изменение фазы несущего колебания под воздействием цифрового инфромационного сигнала. В любой схеме цифровой модуляции используется конечное количество дискретных состояний цифрового сигнала. в случае с PSK, используется конечное число значений фаз, каждое из который привязано к уникальному набору двоичных битов. Обычно каждое значение фазы кодирует одинаковое число битов. Каждый набор битов формирует символ, который представлен конкретным значением фазы. Демодулятор детектирует фазу принмаемого сигнала и сопоставляет ее с соответствующим символом, таким образом восстанавливая передаваемую информацию. Для корректного определения фазы приемнику требуется опорное колебание, на основании сравнивания с которым будет опрделятся фаза принимаемого сигнала.

На рисунке показан пример фазовой манипуляции, где цифровым данным соответствуют фазовые сдвиги несущей.

Комбинированные схемы модуляции

Все описанные выше методы модуляции позволяют передавать данные, некоторые с высокой скоростью, но для DOCSIS требуются очень высокие скорости передачи. Для их достижения требуются сложные методы модуляции, сочетающие в себе схемы, описанные ранее. Модуляция, используемая в прямом канале DOCSIS называется квадратурно-амплитудной модуляцией (QAM). При QAM данные передаются путем изменения амплитуды одновременно двух несущих. Так как несущие отстоят одна от другой по фазе на 90º, то в результате их сложения получаются комбинации фаз и амплитуд, что дает большое количество информационных точек, что в свою очередь повышает пропускную способность QAM-сигнала. Математически QAM-сигнал записывается так:

s(t)=I(t)*sin(2*\pi*f_{o}*t) + Q(t)*cos(2*\pi*f_{o}*t)Ниже проиллюстрирован пример того, как может выглядеть QAM 8 на временной оси.

Комбинированные схемы модуляции

Наконец-то мы подошли к зключительному разделу статьи, посвященному методам модуляции 64-QAM и 256-QAM, описанным в стандарте J.83 Annex B (для Европы — J.83 Annex A). Эти две схемы определены спецификацией DOCSIS для использования в прямом канале. 64-QAM имеет 6 бит на символ, 256-QAM — 8 бит на символ, что позволяет передавать данные со скоростью до 30 и до 40 Мбит/с соответственно. Анализировать отображение такого сигнала на всеменной оси невозможно, поскольку он шумоподобный, поэтому для анализа применяются констелляционные диаграммы.

Констелляционная диаграмма предоставляет возможность анализировать модуляции высокого порядка и устанавливать характер помех, воздействующих на сигнал.

 

 

Рубрика: DOCSIS: Теория | Добавить комментарий

Основы основ передачи РЧ сигнала.

Большинство из нас абсолютно уверенно себя чувствует при настройке FM-приемника. Не нравится попса на 95.1 FM, переключились на 102.5 FM, где крутят рок. Все, что мы сделали — это изменили частоту с той, что ниже (95,1 МГц), на более высокую (102,5 МГц), на которой вещает другая радиостанция. Данное обстоятельство, при котором разные радиостанции вещают одновременно на разных частотах, именуется частотным разделением каналов, ЧРК (FDM — Frequency Division Multiplexing). FDM используется в кабельном телевидении для передачи множества телевизионных каналов в наши дома по одному коаксиальному РЧ кабелю. Как правило, для передачи ТВ сигналов используются частоты в диапазоне 54 — 1000 МГц, хотя, в настоящее время верхняя граница чаще равна 750 или 860 МГц.

В DOCSIS устройство, устанавливаемое на головной станции оператора, именуется аббревиатурой CMTS (Cable Modem Termination System — головная станция кабельных модемов). CMTS отвечает за управление сотнями и даже тысячами кабельных модемов, размещаемых в домах абонентов. CMTS отправляет цифровые данные к кабельным модемам в полосе 6 МГц (в Европе — 8 МГц), используя метод FDM, точно таким же образом, как передаются ТВ-каналы, которые мы принимаем на наши телевизоры. На данном этапе нолики и единички переводятя в радио-сигнал с квадратурно-амплитудной модуляцией (QAM — Quadrature Amplitude Modulation), который переносится с промежуточной на более высокую частоту. Но об этом будет более детально рассказано в одной из следующих публикаций.

Если CMTS «общается» с кабельными модемами в диапазоне частот от 54 до 1000 МГц, то как тогда модемы передают информацию к головной станции? Оказывается, что кабельная сеть способна передавать сигнал в двух направлениях (Рис. 1). Прямой канал располагается в диапазоне от 54 до 1000 МГц, в то время, как для обратного канала используются частоты от 5 до 42 МГц (в стандарте EuroDOCSIS — от 5  до 65 МГц). Таким бразом, мы теперь знаем, что кабельные модемы могут отсылать цифровые данные, преобразованные в РЧ-сигнал с QAM, обратно к CMTS, используя FDM.

Рис. 1

 

 

Рубрика: DOCSIS: Теория | Добавить комментарий

Введение

Для начала, разберемся что и как с точки зрения физики. Здесь я ничего нового и, более того, ничего своего придумывать не стану, а просто переведу на русский язык статьи из блога Брэди Вольпе, в которых, на мой взгляд информация изложена наиболее детально и доступно. Итак…
(далее авторский перевод)

За посление несколько лет тренингов по решению проблем в сетях DOCSIS у меня много раз спрашивали, почему я не написал книгу об этом. Видите ли, не существует какой-либо законченной книги, руководства или инструкции, которая описывает спецификацию DOCSIS, кроме сотен страниц самой спецификации. При этом я рекомендую каждому, кто желает полностью разобраться в DOCSIS обратиться к этой самой спецификации, которая хранится на сайте CableLabs. Но, должен предупредить читателя, что материал «очень технический». Поэтому в последующих нескольких публикациях на этом блоге, я попытаюсь приподнести «отфильтрованную» информацию о том, как кабельные модемы связываются с головной станцией (CMTS) и передают данные. В то же время, я буду пытаться подавать технические детали таким образом, чтобы их смог осилить читатель, не имеющий ученой степени доктора технических наук.

Несколько оговорок… DOCSIS® — зарегистрированная торговая марка CableLabs, —  неприбыльного консорциума по исследованиям и разработкам, основанного кабельными операторами в 1988 году. Данная организация занимается новыми технологиями в области кабельных телекоммуникаций и помогает ее участникам задействовать технические новшества в решении их бизнес-задач. CablesLabs выступила остовом в разработке множества стандартов в области кабельных телекоммуникаций, наиболее значимыми из которых стали DOCSIS и целый ряд документов, расширящих возможности данной спецификации. Краткий обзор и историю стандартов DOCSIS можно найти на странице www.cablemodem.com/primer/.

Целью следующей публикации яляется описание радио-частотного спектра, выделенного для коммуникации кабельных модемов, и того, как данные от кабельного оператора передаются к вам в дом или офис.

Рубрика: DOCSIS: Теория | Добавить комментарий

Привет

Буду краток. Целью данного блога является освещение проблем, стоящих перед администратором сети передачи данных по технологии DOCSIS 2.0/3.0

Рубрика: DOCSIS: Теория | Добавить комментарий