Современные технологии Broadband по типу канала передачи можно разделить на две большие группы — проводные и беспроводные (см. рисунок 1):
Рисунок 1. Древо технологий широкополосного доступа
Проводные (wired)
Беспроводные (wireless)
На рисунках 2-6 представлены примеры физической реализации канала связи проводных систем передачи данных.
Рисунок 2. Многожильный кабель для ADSL
Рисунок 3. Кабель витая пара для ADSL и VDSL
Рисунок 4. Коаксиальный кабель для G.Fast и DOCSIS
Рисунок 5. Волоконно-оптический кабель для FTTx
Рисунок 6. Кабель силовой линии электропитания.
Беспроводные системы передачи данных взаимодействуют посредством приема и излучения электромагнитных волн в пространство.
На рисунке 7 показан пример доступа смартфона и планшета пользователя к всемирной информационной «паутине».
Рисунок 7. Подключение электронных устройств к интернету
Происхождение термина широкополосный «broadband» исторически связано с физикой, акустикой и радиотехникой, где он использовался в смысле близкому к слову «wideband». В общем случае сигналы подразделяют на узкополосные «narrowband», широкополосные «wideband» и сверхширокополосные «ultra-wideband» по отношению центральной частоты спектра к его ширине (см. рисунок 8).
Рисунок 8. Пример представления мощностей узкополосного, широкополосного и сверхширокополосного сигналов
C развитием цифровых телекоммуникационных систем понятие «broadband» обрело новое определение - широкополосные системы передачи данных. Ключевым отличием обновленного понятия стало применение несколько раздельных (ортогональных) полос пропускания для приема и передачи данных. Пример использования спектра с формированием множества отдельных полос пропускания для нисходящих и восходящих потоков данных для семейства стандартов ADSL представлен на рисунке 9.
Рисунок 9. Полосы пропускания стандартов ADSL / ADSL2+
Современные стандарты передачи данных используют следующие методы доступа к среде:
Рисунок 10. Методы множественного доступа к каналу передачи с различными способами разделения
Существуют и другие комбинации методов. В проводных системах связи практическое применение методов более ограничено по сравнению с беспроводными.
На рисунке 10e представлен метод NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access) — пример неортогонального множественного доступа в системах сотовой связи 5-го поколения (5G). Метод NOMA подразумевает более эффективное использование частотного спектра за счет применения адаптивного распределения мощностей сигналов с размещением потоков данных на одних и тех же или близких частотах. Критерий определения ортогональности показан на рисунке 11. Пример изменения спектральной мощности транслируемого в пространство OFDM радиосигнала представлен на рисунке 12.
Рисунок 11. Отличие метода OFDM от Non-OFDM
Рисунок 12. Спектр радиосигнала на принимаемой стороне после множественных переотражений
Распространение широкополосных технологий и их проникновение в повседневную жизнь современного человека обеспечивается развитием вычислительных машин и математического обеспечения цифровой обработки сигналов. Рассматриваемые системы передачи данных имеют общий математический аппарат и применяют схожие методы обратимого преобразования битового потока единиц и нулей в форму, адаптированную для передачи в проводной или беспроводный канал связи.
Цифровой сигнал внутри двоичной вычислительной системы имеет два состояния (см. рисунок 13). Такой сигнал в частотной области разлагается на сумму синусоидных составляющих различной частоты и не эффективно использует частотный спектр, поэтому в таком виде в широкополосных системах передачи не используется (см. рисунок 14).
Рисунок 13. Цифровой двоичный сигнал
Рисунок 14. Представление цифрового сигнала в временной области и частотной
Для преобразования цифрового сигнала применяются комплекс методов кодирования и модуляции сигнала. Длинный список разновидностей квадратурной амплитудной модуляции QAM (Quadrature Amplitude Modulation) обеспечивает популярность и эффективность широкополосных технологий.
В QAM модуляции битовый поток нулей и единиц цифрового сигнала модулируется и преобразуется в форму представления в виде двух несущих колебаний одной частоты («I» и «Q»), но сдвинутых по фазе относительно друг друга. Таким образом состояние бита или группы битов отождествляется с положением вектора на плоскости, которое определяется разностью фаз и амплитуд несущих колебаний (см. рисунок 15). Такое представление всевозможных положений вектора на плоскости называется сигнальным созвездием «constellation diagram». Примеры используемых созвездий представлены на рисунке 16. Один символ модуляции 16-QAM переносит 4 бита данных, а 64-QAM – 6 бит. В современных широкополосных системах используются до 1024-QAM.
Рисунок 15. Вектор QAM сигнала. Несущие колебания квадратурной модуляции.
Рисунок 16. Сигнальные созвездия модуляций 16-QAM и 64-QAM
В качестве несущих колебаний используются базовые синусоидные сигналы занимающие минимальную полосу в частотной области. В самых простейших формах QAM модуляции используется фиксированный сдвиг фазы. Пропускная способность широкополосного канала связи растет с увеличением состояний сигнального созвездия. Общий пример преобразования битового потока для беспроводных систем показан на рисунке 17.
Рисунок 17. Преобразование битового потока в беспроводных системах с применением QAM модуляции
Современные высокоскоростные сети пакетной передачи данных опираются на широкополосные технологии организации высокоскоростной проводной и беспроводной связи. Гарантией качества связи выступают встроенные механизмы контроля канала связи и комплекс адаптивных технологий на основе последних достижений в области цифровой обработки сигналов. Развитие информационных процессов человеческого общества основывается на эволюции широкополосных технологий.
Рисунок 18. Эволюция мобильных технологий и сервисов
Используемые аббревиатуры:
CDMA – Code Division Multiple Access
CPE – Customer Provided Equipment
DOCSIS – Data Over Cable Service Interface Specifications
FDMA – Frequency Division Multiple Access
FTTx – Fiber To The x
HSPA – High Speed Packet Data Access
LTE – Long–Term Evolution
OFDMA – Orthogonal Frequency Division Multiple Access
PLC – Power Line Communication
QAM – Quadrature Amplitude Modulation
QoS – Quality of Service
TDMA – Time Division Multiple Access
UWB – Ultra–Wide Band
WiMAX – Worldwide Interoperability for Microwave Access
xDSL – Digital Subscriber Line
Автор статьи:
Олег Семенчик
Старший инженер-схемотехник
