Секретный архив
Шерлока Холмса



Мухин С.В.

Эксперименты на каналах тональной частоты (ТЧ), предназначенных для передачи данных

Публикуемые данные о проводимых экспериментах на каналах ТЧ, на предмет передачи данных, в большинстве своем содержат характеристики каналов, выражаемые словами: обычный канал ТЧ, среднего качества и подобные им. По этим словам нельзя судить, что на самом деле представлял из себя исследуемый канал, а значит и нельзя оценить поведение модема на конкретном канале. Кроме того, в модемах устанавливается возможность исправлять ошибки, что также ничего не говорит о самом канале.

В связи с перечисленным выше возникла необходимость в создании протокола для исследования каналов ТЧ, на предмет передачи данных, который описан в [1]. В соответствии с ним и проводились представленные ниже эксперименты.

Проведение эксперимента

Эксперимент проводился на выделенном канале по следующей схеме.

При помощи TDA-2,3 в течение 15-20 минут снимаем характеристики данного канала:

Уровень на передачу по возможности ставим такой, чтобы на входе в каналообразующую аппаратуру он равнялся -28 дБ. Этот же уровень и устанавливаем у модемов (затухание вводилось при помощи удлинителей). Результаты протоколируются в файле. Затем отключаем TDA-2,3 и подключаем модемы, которые будут работать в режиме передачи данных в течение суток или более с интервалом 15 минут, сначала информацию передает один 15 минут, затем другой 15 минут (на практике использовались временные интервалы 15 и 30 минутные). У модемов отключалось сжатие, так как передаваемые данные практически не сжимались(данные сжимались не более, чем на 4%) и коррекция ошибок для того, чтобы можно было получать реальные данные, которые пришли с канала. Кроме того, у модемов на каждый эксперимент устанавливалась фиксированная скорость и фиксированный протокол передачи данных, чтобы изменение характеристик канала, улучшение или ухудшение, не влияли на скорость соединения.

При передаче данных в основном использовались скорости 9600 бит/с и выше. Скорости 7200 бит/с и ниже не использовались, так как на ранних исследованиях каналов было получено, что ошибки на этих скоростях практически не возникают, их существенное увеличение наблюдалось на скоростях 9600 бит/с и выше.

На рисунке 1, 2 приведены схемы проведения эксперимента. При переходе с 4-проводного канала на 2-проводный использовалась дифсистема (ДС), которая давала затухание 8.67 дБ и удлинитель (УД) с затуханием 8.67 дБ. Канал отстраивался таким образом, чтобы он удовлетворял нормам, то есть на входе канала уровень сигнала частотой 800 Гц составлял -13 дБ, а на выходе он равнялся +4.3 дБ. При необходимости ставился удлинитель на передачу на входе в каналообразующую аппаратуру (КОА). У модемов, обычно, выходной уровень составлял от -9 до -11 дБ. У некоторых модемов имелась возможность регулировки выходного уровня в пределах от 0 до -27 дБ. Из используемых модемов такой возможностью обладали лишь модемы ZyXEL у остальных такой возможности не было и приходилось использовать удлинители на 8 дБ. Таким образом, в точке входа в канал уровень передаваемого сигнала составлял -28 дБ, что является нормой для каналов образованных аппаратурой с частотным разделением каналов.

При передаче данных использовались пакеты следующих длин: 1024, 1500, 2048, 3000, 4096, 8192, 16384, 32762 байт. Правильность принимаемой информации оценивалась при помощи CRC16. Результаты оформлялись следующим образом:

  1. В виде таблицы в файле:
    Тип ошибки Время принятия пакета Номер пакета С какого байта ошибки По какой байт ошибки Число ошибочных байт

  2. В файла, где протоколировался весь процесс передачи данных:
    • число верных пакетов;
    • число переданных пакетов;
    • число ошибочных пакетов;
    • число не подтвержденных пакетов;
    • число не полных пакетов;
    • число пакетов с ошибкой CRC;
    • число неверных байт в каждом пакете и всего;
    • число неверных бит в каждом пакете и всего;
    • число переходов из 1 в 0 в каждом пакете и всего;
    • число переходов из 0 в 1 в каждом пакете и всего, а также побитный анализ каждого ошибочного пакета.

При измерениях реальных каналов ТЧ было получено, что они являются квазистационарными. Это означает, что их характеристики практически неизменны во времени (имеется в виду временные интервалы от суток и более). Параметры каналов изменяются незначительно, не более 1 - 3 % в сутки, но это незначит, что через 10 дней они изменятся на 10 - 30 % от первоначального значения. Имеется в виду, что они отстоят от нормы на 1 - 3 %.

Таким образом, можно утверждать, что аппаратура передачи данных работает на канале ТЧ с такими же параметрами, которые были получены при измерениях первичных статистических характеристик в другое время. То есть, вторичным статистические характеристики данного канала напрямую соответствуют первичные статистическим характеристикам этого же канала, снятые перед экспериментом, либо после него.

Результаты эксперимента на "идеальном" канале

В качестве "идеального" канала использовался шлейф длиной 43 км от ЦНИИ "Центр" до Междугородней телефонной станции М9. Использовалась каналообразующая аппаратура с частотным разделением каналов К60П и каналы 1/4 и 1/8, которые по нормам на каналы ТЧ рекомендуется использовать для передачи данных. Шлейф организован на М9. Модемы включались в каналообразующую аппаратуру через дифсистемы, которые позволяли осуществить переход с двух- на четырехпроводную связь. Если требовалось на передачу в ставился удлинители 8 или 11 дБ, что позволяло подключать аппаратуру передачи данных в соответствии с нормами на эксплуатацию каналов ТЧ.

Использовались следующие модемы: Paradyne COMSPHERE 3920 Plus, ZyXEL 1496, ZyXEL 1496 Plus, Unicom 1414VQE, US Robotics Courier V. Everything, Discovery CM/D 2400. Последний модем поддерживает лишь протоколы V.22bis, V.22, остальные следующие протоколы передачи данных: V.32bis, V.32, V.23, V.22bis, V.22 (Bell 212A), V.21 (Bell 103). Модемы Paradyne COMSPHERE 3920 Plus и US Robotics Courier V.Everything поддерживали также протоколы V.34 и V.32terbo. Для соединения использовались перечисленные выше протоколы, особое внимание уделялось первым двум в связи с их наибольшей распространенностью. Использовались для эксперимента и фирменные протоколы ZyX 19200, ZyX 16800, V.32terbo, HST, а также V.34. При испытании 4-проводных модемов использовался, также, протоколы V.33, V.29. Протокол V.FC не использовался.

При 2-проводной схеме модемы соединялись в режиме ata - atd, на всех скоростях, которые выбирались принудительно и держали устойчивое соединение. Были случаи разрыва соединения, но ниже они рассматриваться не будут в связи с тем, что их процент незначителен. Переход модемами на низшие скорости не производился в связи с запретом. Максимальная скорость установления соединения 31200 бит/сек, но не устойчива. Устойчивое соединение на скоростях 28800 бит/сек и ниже.

Модемы Paradyne COMSPHERE 3920 Plus соединялись максимально на скорости 31200 бит/сек, но соединение держали не устойчиво, а на скоростях 28800 бит/сек и ниже соединение было устойчивое. Аналогичное происходило и с US Robotics Courier V.Everything, который успешно соединялся со скоростями до 28800 бит/сек.

При 4-проводной схеме модемы работали в режиме выделенного канала. Соединение также происходило на всех скоростях.

При эксперименте использовались для связи между собой не одинаковые модемы, что позволяло исключить какую либо зависимость между аппаратурой одного и того же производителя.

"Идеальность" канала заключалась в следующем.

Первое и самое главное - это уровень шумов на исследуемом канале, он составлял от -50 до -55 дБ и как следствие, отношение сигнал/шум составляет более 38 дБ, что положительно сказывается на качестве передачи.

Второе, частота практически оставалась постоянной (расхождения между передаваемым и принимаемым сигналом составляли ё 0.3 Гц, больше этого значения частота не изменялась).

Третье, один переприем по НЧ (низкой частоте), поэтому не происходит сужения полосы пропускания, и поэтому также нет значительного сдвига частоты.

Четвертое, АЧХ - амплитудно-частотная характеристика была прямолинейной и горизонтальной с отклонениями по оси амплитуд не более 1 дБ.

Пятое, наблюдались перерывы связи длительностью от 0.3 мс до 3 мс (уровень ниже которого считался перерыв, составлял -26 дБ (2-проводный режим, при 4-проводном уровень ниже которого считается перерыв составлял -15 дБ)), но их процент составлял не более 0.5 % за исследуемый период.

Шестое, импульсные помехи (уровень выше -15 дБ (в 4-проводном режиме регистрировались помехи с уровнем выше -6 дБ)) составляли и того меньше, от 0 до 0.1 %.

Перечисленные в предыдущем абзаце параметры, таким образом не влияют на качество работы модемов, за исключением, может быть, импульсных помех, и перерывов связи, хотя последние слишком незначительны по длительности, но учитывать их в дальнейшем все же придется.

Основная проблема при испытаниях состояла в следующем. У каналообразующей аппаратуры К60П есть один существенный недостаток, который проявляется именно при передаче данных. Он связан с тем, что при переключении генераторного оборудования с резервного на основной или же наоборот, происходит резкий скачок фазы, который может достигать 23 градусов, при обычных 0.9 - 1.3 градуса (погрешность прибора TDA-2 составляла 0.6 градуса). Из-за этого нарушается работа, но так как длительность этого скачка незначительная, то разрыва соединения не происходит, правда несколько пакетов искажаются. Количество искаженных пакетов может достигать пяти, но обычно равняется 2-3. В связи с тем, что переключения происходили с периодом 5-6 минут, а это значит, что наблюдались скачки фазы, то примерно с таким же периодом наблюдались ошибочные CRC. При меньших скоростях, а именно 12000 бит/с и 9600 бит/с, наблюдалась такая же тенденция. Это связано с тем, что используемый способ модуляции для этих скоростей был одинаков. К сожалению, не было возможности одновременно следить за первичными и вторичными статистическими характеристиками (Такой возможностью обладают модемы производства Аналитик-ТС и входящая к в их комплект программа разработанная этой же фирмой - ST24View. Но, к сожалению, эти модемы работают со скоростями до 2400 бит/с.).

Характер ошибочных пакетов - это обычно ошибка CRC, реже не комплектные пакеты, в которых отсутствует второй компонент CRC (можно предположить, что в этом случае проявляются перерывы связи). Бывают случаи, когда принимается ложное подтверждение приема пакета (здесь недостаток программы, так как для подтверждения используется лишь один символ ACK, а не пакет, в котором указывается номер принятого пакета).

Ошибки в искажаемых пакетах группируются и находятся в середине пакета. При скачках фазы ошибки идут от первого искаженного символа и до конца пакета. Изменение длины передаваемого пакета не позволяет избежать искажений, так как скачок фазы длится некоторое время сопоставимое с длительностью передачи данного конкретного пакета. Уменьшение размера влияет лишь на вероятность появления ошибки но не на вероятность ошибочного пакета. Кроме того, дальнейшее его уменьшение сказывается на производительности аппаратуры передачи данных.

Результаты эксперимента на реальных каналах

Шлейф Москва - Северодвинск - Москва

В качестве реального использовался канал Северодвинск - Москва. В Северодвинске делался шлейф. Окончания каналов как и в предыдущем случае приходили в ЦНИИ "Центр". Таким образом, длина канала достигала порядка 2000 км. Использовалась каналообразующая аппаратура с частотным разделением каналов К60П и каналы 2/9 и 4/10, которые по нормам на каналы ТЧ рекомендуется использовать для передачи данных. Модемы включались в каналообразующую аппаратуру через дифсистемы, которые позволяли осуществить переход с двух- на четырехпроводную связь. Если требовалось на передачу в ставился удлинитель 8 дБ, что позволяло подключать аппаратуру передачи данных в соответствии с нормами на эксплуатацию каналов ТЧ.

Использовались следующие модемы: Paradyne COMSPHERE 3920 Plus, ZyXEL 1496, ZyXEL 1496 Plus, Unicom 1414VQE, US Robotics Courier V. Everything, Discovery CM/D 2400. Последний модем поддерживает лишь протоколы V.22bis, V.22, остальные следующие протоколы передачи данных: V.32bis, V.32, V.23, V.22bis, V.22 (Bell 212A), V.21 (Bell 103). Модемы Paradyne COMSPHERE 3920 Plus и US Robotics Courier V.Everything поддерживали также протоколы V.34 и V.32terbo. Для соединения использовались перечисленные выше протоколы, особое внимание уделялось первым двум в связи с их наибольшей распространенностью. Использовались для эксперимента и фирменные протоколы ZyX 19200, ZyX 16800, V.32terbo, HST, а также V.34. При испытании 4-проводных модемов использовался, также, протоколы V.33, V.29. Протокол V.FC не использовался.

При 2-проводной схеме модемы соединялись в режиме ata - atd, на скоростях V.32(9600, 7200, 4800), V.22bis(2400) и ниже, которые выбирались принудительно и держали устойчивое соединение. Переход модемами на низшие скорости не производился в связи с запретом. Аналогично работали модемы при 4-проводной схеме. Из высокоскоростых протоколов устойчивое соединение держал лишь V.33(14400, 12000) и V.29(9600, 7200, 4800). Соединение на фирменных протоколах ZyX не происходило.

Модемы Paradyne COMSPHERE 3920 Plus соединялись максимально на скоростях 4800 и 2400 бит/сек по протоколу V.34.

При эксперименте использовались для связи между собой не одинаковые модемы, что позволяло исключить какую либо зависимость между аппаратурой одного и того же производителя.

Первичные статистические характеристики значительно отличались от характеристик "идеального" канала. Прежде всего, присутствовало отклонение частоты принимаемого сигнала на 1 Гц. Правда данный параметр нельзя считать критичным, так как во первых, допустимая норма на канал составляет 5 Гц. Во вторых, в рекомендациях МСЭ утверждается, что приемник должен нормально работать при погрешности в принимаемых частотах, по крайней мере, ё 7 Гц с учетом максимального изменения частот ё 6 Гц в канале между модемами, при допуске на несущую частоту ё 1 Гц. В третьих, модемы позволяют работать и с большими отклонениями частоты.

Следующий параметр - это дрожание фазы. Количество значительных скачков фазы было мало и составляло примерно такое же столько же как и на "идеальном" канале. Другое дело - это собственно само дрожание фазы. Оно составляло 1.8 - 2.1 градус (погрешность прибора 0.6 градуса).

Количество импульсных помех и перерывов связи, то есть резкое изменение уровня принимаемого сигнала на 3 и более дБ: увеличение уровня и уменьшение соответственно, чуть превосходило "идеальный" канал.

Амплитудная характеристика, также была в пределах нормы, и судя по ней канал состоял из 9 - 16 переприемов.

Отношение сигнал/шум, также удовлетворяло нормам и составлял 38 дБ. Нелинейные искажения были в пределах нормы.

Шлейф был создан не на междугородней АТС, а на узле связи, до которого шел кабель длиной 5 км (сечение кабеля неизвестно, но судя по всему оно составляет 0.5 мм). Это обстоятельство свело на нет измеренные выше характеристики. Частотная характеристика, таким образом, имеет завалы по краям, и что самое плохое - на частотах расположенных между 2200 - 2800 Гц, находится завал, который не благотворительно в дальнейшем сказался на передаче данных на высоких скоростях.

Кроме того, на канале присутствуют фазовых искажений, характеризуемые кривой группового времени прохождения (ГВП). Задержка распространения сигнала относительно частоты 1800 Гц (середина полосы пропускания канала ТЧ) на частоте 600 Гц достигает значения 7.3 мс и на частоте 3000 Гц - значения 5.6 мс. При этом следует учесть, что длительность передачи символа по стандартам V.32bis, V.33 и V.29 составляет около 0.42 мс (для V.22bis существенно больше - 1.67 мс), а указанные частоты 600 и 3000 Гц ограничивают частотный спектр модемных сигналов V.32bis, V.33 и V.29.

Шлейф Москва - Архангельск - Москва

В качестве реального использовался канал Архангельск - Москва. В Архангельске делался шлейф. Окончания каналов как и в предыдущем случае приходили в ЦНИИ "Центр". Таким образом, длина канала достигала порядка 2000 км. Использовалась каналообразующая аппаратура с частотным разделением каналов К60П и каналы 1/10 и 1/11, которые по нормам на каналы ТЧ рекомендуется использовать для передачи данных. Модемы включались в каналообразующую аппаратуру через дифсистемы, которые позволяли осуществить переход с двух- на четырехпроводную связь. Если требовалось на передачу в ставился удлинитель 8 дБ, что позволяло подключать аппаратуру передачи данных в соответствии с нормами на эксплуатацию каналов ТЧ.

Использовались следующие модемы: ZyXEL 288S, ZyXEL 1496, Unicom 1414VQE, US Robotics Courier V. Everything. Модема поддерживали следующие протоколы передачи данных: V.32bis, V.32, V.23, V.22bis, V.22 (Bell 212A), V.21 (Bell 103). Для соединения использовались лишь перечисленные выше протоколы, особое внимание уделялось первым двум в связи с их наибольшей распространенностью. Протокол V.FC, а также фирменные не использовались.

При 2-проводной схеме модемы соединялись в режиме ata - atd, на всех скоростях V.32bis(максимально 12000 бит/сек), V.32, V.22bis, которые выбирались принудительно и держали устойчивое соединение. Переход модемами на низшие скорости не производился в связи с запретом.

Соединение по протоколу V.34 не происходило.

При эксперименте использовались для связи между собой не одинаковые модемы, что позволяло исключить какую либо зависимость между аппаратурой одного и того же производителя.

Первичные статистические характеристики не значительно отличались от характеристик "идеального" канала. Первое, отклонение частоты принимаемого сигнала менее 1 Гц.

Следующий параметр - это дрожание фазы. Количество значительных скачков фазы было мало и составляло примерно такое же столько же как и на "идеальном" канале. Другое дело - это собственно само дрожание фазы. Оно составляло 2.6 - 3.1 градус (погрешность прибора 0.6 градуса).

Количество импульсных помех и перерывов связи, то есть резкое изменение уровня принимаемого сигнала на 3 и более дБ: увеличение уровня и уменьшение соответственно, было чуть больше, чем на "идеальный" канал.

Амплитудная характеристика, также была в пределах нормы, и судя по ней канал состоял из 9 переприемов.

Отношение сигнал/шум, также удовлетворяло нормам и составляло 38 дБ. Нелинейные искажения были в пределах нормы.

Шлейф был создан на междугородней АТС. Это обстоятельство позволило получить АЧХ аналогичную АЧХ на "идеальном" канале.

На канале присутствуют фазовых искажений, характеризуемые кривой группового времени прохождения (ГВП). Задержка распространения сигнала относительно частоты 1800 Гц (середина полосы пропускания канала ТЧ) на частоте 600 Гц достигает значения 6.3 мс и на частоте 3000 Гц - значения 4.4 мс. При этом следует учесть, что длительность передачи символа по стандарту V.32bis составляет около 0.42 мс (для V.22bis существенно больше - 1.67 мс), а указанные частоты 600 и 3000 Гц ограничивают частотный спектр модемных сигналов V.32bis.

Результаты эксперимента на внутренних АТС

В качестве учрежденческой АТС использовалась достаточно распространенная в России Panasonic EMSS 336.

Использовались следующие модемы: ZyXEL 1496, Unicom 1414VQE, US Robotics Courier V. Everything, Discovery CM/D 2400. Последний модем поддерживает лишь протоколы V.22bis, V.22, остальные следующие протоколы передачи данных: V.32bis, V.32, V.23, V.22bis, V.22 (Bell 212A), V.21 (Bell 103). Для соединения использовались перечисленные выше протоколы, особое внимание уделялось первым двум в связи с их наибольшей распространенностью. Использовались для эксперимента и фирменные протоколы ZyX 19200, ZyX 16800, V.32terbo, HST, а также V.34.

Говоря о первичных статистических характеристиках данного типа АТС, надо сказать в первую очередь, о достаточно большом затухании и перекосе АЧХ. На частоте 800 Гц затухание составляет 14 дБ, а на частоте 3000 Гц оно увеличивается до 31 дБ. Отношение сигнал/шум составляет 26 дБ. Дрожание фазы 2.03 градуса на частоте 800 Гц. Перерывов связи, скачков амплитуды и фазы, импульсных помех зарегистрировано не было.

Второй недостаток - это групповое время прохождения. Этот параметр был достаточно нестабилен, но судя по всему, влияние на качество передачи данных не оказал, в связи с небольшими задержками прохождения в пределах от 961 микросекунды на частоте 2950 Гц до -616 микросекунд на частоте 2200 Гц.

Модемы соединялись в режиме набора номера, на всех скоростях, которые выбирались принудительно и держали устойчивое соединение, кроме 33600 бит/сек по протоколу V.34. Случаев разрыва соединения, зарегистрировано не было. Переход модемами на низшие скорости не производился в связи с запретом.

При эксперименте использовались для связи между собой не одинаковые модемы, что позволяло исключить какую либо зависимость между аппаратурой одного и того же производителя.

Вторая АТС, которая использовалась для эксперимента - это учрежденческая координатная телефонная станция КАТС К240 корабельного типа. Эта станция была избавлена от некоторых недостатков предыдущей АТС. То есть, АЧХ была прямолинейна и горизонтальна. Она не имела частотных искажений. Затухание составляло не более 2 дБ. Импульсных помех, перерывов связи, скачков фазы и амплитуды не было. Отношение сигнал/шум составляло, как и предыдущем случае, 26 дБ. Основной недостаток - это дрожание фазы, которое составляло 7.8 градусов на частоте 800 Гц.

Модемы соединялись в режиме набора номера, на всех скоростях, которые выбирались принудительно и держали устойчивое соединение, включая, также, все скорости V.34 до 31200 бит/с, включительно. Случаев разрыва соединения, зарегистрировано не было. Переход модемами на низшие скорости не производился в связи с запретом.

При эксперименте использовались для связи между собой не одинаковые модемы, что позволяло исключить какую либо зависимость между аппаратурой одного и того же производителя.

Таким образом, в результате экспериментов, можно сделать следующие выводы:

  1. На рассматриваемом "идеальном" канале существенную роль играют значительные скачки фазы до 95% всех случаев остальное приходится на ложные подтверждения и на ошибки возникающие в связи с импульсными помехами и перерывами связи. Скачки фазы на прямую связаны с появлением ошибочных пакетов.
  2. На каналах большой протяженности существенную роль играют фазовые искажения, которые ограничивают максимальную скорость передачи данных, при прочих первичных статистических характеристиках.
  3. При использовании протоколов V.32terbo, ZYX - следует ожидать такого же количества ошибочных пакетов, как и при использовании протокола V.32 bis, так как в них используется идентичный метод модуляции, а именно, модуляция с решетчатым кодированием или треллис-кодирование (TCM), за исключением может того, что в протоколе ZYX расширена используемая полоса частот при скорости 19200 бит/с до 2743, что позволяет снизить требование к соотношению сигнал/шум на линии, остальные используют модуляционную скорость 2400 бод и информационные - 16800, 14400, 12000, 9600, 7200 бит/с.
  4. При использовании HST следует ожидать лучших результатов, так как этот протокол является полудуплексным, без эхо-подавления, в отличии от V.32bis.
  5. Использование протоколов с квадратурной амплитудной модуляцией (QAM), таких как, V.32, V.22bis, соответственно скоростей 9600, 4800, 2400 бит/с, позволяет практически избежать влияния скачков фазы на качество передачи данных.
  6. Четырех проводные протоколы передачи данных: V.33, V.29 для каналов ТЧ предпочтительны, так как подвержены меньшему взаимовлиянию между каналами.
  7. Появление протокола V.34 не заменяет другие протоколы передачи данных. В некоторых случаях есть смысл отказаться от его использования, хотя он и является более совершенным.
  8. Учрежденческие АТС не оказывают влияние на качество передачи данных.

Литература:

1. Мухин С.В. Метод сбора статистики при работе по стандартному каналу тональной частоты.

Выше представлен первоначальный вариант статьи опубликованной в:

Мухин С.В. Эксперименты на каналах тональной частоты//Методы оценки систем и передачи данных//Сб. науч. тр. - М: - 1999. - с. 97 - 108.



Назад




Домой Гостевая книга Письмо Артур Конан Дойл Попытка (сказки)
1997-2014
Завтрак связиста