Telecom-history

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更高速度的Modem需要降低误码率,采用纠错措施。 卷积码和其解码技术被广泛应用。 不过看第一次看卷积码和Viterbi解码的介绍都云山雾罩,深感基础知识薄弱。
 
更高速度的Modem需要降低误码率,采用纠错措施。 卷积码和其解码技术被广泛应用。 不过看第一次看卷积码和Viterbi解码的介绍都云山雾罩,深感基础知识薄弱。
 
[https://youtu.be/oI0MwwXJ8dE Conventional Code视频介绍]
 
[https://youtu.be/oI0MwwXJ8dE Conventional Code视频介绍]

2018年9月20日 (四) 07:36的版本

目录

1 简介

做为无线电爱好者,同时又有不短的数据通讯从业经验的 geek, 总觉得, 在收音机和4G移动电话之间有着巨大的鸿沟. 不能理顺繁多的概念, 有地方欠缺, 我归咎于自己大学没有好好上课, 又非通讯科班出身. 2014年左右, 在一本很老(199x年)的无线电杂志上, 看到一个系列文章, 从一个无线电爱好者的角度介绍了很多telcom的概念, 以及Modem的前世今生. 三年过去也念念不忘, 感觉里面大有文章.

粗俗的理解电信, 就是每个月要收你月组费的中国移动, 让你能打电话, 上网冲浪, 他们在卖通讯, 最早是电报,后来是电话,传真,网络. 和卖馒头的小贩的区别是, 他们卖的东西我们不懂(但是会用).至于电话业务(电信卖的馒头之一), 现在走上街头还能偶尔看到某个大街的电线杆子上乱七八遭布满了电线.

Telophone line.jpg

家里的电话就这样乱七八遭的连接到了某个电信局的机房. 这段连接, 一般叫做 local loop(为什么是环不是线...后面有), 这就是著名的'最后一公里'. 接到的机房, 一般叫CO(central office). CO之间怎么办, 不能给每家每户都来个全链接网络的, 只能共享有限的几根线. CO之间做重要的是解决怎么共享(multiplex,复用), 怎么找到你要的人(拨号和交换). 这是技术上的问题, 我猜怎么收你钱比这个还重要, 所以还要有记费. (其他的多了去了,可我并不感兴趣)


local looop这最后一公里, 以及CO之间的连接(trunk)发生了很多故事, 如果你深爱无线电, 你就会发现local loop和trunk上发生的事情和Ham Radio之间有千丝万缕的联系.


trunk连接的来历有的说是树干和分支的意思, 还有的说是从火车道来的(主线支线?), 因为电话前的电报时代, 电线是跟着火车道一起铺设的.

2 最后一公里(local loop)

今天考虑,拿电线把喇叭和话筒链接起来就能通讯了. 实际上确实能.

Communication-with-amplifier.jpg

只不过并非随便接都能用的. 这里放大器输出阻抗很低, 接收端通过一个100k电阻接到放大器输出线. 低阻抗输出能比较号的对抗干扰信号. 因为干扰信号看放大器就是对地短路. 但是如果不是低阻抗输出问题就大了, 串进来的干扰很难消除,导致通话质量下降, 甚至完全不能使用.

早期不要说根本就没有放大器能提供第阻抗输出, 就是有家里也用不起. 所以要另想办法, 屏蔽电缆对长距离干扰也无能为力, 一方面同轴长距离传输损耗很大, 另一方面在音频的时候, 电缆的电容对信号影响很大高品损失严重(没有阻抗匹配吧这是), 更为严重的是, 远距离的两个设备, 其"地"(公共参考电)电压不一样, 导致电流流过屏蔽层, 带来电力线干扰.

这些和你家HIFI音响, 舞台设备, 录音棚里遇到的问题其实一样.


2.1 模拟电路(POTS)

长距离传输最好的办法就是用平衡线(和PCB上的差分线是兄弟). 就像这样连接:

Balance line.jpg

这种情况下大部分的干扰是"共模"的, 就是同时出现在上下两条线上, 而只有上下两条线同时出现但是极性(准确的说是相位)相反的才能最终转化成能听得到的声音. 一般这两根线用双绞线, 进一步保证干扰是共模的. 有时候, 即用屏蔽又用平衡, 显然,电信公司不想花那钱.

电信的双绞线特征阻抗是600ohm. 两根线做全双工(full duplex)需要一个duplex电路,或者叫hvbrid.


Duplex-circutis.jpg


对话筒来讲, 左右两侧的电路阻抗一样, 话筒的电流平均经过左右两个电路,方向相反, 就是说本地的earphone几乎不能听到自己说话, 只是实际上并非完全平衡, 自己还是能听到自己的声音只是很微弱. 图中其实是只有一个铁芯, 四个绕组.远方来的信号是一个方向流过整个变压器的次级, 信号声较大. 此时Mike上应该也是流过了部分信号电流, 但是因为变压器原因(自耦合),电压小, 功率更是小( U^2/R)


完整的电路还要包括镇玲电路供电等, 基本上是下面的样子(这个电路就比较"现代了",最初的电路没有pulse/tone拨号的,都是靠接线员的):

Telephone-to-CO.jpg


一个具体电话的分析

2.2 Modem

在ISDN网络架构出现之前, 通过电话网络进行数字传输通过Modem实现。 Modem将数字调制到音频, 然后通过连接电话的双绞线进行通讯。 1920s Teletype(电传机)就是著名的TTY,通过modem在电话网上传输数字信息。1960s1940s,冷战期间美国军方用modem在电话网上传输雷达图像。




PCM modulation.JPG


2.2.1 103 Modem

1960s, Bell 电话公司发布型号为103的modem,这是第一个广泛可用的modem。速率 300bps,但是主要的用途是连接“傻”终端(dummy terminal)到远程电脑主机,这个dummy terminal没有屏幕的,别想多了,你敲键盘的响应是通过打印机打到纸上的。看看这个视频"古"时候人们怎么上BBS

Bell-103A.jpg


FSK采用FSK编码(两个不同的频率代表0,1),呼叫方采用1170载波,100Hz Deviation。应答方用2125载波,100Hz Deviation。采用异步编码(异步通讯), 几个bit一起发送(类似RS232 6N1,8N1这种), 有start, stop bit.

FSK modulation.JPG

这里有两个问题, 一个是信号边带,是600-800Hz每边, 这样山下行边带有些许干扰, 万幸边带幅度下降很快,一定程度上缓解这个问题。 另一个就麻烦了, 发出去得信号比接收到的信号幅度高20dB(线路损耗),所以增加了一个duplex和一个filter来缓解这个问题。 Duplex对发送和进入的信号进行隔离,就像local loop的那种,同时进来的信号通过一个滤波器,滤除呼叫方的1070-1270Hz的信号。

Modem-internal-103.JPG

发送的信号多少会串进接收电路, 当只有模拟电话的时候, 发送串进来的信号是故意而为的, 叫'sidetone',让你能稍稍听见自己讲话的声音,故意把duplexer调整的不平衡. 对modem来讲, 期望要尽量的平衡消除干扰,但是实际制造做不到完全平衡.

FSK信号要想准确判定是1还是0(高频率还是低频率), 总是要等几个信号周期, 对于103 modem, 一般要2ms到3ms才行, 对应速度就变成了333bps到500bps.

最老的Bell 103电路没有找到, 1984年设计的单片Modem可以参考(距离1960s不是特别远)

这个是解码电路的框图. 以及对应点的波形图.

1984-single-chip-B103-demoduler.jpg 1984-b103-DEMODULATOR-waveforum.jpg


A点信号已经经过上述滤波器, 经过放大限幅,变成方波B,然后经过一个可编程的FSK到PWM信号的转换电路, 转换出来的频率是四倍于载频的, 在每一个上升/下降沿都reset这个PWM的载波,得到一个PWM调制脉冲C. 脉冲C通过一个带通滤波器,滤除掉4倍载波频率就得到基带波,最后通过一个slicer, 转换为一个方波(序列)。 非常要注意的是,这里解调的过程并没有用到start,stop bit,这些异步通讯的标记通过UART电路解析为最终数据。 下图是FSK simplified Demodulate 文中的另一个FSK解调器的工作过程图。 在最后的一行 Digital Data Out中,一个0, 另外两个1是连在一起输出的,就是说, Demodulator输出的是数字的方波串,bit的识别需要UART来处理。


FSK-demodulater-simplified.jpg


2.2.2 UART Decode

推荐两个博文,第一个介绍异步串行传输的原理, 第二个将VHDL的异步解码逻辑用逻辑门来实现,是UART解码电路的一个简单的例子。


异步传输就是说两边没有什么一样的clock, 全靠两边约定一个较精确的频率相同的的clock, 比如晶体振荡器. 如下图的 'W' 的ASSCII码在UART上的样子:

W on UART.png

主要的问题是接收方如何把Bit 1, Bit2 ... 放到合适的位置, 如果和发送方放置的位置不一样,就不能得到正确的结果. UART 异步传输的方式是, 通过Start/Stop bit标记一个传输的开始和结束,这样, 接收方检测到开始之后,可以从Start bit开始,通过本地的时钟构造一个和发送方基本一致的时钟, 时钟只要在这10几个周期内不是变化无常,就能正确的标记Bit, Bit 2 ..在信号上的位置.

UART解码的顺序基本上是如下图所示: 本地使用一个高于数据频率16倍(或者32倍)频率的时钟, 在每一个Start bit的边沿, 启动这个时钟, 然后延迟8个周期定位到这个bit的中心, 之后没16个周期采样一次,即可解码数据.

Async-clock.gif


如果不考虑支持那么多的波特率, 也不考虑各种复杂的东西, 一个简单的解码器原可以用逻辑门来实现 *asynchronous serial reception,原理图如下:

Usart rx-logic.png


解码器时序图:

Uart-decode-waveforum.JPG


另外推荐:

  • <<Implementation of UART with BIST Capability>>, 文中给出了带BITS能力的UART的实现.
  • <<Implementation of BIST Capability using LFSR Techniques in UART>>


2.2.3 Bell 202: Faster Modem (V.23)

增加FSK调制的Deviation可以让解码更容易,从而增加传输速度. Bell 202采用500Hz的Deviation, 载频 1700Hz, 这样,边带信号占满了 POTS的全部带宽(300-3500 Hz), 实现了1200 bps通讯速度. 因为带宽用尽, 只能是半双工.


至于解码过程, 和Bell 102是类似的, 芯片设计也是类似的, 将调制信号放大限幅变为方波, 然后通过过零检测生成脉冲, 通过这个脉冲去控制一个PWM发生器, 就得到了被基带信号调制的PWM信号, 之后通过SCF(switched capacitor)带通滤波器,就恢复了基带信号.

Modem-V.22-Chip-Figure2-1.png


Bell 202 Modem的故事从他退役后开始精彩起来, 无线电爱好者利用市场上数不尽的廉价 Bell202 Modem 进行了第一次业余无线电报文通讯, 并继而发展出AX.25 (X.25的业余无线电版本). VHF上 Bell 202是标准调制方法, 而且APRS VHF段也采用Bell202. HF段则用Bell 103.


2.2.4 1.2k到19.2k Modem

1200波特率的FSk就占满整个POTS的 Local loop带宽了。 为了更高速度, Modem采用了不同的的调制模式, 让一个symbol携带多于一个bit的信息,从而增加速度。

2.2.4.1 DPSK

,DPSK调制开始应用。 PSK是phase sshift keying,相位调制。

DPSK-2.jpg


DPSK-4.JPG DpSK-4-CONTELLATION.jpg

2.2.4.2 QAM

9600bps-DPSK-16.jpg


2.2.5 28k 33k Modem

更高速度的Modem需要降低误码率,采用纠错措施。 卷积码和其解码技术被广泛应用。 不过看第一次看卷积码和Viterbi解码的介绍都云山雾罩,深感基础知识薄弱。 Conventional Code视频介绍

2.3 ISDN

ISDN是个比较大的概念, 是为了在传统PSTN网络上同时传输数据 语音 视频 和数据.(PSTN泛指一切电路交换的网络,早期是模拟线路,现在基本全部数字化, 主要业务是电话).

这里仅讨论ISDN对lock loop的改变. ISDN之前数据通讯需要Modem, 或者直接租用T1线路. 虽然trunk网络已经是数字化的(T-Carrier, L-Carrier), 不过ADC是在CO完成的不是在用户端, 这样又很大的速度限制. ISDN线路将local loop线路上涉及的限制带宽的各种滤波器,hybrid都拆掉, 容许更高的传输速度.

  • 用户端负责D/A转换(之前是电信局端做D/A转换, 用户到电信是模拟信号)
  • 2B1Q调制类似QAM


多说下ISDN的报文交换网络, 像X.25/FrameRelay, 都是承载在ISDN的 "D" 通道, X.25 基本上只定义了外围设备怎么接入的标准. X.25/FR 基本上是电路交换网络的思路做出来的报文交换网, 网络地址非常类似电话号码, 两端的连接叫Virtual Call(VC), 非常的"电话".

2.4 xDSL

2.5 FTTx

3 trunk

3.1 FDM

12 Channel carrier System

T-carrier

20世纪 20s, FDM用于电话传输。


3.2 L-carrier

20世纪30s, AT&T开发了利用同轴以,RF, FDM 技术的 L-carrier系统.

Carrier system


3.3 T-carrier (T-1)

1950s, 近距离传输开始采用数字T-carrier, 但是长距离上依然是FDM.

  • codec: PCM
  • multiplex TDM

3.4 SONET

3.5 PON

3.6 NG-PON2

4 电话交换

Telephone exchange

4.1 人工

Jersey Telecom switchboard and operator.jpg

4.2 电磁交换

电磁式电话交换机


下面两个视频,非常直观的显示了拨号和电磁交换(机)之间的交互过程, 很明显,就是通过拨号脉冲,选择一条线路,将你的电话和远方连接起来:

CT380:Strowger Step-by-step Demonstration

AT&T Archives: The Step-By-Step Switch

5 网络

5.1 参考资料

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