Ведение.

Устройство, предназначенное для обмена информацией между удаленными компьютерами, принято называть модемом (Модулятор+ДЕМодулятор). При этом под каналом связи понимают: физические линии (проводные, кабельные, радио и т.д.), способ их использования (коммутируемые или выделенные) и способ передачи данных. В своем обзоре я рассмотрю модемы, предназначенные для подключения к коммутируемым телефонным линиям. Отмечу, что при обмене данными по цифровым каналам связи термин “модем”, для характеристики устройства, обслуживающего такие каналы, не корректен, т.к. никакой модуляции (т.е. процесса преобразования данных) не происходит. В таких случаях говорят об адаптере. Цифровые сигналы, поступающие в модем из компьютера, преобразуются в нем путем модуляции в соответствии с избранным стандартом и направляются в телефонную линию. Модем-приемник провайдера, понимающий данный протокол, осуществляет демодуляцию полученного сигнала и пересылает восстановленные цифровые данные в свой компьютер. И так, для начала, рассмотрим возможные виды модуляции, применяемые современными модемами.

Виды модуляции.

Частотная модуляция. Когда нули передаются сигналом одной частоты, а единицы другой – мы имеем дело с частотной модуляцией (ЧМ). Реализация частотной модуляции проста и надежна, но в силу ограниченности полосы пропускания телефонного канала имеет естественный предел (фактически 300 Гц – 3400 Гц). При использовании частотной модуляции модемы способны работать на скорости 1200-1500 бит в секунду, что очень не много. Тем не менее, этот вид модуляции был закреплен за стандартом V.21 и применяется сегодня – этим способом модуляции поддерживается первоначальный обмен характеристиками и параметрами между двумя модемами при установлении соединения.

Амплитудная модуляция. Если нули передаются сигналами одной громкости, а единицы - другой, то это амплитудная модуляция (АМ). Надежность передачи сигнала при АМ мала, поэтому в современных модемах ее сочетают с фазовой модуляцией для передачи большего количества информации в одном периоде сигнала.

Фазовая и фазоразностная модуляция. Метод фазовой модуляции основан на возможности обнаружения, измерения и использования фазового сдвига между двумя гармоническими (синусоидальными) сигналами. Этот вид модуляции надежен и позволяет уверенно выделять полезные данные на фоне шума. С помощью ФМ в одном периоде сигнала можно закодировать несколько бит информации:

Визуальным способом представления метода ФМ являются фазовые диаграммы:

Точки на фазовой диаграмме называются точками состояния. Важно отметить, что с помощью математических методов удается в одном периоде сигнала закодировать не три-четыре, я восемь, десять, двенадцать и более бит данных.

Амплитудно-фазовая модуляция. Цель АФМ – создать на фазовой диаграмме как можно больше точек состояния и притом сделать их удаленными друг от друга. Важно, что не все возможные точки состояния являются разрешенными. В современных реализациях протокол модуляции предоставляет право модемам самим договориться, какие точки считать разрешенными (величина возможных точек состояния достигает 128, 256 и более).

В современных модемах используется решетчатая модуляция. Этот вид модуляции рассматривается с использованием особых диаграмм состояния и часто называют квадратурно-амплитудной модуляцией. В зависимости от числа точек состояний различают: КАМ-4, КАМ-8, КАМ-16 и т.д.

Схема модулятора и сигнальная диаграмма КАМ-4

Чем больше точек состояния, тем больше битов можно посадить на один бод1 и тем выше информационная скорость модема. Метод увеличения количества точек состояния на диаграмме КАМ называется решетчатым кодированием, или треллис-кодированием. Принцип работы: изначально используется большая диаграмма состояния, что позволяет передать больше бит данных. В результате точки состояния ложатся так близко, что ошибка неминуема. Однако не все точки состояния являются разрешенными. Информация о том, какие точки состояния разрешены, и передаются в этих дополнительных битах. На первый взгляд наш выигрыш не велик: с одной стороны мы увеличили число представимых состояний, а с другой используем служебные биты, которые надо кодировать и передавать. Действительно, на качественных линиях связи выигрыша от таких преобразований нет (мало шума), но в реальных условиях выигрыш имеется и притом довольно ощутимый. Треллис-кодирование было введено в модемах, работающих по протоколам V.32 и V.32 bis, что позволило довести информационную скорость до 14 400 б/c работая на бодовой скорости 2400 бод.

КАМ-16

Стандарты и протоколы.

В 60 годы XX века под эгидой ООН был организован Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии (ССITT), который взялся за стандартизацию цифровой связи. Сегодня на смену МКТТ пришел международный союз электросвязи, который трогательно называет свои стандарты публикациями или рекомендациями. Все нормальные люди называют эти рекомендации протоколами. Вопросами компьютерной связи с использование телефонных сетей просвещена серия протоколов “V”. Протоколы рассматриваются в четырех категориях:

• протоколы взаимодействия
• протоколы модуляции
• протоколы коррекции ошибок
• протоколы сжатия данных

Протоколы взаимодействия описывают порядок взаимодействия модемов между собой. На сегодняшний день последним протоколом взаимодействия является V.8.

Протоколы модуляции определяют принцип модуляции, используемый в модемах. К наиболее ранним протоколам модуляции относится протокол V.21, использующий частотную модуляцию. Данный протокол также поддерживает дуплексный режим работы модемов, т.е. модем может отправлять и принимать данные одновременно. Протокол V.22 ввел принципы фазовой модуляции, что в свое время повысило производительность модемов до 1200 бит/c. Данный протокол так же дуплексный. В протоколе V.22 bis впервые был использован метод квадратурно-амплитудной модуляции, что позволило увеличить количество точек в диаграмме состояний.

К модемам средней производительности относятся аналоговые модемы с информационной скоростью от 4800 до 9600 бит/c. Первым таким протоколом стал V.32, внедренный в отрасль в 80-х годах уже прошлого столетия. Модемы с протоколом V.32 – дуплексные, технология модуляции в этих приборах КАМ-16 или TCM-32 (решетчатая с треллис-кодированием). В начале 90-х годов на основе V.32 был веден протокол V.32 bis. Его основное отличие от своего прародителя в максимальной информационной скорости 14 400 бит/c вместо 9600 бит/с, а также в расширенной 128-позиционной диаграмме состояний с кодированием 7 бит на точку из которых 6 бит являются информационными, а 7 – дополнительным.

К аналоговым модемам высокой производительности относятся устройства, обеспечивающие информационную скорость 14400 бит/c до 33600 бит/c. Эти модемы работают в соответствии с протоколами V.34 и V.34 bis. Замечу, что с использованием данных протоколов аналоговые модемы подошли вплотную к теоретическому пределу пропускной способности для телефонных линий, предсказанной Клодом Шенноном в своей знаменитой теореме (1948 г.). Но развитие протоколов модемной связи на этом не остановилось. V.90: несимметричный, "полуцифровой" скоростной протокол, позволяющий поднять скорость передачи в одну сторону до 56 кбит/с. Стандарту предшествовали протоколы x2 (USR/3COM) и k56flex (Rockwell/Lucent). Данная группа протоколов известна также под названиями V.PCM и 56k. Протоколы 56k реализуются только на несимметричных линиях, когда с одной стороны устанавливается блок прямого сопряжения ("цифровой модем") с подключением к цифровому каналу T1/E1, ISDN и др., а с другой - аналоговый модем с поддержкой V.90. При таком соединении сигнал со стороны цифрового канала большую часть расстояния передается в неизменной цифровой форме, и только от абонентского комплекта до обычного модема - в аналоговой. Поскольку преобразование из цифровой формы в аналоговую сопряжено с меньшими потерями информации, чем обратно, предельная пропускная способность цифрового канала (64 кбит/с) понижается только до 56 кбит/с (реально обычно до 45-53 кбит/с). В обратную сторону предельной является скорость 33.6 кбит/с.

Протоколы сжатия данных и коррекции ошибок являются неотъемлемой частью современных модемов. Сжатие данных происходит за счет исключения последовательностей часто повторяющихся символов и замены их на код символа и коэффициент повтора. Другой метод сжатия заключается в кодировании часто встречающихся символов более короткими последовательностями битов. Функции коррекции ошибок могут быть активными и пассивными. При пассивной коррекции данные передаются группами. Каждая группа сопровождается контрольной суммой (КС) данных. Когда модем заканчивает прием кадра (т.е. группы данных) он вычисляет его КС и сверяет с эталоном. При разных КР делается запрос на повторную передачу всего кадра. При активной коррекции запрос на повтор кадра может быть послан или нет, в зависимости от результата вычисления по специальным математическим методам на основе содержимого кадра. Вместе с кадром доставляется специальный избыточный код, по которому существует возможность восстановления исходного кадра при не совсем корректной передаче. И опять, после восстановления, если КС равна эталону, то повторной передачи не происходит.

Принципиальное устройство модема.

Модемы, обладающие полной автономной функциональностью, состоят из нескольких основных блоков, иногда реализуемых в отдельных микросхемах: адаптер порта DTE - DCE интерфейса, адаптер порта канального интерфейса, универсальный процессор (PU), цифровой сигнальный процессор (DSP), модемный процессор, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, схема индикации состояния модема. Рассмотрим указанные модули более подробно:

Порт интерфейса DTE-DCE обеспечивает взаимодействие модема с компьютером. Если модем внутренний, вместо интерфейса DTE-DCE часто применяют интерфейс ISA или PCI.

Порт канального интерфейса обеспечивает согласование электрических параметров с используемым каналом связи.

Универсальный процессор управляет взаимодействием с компьютером и определяет порядок работы схем индикации состояния модема. Именно он выполняет посылаемые из компьютера АТ-команды и является центром управления режимами работы остальных составных частей модема.

Модемы имеют свою ROM и RAM память. Первая используется для постоянного хранение программного обеспечения модема, вторая используется для временного хранения данных и выполнения промежуточных вычислений как универсальным, так и цифровым сигнальным процессором.

На цифровой сигнальный процессор (DSP) возлагают задачи по реализации основных функций протоколов модуляции (кодирование, относительное кодирование, скремблирование) за исключением собственно операций модуляции/демодуляции, которые выполняются специальным модемным процессором.

В последние годы появились и получили широкое распространение модемы, не обладающие полной автономной функциональностью. Главным образом этот внутренние модемы с шиной PCI. Данные модемы делятся на три группы:

Первая группа модемов не имеет в своем составе универсального процессора и схемы управления интерфейсами и каналами (контролера). Эти функции возложены на ЦП компьютера. Весь необходимый программный код содержится в драйвере устройства.

Вторую группу модемов образуют “софт-модемы” или Winmodem. На этих устройствах отсутствует на только контроллер, но и DSP, чьи функции также возложены на ЦП компьютера.

К третьей группе относятся модемы с интерфейсом AMR или CNR. Они несут на “борту” только разъемы и микросхему ЦАП-АЦП. Все остальное возложено на компьютерную систему.

Подводя некий итог, рассмотрим факторы, влияющие на эффективность работы модема для аналоговых линий:

• качество линий связи
• функциональность используемого набора специализированных микросхем
• эффективность реализации функций специализированного набора в конкретной модели
• качество программного обеспечения, заложенного в ПЗУ, реализованного в драйверах и в операционной системе.

Заключение.

На столе автора этих строк мирно дремлет старенький, слегка потрепанный, но гордый и удивительно надежный U.S. Robotics 56K Faxmodem:

U.S. Robotics 56K Faxmodem

Internet стал неотъемлемой частью современного мира. Коммутированное подключение по телефонной линии дешево и просто, но , к сожалению, не обеспечивает должной скорости передачи данных. На данный момент существует несколько альтернативных технологий обмена данными: ADSL, ADSL Lite, HDSL, VDSL, спутниковая звязь и др. Все эти технологии обеспечивают более высокую скорость связи и обладают рядом преимуществ перед аналоговым телефонным подключением. Мы живем в динамичном, постоянно изменяющемся мире – кто-то предрекал смерть floppy после появления CD-RW, но floppy жив. Скорее всего живы останутся и аналоговые модемы, во всяком случае пока цены на ADSL и выделенные телефонные каналы не упадут до неприлично низких значений.