Введение

В таблице приведены наиболее стандартные параметры модемов

Классификация модемов

Область применения

модемы для коротких дистанций (short range);

модемы для голосовых линий (voice grade - VG);

модемы для широкополосных линий (wideband).

Тип линии

коммутируемые;

Режим работы

полудуплексный;

Синхронизация

синхронные;

Модуляция

частотная (FM/FSK);

Область применения

Модемы для коротких дистанций (short-range, short haul).

Модемы short-range являются эффективным недорогим решением для связи на расстояниях, не превышающих 15 -30 км, по частным линиям, не являющимся частью телефонных систем общего пользования. Такие модемы могут использоваться и для связи на больших расстояниях при соединении через линию, принадлежащую одной телефонной системе (АТС) - такое соединение называется физической линией (local loop). Модемы для коротких дистанций чувствительны к длине линии связи, поскольку при передаче в линии происходит ослабление и искажение сигналов. С увеличением длины линии скорость обмена данными должна снижаться для обеспечения безошибочной передачи.

Short-range модемы дешевле остальных типов модемов по двум причинам: они не содержат устройств для компенсации разности частот модулятора и демодулятора; зачастую такие модемы не содержат устройств снижения / коррекции шума, поскольку на коротких дистанциях уровень шумов существенно меньше.

Модемы для коротких дистанций делятся на два основных типа:

Аналоговые модемы с использованием простых методов модуляции без изощренного контроля ошибок. Обычно скорость таких модемов не превышает 9600 bps, однако отдельные модели поддерживают обмен данными на скорости до 64 Kbps. Драйверы линий повышают уровень цифровых импульсов и передают в линию непосредственно цифровые сигналы без их модуляции, как это происходит при использовании обычных модемов. Драйверы линий очень дешевы, имеют крошечные размеры и присоединяются непосредственно к портам RS_232, используя для питания напряжение сигналов DCE-DTE.

· Справка

Главный вопрос для аналоговых модемов, это насколько изготовители готовы ужаться ради своих изделий. Все согласны, что потенциальная прибыльность широкополосных устройств намного выше. Хотя модемы обычно стоят до 150 долларов, яростная конкуренция сократила доход от одного изделия приблизительно до 10 долларов. Границы прибыльности сократились, и это привело к разорению многих изготовителей.

Модемы для голосовых линий (voice grade - VG).

передача осуществляется по коммутируемым или арендованным линиям.

· Справка

Новые применения

Эксперты считают, что у модемов для коммутируемого доступа появятся новые области применения. Во-первых, модемы станут лучше обрабатывать факсимильные сообщения. Стоит упомянуть стандарт ITU V.34 для факсимильных сообщений.

Облегчится обмен голосом по Сети (Интернет-телефония). Например, ведущая фирма в области Интернет-телефонии Net2Phone оптимизировала модем, названный Yap Jack, исключительно для этого.

Вдобавок, по словам Paul Kraska, менеджера по маркетингу Multi-Tech Systems (http://www.multitech.com), «потенциал рынка феноменален». Дешевые модемы могут связать в одну сеть все - от промышленных машин до домашних электросчетчиков.

Режим работы

Дуплексный

Под дуплексным режимом работы модема понимается возможность передавать и принимать информацию одновременно. Проблема для модема заключается не в способности канала передавать дуплексную информацию, т. к. обычный телефоныый канал - дуплексный, а в возможности демодулятора модема распознать входной сигнал на фоне отраженного от аппаратуры АТС собственного выходного сигнала. При этом его мощность может быть не только сравнима, но в большинстве случаев значительно превосходить мощность принимаемого полезного сигнала (так как обьединение и разделение передачи и приема производится с помощью дифсистем, которые невозможно идеально настроить на полное подавление сигнала передатчика местного модема). Соединение абонента передачи данных с телефонным каналом может осуществляться с помощью четырехпроводного окончания (главным образом с арендованными каналами) и / или двухпроводным окончанием (в основном с коммутируемыми каналами). При четырехпроводном окончании передача и прием осуществляются независимо друг от друга. В этом случае каждая пара используется для передачи информации только в одном направлении, и проблемы разделения входного сигала и отраженного выходного не существует.

Передача данных по телефонным каналам с двухпроводным окончанием организуется с использованием одного из следующих методов:

полудуплексный режим (поочередная передача в каждом из направлений);

дуплексный режим: симметричный или ассимметричный - в зависимости от равенства или неравенства скоростей передачи в разных направлениях (частотное разделение направлений передачи);

дуплексный режим с эхокомпенсацией (одновременная передача в обоих направлениях с подавлением на приеме отраженного сигнала собственного передатчика).

Наиболее простым в реализации и наименее эффективным по использованию канала связи является полудуплексный режим, т. к. передача ведется только в одном направлении, и имеют место потери времени на смену направлений передачи. Ввиду отсутствия проблем с взаимным проникновением подканалов передачи, а также с эхо-отражением, полудуплексные протоколы в общем случае характеризуются большей помехоустойчивостью и возможностью использования всей ширины полосы пропускания канала. Этот метод применяется при малых скоростях передачи. Все протоколы, предназначенные для факсимильной связи - полудуплексные. С освоением более высоких скоростей появилась возможность организации на базе этого метода псевдодуплексной передачи (дуплексный режим оконечного оборудования данных при полудуплексной передаче в канале) - т.н. метод «ping-pong».

дуплексный режим:

На начальном этапе применения одновременной передачи использовался симметричный дуплекс (стандарты Bell 103 и Bell 212A, Рекомендация V.22). Вся полоса пропускания канала разделяется на два частотных подканала, по каждому из которых производится передача в одном направлении. Из-за уменьшения практически в 2 раза полосы частот, выделяемой для передачи сигналов в каждом из направлений, при этом методе применяются более многопозиционные т.е. менее помехоустойчивые методы модуляции. Этот метод не позволяет использовать возможности канала в полном объеме ввиду значительного сужения полосы пропускания. Тем более, что для исключения проникновения боковых гармоник в соседний подканал, разносить их приходится со значительным «зазором», в результате чего частотные подканалы занимают отнюдь не половину полного спектра. Поэтому данный метод разделения направлений передачи получил распространение для скоростей передачи до 2400 бит/с, а Рекомендация V.22bis стала фактическим стандартом на скорость передачи 2400 бит/с.

Нашла также применение разновидность данного метода - асимметричный дуплекс (напр., в Рекомендации V.23 - комбинация скоростей 1200/75 бит/с). Дело в том, что ряд протоколов обеспечивают и более скоростную связь, но в одном направлении, в то время как обратный канал - значительно медленнее. Разделение частот в этом случае осуществляется на неравные по ширине полосы пропускания подканалы. Эта разновидность дуплексной связи называется асимметричной.

Наиболее эффективным, но и самым сложным в реализации, является дуплексный режим с эхокомпенсацией. В данном варианте используется вся полоса частот канала связи и наиболее помехоустойчивые для данной скорости методы модуляции. Модемы, обладая информацией о собственном выходном сигнале, могут использовать это знание для фильтрации собственного «рукотворного» шума из принимаемого сигнала. На этапе вхождения в связь каждый модем, посылая некий зондирующий сигнал, определяет параметры эхо-отражения: время запаздывания и мощность отраженного сигнала. А в процессе сеанса связи эхо-компенсатор модема «вычитает» из принимаемого входного сигнала свой собственный выходной сигнал, скорректированный в соответствии с полученными параметрами эхо-отражения. Эта технология позволяет использовать для дуплексной передачи информации всю ширину полосы пропускания канала, однако требует при реализации весьма серьезных вычислительных ресурсов на сигнальную обработку. Этот метод применен в модеме по Рекомендациям V.26ter (2400 бит/с), V.32 (9600 бит/с). Первые модемы, соответствующие Рекомендации V.32, были созданы в 1985 г. Модемы по Рекомендации V.26ter не получили широкого распространения, на начальном этапе это было вызвано конкуренцией с более простыми и дешевыми модемами по Рекомендации V.22bis. В настоящее время модемы по Рекомендации V.26ter, имеющие более высокую помехоустойчивость (в них используется метод ДОФМ), могут быть реализованы более экономично, но их не выпускают из-за несовместимости с распространенными типами модемов.

Модуляция

В современных модемах используются три основных типа модуляции:

При частотной модуляции (ЧМ, FSK-Frequency Shift Keying) значениям 0 и 1 информационного бита соответствуют свои частоты физического сигнала при неизменной его амплитуде. Частотная модуляция весьма помехоустойчива, поскольку искажению при помехах подвергается в основном амплитуда сигнала, а не частота. С другой стороны, необходимая для этого вида модуляции ширина спектра сигнала может быть значительно уже всей полосы канала. Отсюда вытекает область применения ЧМ - низкоскоростные, но высоконадежные стандарты, позволяющие осуществлять связь на каналах с большими искажениями амплитудно-частотной характеристики, или даже с усеченной полосой пропускания.

При фазоразностной модуляции (ДОФМ, ТОФМ, DPSK - Differential Phase Shift Keying) изменяемым в зависимости от значения информационного элемента параметром является фаза сигнала при неизменных амплитуде и частоте. При этом каждому информационному элементу ставится в соответствие не абсолютное значение фазы, а ее изменение относительно предыдущего значения. Если информационный элемент есть дибит, то в зависимости от его значения (00, 01, 10 или 11) фаза сигнала может измениться на 90, 180, 270 градусов или не измениться вовсе. Из теории информации известно, что фазовая модуляция наиболее информативна, однако увеличение числа кодируемых бит выше трех (8 позиций поворота фазы) приводит к резкому снижению помехоустойчивости. Поэтому на высоких скоростях применяются комбинированные амплитудно-фазовые методы модуляции.

Миогопозиционную амплитудно-фазовую модуляцию называют еще квадратурной амплитудной модуляцией (КАМ-n, QAM - Quadrature Amplitude Modulation). Здесь помимо изменения фазы сигнала используется манипуляция его амплитудой, что позволяет увеличивать число кодируемых бит. Однако, применение многоточечной QAM в чистом виде сталкивается с серьезными проблемами, связанными с недостаточной помехоустойчивостью кодирования. Поэтому во всех современных высокоскоростных протоколах используется разновидность этого вида модуляции, т.н. модуляция с решетчатым кодированием или треллис-кодированием (ТСМ, Trellis Coded Modulation), которая позволяет повысить помехозащищенность передачи информации - снизить требования к отношению сигнал/шум в канале на величину от 3 до 6 дБ. Суть этого кодирования заключается в введении избыточности. Пространство сигналов расширяется вдвое путем добавления к информационным битам еще одного, который образуется посредством сверточного кодирования над частью информационных бит и введения элементов запаздывания. Расширенная таким образом группа подвергается все той же многопозиционной амплитудно-фазовой модуляции. В процессе демодуляции принятого сигнала производится его декодирование по весьма изощренному алгоритму Виттерби, позволяющему за счет введенной избыточности и знания предистории выбрать по критерию максимального правдоподобия из сигнального пространства наиболее достоверную точку и, тем самым, определить значения информационных бит.

На практике наиболее широкое применение нашли АКМИ, реализованные на базе нерекурсивного фильтра (трансверсальный фильтр). Причем в качестве алгоритма адаптации весовых коэффициентов фильтра используются алгоритмы стохастической аппроксимации, минимизирующие величину среднего квадрата ошибки недокоррекции. Коррекция осуществляется либо в полосовой области (в диапазоне частот передаваемого сигнала), либо в области низких частот, используя двумерное представление сигнала данных.

В передатчике модема выполняются следующие операции:

посредством скремблера формируется псевдослучайная информационная последовательность, которая в преобразователе кода отображается в последовательность двумерных сигналов данных (x/n/);

цифровой формирователь спектра осуществляет формирование спектра единичного элемента сигналов, который в ряде случаев выполняет функцию блока предыскажения, компенсирующего детерминированную часть межсимвольной интерференции, вносимой каналом связи;

модулятор переносит спектр сигнала в заданную область частот.

На практике получило распространение формирование сквозных передаточных функций с косинус-квадратичным скруглением (иногда такой вид скругления называют «приподнятым косинусом»). Причем обычно для предотвращения снижения помехоустойчивости по отношению к флуктуационному шуму передаточную функцию модема разделяют поровну между коэффициентами передачи формирователя спектра на передачи и фильтром входного блока приемника.

В случае, когда канал связи вносит амплитудно-частотные искажения, линейные методы коррекции не обеспечивают оптимальную обработку сигнала.

Помехоустойчивость модема с высокой удельной скоростью в значительной мере определяется независимыми ошибками за счет воздействия Гауссовского шума и недокоррекции межсимвольной интерференции. Традиционным методом повышения помехоустойчивости является применение кодирования передаваемой информации путем введения избыточности. При независимых ошибках использование сверточного кодирования позволяет существенно улучшить помехоустойчивость модема.

Введение решетчатого кодирования для скорости 14400 бит/с (добавление одного проверочного бита в каждую исходную последовательность из 6 бит информации) позволяет повысить помехоустойчивость на 3,8 дБ. При этом число позиций сигнала данных равно 128 (т.е. 2 в степени 6+1). Широкое распространение решетчатого кодирования связано с возможностью использования на приеме эффективной процедуры декодирования по максимуму правдоподобия на базе алгоритма Витерби.

· Справка

Качество работы модема определяется способностью противодействовать мешающим факторам, а, именно:

Гауссовскому шуму;

межсимвольной интерференции, вызванной неидеальностью передаточной функции канала связи;

флуктуациям фазы несущей частоты, обусловленным низкочастотной паразитной модуляцией в генераторном оборудовании систем передачи с частотным разделением каналов.

Поэтому для повышения качества работы модема требуется применение оптимальных (либо близких к ним) алгоритмов обработки сигналов, позволяющих уменьшить влияние мешающих факторов.

Обобщим:

Модемы классифицируются, в основном, по величине скорости и типу канала, для которого они предназначены (выделенная или коммутируемая линия). В таблице приведены основные характеристики модемов на разные скорости и соответствующие номера Рекомендаций, в которых изложены технические требования к модемам. При этом приняты следующие условные обозначения:

ЧМ - частотная модуляция;

ДОФМ, ТОФМ - двухкратная (4_позиционная), трехкратная (8_позиционная) относительная фазовая модуляция, соответственно;

КАМ-n - «n» - позиционная квадратурная амплитудная модуляция;

АФМ-n - «n» - позиционная амплитудно-фазовая модуляция;

КК - коммутируемый телефонный канал общего пользования;

КА - некоммутируемый, или арендованный телефонный канал;

дупл. - дуплексный;

п/дупл - полудуплексный;

фикс. - фиксированный;

автом. - автоматический

Индикаторы

Ниже представлены индикаторы внешних модемов.

HS (Высокая скорость)

Назначение. Этот индикатор работает постоянно при установлении связи на самой большой скорости, доступной модему. В некоторых модемах индикатор работает в пульсирующем режиме.

Режим работы. Большая часть индикаторов HS остаётся в рабочем состоянии со времени установления связи на высокой скорости до последующего сеанса (хотя для точного определения своего модема лучше обратится к руководству пользователя)

AA (Автоответ / ответ на вызов)

Назначение. Работа этого индикатора говорит о готовности модема ответить на поступивший вызов.

Режим работы. Включается непосредственно перед тем, как модем отвечает на вызов. В некоторых моделях на время связи с другим абонентом этот индикатор отключается; другие модемы оставляют индикатор включённым на протяжении всего сеанса связи.

CD (Обнаружена несущая)

Назначение. Работа этого индикатора говорит о том, что модем вышел в режим связи с удалённым модемом. Модем читает сигналы несущий другого модема, и два модема начинают сеанс связи между собой.

Режим работы. Активизируется при установлении связи по телефонной линии и в начале сеанса связи между двумя модемами. Модемы, правда, могут «разговаривать» на разных языках, однако на работу индикатора это не влияет.

OH (Инициация телефонного вызова)

Назначение. Включение этого индикатора говорит о том, что модем вышел в телефонную линию и готов осуществлять набор номера с целью установления связи с другим модемом. Примерно так же, как это происходит при снятии трубки телефонного аппарата.

Режим работы. Включается при инициации телефонного вызова и при успешном соединении и установлении диалогового режима с другим модемом. Тот, кто звонит вам, будет слышать в это время сигнал «занято».

RD (Приём данных)

Назначение. Этот индикатор срабатывает при получении модемом каждого бита данных.

Режим работы. Включается в диалоговом режиме при пересылке удалённым компьютером своего меню и другой информации, а также, когда вы задействуете свой модем для приёма и загрузки файла. Если процесс загрузки файла превышает установленное время, индикатор подскажет вам об этом.

SD (Пересылка данных)

Назначение. Этот индикатор срабатывает при пересылке каждого бита данных.

Режим работы. Во время сеанса с другим модемом, при передаче информации на другой компьютер. Во время передачи индикатор помигивает или постоянно включён.

TR (Готовность данных терминала)

Назначение. Индикатор загорается при включенном модеме и его работе с программным обеспечением и компьютером. Компьютер по последовательному кабелю посылает на модем сигнала DTR.

Режим работы. Индикатор активен при загрузке программного обеспечения модема, включенном питании и при бесперебойной работе устройства.

MR (Модем готов к работе)

Назначение. Индикатор срабатывает при включении модем и при подключении его к сети.

Режим работы. При включении модема. А так же при самотестировании.

Менее распространенные индикаторы состояния модема

RS (Запрос на пересылку данных)

Назначение. Этот индикатор работает при пересылке компьютером сигнала RTS на модем (в зависимости от конфигурации АТ - команды).

Режим работы. Включается во время сеанса связи, когда компьютер запрашивает модем о начале пересылки данных.

CS (Пересылка информации)

Назначение. Срабатывает при повторной пересылке данных, в зависимости от конфигурации АТ-команды.

Режим работы. Во вовремя связи, когда модем сообщает компьютеру, что можно начинать пересылку данных.

SYN (Синхронный режим)

Назначение. Модем работает в синхронном режиме. Это довольно редкий режим работы персонального компьютера, используемый большими машинами и специальными устройствами (как, например, автоответчики).

Режим работы. Во время сеанса связи в синхронном режиме.

Индикатор режима коррекции ошибок (ARQ) и факсимильного режима (Fax)

Назначение. Работа этого комбинированного индикатора говорит о том, что обнаружен сигнал коррекции ошибок на другом конце связи и модем работает в этом режиме. Индикатор также обозначает, что модем функционирует в факсимильном режиме.

Режим работы. Во время сеанса связи в режиме коррекции ошибок при соответствующей конфигурации АТ-команды.

Мигание индикатора ARQ/FAX. Указывает на работу модема в режиме пересылки или приема факсимильных сообщений.

LB (Низкое напряжение аккумулятора модема)

Назначение. Указывает на низкое напряжение портативного аккумулятора модема.

Режим работы. При разрядке батареи аккумулятора.

Другие специализированные индикаторы

TXD (Передача данных)

Индикатор передач данных модемом через последовательный порт компьютера.

RXD (Прием данных)

Индикатор приема данных на последовательный порт компьютера.

EC (Управление ошибкой)

Индикатор функционирует при работе в режиме коррекции ошибок или сжатия данных.

SQ (Качество сигнала)

Индикатор качественного сеанса связи; мигает при посредственном соединении.

TST (Тестирование)

Индикатор выполнения модемом самотестирования.

Некоторые совместимости

Даже при самых благополучных обстоятельствах, когда сигнал претерпевает аналого-цифровое преобразование, отношение составляет 38-39 dB («нижний шумовой порог»), которое и ограничивает скорости на V.34 до 33.6 Kbps.

Итак:

Сервер подключается по цифровому каналу к кабелю телефонной компании.

Сигналы сервера заставляют использовать только 256 PCM модуляционного шума, код. Иными словами, нет появляющегося при конвертации аналоговых сигналов к кодам дискретным PCM.

Эти PCM коды преобразуются в соответствующий дискретный аналоговый сигнал и отсылается клиенту по тем же коммутируемым аналоговым линиям. Hет никаких потерь информации.

Клиент принимает сигнал и восстанавливает исходные PCM коды из аналогового сигнала.

Каналы: туда и сюда. Ассиметричные х2 соединения используют одну часть двунаправленного канала (туда и сюда). Клиентский х2 модем способен принимать данные с большей скоростью по одной части канала по той причине, что часть информации не теряется при цифра-аналог преобразованиях. Однако при посылке данных клиентским модемом по второй части канала (туда), сигнал претерпевает преобразование аналог-цифра, что и ограничивает возможность использования х2 и навязывает V.34.

Подробнее о кодировании

Как уже было рассказано, данные, посланные с х2_сервер модема передаются по телефонной линии в двоичной форме. Hо чтобы удовлетворить условиям пункта 2 (см. выше), х2_сервер модем передает данные (восемь битов в секунду) к ЦАП (цифро-аналоговому преобразователю) с той же частотой, на которой работает телефонная линия (8000 герц). Это означает, что частота модема должна совпадать с частотой линии.

Соединение x2

Во время установления связи, х2 модемы испытывают линию на использование аналог-цифровых преобразователей в сторону клиента. При обнаружении подобных конвертаций, модемы соединятся просто на V.34. Клиентский модем также пытается установить связь на V.34 при невозможности серверного модема использования х2.

Задача х2_клиентского модема - распознать в сигнале PCM_коды с частотой 8000 герц. Если это удается, тогда скорость в сторону клиента будет около 64 килобит/с (8000*8 бит в коде). В то же время, некоторые проблемы все таки возникают, что немного сокращает скорость.

Во-первых, несмотря на то, что модуляторный шум удален, другой, намного меньший шум возникает при работе цифра-аналогового преобразователя и местной АТС. Этот шум возникает в связи с различными нелинейными искажениями и посторонними шумами от других соединений.

Во-вторых, телефонные ЦАПы - не линейные преобразователи, а используют несколько иной закон конвертации (µU Law - в США, А Law - в других странах).

В результате, PCM коды представляющие собой слабые сигналы получаются на выходе ЦАПа слабыми сигналами, тогда как большие сигналы-коды получаются большими после выхода (Т.е. скачкообразно изменяющийся сигнал вместо линейного, постепенно меняющегося - прим. перевода).

Эти две проблемы исключают возможность использованию всех 256 дискретных кодов, так как соответствующий выходной после ЦАПа сигнал (слабый) слишком тесно зажат в границах пропускной способности локальной АТСи не может абсолютно корректно анализировать данные. (Замечание: каждый PCM_код соотносится с выходным после ЦАПа сигналом). Таким образом, х2 кодировщик использует различные уровни 256-кодов, что делает ЦАП более чувствительным к помехам. Hапример, 128 уровней используется для передачи данных со скоростью 56 кбит/с, 92 - 52 кбит/с и так далее. Использование еще более меньшего числа уровней деет большую надежность, но и снижает скорость.

Требования х2

х2 требует выполнения следующих условий:

1. Цифровой канал в одном конце. Один конец соединения должен оканчиваться на магистральную цифровую линию, например, T1, ISDN PRI или ISDN BRI.

Локальные линии T1 не будут давать нужных результатов, так как на них будут иметь место дополнительные преобразования аналог-цифра и цифра-аналог. В магистральных каналах сигнал преобразовывается лишь однажды, а после этого свободно достигает по каналам Т1, PRI или BRI серверного х2_модема.

2. х2 должен поддерживаться модемами на обоих концах соединения: у клиента и на сервере провайдера. Предполагается, что клиентским модемом станет USRobotics Sportster, Courier TM или Megahertzo, а у провайдера USRobotics MP I-Modem, NetServer I-Modem, Courier I-Modem или Total
Control Enterprise NetWork Hub.

3. Может быть только одно преобразование аналог-цифра на пути от клиентского модема до сервера. Если используется линия Т1, то это должна быть магистральная линия, а не локальная. Применяя локальное соединение Т1, местные телефонные компании используют обычно еще ряд дополнительных преобразований.

Только USRobotics может обеспечить технологию х2

Оборудование USRobotics, такое как например Total Control Enerprise Network Hub, уже сейчас позволяет обрабатывать цифровые сигналы с цифровых линий. Серверное оборудование может быть модернизировано до х2 программным путем. Другие компании, не производящие цифровых моделей модемов, должны будут затратить большое количество финансов и времени на разработку собственных изделий.

Модемы USRobotics поставляемые сейчас позволяют модернизировать их до технологии х2.

Заключение

Таким образом, можно сказать, что модемы увеличивают свои функции, их роль в компьютерном мире всё стремительнее растёт. Модемы захватывают все большие области применения (приём и передача факсов), скорость передачи информации увеличивается, всё это даёт возможность модемам иметь хорошее будущее в эпоху научно-технического прогресса и развития информационных коммуникаций.