1. Общая информация
1.1 Модем? Что это такое?!
Давно миновали времена, когда компьютер являлся только «вычислительной машиной». Теперь это уже интеллектуальное многофункциональное устройство, которое дает пользователю возможность общаться с огромным миром информации со всего света. И во многом такое использование стало возможным благодаря устройству, которое позволяет ему связываться с другими компьютерами, - модему. Без модема немыслима система электронных коммуникаций. Это позволяет вам окунуться в увлекательный, а сегодня уже и просто жизненно необходимый мир информационных потоков, электронных баз данных, электронной почты, электронных справочников, электронных досок объявлений и т.д.
Если вы хотите оперативно передать файл (с программой, картинкой или сообщением) вашему другу (или сотруднику), то с помощью модема это делается элементарно. Используя специальную информационную программу, вы звоните по телефону своему партнеру, модемы на ваших компьютерах "договариваются" друг с другом об установлении соединения, и после этого, используя специальный протокол передачи данных, вы передаете файл на удаленный компьютер.
Само слово «модем» образовано из двух слов - «МОдулятор / ДЕМодулятор», объясняющих основной принцип действия модемов. Поскольку исторически основным видом коммуникации являются телефонные аналоговые сети, а компьютер - это чисто цифровое устройство, то для их сопряжения и понадобилось устройство, которое переводит цифровые сигналы в аналоговые, «модулируя» нули и единицы разным образом.
При работе модем входит в соединение с другим модемом по схеме точка - точка. Это означает, что никакой третий модем не может "вклиниться в разговор". Данные, подлежащие передаче, преобразуютcя в аналоговый cигнал модулятором модема «передающего» компьютера. Принимающий модем, находящийcя на противоположном конце линии, «cлушает» передаваемый cигнал и преобразует его обратно в цифровой с помощью демодулятора. Режим работы, когда передача данных осуществляется только в одном направлении, называется полудуплексом (half duplex), в обе cтороны - дуплексом (full duplex).
Телефонные каналы, разработанные специально для передачи голоса, не очень эффективны для передачи данных, но их преимущество заключается в том, что они густой сетью опутали весь мир и доступны.
Существуют еще пока малораспространенные и дорогие полностью цифровые телефонные сети по стандарту ISDN, которые позволяют качественно передавать одновременно и голос и данные. Однако и там нужно переходное устройство, которое называется ISDN-адаптером, который по внешнему виду похож на модем.
Низкие скорости модемов на телефонных каналах также компенсируются распространенностью этих сетей и их стыковкой между собой в единую всемирную сеть. Куда приятнее переслать небольшой файл, чем вести его на дискете на другой конец заснеженного мегаполиса с редко ходящим транспортом. Более того, ваше Е-письмо дойдет до адресата из далекой страны всего за несколько десятков минут и притом это обойдется значительно дешевле "бумажной" почты. Кроме того, это надежнее - в почтовый ящик не раз попадают письма, адресованные на тот же номер квартиры, но из другого дома.
Практический предел физической скорости при передаче по стандартному телефонному каналу равен примерно 32 Кбит/с. Современные модемы уже подошли к этому пределу. За счет упаковки данных эффективную скорость передачи можно несколько поднять, но ясно, что много мегабайт быстро передать нельзя (это в принципе возможно на других устройствах и каналах).
Модем - сравнительно небольшое устройство. В случае настольного исполнения он похож на портсигар, т.е. сравним по размерам с авторучкой. Обо всех вариантах исполнения модема рассказано ниже.
Долго ли жить модемам? Можно с уверенностью сказать - очень долго. Во всем мире сейчас интенсивно развивается цифровая телефония по вышеупомянутому стандарту ISDN. Для нее характерны более высокие скорости передачи (минимум 64 Кбит/с) и хорошее качество. Увы, на наших просторах такая возможность представится повсеместно еще не скоро. И дело даже не только в том, что большинство АТС являются не цифровыми, а аналоговыми (кстати, не все цифровые АТС удовлетворяют стандарту ISDN). Существенно хуже то, что вся разводка до аппаратов у нас выполнена не тем кабелем, что нужно, а именно "лапшей", а не витыми проводами. Предстоит еще долгая, гигантская по объему и затратам работа по замене кабелей. В настоящее время есть небольшое число "точек входа" в сети ISDN, а стоимость услуг просто астрономическая (зато для офиса удобнее цифровая АТС с аналоговым выходом).
Ещё пару лет назад немалые надежды возлагались на иное решение в виде кабельных модемов, использующих телевизионный кабель - ведь они уже протянуты в каждую квартиру (в многоэтажных жилых домах). Однако пока практичных и недорогих решений нет даже за рубежом.
Кроме того, даже в странах с развитой телефонией, стоимость аналоговых каналов значительно меньше цифровых. Поэтому модемы всегда останутся как недорогое решение, особенно для малого бизнеса.
1.2 Как это работает?
Современный модем - довольно сложное устройство. состоящее из нескольких основных блоков, обеспечивающих его функциональность. Рассмотрим эти блоки (рисунок 1).
Самым первым устройством, стоящим со стороны телефонной линии, является блок интерфейса с телефонной линией. Основными функциями этого блока являются:
• обеспечение физического соединения с телефонной линией;
• защита от перенапряжения и радиопомех;
• набор номера;
• фиксация звонков;
• гальваническая развязка внутренних цепей модема и телефонной линии.
Далее сигналы попадают в дифференциальную систему, цель которой - разделение выходных и входных сигналов и компенсация влияния собственного сигнала на входные цепи. В наиболее простых моделях модемов этот узел исполняется в виде пассивной схемы, что зачастую приводит к сильной зависимости качества работы блока от сопротивления конкретной телефонной линии. Избавиться от такой зависимости могут только модели с активной дифференциальной системой, где необходимый для компенсации сигнал постоянно вычисляется сигнальным процессором и, "вычитаемый" из входного сигнала, обеспечивает необходимый уровень компенсации.
Подготовленные таким образом сигналы попадают на ряд фильтров, усиливаются и оцифровываются с помощью АЦП в блоке формирования аналоговых фронтов. так что дальнейшая обработка производится в цифровом виде. Одно из преимуществ такого подхода - улучшение качества обработки сигнала и удешевление схемы.
Обработанная информация поступает в цифровой сигнальный процессор ЦСП, который и выделяет из нее на основе математических методов "нули" и "единицы". Именно возможностями цифровой обработки сигнала этого блока определяется качество и скоростные возможности современных модемов.
Поддержка интерфейса с компьютером, управление ЦСП, реализация протоколов аппаратной коррекции ошибок и сжатия данных, управление интерфейсом с пользователем (индикаторы, кнопки и джамперы настройки), а также управление энергонезависимой памятью - вот далеко не полный список функций, лежащих на системе управления модемом (контроллере модема).
При этом если ранее микропрограмма хранилась в ПЗУ, изготовленном и «прошитом» на заводе, то теперь производители все чаще стали помещать ее в перезаписываемую флэш-память, что позволяет обновлять программу без аппаратного вмешательства. Одним из пионеров такого подхода явилась фирма U.S.Robotics, впервые внедрившая перезаписываемую через основной интерфейс с компьютером флэш-память в своем модеме U.S.Robotics Courier.
В случае 2-проводного окончания для обеспечения дуплексного режима модем использует трансформаторную развязку. Телефонная сеть благодаря своей схеме развязки обеспечивает разъединение потоков данных, циркулирующих в разных направлениях. При наличии 4-проводного окончания схема модема упрощается.
Аналоговые каналы тональной частоты характеризуются тем, что спектр передаваемого по ним сигнала ограничен диапазоном от 300 Гц до 3400 Гц. Именно это ограничение спектра и является основной преградой в использовании телефонных каналов для высокоскоростной передачи цифровой информации. Скорость передачи информации по каналу с ограниченным спектром не может превосходить ширины этого спектра, т.е. 3100 бод в нашем случае. Но как же тогда быть с модемами, передающими информацию со скоростями 4800, 9600, 14400 бит/с и даже больше? В аналоговой технике передачи данных бод и бит/с не одно и то же. Для прояснения этого тезиса стоит рассмотреть внимательнее физический уровень работы модема.
Электрический сигнал, распространяющийся по каналу, характеризуется тремя параметрами - амплитудой, частотой и фазой. Именно изменение одного из этих параметров, или даже совместно некоторой их совокупности в зависимости от значений информационных бит и составляет физическую сущность процесса модуляции. Каждому информационному элементу соответствует фиксированный отрезок времени, на котором электрический сигнал имеет определенные значения своих параметров, характеризующих значение этого информационного элемента. Этот отрезок времени называют бодовым интервалом. Если кодируемый элемент соответствует одному биту информации, который может принимать значение 0 или 1, то на бодовом интервале параметры сигнала соответственно могут принимать одну из двух предопределенных совокупностей значений амплитуды, частоты и фазы. В этом случае модуляционная скорость (еще ее называют линейной или бодовой) равна информационной, т.е. 1 бод = 1 бит/с. Но кодируемый элемент может соответствовать не одному, а, например, двум битам информации. В этом случае информационная скорость будет вдвое превосходить бодовую, а параметры сигнала на бодовом интервале могут принимать одну из четырех совокупностей значений, соответствующих 00, 01, 10 или 11.
В общем случае, если на бодовом интервале кодируется n бит, то информационная скорость будет превосходить бодовую в n раз. Но количество возможных состояний сигнала в трехмерном (в общем случае) пространстве - амплитуда, частота, фаза - будет равно 2n. Это значит, что демодулятор модема, получив на бодовом интервале некий сигнал, должен будет сравнить его с 2n эталонными сигналами и безошибочно выбрать один из них для декодирования искомых n бит. Таким образом, с увеличением емкости кодирования и ростом информационной скорости относительно бодовой, расстояние в сигнальном пространстве между двумя соседними точками сокращается в степенной прогрессии. А это, в свою очередь, накладывает все более жесткие требования к "чистоте" канала передачи. Теоретически возможная скорость в реальном канале определяется известной формулой Шеннона:
V = F log2(1+S/N), где F - ширина полосы пропускания канала, S/N - отношение сигнал/шум.
Второй сомножитель и определяет возможности канала с точки зрения его зашумленности по достоверной передаче сигнала, кодирующего не один бит информации в бодовом интервале. Так, например, если отношение сигнал/шум соответствует 20 dB, т.е. мощность сигнала, доходящего до удаленного модема, в 100 раз превосходит мощность шума, и используется полная полоса канала тональной частоты (3100 Гц), максимальная граница по Шеннону равна 20640 бит/с.
Основной задачей модема является преобразование исходной цифровой информации в вид, пригодный для передачи по каналу связи, и обратное преобразование на приеме. Вид модуляции и метод построения модема в значительной степени определяют скорость передачи данных и эффективность использования канала связи. Применительно к передаче данных по телефонным каналам, виды модуляции, используемые в модемах, регламентировались Международным консультативным комитетом по телефонии и телеграфии (МККТТ / CCITT - франц.), а после его реформирования в 1993 году этим стал заниматься Сектор по стандартизации телекоммуникаций (TSS) Международного союз по электросвязи (ITU) при ООН. В Рекомендациях ITU-T (CCITT) определены основные технические характеристики модема, такие, как форма спектра передаваемого сигнала, структура настроечной комбинации, образующий полином скремблера (дескремблера) и другие параметры, обеспечивающие совместимость модемов, выпускаемых разными изготовителями. Данные рекомендации - модемные стандарты - входят в V-серию, где V означаетпередачу информации в аналоговом виде. Стандарты на передачу цифровой информации относятся к Х-серии, а на телематическое оконечное оборудование - Т-серии.
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.
Повышение эффективности использования канала связи, т.е. удельной скорости передачи (числа передаваемых бит на единицу полосы пропускания канала связи), требует применения в модеме следующих систем:
адаптивного корректора сигнала для уменьшения межсимвольной интерференции в принимаемом сигнале;
дискретного (или цифрового) формирователя спектра сигнала на передаче (в качестве его дополнительной функции может быть введение предыскажений с целью компенсации межсимвольной интерференции);
скремблера (на передаче) и дескремблера (на приеме) для преобразования исходной последовательности данных в псевдослучайную и обратного преобразования на приеме;
системы компенсации флуктуаций фазы несущей частоты,
Акустический канал телефонной линии модем разделяет на две полосы низкой и высокой частоты. Полоса низкой частоты применяется для передачи данных, а полоса высокой частоты - для приема.
В первых модемах использовалось два способа кодировки информации: метод FSK (Frequency Shift Keying) для скорости передачи до 300 бод и метод PSK (Phase Shift Keying) для более быстрых модемов - скорость передачи от 2400 бод. FSK использует четыре выделенные частоты. При передаче информации сигнал частотой 1070 Гц интерпретируется как логический нуль, а сигнал частотой 1270 Гц - как логическая единица. При приеме нуль соответствует сигналу 2025 Гц, а единица - 2225 Гц.
PSK использует две частоты: для передачи данных - 2400 Гц, для приема - 1200 Гц. Данные передаются по два бита, при этом кодировка осуществляется посредством сдвига фазы сигнала. Используются следующие сдвиги фазы для кодировки: 0 градусов для сочетания битов 00, 90 градусов для 01, 180 градусов для 10, 270 градусов для 11. Частотной модуляции пришла на смену квадратурно амплитудная модуляция, а ей уже «дышит в спину» импульсно-амплитудная модуляция сигнала (ИАМ).
В методе квадратурной амплитудной модуляции QAM одновременно изменяются фаза и амплитуда сигнала, что позволяет передавать большее количество информации. здесь помимо изменения фазы сигнала используется манипуляция его амплитудой, что позволяет увеличивать число кодируемых бит. В настоящее время используются модуляции, в которых количество кодируемых на одном бодовом интервале информационных бит может доходить до 8, а, соответственно, число позиций сигнала а сигнальном пространстве - до 256.
Однако, применение многопозиционной 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.
|
