Как работают модемы

Первая часть из цикла "Как работают модемы"

Так уж сложилось исторически, что есть очень много книг на русском языке про то, как пользоваться Windows, как работать с Internet, но, к сожалению, практически нет никакой литературы, которая достаточно полно с одной стороны, и понятно для неспециалиста — с другой, описывала бы работу таких непростых, но широко распространенных устройств, как модемы. Несмотря на то, что большинство пользователей компьютеров имеют представление о том, что такое Интернет, и либо время от времени, либо ежедневно пользуются им, мало кто задумывался о том, что модем, как основное некорпоративное средство доступа в Интернет на сегодня, едва ли не самое слабое звено в цепочке, по которой информация попадает на дисплей пользователя! Как-то само собой подразумевается, что купил в магазине модем, подключил к компьютеру и телефону, и все, больше не о чем беспокоиться. В этом цикле статей будет сделана попытка наглядно показать, сколь далеко это представление от действительности, и будут даны практические советы, как можно улучшить ситуацию. Материал рассчитан на того, кого называют Advanced user, то есть интересующегося далее простого нажимания на кнопки пользователя, но — пользователя, а не специалиста в цифровой обработке сигналов. Многие принципы и особенности работы модемов будут сознательно упрощены так, чтобы не отнимать лишнего времени у тех, кому важно решить главный вопрос — улучшить качество работы через телефонную сеть, понимая, что именно там происходит. Не в качестве саморекламы, но лишь с целью расстановки точек над "i" отметим, что сами авторы этих статей как раз являются самыми что ни на есть профессионалами в этой области, несколько лет занимающиеся конкретно адаптацией модемов под Российские телефонные линии, и написавшие свои реализации многих популярных протоколов связи, таких как V.34 и прочих V.xx.

часть первая: что такое модем, и как он работает.

Эта часть, надо признаться, потребует от Вас некоторого вспоминания физики уровня средней школы, поэтому если Вам этого не хочется делать, Вы можете ее пропустить. Однако, мы будем в дальнейшем ссылаться на такие термины, как символьная скорость, глубина модуляции, полоса пропускания канала и сигнал/шум, поэтому Вам либо придется запомнить как факт, что и как на что влияет, или все же прочитать нижеследующий раздел про то, как же модем передает информацию. В любом случае, в конце раздела есть резюме.

Модем представляет собой устройство, имеющее, с внешней точки зрения, цифровой интерфейс c компьютером (обычно последовательный порт RS-232) и аналоговый интерфейс с каналом связи (телефонной линией) — разъем для телефонного кабеля (RJ-11). "Внутри" модем представляет собой микрокомпьютер с достаточно мощным процессором (иногда несколькими), постоянной и оперативной памятью, и аналоговой частью, ответственной за сопряжение модема с телефонной сетью — устройство набора номера, усилитель, АЦП и ЦАП — Аналого-Цифровой и Цифро-Аналоговый Преобразователи, ответственные за преобразование сигнала из аналоговой формы (непрерывный сигнал-напряжение) в цифровую (отдельные отсчеты сигнала, дискретизованные по времени и квантованные по напряжению), и наоборот, соответственно. Практически все современные модемы производят обработку информации в цифровой форме, без сколь-либо сложной аналоговой предобработки, так как это позволяет добиться высокой стабильности и в значительной степени упростить разработку и анализ алгоритмов. При этом обычно частота дискретизации (скорость следования отдельных отсчетов оцифрованного сигнала) находится в пределах 7-12 тысяч отсчетов в секунду (килоГерц, kHz). Теоретически, частота дискретизации должна быть как минимум в два раза выше максимальной частоты сигнала, для того, чтобы сигнал был представим отдельными отсчетами без потерь. Количество уровней квантования для ЦАП и АЦП современных модемов достигает десятков тысяч. Обычно, поскольку с "цифровой стороны" ЦАП и АЦП пишутся или читаются в виде числа, говорят о количестве разрядов у ЦАП/АЦП, т.е., количестве разрядов двоичного числа, требуемого для представления всех возможных уровней, например, 16-разрядный АЦП может распознавать 65536 уровней, обозначаемых числами от -32768 до +32767.

Давайте посмотрим на это устройство вот с какой стороны: понятно, что его задача — пересылать информацию с одного компьютера на другой. В случае работы в Интернете — с компьютера клиента на компьютер провайдера, и наоборот. Дабы упростить себе жизнь, будем пока считать, что модем выполняет всего одну, примитивную функцию — модулятора-демодулятора цифрового сигнала (кстати, именно отсюда и взялось сокращение — модем). Будем считать, что он уже набрал номер, установил соединение, начал передавать и принимать данные, и нам интересен пока лишь процесс, как байты информации идут от удаленной стороны к нам, и наоборот. Как же это происходит?

Рассмотрим подробнее, как же модем кодирует сигнал и как помехи этому мешают. Наиболее популярные ныне протоколы передачи данных - V.34 и V.32 — используют амплитудно-фазовую модуляцию сигнала. Базовый сигнал — несущая синусоида определенной протоколом частоты при передаче модулируется, т.е. подвергаются изменению ее амплитуда, то есть уровень, и фаза (сдвиг фазы сигнала относительно немодулированной "исходной" синусоиды). При этом состояния сигнала, характеризующиеся неизменной амплитудой и фазой, последовательно сменяют друг друга. Каждое такое состояние кодирует небольшое количество битов данных и называется одним символом (не путать с буквами и цифрами). Скорость, с которой символы сменяют друг друга, называется символьной скоростью (Symbol rate в статистике модема). Она определяется протоколом, для V.32 она всегда равна 2400 символов в секунду, для V.34 может достигать 3429 символов в секунду. Таким образом, у нас уже два параметра — символьная скорость и частота несущей.

Когда один символ сменяется другим, происходит изменение (увеличение или уменьшение) амплитуды и сдвиг фазы ("вперед" или "назад") сигнала. Мгновенно ни амплитуда, ни фаза измениться не могут — это потребовало бы бесконечной скорости изменения сигнала (напряжения и тока) в канале, т.е. неограниченной полосы пропускания канала. Обычно же требуется передать максимум информации, заняв отведенный диапазон частот. Минимальный диапазон частот, требующийся для передачи сигнала, в котором фаза меняется максимально быстро (худший случай с точки зрения занятия полосы частот) вперед или назад, то есть, на половину периода несущей за один символьный интервал, в точности равен символьной скорости в Гц. Например, если фаза сигнала должна сдвигаться вперед на половину периода несущей за время передачи одного символа, частота сигнала в ходе этого перехода как минимум должна достигать ((исходной частоты несущей) + (символьная скорость)/2). В противном случае будет накапливаться "отставание" фазы сигнала от требуемой.

Для того, чтобы "вписать" сигнал в этот минимально необходимый диапазон частот, переходы между символами сглаживаются с тем, чтобы скорость изменения сигнала (и его частота, соответственно) не превышала это ограничение. Например, если требуется существенный сдвиг фазы "вперед", этот сдвиг происходит не мгновенно, а постепенно. В течение этого переходного периода частота сигнала в канале будет выше исходной частоты несущей (слышимый тон — выше), поскольку для сдвига фазы вперед требуется более быстрое изменение сигнала. И наоборот, для сдвига фазы назад требуется замедление изменения сигнала, и слышимый ухом тон — ниже. А поскольку такие переходы происходят часто (с символьной скоростью, т.е., более 2000 раз в секунду), и требуемые величины изменения фазы сигнала достаточно случайны, в результате, когда модем передает данные, мы слышим не ровный тон, или последовательность тонов, а "шипение", т.е., в среднем все частоты в рабочей полосе используются одинаково часто. Если рассмотреть спектр сигнала за длительный период времени, он будет равномерным, с центром, совпадающим с частотой исходной несущей, простирающимся в ширину симметрично влево и вправо от центральной частоты несущей на полосы частот, равные половине символьной скорости.

Таким образом, для рассматриваемых протоколов ширина спектра сигнала равна символьной скорости.

Остановимся пока на этом, и посмотрим, что же предоставляет нам телефонная линия. А предоставляет она нам обязательство пропускать наши сигналы до удаленного абонента в полосе частот от 300 до 3400 герц, и, будем надеяться, без искажений. Очевидно, что модем должен выбрать такую несущую и такую символьную скорость, чтобы несущая поместилась ровно посередине между 300 и 3400, а символьная скорость была в точности равна 3400-300. Это — необходимое и достаточное условие для того, чтобы спектр сигнала модема ровно занял весь предоставляемый канал. Если он займет меньше, значит часть канала будет неиспользована, и модем сможет передать меньше информации, чем мог бы. Если он займет больше, то часть спектра будет обрезана и удаленный модем его не получит, а, стало быть, не получит и части передаваемой информации. Вообще, есть теоретический предел пропускной способности канала, который нельзя превысить никакими силами. Сколько бы мы ни старались, и как бы мы ни приспосабливали форму нашего сигнала к параметрам линии, мы не сможем передать информации больше этого теоретического предела. Таким образом, главная задача модема — так приспособиться к каналу, чтобы передать через него все, что канал может пропустить.

Продолжим теперь про модуляцию. К паре параметров сигнала — центральной частоте и ширине спектра (т.е. частоте несущей и символьной скорости) нам надо знать про третий определяющий параметр — назовем его глубиной модуляции. Хотя это не до конца правильный термин в данном применении, но сильно похож. Он говорит о том, сколько разных состояний может быть у передаваемого сигнала. Вспомним, что модем передает один символ (не букву!), какое-то время. А затем — другой символ. Символы отличаются друг от друга. Так сколько же всего может быть разных символов? Это зависит, главным образом, от того, сколько разных амплитуд и фаз мы можем передать в канал так, чтобы с противоположной стороны их еще не путали друг с другом. Иными словами, сколько градаций по амплитуде и фазе мы можем выбрать так, чтобы с той стороны они еще однозначно отличались. Как несложно посчитать, например 16 градаций по амплитуде и 16 по фазе дают 16*16=256 различных состояний сигнала, с помощью которых можно закодировать 8 битов информации. В этом случае при символьной скорости, например, в 1000 символов в секунду мы получим скорость передачи информации ровно 8000 битов в секунду. Если глубина модуляции меньше, то есть число состояний сигнала всего 32, к примеру, то мы получим 5 бит за символ, то есть 5 килобит в секунду. Если символьная скорость возрастет до 2000, это будет уже 10 килобит в секунду.

На протоколе V.32 каждый символ соответствует группе бит. При этом эта группа, очевидно, состоит из целого числа бит — от 2 до 6. А поскольку символьная скорость равняется 2400 символов в секунду, добавление очередного бита в группу (и увеличение количества используемых символов в два раза, соответственно), приводит к увеличению битовой скорости на 2400бит/с. Именно поэтому поддерживаемые V.32 скорости — от 4800 до 14400 бит/с с шагом в 2400. Протокол V.34 кодирует символы не по одному, а группами по 8 (так называемыми "кадрами отображения", mapping frames). При этом каждая группа имеет некоторые параметры (амплитудную огибающую), общие для всех 8 символов. За счет этого на один символ может приходиться "дробное" количество бит. Однако из соображений совместимости, список поддерживаемых битовых скоростей и на V.34 состоит из скоростей, кратных 2400, даже если символьная скорость выбрана не 2400, а большая. Например, известная Вам скорость 33600 бит/сек получается при передаче 79 бит на группу из 8 символов на символьной скорости 3429.

А теперь опять посмотрим на то, что нам предоставляет линия. С точки зрения увеличения числа состояний сигнала, она предоставляет нам параметр, именуемый динамическим диапазоном. То есть разницу между самым громким и самым тихим сигналом, который линия еще может пропустить без искажений. Сверху это обычно ограничивается перегрузочной способностью канала, а снизу — уровнем шумов канала. Иначе это еще называют соотношением сигнал/шум (SNR), то есть во сколько раз сигнал на приемной стороне громче шума, к нему примешиваемого. При этом помнят о том, что увеличение громкости сигнала сверх предела, допускаемого линией, невозможно.

И, наконец, еще раз про помехи. Все они сводятся к тому, что модем либо временно перестает различать сигнал, либо вовсе теряется точка привязки, то есть происходит так называемый срыв синхронизации, и модем уже не может без специальных процедур восстановления (retrain) нормально отделять ни символы друг от друга, ни понять, насколько фаза сигнала отличается от образцовой.

Теперь краткое резюме всего изложенного.

1. Параметры канала (линии), предоставляемого нам, характеризуются центром и шириной полосы пропускания (в норме — 300-3400 герц), уровнем шумов и искажений, и максимальным уровнем сигнала, еще пропускаемого без заметных искажений. Сигнал/шум — это характеристика того, как сигнал прошел через канал, и что получилось на приемном конце.
2. Параметры сигнала модема характеризуются центром и шириной спектра (частота несущей плюс и минус половина символьной скорости), и глубиной модуляции, то есть числом возможных градаций состояний сигнала.
3. Параметры канала ограничивают в принципе скорость передачи информации с одной стороны, а модем работает тем лучше и тем быстрее ее передает, чем полнее он занимает канал, и чем ближе параметры генерируемого им сигнала совпадают с возможностями, предоставляемыми каналом.
4. Кроме предыдущего пункта, важное значение имеют помехи: при прочих равных условиях, они вынуждают модем делать передаваемые символы более грубыми, и передавать их более длительное время, то есть снижать в результате скорость передачи информации.
5. Запомните на будущее две простые формулы: 1. Символьная скорость умноженная на глубину модуляции есть битовая скорость. 2. Ширина канала, потребная для передачи сигнала, равна символьной скорости, при этом центр полосы пропускания канала равен частоте несущей.

Часть вторая — что такое телефонная линия, и как она мешает нам жить.

Телефонная линия представляет собой пару проводов, которые идут от Вас на АТС, некоторое оборудование на АТС, называемое абонентским комплектом, затем межстанционное оборудование, которое передает сигнал на удаленную АТС, там имеется удаленный абонентский комплект, от которого идет пара проводов до провайдера(к примеру). Таким образом, первая интересная нам особенность состоит в том, что телефонная линия — это не просто два провода, которые у Вас на столе начались, а у провайдера — закончились. К сожалению, все намного сложнее и капризнее. Что же предоставляет Вам АТС при помощи всей этой цепочки? Идеально — некий канал для передачи аналоговой информации, то есть — голоса, с некими нормированными параметрами, такими как затухание сигнала, полоса пропускания, уровень шумов, динамический диапазон и т.п., то, что в сумме своей отличает хорошую линию от плохой. В реальной же жизни, кроме всего упомянутого по ГОСТу, как правило, Вам "предоставляются" в нагрузку еще одно или несколько из:

1. Чрезмерное ослабление сигнала (слышно тихо).
2. Импульсные помехи (трески, щелчки, резкие изменения громкости и т.п.)
3. Постоянные помехи (фон, разговор соседей, музыка от радио, гудение)
4. Перекос АЧХ (глухой звук, плохая разборчивость)
5. Нелинейные искажения (дребезжащий голос)
6. Дрожание фазы и амплитуды (как пленка проскакивает на магнитофоне)
7. Смещение спектра сигнала (не слышно ухом)
8. Медленное уплывание параметров линии (не слышно ухом)

К чему все это приводит? Если кратко, то к очень простой вещи: модем кодирует каждый байт информации определенным состоянием сигнала, который он передает на другую сторону. Удаленный модем смотрит на линию, определяет форму, фазу, амплитуду и т.п. сигнала, и декодирует это опять в байты информации. Если линия вносит искажения, то состояния сигнала становятся плохо различимыми на удаленной стороне, или, хуже того, начинают путаться друг с другом, и удаленный модем неправильно декодирует информацию, получая неверный результат.

А откуда это все берется? Оттуда же, откуда и разбитые дороги. И исчезнет тогда же. Причем, как правило, основные проблемы вносят либо соединительные провода до Вас, либо межстанционная аппаратура. Первое обычно трещит, а второе — искажает и ослабляет. Мы рассмотрим далее, как можно бороться и с тем, и с другим.

Но стоит обратить внимание и на еще один источник проблем. Это, как ни странно, то, что стоит у Вас, у абонента! Первейший враг модемной связи и источник снижения ее качества — это разного рода офисные АТС. Причем, вовсе не кустарные поделки наших или китайских умельцев, а именно дорогие миниАТС ведущих фирм. Кустарные-то поделки обычно представляют в основном реле, которые коммутируют ваш телефон на городскую линию и все, а вот серьезные миниАТС обычно имеют еще довольно много сервиса, который реализуется за счет дополнительных подключений к сигнальным проводам. Вы можете быть сильно удивлены, увидев лично разницу в работе между прямым подключением модема к телефонным проводам, и подключением через офисную станцию.

Вторым врагом в Вашем доме являются телефоны, подключенные не после модема, для чего у него сделано второе гнездо, а параллельно модему. То, что на телефоне повешена трубка, ничего не меняет: он же в состоянии воспринимать звонок и звенеть, а, стало быть, подключен к телефонной линии и искажает сигнал на ней. Особенно плохо с советскими АОНами, которые не только портят сигнал пассивно, но в придачу еще и активно подмешивают в линию фон от сети, шумы от низкокачественной собственной электроники и т.п. Вообще, гениальное, как все простое, правило: приходящий к Вам сигнал нельзя улучшить, подключая к линии что-либо, его можно либо ухудшить, либо, в лучшем случае, не ухудшить. Уж что пришло - то Ваше, но больше Вы из линии не добудете, что к ней ни подключайте. Можно либо сохранить то, что пришло, и отдать это на обработку модему, либо сначала испортить. Всякие поделки из серии "улучшатель приема факсов" не выдерживают никакой критики, и могут пригодиться лишь для самых дешевых факсов и модемов, поскольку в любом серьезном модеме электроники на входе стоит на порядок больше, чем в этих поделках, и ничего нового они туда добавить не могут. Если их авторы рекламируют улучшение параметров сигнала, например сигнал/шума, то, следуя логике, если поставить их подряд штук 100, то можно так его улучшить, что модемы начнут работать быстрее локальной сети! Мы оставим за пределами нашего цикла рассмотрение идей с вечными двигателями и прочими внешними улучшателями сигнал/шумов.

Третий враг связи в Вашем доме — это разного рода уплотнительные устройства, такие как АВУ. Даже если АВУ стоит у Ваших соседей, а у Вас — низкочастотный канал, то все равно на лестнице Вы найдете такую круглую коробку с катушками, которая портит жизнь не только соседскому модему, но и Вашему тоже, поскольку вносит фазовые и частотные искажения в сигнал. Убирать эту катушку нельзя, иначе при наборе номера на Вашем телефоне у соседей в трубке будет нечто, похожее на стрельбу из пулемета. Кроме АВУ, те же проблемы дает и блокиратор, если телефон спаренный.

Часть третья — почему модемы стоят по-разному.

Кроме понятных причин — реклама, имя фирмы, наценки торговли, есть главная, по которой модемы отличаются, бывает больше чем в 10 раз по цене друг от друга: насколько они в состоянии обработать то, что к ним приходит, без потерь. Как отмечалось выше, есть некоторый теоретический предел скорости передачи сигнала через телефонную сеть, и все отклонения от оптимальных решений лишь понижают скорость. Не считая набора сервисных и дополнительных возможностей, таких как голосовой режим, прием факсов и т.п., цену модема, главным образом, определяют три вещи:

1. Насколько дорогая аппаратура стоит в его аналоговой части, то есть насколько качественно он может принять тот сигнал, который пришел к Вам по проводам от удаленного модема, без потерь и искажений. Очевидно, что если сигнал пришел очень тихим, то модем должен быть весьма чувствительным и иметь очень низкий уровень собственных шумов, чтобы не испортить то, что пришло перед обработкой его процессором. Какими бы задумчивыми ни были алгоритмы обработки сигнала далее, но если во входной части модема стоит маленький трансформатор, малоразрядный АЦП или дешевая схема набора номера и удержания снятой трубки, пришедший сигнал будет зашумлен и искажен, то есть — безвозвратно испорчен, еще до начала его обработки процессором модема. В конечном итоге, важно соотношение сигнал/шум не на проводе, который входит в Вашу комнату, а уже в цифровом потоке, поступающем на вход процессора модема. Кто это соотношение испортил — межстанционные соединения, провода до Вас, Ваш любимый телефон с АОН, стоящий параллельно, или дешевый АЦП на модеме — не важно. Важно, что то, что поступает на обработку процессору модема, уже будет иметь потери информации, возникшие из-за всех этих воздействий.
2. Насколько сложные и ресурсоемкие алгоритмы цифровой обработки сигнала используются. Допустим, на вход процессора модема поступил (о чудо!) сигнал совсем не искаженный у Вас в комнате, такой, какой пришел к Вам в комнату. Кроме безвозвратных потерь информации, то есть снижения сигнал/шум, есть еще искажения информации, которые еще можно восстановить. Например, перекос АЧХ дает эффект снижения уровня верхних частот в сигнале, и это в некотором объеме можно восстановить путем правильного фильтрования сигнала. Другой способ восстановления потерянной информации — использование избыточности, заложенной в протокол передачи данных, для коррекции ошибок. Одно из важнейших и самое ресурсоемкое устройство в модеме — треллис-декодер, который позволяет оценивать не символы по отдельности, а набор символов как единое целое, компенсируя недостоверность единичного символа за счет того, что последовательные символы связаны друг с другом (но не все последовательности символов разрешены). Чем качественнее (соответственно, скорее всего дороже) модем, тем больше этих и дополнительных циклов обработки сигнала он проводит. Тем более искаженный сигнал еще может быть правильно обработан, и тем более резкие помехи еще не вызовут срыва синхронизации.
3. Насколько адекватно поведение модема в сложной помеховой обстановке.

Часть модема, называемая супервизором, может только понижать скорость передачи при увеличении помех на линии, а может гораздо более детально отслеживать все, что происходит, и так варьировать параметры модуляции сигнала, чтобы в минимальной степени снижать скорость передачи, наиболее точно подстраиваясь под особенности данной телефонной линии. Как бы хорошо ни работала аналоговая часть модема и алгоритмы цифровой обработки, но если параметры модуляции будут выбраны неадекватно, или же модем будет плохо отслеживать изменение состояния линии и не вовремя их изменять, то о близкой к теоретически-максимальной скорости передачи информации можно смело забыть. Причем, если первые два пункта можно строить по принципу "сколько есть денег, на столько и припаяем/напишем", то адекватность поведения модема на линии измеряется не только объемом затраченных на разработку или заплаченных клиентом денег, поскольку ведь ни модем, ни его разработчики никогда не знают точно, что произойдет на линии через пять секунд, и не могут выбрать единственно верное поведение в данный момент. Поэтому задача определения поведения модема на линии решается в первую очередь на основании знаний особенностей телефонии в данном конкретном месте, и написании тысячи алгоритмов и алгоритмиков, которые пытаются распознать типичные проблемные ситуации и выбрать адекватное решение. Надо ли говорить, что ни одна, даже самая ведущая западная фирма никогда не сможет сделать ничего похожего, поскольку не знает (а как правило — и не желает знать) всего того, чем отечественная телефония отличается от нормальной. В отличие от автомобиля, где большие колеса и крепкая подвеска решают проблемы плохих дорог, модем должен именно подстраиваться под линию, в нем нельзя просто поставить передатчик на два киловатта и приемник на полмикровольта, чтобы справиться с нашими плохими линиями.

Как модем борется с проблемами на линии.

1. Чрезмерное ослабление сигнала (слышно тихо).

Для того, чтобы основные подсистемы модема работали хорошо, необходимо, чтобы сигнал на их входе был в области допустимых значений, т.е. не переполнял разрядную сетку и не был слишком мал.

Для нормирования мощности сигнала на входе, практически все модемы имеют систему АРУ (Автоматическую Регулировку Усиления), призванную приводить мощность сигнала к требуемому последующими системами модема уровню. Базовая идея системы достаточно проста — необходимо периодически измерять мощность сигнала на входе и так подстраивать коэффициент усиления (множитель, на который умножается входной сигнал в простейшем случае), чтобы после этого коэффициента мощность сигнала соответствовала ожидаемой. Т.е. происходит ослабление или усиление входного сигнала.

Очевиден тот факт, что при усилении тихого сигнала вместе с полезным сигналом во столько же раз усиливаются и шумы, т.е., соотношение сигнал/шум улучшено быть не может в любом случае. А вот ухудшено может быть легко. Например, если АРУ выполнено исключительно в цифровой части модема (после АЦП), и АЦП имеет небольшое количество разрядов, возможно, что подавляющая часть разрядов АЦП будет использоваться только при работе с очень громкими сигналами, а на обычной телефонной линии реально "работать" будут немного разрядов, например, как будто использован не 16-разрядный АЦП, а 3-разрядный. Небольшое количество разрядов (и, соответственно, распознаваемых уровней напряжения для АЦП) может привести к тому, что цифровой сигнал будет неточно соответствовать аналоговому сигналу на входе модема. При этом неизбежно ухудшение связи. Эффект очень похож на добавление шума в линию, с мгновенными значениями равными половине разницы между соседними уровнями квантования — недаром такие шумы называются "шумами квантования". Для уменьшения шумов квантования АЦП должен иметь достаточно высокое разрешение (количество разрядов) для того, чтобы обеспечивать требуемую точность во всем диапазоне входных сигналов (с учетом работы внутреннего АРУ). Иногда в "продвинутых" модемах в аналоговую часть встраиваются системы управления усилением входного сигнала еще до АЦП (для увеличения количества разрядов АЦП, реально используемых при работе модема).

2. Эхо ("заворот" собственного сигнала назад или отражения от дальних объектов).

Практически все скоростные протоколы передачи данных, предназначенные по телефонной сети, используют один и тот же диапазон частот и для передачи и для приема (напомним, что современные протоколы, такие как V.32 и V.34, являются дуплексными, т.е., передача ведется одновременно в двух направлениях). Несмотря на то, что два сигнала в одном диапазоне, казалось бы, должны мешать друг другу, этого не происходит. Дело в том, что при правильном согласовании сопротивления модема, телефонного кабеля и станционного оборудования, модем не должен слышать сигнала, который сам передает. Между АТС, как правило, используется каналообразующая аппаратура, в которой прием и передача вообще разделены. И если удаленный модем, кабель от него до абонентского комплекта и сам абонентский комплект также правильно согласованы, то передатчик нашего локального модема в принципе не должен мешать работать его приемнику. На практике, к сожалению, все не так просто. Из-за рассогласованности сопротивлений аппаратуры и кабелей, "заворот" сигнала передатчика на свой же приемник может во много раз превышать сигнал удаленного модема, особенно, если он сильно ослаблен из-за плохого состояния кабелей или разрегулированности аппаратуры АТС. Кроме того, возможно возвращение задержанного по времени "эха" сигнала, возникающего по той же причине, с противоположного конца. Возможно даже наличие нескольких "эхо", возникающих благодаря некачественным стыкам кабелей, участкам переприема, и т.п. К счастью, большинство причин возникновения "эхо" стационарны (не изменяются или медленно меняются во времени), и могут быть описаны линейной моделью канала. Это делает возможным для модемов оценить вид "эхо" на этапе установления соединения (или после установления соединения соединения в ходе "ретрейна"), построить модель канала, и в дальнейшем, зная, какой сигнал передается, рассчитывать ожидаемое "эхо" и вычитать его из принимаемого сигнала, делая возможным распознавание сигнала удаленного модема даже на фоне достаточно громкого "заворота" собственного сигнала.

Задачей оценки и подавления эхо собственного сигнала занимается подсистема под названием "эхогаситель" ("echo-canceller"). Как и большинство задач в обработке сигналов, эта задача может решаться более или менее успешно. Как правило, эхогаситель моделирует образование эхо в канале, используя линейный фильтр с конечным размером временного отклика, размер которого определяется количеством коэффициентов фильтра. Если этот размер недостаточен для того, чтобы адекватно "покрыть" эхо, часть эхо-сигнала останется непогашенной, и, соответственно, прибавится на последующих стадиях обработки к остальным шумам. Если по тем или иным причинам модель канала рассчитана не точно (шумы помешали правильно настроить фильтр, разрядности коэффициентов фильтра не хватило, алгоритм настройки был выбран неудачно), ошибка в оценке эхо также прибавится к шумам в дальнейшем. Кроме того, если эхо имеет нелинейную природу и не может быть описано применяемой моделью, также погасить его не удастся. К счастью, последнее бывает достаточно редко.

В худшем случае, если остаточная ошибка будет настолько велика, что не позволит нормально детектировать сигнал удаленного модема, связь установить не удастся.

3. Перекос АЧХ (глухой звук, плохая разборчивость)

Практически любой телефонный канал в той или иной степени искажает амплитудно-частотную характеристику сигнала. В результате, какие-то частоты ослабляются (обычно на краях полосы пропускания, особенно сверху), какие-то усиливаются. Это приводит к тому, что на определенных переходах между символами (соответствующих усиливаемым частотам) сигнал усиливается, на других (соответствующих ослабляемым частотам) сигнал ослабляется. В результате, символы могут смещаться и "заезжать" слегка друг на друга. Для того, чтобы продетектировать их на приемном конце, необходимо компенсировать эти искажения.

Этой задачей обычно занимается "эквалайзер" модема, выполняющий функции, сходные с функциями эквалайзера бытовой аудиоаппаратуры, с той лишь разницей, что обычно количество параметров его гораздо больше, настраивается он автоматически на этапе установления соединения или "ретрейна", и качество его настройки может быть охарактеризовано количественно — тем, насколько близок сигнал на его выходе к желаемому. Как правило, эквалайзер выполняется в виде линейного адаптивного фильтра, т.е. исходят из линейной модели канала, что обычно очень близко к реальности. Также, как и в случае с эхогасителем, все, что не смог компенсировать эквалайзер, становится дополнительными шумами, мешающими работать последующим подсистемам модема.

Компенсация искажений на приемной стороне эквалайзером имеет свою оборотную сторону. Если мы поднимаем частоты, сильно ослабленные каналом, происходит также усиление шумов на этих частотах. Для сохранения соотношения сигнал-шум в современных протоколах (например, V.34) применяют предыскажение сигнала на передающей стороне, например, подъем верхних частот (продолжая аналогию с бытовой аудиоаппаратурой, можно заметить, что популярная в свое время в бытовой аналоговой звукозаписи система шумоподавления "Dolby B" идет тем же путем — при записи на магнитофон высокие частоты искусственно усиливаются, при воспроизведении — ослабляются, в результате высокочастотные шумы магнитофона меньше слышны при воспроизведении). В протоколе V.34 предусмотрено два вида предыскажений сигнала при передаче: "pre-emphasis" и "non-linear precoding". Первое есть ни что иное, как использование одного из нескольких предусмотренных стандартом фиксированных фильтров, в большей или меньшей степени поднимающих верхнюю часть спектра сигнала при передаче. Второй вид предыскажений ("нелинейный прекодер") использует настраиваемые коэффициенты, определяемые принимающим модемом при установлении соединения с тем, чтобы внести в сигнал предыскажения, по возможности точно компенсирующие искажения, вносимые каналом связи. Фактически, это "кусочек" эквалайзера принимающего модема, перенесенный на передающую сторону. Слово "нелинейный" объясняется тем, что при внесении предыскажений прекодер может "скачкообразно" заменить передаваемые символы с целью гарантирования стабильности фильтра прекодера (поскольку последний имеет обратную связь).

Не следует путать "нелинейный прекодер" с еще одной "нелинейной" штукой — "нелинейным кодированием созвездия", которое некоторые модемы называют "warping". Последнее есть нелинейное (точнее, близкое к логарифмическому) отображение передаваемых символов, при котором символы, имеющие большую амплитуду, оказываются на большем расстоянии друг от друга, а имеющие относительно небольшую амплитуду — оказываются расположенными более плотно. Возможность такого кодирования предусмотрена на таких протоколах, как V.34, а также V32Terbo. "Нелинейное кодирование созвездия" производится для того, чтобы расстояния между символами примерно соответствовали уровням квантования телефонного сигнала, передаваемого через цифровую каналообразующую аппаратуру, получившую большое распространение во всем мире. Цифровые телефонные системы передают звук в цифровом виде, в аналоговую форму он преобразуется только на "концах" канала, где происходит сопряжение с аналоговой аппаратурой и собственно абонентской линией с использованием ЦАП и АЦП (почти как в модеме). А поскольку эти системы изначально разрабатывались и используются в первую очередь для передачи человеческого голоса, их АЦП и ЦАП обычно используют такую сетку квантования уровней напряжения в линии, в которой чем больше напряжение — тем дальше друг от друга располагаются уровни квантования. Такая "логарифмическая" шкала примерно соответствует чувствительности человеческого уха, что позволяет при использовании относительно небольшого количества уровней закодировать звук, сохраняя субъективное его качество.

Если модем будет использовать для передачи по такому каналу равномерно распределенные уровни, то символы с большой амплитудой будут получать большие ошибки из-за "логарифмического квантования" канала. При использовании "нелинейного кодирования созвездия", уровни сигнала, используемые модемом, лучше соответствуют "логарифмическому квантованию" канала. И наоборот, если канал связи не использует логарифмического квантования (не содержит цифровых каналообразующих систем, а есть либо просто "кусок провода", либо проходит только через аналоговую аппаратуру), использование "нелинейного кодирования созвездия" может ухудшить качество связи, поскольку символы с малыми уровнями будут более подвержены шуму, чем были бы все символы, если бы использовалась равномерная шкала. Поэтому большинство модемов позволяют включать или выключать это кодирование.

4. Постоянные помехи (фон, гудение, разговор соседей, музыка от радио)

Помехи (шум, посторонние звуки) в канале складываются с сигналом передающего модема, в результате принимаемые на противоположной стороне символы отличаются от того, что должно было бы быть получено. И, если искажения АЧХ канала модем может оценить и компенсировать, то случайные воздействия на сигнал из-за помех предсказать и учесть невозможно в принципе. Если помехи имеют локализованный частотный спектр, т.е., не совсем случайны — например, помехи в области нижних частот из-за "помех питания" — 50Гц и их гармоники, или высокочастотные шумы с верхней стороны спектра, то модем может попытаться выбрать для работы такую полосу частот, которая не перекрывается со спектром шумов. Например, протокол V.34 для этого имеет возможность некоторого варьирования ширины используемой для работы полосы частот (выбором одной из 6 символьных скоростей) и перемещения ее "вверх" или "вниз" по спектру путем выбора одной из двух несущих. Возможность использования той или иной полосы частот для работы выбирается на этапе установления соединения или "ретрейна", по результатам тестирования линии. Другие стандартные протоколы не имеют и таких возможностей. К сожалению, для обеспечения высокой скорости передачи требуется широкая полоса сигнала, поэтому, если шумы не локализованы в нижней или верхней части спектра, скорее всего, их полоса перекроется с полосой, используемой для передачи данных, даже если шум узкополосный. Иногда это приводит к полной невозможности использования скоростного протокола, типа V.34 или V.32. В таких случая, возможно, удастся передать данные с использованием низкоскоростных протоколов (например, V.22/V.22bis), обеспечивающих передачу со скоростями 1200 или 2400бит/с, или даже V.21 (300бит/c).

Если шумы находятся в той же полосе частот, что и полезный сигнал, разделить их невозможно и они неизбежно приведут к искажению символов при приеме. Тем не менее, если шумы не очень велики, возможно, что путем уменьшения "глубины модуляции" т.е. увеличения расстояния между символами за счет уменьшения количества используемых символов удастся добиться того, что искажения будут меньше расстояний между символами, и последние будут детектироваться правильно. При этом, конечно, снизится скорость передачи данных, поскольку для кодирования данных будет использоваться меньшее количество символов. До появления V.34 (например, на протоколе V.32), изменение скорости передачи (глубины модуляции) было единственным "рычагом", позволяющим учесть особенности линии и найти компромисс между устойчивостью работы и скоростью передачи. Собственно, и на V.34 нахождение этого компромисса остается одним из главнейших условий качественной работы модема. Задача усложняется тем, что шумы зачастую пропадают и появляются вновь, изменяются по своей мощности, а модем должен это отслеживать и в идеале в каждый момент времени обеспечивать оптимальный баланс устойчивости связи и скорости передачи данных.

Помимо того, что шумы непосредственно вносят ошибки в работу детектирующей системы модема, они могут наносить вред опосредовано, через влияние на работу других подсистем. Например, шумы во время настройки эхогасителя или эквалайзера модема могут привести к тому, что эти подсистемы настроятся не до конца, или неправильно, и в дальнейшем уже они сами будут вносить дополнительные шумы, с теми же последствиями, что и шумы канала. Или, сильный шум может привести к расстройке подсистемы синхронизации модема (подсистемы, определяющей позиции принимаемых символов в сигнале, и отслеживающей временные расхождения, вызванные разницей в скоростях работ передающего и принимающего модемов, и дрожанием фазы сигнала из-за дефектов каналообразующей аппаратуры). При расстройке этой системы принимающий модем не сможет корректно распознавать символы, поскольку он не будет "знать", где кончается один символ и начинается следующий.

5. Импульсные помехи (трески, щелчки, резкие изменения громкости и т.п.)

Зачастую помехи носят импульсный характер, т.е. имеют вид очень кратковременных выбросов сигнала, тресков. Специфика таких помех заключается в их обычно большой амплитуде (больше среднего уровня шумов канала) и малой продолжительности. Практически все современные скоростные протоколы (V.32 и V.34) имеют средства для борьбы с кратковременными (порядка одного или нескольких символов) сериями "больших шумов". Это — корректирующие коды. В рассматриваемых протоколах нашли применение так называемые сверточные коды. Суть кодирования заключается в том, что передаваемые символы формируются не независимо "каждый сам по себе", а каждый последующий символ зависит как от данных, которые он кодирует, так и от текущего состояния кодера, т.е., некоторой предыстории. В каждом конкретном состоянии кодера возможно использование только некоторого подмножества символов. В результате не все последовательности символов разрешены. Код называется "сверточным", потому что кодирование происходит непрерывно, путем "сворачивания" поступающих на вход кодера информационных и избыточных битов, выбирающих разрешенные в каждом состоянии подмножества символов (другая разновидность корректирующих кодов — "блочные" коды, в которых информация кодируется блоками, с добавлением в каждый блок избыточных символов — не нашла применения в современных модемных протоколах).

Зная ограничения, накладываемые на последовательность символов кодером, принимающий модем может оценивать достоверность уже не отдельных принимаемых символов, а последовательности символов. В результате, если на один символ шум оказал большое влияние, а другие соседние остались не сильно искаженными — модем может исправить эту ошибку, оценив последовательность в целом. В конечном итоге использование корректирующего кода приводит к тому, что обеспечивается большая надежность связи (или можно выбрать большую скорость передачи данных).

Отрицательным моментом использования корректирующих кодов является большая вычислительная сложность их декодирования. Обычно, принимающий модем должен рассматривать непрерывно несколько гипотез о принимаемых последовательностях символов и на каждом шаге выбирать из них лучшую. Для достижения компромисса между помехоустойчивостью и вычислительной сложностью, стандарт V.34 предусматривает три вида корректирующих кодов возрастающей сложности (и, соответственно, помехозащищенности). Модем, удовлетворяющий стандарту V.34, может иметь декодер не на все три кода, или может не обеспечивать работу более сложных декодеров на старших символьных скоростях (требующих большего быстродействия процессора модема). Кроме того, длина анализируемой последовательности символов может быть уменьшена для экономии памяти или быстродействия. Все это может привесит к тому, что V.34 модем не реализует всего потенциала, заложенного в протоколе.

6. Нелинейные искажения (дребезжащий голос)

К сожалению, нелинейные искажения в общем случае необратимы, и, соответственно, не могут быть адекватно компенсированы принимающим модемом. Одна из наиболее типичных причин нелинейных искажений — искажения из-за перегрузки канала. Если передаваемый сигнал имеет слишком сильную амплитуду, он может быть нелинейно ограничен сверху - грубо говоря, "обрезан". При этом форма сигнала может измениться достаточно сильно. Единственное решение, которое может помочь в этом случае — уменьшить амплитуду сигнала на передаче, чтобы не вызывать перегрузок. Уменьшение мощности передатчика имеет и другой плюс — поскольку эхогаситель работает не идеально, часть передаваемого сигнала все же попадает в приемник в виде шумов. Уменьшение мощности передатчика уменьшит и это остаточное эхо, что улучшит условия работы собственного приемника. Многие модемы предусматривают возможность ручной регулировки уровня передачи. Протокол V.34 предусматривает возможность уменьшения уровня передачи передающим модемом по рекомендации принимающей стороны. Наиболее "продвинутые" модемы могут также иметь "интеллектуальные" системы управления мощностью своего передатчика в зависимости от условий на линии, преимущественного направления передачи данных и т.д.

7. Дрожание фазы и амплитуды (как пленка проскакивает на магнитофоне)

Быстротекущие дрожания фазы сигнала могут происходить из-за нестабильности задающих генераторов каналообразующей аппаратуры. Более протяженные во времени эффекты могут быть связаны с буферизацией или потерей данных в цифровой каналообразующей аппаратуре. В зависимости от скорости изменения, эти эффекты в большей или меньшей степени успешно могут отслеживаться подсистемой символьной синхронизации, поскольку именно к небольшим перемещениям символов по временной оси вперед-назад сводятся подобные искажения сигнала. Нескомпенсированные искажения "участвуют" в дальнейшей обработке сигнала как дополнительные шумы. Значительные искажения могут привести к срыву символьной синхронизации вообще и необходимости ретрейна для восстановления синхронизации.

8. Смещение спектра сигнала (обычно не слышно ухом)

Смещение спектра сигнала вверх или вниз возможно из-за расстроенности генераторов аналоговой каналообразующей аппаратуры. При этом временная шкала не искажается, но происходит равномерный сдвиг всех частот вверх или вниз, обычно относительно несильный, такой, что человеческое ухо этого не слышит. Например, несущая становится не 1800Гц, а 1805Гц. Модемы обычно имеют подсистему синхронизации частоты, которая отслеживает и компенсирует сдвиг частоты.

9. Медленное уплывание параметров линии (не слышно ухом)

Под параметрами линии мы здесь понимаем, прежде всего, то, что влияет на работу модема и, соответственно, оценивается и корректируется его подсистемами. К таковым относятся, например, коэффициент усиления (или затухания) сигнала в канале, амплитудно- и фазочастотная характеристика канала, вид эха, сдвиг частоты. Большинство жизненно важных параметров определяется на этапе установления соединения (или ретрейна), в первую очередь — вид АЧХ (настройка эквалайзера) и эха (настройка эхогасителя). Для этого протоколом выделяются специальные фазы, поскольку для того, чтобы настроить эхогаситель, необходимо "молчание" с противоположной стороны. И наоборот, при настройке эквалайзера полезно выключить свой передатчик, чтобы свой сигнал не добавлялся к искажениям канала.

В некоторых случаях параметры канала могут медленно меняться с течением времени, например, из-за изменения температуры блоков каналообразующей аппаратуры. Модем пытается в ходе своей работы отслеживать эти медленные изменения и корректировать, соответственно, свою работу. Это он может делать более или менее успешно. Обычно, достаточно легко парировать небольшие изменения затухания канала, небольшие изменения АЧХ (требуемых настроек эквалайзера), изменения смещения несущей. Известная проблема при разработке подобных следящих систем — найти компромисс между двумя противоречивыми требованиями: обеспечить, чтобы система успевала отслеживать достаточно быстрые изменения контролируемого параметра с одной стороны, и не спешила считать таковыми изменениями кратковременные "шумовые" выбросы параметра, с другой стороны. Еще хуже обычно удается следить за плаванием характеристик эха канала, поскольку постоянно присутствующий сигнал удаленного модема обычно много громче остаточного эха (подсистема работает в условиях, когда шум много превышает полезный сигнал).

В худшем случае, модему может не удастся "по ходу дела" подстроить какую-либо подсистему и качество декодирования заметно падает (либо из-за изменения условий в канале, либо из-за "расстройки" принимающих подсистем модема). Тогда для восстановления правильности настройки требуется ретрейн — специальные действия, предусмотренные протоколом для повторного оценивания параметров линии, как при начальном установлении соединения. В этом случае, если у модема включен звук, мы услышим характерные "трели", сильно отличающиеся от нормального "шипения".

Слишком частые ретрейны несут с собой две неприятные вещи — во-первых, передача данных в обе стороны на этот период останавливается. Может оказаться, что работа на большей скорости с меньшей надежностью "не стоит свеч" из-за того, что модем большее время проводит в ретрейнах, чем передавая данные (заметим, что на V.34 время одного ретрейна может достигать нескольких секунд). Во-вторых, ретрейн на V.34 — довольно сложная логически процедура, имеющая несколько фаз, в ходе которых используются различные сигналы для измерения параметров канала и различные виды модуляций для передачи служебных данных. Поэтому ретрейн может быть "слабым местом" как из-за возникших в "неподходящее" время шумов (не давших возможности распознать вовремя нужный сигнал, например), так и из-за неучтенных особенностей в реализации протокола у локального или удаленного модема. Например, наличие слабого узкополосного сигнала-помехи на самом краю рабочей полосы, не очень сильно мешающего передаче данных, может не дать продетектировать вовремя один из сигналов в ходе ретрейна, из-за чего соединение так никогда и не будет установлено.

Итак, модемы и модуляция-демодуляция...

Понятие "модем" является сокращением от известного компьютерного термина модулятор-демодулятор. Модем - это устройство, которое преобразовывает цифровые данные, исходящие из компьютера, в аналоговые сигналы, которые могут передаваться по телефонной линии. Все это дело называется модуляцией. Аналоговые сигналы затем вновь преобразовываются в цифровые данные. Это дело называется демодуляцией.

Схема весьма простая. В модем из центрального процессора компьютера поступает цифровая информация в виде нулей и единиц. Модем анализирует эту информацию и преобразовывае.т ее в аналоговые сигналы, которые и передаются через телефонную линию. Другой модем получает эти сигналы, преобразовывает их опять в цифровые данные и посылает эти данные назад в центральный процессор удаленного компьютера.

Modulation type (Тип модуляции), которая позволяет выбирать частотную или импульсную модуляцию. На всей территории России используется импульсная модуляция.

Аналоговый и цифровой сигналы

Телефонная связь осуществляется через так называемые аналоговые (звуковые) сигналы. Аналоговый сигнал идентифицирует информацию, которая передается непрерывно, в то время как цифровой сигнал идентифицирует только те данные, которые определены на кокретном этапе передачи. Преимущество аналоговой информации перед цифровой есть способность полностью представить непрерывный поток \ информации.

С другой стороны на цифровые данные менее сказываются разного рода шумы и скрежеты. В компьютерах данные хранятся в индивидуальных битах, суть которых есть 1 (начать) или О (закончить).

Если все это дело представить графически, то аналоговые сигналы есть синусоидальные волны, в то время как цифровые сигналы представляются в виде прямоугольных волн. Например, звук является аналоговым сигналом, поскольку звук всегда изменяется. Таким образом, в процессе пересылки информации по телефонной линии, модем получает цифровые данные от компьютера и преобразовывает их в аналоговый сигнал. Второй модем, находящийся на другом конце линии, преобразовывает эти аналоговые сигналы в исходные цифровые данные.

Интерфейсы

Вы можете использовать модем в вашем компьютере с помощью одного из двух интерфейсов. Ими являются:

MNP-5 Последовательный интерфейс RS-232.

MNP-5 Четырехконтактный телефонный кабель RJ-11.

Например, внешний модем подключается к компьютеру посредством кабеля RS-232, а к телефонной линии - с помощью кабеля RJ11.

Сжатие данных

В процессе передачи данных необходима скорость большая, чем 600 битов за секунду (bps или бит\сек). Связано это с тем, что модемы должны собрать биты информации и передавать их далее через более сложный аналоговый сигнал (весьма мудреная схема). Сам процесс подобной передачи допускает передачу многих битов данных в одно и то же время. Понятно, что компьютеры более чувствительны к передаваемой информации и поэтому воспринимают ее намного быстрее, чем модем. Это обстоятельство порождает дополнительное время модема, соответствующее тем битам данных, которые необходимо как-то сгруппировать и применить к ним те или иные алгоритмы сжатия. Так появились два так называемых протокола сжатия:

MNP-5 (протокол передачи, имеющий степень сжатия 2:1).

V.42bis (протокол передачи, имеющий степень сжатия 4:1).

Протокол MNP-5 обычно используется при передаче тех или иных уже сжатых файлов, в то время, как протокол V.42bis применятся даже к несжатым файлам, так как он может ускорять передачу именно таких данных.

Нужно сказать, что при передаче файлов, если протокол V.42bis вообще недоступен, то лучше всего отключить и протокол MNP-5.

Коррекция ошибок

Коррекция ошибок - метод, с помощью которого модемы тестируют пересылаемую информацию на предмет наличия в ней тех или иных повреждений, возникших в течение передачи. Модем разбивает подобную информацию на маленькие пакеты, которые называются фреймами. Передающий модем присоединяет так называемую контрольную сумму к каждому из этих фреймов. Модем получения проверяет, соответствует ли контрольная сумма посланной информации. Если - нет, то фрейм опять пересылается.

Фрейм является одним из ключевых терминов передачи данных. Под фреймом понимают базовый блок данных с заголовком, присоединенной к этому заголовку информацией и данными, которые и завершают сам фрейм. Добавленная информация включает номер фрейма, данные о размере передаваемого блока, синхронизирующие символы, адрес станции, код коррекции ошибок, данные переменного объема и так называемые индикаторы Начало передачи (стартовый бит)/Конец передачи (стоп-бит). Это означает, что фрейм является пакетом информации, который передается ^как одно целое.

Например в Windows 98 в параметрах настройки модема существует опция Stop bits (Стоповые биты), которая позволяет установить количество стоповых битов. Стоповые биты данных являются одной из разновидностей так называемых граничных служебных битов. Столовый бит определяет конец цикла при асинхронной передаче (промежуток времени между передаваемыми символами меняется) данных в кратковременном цикле.

Протоколы MNP2-4 и V.42

Несмотря на то, что коррекция ошибок может замедлять передачу данных на шумных линиях, этот метод обеспечивает надежную связь. Протоколы MNP2-4 и V.42 являются протоколами коррекции ошибок. Эти протоколы определяют, каким образом модемы проверяют данные.

Как и протоколы сжатия данных, протоколы коррекции ошибок должны поддерживаться как передающим, так и принимающим модемами.

Управление потоком или Flow Control

В процессе передачи один модем может пересылать данные намного быстрее, чем другой модем может принимать эти данные. Так называемый метод управления потоком позволяет сообщить принимающему модему информацию о том, чтобы этот модем в какие-то моменты времени приостанавливал прием данных. Управление потоком может быть реализовано как на программном (XON/XOFF - Старт-сигнал/Стоп-сигнал), так и на аппаратном (RTS/CTS) уровнях. Управление потоком на программном уровне осуществляется через пересылку определенного знака. После того, как сигнал получен, передается другой символ.

Например, в Windows 98 в параметрах настройки модема существует опция Data bits (Биты данных), которая позволяет установить информационные биты данных, используемые системой для выбранного последовательного порта. Стандартный набор символов компьютера состоит из 256 элементов (8 бит). Поэтому опция по умолчанию есть 8. Если ваш модем не поддерживает псевдографику (работает только со 128 символами), сообщите об этом выбором опции 7.

Там же в Windows 98 в параметрах настройки модема существует и опция Use flow control (Управление потоком),

которая позволяет определить способ реализации обмена данных. Здесь вы можете исправлять возможные ошибки, возникающие при передаче данных от компьютера в модем. Принятая по умолчанию, установка XON/XOFF означает, что управление потоком данных осуществляется программными методами через стандартные управляющие символы ASCII, которые и посылают в модем команду приостановить/ возобновить передачу.

Управление потоком на программном уровне возможно лишь в том случае, если используется последовательный кабель. Так как управление потоком на программном уровне регулирует процесс передачи посредством пересылки некоторых символов, то может возникнуть сбой или даже окончание сеанса связи. Объясняется это тем, что тот или иной шум в линии может сгенерировать совершенно аналогичный сигнал.

Например, при управлении потоком на программном уровне, бинарные файлы не могут пересылаться, поскольку подобные файлы могут содержать управляющие символы.

Через управление потоком на аппаратном уровне RTS/CTS предана информации осуществляется намного быстрее и безопаснее, чем через управление потоком на программном уровне.

Буфер FIFO и микросхемы универсального асинхронного интерфейса UART

Буфер FIFO чем-то похож на перевалочную базу: пока данные поступают в модем, часть их отправляется в емкость буфера, что дает некоторый выигрыш при переключении с одной задачи на другую.

Например, операционная система Windows 98 поддерживает только микросхемы универсального асинхронного интерфейса (Universal Asynchronous Receiver Transmitter, UART) серии 16550 и позволяет управлять самим буфером FIFO. С помощью флажка Use FIFO buffers requres 16550 compatible UART (Использовать буферы FIFO) вы можете заблокировать (не позволять системе накапливать данные в емкости буфера) или разблокировать (дать возможность системе накапливать данные в емкости буфера) буфер FIFO. Нажав кнопку Advanced, вы обратитесь к диалогу Advanced Connection Settings (Дополнительные параметры соединения), опции которой позволяют настроить соединение вашего модема.

S-регистры

S-регистры находятся где-то внутри самого модема. Именно в этих самых регистрах хранятся установки, которые тем или иным образом могут влиять на поведение модема. В модеме присутствует масса регистров, но только первые 12 из них считаются стандартными регистрами. S-регистры устанавливаются таким образом, что посылают в модем команду ATSN=xx, где N соответствует номеру устанавливаемого регистра, а хх определяет сам регистр. Например, через регистр SO вы можете задать количество звонков для ответа.

Прерывания IRQ

Периферийные устройства связываются с процессором компьютера через так называемые прерывания IRQ. Прерывания являются сигналами, которые заставляют процессор приостановить ту или иную операцию и передать ее выполнение так называемому обработчику прерываний. Когда центральный процессор получает прерывание, он просто приостанавливает процесс и перепоручает прерванную задачу программе-посреднику с именем Interrupt Handler. Все это дело работает независимо от того, была ли обнаружена ошибка в работе того или иного процесса или нет.

Информационный порт связи или просто СОМ-порт

Последовательный порт узнать весьма просто. Вы можете это сделать, просто посмотрев на разъем. СОМ-порт использует 25-контактный разъем с двумя рядами контактов, один из которых длиннее других. При этом, практически все последовательные кабели имеют именно 25-контактные разъемы с обеих сторон (в остальных случаях требуется специальный адаптер).

СОМ-порт (последовательный порт) является портом, через который компьютеры связываются с устройствами, такими как модем и мышь. Стандартные персональные компьютеры имеют четыре последовательных порта.

Порты СОМ 1 и СОМ 2 обычно используются компьютером в качестве внешних портов. По умолчанию все четыре последовательных порта имеют два прерывания IRQ:

СОМ 1 привязан к IRQ 4 (3F8-3FF).

СОМ 2 привязан к IRQ 3 (2F8-2FF).

СОМ 3 привязан к IRQ 4 (3E8-3FF).

СОМ 4 привязан к IRQ 3 (2E8-2EF).

Тут-то как раз и могут возникать конфликты, так как внешние порты других устройств ввода-вывода 1/0 или контроллеров могут использовать те же прерывания IRQ.

Поэтому, назначив модему СОМ-порт или IRQ, вы должны проверить другие устройства на предмет наличия у них

тех же последовательных портов и прерываний.

Нужно сказать, что подключенные к телефонной линии параллельно модему устройства (особенно АОН) могут очень ощутимо ухудшат* качество работы вашего модема. Поэтому рекомендуется подключать телефоны через предназначенное для этого гнездо в модеме. Только в этом случае он будет отключать их от линии при работе.

Флэш-память вашего модема

Флэш-память - постоянная память или ППЗУ (постоянное перепрограммируемое запоминающее устройство), которая может быть стерта и вновь запрограммирована.

Перепрограммированию подлежат все модемы, в названии которых пристуствует строка "V. Everything". Кроме того, модемы "Courier V.34 dual standart" подлежат программной модернизации в случае, если в строке Options в ответе на команду ATI7 присутствует протокол V.FC. Если же в модеме нет этого протокола, то модернизация в "Courier V. Everything" производится заменой дочерней платы.

Существуют две модификации модемов Courier V. Everything - с так называемой частотой супервизора 20.16 MHz и 25 MHz. Для каждого из них существуют свои версии прошивок, и они не являются взаимозаменяемыми, т.е. прошивка от модели 20.16 MHz не подойдет для модели 25 MHz, и наоборот.

Программируемая пользователем память NVRAM

Все настройки модема сводятся к правильной установке значений регистров NVRAM. NVRAM - программируемая пользователем память, сохраняющая данные при выключении питания. NVRAM используется в модемах для хранения конфигурации по умолчанию, загружаемой в RAM при включении. Программирование NVRAM производится в любой терминальной программе с помощью АТ-команд. Полный перечень команд может быть получен из документации на модем, или получен в терминальной программе по командам АТ$ АТ&$ ATS$ AT%$. Запишите в NVRAM фабричные настройки с аппаратным контролем данных - команда AT&F1, затем внесите коррективы по настройке модема в совокупности с конкретной телефонной линией и запишите их в NVRAM по команде AT&W. Дальнейшую инициализацию модема нужно производить через команду ATZ.4.

Прикладное программное обеспечение для передачи данных

Программы для передачи данных позволяют вам соединиться с другими компьютерами, BBS, Internet, Intranet идругими информационными службами. В вашем распоряжении может быть весьма обширный набор подобных программ. Например, в Windows 98 в ваше распоряжение предоставляется весьма неплохой терминальный клиент Hyper Terminal.

Если у вас появились проблемы, связанные с установкой связи с другими модемами

Для начала необходимо оценить характер линии связи. Для этого после удачного сеанса до переинициализации модема введите команды ATI6 - диагностика связи, ATI11 - статистика соединения, ATY16 - амплитудо-частотная характеристика. Полученные данные необходимо записать в файл. После анализа полученных данных необходимо произвести изменения текущей конфигурации и затем записать их в NVRAM по команде AT&W5.

Российские телефонные линии и импортные модемы

Выбор модемов сегодня достаточно велик, и разница в их стоимости весьма значительна. Скорость передачи более 28 800 бит/с на российских телефонных линиях обычно недостижима. Выше 16 900 бит/с можно получить лишь в том случае, если провайдер услуг Internet имеет линии на той АТС, к которой подключен ваш телефон. В других случаях, работа в Internet слишком утомительна, поскольку при типовой (и даже не всегда достижимой) скорости 9 600 бит/с она превращается в сплошное ожидание. Поэтому для устойчивой передачи данных при помехах в телефонной линии нужен высококлассный модем, который стоит не менее 400 долларов США.

Какой модем лучше - внутренний или внешний?

Внутренний модем устанавливается в свободный слот расширения на материнской плате компьютера и подключается к встроенному блоку питания, а внешний представляет собой автономное устройство, соединенное с компьютером через стандартный последовательный порт.

Каждая из конструкций имеет свои достоинства и недостатки. Внутренний модем занимает слот системной шины (а их, как правило, не хватает), следить за его работой трудно из-за отсутствия индикаторов, к тому же описываемые модели принципиально не пригодны для портативных компьютеров типа notebook, имеющих узкопрофильный корпус и в большинстве случаев не обладающих разъемами расширения. В то же время внутренний модем на несколько десятков долларов дешевле внешних аналогов, не занимает места на столе и не создает путаницу проводов. Использование же внешнего модема подразумевает, что в компьютере, к которому он подсоединен, установлены наиболее современные микросхемы управления последовательным портом (UART). Микросхемы UART появились еще в первых ПК, поскольку уже тогда стало ясно, что обмен данными через последовательный порт - слишком медленная и сложная операция и лучше поручить ее специальному контроллеру. С той поры выпущено несколько моделей UART. В компьютерах типа IBM PC и XT, а также в полностью совместимых с ними, использовалась микросхема 8250, в AT ее сменила UART 16450. Большинство компьютеров на базе процесоров i386 и i486 до последнего времени комплектовались контроллером 16550, в котором появились внутренние аппаратные буферы типа "очередь", а сегодня стандартом становится UART 16550A - микросхема, аналогичная предыдущей, но с устраненными недоработками. Отсутствие буферов во всех микросхемах, кроме последней, приводит к тому, что передача данных через последовательный порт на скорости выше 9600 бит в секунду становится неустойчивой (использование MS Windows снижает этот порог до 2400 бит/с).

Если необходимо подключить высокоскоростной внешний модем к компьютеру, использующему устаревшую микросхему UART, следует либо сменить мультикарту, либо добавить специальную карту расширения (что займет один слот шины и лишит внешний модем важнейшего преимущества). У внутренних модемов такая проблема не возникает - они СОМ-порт не используют (точнее, они его содержат). Сейчас у внутренних модемов появляется еще одно преимущество, также связанное со скоростью работы. Согласно спецификации V.42bis, данные при передаче могут быть сжаты примерно в четыре раза, следовательно модем, работающий на скорости 28800 бит/с, должен получать данные из компьютера или отправлять их в него со скоростью 115600 бит/с, что является пределом для последовательного порта ПК. Однако 28800 бит/с - не предел для телефонной линии, где максимум лежит где-то в районе 35000 бит/с, а на цифровых линиях (ISDN) пропускная способность превышает 60000 бит/с. Следовательно, в данной ситуации последовательный порт станет "узким горлом" всей системы, и потенциальные возможности внешнего модема не будут реализованы. Сейчас производители модемов разрабатывают модели, которые могли бы подключаться к более быстродействующему параллельному порту, однако очевидно, что устройства, проданные сейчас, к этому приспособить будет невозможно.

В то же время многие модемы можно модернизировать для работы на больших скоростях, вплоть до способности работать на ISDN. Но все упирается в ограничительный барьер со стороны компьютера, который для внутреннего модема существенно выше 4 Мбайт/с (пропускная способность шины ISA). Кстати, все ISDN-модемы внутренние. Правда, все это будет завтра (а может и послезавтра), а сегодня можно сказать одно: выбирайте устройство того типа, который нравится вам - никаких функциональных различий между внутренними модемами и их внешними аналогами нет.

Какой модем выбрать и как его выбрать

Модем не может быть уникальным. Ваш модем должен быть понят другими модемами. Это означает, что модем должен поддерживать максимальное количество стандартов, то есть исправление ошибок, методы обмена данными и их сжатие. Самый распространенный стандарт - V.32bis для модемов со скоростью обмена 14000 бит/с. Для модемов со скоростью работы 28800 бит/сек стандартизованным протоколом является V.34.

Кроме этого, необходимо подчеркнуть, что модемы, имеющие скорость обмена данными 16800, 19200, 21600 или 33600, не являются стандартными.

Никакая коррекция ошибок не должна быть программной. Все должно быть вшито в модем его производителем.

О внешности и о внутренности. Внешний модем через специальный шнур подключается к вашему последовательному порту. Такой модем, как правило, имеет регулятор громкости, информационные индикаторы, блок питания и другие, иногда полезные прйблуды. Если вы профессионал, то вам должно быть все равно, какой модем выбрать - внутренний или внешний. Обычно, хороший внутренний модем через специальный софт неплохо эммулирует всю наглядность внешнего модема.

Не покупайте чисто импортные модемы. Эти железяки не уживаются на наших древних линиях. Приобретайте только сертифицированные модемы, то есть железо, специально прошитое под наши грязные телефонные станции.

В России такой выбор весьма невелик. Этот рынок забили две компании: ZyXEL из солнечного Тайваня и U.S. Robotics из США. Модемы последней фирмы выбирают профессионалы (Courier), первой - все остальные, то есть все те юзеры, которые выбирают так называемый сверхнадежный протокол ZyCell.

Итак, выбирайте Courier. И, поверьте, это не реклама.

2. Классификация модемов. Сравнительный анализ различных классов. Оценка характеристик.

2.1 Классификация модемов

На первый взгляд, нет ничего проще, чем классифицировать модемы. Само собой разумеется, что они делятся на внешние и внутренние. Конечно кое-кто может предложить их разделить по скоростям (14400 бит/с, 28800 бит/с, 33600 бит/с, 56К), и, в последнюю очередь, вспомнят о возможности передачи данных в синхронном и асинхронном режимах. Однако это взгяд с высоты совсем уж птьчьего полета. Вблизи всё выглядит далеко не так.

Попытаемся подробнее классифицировать вверенные нам устройства.

И так, начнём с того, что различают модемы, предназначенные для работы только на выделенных или только на коммутируемых линиях, а так же на тех и других. Различают модемы для цифровых и аналоговых линий.

В зависимости от поддерживаемого режима передачи данных, модемы делятся на:

поддерживающие только асинхронный режим работы;

поддерживающие асинхронный и синхронный режимы работы;

поддерживающие только синхронный режим работы.

По исполнению(эта характеристика определяет внешний вид, размеры и размещение мо­дема по отношению к компьютеру):

внутренний модем – вставляется в компьютер как плата расширения. Они, в-добавок, делятся на контроллерные и безконтроллерные. К первым принадлежит большенство существующих внутренних модемов предназначенных для ISA интерфейса. Вторые – для PCI интерфейсов. Дальнейшим развитием PCI-модемов являются SOFT-модемы (иначе Win-модемы).

настольный модем – имеет отдельный корпус и размещается рядом с компьютером, соединяясь кабелем с портом компьютера. Иногда называют внешним модемом, что не совсем правильно, т.к. сле­дующие два типа также являются внешними (т.е. расположенными вне системного блока компьютера).

модем в виде карточки – миниатюрен и подсоединяется к портативно­му компьютеру через специальный разъем (тот, кто видел сетевую карту для ноутбука поймет о чём идет речь).

портативный модем – схож с настольным модемом, но имеет умень­шенные размеры и автономное питание.

стоечные модемы – вставляются в специальную модемную стойку, повышающую удобство эксплуатации, когда число модемов пере­валивает за десяток.

По характеру применения модемы можно разделить на обычные и профессиональные.

Под обычными модемами будем понимать устройства, обычно применяемые конечным пользователем дома или в офисе. Эти модемы используют только телефонные каналы.

Профессиональные модемы – наиболее совершенные и скоростные устройства, преимущественно стоечного исполнения. Используются для интеграции локальных сетей, в модемных пулах, а также для удалённого доступа к ресурсам ЛВС.

Среди обычных модемов можно выделить 3 вида:

устройства для обмена данными (просто модемы);

устройства для обмена данными и документами (факс-модемы);

устройства для обмена данными, документами и приёма голосовых сообщений (голосовые факс-модемы).

Следует заметить, что обычно прередача данных и телефонный разговор не могут вестись одновременно. Исключение составляют SVD модем и технология RadishVoiceView, предназначенныt для одновременной передачи голоса и данных.

Поддержка факсимильного режима не исключена и в профессиональных модемах, одако звуковой поддержки они обычно не предусматривают.

В качестве очередного классификационного признака выберем передающую среду. По типу передающей среды можно выделить:

модемы для 2-х проводных медных линий (обычные, профессиональные, ADSL, SR, ER-модемы);

модемы для 4-х проводных медных линий (обычные, профессиональные, HDSL, ISDN, SR, ER, MR-модемы);

модемы для оптоволоконных линий (FOM, FOM-T1/E1, FOM-T2/E2, FOM-T3/E3);

2.2 Сравнение характеристик модемов для выделенных и коммутируемых каналов

2.2.1 Модемы для выделенных каналов

Выделенный канал - это канал с фиксированной полосой пропускания или фиксиро­ванной пропускной способностью, постоянно соединяющий двух абонентов. Або­нентами могут быть как отдельные устройства (компьютеры или терминалы), так и целые сети.

Выделенные каналы обычно арендуются у компаний - операторов территори­альных сетей, хотя крупные корпорации могут прокладывать свои собственные выделенные каналы.

Выделенные каналы делятся на аналоговые и цифровые в зависимости от того, какого типа коммутационная аппаратура применена для постоянной коммутации абонентов. На аналоговых выделенных линиях для аппаратуры передачи данных физический и канальный протоколы жестко не определены. От­сутствие физического протокола приводит к тому, что пропускная способность аналоговых каналов зависит от пропускной способности модемов, которые исполь­зует пользователь канала. Модем собственно и устанавливает нужный ему прото­кол физического уровня для канала.

На цифровых выделенных линиях протокол физического уровня зафиксиро­ван - он задан стандартом G.703.

Модемы для работы на выделенных аналоговых каналах

Для передачи данных по выделенным аналоговым линиям исполь­зуются модемы, работающие на основе методов аналоговой модуляции сигнала. Протоколы и стандарты модемов определены в рекомен­дациях CCITT серии V. Эти стандарты определяют работу модемов как для выделенных, так и комму­тируемых линий.

Как уже говорилось в п. 2.1, модемы могут быть синхронными, асинхронными и синхронно-асинхронными.

Модемы, работающие только в асинхронном режиме, обычно поддерживают низкую скорость передачи данных - до 1200 бит/с. Так, модемы, работающие по стандарту V.23, могут обеспечивать скорость 1200 бит/с на 4-проводной выделен­ной линии в дуплексном асинхронном режиме, а по стандарту V.21 - на скорости 300 бит/с по 2-проводной выделенной линии также в дуплексном асинхронном режиме. Дуплексный режим на 2-проводном окончании обеспечивается частотным разделением канала. Асинхронные модемы представляют наиболее дешевый вид модемов, так как им не требуются высокоточные схемы синхронизации сигналов на кварцевых генераторах. Кроме того, асинхронный режим работы неприхотлив к качеству линии.

Модемы, работающие только в синхронном режиме, могут подключаться только к 4-проводиому окончанию. Синхронные модемы используют для выделения сиг­нала высокоточные схемы синхронизации и поэтому обычно значительно дороже асинхронных модемов. Кроме того, синхронный режим работы предъявляет высо­кие требования к качеству линии.

Для выделенного канала тональной частоты с 4-проводным окончанием разра­ботано достаточно много стандартов серии V. Все они поддерживают дуплексный режим:

V.26 - скорость передачи 2400 бит/с;

V.27 - скорость передачи 4800 бит/с;

V.29 - скорость передачи 9600 бит/с;

V.32 ter-скорость передачи 19 200 бит/с.

Для выделенного широкополосного какала 60-108 кГц существуют три стан­дарта:

V.35 - скорость передачи 48 Кбит/с;

V.36 - скорость передачи 48-72 Кбит/с;

V.37 - скорость передачи 96-168. Кбит/с.

Коррекция ошибок в синхронном режиме работы обычно реализуется по прото­колу HDLC, но допустимы и устаревшие протоколы SDLC и BSC компании IBM. Модемы стандартов V.35, V.36 и V.37 используют для связи с DTE интерфейс V.35.

Модемы, работающие в асинхронном и синхронном режимах, являются наиболее универсальными устройствами. Чаще всего они могут работать как по выделен­ным, так и по коммутируемым каналам, обеспечивая дуплексный режим работы. На выделенных каналах они поддерживают в основном 2-проводное окончание и гораздо реже - 4-проводное.

Для асинхронно-синхронных модемов разработан ряд стандартов серии V:

V.22 - скорость передачи до 1200 бит/с;

V.22 bis - скорость передачи до 2400 бит/с;

V.26 ter - скорость передачи до 2400 бит/с;

V.32 - скорость передачи до 9600 бит/с;

V.32 bis - скорость передачи 14 400 бит/с;

V.34 - скорость передачи до 28,8 Кбит/с;

V.34+ - скорость передачи до 33,6 Кбит/с.

Стандарт V.34, принятый летом 1994 года, знаменует новый подход к передаче данных по каналу тональной частоты. Этот стандарт разрабатывался CCITT до­вольно долго - с 1990 года. Большой вклад в его разработку внесла компания Motorola, которая является одним из признанных лидеров этой отрасли. Стандарт V.34 разрабатывался для передачи информации по каналам практически любого качества. Особенностью стандарта являются процедуры динамической адаптации к изменениям характеристик канала во время обмена информацией. Адаптация осуществляется в ходе сеанса связи - без прекращения и без разрыва установлен­ного соединения.

Основное отличие V.34 от предшествующих стандартов заключается в том, что в нем определено 10 процедур, по которым модем после тестирования линии выби­рает свои основные параметры: несущую и полосу пропускания (выбор проводит­ся из 11 комбинаций), фильтры передатчика, оптимальный уровень передачи и другие. Первоначальное соединение модемов проводится по стандарту V.21 на ми­нимальной скорости 300 бит/с, что позволяет работать на самых плохих линиях. Для кодирования данных используются избыточные коды квадратурной ампли­тудной модуляции QAM. Применение адаптивных процедур сразу позволило под­нять скорость передачи данных более чем в 2 раза по сравнению с предыдущим стандартом - V.32 bis.

Принципы адаптивной настройки к параметрам линии были развиты в стан­дарте V.34+, который является усовершенствованным вариантом стандарта V.34. Стандарт V.34+ позволил несколько повысить скорость передачи данных за счет усовершенствования метода кодирования. Один передаваемый кодовый символ несет в новом стандарте в среднем не 8,4 бита, как в протоколе V.34, a 9,8. При макси­мальной скорости передачи кодовых символов в 3429 бод (это ограничение пре­одолеть нельзя, так как оно определяется полосой пропускания канала тональной частоты) усовершенствованный метод кодирования дает скорость передачи дан­ных в 33,6 Кбит/с (3429 х 9,8 - 33604). Правда, специалисты отмечают, что даже в Америке только 30 % телефонных линий смогут обеспечить такой низкий уровень помех, чтобы модемы V.34+ смогли работать на максимальной скорости. Тем не менее модемы стандарта V.34+ имеют преимущества по сравнению с модемами V.34 даже на зашумленных линиях - они лучше «держат» связь, чем модемы V.34.

Протоколы V.34 и V.34+ позволяют работать на 2-проводной выделенной ли­нии в дуплексном режиме. Дуплексный режим передачи в стандартах V.32, V.34, V.34+ обеспечивается не с помощью частотного разделения канала, а с помощью одновременной передачи данных в обоих направлениях. Принимаемый сигнал оп­ределяется вычитанием с помощью сигнальных процессоров (DSP) передаваемого сигнала из общего сигнала в канале. Для этой операции используются также про­цедуры эхо-подавления, так как передаваемый сигнал, отражаясь от ближнего и дальнего концов канала, вносит искажения в общий сигнал (метод передачи дан­ных, описанный в проекте стандарта 802.3ab, определяющего работу технологии Gigabit Ethernet на витой паре категории 5, взял многое из стандартов V.32-V.34+).

На высокой скорости модемы V.32-V.34+ фактически всегда используют в ка­нале связи синхронный режим. При этом они могут работать с DTE как по асинх­ронному интерфейсу, так и по синхронному. В первом случае модем преобразует асинхронные данные в синхронные.

Модемы для работы на выделенных цифровых каналах

Цифровые выделенные линии образуются путем постоянной коммутации в пер­вичных сетях, построенных на базе коммутационной аппаратуры, работающей на принципах разделения канала во времени - TDM, описанного в главе 2. Существу­ют два поколения технологий цифровых первичных сетей - технология плеэио-хронной («плезио» означает «почти», то есть почти синхронной) цифровой иерархии (Plesiochronic Digital Hierarchy, PDH) и более поздняя технология - синхронная цифровая иерархия (Synchronous Digital Hierarchy, SDH). В Америке технологии SDH соответствует стандарт SONET.

Цифровая аппаратура мультиплексирования и коммутации была разработана в кон­це 60-х годов компанией AT&T для решения проблемы связи крупных коммута­торов телефонных сетей между собой. Каналы с частотным уплотнением, применяемые до этого на участках АТС-АТС, исчерпали свои возможности по организации высо­коскоростной многоканальной связи по одному кабелю. В технологии FDM для од­новременной передачи данных 12 или 60 абонентских каналов использовалась витая пара, а для повышения скорости связи приходилось прокладывать кабели с боль­шим количеством пар проводов или более дорогие коаксиальные кабели. Кроме того, метод частотного уплотнения высоко чувствителен к различного рода помехам, ко­торые всегда присутствуют в территориальных кабелях, да и высокочастотная несу­щая речи сама создает помехи в приемной аппаратуре, будучи плохо отфильтрована.

Для решения этой задачи была разработана аппаратура Т1, которая позволяла в цифровом виде мультиплексировать, передавать и коммутировать (на постоянной основе) данные 24 абонентов. Так как абоненты по-прежнему пользовались обыч­ными телефонными аппаратами, то есть передача голоса шла в аналоговой форме, то мультиплексоры Т1 сами осуществляли оцифровывание голоса с частотой 8000 Гц и кодировали голос с помощью импульсно-кодовой модуляции (Pulse Code Modulation, PCM). В результате каждый абонентский канал образовывал цифро­вой поток данных 64 Кбит/с. Для соединения магистральных АТС каналы Т1 пред­ставляли собой слишком слабые средства мультиплексирования, поэтому в технологии была реализована идея образования каналов с иерархией скоростей. Четыре канала типа Т1 объединяются в канал следующего уровня цифровой иерар­хии - Т2, передающий данные со скоростью 6,312 Мбит/с, а семь каналов Т2 дают при объединении канал Т3, передающий данные со скоростью 44,736 Мбит/с. Ап­паратура Т1, Т2 и Т3 может взаимодействовать между собой, образуя иерархичес­кую сеть с магистральными и периферийными каналами трех уровней скоростей.

С середины 70-х годов выделенные каналы, построенные на аппаратуре Т1, ста­ли сдаваться телефонными компаниями в аренду на коммерческих условиях, пере­став быть внутренней технологией этих компаний. Сети Т1, а также более скоростные сети Т2 и Т3 позволяют передавать не только голос, но и любые данные, представ­ленные в цифровой форме, - компьютерные данные, телевизионное изображение, факсы и т. п.

Технология цифровой иерархии была позже стандартизована CCITT. При этом в нее были внесены некоторые изменения, что привело к несовместимости амери­канской и международной версий цифровых сетей. Американская версия распро­странена сегодня кроме США также в Канаде и Японии (с некоторыми различия­ми), а в Европе применяется международный стандарт. Аналогом каналов Т в меж­дународном стандарте являются иналы типа E1, E2 и ЕЗ с другими скоростями - соответственно 2,048 Мбит/с, 8,488 Мбит/с и 34,368 Мбит/с. Американский вари­ант технологии также был стандартизован ANSI.

Физический уровень технологии PDH поддерживает различные виды кабелей: витую пару, коаксиальный кабель и волоконно-оптический кабель. Основным ва­риантом абонентского доступа к каналам Т1/Е1 является кабель из двух витых пар с разъемами RJ-48. Две пары требуются для организации дуплексного режима передачи данных со скоростью 1,544/2,048 Мбит/с. Для представления сигналов используется: в каналах Т1 биполярный потенциальный код B8ZS, в каналах El-биполярный потенциальный код HDB3. Для усиления сигнала на линиях Т1 через каждые 1800 м (одна миля) устанавливаются регенераторы и аппаратура контроля линии.

Коаксиальный кабель благодаря своей широкой полосе пропускания поддер­живает канал Т2/Е2 или 4 канала Т1/Е1. Для работы каналов Т3/Е3 обычно ис­пользуется либо коаксиальный кабель, либо волоконно-оптический кабель, либо каналы СВЧ.

Таким образом, модемы, предназначенные для работы в цифровых выделенных линиях, принадлежат к следующим классам:

модемы для 4-х проводных медных линий;

модемы для оптоволоконных линий;

модемы для радиоканалов (радио-модем, сотовый модем);

кабельные модемы (используют коаксиальный кабель).

Более подробно они будут рассмотрены ниже.

Информация о работе «Модемы: использование в сетях, различия в архитектуре, сравнительные характеристики, особенности эксплуатации. Нештатные ситуации и их разрешение. Диагностика и тестирование»

С применением полиграфических компьютерных технологий? 10. Охарактеризуйте преступные деяния, предусмотренные главой 28 УК РФ «Преступления в сфере компьютерной информации». РАЗДЕЛ 2. БОРЬБА С ПРЕСТУПЛЕНИЯМИ В СФЕРЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ИНФОРМАЦИИ ГЛАВА 5. КОНТРОЛЬ НАД ПРЕСТУПНОСТЬЮВ СФЕРЕ ВЫСОКИХ ТЕХНОЛОГИЙ 5.1 Контроль над компьютерной преступностью в России Меры контроля над...

Реакции прикладного ПО. - Выявление дефектов прикладного ПО, следствием которых является неэффективное использование пропускной способности сервера и сети. Мы остановимся подробнее на первых четырех этапах комплексной диагностики локальной сети, а именно на диагностике канального уровня сети, так как наиболее легко задача диагностики решается для кабельной системы. Как уже было рассмотрено во...

Мероприятия по новому месту работы, жительства; также в окружении носителей коммерческих секретов. Персонал оказывает су­щественное, а в большинстве случаев даже решающее влияние на информационную безопасность банка. В этой связи подбор кадров, их изучение, рас­становка и квалифицированная работа при увольнени­ях в значительной степени повышают устойчивость коммерческих предприятий к возможному...

Общие положения

Модемы (название происходит от слияния двух слов – модулятор и демодулятор) - это устройства, которые позволяют организовать связь между компьютерами, находящихся на удалении друг от друга. Если компьютеры находятся рядом, то можно организовать связь между ними, используя последовательный, параллельный порт, USB , Blutooht . Однако такая связь возможна только на близких расстояниях, определенных возможностями порта. При больших расстояниях сигнал ослабевает и требуются специальные устройства, которые могут преобразовать сигнал в вид, позволяющий передавать сигнал на большие расстояния. Для этого служит устройство, которое называется «модем» – от слова МОдулятор-ДЕМодулятор. Модулятор позволяет преобразовать цифровой сигнал в аналоговый, а демодулятор - сделать обратное преобразования, то есть перевести из аналогового в цифровую форму (в более точном смысле модуляция – это изменение характеристик несущего сигнала (как правило, низкочастотные периодические колебания) управляющим высокочастотным сигналом, который позволяет передавать необходимую информацию). Демодуляция – это выделение информационного сигнала из совокупности несущегои информационного сигналов) . Практически на тех же принципах работает факс, поэтому модемы, которые выпускаются с возможностями факсимильной передачи, называются факс-модемом. Модемы могут быть внутренними (вставляемые в слоты расширения), внешними (подключаемые к портам COM, LPT, USB или сетевым кабелем к разъему RJ-45 сетевой карты компьютера, обычно имеют внешний блок питания), встроенными как у ноутбука или в виде карточки для подключения к разъему PCMCIA для переносных компьютеров (последний еще называется картой расширения PC Card и практически устарел. В настоящее время используется стандарт ExpressCard с подключением к шинам USB и PCI Express ). В последнее время получили широкое распространение беспроводные модемы (называемые модуль или шлюз), использующие линии связи сотовых операторов (наибольшую известность получили USB – модемы) . Принципы работы всех устройств одинаковы.

Модемы могут быть аналоговыми и цифровыми . Первыми стали использоваться аналоговые модемы (dial -up ). Из-за того, что скорость передачи данных по этим модемам была не велика (до 56 Кбит/сек), стали переходить на цифровые виды (с частотой работы от 4 КГц до 2 Мгц и соответственно скоростью до нескольких мегабит/сек). Кроме того, при передаче данных по аналоговому модему нельзя вести разговор.

Большинство пользователей для передачи данных использовало телефонную сеть. Для того чтобы можно было использовать цифровой вид передачи, необходимо, чтобы и посылающий и получающий имели бы цифровую АТС. Кроме того, на телефонной линии не должно быть спаренных телефоном и охранной сигнализации. До сих пор некоторые пользователи пользуются аналоговыми модемами.

Основные характеристики модемов :

- внутренний или внешний . Внутренний модем - это карта, которая вставляется в разъем на материнской плате. Такой модем вставляется как обычная карта, однако нужно подключить провода, как это указано ниже. Внутренний модем, как правило, дешевле внешнего. Но он не требует места на столе, не занимает последовательный порт компьютера.

Внешние модемы (новые) подключаются к разъему USB , PCMCIA или ExpressCard и не требуют дополнительного питания, так как получают его из разъема.

Внешний модем (старые) подключается к последовательному порту и находится в отдельном корпусе. Данный вид требует подключения к электрической сети через трансформатор. К его достоинствам нужно отнести то, что он не занимает слот расширения, позволяет легко перенести его от одного компьютера к другому.

Поддерживаемый стандарт и скорость передачи ;

Размер оперативной памяти или флэш-памяти.

Дополнительные возможности модемов : оцифровка голоса и перевод его в аналоговый сигнал для разговора при передаче данных; факс; автоматическое определение номера звонившего; автоответчик; электронный секретарь и прочие возможности, которые имеют телефонные аппараты.

Как правило, современный модем имеет следующие возможности телефона , которые мы и приведем. Это: переговоры с несколькими абонентами; временное отключение микрофона; включение внешних громкоговорителей; память для номеров абонентов; повторный вызов абонента; автодозвон; автоматическое определение номера; запоминание звонивших номеров и времени звонка; определение второго звонка во время разговора; защита от нежелательных звонков; запись получаемых сообщений; автоответчик; дистанционное управление; на панели телефона могут быть кнопки с функциями: автоповтор, прослушивание оставленных сообщений, отключение телефона, выключение внешних динамиков и пр.; на панели телефона могут быть индикаторы, определяющие режим работы, снятие трубки и пр.; может быть дисплей с данными о входящих и исходящих звонках, времени разговора и пр.; голосовой набор, пользователь голосом называет фамилию абонента, а модем соединяет с его номером; быстрый набор, набор номера при помощи одной или двух клавиш; автосекретарь, ответ на поступившие звонки при разговоре с другим абонентом; сбор статистики о количестве поступивших звонков, их номерах, времени разговора в течение дня и пр.; другие функции, например, дозвон по определенному номеру в определенное время дня, будильник и пр.

При зависании модема можно восстановить его работоспособность сбросом питания (внешний вынуть и снова вставить), при этом выключать компьютер не требуется. Кроме того, он имеет индикацию, по которой можно определить состояние модема.

Цифровые модемы.

В настоящее время используется несколько форматов: ADSL, HDSL, IDSL, ISDN, HPNA, SHDSL, SDSL, VDSL, WiMAX и беспроводные модемы с использованием беспроводной связи (Wi -Fi ).Они часто называются как хDSL (Digital Subscriber Line - цифровая абонентская линия).

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line - асимметричная цифровая абонентская линия) появилась в 1987 году и является один из самых первых и самый распространенный цифровой формат передачи данных. Позволяет отправлять данные от пользователя в сеть со скоростью от 16 до 640 кбит/сек (по стандартам 0.5, 0.8, 1.2, 1.3, 3.5 Мбит/сек, а получать данные со скоростью 1.5, 0.8, 5, 8, 12, 25 Мбит/сек). Так как обычно пользователь получает данные, а не посылает, то данное разделение скоростей не ощущается пользователем, кроме случаев видеосвязи. Поэтому со временем стали появляются другие виды форматов с использованием коаксиального кабеля (кабельное телевидение, скорость до 100 Мбит/сек) и разъема Ethernet (локальная сеть со скоростью до 1 Гигабита/сек). В ряде европейских стран стандарт ADSL стал стандартом, по которому каждый житель получал доступ в интернет.

Обычная телефонная линия использует для пропускания частоты от 0.3 до 3.4 КГц, у ADSL модема нижняя частота для исходящего потока составляет 26 кГц, а верхняя 138 КГц, а для входящего потока от 138 кГц до 1.1 Мгц. Таким образом, можно разговаривать по телефону и передавать и получать данные одновременно.

Тем не менее, первые модемы не позволяли достаточно комфортно разговаривать по телефону, так как высокочастотная часть модема вносила посторонние шумы в телефонный разговор (и наоборот разговор вносил искажения в передачу данных). Чтобы этого избежать стали применять частотный фильтр (Splitter -частотный разделитель), который пропускал к телефону только низкие частоты.

HDSL (H igh D ata rate digital S ubscriber L ine высокоскоростная цифровая абонентская линия) разработана в конце 80х годов. Она использует не одну, а две пары проводов и имеет скорость либо 1.5 Мбит/сек (американский стандарт) либо 2.0 Мбит/сек (европейский стандарт) и позволяет передавать сигнал до 4 километров, а в некоторых случаях до 7 километров. Используется в основном для организаций.

IDSL (ISDN Digital Subscriber Line - цифровая абонентская линия IDSN) позволяет передавать данные со скоростью 144 Кбит/сек.

ISDN (Integrated Services Digital Network - цифровая сеть с интеграцией обслуживания) появилась в 1981 году и имеет скорость передачи данных в 64 Кбит/сек.

HPNA (Home Phoneline Networking Alliance – название объединённой ассоциации некоммерческих промышленых компаний) работает либо со стандартным телефонным, либо коаксильным кабелем. Последний стандарт (3.1) позволяет передавать данные со скоростью до 320 Мбит/сек., по стандарту 2.0 – 10 Мбит/сек.

SHDSL (Symmetric High-speed DSL – симметрическая высокоскоростная DSL ) позволяет передавать данные по одной паре проводов со скоростью от 192 Кбит/сек до 2.3 Мбит/сек, а по двум парам в два раза больше на рсстояние до 6 км.

SDSL (Symmetric Digital Subscriber Line - симметричная цифровая абонентская линия) использует одну пару кабелей со скоростями от 128 до 2048 КБит/сек. Действует на расстояние от 3 до 6 км.

VDSL (Very-high data rate Digital Subscriber Line - сверхвысокоскоростная цифровая абонентская линия) имеет высокую скорость передачи данных от 13 до 56 Мбит/сек от сети к пользователю и 11 Мбит/сек в обратном направлении на рсстояние до 1.2-1.4 км.

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access ) представляет собой беспроводную связь в диапазоне волн от 3.5 до 5 ГГц по стандарту 802.16-2004 (или фиксированный WiMAX ) и 2.3-2.5, 2.5-2.7, 3.4-3.8 ГГц по стандарту 802.16-2005 (или мобильный WiMAX ). Имеет много сходных параметров с Wi -Fi , но отличается тем, что может передавать сигнал на большое расстояние и, кроме того, несколько дороже.

Bluetooth (перевод - синий зуб) разработана в 1998 году и используется для беспроводной связи с компьютером в свободном от лицензирования диапазоне 2.4 - 2.4835 ГГц. Он не имеет разъема и располагается внутри компьютера (устройства), используется для передачи данных при помощи радиоволн между различного вида компьютеров, сотовыми телефонами, принтерами, фотоаппаратами, клавиатурой, мышью, джойстики, наушники, МФУ, сканерами и прочими. Сущность метода состоит в том, что в определенном диапазоне псевдослучайно меняется частота скачкообразно 1600 раз в секунду. Такое изменение частоты происходит одновременно для приемника и передатчика, которые работают синхронно по такой схеме. Устройства могут находиться друг от друга на расстоянии до 200 метров в зависимости от препятствий между ними (стенами, мебелью и пр.).

Устройство приема-передачи находится внутри компьютера и не видно. Если в компьютере нет такого устройства, то можно подключить внешнее устройство через разъем USB, которое позволяет работать с этим видом передачи данных.

Имеются стандарты: 1.0 (1998 год), 2.0 EDR (2004) со скоростью передачи данных 3 Мбит/сек, на практике около 2 Мбит/сек, 2.1 (2007 год) с использование энергосберегающей технологии, упрощенное установление связи между устройствами, также стала более защищенной, 2.1 EDR стало требоваться еще меньше электроэнергии, еще больше упростилось соединение устройств и повысилась надежность, 3.0 HS (2009) со скоростью передачи до 24 Мбит/сек. 4.0 стал использоваться в iPhone в 2011 году, позволяет передавать данные со скоростью в 1 Мбит/сек. порциями от 8 до 27 байт.

Существуют профили для этого стандарта, которые представляют собой набор функций. Для того, чтобы устройства могли работать по конкретному профилю, нужно чтобы оба устройства поддерживали этот профиль. Например, A2DP (двухканальная передача стерео аудиоданных), AVRCP (передача стандартных функций телевизоров),BIP (пересылка изображений), BPP (пересылка текста, электронных писем на принтер) и так далее

Wi-Fi используется для создания беспроводной сети. Разработан в 1991 году NCRCorporation и AT@T, сопровождается альянсом компаний Wi-Fi Aliance и соответствует стандарту IEEE 802.11. Используется для подключения к сети (локальной и интернет) компьютеров и сотовых телефонов.

Устройство приема-передачи находится внутри компьютера и не видны. Если в компьютере нет такого устройства, то можно подключить внешнее устройство через разъем USB, которое позволяет работать с этим видом передачи данных.

Имеются следующие стандарты: 802.11а использует частоты в 5 Ггц, обеспечивая скорость (в теории) до 54 Мбит/сек.; 802.11b использует частоты в 2.4 Ггц, обеспечивая скорость (в теории) до 11 Мбит/сек. (практически не используется); 802.11g использует частоты в 2.4 Ггц, обеспечивая скорость до 54 Мбит/сек. (наиболее распространенный);802.11n использует частоты в 2.4 и в5 Ггц, обеспечивая скорость от 150 до 600 Мбит/сек. (недавно разработанный, начинает набирать силу). В данном стандарте увеличена дальность передачи данных, на связь меньше действуют преграды. Данный стандарт использует технологию MIMO (Multiple Input Multiple Output – множественный ввод, множественный вывод), которая позволяет использовать отраженные волны от стен. Если устройство имеет одну антенну, то может работать со скоростью 150 Мбит/сек, две антенны – 300 Мбит/сек, три – 450 – Мбит/сек, четыре (еще не выпускаются) – 600 Мбит/сек. Однако заявленная скорость передачи данных отличается от реальной. Так вместо 300 Мбит/сек получается около 100 -130Мбит/сек (так как половина передаваемой информации – служебные символы), что также достаточно для работы. А при наличии стен, скорость еще падает, например, для трех стен снизится до 50 Мбит/сек.

Так как некоторые бытовые приборы работают на частоте 2.4 Ггц (например, микроволновая печь), они могут создавать помех. Поэтому желательно иметь устройство, которое работает на двух частотах: на 2.4 и 5 Ггц.

Существуют также кабельный модемы для подключения к кабельному телевизионному каналу.

Обычно цифровые модемы могут содержать элементы, которые используются как шлюз между локальной сетью и интернетом: маршрутизатор, межсетевой экран и прочее.

Индикаторы модема

Возможно наличие следующих индикаторов :

AA (Autо Answer - автоответ) - режим автоответа, обеспечивающий ответ на запрос абонента в автоматическом режиме;

CD (Carrier Detect – определение несущей или DCD) - горит при сеансе связи;

CTS или CS (Clear To Send) - готовность модема к приему данных от компьютера. Гаснет во время получения данных;

DATA – горит при передаче данных;

DC (Data Compression) – сжатие данных;

FAX – при работе модема как факса;

HS (High Speed – высокая скорость) – загорается при работе модема с максимальной скоростью;

EC (Error Control или ARQ) - режим коррекции ошибок;

MR (Modem Ready – готовность модема или DSR ) - показывает, что модем подключен к сети питания и готов к работе;

OH (Off Hook – снятая трубка) - светится при повешенной трубке;

ON (PWR) - индикатор питания;

PWR (PoWeR) – включение питания;

RD (Recieve Data – получение данных или RX или RXD ) - показывает, что происходит посылка данных в компьютер;

SD (Send Data – посылка данных или SX или TXT ) - показывает, что происходит прием данных из компьютера;

TEL – горит, когда снята трубка на параллельно подключенном телефонном аппарате;

RT S (Request To Send) - готовность модема к приему данных от компьютера. Горит при ожидании данных от компьютера, гаснет во время передачи данных;

TD (Transmit Data или TXD ) – горит или мигает при пересылки данных от компьютера к модему. Может гореть при передаче данных по максимальной скорости передачи;

TST (TeST) - мигает при тестировании;

TR (Terminal Ready – готовность устройства или DTR ) - загорается при получении управляющего сигнала;

USB – горит, когда модем подключен к компьютеру через шину USB .

На корпусе модема может быть также регулятор громкости звука.

На задней панели внешнего модема могут быть разъемы со значками:

AC IN – подключение адаптера электропитания;

LINE – подключение к телефонной линии;

ON / OFF – включение/выключение модема;

PHONE – подключение телефонного аппарата;

RS -232 – разъем для подключения к последовательному порту компьютера;

USB – разъем для подключения к шине USB .

Аналоговый модем

Передача данных. Телефонные линии приспособлены к аналоговым сигналам. В силу того, что речь человека имеет диапазон от 30 гц до 10 Кгц (музыка имеет больший диапазон), то для экономии телефонная линия пропускает сигнал от 100 гц до 3 Кгц. Именно это ограничение связывает возможности для передачи данных на больших скоростях. Компьютеры могут быть соединены не только через телефонную линию, но и с использованием радиоволн и инфракрасного излучения. В этом случае провода не нужны.

В конечном итоге данные, посланные в параллельном канале, в последовательном порту преобразуются в последовательную передачу со старт-стоповыми битами, передаются в модем, где они моделируются, то есть, накладывается на несущую частоту передаваемого по линии сигнала, затем посылаются на другой модем. Далее они преобразуются в цифровую форму, посылаются в последовательный порт, где преобразуются в параллельный вид, после чего посылаются процессору для обработки.

Цифровые данные посылаются побитно, причем посылка может быть двух видов: синхронная и асинхронная. При синхронной передаче пакет данных состоит из заголовка, куда входит адрес места назначения, самих данных и контрольной суммы. При асинхронной передаче передаются стартовый бит, 8 бит данных, возможно, бит проверки на четность, и стоповый бит, свидетельствующий о конце передачи. Такой вид используется в последовательном канале.

Кроме того, при передаче данных может быть использовано три режима: дуплексный, при котором данные передаются в обоих направлениях одновременно, полудуплексный, при котором данные могут передаваться в обоих направления, но в каждый момент времени в одном направлении, и симплексный – передача данных только в одном направлении.

Передача данных от модема к модему и от модема к компьютеру имеет разную скорость, поэтому, чтобы данные не потерялись, модем имеет буфер, где полученные данные хранятся.

Некоторые модемы сжимают данные перед отправкой, при получении другой модем расшифровывает эти данные. Существуют файлы, которые уже были сжаты, поэтому этот способ может не дать преимуществ при передаче. Чтобы избежать потери данные, скорость передачи данных от модема к компьютеру должна быть в несколько раз выше, чем между модемами, что на практике и реализовано.

При передаче данных часто используется единица бод , которую порой путают с бит/сек. На самом деле это разные величины. 1 бод - это один символ, посылаемый в единицу времени, причем это могут быть не только данные, но и управляющие сигналы. Символ может представлять собой несколько бит. Если сигнал состоит из двух видов: 0 и 1, то символ обозначает 1 бит, если 512, то 9 бит (2 9 =512). При передаче данных с небольшой скоростью 1 бод примерно равен 1 бит/сек. При большой скорости модем посылает данные уже на нескольких частотах, поэтому в каждый момент времени передается не один, а несколько бит, то есть скорость, измеряемая в бит/сек, а не бод/сек, будет в несколько раз выше, чем скорость в бодах. Часто указываемая скорость в бодах подразумевает скорость в битах/сек.

При передаче через модем можно приблизительно определить, сколько времени требуется для передачи, деля скорость передачи на 10, например, если передача происходит со скоростью 28 800 бит/сек, то за секунду будет передано примерно 2 880 байт или символов (28 800/10=2 800).

Модем подключается к последовательному порту компьютера и работает с последовательными данными. Обычно модем используется для работы в Интернет, однако может служить и для связи между двумя произвольными компьютерами непосредственно. Модемы используются также как факс, для передачи факсимильных сообщений. Они могут иметь встроенный адаптер для создания речевых сообщений в режиме автоответчика.

При соединении модем посылает сигналы, которые также выводятся на динамики и их можно услышать в виде продолжающегося меняющегося звука в течение нескольких секунд. Принимающий модем определяет тот стандарт, по которому он сможет работать, а также производит настройки тактовой частоты, то есть выполняет моделирование по фазе. После этого динамик отключается, но сигналы продолжают поступать, в частности, их можно прослушать через параллельный телефон.

Модемы бывают двух типов: внутренние и внешние. Внутренние выполнены в виде карт расширения и вставляются в разъем материнской платы, внешние имеют свой корпус и при помощи кабеля подключены к последовательному порту. Последние виды модемов могут подключаться через шину USB (и иногда получают электропитание от компьютера), благодаря чему используются во время работы компьютера, освобождают разъем и имеют другие преимущества. При подключении модема к последовательному порту для высокоскоростных моделей нужно, чтобы порт тоже был быстродействующим. Так, для модемов со скоростью 56 Кбит/сек требуется скорость в последовательном порту в 115 Кбит/сек. Более высокая скорость порта нужна потому, что посылаются также управляющие сигналы между компьютером и модемом, которые не передаются по телефонной линии. В случае, когда порт не поддерживает высоких скоростей, данные могут теряться. Внешние устройства можно отключить, выключив блок питания, а внутренний – лишь при выключении компьютера, что неудобно при зависании модема.

Модемы можно разделить на две категории: первый вид (Class2) имеет внутренний процессор, который обрабатывает данные, во втором данные обрабатываются центральным процессором (Class1), они также называются Windows модемами , несколько дешевле первого типа. Такой модем, если процессор старый, может сильно замедлять работу компьютера, но если пользователь довольно редко выходит в Интернет и посылает лишь время от времени небольшое количество сообщений электронной почты, то это допустимо. Вполне целесообразно его применение и в том случае, если на компьютере стоит мощный процессор.

Часто модем характеризуется протоколом , с которым он работает. Существуют протоколы модуляции сигнала, протоколы коррекции ошибок, сжатия данных и работы с факсимильной связью (факс) . Модем имеет несколько протоколов по каждому из этих видов. К протоколам коррекции ошибок относятся V.42, MNP2-4, MNP10, сжатия данных – V42bis, MNP5.

Одной из основных характеристик модема является скорость передачи данных, причем указываемая максимальная скорость может составлять для современных устройств 33,6 или 56 Кбит/сек. Если указывается скорость 33,6 Кбит/сек, то используется вся полоса и данные передаются в обоих направлениях со скоростью 33,6 Кбит/сек. в случае, если линия это позволяет. Если линия этого не позволяет, то происходит переход на более низкую скорость. Скорость 56 Кбит/сек. обеспечивает получение данных с большей скоростью, чем при их отправлении, так как частот на прием здесь больше, чем для передачи, однако передача от модема осуществляется с меньшей скоростью.

Кроме того, нужно, чтобы оба модема имели одинаковые характеристики, иначе передача данных не достигнет максимальной скорости. Для этого перед покупкой модема у провайдера нужно уточнить тип модема, с которым он лучше работает. Ниже приведена таблица соответствия между некоторыми протоколами и скоростью передачи по нему.

Приставка bis означает, что стандарт был пересмотрен. Начиная со скорости 14 400, все протоколы дуплексные, то есть передают сообщения в обе стороны одновременно. С символа V могут начинаться названия не только стандартов, определяющих протокол передачи данных, но и другие виды протоколов, например, V.24 содержит список определенных сигналов между двумя модемами, V.25bis - командный язык для управления модема, и т.д., существуют и другие названия, например, MNP, бывают начинающиеся с символа V, но далее находятся не цифры, а символы, например, V.FC.

Действуют следующие протоколы MNP: MNP1 и MNP2 - устарели и в настоящее время не используются; MNP3 – обеспечивает синхронную передачу; MNP4 - передает данные в синхронном режиме пакетами от 32 до 256 байт данных, при этом размер пакета зависит от качества телефонной линии. Для менее качественной линии используется меньший по размеру пакет, для более – больший; MNP5 - обеспечивает синхронный режим, при этом используется сжатие данных, имеет два алгоритма сжатия повторяющихся сообщений; MNP6 - обеспечивает синхронный режим, также использует сжатие данных; MNP7, MNP8, MNP9 - обеспечивает синхронный режим, при этом использует более совершенные методы сжатия; MNP10 - используется при некачественной линии для передачи данных. В момент начала работы устанавливает самую низкую скорость, а если линия способна работать с повышенной передачей, то скорость возрастает.

Существуют также следующие протоколы:

Xmodem - протокол выпущен в 1977 году. Передающий модем посылает особый сигнал NAK, затем, после приема, принимающий модем выдает сигнал NAK до тех пор, пока не получит пакет данных, который состоит из символа начала данных (SOH), номера блока, данных размером 128 байт и контрольной суммы (CS). При получении данных и их проверке на правильность по контрольной сумме посылается сигнал о том, что данные приняты (ACK), а если приняты неправильно, то посылается сигнал (NAK). Если имеется несколько неудачных передач данных, сеанс связи прекращается. По окончании передачи посылается символ EOT, сообщающий об окончании сеанса.

Существуют модификации этого протокола, например, в Xmodem CRC контрольная сумма увеличена до 16 байт, что повышает надежность передачи, Xmodem 1k – размер блока данных увеличен до 1 килобайта, Xmodem G - передает данные, причем контрольная сумма находится в конце не блока данных, а файла.

Ymodem - основан на протоколе Xmodem, с величиной передаваемых данных 1 килобайт, передает имя файла и его атрибуты. Кроме того, в первом блоке содержится информация о том, имеются ли следующие файлы для передачи.

Kermit - использует пакеты данных до 94 байт, в основном применяется в Unix системах.

Zmodem - передает данные размером от 64 до 1024 байт с их сжатием. При сбое посылает данные с того момента, когда был сбой.

Bimodem – дальнейшее развитие протокола Zmodem с возможностью посылать данные в двух направлениях одновременно.

Иногда могут потребоваться команды модема , например, для его тестирования. Ниже приведен список некоторых команд модема (отметим, что модификации модемов могут иметь разный набор команд):

ATA - готовность модема к работе;

ATADPномер – пульсовой набор номера телефона;

ATADTномер – тоновый набор номера телефона;

ATW – ожидание несущей;

ATMx – работа громкоговорителя, где 0-выключен, 1-включен;

ATLx – громкость громкоговорителя от 0 до 7;

ATQx – сообщения модема о выполнении команд: 0-включен, 1-выключен;

ATHx – 0-отключение модема от линии, 1-подключение;

ATZ – восстановление первоначального режима работы;

AT&W – запись текущих параметров модема в память;

ATSx=значение – определение характеристик модема;

+++ - переключение модема в режим команд;

A\ – повторение последней команды.

При передаче данных по модему используются специальные протоколы для сжатия данных, для их более быстрой передачи и методы корректировки ошибок. Такие стандарты обозначаются MNP (Microcom Networking Protocol – сетевой протокол Microcom), а также некоторые из стандартов, начинающиеся с буквы V (V.41, V42 и V42bis).

Для передачи данных используется специальный протокол, то есть правило, по которому данные передаются и принимаются. Для нормальной работы нужно, чтобы оба модема (посылающий и принимающий) могли работать с этими протоколами. При методах исправления данных помимо них посылается специальная комбинация CRC, которая служит для определения ошибок. При приеме данные проверяются, то есть производятся вычисления и сравнение блоков CRC (вычисленного и проверочного) и в случае нормальной работы посылается сигнал о том, что данные приняты правильно.

Замечания. Код страны в компьютере совпадает с префиксом международного телефона. Телефонный номер состоит из следующих цифр: Код страны (10 для России), + код региона (495 или 499 для Москвы) + номер АТС (3 цифры) + номер телефона внутри АТС(4 цифры)

Если модемом экспериментировали и он не работает, то чтобы сбросить значения параметров, можно перезагрузить компьютер, при этом выключив и включив модем, или ввести команду АТ&F, а для определения параметров модема ввести АТ&V.

Передача текстовой информации по телефонным каналам называется дейтефонной связью .

Модемы содержат в себе: адаптер порта ввода-вывода для работы с телефонной линией; адаптер порта ввода-вывода для работы с компьютером; процессор, производящий модуляцию/демодуляцию сигнала и обеспечивающий протокол связи; память, где хранится программа управления микросхемами, поддерживаются параметры модема, и оперативная память; контроллер, управляющий сообщениями с компьютером и компонентами модема.

Модем может иметь часть из этих компонентов, причем недостающую часть будет моделировать центральный процессор, например, контроллер. Такие модемы называют программными.

Самой главной характеристикой является скорость передачи данных. Совсем недавно стандартом была скорость 14,4 Кбит/сек (конечно, были и меньшие скорости), затем появились устройства, позволяющие передавать информацию со скоростью 28,8 и 33,6 Кб/сек. Сейчас максимальная скорость передачи достигла 128 Кб/сек и обеспечила максимальную возможность передачи по телефонной сети.

Разумеется, устройства, которые работают со скоростью 33,6 Кб, могут также работать и при более медленных скоростях, а именно 28,8 и 14,4 Кб/сек., но не наоборот. Так, если на одном конце будет находиться модем, обеспечивающий скорость передачи 28,8 Кб/сек, а на другой - 14,4, то передача будет происходить со скоростью 14,4 Кб/сек.

Установка модема

Установка модема. Установка модема, как правило, не составляет больших проблем, так как после установки операционная система сама его находит и устанавливает стандартный драйвер. Если к модему придается драйвер, то желательно его установить, так как по сравнению со стандартным драйвером, он дает дополнительные возможности.

Для установки нужно выполнить следующую последовательность действий:

Выключите компьютер (если подключается внутренний модем или внешний к последовательному порту);

Если это внутренний модем, установите его как плату расширения. При этом держите плату за края, не касаясь проводников и микросхем на платах. Если же это внешний модем, то подключите к последовательному порту или порту USB . Если число штырей в разъеме последовательного порта не совпадает, потребуется переходник, так как один из портов может быть уже занят;

Если в модеме имеется один выход для телефона, то нужно подключить провод одним концом к модему, другим концом - к телефонной розетке. В этом случае можно воспользоваться специальным видом розетки, которая имеет два выхода: один для телефона, другой для модема. Вид такой розетки показан на рисунке справа, в ней имеется два таких вида разъема.

Один совпадает со стандартом, действующим в нашей стране, а второй – с принятым на Западе, он имеется во многих продаваемых модемах.

Можно воспользоваться специальным раздвоителем, который имеет на одном конце один разъем, на другом - два. Один разъем устанавливается в телефонный аппарат, к двум другим подключается провод к телефонной розетке и провод к модему.

Если на модеме находится два телефонных разъема, то в один нужно подключить провод от телефонной розетки (надпись около разъема line), другой - к телефонному аппарату (надпись phone). Если надписи нет, то посмотрите на заднюю стенку модема, где может быть схема контактов, или обратитесь к документации. Если подключение произведено неправильно, то модем работать не будет. В этом случае поменяйте контакты. Внешний модем нужно также подключить к сети через блок питания. Для установки внутреннего модема воспользуйтесь описанием установки плат в системный блок;

После установки включите компьютер и установите программное обеспечение, поставляемое вместе с модемом.

В ноутбуках имеется один выход для подключения к телефонной линии. Во время работы с модемом лучше не пользоваться параллельным телефоном либо подключить его через соответствующее гнездо на модеме, иначе могут возникнуть наводки от телефонной линии, появляться шумы.

В системе Windows, после установки модема, на экране появится сообщение о том, что система обнаружила новое устройство, после чего система сама попытается определить его характеристики. Следуйте инструкциям, прилагаемым к вашему модему. Необходимо сделать правильную установку, чтобы не было конфликтов из-за пользования системными ресурсами.

Установка модема производится так же, как и других устройств. Если модем поддерживает стандарт Plug & Play, то при включении компьютера на экране появится «мастер» установок, который при помощи вопросов и ответов поможет установить модем. Если модем не поддерживает стандарт Plug & Play (для очень старых моделей), то нужно воспользоваться режимом: Пуск →Настройки →Панель управления →Модемы(2) →Свойства (модемы) →добавить → (не определять тип модема) Далее . Если имеется диск к модему, то нужно воспользоваться режимом «Установить с Диска» или, при его отсутствии, выбрать фирму-изготовителя (если неизвестно, то «Standard modem types») и Модель →Далее →выбрав подходящую модель, нажать Далее → (выбрать необходимый порт) Далее .

Одним из важнейших параметров, который нужно установить, является тип набора, который должен быть импульсным, так как у нас в стране другой тип не используется. Для его установки нужно в окне Свойства: Модемы: Общие нажать «Параметры установки связи», где выбрать импульсный набор.

Чтобы проверить , правильно ли произведена установка, воспользуйтесь режимом: Пуск →Настройка →Панель управления →Система(2) →Устройства , где имеется список устройств. Если около названия «Модем» находится знак плюс, то нужно щелкнуть по этому значку, чтобы раскрыть список модемов. После чего следует убедиться, что около установленного устройства нет вопросительного и восклицательного знаков.

Параметры модемов можно посмотреть и изменить посредством: Пуск →Настройка →Панель управления →Модемы →Свойства →Общие , где изменяется порт, громкость динамика, указывается максимальная скорость. При этом максимальная скорость подразумевается между модемом и компьютером, а не между модемами. Обычно устанавливают максимальную скорость, а в случае плохой связи ее уменьшают.

Другие вопросы

В общем каналы связи делятся на :

Аналоговые (например, телефон), по которым информация передается в виде непрерывного сигнала;

Цифровые, передача цифровых (дискретных или импульсных) сигналов

или

Симплексные,

Полудуплексные,

Дуплексные

или

Коммутируемые, создаваемые на время передачи информации, далее отключаются;

Некоммутируемые (выделенные), выделенные на длительный срок

или

Низкоскоростные (телеграфные) со скоростью 50-200 байт/сек.;

Среднескоростные (телефонные) со скоростью 300- 56 000 байт/сек.;

Высокоскоростные, свыше 56 000 бит/сек.

Для передачи данных с высокой скоростью используется провод витая пара (свитые между собой), коаксильный кабель (как в телевизионной антенне), оптоволоконный (из стеклянных волокон) и радиоканал (через радиоволны).

Радиоволны могут быть сверхдлинные (3-30 Кгц), длинные (30-300 Кгц), средние (300-3000кгц), короткие (3-30Мгц), ультракороткие (30Мгц-3Ггц), субмиллиметровые (300-6000Ггц).

При передаче данных используется несколько видов модуляции: частотная (V21), фазовая (V22), амплитудная и квадратурная амплитудная модуляция, при которой изменяется фаза и амплитуда, более помехоустойчивая, чем предыдущие, поэтому она используется в стандарте V22.bis и выше.

Протокол также содержит возможность разбиения сообщений на блоки, восстановления связи, исправления ошибок и т.д. К ним относятся Хmodem, Ymodem, Zmodem, Kermit и др. Наиболее распространенным является Zmodem.

Сетевые карты служат для подключения компьютера к сети компьютеров и являются посредником между компьютером и сетью для передачи данных. Сетевая карта имеет свой процессор и память. Основными характеристиками сетевой карты является шина, к которой она подключается, размер памяти, разрядность карты (8, 16, 32 разряда), виды разъема для тонкого и толстого кабеля. Сетевые карты требуют установки линии прерывания (часто это 3 или 5), канала DMA, адреса памяти (С800).

Кабель для сети может быть нескольких видов:

Витая пара . Состоит из нескольких перекрученных между собой медных проводников в одном кабеле, которые могут быть неэкранированными (UTP) или экранированными (STR).

Коаксильный кабель состоит из центрального и экранирующего проводов, между которыми находится изоляция. Существует две разновидности этого кабеля: тонкий (толщиной 0,2 дюйма) и толстый (толщиной 0.4 дюйма).

Оптоволоконный кабель состоит из двух проводов, состоящих из световолоконных волокон. Имеет большую пропускную способность, однако весьма дорог, поэтому используется редко.

При использовании кабеля обращают внимание на волновое сопротивление, часто 50 ом. При прокладке нужно иметь кабели одной марки, желательно одного производителя. После прокладки тонкого кабеля устанавливаются коннекторы, например, российского производства (СР50) или обжимные BNC коннекторы. На концах устанавливают заглушку и одна из них должна быть обязательно заземлена.

Прокладка толстого кабеля происходит через трансиверы, причем используется один трансивер к одному компьютеру, а на концах кабелей, следующих к компьютеру, должны быть 15-контактные DIX разъемы (или AUI). На конце кабелей установлены: N-терминаторы, один из которых заземляют. Чтобы увеличить длину локальной сети (для тонкого кабеля она не может быть более 185 метров), используют репитеры (Repeater - повторитель).

Кабель витой пары используют вместе с концентратором или хабом (Hub), от которого к каждому компьютеру проложен кабель длиной не более 100 метров. На концах находится разъем RJ-45, который внешне похож на телефонный разъем, но имеет 8 контактов (а не 4). Концентраторы могут иметь разное число портов, например, 8, 12, 16, соответствующих максимальному числу подключенных компьютеров.

При работе модема как факса , он работает по своим стандартам. При отправке факсов со скоростью 14,4 Кбит/сек используется стандарт V.17 (14 400), V27 ter (4 800), V29 (9 600) и Т.30 для самого протокола. При передаче изображения листа могут использоваться следующие режимы с разрешающей способностью для факс-передачи: стандартная (Standard) – 100х200 dpi; качественная (Fine) – 200х200 dpi; высококачественная (Superhigh) – 400х200dpi; фоторежим (Photo) передает 64 градации серого цвета.

Современный модем поддерживает большинство стандартов, во всяком случае, те из них, которые работают при меньшей, чем максимальная скорость данного модема.

Кроме обычных модемов, могут быть весьма специфические модемы, например, кабельные, когда сигнал передается через телевизионный кабель . При этом кабель подключается к специальной розетке, на которой имеется разъем для телевизора и для последовательного канала компьютера. Работа по кабельным сетям позволяет передавать данные с большой скоростью. Однако со временем, когда число пользователей возрастет, пропускная способность для каждого пользователя может оказаться низкой. А сейчас, пока пользователей немного, они дают небольшому числу пользователей большие преимущества работы в Интернет.

Могут быть использованы спутниковые устройства , при этом пользователи через телефон передают сообщение провайдеру, какие страницы он хочет получить, и получает их через спутник.

В настоящее время все больше для передачи информации используется мобильная связь . В таком случае подключение модема производится к мобильному телефону через специальный кабель.

У нас в стране наибольшее распространение при передачи данных – голосовая и цифровая, имеется стандарт GSM - Global System for Mobile Communication, что может быть переведено как «глобальная система для мобильных коммуникаций». Суть такого стандарта заключается в том, вся передаваемая информация разбивается на так называемые кадры, подразделяемые на восемь интервалов. В зависимости от занятости линии могут быть задействован один интервал, либо другой. Но этот способ мобильной связи предназначен, прежде всего, для передачи голосовых сообщений, которые имеют приоритет перед цифровыми данными. В конечном итоге скорость перекачки данных не превышает 9,6 Кбит/с.

Другой стандарт GPRS (General Packet Radio Service - общий пакетный радиосервис) позволяет повысить такую скорость до 50 Кбит/с, а теоретически может достигать 100 Кбит/с. В отличии от GSM, здесь для пересылки информации возможно задействование и других временных интервалов в кадре, вплоть до всех восьми, а это обстоятельство повышает скорость посылки данных. Кроме того, этот вариант мобильной связи обеспечивает сокращение расходов пользователя, так как оплачивается объем передаваемой информации в отличии от GSM.

GPRS-устройства делятся по своим возможностям на три класса:

Класс А. Такие устройства в каждую единицу времени способны передавать одновременно оба вида информации – голосовые и цифровые.

Класс В. Эти модели позволяют работать попеременно, либо с цифровыми данными, либо с голосовыми.

Класс С. Здесь выполняется пересылка только цифровых данных.