Модеми. Класифікація модемів

Найчастіше для підключення комп’ютера до каналів зв’язку зараз використовують модеми (МОдулятор/ДЕМодулятор).

Модем - це пристрій, призначений для перетворення цифрових сигналів в аналогові і навпаки або цифрових сигналів з одними параметрами в цифрові сигнали з іншими параметрами та передавання їх каналами зв’язку і приймання з них.

Існує доволі багато модифікацій модемів. Вони можуть класифікуватись за різними критеріями, зокрема:

1. За розміщенням розрізняють зовнішні та внутрішні модеми. В свою чергу зовнішні модеми можуть бути настільні, портативні, карти інтерфейсу (PC-card), для роботи в стояках.

2. За різновидами каналів розрізняють модеми звичайні телефонні, чотирипроводові, мережеві, для швидкого передавання некомутованою проводовою лінією (LDM - Limited Distance Modem), стільникові, радіомодеми.

3. За сервісними можливостями бувають факс-модеми, голосові модеми, одночасного передавання мовлення і даних (SVD - Simultaneous Voice and Data).

4. За типом передавання модеми можуть бути синхронні та асинхронні. Професійні модеми, як правило, - синхронні (дуплексні).

5. Модеми також класифікуються за типами використовуваних протоколів (протоколи групи V) та за спеціалізацією (побутові, промислові, спеціалізовані).

Модеми виникли і удосконалювались як засіб спряження комп’ютера, де дані обробляються в цифровій формі, з телефонними каналами зв’язку загального використання, де сигнали передаються і обробляються в аналоговій формі (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Передавання даних між комп’ютерами через телефонні лінії зв’язку з використанням модемів

Начнем с той части телефонной системы, с которой большинство людей знакомы очень хорошо. Итак, имеется двухпроводная линия, идущая от оконечной телефонной станции в дома и небольшие организации. Эта часть называется иногда последней милей, хотя длина местной линии на местности может составлять и несколько миль. На этом отрезке вот уже более 100 лет используется аналоговая связь, и похоже, что в ближайшие п лет ситуация не изменится (в основном из-за высокой стоимости перехода на цифровые линии).

Аналоговый сигнал представляет собой меняющееся во времени напряжение, с помощью которого и передается поток данных. Если бы среда передачи была идеальной, приемник получал бы сигнал, в точности повторяющий исходный. Но, к сожалению, таких сред в природе не существует, поэтому приходящий сигнал всегда несколько искажен относительно сигнала, передаваемого в линию отправителем. Если при этом речь идет о цифровых данных, то такие искажения могут привести к серьезным ошибкам.

Линии передачи всегда страдают от трех напастей — затухания, искажения из-за задержек, а также шума. Затухание, или ослабление, сигнала — это потеря энергии сигналом по мере его распространения по каналу. Затухание выражается в децибелах на километр. Степень ослабления сигнала зависит от его частоты. Чтобы понять степень этой частотной зависимости, представьте себе сигнал в виде суммы гармоник ряда Фурье. Каждая гармоника ослабляется в различной степени, в результате чего приемник получает искаженный спектр сигнала. Более того, разные гармоники ряда Фурье распространяются в среде передачи данных с разными скоростями. Это ведет к искажению сигнала, получаемого приемником.

Еще одной проблемой является шум, то есть нежелательная энергия от посторонних источников, примешивающаяся к энергии передаваемого сигнала. Термальный (тепловой) шум в электрическом проводе присутствует всегда — он вызван случайным тепловым движением электронов, и от него избавиться невозможно. Перекрестные помехи вызваны индукцией, возникающей между двумя близко расположенными проводами. Иногда во время телефонного разговора можно услышать какой-то чужой разговор. Это и есть перекрестная помеха. Наконец, существует импульсный шум, вызванный скачками напряжения и другими случайными причинами. В случае цифровых данных импульсный шум может повредить несколько бит передаваемых данных.

Для решения этой проблемы вместо постоянного тока для передачи данных, особенно по телефонным линиям, применяется переменный ток. Непрерывный сигнал на частоте от 1000 до 2000 Гц называется синусоидальной несущей частотой. Амплитуда, частота и фаза несущей могут изменяться (модулироваться) для передачи информации. При амплитудной модуляции используются две различные амплитуды сигнала, соответствующие значениям нуля и единицы. При частотной модуляции, называемой также частотной манипуляцией (термин широко используется в качестве синонима «модуляции»), для передачи цифрового сигнала используется несколько различных частот. При простейшей фазовой модуляции применяется сдвиг фазы несущей частоты на 180° через определенные интервалы времени. Улучшенным вариантом фазовой модуляции является сдвиг фазы на постоянный угол, например, на 45, 135, 225 или 315° для передачи 2 бит информации за один временной интервал. Можно также изменять фазу по окончании интервалов, что позволяет приемнику болем четко распознать их границы.

На рис.4.5 показаны три формы модуляции. Рисунок 4.5, б дает представление о том, как выглядит исходный сигнал при амплитудной модуляции. Ампли туда его либо ненулевая, либо равна нулю. На рис. 4.5, в показано, что тот же исходный сигнал кодируется двумя разными частотами. Наконец, из рис. 4.5, г видно, что два состояния кодируются наличием либо отсутствием фазового сдвига на границе каждого бита.

Число отсчетов (сэмплов) в секунду измеряется в бодах. За каждый бод передается один символ. Таким образом, линия, работающая со скоростью n бод, передает n символов в секунду. Например, линия со скоростью 2400 бод отправляет 1 символ за 416,667 мкс. Если символ состоит из двух состояний линии (к примеру, 0 В означает логический ноль, 1 В означает логическую единицу), то битовая скорость составляет 2400 бит/с. Если же используются четыре уровня напряжений (например, 0, 3), тогда каждый символ будет состоять уже из двух бит, поэтому та же самая линия на 2400 бод сможет передавать все те же 2400 символов в секунду, но уже с битовой скоростью 4800 бит/с. Аналогично, можно задать четыре степени фазового сдвига вместо двух, тогда и модулированный сигнал будет кодировать один символ двумя битами, а битовая скорость, опять же, будет в два раза выше. Такой метод применяется очень широко и называется квадратурной фазовой манипуляцией, (Quadrature Phase Shift Keying).

Рис. 4.5. Двоичный сигнал (а); амплитудная модуляция (б); частотная модуляция (в); фазовая модуляция (г)

Полосой пропускания среды называется диапазон частот, которые могут передаваться в этой среде с минимальным затуханием. Это физическое свойство материала. Полоса варьируется обычно от 0 до какого-то максимального значения и измеряется в герцах (Гц).

Скорость двоичной передачи, baud rate (в бодах — это число отсчетов, совершаемых за одну секунду. Каждый отсчет передает единицу информации, то есть символ. Таким образом, скорость двоичной передачи равна скорости передачи символов. Метод модуляции (например, QPSK) определяет число бит, из которых состоит один символ.

Битовой скоростью называется объем информации, передаваемый по каналу за секунду. Битовая скорость равна произведению числа символов в секунду и числа бит на символ (символ/с х бит/символ).

Все хорошие модемы используют комбинированные методы модуляции сигналов для передачи максимального количества бит в одном боде. Зачастую, например, комбинируются амплитудная и фазовая модуляции. На рис. 4.6, а изображены точки, расположенные под углами 45, 135, 225 и 315°, с постоянным уровнем амплитуды (это видно по расстоянию до них от начала координат). Фаза этих точек равна углу, который линия, проведенная через точку и начало координат, составляет с положительным направлением горизонтальной оси. На рис. 4.6, а видно, что возможны четыре положения фазового сдвига, значит, можно передавать 2 бита на символ. Это метод QPSK.

Рис. 4.6. а - QPSK, б – QAM-16, в – QAM-64

Чем объясняется теоретический предел в 35 Кбит/с? Это связано, прежде всего, со средней протяженностью местных линий связи и их качеством. Да, число 35 Кбит/с определяется длиной местных линий. На рис. 4.7 вызов, инициированный компьютером, находящимся слева, идет к Провайдеру 1 по двум местным линиям связи и имеет при этом форму аналогового сигнала. Первый раз это случается на стороне отправителя, второй раз — рядом с получателем. И там, и там на сигнал накладываются шумы. Если нам удастся избавиться каким-то образом от этих двух «последних миль», то максимальную скорость можно будет удвоить.

Рис. 4.7 Одновременное использование аналоговой и цифровой связи для соединения компьютеров

Именно эту идею использует Провайдер 2 (рис. 4.7). К нему от ближайшей оконечной телефонной станции протянута полностью цифровая линия. Сигналу, снимаемому с магистральной линии, не приходится иметь дело с кодеками, модемами, АЦП и ЦАП. Когда хотя бы на одном конце соединения отсутствует «последняя миля» (а большинство провайдеров сейчас уже пользуются только цифровыми каналами), максимальная скорость передачи повышается до 70 Кбит/с. Если же соединение устанавливается между двумя обычными пользователями, каждый из которых передает данные по аналоговой местной линии с помощью модема, максимальная скорость ограничена 33 600 бит/с.

Причина, по которой используются модемы со скоростью 56 Кбит/с, связана с теоремой Найквиста. Телефонная линия имеет полосу пропускания около 4000 Гц (включая защитные полосы). Таким образом, максимальное число независимых отсчетов в секунду — 8000. Число бит на отсчет, используемое в США, равно 8, причем 1 бит является контрольным, что позволяет передавать пользовательские данные с битовой скоростью 56 000 бит/с. В Европе все 8 бит являются информационными, поэтому, в принципе, максимальная скорость может достигать 64 000 бит/с, однако международным соглашением установлено ограничение в 56 000 бит/с.

Поступове впровадження у телефонний зв’язок цифрових технологій (практично - комп’ютерних технологій) дозволить в майбутньому повністю відмовитись від використання модемів як засобів спряження апаратного, станційного та лінійного обладнання. Саме з такими перспективами пов’язують технології xDSL та АТМ.

Дата добавления: 2014-01-04