Модемы (Краткий обзор)

Библиотека компании Bilim

Введение
Классификация модемов
Классификация модемов по области применения
Стандарты и протоколы

Модем представляет собой устройство, преобразующее цифровые данные в аналоговые сигналы за счет МОДуляции на передающей стороне и выполняющее обратное преобразование за счет ДЕМодуляции на приемной стороне.

Введение

Необходимость обмена данными между удаленными компьютерами привела к использованию существующих телефонных линий для передачи данных. Большинство телефонных линий было разработано для передачи аналоговых сигналов - голоса, тогда как компьютеры работают с цифровой формой представления данных - импульсами. Поэтому для использования аналоговых телефонных линий требуется преобразовать цифровой сигнал. Таким конвертером служит модем, который МОДулирует и ДЕМодулирует цифровые данные. Модем принимает последовательность импульсов, модулирует какой-либо из параметров (амплитуду, частоту или фазу) аналогового сигнала для передачи данных через аналоговую среду. Принимающий данные модем выполняет обратное преобразование, восстанавливая цифровые данные на основе полученного из линии аналогового сигнала.

первые модемы использовались главным образом для обмена между терминалами данных и хост-компьютерами. Позднее модемы начали использовать для обмена между компьютерами. Такой обмен потребовал более высокой скорости передачи, в результате чего скорость обмена выросла от 300 бит/сек (bps) до 33600 bps. Сегодняшние модемы используют различные методы сжатия информации для дополнительного повышения скорости обмена и контроля ошибок, а также их исправления для обеспечения более надежной связи.

Для того, чтобы модемы разных фирм могли обмениваться данными друг с другом, были разработаны специальные стандарты.

сегодня модемы используются для решения широкого класса задач: голосовая почта, факсимильная связь, обмен информацией через системы сотовой связи для переносных компьютеров. Однако рост скорости для обычных телефонных линий ограничен и для ее дальнейшего повышения придется использовать другие технологии - ISDN или связь через оптические кабели.

Классификация модемов

Область применения
- модемы для коротких линий (short range);
- модемы для голосовых линий (voice grade - VG);
- модемы для широкополосных линий (wideband).
Тип линии
- коммутируемые;
- арендованные (выделенные);
- частные.
Режим работы
- полудуплексный;
- полнодуплексный;
- симплексный.
Синхронизация
- синхронные;
- асинхронные
Модуляция
- амплитудная (AM);
- частотная (FM/FSK);
- фазовая (PM);
- TCM
Скорость

Классификация модемов по области применения

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

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

Short-range модемы дешевле остальных типов модемов по двум причинам:

они не содержат устройств для компенсации разности частот модулятора и демодулятора;
зачастую такие модемы не содержат устройств снижения/коррекции шума, поскольку на коротких дистанциях уровень шумов существенно меньше.

Модемы для коротких дистанций делятся на два основных типа:

Аналоговые модемы с использованием простых методов модуляции без изощренного контроля ошибок. Обычно скорость таких модемов не превышает 9600 bps, однако отдельные модели поддерживают обмен данными на скорости до 64 Kbps.
Драйверы линий повышают уровень цифровых импульсов и передают в линию непосредственно цифровые сигналы без их модуляции, как это происходит при использовании обычных модемов. Драйверы линий очень дешевы, имеют крошечные размеры и присоединяются непосредственно к портам RS-232, используя для питания напряжение сигналов DCE-DTE.

Модемы для голосовых линий (voice grade - VG).

передача осуществляется по коммутируемым или арендованным линиям.

Стандарты и протоколы

Для того, чтобы два устройства могли обмениваться данными друг с другом, требуется определить и согласовать интерфейс. Для модемов стандарты определяют методы модуляции, способы коррекции ошибок и компрессии данных и ряд других параметров. Существует несколько организаций, занимающихся разработкой стандартных интерфейсов. ITU (International Telecommunications Union - Международный союз по Электросвязи) - комитет ООН (Женева, Швейцария), ISO (Innternational Standards Organisation - Международный комитет по стандартизации), ITU-T занимаются разработкой стандартов для модемов.

Cтандарты для модемов разрабатывались годами и публиковались как серия рекомендаций, помеченных префиксом V. В сША основным разработчиком стандартов является ANSI - American National Standards Institute. Комитеты ANSI, занимающиеся обработкой информации и передачей данных, обозначаются соответственно X3 и X3S3. Эти организации имеют дело со стандартами de-jure.

Существуют также стандарты de-facto, разработанные отдельными производителями оборудования, использующими в своей продукции новые свойства, еще не определенные комитетами по стандартизации. Когда такие расширения принимаются другими производителями, они становятся стандартами de-facto.

Некоторые примеры стандартов de-facto приведены ниже. Стандарт Bell-100 разработан Bell Systems для своих модемов серий 100 и 200; Bell 103 (300 bps) разработанный в 1958 году, был первым модемом для передачи данных по телефонным линиям. Язык AT-команд, разработанный фирмой Hayes (от слова Attention) для своих модемов используется сейчас всеми производителями модемов. Этот язык делает позволяет управлять модемами - от простого набора номера до задания числа звонков, после которого модем "поднимает трубку". Другим примером стандарта de-facto являются протоколы MNP, разработанные фирмой Microcom Inc. и используемые в настоящее время почти во всех модемах.

Стандарты ITU (CCITT)
Стандарт	Год принятия	Скорость	Тип линии	Модуляция
V.21	1964	200	HDX/FDX Общего пользования	FSK
V.22	1980	1200	FDX (FDM)Общего пользования	PSK
V.22 bis	1984	2400	FDX (FDM)Общего пользования	QAM
V.23	1964	1200	FDX (FDM) Общего пользования	FSK
V.26	1968	2400	HDX Частные	PSK
V.26 bis	1972	2400	HDX Общего пользования	PSK
V.26 ter	1984	2400	FDX (EC) Общего пользования	PSK
V.27	1972	4800	HDX Частные	PSK
V.27 bis	1976	4800	HDX Частные	PSK
V.27 ter	1976	4800	HDX Общего пользования	PSK
V.29	1976	9600	HDX Частные	QAM
V.32	1984	9600	FDX (EC) Общего пользования	QAM
V.32 bis	1991	14400		TCM
V.32 Ter		19200		TCM
V.FC		28800		TCM
V.34	1994	28800
V.34M	1995	33600

Существуют и другие стандарты, определяющие функции, связанные с модемами. Некоторые из этих стандартов и протоколов перечислены ниже.

Компрессия (сжатие) данных включает различные методы, подобные кодированию Хаффмана или групповому кодированию (run length coding). Первый метод испоьзует кодирование часто встречающихся символов короткими последовательностями бит, а редких символов - длинными последовательностями. Во втором методе передается значение бита и длина цепочки одинаковых битов вместо передачи всей цепочки. Главной чертой протоколов компрессии является буферизация данных с последующим их сжатием и передачей другому модему. Получивший сжатые данные модем должен выпонить обратное преобразование. Алгоритмы сжатия данных подобны алгоритмам, используемым программами сжатия ARC, ZIP и ARJ. Код программы компрессии хранится в ПЗУ модема и обеспечивает компрессию в реальном времени. Степень сжатия зависит от характера данных. Например, исполняемые файлы PC могут быть сжаты на 40-50%. Сжатие текстовых файлов может достигать 100% (вдвое).

Протоколы, используемые модемами для передачи файлов. Широко растпространены протоколы передачи файлов Xmodem, Ymodem, Zmodem, в мэйнфреймах используется также протокол Kermit. Протокол Xmodem делит данные на блоки, каждый из которых содержит 128 байт данных и 4-байтовую контрольную сумму. На приемном конце контрольная сумма блока (128 байт) вычисляется заново и сравнивается с полученным в блоке значением. Если суммы не совпадают, запрашивается повторная передача блока. Протокол Ymodem использует блоки длиной 1024 байта с 4-байтовой контрольной суммой. За счет увеличения размера блока протокол Ymodem обеспечивает более быструю передачу. Кроме того, Ymodem обеспечивает пакетную передачу файлов с включением в пакет информации о каждом файле и его размере. Это позволяет пользователю на другом конце линии оценить время, требующееся для передачи файлов. Zmodem является свободно распространяемой (public domain) программой, которую написал Chuck Forsberg (Omen Technology). Этот протокол имеет несколько преимуществ. Размер блока составляет от 16 до 1024 байт протокол динамически определяет оптимальный размер блока в соответствии с качеством линии. Начальный размер блока составляет 1К. При наличии в линии сильных шумов размер блока автоматически уменьшается, при повышении качества связи - увеличивается заново. Скорость передачи растет с увеличением размера блока, но следует помнить, что при возникновении ошибки приходится повторять передачу большого блока. Поскольку протокол может автоматически регулировать размер блока в зависимости от качества линии, он позволяет обеспечить высокую скорость передачи. Протокол Zmodem обеспечивает продолжение передачи файла при обрыве связи с места обрыва. Размер контрольной суммы составляет 8 байт (CRC32), что повышает достоверность контроля ошибок.

Организация соединения. Организация соединения между двумя модемами включает процесс согласования параметров (handshaking), заключающийся в передаче специальных сигналов, позволяющих установить оптимальные параметры для каждого модема. Метод FallBack (снижение скорости) используется для нахождения способа обмена. Модем-инициатор связи (тот, который набирал номер) пытается соединиться на максимальной скрости с использованием наилучшей схемы сжатия данных и контроля ошибок. Если отвечающий модем не подтверждает возможность работы на такой скорости или с такими режимами компрессии/контроля ошибок, иниицатор снижает скорость или переходит к более простой схеме компрессии/контроля ошибок и пытается повторно установить связь. Попытки продолжаются до установления связи или осознания ее невозможности.

Сегодняшнее состояние и тенденции.

В настоящее время используются как внешние, так и внутренние (платы, устанавливаемые внутрь компьютера) модемы. Каждый из этих типов имеет свои преимущества и недостатки.

Реальная скорость передачи ограничена качеством существующих телефонных линий. Медленные телефонные транки, устройства, сужающие полосу вдвое на международных линиях, а также соединения через медленную сотовую сеть позволяют передавать данные со скоростью 14400 (без компрессии), хотя модем может обеспечивать скорость 28800.

Все больше пользователей работает в сети Internet или других системах с доступом по телефонным линиям (например, CompuServe). Более производительные процессоры типа Pentium или PowerPC на рабочих станциях или персональных компьютерах позволяют упростить модемы. Часть функций сигнального процессора (DSP) или микроконтроллера может быть выполнена хостом. За счет этого цены на модемы могут быть снижены.

Расширение стандарта V.34, позволяющее одновременно передавать данные и голос (DSVD - Digital Simultaneous Voice and Data) является новым шагом вперед. Спецификация DSVD обеспечивает одновременную передачу данных и речи за счет мультиплексирования пакетов, подобных пакетам ATM. Появились также модемы, обеспечивающие на реальных линиях скорость обмена 33600, а недавно были выпущены комплекты микросхем, позволяющие работать со скоростью 57600.