Модемы: зачем они нужны

Оглавление

Введение. 2

Глава I. Каналы передачи данных, использующие модемы.. 5

Глава II.  Устройство модема. 11

Глава III.  Виды модуляции, применяемые в модемах. 18

Заключение. 25

Библиографический список. 27

Введение

Процессы модуляции и демодуляции электрического сигнала, суть которых заключается в преобразовании первичного сигнала в сигнал, удобный для передачи в определённой среде, и восстановлении первичного сигнала после передачи, являются неотъемлемыми и одними из важнейших звеньев системы электрической связи. С их изучением связано развитие радио, телевидения, современных систем передачи информации.  В аналоговых сетях модуляция традиционно подразумевает изменение цифрового, дискретного первичного сигнала до частоты непрерывного, волнового (аналогового) сигнала, а демодуляция — восстановление переданной информации в цифровом виде после передачи.

Необходимость таких преобразований в современных вычислительных сетях обусловлена в первую очередь недостаточным развитием систем цифровой передачи данных.  Несмотря на очевидные преимущества прямого цифрового потока, такие как отсутствие ослабления сигнала и устойчивость к помехам при передаче на большие расстояния, лёгкость восстановления потерянной информации, цифровая передача данных требует очень широкую полосу пропускания и высокую скорость.  Так, если для передачи аналогового видеосигнала по стандарту NTSC достаточно частотной полосы около 4,5 МГц со скоростью 143,2 Мб/с, то для цифровой передачи видеосигнала необходима частотная полоса в 74,25 МГц и скорость 1485 Мб/с.![1] И хотя бурное развитие цифрового аудио, видео, контентных услуг в Интернете стимулируют появление более совершенных интерфейсов цифровой передачи данных[2], их использование в крупных масштабах требует полной замены существующих линий передачи сигналов.  Российская действительность такова, что замена устаревших декадно-шаговых и координатных АТС на цифровые опережает цифровизацию самих каналах связи, на которых сохраняется аналоговое коммутационное и каналообразующее оборудование.  Поэтому использование традиционных аналоговых каналов в современных высокоскоростных проводных сетевых решениях является по-прежнему актуальным.[3]

Термин «модем», означающий в широком плане устройство для модуляции и демодуляции сигнала, получил распространение в компьютерных технологиях. Традиционно под ним понимается внешний прибор или плата внутри компьютера, обеспечивающие модуляцию цифрового сигнала в аналоговый и демодуляцию аналогового сигнала в цифровой для передачи данных по существующим аналоговым линиям электрической связи (телефонной линии, радио).  Модуляция и демодуляция не только лежат в основе передачи сигнала на голосовых частотах, но и используются как в высокоскоростных решениях (цифровая абонентская линия, DSL), передающих цифровой поток по телефонным проводам, так и по линиям кабельного телевидения.  Поэтому использование этого термина в отношении современных проводных и беспроводных технологий передачи данных наряду с понятием «трансивер» совершенно правомерно.

Первый модем гражданского назначения, разработанный фирмой AT&T в 1962 г., обладал скоростью передачи данных всего в 300 Бод.  За 26 лет (серийный выпуск данных устройств для персональных компьютеров начался в 1979 г.) благодаря разработке новых методов модуляции, исправления ошибок, сжатия данных скорость передачи по телефонным линиям с использованием коммутируемого доступа возросла до 56 КБ/с, по выделенной цифровой абонентской линии — до 52 Мб/с (в домашней конфигурации — до 24 Мбит/с), по каналам кабельного телевидения — свыше 30 Мб/с (в домашней конфигурации — до 10 Мбит/с). 

В отечественной научной литературе процесс модуляции и демодуляции электрического сигнала изучен достаточно подробно. Однако отставание СССР в развитии телекоммуникаций от Запада, усугубленное резким сокращением финансирования научно-технических разработок в 90-е гг. XX в., замораживанием многих перспективных программ, развалом целых отраслей промышленности и существовавшей инфраструктуры привели почти к монопольному господству западных технологий на постсоветском пространстве.  Этим объясняется и скудное освещение вопросов, связанных с новейшими системами передачи данных, в российской технической литературе.  Основная масса публикаций выходит на Западе; в России же появление переводной и отечественной литературы происходит в лучшем случае с опозданием примерно на 4 – 6 месяцев.  Это обстоятельство серьёзно замедляет внедрение и изучение уже существующих технологий, не говоря уже о ведении собственных разработок.  И хотя в русскоязычном Интернете имеется большое количество сведений о модемах образовательного и справочного характера, львиная доля информации о новейших разработках в области телекоммуникаций выходит на английском языке.

Целью предлагаемой работы является исследование места и роли модемов в сетях передачи данных. 

В ходе исследования решались следующие задачи:

1) рассмотреть основные каналы связи, в которых используются модемы для передачи данных;

2) изучить устройство модема;

3) рассмотреть основные функции, выполняемые модемами;

4) проанализировать виды модуляции и демодуляции, используемые в модемах, выявить их особенности, преимущества и недостатки.

При написании реферата были использованы следующие виды публикаций: 1) профессиональная техническая и популярная русскоязычная литература отечественных и зарубежных авторов; 2) англоязычные и русскоязычные статьи по отдельным технологиям, взятые из интернета со специализированных популярных сайтов, освещающих тематику передачи данных; 3) англоязычные и русскоязычные обзоры, дающие представление о динамике развития и распространения существующих на данный момент технологий доступа к сетям передачи данных.

Глава I. Каналы передачи данных, использующие модемы

Следует подчеркнуть: основным предназначением модемов является доступ абонентов к существующим внешним каналам передачи данных.  Они могут использоваться и для построения внутренних, корпоративных сетей, однако в этом случае область их применения обычно ограничивается организацией сообщения с удалёнными подразделениями, где невозможно наладить передачу данных по локальным вычислительным сетям.  В качестве канала абонентского доступа может городская телефонная сеть, сети кабельного телевидения, радио, мобильные и спутниковые телесистемы, также являющиеся разновидностью радиосвязи.

Подключение к сетям передачи данных по телефонным каналам может осуществляться в форме коммутируемого доступа или по выделенной линии.  В первом случае модем абонента «снимает трубку» и устанавливает соединение с провайдером путём набора телефонного номера, закреплённого за модемным пулом.  При наличии свободного канала один из модемов провайдера устанавливает соединение с оконечным модемом (коммутация), и абонент получает доступ к сети передачи данных.  Обмен информацией между модемами пользователя и провайдера производится в аналоговой форме со скоростью до 56 Кбит/с. по голосовому спектру частот (300 – 3400 Гц).   

На сегодняшний момент dial-up — старейший и самый распространённый способ подключения к Интернету среди российских домашних пользователей.  Во-первых, он гораздо дешевле других видов проводной связи как в плане первоначальных расходов (нужно установить телефон и купить модем), так и абонентской платы; во-вторых, им можно воспользоваться с любого телефонного номера; в-третьих, фактически только с его помощью можно организовать прямой доступ к любому удалённому компьютеру, подключенному к телефонной сети (например, чтобы поиграть с другом по сети, подсоединиться к своей «машине» на работе и т. д.).  Основной недостаток коммутируемого доступа — низкая скорость передачи данных.  Предел 56 Кбит/с (реальная величина скорости может оказаться гораздо ниже) стал тормозом в развитии интернет-технологий и уже давно не удовлетворяет массового пользователя, стремящегося, например, быстро и дёшево заполучить любые аудио- и видеоновинки, не выходя из дома.  Большое неудобство создаёт и постоянная занятость линии, невозможность использования телефона одновременно с Интернетом.

На Западе коммутируемый доступ стремительно вытесняется широкополосными решениями.  В США более 75% постоянных пользователей Интернета имеет высокоскоростное подключение.[4]  По данным британского сайта uSwitch.com, за последние пять лет число традиционных подключений к Интернету в Великобритании сократилось на 51%.  По его прогнозам, к 2010 г. доступ в Интернет будет иметь 80% британцев (21 млн. чел.), из которых коммутируемым доступом будут пользоваться всего 100 тыс. чел. (менее половины процента)!  Этому способствует стремительное падение цен на высокоскоростной Интернет.  За 2006 г. тарифы на широкополосный доступ в Великобритании упали на 17%.[5]  

В нашей стране, согласно свежим данным, «умирать» коммутируемому доступу пока рано: за последний год в столице доходы его предоставления уменьшились, однако в регионах выросли на 30 – 35%. Дополнительную живучесть этой технологии на постсоветском придают: недостаточная пропускная способность магистральных линий, отсутствие технической возможности и узость ёмкости провайдеров для удовлетворения постоянно растущего спроса на высокоскоростные подключения.  Тем не менее, доля широкополосного доступа в России растёт опережающими темпами. За 2006 г. согласно предварительным данным количество абонентов увеличилось на 90%.  При этом число домашних подключений возросло до 2,6 млн.  Через два года этот показатель предположительно возрастёт до 8 млн.[6] 

В отличие от коммутируемого соединения выделенная линия является постоянным соединением, устанавливаемым исключительно между двумя одними и теми же точками.  Она не сводится к использованию какой-то одной технологии и может быть организована как по традиционным телефонным медным парам, так и с использованием оптоволоконного кабеля, каналов радио, сети ISDN.  Частотная полоса, используемая для передачи данных, существенно шире той, что используется для передачи речевого сигнала, и поэтому для обозначения доступа по выделенной линии часто используется термин «широкополосный доступ».[7]  К концу 2006 г. в мире насчитывалось 263,8 млн. широкополосных подключений.[8]

В настоящее время наибольшую популярность среди широкополосных решений приобрела цифровая абонентская линия (ЦАЛ, DSL).  На текущий момент в мире насчитывается 173 млн. таких подключений, что составляет 65,6% всех широкополосных подключений.[9]  Её основное преимущество заключается в том, что передача данных осуществляется по традиционным медным телефонным парам с использованием неголосового частотного спектра.  Модем абонента устанавливает связь с заранее выделенным для только для него портом мультиплексора телефонной компании, через который проходят данные и голосовой поток. 

Существует несколько технологий реализации цифровой абонентской линии: ADSL (асимметричная ЦАЛ), ADSL2, SDSL (симметричная ЦАЛ), VDSL (ЦАЛ с очень высокой скоростью передачи).  Выбор конкретной технологии обусловливается потребностями абонента и особенностями телефонных сетей различных стран.

На сегодняшний день наиболее перспективной для домашнего использования в России является асимметричная ЦАЛ.  Абоненту передаётся цифровой поток со средней скоростью 6 Мбит/с. Скорость передачи данных в обратном направлении при этом примерно в 10 раз ниже, чего вполне хватает для организации запросного канала.  На участке между модемом абонента и мультиплексором провайдера функционируют три потока: высокоскоростной поток, передаваемый в диапазоне частот 4 КГц – 1 МГц, двунаправленный служебный и речевой каналы в стандартном голосовом диапазоне. Частотные разделители выделяют телефонный поток, и направляют его к обычному телефонному аппарату. Такая схема позволяет разговаривать по телефону одновременно с передачей информации и пользоваться телефонной связью в случае неисправности оборудования ADSL. Конструктивно телефонный разделитель представляет собой частотный фильтр, который может быть как интегрирован в модем ADSL, так и существовать в виде самостоятельного устройства.[10]  

Более совершенными образцами асимметричной ЦАЛ являются ADSL2, передающая данные абоненту на скорости 12 Мбит/с при максимальной протяжённости 2,5 км, и ADSL2+ с показателями 24 Мбит/с и 1,5 км соответственно.  ADSL2+ позволяет объединять две линии в один канал, увеличивая скорость подачи данных абоненту до 48 Мбит/с.

В отличие от асимметричной ЦАЛ симметричная ЦАЛ передаёт данные в обоих направлениях с одинаковой скоростью.  При этом на один канал приходится всего 10 линий, что вдвое меньше аналогичного показателя для асимметричной ЦАЛ.  Данные преимущества в сочетании с постоянным IP-адресом, обычно отсутствующим в ADSL, делает технологию SDSL привлекательной для корпоративных клиентов.  Главным недостатком, сдерживающим рост числа подключений по симметричной ЦАЛ, остаётся цена, в несколько раз превышающая аналогичный показатель для ADLS.  Неудобством данной технологии является использование всего частотного спектра, что делает одновременное использование линии для телефонных разговоров и передачи данных невозможным.  По некоторым прогнозам, рост числа симметричных подключений будет происходить быстрее асимметричных.[11]

Большую конкуренцию цифровым абонентским линиям на Западе составляют каналы кабельного телевидения.  Особенно сильны их позиции в США и Канаде из-за охвата большого количества пользователей, относительно позднего развития цифровой абонентской линии, большей протяжённости абонентских телефонных линий по сравнению с Европейскими, что снижает скорость потока цифровых абонентских линий.  Как и в асимметричной ЦАЛ, скорость входящего потока существенно превышает скорость исходящей информации и составляет в США 27 Мбит/с против 10 Мбит/с для обратного трафика.  Основными недостатками данного вида подключения по сравнению с выделенными линиями является меньший ареал распространения кабельного телевидения по сравнению с телефонными сетями, а также общее использование ресурсов канала.  Последнее обстоятельство серьёзно снижает скорость передачи данных при одновременном подключении большого количества пользователей.

 В России, несмотря на быстрое распространение асимметричных ЦАЛ, серьёзную конкуренцию проводному широкополосному доступу могут составить каналы спутниковой связи.  Во-первых, далеко не все городские АТС имеют техническую возможность удовлетворить спрос на ADSL со стороны абонентов.  Во-вторых, в российских регионах цены на спутниковый Интернет существенно ниже тарифов местных провайдеров на ADSL. В-третьих, многие сельские узлы связи и телефонные каналы вообще не пригодны для передачи данных, а данный вид связи позволяет охватить все без исключения точки планеты.

Основным недостатком спутникового Интернета является то, что в нашей стране распространён устаревший (и соответственно дешёвый) вариант, передающий сигнал в одном направлении, от спутника провайдера к абоненту. Запросный канал организуется альтернативными способами, например, через коммутируемый доступ, а в пригородах — через сотовую связь.  Поэтому сельская глубинка, для которой собственно и предназначается данный вид доступа, в российских условиях остаётся пока отрезанной от глобальной информационной сети.  На Западе же спутниковые каналы передают данные в двустороннем режиме.  Распространено коллективное пользование линией спутниковой связи, когда инициативная группа на коммерческой основе организует посредством беспроводной связи доступ до канала всем желающим.[12]

Другим набирающим популярность типом радиоподключения является уже упоминавшаяся мобильная связь.  В российских условиях (пригородах с устаревшими линиями и станциями) сотовый телефон нередко является единственным средством подключения к Интернету.  Однако данный вид доступа пока что уступает как проводным, так и спутниковому в стабильности и скорости передачи, а тарифы на него существенно выше.  В то же время  технологии беспроводного доступа считаются наиболее перспективными и поэтому переживают бум своего развития.

Самой серьёзной и перспективной альтернативой организации широкополосного выделенного доступа на базе существующих телефонных кабелей является доступ по оптоволоконной линии.  За последний год рост числа подключений по этой технологии вдвое превысил аналогичный показатель для цифровых абонентских линий.  Общее число абонентов таких сетей превышает 27 млн.[13]  Основными технологическими преимуществами данной среды распространения является одновременная передача нескольких сигналов с разной длиной волны и малое ослабление сигнала.  Полоса пропускания оптоволоконных линий значительно шире медных, а расстояние, на которое можно передавать сигнал, — намного больше.  Достижение скорости 100 Гбит/с в такой среде вполне реально. Всеобщий переход на оптоволоконные соединения тормозится относительно высокой ценой такого вида связи, несмотря на значительное падение тарифов в США на подключение с 7500 долл. в сер. 90-х гг. XX в. до 750 долл.[14]

Глава II.  Устройство модема

За время своего более чем сорокалетнего существования модем превратился в довольно сложное устройство, по своей структуре напоминающее весь компьютер.  Как и большинство других периферийных компонентов (видеоплат, звуковых карт и пр.), модем имеет свой контроллер, управляющий «рабочими» узлами, которые осуществляют обработку и передачу сигнала.  В зависимости от исполнения отдельные функции могут отсутствовать или быть переданы центральному процессору компьютера.  Рассмотрим устройство модема, применяемого для подключения с использованием коммутируемого доступа.

Основу модема составляют модулятор / демодулятор и цифровой сигнальный процессор, непосредственно отвечающие за обработку сигнала, т. е. модуляцию и демодуляцию, разделением частотных полос, коррекцию ошибок. В качестве таких процессоров также используются либо специализированные, ориентированные на конкретный набор способов и протоколов модуляции, либо универсальные со сменной микропрограммой, позволяющие впоследствии дорабатывать и изменять алгоритмы работы.  В низкоскоростных (300..2400 бит/с) модемах основную работу выполняет модулятор/ демодулятор, в скоростных (4800 бит/с и выше) — сигнальный процессор.

Помимо устройств, осуществляющих обработку сигнала, важное значение имеют порты, передающие этот сигнал в линию и компьютер. В частности, за передачу сигнала в линию отвечает разделительный трансформатор, оптопаpа для опознания сигнала звонка, реле подключения к линии и набора номера, элементы создания нагрузки в линии и защиты от перенапряжений. Вместо реле могут применяться бесшумные электронные ключи. В некоторых модемах применяются дополнительные оптопаpы для контроля напряжения линии. Подключение к линии и набор номера могут выполняться как одним, так и раздельными ключами.

Контроллер модема фактически представляет собой процессор, управляющий работой устройства.  В частности, он отвечает за прием и выполнение команд, буферизацию и обработку данных - кодирование, декодирование, сжатие / распаковку и т.п., а также за управление сигнальным процессором.  Модемы, оборудованные таким контроллером, были впервые представлены корпорацией Хейз в 1981 г. и получили название «умные модемы» (от англ. smart modems).  Благодаря встроенному контроллеру компьютер получил возможность управлять модемом с помощью набора команд, предложенными той же компанией Хейз.  Такой язык общения с модемом позволяет в автоматическом или ручном режиме осуществить набор номера, принять входящий звонок, получить информацию о модели устройства, состоянии линии и т. д.[15]  До появления таких устройств соединение производилось в два этапа: сначала производился дозвон с помощью телефонного аппарата, который подсоединялся к линии через двойник.  Затем провод, соединяющий модем с линией, вставлялся в свободное гнездо двойника.

Как и большинство других устройств, помимо процессора модем имеет свою оперативную и постоянную память. В ПЗУ хранятся программы для основного и сигнального процессоров. ПЗУ может быть однократно программируемым,  пеpепpогpаммиpуемым со стиранием ультрафиолетом или пеpепpогpаммиpуемым электрически (флеш-память). Последний тип ПЗУ позволяет оперативно менять прошивки по мере исправления ошибок или появления новых возможностей.  ОЗУ (оперативная память) используется в качестве временной памяти при работе основного и сигнального процессоров; оно может быть как раздельным, так и общим. В ОЗУ хранится также текущий набор параметров модема.  Имеется также специальная область памяти, где пользователь может сохранять профили настроек.  Обычно модем имеет два профиля: основной и дополнительный.  При инициализации модема один из профилей настроек (текущий, рабочий профиль) загружается в ОЗУ устройства, но пользователь имеет возможности переключиться на дополнительный.  Ряд модемов имеет более двух сохраненных профилей.

Внешние модемы дополнительно содержат схему формирования питающих напряжений (обычно +5, +12 и -12 В) из одного переменного (реже - постоянного) напряжения источника питания.  Кроме этого, внешние модемы имеют разъем для связи с компьютером.  Многие модемы снабжены модулями приёма и отправки факсимильных сообщений, оцифровки телефонных переговоров.

В общих чертах устройство модемов для других типов подключений повторяет схему модема для коммутируемого доступа.  Современные модели всех типов снабжены устройствами сопряжения с линией и компьютерами, имеют блок обработки сигнала.  Основные отличия состоят в реализации данных узлов.  Например, для модемов сетей кабельного и спутникового телевидения, передающих только входящий трафик, нужен лишь демодулятор.  Поэтому модулятор во многих моделях, предназначенных для данных сетей, отсутствует.  Большинство модемов работают с компьютером через последовательный порт, однако кабельные модемы подключаются через интерфейс сетевой карты (к одному модему может быть подключено до 16 компьютеров).[16] 

В высокоскоростных модемах, использующих синхронную передачу[17], большую роль играет блоки предварительного перемешивания младших и старших битов перед модуляцией (в английской терминологии – scrambler), делающее их чередование равномерным, и восстановления первоначальной очерёдности битов после демодуляции (descrambler).  Дело в том, что для предотвращения десинхронизации потока между передающей и принимающей сторонами нужен сигнал синхронизации, который большинство модемов извлекает из самих данных.  Но это возможно только в том случае, если входящий поток содержит достаточное число изменений состояния, позволяющее обеспечить синхронизацию.[18]

Основные функциональные возможности модемов определяются принятыми стандартами или, как их иногда называют, модуляционными протоколами.  Главное внимание в них уделяется методу модуляции и демодуляции, от которых зависит скорость передачи данных и степень восстановления сигнала.  Подробнее данный вопрос рассматривается в следующей главе.

Вторым важным пунктом стандартизации являются методы разделения каналов, необходимого для отделения входящего трафика от исходящего для того, чтобы отличить передаваемый другим модемом сигнал от эха своей передачи.  В ранних модемах для этой цели применялся полудуплексный режим, когда передача данных шла попеременно в одном и в другом направлении.  Данный метод получил название временного уплотнения.  В модемах, работавших в дуплексном режиме, использовался метод частотного уплотнения, предусматривавший разделение речевого канала на два частотных спектра для передачи и приёма сигнала.  Например, метод частотного уплотнения использовался в стандарте Bell-103.  Дуплексная связь намного удобнее полудуплексной, однако, деление спектра напополам не позволяло увеличивать скорость передачи.   Поэтому для высокоскоростных модемов был разработан метод подавления эхо (метод компенсации эхо-сигналов), стандартизированный в протоколе V.32.  Его суть заключается в умении модема вычитать из входящего сигнала эхо собственного исходящего сигнала.  При установке соединения каждый из двух модемов для выявления эхо посылал в линию контрольные сигналы.  Особое значение компенсация эхо-сигналов представляет для модемов, работающих на цифровых абонентских и беспроводных линиях. Посылка контрольных сигналов помогает устранить эффект эха на 80 – 80%, остаток нейтрализуется логическим способом.[19]  Решение проблемы эха позволило преодолеть скоростной барьер в 7200 Кбит/с.

Третьим важным пунктом стандартизации являются алгоритмы сжатия информации, серьёзно ускоряющие передачу данных.  И хотя компрессия применяется уже продолжительное время, такая оптимизация трафика стала особенно актуальна с достижением предела скорости передачи по голосовому спектру частот в 56 Кбит/с. и резким увеличением объёмов информационных потоков за последние годы.  Суть большинства алгоритмов сжатия (это относится не только к модемам) состоит в более кратком представлении повторяющихся символов.  Особенно актуальным такая форма записи данных является для текстовой информации, данных, звука.  Совсем необязательно для обозначения двухсот пробелов тратить двести байт. Можно записать код этого символа (#32) и затем указать его количество (метод сжатия “run-length encode”, RLE).  В основе других алгоритмов лежит выявление последующих символов на основе предыдущих и передача наиболее часто встречающихся символов меньшим количеством битов.  

В модемах наибольшее распространение получили алгоритмы, описанные протоколом V.42bis и стандартами компании Майкроком (MNP5 и MNP7).  Протоколы Майкрокома представляют собой сочетание вышеуказанных методов и позволяют достичь коэффициента сжатия 3:1.  В протоколе V.42 используется алгоритм словарного типа Лемпеля-Зива-Уэлча (LZW).  В его основе лежит динамически обновляемый древовидный словарь последовательностей символов, в котором каждой последовательности соответствует единственное кодовое слово.  Входящий поток данных последовательно — символ за символом — сравнивается с имеющимися в словаре последовательностями, и при нахождении там своей идентичности в потоке происходит замена такой последовательности на кодовое слово.  Гибкость данного алгоритма обеспечивается синхронизацией словаря последовательностей между модемами.[20]

 Четвёртым пунктом стандартизации является коррекция ошибок.  В документах она, как правило, рассматривается вместе со сжатием данных.  Особую актуальность коррекция представляет для отечественных устаревших линий, на которых без неё невозможно работать на скоростях распространения сигнала выше 300 Бод.[21]  В настоящее время большинство модемов аппаратно, т.е. на уровне своего контроллера, поддерживают данную функцию по общепринятым протоколам MNP и V.42.  Ряд производителей «вшивают» в свои модемы собственные методы коррекции.  Имеются также программные решения, позволяющие производить контроль ошибок непосредственно центральным процессором компьютера.  Суть одного из методов Майкрокома, поддерживаемых современными модемам, заключается в следующем: посылаемые синхронно данные объединяются в пакеты по 32, 64, 128, 192 или 256 байтов, в которые помимо самих данных включается контрольная информация. Байтовый пакет состоит из следующих компонентов: стартовые флаги (3 байта), заголовок, включающий команды, ответы и порядковые номера пакетов, сами данные, стоповые флаги (2 байта), 16-разрядная контрольная последовательность пакета.  Смысл второго метода состоит в исключении из потока повторяющейся управляющей (служебной) информации, благодаря чему больше места отводится под передачу самих данных.  В протоколе V.42 помимо стандарта MNP4 применяется также более совершенная система пакетов LAPM, состоящих из открывающего флага, адреса, указывающего порядковый номер пакета, контрольного поля, ответственного за отделение командных пакетов от пакетов с ответами, информации, контрольной последовательности и закрывающего флага.[22]

Помимо вышеперечисленных аспектов в ряд стандартов могут возводиться новые возможности, повышающие удобство использования модемов.  Например, последний протокол V.92, адресованный модемам для коммутируемого доступа, позволяет сократить время на установку соединения, работая в Интернете, получить уведомление о входящем телефонном вызове с указанием номера вызывающего абонента, принять звонок, одновременно удерживая линию модемом.[23]  К сожалению, выход данного стандарта пришёлся на 1999 г., поэтому ввиду последующего распространения технологий широкополосного доступа внедрение вышеперечисленных удобств, несущее немалые затраты для провайдеров, не получило большого распространения. 

Глава III.  Виды модуляции, применяемые в модемах

Модуляция есть изменение одного или нескольких параметров несущего колебания по закону изменения первичного сигнала.  В качестве таких параметров может выступать амплитуда, частота и начальная фаза колебания.  В зависимости от типа канала передачи данных и ряда других условий (качества линии и др.) современные модемы для коммутируемого доступа используют частотную, фазоразностную и многопозиционную амплитудно-фазовую модуляцию.[24] 

Совершенствование методов модуляции является одним из основных условий повышения скорости передачи информации.  В первых модемах (протокол V.21 в Европе и Японии, в США – Bell 103) использовалась частотная модуляция, позволявшая передавать за 1 Бод 1 бит со скоростью 300 Бит/с.  Так как максимальная скорость распространения несущего сигнала в среде не может превышать отведённой ему частотной полосы, то единственно возможным средством дальнейшего ускорения передачи информации является передача за один период (иначе называемый символом или бодовым интервалом) большего количества битов.  Так, если ширина пропускания телефонной линии при диапазоне занимаемых частот от 300 до 3400 Гц составляет 3100 Гц, то для достижения скорости передачи современных модемов, работающих в этом диапазоне, (56 Кб/с) необходимо, чтобы за один период передавалось в среднем 18 битов информации.  Метод модуляции определяет как скорость распространения сигнала в Бодах, так и количество передаваемых битов информации за один Бод.  Помимо скорости передачи данных важным факторами, стимулирующими разработку новых методов модуляции, являются помехоустойчивость, ширина пропускания и др.

Амплитудная модуляция сама по себе не применяется из-за чувствительности к ошибкам, вызываемым помехами и замираниями сигнала.

При частотной модуляции значениям нуля и единицы соответствуют  свои  частоты  сигнала  при неизменной  его  амплитуде.  Частотная  модуляция  весьма   помехоустойчива, поскольку искажению при помехах подвергается в основном  амплитуда  сигнала, а  не  частота.  При   этом   достоверность   демодуляции,   а   значит   и помехоустойчивость тем выше, чем больше периодов сигнала попадает в  бодовый интервал. Однако увеличение бодового  интервала  снижает скорость передачи информации.  Поэтому  область  применения  частотной модуляции — низкоскоростные,   но высоконадежные  стандарты,  позволяющие  осуществлять  связь  на  каналах  с большими  искажениями  амплитудно-частотной  характеристики. Частотная модуляция эффективна при передаче данных со скоростью, не превышающей 1200 Бит/с.

При фазоразностной модуляции в зависимости от значения информационного элемента изменяется фаза сигнала при неизменных амплитуде и частоте. При этом каждому информационному элементу ставится в соответствие не абсолютное значение фазы, а ее изменение относительно предыдущего значения. Если информационный элемент - двойной бит, то в зависимости от его значения (00, 01, 10 или 11) фаза сигнала может измениться на 90, 180, 270 градусов или не измениться вовсе. Фазовая модуляция наиболее информативна, однако если число кодируемых битов выше трех (8 позиций поворота фазы), резко снижается помехоустойчивость. Поэтому на высоких скоростях применяются комбинированные амплитудно-фазовые методы модуляции.

Многопозиционную амплитудно-фазовую модуляцию называют еще квадратурной амплитудной модуляцией. Здесь изменяются и фаза, и амплитуда сигнала, что позволяет увеличивать число кодируемых битов.  Поток данных x(t) расщепляется на два потока битов a(t) и b(t), первый из которых модулирует сигнал cos(ωt), а второй — sin(ωt), где величина ω связана с несущей частотой соотношением f=ω/2π.  Затем оба промодулированных сигнала суммируются в сигнал x(t)=a(t)∙cos(ωt)+b(t)∙sin(ωt) и передаются по каналу связи.  Составляющие модулирующих потоков данных используются для амплитудной модуляции каждого тонального сигнала. Эти сигналы (cos(ωt) и sin(ωt)) сдвинуты по фазе на 90 градусов, т. е. находятся в квадратуре. Отсюда и происходит название метода.[25]

Например, в протоколе V.29 при скорости 4800 Бит/с за один период передаётся 2 бита, обозначаемые поворотами фазы на 0, 90, 180 и 270 градусов при постоянной амплитуде, равной 3.  То есть, в данном случае применяется чисто фазовая модуляция.  При скорости же 7200 Бит/с за один бодовый интервал передаётся три бита при помощи восьми поворотов фазы и двух величин амплитуды. Если фаза передаваемого элемента равняется 0, 90, 180 и 270 градусов, то амплитуда сигнала равняется 3, а при фазе 45, 135, 225 и 315 она равна √2. Таким образом, если демодулятор по какой-то причине получит на входе сигнал с фазой, отклонившейся от восьми вышеперечисленных величин, то распознать его поможет значение амплитуды.  При скорости 9600 Бит/с за один Бод передаётся уже не три, а четыре бита информации.  Первые три бита используются для определения значения фазы, как при скорости 7200 Бит/с, а четвёртый — для определения амплитуды.  То есть, вместо двух значений амплитуды при скорости 7200 Бит/с здесь уже имеется четыре значения амплитуды: если четвёртый бит равен нулю, то значения амплитуды для фаз 0, 90, 180, 270 градусов принимает значение 3, для 45, 135, 225 и 315 — √2 (как в случае со скоростью 7200 Бит/с), но если он равен единице, то амплитуда принимает значения 5 и 3√2 соответственно.  Отметим, что во всех трёх случаях скорость прохождения электрического сигнала по каналу связи оставалась одинаковой, равняясь 2400 Бода.

При демодуляции принятый сигнал расщепляется в преобразователе Гилберта на два потока, сдвинутых по фазе на 90 градусов.  Далее оба сигнала умножаются на две квадратурные составляющие по формулам, обратным формуле модулированного сигнала (a(t)=x(t)∙cos(ωt)-x(t+90°)∙sin(ωt) и b(t)=x(t)∙sin(ωt)-x(+90°)∙cos(ωt)), и пропускаются через фильтр низких частот для выделения модулирующих компонент.

Применение многоточечной квадратурной амплитудной модуляции в чистом виде сопряжено с серьезными проблемами, связанными с недостаточной помехоустойчивостью кодирования. Поэтому во всех современных высокоскоростных протоколах используется вариант этого вида модуляции — так называемая модуляция с решетчатым кодированием, или треллис-кодированием. Она позволяет повысить помехозащищенность передачи информации, снижая тем самым требования к отношению сигнал/шум в канале на 3 - 6 дБ. Суть этого кодирования заключается во введении избыточности. Пространство сигналов расширяется вдвое путем добавления к информационным битам еще одного, образованного посредством сверхточного кодирования над частью информационных битов и введения элементов запаздывания. Расширенная таким образом группа подвергается все той же многопозиционной амплитудно-фазовой модуляции. В процессе демодуляции принятого сигнала производится его декодирование по весьма изощренному алгоритму Виттерби, позволяющему по критерию максимального правдоподобия выбрать из сигнального пространства наиболее достоверную эталонную точку за счет введенной избыточности и знания предыстории, и тем самым определить значения информационных битов.

В настоящее время модемы для коммутируемого доступа используют ряд разновидностей квадратурной амплитудной модуляции для аналоговой передачи и импульсно-кодовой модуляции для цифровых линий, в которых количество кодируемых на одном бодовом интервале информационных битов может доходить до 8.  Повышение скорости передачи связано, главным образом, с цифровизацией телефонных систем, которая исключала одно аналого-цифровое преобразование и связанный с ним шум квантования на этапе передачи сигнала от цифровой АТС до цифрового модема провайдера.  Современные цифровые линии позволяют передавать голос с частотой дискретизации 8 КГц при 8 битах на 1 Бод. Таким образом, скорость передачи теоретически возросла до 64 Кбит/с., однако, поскольку на каждые шесть байт, как правило, полагается один контрольный бит, вместо 64 Кбит/с получается всего 56 Кбит/с.  Протокол V.90, стандартизовавший данную скорость, был принят в 1998 г.  Согласно этому документу, цифровой поток данных со скоростью 56 Кбит/с идёт только в одном направлении, от провайдера к абоненту.  В обратном направлении передача происходит в аналоговом режиме со скоростью 33,6 Кбит/с.  Принятый на следующий год последний протокол V.92 предусматривает цифровую передачу в обоих направлениях, поэтому скорость исходящего потока возросла до 48 Кбит/с.[26]

Методы модуляции, применяемые для широкополосной передачи по аналоговым каналам кабельного телевидения, являются разновидностями квадратурной модуляции.  Для исходящего потока используется 4-значная квадратурная фазовая и рассмотренная выше 16-значная квадратурная амплитудная модуляции, передающие за один Бод 2 и 4 бита. При этом скорость прохождения сигнала для полосы пропускания в 200 КГц составляет 160000 Бод (320 Кбит/с при квадратурной фазовой и 640 Кбит/с при квадратурной амплитудной модуляции), для полосы в 0,4 МГц — 0,32 МБод (0,64 и 1,28 Мбит/с соответственно), для максимальной в домашних условиях полосы в 3,2 МГц — 2,56 МБод (5,12 и 10,24 Мбит/с).  В сетях кабельного телевидения скорость входящего потока значительно выше исходящего. Она достигается использованием 64-значной и 256-значной квадратурной амплитудной модуляциями, передающими 6 и 8 битов за 1 символ (бодовый интервал) по частотной полосе шириной 6 МГц. [27]

Для передачи данных по цифровым абонентским линиям используются два вида модуляции: амплитудно-фазовая модуляция без подачи несущей (carrierless amplitude phase modulation, CAP) и дискретная многотональная модуляция (discrete multi-tone modulation, DMT).[28]  Первый метод представляет собой разновидность квадратурной амплитудной модуляции.  Его особенность состоит в получении модулированного сигнала без предварительной генерации фазовой и квадратурной составляющей несущей.  Это делается для уменьшения передачи неинформативного сигнала.   Для улучшения качества здесь также применяется треллис-кодирование.  Данный стандарт предполагает частотное разделение входящего и исходящего потоков, поэтому проблема эхо-подавления здесь отсутствует.  При скорости распространения сигнала в 1088 Кбод и передаче за один символ 8 байтов входящего потока превышает 7 Мбит/с.  В основе второго метода лежит идея одновременной работы нескольких низкоскоростных каналов в разных спектрах диапазона (отсюда и название «многотональная»).  Перед передачей цифровой сигнал расщепляется модулятором на несколько битовых потоков с разными непересекающимися частотными спектрами.  Число таких потоков может быть до 255.  Символы каждого потока кодируются по методу квадратурной амплитудной модуляции.  Затем полученный с помощью обратного преобразования Фурье сигнал отдаётся декодеру и отправляется в линию.  Для достижения оптимальной скорости передачи субканалам с более высоким соотношением сигнала и шума отдаётся большее число битов.

 В модемах, используемых при передаче данных по каналам мобильной и спутниковой связи, наиболее часто используются 2-значная, 4-значная, 8-значная фазовая модуляция и 16-значная квадратурная амплитудная модуляция.  При этом скорость зависит от используемой пропускной полосы канала.  В этом отношении спутниковые каналы похожи на цифровые абонентские линии.  Мобильная связь такой ширины не имеет, поэтому скорости передачи данных через сотовые телефоны, используемые в качестве модемов, невысоки. 

Таким образом, разработка новых методов модуляции играло главную роль в повышении скорости передачи вплоть до появления скоростных широкополосных технологий.  Необходимости их совершенствования объяснялось долговременным использованием узкого спектра частот, на которых передавался телефонный сигнал.   К моменту начала использования всего диапазона частот, который теоретически может быть передан по телефонным проводам, возможности дальнейшего совершенствования методов модуляции оказались исчерпанными.[29]  Поэтому в новейших технологиях повышение скорости передачи идёт исключительно за счёт увеличения полосы пропускания и новых алгоритмов кодирования, что особенно актуально для радиосвязи.  При этом методы, используемые при передаче сигнала по цифровым линиям, по сути, представляют лишь разновидности применяющихся в традиционных модемов для коммутируемого доступа квадратурной амплитудной и фазовой модуляций.

Заключение

В современных технологиях передачи данных модемы занимают важное место.  Их основное предназначение состоит в изменении цифрового сигнала до частоты, удобной для передачи по каналам электрической связи, и последующем восстановлении после приёма.  Необходимость данных преобразований диктуется недостаточной пропускной способностью современных линий.  Сфера применения модемов ограничивается, как правило, абонентскими линиями и не распространяется на локальные сети, передающие цифровой поток на скоростях 10, 1000, 1000 Мбит/с.  Внутри корпоративных сетей данные устройства используются, в основном, для связи с удалёнными подразделениями.

В ходе исследования доказано, что процессы модуляции и демодуляции имеют место как при аналоговой передаче, так и на цифровых линиях.  Поэтому традиционное сведение их природы к преобразованию цифрового сигнала в аналоговый и восстановлению цифрового сигнала из аналогового после передачи является упрощением.  На сегодняшний день модуляция и демодуляция применяется практически во всех рассмотренных средах распространения сигнала, используемых для аналоговой и цифровой передачи данных по абонентским линиям, включая оптоволоконные, ширина пропускания которых в десятки раз превышает любые другие каналы.  Совершенствование их методов долгое время играло важную роль в повышении скорости передачи по каналам телефонной связи в голосовом спектре частот.  При этом большое значение для повышения надёжности и скорости передачи также играют такие факторы, как сжатие, коррекция ошибок и методы помехозащищённости.

Автор пришёл к выводу, что в основе современных скоростных технологий широкополосной передачи и традиционного коммутируемого доступа лежат схожие, а в ряде случаев — идентичные методы модуляции.  На основании того факта, что за последние 6 лет разработка новых методов модуляции практически не велась, можно согласиться с мнением о том, что повышение скорости передачи за счёт совершенствования этих процессов себя исчерпало.  В настоящее время увеличение пропускной способности каналов достигается за счёт расширения частотной полосы, занимаемой сигналом, как на традиционных телефонных, так и на беспроводных линиях связи.  Успехи в этом направлении отмечены фактом резкого падения доли коммутируемого доступа и популяризацией цифровой абонентской линии не только на Западе, но и в странах с менее развитой системой телекоммуникаций.

Библиографический список

Печатные публикации

1. Гаврилов А. А. Работаем с модемами. — М.: Малип, 1992. — 32 с.

2. Денисьева О. М., Мирошников Д. Г. Средства связи для «последней мили». 3-е изд. — М.: Эко трендз, 2000.— 137 с.

3. Хаммел Р. Л. Последовательная передача данных: рук-во для программиста. — М.: Мир, 1996. — 752 с.

4. xDSL Modulation Techniques. A Nextep  Broadband White Paper. — Mulgrave (Australia): Nextep Broadband, 2001. — 7 p.

Учебные материалы, опубликованные в Интернете

1.  Технология ADSL. — Эл. ресурс: #"#">#"#">#"#">#"#">#"#_ftnref1" name="_ftn1" title="">[1] Analog vs. Digital Transmission. — Эл. ресурс : #"#_ftnref2" name="_ftn2" title="">[2] Например, интерфейсы USB2 и IE1394, пригодные для цифровой передачи видеоизображения со скоростями 400 и 480 Мб/с соответственно, получили массовое распространение всего 3 – 4 года назад. Изобретённый ранее интерфейс USB, поддерживающий скорости до 12 Мб/с, может лишь передавать видео низкого разрешения (например, 320Х240 пикселей) и совершенно непригоден, например, для перекачки изображения с цифровой видеокамеры на персональный компьютер в разрешении 640Х480 пикселей. Поэтому до появления USB2 и IEEE 1394 видеоизображение передавалось на компьютеры аналоговым способом через платы нелинейного монтажа.  Что касается звука, то область применения цифровой передачи сигнала в настоящее время преимущественно ограничивается участком от воспроизводящего устройства до усилителя. Большого распространения полностью цифровые музыкальные системы не получили.