Модемы. Виды модуляции

Оглавление   
 

TOC o "1-3" h z u Введение. PAGEREF _Toc156151394 h 2

Глава I. Каналы передачи данных, использующие модемы.. PAGEREF _Toc156151395 h 5

Глава II.  Устройство модема. PAGEREF _Toc156151396 h 11

Глава III.  Виды модуляции, применяемые в модемах. PAGEREF _Toc156151397 h 18

Заключение. PAGEREF _Toc156151398 h 25

Библиографический список. PAGEREF _Toc156151399 h 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)   

2)   

3)   

4)   

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.