Модемы. Виды модуляции

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]