Принцип работы модема

 

Рис. 2.24. Схема реализации модемной связи

 

Персональный компьютер является цифровым устройством. Большинство своих задач он выполняет, выключая и включая последовательность электронных ключей. Двоичный О соответствует выключенному ключу, а двоичная 1 - включенному. Между этими значениями нет промежуточных состояний. Телефонная система представляет собой аналоговое устройство, разработанное (в то время, когда цифровая электроника не была известна) для передачи звуков и тона человеческого голоса. Эти звуки преобразуются в аналоговый сигнал, т.е. непрерывный электрический ток, который плавно изменяет свою частоту и силу. Его можно изобразить на осциллограмме как волновую линию:

Модем преобразует цифровые данные в аналоговые сигналы путем изменения, или модуляции, частоты электронной волны. Схожий метод используется радиостанциями с частотной модуляцией. На принимающем конце линии телефонной связи модем делает противоположное: он преобразует аналоговые сигналы обратно в цифровые коды. Два термина — модуляция и демодуляция — дали имя модему.

В связи посредством модема используются, по крайней мере, три стандартизованных элемента персонального компьютера — последовательные порты, команды модема и программы коммуникаций. Разнообразие модемов не позволяет дать общую характеристику принципа их работы, но в большинстве своем обсуждаемые здесь операции относятся к программам, использующим модем с набором команд Hayes для 25-контактного последовательного порта.

Программа обслуживания связи посылает напряжение на контакт 20 последовательного порта, к которому подсоединен модем. Этот сигнал отражает готовность источника информации к передаче данных (DataTerminalReady, DTR). Он сообщает модему, что компьютер включен и готов к передаче данных. В то же самое время ПК обнаруживает напряжение от модема на контакте 6. Этот сигнал (DataSetReady, DSR) дает знать П К, что модем готов получать данные или команды. При, нормальной связи с модемом до начала остальной цепочки операций" должны пройти оба сигнала.

Используя стандартный язык команд, называемый по имени модемов Hayes, программа обслуживания связи посылает команду к модему через линию передачи данных 2. Команда требует от модема менять трубку», т.е. открыть соединение с телефонной линией. Программа посылает другую команду Hayes, которая заставляет модем выдать тон или импульсы, необходимые для набора определенного номера по телефону. Модем подтверждает получение команды, отвечая ПК по линии 3 приема данных.

Когда модем на другом конце линии телефонной связи - удаленный (внешний) молем - отвечает на вызов, местный (локальный) модем посылает тон вызова, давая знать удаленному модему, что он услышал его. Удаленный модем отвечает тоном более высокой частоты. (Вы можете услышать эти два тона, если ваш модем снабжен динамиком.)

Когда связь установлена, ваш модем посылает компьютеру сигнал по линии 8 несущей частоты. Сигнал сообщает программе связи, что модем получает линейный несущий сигнал, являющийся тоном определенной частоты, который позже будет промодулирован для передачи данных.

Два модема обмениваются информацией о том, как они будут посылать данные друг другу, что иногда называется квитированием. Модемы должны согласовать скорость передачи, количество битов, из которых составляется пакет данных (например, один символ), сколько битов будут сигнализировать начало и конец пакета, будут ли модемы использовать бит четности для обнаружения ошибок и будут ли они работать в полудуплексном или в полнодуплексном режиме. Если местная и удаленная системы не настроены в точности одинаково, то они, либо будут посылать символы, не имеющие смысла, либо не смогут работать вовсе.

Скорость передачи. Хотя скорость передачи часто выражается в единицах бод — числе изменений частоты за одну секунду, этот термин устарел, и сегодня лучше применять термин «биты в секунду». Скорость передачи, составлявшая в первых модемах 300 бит в секунду, определялась посылкой двух разных частот — для представления 0 и I соответственно. Аналоговый сигнал телефонной линии ограничен скоростью переключения частот, и это привело к необходимости разработки других принципов передачи данных. Групповое кодирование позволяет различным частотам передавать больше одного бита за один раз. Например, для передач со скоростью 1200 бит/с сигналы в действительности посылаются со скоростью 600 бод, но при этом используются четыре разные частоты для представления четырех различных пар двоичных битов: 0 и 0,0 и 1, 1 и 0, 1 и 1. Дня достижения скорости 2400 бит/с используется тот же принцип, но при большем количестве частот и, соответственно, большем количестве двоичных комбинаций. Для дальнейшего увеличения скорости передачи оба модема должны использовать метод сжатия данных, когда повторяющиеся последовательности нулей и единиц заменяются более короткими кодами.

В каждом пакете данных один бит обозначает начало символа (стартовый бит) и один или два бита — конец символа (стоп-бит).
Бит четкости. Способом обнаружения и коррекции шибок может служить проверка на четность или нечетность. При этом передающая система складывает биты, содержащиеся в символах, и результат сложения, называемый битом четности, посылается вместе с данными. Принимающая система тоже складывает все биты символа и прибавляет к результату бит четности.

Полудуплексная и полно дуплексная связь. Обе системы должны условиться, которая из них ответственна за вывод текста на местный компьютер. При этом одна из систем работает в полнодуплексном режиме, а другая — и полудуплексном. Система, использующая полный дуплекс, отвечает за вывод текста на обеих системах и отображает любой текст, посылаемый ей полудуплексной системой. Если обе системы работают в одинаковом режиме, то либо текст на местной системе не появится совсем, либо каждый символ появится дважды.

Когда программа связи готова к передаче данных, она сначала посылает напряжение по линии 4 в последовательный порт. Этот сигнал, называемый запросом передачи (RequesttoSend, RTS), проверяет, свободен ли модем, чтобы принять данные от ПК. Если модем принимает удаленные данные, предназначаемые для передачи вашему компьютеру, то компьютер, если он занят другой работой, не выдаст сигнал RTS, чем заставит модем отложить передачу данных до тех пор, пока компьютер не закончит работу и не установит сигнал RTS.

Если молем не занят обработкой других данных и может получить новые данные от вашей системы, то он передает сигнал готовности к передаче (CleartoSend, CTS) в ПК по линии 5 последовательного порта, и ПК посылает подготовленные для передачи данные по линии 2. Модем передает полученные от удаленной системы данные на ПК по линии 3. Если модем отстает от ПК в приеме данных, он сбрасывает сигнал CTS, чтобы заставить компьютер приостановить дальнейшую передачу до тех пор, пока модем его не догонит, и только после этого модем вновь устанавливает этот сигнал.

На другом конце телефонной линии удаленный модем воспринимает приходящие данные как последовательность тонов с различными частотами. Он демодулирует эти тоны обратно в цифровые СИГНАЛЫ и посылает их принимающему компьютеру. В действительности оба компьютера одновременно могут посылать и принимать сигналы, так как использование стандартной системы тонов позволяет модемам различать приходящие и отправляемые сигналы на обоих концах.

Когда программе дается команда окончить сеанс связи, она посылает модему другую команду Hayes, по которой телефонная связь прекращается. Если связь прекращена удаленной системой, ваш модем сбросит сигнал CTS, посылаемый в ПК, чтобы поставить в известность программу, что связь прекращена.

 

Протоколы модемной связи

При установке связи между двумя компьютерамимодемы должны предоставить друг другу информацию о скорости связи, корректировке ошибок и сжатии данных. Для этого и существуют протоколы — стандартизированные алгоритмы работы модема.

Список стандартных протоколов

Стандартные протоколы утверждены Международным телекоммуникационным союзом (ITU).

V.21

Обеспечивает скорость передачи данных 300 бит/свдуплексном режиме. Допускает также передачу факсимильных сообщений.

V.22

Скорость составляет 1200 бит/с в полудуплексном режиме.

V.22bis

Вторая редакция протокола V.22, отличается увеличенной скоростью 2400 бит/с и допускает дуплексный режим.

V.23

Асимметричный протокол 75 бит/с в восходящем (от пользователя) канале и 600 или 1200 бит/с- в нисходящем. В конце 1980-х — начале 1990 множество выпускавшихся тогда нестандартных модемов, использовавших нестандартную, как правило — реализуемую программно модуляцию маркировались как соответствующие стандарту «V.23 mode 2». На практике они не были совместимы между собой, а реальная скорость работы более быстрого канала могла колебаться от 300 до 5600 бит/с. Наиболее известным представителем такого типа модемов являлись модемы Лександ. Модификация протокола V.23 позволяющая менять восходящий и нисходящий канал местами в процессе работы используется во французской компьютерной сети Минитель (фр. Minitel)

V.29

Асимметричный протокол 2400/2400-4800-7200-9600, позволяющий переключать направление, в котором работает более скоростной канал в процессе работы. Является стандартным для факсов, но в модемах большого распространения не получил в связи с более низкой помехоустойчивостью, чем V.32 и рядом проблем с патентами.

V.32

Дуплексный режим. Скорость 4800 и 9600 бит/с, допускает автоматическую настройку скорости передачи.

V.32bis

Расширение V.32 до скорости 14400 бит/с

V.32terbo

Расширение V.32 до скорости 19200 бит/с, а у USR Courier до 21600 бит/с

V.34

Дуплексный протокол, максимальная скорость 28800 бит/с. Может также поддерживать 24000 и 19200 бит/с.

V.34bis

Другое название — V.34+. Максимальная скорость 33600 бит/с. Пониженные скорости: 31200, 24000 и 19200 бит/с.

V.42

Протокол обнаружения и коррекции ошибок для передачи данных с высокими скоростями.

V.42bis

Протокол сжатия данных. Допускает переключение из режима сжатия в прозрачный режим и обратно, причем независимо для каждого направления.

V.44

Протокол сжатия данных.

V.70

Обеспечивает одновременную передачу голоса и данных.

V.80

Протокол видеосвязи. Обеспечивает скорость передачи видео до 10-15 кадров в секунду.

V.90

Дуплексный асимметричный высокоскоростной протокол передачи. Скорость в прямом направлении достигает 56000 бит/с, а в обратном — 33600 бит/с.

V.92

Самый современный протокол. Скорость в прямом направлении 56000 бит/с, а в обратном — 48600 бит/с.

Нестандартизированные протоколы

Помимо протоколов утверждённых ITU, существует множество других, которые были разработаны производителями оборудования или же приняты в какой-то стране.

1. Bell 103 и Bell 212A — применялись в США до принятия стандартов ITU-TV.21 и V.22 соответственно

2. Bell 202 - еще один ранний протокол модемной связи, похожий на V.23

3. HST — фирменный протокол компании U.S.Robotics, доступный только в модемах семейства Courier и серверах доступа. Особенностью протокола является адаптивный дуплекс - детектирование потока данных с последующим согласованием большей скорости от передающей стороны к принимающей. Современная скорость 450/16800 бит/с, в более ранних версиях 300/14400 бит/с и 300/9600 бит/с. Выдающаяся помехоустойчивость - одно из преимуществ протокола, позволяющая передавать данные на высокой скорости через такие линии, где использование протоколов семейства ITU-T аналогичной скорости практически лишено смысла.

1. V.FC или V.fast — протокол разработанный компанией Rockwell. Поддерживает скорость связи от 14400 до 28800 бит/с. Помимо модемов Rockwell встречался и в старых модемах USRobotics наравне с V.34.

1. K56flex и x2 — одновременно разработаны компаниями Lucent и Rockwell с одной стороны и U.S. Robotics с другой. Поддерживают скорость связи до 56000 бит/с, но взаимно несовместимы. Использование было актуально до принятия стандарта ITU-TV.90, в настоящее время практического смысла в применении не имеют.

1. PEP — (PacketEnsembleProtocol) фирменный протокол компании Telebit с адаптивным дуплексом, скорость до 18000 бит/св идеальных условиях, и 23000 бит/с для TurboPEP, более новой версии. Высочайшая помехоустойчивость достигается делением частотного спектра ТЧ на 512 каналов, с передачей данных только по тем из них, которые позволяют принимать 6-битные пакеты данных без потерь. Несмотря на банкротство Telebit, и появление высокоскоростных протоколов V.34 и V.90, модемы Telebit до сих пор могут быть востребованными благодаря наличию PEP/TurboPEP для передачи данных при соединении точка-точка.

1. ZYX — фирменный протокол компании ZyXEL, впервые примененный в модемах семейства U-1496. Дуплексный, скорость передачи данных 16800 бит/с и 19200 бит/с (только для моделей с индексом "+"). После принятия стандарта V.34 практическое применение лишено смысла.

Протоколы передачи факсимильных сообщений

V.17ter

Скорость до 19200 бит/с, встречается не во всех модемах.

V.17

Скорость до 14400 бит/с, используется в современных модемах, но поскольку большинство факсимильных аппаратов рассчитано на 9600 бит/с, на практике преимуществ не даёт.

V.27ter

Скорость 2400—4800 бит/с, встречается в старых модемах, но его поддерживают и многие современные модемы.

V.29

Скорость 7200—9600 бит/с, поддерживают все современные модемы.