Модеми для телефонних каналів

Одна з головних завдань при підключенні до мережі передачі даних полягає в організації високошвидкісного каналу зв'язку від абонента до вузла мережі. Для вирішення цього завдання використовуються спеціальні пристрої - модеми, які забезпечують передачу цифрового потоку даних від кінцевого обладнання (персонального комп'ютера) до комутаційного центру по звичайної аналогової абонентської лінії.

Головна функція модемів - це модуляція (демодуляція) сигналів, які передаються (приймаються). Сучасні модеми, крім цього, виконують ще ряд функцій, у тому числі адаптивну корекцію сигналу, луна-компенсацію, завадостійке кодування (декодування), захист від помилок, стиснення даних, тестування каналу зв'язку, формування на передавальній стороні кадрів, блоків даних певної довжини, а на приймальній - відновлення інформаційної послідовності. На сьогоднішній день поширені факс-модеми, які містять в собі всі частини факсу, за винятком скануючого і відтворюючого пристроїв. На відміну від звичайного факсу, при використанні факс-модему прийняте зображення виводиться на монітор комп'ютера.

По області застосування модеми можна розділити на модеми, призначені для роботи на виділених телефонних і комутованих каналах, модеми для фізичних з'єднувальних ліній, а також для роботи в цифрових системах передачі, стільникових, пакетних і локальних радіомережах.

Переважна більшість що випускаються фірмами-виробниками модемів призначені для використання на комутованих телефонних каналах. Такі модеми повинні працювати з АТС, розрізняти їх сигнали і передавати свої сигнали набору номера. Слід зазначити, що такі модеми працюють тільки в частотному діапазоні каналу тональної частоти 0,3... 3,4 кГц.

Основна відмінність модемів для фізичних ліній від інших типів модемів в тому, що вони використовують всю можливу смугу пропускання фізичних ліній і не обмежуються значенням 3,1 кГц, характерним для телефонних каналів. Однак смуга пропускання фізичної лінії також є величиною обмеженою і залежить, в основному, від типу фізичного середовища (екранована і неекрані-рованная кручена пара, коаксіальний кабель тощо) і її довжини.

У модемах для цифрових систем передачі використовуються цифрові сигнали, які дозволяють формувати спектр без постійної складової і часто займають більш вузьку смугу частот, ніж вхідна цифрова послідовність.

Модеми для стільникових систем зв'язку відрізняються компактністю виконання і підтримкою спеціальних протоколів модуляції і виправлення помилок, які дозволяють ефективно передавати дані в умовах стільникових каналів з високим рівнем перешкод і постійно змінними параметрами.

Локальні радіомережі є перспективною мережевою технологією, яка доповнює звичайні локальні мережі (див. розд. 5.4.7).

За методом передачі модеми діляться на асинхронні і синхронні. Як правило, синхронізація реалізується одним з двох способів, залежно від того, як працюють тактові генератори передавача і приймача - незалежно один від одного (асинхронно) або узгоджено (синхронно). Якщо передані дані були складені з послідовності окремих символів, то кожен символ передається незалежно від інших, і одержувач синхронізується на початку кожного отримуваного символу. Для такого типу зв'язку зазвичай використовується асинхронна передача (як в телеграфії). Якщо передані дані утворюють безперервну послідовність символів або байтів, то тактові генератори відправника і одержувача повинні бути синхронізовані протягом тривалого проміжку часу. У цьому випадку використовується синхронний метод передачі.

При передачі даних можливості застосування асинхронного методу багато в чому обмежені його низькою ефективністю і необхідністю використання простих методів модуляції, таких як амплітудна і частотна. Більш складні методи модуляції, такі як відносна фазова (ОФМ), квадратурная амплітудна (КАМ) та ін, вимагають підтримки постійного синхронізму опорних тактових генераторів відправника і одержувача. Більшість сучасних модемів використовують синхронний метод передачі.

За інтелектуальним можливостям розрізняють модеми:

-Без системи управління;

-Підтримуючі набір АТ-команд;

-Підтримуючі команди, рекомендовані ITU-T (v.25 bis)

-З фірмовою системою команд;

-Підтримують протоколи мережного керування.

Модеми з підтримкою АТ-команд дозволяють користувачеві управляти характеристиками модему і параметрами зв'язку. Модеми, що підтримують протоколи мережевого управління, дозволяють управляти елементами мережі з віддаленого терміналу.

По конструкції розрізняють модеми:

-Зовнішні;

-Внутрішні (монтуються в комп'ютер);

-Портативні, мають зменшені габарити;

-Групові, які призначені для використання в стійках із загальним блоком живлення, пристроями управління і відображення, утворюючи так званий «модемний пул».

Модеми можна класифікувати за протоколами - правилам виконання покладених на них завдань. Всі протоколи, що регламентують ті чи інші аспекти функціонування модемів, можуть бути віднесені до двох великих груп: міжнародні та фірмові. Міжнародні протоколи розробляються міжнародною організацією стандартів, а фірмові - окремими компаніями.

За функціональним завданням модемні протоколи діляться на протоколи модуляції, виправлення помилок, стиснення інформації та протоколи взаємодії з ПК.

Розглянемо детальніше модеми для телефонних каналів.

Як вже було зазначено, модеми для телефонних каналів перетворять цифрові сигнали, отримані від комп'ютера користувача, в аналогові сигнали, які потім передаються по телефонному каналу в смузі частот 0,3... 3,4 кГц. Якщо для такого перетворення використовувати амплітудну маніпуляцію, то максимальна швидкість передачі даних, яку підтримуватиме модем, складе приблизно 3 кбіт / с. При використанні частотної маніпуляції максимальна швидкість складає 1200 біт / с, а при застосуванні коректорів - 2 400 біт / с. Враховуючи сучасні темпи розвитку інформаційних технологій, цих швидкостей явно не достатньо. Одним з методів збільшення швидкості обміну даними є застосування багаторазових і комбінованих методів модуляції.

На практиці широке поширення набула квадратурная амплітудна модуляція (КАМ, або ОАМ), яка також належить до комбінованих методів. При КАМ інформація міститься у співвідношенні фаз сусідніх посилок і в амплітуді сигналу. Модем на приймальній стороні, проаналізувавши співвідношення фаз посилок і амплітуду лише однієї посилки, приймає рішення про утримання чотирьох бінарних символів. Тобто застосування КАМ дозволяє за допомогою лише однієї посилки передати чотири інформаційних бінарних символу.

У сучасних модемах в процесі модуляції (демодуляції) застосовується і завадостійке кодування (декодування). Такий вид модуляції отримав назву треллис-модуляція. За рахунок прімененіяуказанного методу модуляції при швидкості передачі в каналі зв'язку 2400 біт / с в деяких моді забезпечується сумарна швидкість 4800, 7200, 9600, 12000, 14400, 28800 біт / с.

Із збільшенням швидкості передачі і можливим збільшенням кількості помилок виникає зад підвищення достовірності передачі даних, для її вирішення використовуються спеціальні методи пов! шення достовірності:

-Багаторазове повторення інформації;

-Завадостійке кодування;

-Організація зворотного зв'язку, при якій одержувач «перезапитує» неправильно приня-1 ті кадри.

Принципи завадостійкого кодування. перешкодостійкі код відрізняється від простого тец! що в канал передаються не всі кодові комбінації, які можуть бути сформовані при заданій розрядності коду, а лише деякі з них, що мають певну властивість і названі раз-] вирішеними. Інші кодові комбінації, які не були використані, називаються забороненими. | Так, наприклад, з трьох розрядів можна сформувати вісім кодових комбінацій, які розділені на дві групи: 1-а група - 000, 011, 110, 101; 2-а група - 001, 010, 100, 111. Комбінації першої групи 'назвемо дозволеними. Ці комбінації містять нулі або парне число одиниць. Передавати можна тільки дозволені комбінації. Якщо в результаті спотворень дозволена кодова комбінація перейде в заборонену, то помилка буде виявлена, так як число одиниць у цій комбінації непарне. При переході однієї дозволеної комбінації в іншу помилка не виявляється. У наведеному прикладі всі одиничні помилки виявляються, а дворазові - не виявляються. Слід звернути увагу, що 'замість восьми комбінацій можуть бути передані тільки чотири, які можна було б сформувати,' використовуючи лише два розряди (00; 01; 11; 10), а в розглянутому прикладі передачі підлягають трехразрядного комбінації (000; 011; 110; 101). Третій розряд в даному випадку є перевірочним, і саме він дозволяє виявляти поодинокі помилки.

При побудові кодів, що виправляють помилки, всі кодові комбінації, які можна сформувати, розбиваються на кілька груп. У кожній групі дозволяється тільки одна комбінація, яка може бути передана. Наприклад, вісім трехразрядного кодових комбінацій розіб'ємо на дві групи (рис. 5.8). У кожній групі є тільки одна дозволена комбінація (000 і 111). При прийомі будь-якій комбінації з групи користувачеві видається комбінація, дозволена в цій групі. Так, при прийомі комбінації 100 користувачеві буде видана комбінація 000. Внаслідок для наведеного прикладу поодинокі помилки будуть не тільки виявлені, але й виправлені. Проте в даному випадку можна передавати тільки дві комбінації (000 і 111). Дві ж комбінації можна передати одним розрядом (0 і 1). У результаті два розряди (00 і 11) виявляються надлишковими, однак їх наявність дозволяє виправляти поодинокі помилки.

Розглянемо спрощену структурну схему модему для телефонного каналу. До його складу входять: передавач, приймач, пристрій управління, компенсатор електричного луни, блок живлення (рис. 5.9).

Передані дані надходять від кінцевого обладнання даних на передавач, де виконуються операції скремблірованіе, кодування і синхронізації. Ехо-компенсатор забезпечує зменшення впливу відбитих сигналів, які відбиваються від місць неузгодження в мережі і повертаються на передавальну сторону, в результаті чого користувач чує свій голос як луна.

Пристрій управління (як правило, це мікропроцесор) забезпечує стик з кінцевим обладнанням даних (інтерфейс) і управляє роботою всіх складових частин модему.

Реалізація інтерфейсу між комп'ютером і модемом є функцією фізичного рівня семиуровневой моделі. Інтерфейси регламентуються відповідними рекомендаціями та стандартами. Серед інтерфейсів, які широко використовуються на практиці, можна назвати V.24, RS-232, RS-449, RS-422А, RS-423А, V-35. Найбільш поширеним є інтерфейс К8-232. У ньому використовуються несиметричні сигнали, тобто потенціали вимірюються щодо рівня «0 В» або «землі». Рівні сигналів управління - біполярні. Для сигналів управління логічної «1» (ои) має позитивний рівень напруги між +5 В і +15 В, а логічний «О» (OFF) - негативний рівень між -5 В і -15 В. У сучасних варіантах цього стандарту - RS -232D і RS-232E - діапазон напруги ON і OFF збільшений до 25 В.

Кабельні модеми

Розглянуті модеми для телефонних каналів є найбільш поширеними на практиці, проте їм притаманний ряд недоліків. Перший пов'язаний з відносно низькими швидкостями передачі даних. Другий - це незручність, викликане зайнятістю телефонної лінії під час передачі даних, тобто неможливість вести телефонні розмови і одночасно обмінюватися даними. Ці недоліки відсутні при використанні кабельних модемів, які забезпечують передачу даних не по телефонних лініях, а по мережі кабельного телебачення.

Підключення кабельного модему здійснюється через роздільник, головне завдання якого - поділ телевізійного сигналу і сигналів передачі даних. Структурна схема кабельного модему наведена на рис. 5.10.

До разделителю (фактично, це телевізійна антена) модем підключається через тюнер. Як правило, тюнер має вбудований дуплекс для прийому і передачі сигналів. Прийнятий сигнал подається на демодулятор. Цей блок виконує функції перетворення аналогового сигналу в цифрову форму, тобто демодуляції КАМ-64/256, синхронізації кадрів МРЕО і корекції помилок.

Модулятор відповідним чином модулює сигнал для його подальшої передачі. Вихідний сигнал проходить через підсилювач для забезпечення необхідної потужності сигналу. Часто модулятор і демодулятор реалізуються у вигляді однієї мікросхеми.

Блок контролю доступу до середовища передачі (Media Access Control-МАС) - це початкова точка для виходить шляху і кінцева точка для вхідного шляху. Враховуючи складність застосовуваних алгоритмів, реалізація функцій МАС вимагає використання мікропроцесорів.

Після обробки в блоці МАС дані передаються на комп'ютер через інтерфейс. Це може бути Інтернет на 10 Мбіт / с, USB PCI (у разі вбудованого модему) та ін

Весь діапазон робочих частот, які передаються по коаксіальному телевізійному кабелю, розбивається на два піддіапазону. Нижня частина, від 5 до 65 Мбіт / с, призначена для передачі даних в напрямку від абонента (зворотний напрямок). Верхній поддіапазон, від 65 до 850 Мбіт / с, відводиться для передачі даних і телевізійних каналів у напрямку до абонентів (прямий напрямок).

Той факт, що в якості середовища передачі використовується кабельна мережа, до якої підключено велику кількість абонентів, призводить до виникнення деяких незручностей. По-перше, із збільшенням загальної кількості користувачів швидкість в розрахунку на одного користувача знижується. Друга незручність полягає в видимості всіх дій одного користувача для інших, тобто кожен користувач, що має аналізатор протоколів, може «бачити» весь трафік в межах своєї кабельної мережі.