Модемы
1.2 Модемы
Назначение модемов. Модем - это устройство, которое позволяет обмениваться данными по телефонной линии.
Классификация модемов. Различают модемы, предназначенные для работы на выделенных и на коммутируемых линиях, модемы для цифровых и аналоговых линий. В зависимости от поддерживаемого режима делятся на:
– поддерживающие только асинхронный режим работы;
– поддерживающие асинхронный и синхронный режимы работы;
– поддерживающие только синхронный режим работы.
По исполнению:
1. Внутренний модем - вставляется в компьютер и в свою очередь делятся на контроллерные и бесконтроллерные.
2. Настольный модем - имеет отдельный корпус и размещается рядом с компьютером, соединяясь кабелем с портом компьютера.
Рекомендуемые материалы
3. Портативный модем – (похож на настольный модемом), но имеет уменьшенные размеры и автономное питание.
4. Стоечные модемы - вставляются в модемную стойку, повышающую удобство эксплуатации, когда число модемов превышает десяток.
По характеру применения делятся на обычные и профессиональные:
1. Обычные модемы используются дома или в офисе. Эти модемы используют только телефонные каналы /5,6/.
2. Профессиональные модемы - скоростные устройства, преимущественно стоечного исполнения. Используются для интеграции локальных сетей, в модемных пулах, для удалённого доступа к ресурсам ЛВС.
Среди обычных модемов можно выделить 3 вида:
– устройства для обмена данными (просто модемы);
– устройства для обмена данными и документами (факс-модемы);
– устройства для обмена данными, документами и приёма голосовых сообщений (голосовые факс-модемы).
По типу передающей среды можно выделить:
– модемы для 2-х проводных медных линий (обычные, профессиональные, ADSL);
– модемы для 4-х проводных медных линий (обычные, профессиональные, HDSL, ISDN);
– модемы для оптоволоконных линий (FOM, FOM-T1/E1, FOM-T2/E2, FOM-T3/E3);
– модемы для радиоканалов (радио-модем, сотовый модем);
– кабельные модемы (используют коаксиальный кабель).
Аппаратное обеспечение модемов. Модемы имеют стандартные физические интерфейсы:
- последовательный интерфейс передачи данных (RS-232) или USB;
- интерфейс с телефонной линией RG-11 (четырёх - контактный телефонный разъём).
Обычный модем включает в себя:
- специализированный процессор, управляющий его работой;
- ОЗУ для буферизации передаваемых и принимаемых данных;
- ПЗУ, где хранится программа его работы и стандартные конфигурации (в большинстве модемов - энергонезависимое ОЗУ или ППЗУ, где может быть сохранено несколько подготовленных пользователем конфигураций);
- громкоговоритель для обеспечения контроля работы.
Пример организации канала передачи данных с использованием модемов приведен на рисунке 1.7. Аббревиатурой DTE (Data Terminal Equipment - оконечное оборудование передачи данных) в терминологии систем связи обозначаются оконечные цифровые устройства, генерирующие или получающие данные. Аббревиатурой DCE (Data Communication Equipment - оборудование передачи данных) обозначаются модемы. Линия связи между DCE - аналоговая, между DCE и DTE - цифровая.
Рисунок 1.7 – Структура канала передачи данных
Асинхронная и синхронная связь. В асинхронном режиме данные передаются побайтно (рисунок 1.8) , каждый байт предваряется стартовым битом и завершается одним или двумя стоповыми битами. Минимальной единицей передачи является байт, а стартовые/стоповые биты между байтами обеспечивают правильное опознание начала и конца каждого байта.
В синхронном режиме данные передаются побитно, без группировки в байты. В этом случае нет накладных расходов на группировку битов, и единицей передачи является отдельный бит. Тем не менее, чтобы приемник имел возможность пересинхронизации в случае потери части потока, биты часто оформляются в пакеты различной длины, снабженные заголовком и контрольной суммой (рисунок 1.9).
 |
Рисунок 1.8 – Структура символов при асинхронной передаче
Рисунок 1.9 – Синхронный режим передачи
Практически все современные модемы имеют похожие функциональные схемы (рисунок 1.11), состоящие из основного процессора, сигнального процессора, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ, RAM), постоянного запоминающего устройства (ПЗУ, ROM), перепрограммируемого запоминающего устройства, модулятора/демодулятора, схемы согласования с линией и динамика. Основной процессор является встроенным микрокомпьютером, отвечающим за прием и выполнение команд, буферизацию и обработку данных - кодирование, декодирование, сжатие/распаковку и за управление сигнальным процессором. В большинстве модемов используются специализированные процессоры - Сигнальный процессор (DSP, Digital Signal Processor - цифровой сигнальный процессор) на основе типовых наборов микросхем, а в некоторых - процессоры общего назначения.
Рисунок 1.11 - Структурная схема модема.
Модуляция. Модуляции и метод построения модема в значительной степени определяют скорость передачи данных и эффективность использования канала связи. Для передачи цифровой информацию по аналоговым каналам связи ее сначала нужно закодировать. Для этого можно использовать амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) или фазовую (ФМ) модуляции.
При частотной модуляции ЧМ (Frequency Shift Keying - FSK - для скорости передачи до 1200 бит/с) элементы передаются различными частотами несущего сигнала. Это помехоустойчивый способ модуляции, но наименее скоростной. FSK использует четыре выделенные частоты. При передаче информации сигнал частотой 1070 Гц интерпретируется как логический нуль, а сигнал частотой 1270 Гц - как логическая единица. При приеме нуль соответствует сигналу 2025 Гц, а единица - 2225 Гц.
При относительной фазовой модуляции ОФМ (Differential Phase Shift Keying – DPSK - скорость передачи от от 2400 бит/с до 4800 бит/с) информация передается путем сдвига фазы несущего сигнала. PSK использует две частоты: для передачи данных - 2400 Гц, для приема - 1200 Гц.
Квадратурно-амплитудная КАМ (Quadrature Amplitude Modulation – QAM от 9600 бит/с до 33600 бит/с) сочетает изменение фазы и амплитуды сигнала. Здесь сигнал представляется суммой синусоидальной и косинусоидально составляющих, которые находятся в квадратуре по отношению друг к другу. В методе квадратурной амплитудной модуляции QAM одновременно изменяются фаза и амплитуда сигнала, что позволяет передавать большее количество информации.
Протоколы. При использовании модемов и обычных телефонных линий связи обмен данными ведется на одной из стандартных скоростей - 2400, 4800, 7200, 9600, 12000, 14400, 16800, 19200, 21600, 24000, 26400, 28800, 31200 и 33600 bps.
Характеристики протоколов:
1. V.21 определяет требования к модемам, работающим со скоростью передачи данных 200 (300) бит/с и предназначенным для использования в общей коммутируемой телефонной сети. Данный тип модемов определяется как асинхронный, работающий в дуплексном режиме по выделенному или коммутируемому двухпроводному каналу. При этом используется способ частотной модуляции - " модуляции со сдвигом частоты".
2. V.22 определяет требования к модемам, обеспечивающим скорость передачи данных до 1200 бит/с и предназначенных для использования в общей коммутируемой телефонной сети, модемы данного типа используют асинхронно-синхронный дуплексный режим работы. Между оконечным оборудованием данных и модемом данные передаются в асинхронном режиме, модем удаляет стартовые и стоповые биты и передает данные в канал связи в синхронном режиме. Использует относительную фазовую модуляцию ОФМ (Differential Phase Shift Keying - DPSK), передающую информацию путем сдвига фазы несущего сигнала. Несущие частоты- 1200 и 2400 Гц, скорость модуляции - 600 Бод.
3. V.22bis. Развитие V.22 - использование шестнадцатипозиционной квадратурно-амплитудной модуляции с передачей четырех битов за одну модуляцию сигнала. Скорость передачи - до 2400 бит/с.
4. V.32 (ITU-T). Использует шестнадцатипозиционную КАМ и Trellis-кодирование, скорости передачи - 4800 и 9600 бит/с.
5. V.32bis (ITU-T). Максимальная скорость передачи данных ограничивалась 14400 bps при модуляционной скорости в 2400 бод. Ограничив стандартом V.32bis максимальную скорость передачи данных на уровне 14400 вместо 19200 bps фирма производитель, выпуская модем стандарта V.32bis, добавляла к нему свой фирменный протокол, позволяющий увеличить скорость передачи данных до 19200 и даже до 21600 bps (протоколы V.32 terbo) Расширение V.32 со скоростью передачи до 14400 бит/с, введены промежуточные скорости 7200 и 12000 бит/с.
6. HST (US Robotics). Помехоустойчивый несимметричный протокол с передачей в одну сторону со скоростью до 16800 бит/с, в обратном канале скорость фиксирована - 300 или 450 бит/с.
7. ZYX (ZyXEL). Протокол со скоростью передачи от 7200 до 16800 бит/с в обычных моделях, и до 19200 бит/с - в моделях Plus.
8. V.34. Скорость связи по обычным аналоговым телефонным линиям связи на скоростях до 33600 bps. В V.34 добавлены обязательные к применению модуляционные скорости - 3000 и 3200 бод, а также дополнительные - 2743, 2800 и 3429 бод. В стандарте V.34 скорость передачи данных может изменяться от 2400 до 28800 bps с шагом в 2400. Предполагалась скорость до 32 Kbps.
9. V.34bis (ITU-T). Расширение V.34 до скорости 33600 бит/с с промежуточной скоростью 31200 бит/с.
10. V.90. При использовании стандарта V.90 модемы могут принимать цифровые данные на одной из следующих скоростей - 28000, 29333, 30666, 32000, 33333, 34666, 36000, 37333, 38666, 40000, 41333, 42666, 44000, 45333, 46666, 48000, 49333, 50666, 52000, 53333, 54666, 56000 и 57333 bps. При использовании протокола V.90 и отличного телефонного канала скорость передачи данных не превысит 53 Kbps. Протокол V.90 по сравнению с V.34 обеспечивает лишь 50%-ное повышение производительности.
Протоколы коррекции ошибок. Протоколы коррекции ошибок основаны на повторении передачи ошибочного блока (кадра) по запросу от принимающего модема. Каждый блок снабжается контрольной суммой, которая проверяется на приемном конце, и блок не отдается потребителю до тех пор, пока не будет принят в правильном виде. Кроме исправления ошибок, протоколы коррекции могут передавать служебные сообщения между модемами.
Протоколы сжатия данных. Сжатие данных выполняется путем обнаружения и частичного устранения избыточности информации во входном потоке передающего модема, после чего закодированные блоки данных уменьшенного, размера направляются принимающему модему, который восстанавливает их исходный вид. Принцип действия алгоритмов сжатия во многом похож на работу архиваторов.
Высокопроизводительные модемы для передачи по телефонным линиям. Структурная схема обычного телефонного канала показана на рисунке 1.12.
Чаще всего телефонная связь осуществляется с помощью нескольких соединений в телефонной сети.
Рисунок 1.12 - Аналоговый модем, работающий
с телефонной линией общего пользования
Абонентская линия представляет собой двухпроводную витую пару, которая на телефонной станции преобразуется в четырехпроводную. При этом два проводника работают на передачу и два на прием. Сигнал преобразуется обратно к 2-проводной паре на линии удаленного абонента.
В обычной телефонной связи существует два типа эха. Первое эхо – это отражение от ближней (входной) гибридной схемы телефонной станции, а второе эхо – от дальней (выходной) гибридной схемы.
Упрощенная структурная схема аналогового модема стандарта V.90 показана на рисунке 1.13. Как следует из нее, большая часть обработки сигналов выполняется в цифровой форме.
Рисунок 1.13 - Упрощенная структурная схема аналогового модема
стандарта V.90
Последовательный поток данных, предназначенных для передачи, сначала скремблируется (т.е. осуществляется перемежение данных, изменение порядка следования) и кодируется. Скремблирование позволяет получить из входного потока данных псевдослучайную последовательность. Цель скремблирования состоит в том, чтобы привести спектр передаваемых данных к спектру белого шума. Без скремблирования длинная последовательность идентичных символов могла бы привести к неверному опознаванию приемником несущей.
Стандарт V.90 позволяет увеличить скорость приема данных до 56 Кбит/с и скорость передачи данных до 33.6 Кбит/с (V.34). Новый стандарт V.92 предусматривает скорость обмена до 56 Кбит/с в обоих направлениях.
Стандарт ADSL. ADSL представляет технологию высокоскоростной цифровой коммутации и маршрутизации и обработки сигналов.
ADSL имеет следующие достоинства:
1. Высокая скорость ADSL. Видеоклип размера 10 МБ, для загрузки которого необходимо 90 минут при использовании обычного модема, с помощью модема ADSL будет загружен за 10 секунд. Сверхскоростные ADSL-модемы могут передать данные со скоростью 8 мегабит в секунду.
2. Легкость установки ADSL. Используются существующие телефонные линии на основе медной витой пары от центральной коммутационной станции до дома или офиса абонента.
3. Рентабельность ADSL. Переход на новый стандарт не требует существенной перестройки существующей инфраструктуры телефонной сети.
4. Жизнеспособность ADSL. Отсутствуют трудности, которые привели бы к остановке внедрения быстродействующих волоконных сетей в домашний обиход (такие как высокая стоимость и сложность прокладки). ADSL работает с существующими телефонными сетями общего пользования.
Упрощенная схема ADSL-системы показана на рисунке 1.16.
Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - Аннотация.
Рисунок 1.16 – Структура и характеристики системы связи ASDL
ADSL использует часть диапазона, не применяемого для голосовой связи. Это позволяет разделить полосу 1 МГц на три информационных канала: один быстродействующий входящий канал, один дуплексный канал со средней скоростью передачи, и один обычный голосовой канал. (Нисходящий поток данных направлен от телефонной станции к клиенту, а исходящий — от клиента к станции).
Фактически, ADSL обеспечивает скорость передачи данных от сети к абоненту более 8 Мбит/с и до 640 Кбит/с при передаче данных от абонента к сети.
Структурная схема модема ADSL показана на рисунке 1.17.
Рисунок 1.17 – Структурная схема модема ASDL
