Modemy

      Co to jest modem
      Parametry
      Budowa i zasada działania
      Protokoły i standardy

Co to jest modem

       Modem właściwie jest tym dla komputera, czym telefon dla każdego z nas. Modem pozwala komputerom na wymianę informacji przez zwykłe linie telefoniczne. Wprowadza wielki zmiany w sposobie używania komputerów. Modem jest podstawową częścią rozległych sieci komputerowych. Zainteresowanie modemami stale rośnie, gdyż coraz więcej użytkowników chce podłączyć swoje komputery do oddalonych źródeł informacji. Obecnie produkuje się dwa rodzaje modemów: modemy zewnętrzne wolnostojące oraz modemy wewnętrzne wykonane w formie karty rozszerzającej, instalowanej w wolnym gnieździe płyty głównej komputera. Obsługa modemu wymaga zainstalowania w komputerze programu komunikacyjnego, który umożliwi współpracę obu tych urządzeń. Modem można podłączyć do linii za pomocą zwykłego kabla telefonicznego i standardowych złączy. Typowy kabel zakończony jest z obu stron wtykiem RJ11. Jeden koniec kabla umieszczamy w odpowiednim gnieździe modemu, najczęściej oznaczonym symbolem LINE, a drugi - wkładamy do gniazdka w ścianie, zupełnie tak samo jak zwykły telefon.

Parametry

Zdefiniujemy dwa ważne parametry: Szybkość transmisji(Vt) wyraża liczbę bitów przesyłanych w ciągu sekundy. Szybkość modulacji(Vm) określa ( w bodach ) liczbę elementów sygnału przesyłanych w ciągu sekundy.
Przy szybkości transmisji np. 2400 bit/s, gdy element sygnału utworzony jest przez cztery bity - szybkość modulacji wyniesie 600 bodów.

      Łącze transmisji danych, jest to zespół środków technicznych, służących do przesyłania cyfrowych szeregowych sygnałów danych między dwoma oddalonymi urządzeniami sieci teleinformatycznej. Podstawowym elementem każdego łącza transmisji danych jest kanał telefoniczny o pasmie przepustowym zawartym w 300 Hz a 3400 Hz. Kanały transmisyjne mogą być utworzone z: - kanałów komutowanych sieci powszechnego użytku (ang. Public Switch Telefon NetWare, PSTN) - kanałów trwałych, wydzierżawionych na stałe linii telefonicznych jedno torowych (dwuprzewodowych) lub (czteroprzewodowych).

Budowa i zasada działania

      Transmisja danych poprzez łącza telefoniczne wymaga przekształcenia sygnałów z postaci cyfrowej na sygnały analogowe, które winny być całkowicie zawarte w zakresie częstotliwości przenoszonych przez kanały telefoniczne tzn. od 300 Hz do 3400 Hz. Konwersja ta dokonywana jest właśnie w modemach w procesie modulacji i demodulacji. Głównym zadaniem modemów jest więc zamiana sygnałów cyfrowych na analogowe i odwrotnie. Modem lokalny odbiera sygnały cyfrowe, przesyłane z komputera, zamienia je w modulatorze na postać analogową i transmisję poprzez linię telefoniczną do modemu oddalonego. Ten z kolei dokonuje za pomocą demodulatora zamiany postaci analogowej danych na postać cyfrową i wysyła je do komputera. Każdy modem musi więc wyposażony w modulator i demodulator, których zadaniem jest konwersja danych z postaci cyfrowej na analogową i odwrotnie.

      Interfejs linii telefonicznej zawiera układy dopasowujące impedancję modemu do impedancji linii oraz dokonuje zamiany sygnału symetrycznego linii na sygnały niesymetryczne TELIN i TELOUT. Dekoder sygnału Ring wykrywa sygnał dzwonienia w linii i powiadamia o tym mikrokontroler, który za pomocą sygnału OH uruchamia przekaźnik, przełączający obwód linii telefonicznej z pozycji 1 w pozycję 2. W ten sposób telefon zostaje odłączony od linii telefonicznej i kontrolą nad nią przejmuje modem.
     

 W pamięci NVRAM (EEPROM) przechowywane są pewne standardowe parametry modemu, ustawione przez producenta, takie jak szybkość transmisji (bit/s), informacja o bitach kontrolnych, echo lokalne, odpowiedź modemu w formie słownej lub cyfrowej, wybieranie numery impulsowe lub częstotliwościowe, czas trwania tekstu, sterowanie liniami interfejsu RS-232, poziom głośności, połączenie na łączach komutowanych lub trwałych, wybór standardu ITU lub Bell.
    

  Pamięć RAM wykorzystywana jest jako bufor danych w przypadku połączenia modemów z korekcją błędów i kompresją danych. Nowoczesny modem zapewnia buforowanie danych, dzięki czemu szybkość komputera może być różna od szybkości połączenia. Komputer może pracować z szybkością 9600 bit/s, modem natomiast z szybkością 2400bit/s. Oczywiście w takiej sytuacji komputer będzie przesyłał dane do modemu z szybkością 9600 bit/s tylko do czasu, aż nie przepełni buforów nadajnika. Przepustowość kanału i tak nie przekroczy 2400 bit/s, gdyż na taką szybkość zestawione jest połączenie.
      Typowe złącze współczesnych modemów to gniazdo RJ-11 służące do podłączenia modemu do linii telefonicznej i do aparatu telefonicznego. Do gniazd typu mini jack można podłączyć mikrofon i głośnik, umożliwiające nadawanie i odbiór poczty głosowej.

       Modemy wykonywane w formie karty instalowane są bezpośrednio w wolnym gnieździe płyty głównej. Niektóre modemy wyposażone są w 4-stykowe złącze umożliwiające połączenie z wejściem TAG (ang. Telephone Answering Device) karty dzwiękowej.
      Modem wolnostojący (zewnętrzny) na tylnej ściance posiada gniazdo służące do podłączenia z komputerem. Na przedniej ściance modemu znajdują się diody LED, sygnalizujące rodzaj pracy, których przykłady prezentuje poniższa tabela:

EC	Error Corection	-świeci, gdy zestawione zostało połączenie niezawodne
TM	Test Modem	-świeci podczas testowania modemu
TR	Terminal Ready	-świeci, gdy komputer wysyła do modemu sygnał gotowości DTR
MR	Modem Ready	-świeci po zakończeniu zestawiania połączenia, odpowiada sygnałowi DSR
CD	Carrier Detect	-świeci po wykryciu przez modem fali nośnej
SD	Send Data	-miga w takt danych nadawanych
RD	Receive Data	-miga w takt danych odbieranych
AA	Auto Answer	-świeci, gdy włączona jest funkcja auto-answer
OH	Off Hook	-świeci, gdy modem jest podłączony do linii telefonicznej
PW	Power	-świeci, gdy modem ma włączone zasilanie

Protokoły i standardy

       Protokoły i standardy są zbiorem reguł i uzgodnień, wg których mogą komunikować się modemy. Standaryzacją w dziedzinie modemów zajmuje się Międzynarodowa Unia Telekomunikacyjna (ang. International Telecommunications Union, ITU), która reprezentuje rządy, instytucje naukowe i organizacje badawcze z całego świata. Zagadnienia dotyczące modemów, ITU publikuje w serii zaleceń oznaczonych sumbolem V.xx (np.: V.22bis). Jeśli producent informuje, iż jego modem pracuje zgodnie z protokołem V.22bis, oznacza to, iż modem ten musi spełniać wszystkie wymagania podane przez ITU w zaleceniu V.22bis, ponadto może współpracować tylko z takim modemem, który również realizuje to zalecenie. Zalecenia ściśle definiują sposoby modulacji sygnałów przesyłanych między komputerami, szybkości transmisji, sekwencje sygnałów w kanale telefonicznym podczas inicjowania transmisji, itd. Poniższa tabela prezentuje wyka protokołów ITU, dotyczących transmisji danych za pomocą modemów i faksów.

Zalecenie	Szybkość transmisji	Zastosowanie
V.21	300 bit/s	modem
V.22	1200/600 bit/s	modem
V.22 bis	2400/1200 bit/s	modem
V.23	1200/600 bit/s	modem
V.27 ter	4800/2400 bit/s	fax
V.29	9600 bit/s	fax
V.17	14400 bit/s	fax
V.32	9600 bit/s	modem
V.32 bis	1440 bit/s	modem
V.34	28800 bit/s	modem
V.34 bis	33600 bit/s	modem
V.90	56 kbit/s	modem
Protokół V.90 umożliwia transmisję danych z szybkością 56 kbit/s tylko w jednym kierunku - od serwera internetowego do użytkownika. Natomiast użutkownik może wysyłać dane z szybkością 33.6 kbit/s.

         Szumy i zniekształcenia wprowadzone przez linię telefoniczną są powodem poważnych problemów podczas transmisji danych. Nowoczesne modemy wyposażone są więc w sprzętową korekcję błędów, zgodną z protokołem V.42 (ITU) lub protokołem MNP 1/2/3/4... (Microcom Networking Protocol) firmy Microcom. Podczas transmisji z korekcją błędów dane przesyłane są blokami o długościach od 64 do 256 znaków.
        Protokół MNP-1 dotyczy korekcji błędów podczas transmisji synchronicznej znakowej w trybie półdupleksowym. Efektywna szybkość transmisji wynosi tu 70%. (jeśli , modemy pracują z szybkością 2400 bit/s, to efektywna szybkość transmisji, tzn, szybkość między komputerami, wynosi 1690 bit/s).
        Protokół MNP-2 to również protokół transmisji asynchronicznej bitowej. Stosuje on jednak dupleksowy tryb wymiany danych dzięki czemu jego efektywność wynosi około 84%. Modem o szybkości 2400 bit/s pracujący z protokołem MNP-2 osiąga efektywną szybkość równą 2000 bit/s.
        Klasa MNP-3 jest protokołem transmisji synchronicznej bitowej. Z uwagi na to, że protokół synchroniczny umożliwia eliminację (niezbędnych w transmisji synchronicznej) bitów "startu" i "stopu", protokół klasy 3 MNP jest bardziej efektywny. Oczywiście wymiana danych pomiędzy komputerem i ,modemem odbywa się w dalszym ciągu asynchronicznie, ale modemy przesyłają dane pomiędzy sobą w sposób synchroniczny. Protokół klasy 3 stosuje korekcję błędów jak i skrócenie czasu transmisji. Efektywność wynosi tu około 108%. Używając więc tej klasy w modemie o szybkości 2400 bit/s, osiąga się efektywne przesyłanie danych z szybkością 2600 bit/s.
        Klasa 4 protokołu MNP posiada cechy klasy 3 uzupełnione o dalsze udoskonalenia. Modem pracujący w klasie 4 MNP nieustannie śledzi liczbę błędów spowodowaną szumami linii telefonicznej. Jeśli linia telefoniczna umożliwia bezbłędną transmisję, modem automatycznie zwiększa rozmiar kolejnych bloków danych, tzn jeśli przesyłane są bezbłędnie bloki np. 64-bajtowe, modem zwiększa ich długość do 128 bajtów, itd. Gdy jakość linii jest niska i pojawiają się błędy, rozmiar bloku jest zmniejszany, dzięki czemu skraca się sumaryczny czas retransmisji (ponownej transmisji bloków w których wykryto błędy). Mniejszy rozmiar bloku zwiększa prawdopodobieństwo bezbłędnej transmisji za pierwszym razem. Efektywność protokołu wynosi około 120%. Dzięki temu modem, 2400 pracując z MNP klasy 4 uzyskuje efektywną przepływalność Binarną 2900 bit/s.
        Protokół V.42 ITU opisuje dwa typy korekcji: LAP-M (ang. Link Access Protocol for Modem) - typ właściwy dla tego standardu i MNP klasy 3 i 4. Innymi słowy modem pracujący z protokołem V.42 może transmitować dane z korekcją do modemu pracującego z protokołem MNP klasy 3 lub 4.
        Współczesne modemy umożliwiają kompresję danych, dzięki której skrócony zostaje czas transmisji (skompresowane pliki posiadają mniejsze rozmiary). Kompresję opisują protokoły V.42bis i MNP5. Kompresja zgodna z V.42bis może być zastosowana tylko wtedy, gdy wymiana danych kontrolowana jest przez protokół korekcji błędów V.42 (podobnie - kompresja z protokołem MNP 5 stosowana jest do wymiany danych z korekcją MNP 4). Skuteczność kompresji zależy od typu transmitowanego zbioru. Zbiory COM i EXE poddają się kompresji słabo. Najlepsze efekty uzyskuje się dla zbiorów tekstowych. Dzięki kompresji danych, protokół MNP 5 zwiększa efektywną szybkość transmisji dwukrotnie, natomiast V.42bis - czterokrotnie.

      Przykłady maksymalnych szybkości przepływu danych pomiędzy komputerami, dla różnych standardów modulacji, z zastosowaniem kompresji MNP 5 i V.42bis, prezentuje poniższa tabela:

		Maksymalna efektywna szybkość transmisji danych komputer-komputer
Standard modulacji	Szybkość transmisji modem-modem	MNP5	V.42 bis
V.22	1200 bit/s	2400 bit/s	4800 bit/s
V.22 bis	2400 bit/s	4800 bit/s	9600 bit/s
V.32	9600 bit/s	19200 bit/s	38400 bit/s
V.32 bis	14400 bit/s	28800 bit/s	57600 bit/s
V.34	28800 bit/s	57600 bit/s	115200 bit/s

---