Ad. 1.

Modem właściwie jest tym dla komputera czym telefon dla każdego z nas. Modem pozwala komputerom na wymianę informacji przez zwykłe linie telefoniczne. Wprowadza wielkie zmiany w sposobie używania komputerów. Modemy otaczają nas podobnie jak telefony, choć nie zawsze zdajemy sobie z tego sprawę:

-pracownik biura podróży rejestrując lot używa terminala i modemu do komunikacji z systemem rezerwacji miejsc,

-bankomat na ulicy wydając gotówkę używa modemu by przesłać transakcję do centralnego komputera banku, itd.

Modemy są podstawową częścią rozległych sieci komputerowych. Zainteresowanie nimi stale rośnie, gdyż coraz więcej użytkowników chce podłączyć swoje komputery do oddalonych źródeł informacji. Ludzie używają modemów na wiele sposobów

Modemy zapewniają dostęp do ogromnego zbioru informacji: technicznych, medycznych, gospodarczych czy prawnych.

Łącząc się z BBS (ang. Bulletin Board Service) można na forum publicznym przedstawić swój problem i uzyskać od wielu użytkowników odpowiedzi na postawione pytanie.

Modemy umożliwiają zainstalowanie systemu poczty elektronicznej bardzo przydatnej do rozsyłania i przyjmowania wiadomości.

Używając modemu, można w kilka minut otrzymać pełny wykaz cen wielu hurtowni, wybrać najlepszą ofertę i złożyć zamówienie.

Obecnie produkuje się dwa rodzaje modemów modemy zewnętrzne wolnostojące, które łączy się z komputerem za pomocą interfejsu RS-232 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.

Jak podłączyć modem do linii telefonicznej? 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.

Czy potrzebna jest oddzielna linia telefoniczna dla modemu? Modem może być podłączony do tej samej linii telefonicznej co telefon. Należy jednak pamiętać, że w takim przypadku nie jest możliwe używanie tych urządzeń jednocześnie.

Co robi modem? Modem zamienia sygnały cyfrowe przesyłane z komputera na sygnały analogowe, z zakresu od 300 do 3400 Hz (bo takie jest pasmo przepustowe kanału telefonicznego) wysyłane w linię telefoniczną. Z kolei modem oddalony sygnały analogowe otrzymywane z linii telefonicznej zamienia na postać cyfrową które wysyła do swego komputera.

Co to są protokoły i standardy? Protokoły i standardy są zbiorem reguł i uzgodnień wg których mogą komunikować się modemy. Standaryzacją w dziedzinie modemów zajmuje się Międzynarodowy Komitet Doradczy d/s Telefonii i Telegrafii (CCITT), który reprezentuje rządy, instytucje naukowe i organizacje badawcze z całego świata. Zagadnienia dotyczące modemów, CCITT publikuje w serii zaleceń oznaczonych 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 CCITT 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. Zalecenia CCITT zostaną omówione w dalszej części publikacji.

Zanim przystąpimy do wyjaśnienia budowy, działania i użytkowania modemów, musimy najpierw zapoznać się z kilkoma podstawowymi pojęciami niezbędnymi do zrozumienia dalszej części publikacji.

Zdefiniujemy dwa ważne parametry: szybkość transmisji Vt i szybkość modulacji Vm. Szybkość transmisji wyraża liczbę bitów przesyłanych w ciągu sekundy. Szybkość modulacji 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 (patrz. modulacja QAM).

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 paśmie przepustowym zawartym między

300 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 jednotorowych (dwuprzewodowych) lub dwutorowych (czteroprzewodowych).

Interfejs liniowy. Połączenie modemu z kanałem telefonicznym nazywamy interfejsem liniowym (lub stykiem S1 zgodnie z polską normą). Kanał telefoniczny tworzony jest za pomocą linii symetrycznej o impedancji 600 Ω przenosi sygnały elektryczne w paśmie od 300 Hz do 3400 Hz napięcie w linii przy odłożonym mikrotelefonie wynosi ok. 48 Ω; rezystancja widziana przez modem przy podniesionym mikrotelefonie powinna być mniejsza niż 300 Ω. W kanale telefonicznym zdefiniowane są następujące sygnały:

-sygnał zgłoszenia centrali miejscowej -400 Hz (sygnał ciągły, ok. 30s)

-sygnał zwrotny dzwonienia (wywołania) -400 Hz ls/4s (1 sekunda emisji, 4 sekundy ciszy)
-sygnał zajętości dróg połączeniowych -400 Hz 0.5s/0.5s (0.5 sekundy emisji, 0.5 sekundy ciszy)

-sygnał niedostępności -400 Hz 0.25s/0.25s (0.25 sekundy emisji, 0.25 sekundy ciszy)
-sygnał marszrutowania -400 Hz 0.05s/0.05s (0.05 sekundy emisji, 0.05 sekundy ciszy)
-sygnał wywołania -25 Hz I s/4s (1 sekunda emisji, 4 sekundy ciszy)

Wybieranie numeru abonenta może być realizowane impulsowo lub tonowo (DTMF). W przypadku wybierania impulsowego każda cyfra reprezentowana jest przez serię impulsów o czasie trwania 100ms. Każdy impuls składa się z przerwy (tp) i zwarcia (tz). Stosunek czasu zwarcia do czasu przerwy tz/tp winien zawierać się w granicach 39/6 l-33/67. Rysunek I ilustruje ciąg sygnałów, które pojawią się w linii telefonicznej przy wybieraniu numeru. Przy odłożonym mikrotelefonie, napięcie w linii wynosi 48V. W momencie, gdy modem podłączy się do linii, nastąpi w niej przepływ prądu. Centrala wykrywa ten stan i wysyła sygnał zgłoszenia (ton ciągły o częstotliwości 400 Hz). Teraz rozpoczyna się wybieranie numeru (na rysunku l, pierwszą cyfrą jest „3”). Po każdej cyfrze winna nastąpić przerwa międzyseryjna o czasie trwania min. 600ms.

Po wybraniu ostatniej cyfry numeru, rozpoczyna się proces marszrutowania (łączenia), po którym powinien pojawić się sygnał zwrotny wywołania (ton 400 Hz O czasie trwania 1s i przerwach 4s) z centrali lokalnej. W tym czasie centrala odległa wysyła do abonenta wywoływanego, sygnał wywołania (dzwonienie-sygnał elektryczny o częstotliwości 25Hz). Po podniesieniu mikrotelefonu przez abonenta wywoływanego, połączenie telefoniczne zostaje zestawione.

Zadaniem modemów, jak już wcześniej powiedzieliśmy, jest zamiana danych cyfrowych przesyłanych z komputera, na sygnały analogowe, wysyłane linią telefoniczną o częstotliwościach zawartych w paśmie między 300, a 3400 Hz.

Częstotliwość zmodulowanej fali nośnej winna więc zawierać się w granicach określonych przepustowością kanału telefonicznego. W pierwszych modemach, przy niewielkich szybkościach transmisji stosowano typową modulację częstotliwościową. Wraz z rozwojem technologii sprzętu komunikacyjnego, modemom stawia się coraz większe wymagania dotyczące szybkości transmisji, które można uzyskać (przy niezmiennej szerokości pasma kanału telefonicznego) jedynie poprzez zastosowanie coraz bardziej wyrafinowanych kodów modulacyjnych.

Modulacja z kluczowaniem częstotliwości zwana modulacją FSK (ang. Frequency Shift Keying), polega na zamianie zera logicznego na sygnał analogowy o jednej, ściśle określonej częstotliwości (np. 1180 Hz), natomiast jedynki logicznej na sygnał o innej częstotliwości (np. 980 Hz). Modulacja ta pozwala na transmisję danych z szybkością nie większą niż 1200 bit/s. Szybkość modulacji w tym przypadku równa jest szybkości transmisji (gdyż sygnał zmodulowany posiada dwa stany znamienne).

Różnicowa modulacja z kluczowaniem fazy. Gdy szybkość transmisji równa jest 1200 bit/s, w modemach stosuje się różnicową modulację fazową fali nośnej DPSK (ang. Differential Phase Shift Keying). Napływające do modulatora dane są grupowane w pary zawierające dwa kolejne bity strumienia danych. Pary te tworzą elementy sygnału. Natomiast, gdy transmisja odbywa się z szybkością 600 bit/s, każdy bit danych traktowany jest jako element sygnału. Każdy element sygnału powoduje zmianę fazy fali nośnej względem fazy poprzedniego elementu.

Przy pracy z szybkością transmisji 2400 bit/s stosuje się kwadraturową modulację amplitudy QAM (inne nazwy: 16DPSK, QPSK, AM-PM) Bity danych grupowane są tu w elementy czterobitowe. Każdy element powoduje ściśle określoną zmianę amplitudy i/lub przesunięcie fazowe.

Metoda kodowania Trellis Code Modulation (TCM), polega na podziale strumienia danych na grupy czterobitowe zaopatrzone w jeden kontrolny bit nadmiarowy (dla każdej grupy czterobitowej). Bit nadmiarowy służy do kontroli każdego czterobitowego elementu sygnałowego. Tak uformowany pięciobitowy element sygnału powoduje ściśle określoną zmianę amplitudy i/lub przesunięcie fazowe.

Budowa i zasada działania modemu

Modemy służą do przesyłania danych między komputerami za pomocą linii telefonicznych. Aby transmisja danych poprzez łącza telefoniczne była moż1iwa konieczne jest przekształcenie danych cyfrowych 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. Rysunek 2 przedstawia zasadę transmisji danych poprzez linię telefoniczną: modem lokalny odbiera dane cyfrowe, przesyłane z komputera, zamienia je w modulatorze na postać analogową i transmituje 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 być więc wyposażony w modulator i demodulator, których zadaniem jest konwersja danych z postaci cyfrowej na analogową i odwrotnie. Modemy wolne (o szybkości transmisji 300 bit/s) wykorzystują modulację fazy FSK­ - kluczowanie częstotliwości, polegającą na zamianie zer i jedynek na sygnały sinusoidalne o odpowiednich częstotliwościach.

Modemy pracujące z szybkością 1200 bit/s używają innej techniki modulacji, zwanej DPSK - różnicowej modulacji z kluczowaniem fazy. W przypadku tej metody dane transmitowane są parami, po dwa bity jednocześnie~ każda para wywołuje odpowiedni skok fazy sygnału fali nośnej. W modemach pracujących z szybkością 2400 bit/s stosuje się kwadraturową modulację amplitudy QAM. Sygnał nośnej poddawany jest modulacji amplitudy i fazy. Bity przed wysłaniem grupowane są w „czwórki”. Cztery bity mogą przyjąć 16 różnych kombinacji. Na tyle samo sposobów może zostać zmieniona faza, amplituda bądź faza i amplituda jednocześnie sygnału modulowanego.

W transmisji pełnodupleksowej (ang. Full-Duplex, FDX), w której odbieranie i nadawanie następuje jednocześnie, stosuje się częstotliwościowe zwielokratnianie kanału (FDM-Frequency Division Multiplexing) do zakresu szybkości transmisji 2400 bit/s. Dzięki zwielokratnianiu. kanał telefoniczny dzielony jest na dwa podkanały: górny i dolny. Jeden z nich używany jest do wysyłania danych, a drugi do odbioru. Dane nadchodzące (nadawane) z komputera do modemu rozpoczynającego transmisję wysyłane są kanałem niższym. Dla danych nadchodzących z modemu odpowiadającego przeznaczony jest kanał wyższy. W kanale wyższym stosuje się falę nośną o częstotliwości 2400 Hz a w kanale niższym falę o częstotliwości 1200 Hz.

W modemach dupleksowych pracujących z szybkością większą niż 2400 bit/s stosowana jest fala nośna o częstotliwości 1800 Hz dla obu kierunków transmisji. W takiej sytuacji sygnał docierający do modemów jest kompozycją następujących sygnałów sygnału echa bliskiego (Ueb)-odbitego od centrali miejscowej, sygnału echa dalekiego (Ued)-odbitego od centrali oddalonej i sygnału z modemu oddalonego (Ub). Modem A (patrz rysunek 4) odbiera więc sumę sygnałów S(t)=Ueb(t)+Ued(t)+Ub(t). Aby z sumy otrzymanych sygnałów wydzielić informację przesyłaną z modemu B (Ub), modem A musi mieć możliwość zapamiętania własnego sygnału wysyłanego do modemu B (innymi słowy, modem A musi wiedzieć jak wygląda jego echo bliskie i dalekie; musi więc zapamiętać własny wysyłany sygnał w czasie co najmniej 1.7 ms). Dzięki właściwości odtworzenia własnego echa bliskiego i dalekiego, modem A może wydzielić z sumy sygnałów S(t), informację wysyłaną z modemu B, tj.: Ub(t)=S(t)-­Ueb(t)-Ued(t).

Modem zawiera kilka bloków funkcjonalnych:

-mikrokontroler (ang. MAC - Modem Adwanced Controller),

-blok analogowy (ang. MAP - Modem Analog Peripheral),

-interfejs komputera (V.24/RS-232),

-interfejs linii telefonicznej,

-blok przełączników, wyświetlaczy, głośnika, itd.

Ta podstawowa architektura pozostaje niezmieniona od lat, jednakże wewnętrzna struktura bloków jest zależna od konkretnego wykonania i realizowanych funkcji. Na rysunku 5 pokazano schemat blokowy modemu.

Mikrokontroler (MAC) sterowany jest za pomocą oprogramowania zawartego w pamięci ROM. Układ składa się z czterech sekcji logicznych: wewnętrznego procesora, rejestrów, pamięci, wewnętrznego układu UART.

Blok analogowy (MAP) sterowany jest przez kontroler MAC. Realizuje algorytmy modulacyjne i inne niezbędne wymienione niżej funkcje, którym odpowiadają adekwatne bloki funkcjonalne: nadajnik odbiornik interfejs kontrolera. Schemat blokowy układu MAP przedstawia rysunek 6.

Szybkość danych przekazywanych synchronicznie z komputera do modemu może wahać się w granicach od +2.3% do -2.5%, a modulator QAM wymaga stabilności strumienia danych 0.01%. Występuje zatem konieczność uporządkowania napływających danych. Funkcję tę spełnia konwerter async/sync, taktowany wewnętrznym zegarem modemu.

Zadaniem skramblera jest wprowadzenie przypadkowości w strumieniu danych, tak by energia zmodulowanej fali nośnej rozłożona była równomiernie w całym paśmie jednego z dwóch kanałów (dolnego lub górnego). Podstawowym układem skramblera jest 17-bitowy rejestr przesuwny taktowany sygnałem zegarowym o częstotliwości 2400/1200 Hz. Sygnały z wyjść 14 i 17 poddawane są działaniu funkcji EX-OR. Sygnał będący wynikiem tej operacji oraz strumień danych wejściowych podlegają następnie kolejnej operacji EX-OR. Uzyskany w ten sposób rezultat z wyjścia skramblera zostaje skierowany na wejście rejestru 17-bitowego. Jeśli dane na wejściu skramblera oznaczymy symbolem Di, na wyjściu natomiast - symbolem Ds, to układ ten realizuje funkcję:

D_s = D_i + D_s • x ^-14 + D5 • x ^-17

Sekcja filtrów pasmowych składa się z filtru dolnego pasma o częstotliwości środkowej 1200 Hz i filtru górnego pasma o częstotliwości środkowej 2400 Hz.

Sygnał analogowy odbierany z linii RxA wprowadzany jest poprzez odpowiedni filtr pasmowy do układu programowalnej regulacji wzmocnienia oraz detektora energii (fali nośnej). Detektor energii wykazuje obecność sygnału, jeśli jego poziom przekracza -43 dB. Układ programowalnej regulacji wzmocnienia pozwala ustawić 64 poziomy wzmocnienia z krokiem 0.75 dB.

Demodulator wydziela strumień danych w postaci analogowej z sygnału przychodzącego z linii telefonicznej. Przetwornik A/C zamienia dane z postaci analogowej na postać cyfrową. W trybie asynchronicznym dane powracające do procesora przepuszczane są przez konwerter sync/async, by zrekonstruować ich pierwotną postać. Deskrambler realizuje funkcję odwrotną do skramblera.

Interfejs linii telefonicznej jest blokiem, którego główne zadania są następujące: dopasowanie impedancyjne, zapewnienie symetrii wejścia/wyjścia, zapewnienie obciążenia stałoprądowego, generowanie impulsów wybierania numeru oraz detekcja sygnału wywołania. Sygnał analogowy TxA przechodzi przez zespół wzmacniaczy, transformator symetryzujący, a następnie wysyłany jest w linię telefoniczną Uproszczony schemat interfejsu linii telefonicznej ilustruje rysunek 7.

Detektor sygnału Ring wykrywa sygnał dzwonienia w linii telefonicznej i powiadamia o tym procesor MAC, który za pomocą sygnału OH uruchamia przekaźnik, przełączający obwód linii telefonicznej z pozycji 1 na pozycję 2. Ponadto procesor, sygnałem AR, dołącza do linii telefonicznej bocznik prądowy którego zadaniem jest zapewnienie rezystancji linii telefonicznej, dla składowej stałej (widzianej przez centralę miejscowa), mniejszej niż 300 Ω. W ten sposób telefon zostaje odłączony od linii telefonicznej.

W pamięci NVRAM (EEPROM) przechowywane są pewne standardowe parametry modemu ustawiane przez producenta, takie jak:

szybkość transmisji (bit/s); informacja o bitach kontrolnych; echo lokalne; odpowiedź modemu w postaci słownej/cyfrowej; wybieranie numeru impulsowe/częstotliwościowe; czas trwania testu (od 0 do 255 sek.); sterowanie liniami RTS/CTS; sterowanie linią DTR; sterowanie linią DCD; sterowanie linią DSR; rozłączenie przez sygnał przerwania; poziom głośności; współczynnik impulsowania; wybór sygnału ochronnego (550 Hz/1800 Hz; połączenie na łączach; komutowanych/trwałych; wybór standardu CCITT lub Bell. Parametry ustawione przez producenta można zmienić za pomocą rozkazów Hayes'a, które zostaną omówione w dalszej części publikacji.

Pamięć RAM wykorzystywana jest jako bufor danych w przypadku zestawienia połączenia z korekcją błędów i kompresją danych.

Poświęćmy jeszcze kilka słów budowie modemów, jak już wcześniej powiedzieliśmy, obecnie produkuje się dwa rodzaje modemów: modemy zewnętrzne - ­wolnostojące, które łączy się z komputerem za pomocą interfejsu RS-232 oraz modemy wewnętrzne, wykonane w formie karty rozszerzającej Modem wolnostojący pokazano na rysunku 8. Na tylnej ściance modem posiada gniazdo interfejsu V.24 (RS-232), służące do połączenia z komputerem. Gniazda RJ-l1 służą do podłączenia modemu do linii telefonicznej i do aparatu telefonicznego. Niektóre modemy wyposażane są w trzy gniazda RJ-l1. Trzecie gniazdo używane jest do połączeń trwałych.

Zespół mikroprzełączników służy do ustawienia pewnych funkcji specjalnych. Np.: w modemie M-3212 produkcji TEL-EKO przełączniki służą do ustawienia następujących funkcji: tryb synchroniczny/asynchroniczny; praca na liniach komutowanych/trwałych, wyłączenie/włączenie sterowania rozkazami Hayes'a itd.

Na przedniej ściance modemu znajdują się diody LED, sygnalizujące rodzaj pracy:

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

Modemy wykonywane są również w formie kart rozszerzających wtedy instaluje się je bezpośrednio w wolnym gnieździe płyty głównej.

Protokoły i standardy .

Protokoły i standardy opisują reguły i procedury jakie muszą realizować modemy gdy komunikują się ze sobą. istnieją standardy „de facto” i standardy „de jure”. Jeśli producent modemów ustanawia protokół używany w jego produktach i jeśli inni wytwórcy adoptują go lub kupują licencję tego protokołu, to może on stać się standardem „de facto”. Jeśli natomiast organizacja o wielkim autorytecie ustanawia protokół obowiązujący wszystkich producentów, to mówimy o standardzie „de jure”. Jedną z takich organizacji o międzynarodowym autorytecie jest Międzynarodowy Komitet Konsultacyjny ds. Telefonii i Telegrafii (CCITT, fr. Comite Consultative Internationale de Telephonie et Telegraphie), który reprezentuje rządy, instytucje naukowe i grupy business'u z całego świata. Komitet CCITT studiuje dostępne technologie i rozwija standardy „de jure”. Zagadnienia dotyczące modemów CCITT publikuje w serii zaleceń oznaczonych literą „V”.

Poniższa tabela prezentuje wykaz zaleceń związanych z transmisją danych za pomocą modemów:

ZaIecenie	Szybkość transmisji	Typ łącza	Tryb pracy	Typ transmisji danych	Modulacja
V.21	300 bit/s	komutowane	dupleks	async.	FSK
V.22	1200/600 bit/s	komutowane trwałe	dupleks	async./sync.	DPSK
V.22 bis	2400/1200 bit/s	komutowane trwałe	dupleks	async./sync.	QAM
V.23	1200/600 bit/s	komutowane	póldupleks	async./sync.	FSK
V.26	2400 bit/s	trwałe 4-drutowe	dupleks	sync.	DPSK
V.26 bis	2400/1200 bit/s	komutowane	póldupleks	sync.	DPSK
V.27	4800 bit/s	trwałe 2/4-drutowe	dupleks	sync.	8DPSK
V.27 bis	4800/2400 bit/s	trwałe 2/4-drutowe	dupleks	sync.	8DPSK
V.27 ter	4800/2400 bit/s	komutowane	póldupleks	sync.	SDPSK
V.29	9600 bit/s	trwałe 4-drutowe	dupleks	sync.	QAM
V. 32	9600 bit/s	komutowane trwałe	dupleks	async./sync.	QAM Trellis
V.32 bis	14400 bit/s	komutowane trwałe	dupleks	async/sync.	QAM Trellis
V.34	28800 bit/s	komutowane trwałe	dupleks	async./sync.	Trellis

Powyższe zalecenia określają bardzo dokładnie parametry jakie winien posiadać modern; definiują typ modulacji, częstotliwości nośne kanałów komunikacyjnych, wymagane linie interfejsu szeregowego, oraz zależności czasowe sygnałów występujących na tych liniach (między innymi, definiują czasy reakcji obwodów 106 (CTS) i 109 (DCD) na obwód 105 (RTS).

W tym miejscu wypada wspomnieć również o innych standardach. Przed kilkunastoma laty, gdy koncern AT&T (American Telephone and Telegraph) był dominującą firmą telefoniczną wszystkie modemy musiały spełniać standard „de facto” BELL'a. Wraz ze zmniejszeniem dominacji AT&T, standardy BELL'a stały się również mniej dominujące. Jednakże nadal w wykazach specyfikacyjnych modemów można zobaczyć te standardy (np. BELL 103 lub BELL 212A), gdyż definiują one sposób komunikacji z mniejszymi szybkościami-szczególnie w USA.

Inna grupa zaleceń definiuje parametry i procedury modemu nie związane z transmisją danych:

V.24 -definiuje linie interfejsu szeregowego
V.28 -określa charakterystyki prądowo-napięciowe interfejsu
V.42 -określa korekcję błędów

V.472 bis -określa kompresję danych

V.54 -określa system testów modemu

Szumy i zniekształcenia wprowadzane przez linię telefoniczną są powodem poważnych problemów podczas transmisji danych. Nowoczesne modemy wyposażane są więc w sprzętową korekcję błędów. W przypadku modemów standardowych („tradycyjnych”) protokoły korekcji błędów muszą być implementowane w zewnętrznym oprogramowaniu modemów - programie komunikacyjnym. Przykłady takich protokołów to XMODEM, Kermit, YMODEM, Telink, ZMODEM itp.

Sprzętowe protokoły korekcji błędów w modemach opisuje zalecenie V.42 CCITT. Korekcję błędów opisują również protokoły MNP (Microcom Networking Protocol) firmy Microcom Inc. Firma Microcom Inc. rozwinęła kilka klas protokołu MNP (MNP l/2/3/4.. .itd.) przyjmując zasadę, że wszystkie klasy protokołu są ze sobą kompatybilne. Oznacza to, że modem zawierający MNP będzie komunikował się z innym modemem MNP jeśli maksymalne klasy obsługiwane przez oba modemy są inne. Kiedy połączenie komunikacyjne zostanie utworzone, moderny MNP rozpoczynają negocjację mającą na celu ustalenie najwyższego, wspólnego dla obu z nich, poziomu (klasy) protokołu NNP jaki są zdolne obsłużyć.

Poświęćmy teraz kilka zdań protokołom MNP.

Podczas transmisji z korekcją błędów dane przesyłane są blokami o długościach od 64 do 256 znaków.

Protokół MNP-1 dotyczy korekcji błędów danych przy transmisji asynchronicznej zorientowanej znakowo w trybie półdupleksowym; efektywna przepływność binarna wynosi tu 70%. (tzn. przy szybkości transmisji 2400 bit/s, efektywna przepływność wynosi 1690 bit/s).

Protokół MNP-2 to również protokół asynchroniczny zorientowany bajtowo (znakowo). 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 przepływność binarną równą 2000 bit/s.

Klasa MNP-3 jest protokołem synchronicznym zorientowanym bitowo. Z uwagi na to, że protokół synchroniczny umożliwia eliminację niezbędnych w transmisji asynchronicznej 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 dupleksowy sposób wymiany danych. Jest to pierwszy z poziomów MNP, który zapewnia zarówno korekcję błędów jak i skrócenie czasu transmisji: efektywność wynosi tu około 108% a zatem używając 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: adaptacyjne łączenie pakietów i optymalizację fazową danych. 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. 64bajtowe, 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. Optymalizacja fazowa danych redukując liczbę transmitowanych bitów, wprowadza dalsze zwiększenie efektywności protokołu, która dla klasy 4 wynosi około 120%. Dzięki temu modem 2400 bit/s pracując z MNP klasy 4 uzyskuje efektywną przepływność binarną 2900 bit/s.

Zalecenie V.42 CCITT opisuje dwa typy korekcji: LAP-M (ang. Link Access Protocol for Modern)-typ właściwy temu zaleceniu 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. Oczywiście istnieje również możliwość zestawienia połączenia między modemem standardowym (pracującym bez korekcji błędów) i modemem zgodnym z zaleceniem V.42, ale zanim ten przypadek omówimy, zastanówmy się jakie są możliwe połączenia między modemami.

Modemy mogą nawiązać cztery typy połączenia: bezpośrednie, normalne i niezawodne i auto-niezawodne.

Połączenie bezpośrednie odpowiada połączeniu między dwoma modemami standardowymi.

W połączeniu normalnym modem zapewnia buforowanie danych, dzięki czemu szybkość komputera może być różna od szybkości połączenia; przykładowo, komputer może pracować z szybkością 9600 bit/s, modern natomiast z szybkością 2400 bit/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.

W połączeniu niezawodnym modem pracuje z buforowaniem danych (podobnie jak w połączeniu normalnym) oraz dokonuje korekcji błędów. Możliwa jest w tym połączeniu również kompresja danych, zgodnie z zaleceniem V.42 bis (lub zgodnie z protokołem MNP 5). Kompresja danych według V.42 bis może być zastosowana tylko wtedy, gdy wymiana danych kontrolowana jest przez protokół korekcji błędów V.42/LAP-M, natomiast protokół MNP 5 tylko wtedy, gdy wymianą danych zarządza protokół korekcji MNP 4. Użytkownicy biuletynów (BBS) są prawdopodobnie zaznajomieni z koncepcją ARCMAIL i archiwizacją plików. Pliki są archiwizowane przez operatorów BBS-ów stosujących archiwizery lub pakery takie jak: PKSARC, ARJ, PKZIP itp. Programy te stosując zmodyfikowaną formę kodu Huffmana kompresują pliki do mniejszych rozmiarów. Dzięki czemu zajmują one mniej miejsca na dysku, a także mniej czasu podczas transmisji z komputera do komputera. Po odebraniu skompresowanego pliku, można mu przywrócić pierwotną postać używając dearchiwizera. Klasa 5 protokołu MNP wprowadza tę samą ideę do modemów, ale z jedną tylko ważną różnicą - kompresja i dekompresja przesyłanych danych odbywa się w czasie rzeczywistym. Skuteczność kompresji silnie zależy od typu transmitowanego zbioru. Zbiory COM i EXE poddają się kompresji słabo. Lepsze efekty uzyskuje się dla zbiorów arkuszy kalkulacyjnych i edytorów tekstu, a najlepsze dla zbiorów tekstowych. W efekcie kompresji danych może być trzykrotnie zwiększona przepustowość kanału transmisyjnego. Przykładowo, jeśli szybkość połączenia wynosi 2400 bit/s, to przepustowość może osiągnąć 7200 bit/s.

Ponieważ bufor danych ma ograniczoną pojemność, może on ulec przepełnieniu.

Groźba utraty danych przesyłanych do przepełnionego bufora spowodowała wprowadzenie sterowania przepływem strumienia danych między komputerami i modemami oraz między modemami. Sterowanie przepływem danych odbywa się za pomocą tzw. znaków sterujących XON/XOFF. Modern powinien rozpoznawać te znaki. Istnieją dwie metody sterowania przepływem danych między komputerem i modemem: programowa i sprzętowa. W metodzie programowej z chwilą gdy zapełnią się bufory, modem wysyła do komputera znak XOFF, wstrzymujący przesyłanie danych, oraz znak XON sygnalizujący komputerowi gotowość modemu do wznowienia odbioru danych. W metodzie sprzętowej modem sygnalizuje o przepełnionych buforach stanem niskim na linii CTS. Stan wysoki informuje o gotowości modemu do wznowienia transmisji danych. Podobnie, komputer może zasygnalizować modemowi o konieczności wstrzymania przepływu danych, ustawieniem niskiego stanu na linii RTS. Między modemami również zachodzi proces sterowania przepływem danych; wyobraźmy sobie następującą sytuację: modem oddalony przesyła do modemu lokalnego znak XOFF; modem lokalny po odebraniu znaku XOFF zaprzestaje nadawania danych z bufora nadajnika przez linię telefoniczną do modemu oddalonego; bufor modemu lokalnego może ulec przepełnieniu, jeżeli lokalny komputer nadal przesyła dane; w chwili gdy bufor przepełni się, modem wysyła do lokalnego komputera znak XOFF, wstrzymując transmisję. Po otrzymaniu znaku XON z modemu oddalonego, modem lokalny wznawia transmisję, a po opróżnieniu bufora wysyła do lokalnego komputera znak XON. Spróbujmy odpowiedzieć na pytanie: która metoda sterowania przepływem jest lepsza: sprzętowa czy programowa? Metoda sprzętowa (RTS/CTS) jest bezpieczniejsza od metody programowej, gdyż przy tej ostatniej mogłoby się zdarzyć, iż przypadkowy bajt o takiej samej kombinacji transmitowanych bitów jak znak XON (00010001) lub XOFF (00010011) mógłby spowodować niepożądane sterowanie przepływem danych. Metodę sprzętową jest więc bezpieczniej stosować, pod warunkiem że interfejs modem - komputer wyposażony jest w linie CTS i RTS (a w zasadzie RFR). Na zakończenie jeszcze dwie uwagi: z poziomu programu komunikacyjnego można zablokować przepływ danych klawiszami Ctrl-S i odblokować kombinacją klawiszy Ctrl-Q; jeśli modemy pracują z protokołem korekcji błędów, to sterowanie przepływem danych przejmuje protokół.

Przyjrzyjmy się jeszcze raz typom połączeń, jakie może nawiązać modem:

Modem może nawiązać połączenie bezpośrednie (ang. Direct), identyczne jak modem standardowy niepracujący z korekcją błędów): -

• szybkość portu szeregowego modemu jest automatycznie dostosowywana do szybkości połączenia; szybkości

modemu i komputera muszą być sobie równe,

- nie działa sterowanie przepływem strumienia danych,

- korekcja błędów i kompresja danych nie działa; rozkazy z tym związane są ignorowane,

- możliwa jest asynchroniczna i synchroniczna transmisja danych.

Połączenie normalne (ang. Buffered-Normal) charakteryzuje się następującymi własnościami:

- szybkość portu szeregowego nie musi być równa szybkości połączenia,

- musi być włączona kontrola przepływu danych,

- korekcja błędów i kompresja danych nie działa; rozkazy z tym związane są ignorowane,

- możliwa jest wyłącznie transmisja asynchroniczna.

W połączeniu niezawodnym (ang. Reliable) modem dokonuje korekcji błędów poprzez retransmisje bloków danych, w których błędy wystąpiły. Jeżeli modem oddalony nie jest wyposażony w tę funkcję, to do nawiązania połączenia między modemami nie dojdzie. Własności połączenia niezawodnego:

- szybkość portu szeregowego nie musi być równa szybkości połączenia,

- musi być włączona kontrola przepływu danych,

- w trakcie nawiązywania połączenia niezawodnego między modemami, negocjowany jest najwyższy protokół korekcji oraz typ kompresji, według których mogą one pracować, możliwa jest wyłącznie transmisja asynchroniczna.

W przypadku połączenia auto-niezawodnego (ang. Auto-Reliable) modem może komunikować się z modemami standardowymi, modemami V.42bis jak również MNP5. Po zestawieniu połączenia fizycznego z modemem odległym, modem próbuje nawiązać połączenie niezawodne wg protokołu V.42 bis lub MNP5. Jeśli się to nie powiedzie, modem automatycznie przechodzi do połączenia normalnego.

Jeszcze kilka uwag o kompresji danych:

• Protokół MNP-5 dokonuje dwukrotnej kompresji transmitowanego bloku; protokół ten nie potrafi jednak wykryć

faktu iż plik został już skompresowany w komputerze i w związku z tym dokonuje ponownej kompresji, co czasami może wydłużyć czas transmisji (efekt odwrotny do zamierzonego),

- Protokół V.42 bis potrafi dokonać czterokrotnej kompresji transmitowanego pliku, ponadto rozpoznaje pliki skompresowane w komputerze i w takim przypadku wyłącza kompresję danych.

Poniższa tabela prezentuje maksymalną szybkość przepływu danych między komputerami w różnych standardach modulacji z kompresją MNP5 i V.42bis.

Maksymalna efektywna szybkość przepływu danych

komputer - komputer

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

Najnowszy protokół MNP 10 pozwala zrealizować połączenia dotychczas niemożliwe. Został on opracowany w zasadzie dla telefonii komórkowej, chociaż może być przydatny również dla łączy kablowych o niskiej jakości. Protokół ten charakteryzują następujące cechy:

— negocjowanie i zwiększanie szybkości transmisji (modem rozpoczyna transmisję od niskiej szybkości, a następnie zwiększa ją do wartości na którą pozwalają warunki panujące w linii),

— wymuszanie połączenia (modem łączy się nawet wtedy, gdy w linii występują zakłócenia).

— dynamiczne zmiany prędkości (w czasie trwania połączenia, modem stale dopasowuje szybkość transmisji do warunków panujących w linii),

— szybka zmiana długości ramki (rozmiar ramki w niesprzyjających warunkach może zmieniać się od 256 bajtów do 8 bajtów),

— dopasowanie poziomu nadawczego sygnału (modem ustala odpowiedni poziom nadawanego sygnału dla warunków panujących w linii).

Zalecenie V.54 określa sposoby testowania modemu. Interfejs V.24 wyposażony jest w obwody (linie) pozwalające zorganizować pętle testujące: lokalną (Local Analog Loopback, LAL, 141) oraz zdalną (Remote Digital Loopback, RDL, 140). Ponadto V.24 posiada obwód TI (142), zwany wskaźnikiem testu, za pomocą którego modem sygnalizuje DTE (komputerowi) o wykonywanym teście. Modemy mogą obsługiwać kilka różnych testów, zwanych pętlami:

Analogowa pętla lokalna (Local Analog Loopback, LAL)

Pętla ta (zwana pętlą nr 3) testuje modem i jego połączenie z komputerem. Pętlę analogową inicjuje DTE (komputer) obwodem LAL (141). DCE (modem) odpowiada obwodem TI (142). DTE (komputer) obwodem TxD wysyła sekwencję testującą (ciąg zerojedynkowy), która po przejściu przez modulator i demodulator odsyłana jest przez modem lokalny obwodem RxD do urządzenia końcowego DTE, gdzie następuje porównanie sekwencji nadanej i odebranej.

Analogowa pętla lokalna z autotestem (LAL)

Jest to również pętla nr 3, różniąca się od poprzedniej tym, że zamiast sekwencji testującej (ciągu zerojedynkowego), wysyłanej przez komputer, modem sam generuje dane testujące. Dane te po przejściu przez modulator i demodulator są następnie sprawdzane przez modem, a każdy pojawiający się błąd jest zliczany przez licznik błędów. Po zakończeniu testu liczba błędów jest wyświetlana w postaci trzech cyfr na ekranie komputera.

Cyfrowa pętla zdalna (Remote Digital Loopback, RDL)

Cyfrowa pętla zdalna RDL (zwana też pętlą nr 2), testuje obwody obu modemów. Urządzenie końcowe DTE (komputer) obwodem RDL (140) inicjuje pętlę nr 2, a następnie obwodem TxD wysyła sekwencję testującą poprzez modem lokalny (inicjujący) do modemu oddalonego kanałem pierwszym. Modem oddalony odsyła ten ciąg kanałem drugim do modemu inicjującego, który linią RxD transmituje sekwencję do DTE (komputera). Oba modemy informują urządzenia końcowe o przeprowadzanym teście, obwodem TI (142).

Cyfrowa pętla zdalna z autotestem (RDL)

Komputer może zainicjować również cyfrową pętlę zdalną RDL z autotestem, podobnie jak w przypadku pętli LAL z autotestem. Wynik testu wyświetlany jest w postaci liczby określającej ilość wykrytych błędów w czasie trwania testu.

1

9

1455555

---