Modemy i kodery multimedialne
Historia, standardy
Lata 60-te: modem jako urządzenie, które miało umożliwić współpracę terminali z komputerami, czyli klawiatura+komputer. Dzięki temu można było obsługiwać potężny komputer z sali obok. Pierwsze modemy były sprzęgnięte akustycznie z siecią telefoniczną, wyposażone w głośnik i mikrofon emitowały serię pisków wprost do umieszczonej na nich słuchawki. Szybkość przesyłu danych nie była duża ( zaledwie 300 bit/s ) ale modem służył tylko do przesyłania znaków do monitora.
Lata 70-te: lawinowo narastająca popularność tzw. BBS-ów ( bulletin board system ) sprawiły, że coraz więcej osób zaczęło wykorzystywać modemy do wymiany plików. Prędkość wzrosła do 2400 bit/s.
Lata 80-te i 90-te: bardzo szybki rozwój modemów; w 1996 roku osiągnięto pułap 33,6 kbit/s. Było to `'nieprzekraczalne maksimum” i szczyt marzeń każdego użytkownika. Wkrótce okazało się, że można jeszcze szybciej wymieniać dane.
Rok 1997: dwie firmy- Rockwell i US Robotics zaprezentowały modemy 56 kbit/s. Firmy stoczyły wojnę tworząc swoje własne standardy. Ostatecznie w 1998 roku organizacja ITU (International Telecommunications Union - Międzynarodowa Unia Telekomunikacyjna) powołała specyfikację V.90, określającą zasady szybszego przesyłu danych.
Na dzień dzisiejszy wszyscy działający w Polsce operatorzy telekomunikacyjni oferują specjalne modemy dostępowe, umożliwiające abonentom korzystanie z Internetu.
Budowa Modemu
Data Pump (pompa danych) jest specjalizowanym układem scalonym, który moduluje i demoduluje sygnały. Zawiera on procesor sygnałowy DSP, pamięć ROM (w niej zawarte są procedury modulacji sygnału oraz przetworniki: C/A (cyfrowo-analogowy) i A/C (analogowo cyfrowy), które pozwalają na przejście z sygnału analogowego na cyfrowy w celu obróbki i odwrotnie w celu transmisji w kanale.
Mikroprocesor realizuje całą logikę modemu. Zajmuje się on wybieraniem numeru, skramblowaniem, kodowaniem zabezpieczającym i kompresją danych (Skramblowanie, kodowanie zabezpieczające oraz kompresja danych ma na celu wyeliminowanie większości błędów przy przesyłaniu danych oraz przyspieszenie komunikacji). Większość z tych funkcji wymagają pamięci RAM. Program według, którego pracuje mikroprocesor jest zawarty w podłączonej do niego pamięci ROM.
RS-232 - blok ten zawiera układ transmisji szeregowej. Dokonuje on transmisji danych pomiędzy modemem i komputerem zgodnie. Jeśli modem jest połączony z komputerem za pomocą innego złącza to oczywiście ten blok jest zastąpiony przez blok realizujący inne funkcje
Układ styku odpowiedzialny jest za izolację galwaniczną linii i modemu (uniknięcie przepływu prądu do źródła sygnału w przypadku awarii). Do zadań tego układu należy także pulsacyjne wybieranie numeru.
Modem Telefoniczny
Modemy telefoniczne dzielą się na klasyczne oraz xDSL. Modemy klasyczne były swego czasu popularne jako karty rozszerzeń do komputerów na gniazda PCI. Na panelu przednim znajdowały się 2 gniazda: jedno na kabel z sieci telefonicznej, drugi na kabel do telefonu. Występowały również w fax-modemach. Modemy te korzystają z wąskiego zakresu częstotliwości do 3,5kHz. Przez tak wąski kanał przesyłany może być jeden sygnał w danej chwili. Oznacza to, że korzystanie z internetu i telefonu jednocześnie było możliwe tylko poprzez wykupienie dodatkowej linii telefonicznej.
Modem xDSL służy do podłączenia komputera lub routera do linii telefonicznej. Technologia xDSL tworzy wiele kanałów w wolnym paśmie kabla telefonicznego w zakresie od 25kHz aż do około 1,1MHz (dla ADSL). Pojedynczy kanał ma szerokość 4312,5kHz. Wychodzi na to, że w tym zakresie częstotliwości mieści się nie jeden kanał (jak w przypadku modemu klasycznego), ale aż 250 kanałów. Dzięki temu możemy równocześnie korzystać z telefonu i internetu (przy użyciu tzw. splitera - rozdzielacz sygnałów o różnej częstotliwości - dodawany w zestawach modemowych np. od Tepsy).
Zaletą modemu cyfrowego w porównaniu do klasycznego jest możliwość przesyłania danych z wiele większą prędkością (do 24Mb/s dla ADSL2+ w porównaniu do klasycznych 56kbit/s) - jest to ponad 400 razy szybciej. Prędkość wysyłania od abonenta do sieci to maksymalnie 2Mbit/s.
Modem Kablowy
Modem kablowy to urządzenie abonenckie (czyli używane przez abonenta) służące do komunikacji komputera ze stacją czołową telewizji kablowej z kontrolerem CMTS (kontroler CMTS przesyła dane z sieci kablowej do ISP). Wbudowany w modemie chip odpowiedzialny jest za demodulację sygnału wysyłanego z kontrolera CMTS (modulacja QAM, QPSK oraz OFDM). Maksymalna szybkość modemu kablowego to kilkanaście Mbit/s, zazwyczaj 10Mbit/s.
Istotne jest, że każdy modem kablowy trafiający na półki sklepowe musi podlegać certyfikacji i pozytywnie przejść testy przeprowadzone przez konsorcjum CableLabs. Dzięki temu operatorzy sieci kablowych mają pewność, że modemy różnych producentów będą w sieci poprawnie obsługiwane przez kontroler CMTS.
Na rysunku widać gniazdo wejścia/wyjścia na kabel koncentryczny. Modem xDSL posiadałby w tym miejscu gniazdo telefoniczne (wtyk RJ-11).
Warto zwrócić uwagę na różnicę działania modemu kablowego i xDSL. Modem xDSL, po dostarczeniu zasilania, od razu uzyskuje adres IP od dostawcy internetu. Modem kablowy, z racji tego, że działa w sieci telewizyjnej, musi skakać po kanałach w poszukiwaniu kanału dosyłowego (tzw. downstream). Po znalezieniu odpowiedniego, pobiera paczkę informacji o torze zwrotnym (tzw. upstream) i negocjuje moc nadawania. Dopiero wtedy modem pobiera przez DHCP adres IP i jest gotowy do pracy.
Modem Radiowy
Modemy radiowe (bezprzewodowe) są najczęściej spotykane w telefonach komórkowych (technologie: EDGE, GPRS, UMTS, HSDPA), w dekoderach telewizji satelitarnej oraz urządzeniach wykorzystujących technologie Wi-Fi/WiMAX.
Modemy radiowe używane są w sieciach, w których kablowe połączenie jest nieekonomiczne lub wręcz niemożliwe.
Modemy wykorzystujące technologie GPRS/UMTS/HSDPA nazywane są modemami komórkowymi (ang. Cellular modems). Mogą być wbudowane w telefon lub występować w postaci urządzeń na USB/PCMCIA/ExpressCard do laptopa. Teoretyczna szybkość transmisji takich modemów teoretyczni wynosi do 7,2Mbit/s w przypadku modemów HSDPA.
Modemy Wi-Fi/WiMAX znane również jako modemy szerokopasmowe, spotykane są najczęściej w routerach lub w postaci zminiaturyzowanej na USB/PCMCIA. Wyparły one klasyczne modemy i stały się bardzo popularne. Większość firm telekomunikacyjnych ma w swojej ofercie modemy szerokopasmowe, pozwalające na dostęp do internetu. Modemy takie mogą również obsługiwać technologię VoIP, czyli umożliwiają rozmowy telefoniczne.
Ciekawym i całkiem nowym rozwiązaniem są modemy BPL (Broadband Power Line). Tworzą one sieć wykorzystując zwykłe gniazdka elektryczne w domu.
Niewątpliwą zaletą modemów BPL jest łatwość instalacji w warunkach domowych lub w firmie - wystarczy podłączyć taki modem do dowolnego gniazdka i cieszyć się szerokopasmowym dostępem do internetu oraz możliwością wymiany danych w obrębie sieci domowej.
Na dzień dzisiejszy, z powodu braku standaryzacji IEEE i małej liczby takich urządzeń, traktuje się je jako uzupełnienie sieci bezprzewodowej.
Modulacja i kodowanie
Modulacją nazywamy kodowanie informacji za pomocą zmian parametru lub parametrów przebiegu zwanego falą nośną. W przypadku analogowej linii telefonicznej falą nośną będzie przebieg sinusoidalny, charakteryzujący się trzema parametrami:
• amplitudą
• częstotliwością
• fazą
I teraz powstaje pytanie. W jaki sposób odzwierciedlić sygnał cyfrowy na analogowy? Odpowiedź jest bardzo prosta, bo sygnał cyfrowy to tak na prawdę 2 stany: 0 oraz 1. Skoro tak, to sygnał analogowy powinien charakteryzować się również 2 różnymi stanami. W przypadku modulacji amplitudy będzie to większa i mniejsza amplituda. W przypadku częstotliwości - mniejsza i większa; w przypadku fazy faza + i - 90stopni.
OPISY MODULACJI
Najprostsze modulacje to AM, FM oraz PM.
Szybkie techniki modulacji.
TCM - Każda zmiana stanu sygnału nośnej koreluje z konkretnym wzorem bitów informacji wejściowej. Dzięki tej metodzie jeden sygnał może reprezentować kompletny znak 6- lub 7-bitowy. Tak więc modem nadawczy, aby przesłać jeden znak 6-bitowy, przesyła tylko jeden sygnał zawierający w sobie informację o pozycji kompletnym znaku w macierzy. Modem odbiorczy, deszyfrując odpowiednie ortogonalne wiersze lub kolumny tablicy, identyfikuje znak alfabetu odpowiadający konkretnemu sygnałowi.