PODSTAWY SIECI KOMPUTEROWYCH

ZAJĘCIA SEMINARYJNE

MODEMY

Łukasz Drozdenko

Grupa III, semestr 6

1999/2000

Modem jest urządzeniem zapewniającym transmisję danych cyfrowych przez linie analogowe. Nazwa pochodzi od zlepku skrótów MOdulacja/DEModulacja, opisujących zasadę działania.

1. Rodzaje modemów.

Modemy można podzielić na:

• akustyczne

• bezpośrednie

• wewnętrzne;

• zewnętrzne;

Modemy akustyczne są to urządzenia które nie były dołączane bezpośrednio do linii, lecz miały formę nakładki na słuchawkę telefoniczną, a do transmisji danych wykorzystywały mikrofon i głośniczek.

Modem bezpośredni dołączany jest do linii poprzez tradycyjne złącze telefoniczne RJ11 - umożliwia to zautomatyzowanie i uproszczenie czynności związanych z pracą i obsługą modemu.

2. Ogólna zasada działania.

Przesyłany z komputera sygnał cyfrowy zostaje wykorzystany do zmodulowania fali nośnej, będącej nośnikiem informacji. Dane odbierane przez modem, po przefiltrowaniu i pozbyciu się zakłóceń, są demodulowane i przekształcane do postaci cyfrowej, a następnie przesyłane do komputera.

3. Rodzaje stosowanej modulacji

Sygnał sinusoidalny definiowany jest przez trzy podstawowe parametry - amplitudę, częstotliwość i fazę. Każdy z nich można wykorzystać do kodowania informacji - można go modulować.

ASK - Amplitude Shifting Keying. Modulacja amplitudowa polegająca na zmianie (najczęściej skokowej) amplitudy sygnału o określonej, stałej częstotliwości. Modulacja czuła na najpopularniejsze czynniki zakłócające w liniach klasycznych. Dla zapewnienia transmisji dwukierunkowej full-duplex stosuje się różne częstotliwości nośnej dla każdej ze stron połączenia.

FSK - Frequency Shifting Keying. Modulacja częstotliwości - stosuje dwie różne częstotliwości sygnału dla oznaczenia poziomów sygnału cyfrowego. Standardowo każda ze stron ma określoną częstotliwość sygnału dla jedynki i zera logicznego.

PSK - Phase Shifting Keying. Modulacja fazy - polega na zmianie fazy sygnału w zależności od stanu sygnału. Sposób na osiągnięcie full-duplexu jak przy ASK.

Stwierdzono, że najlepsze wyniki można osiągnąć, łącząc ze sobą kilka metod modulacji sygnału. W związku z tym powstały modulacje łączące w sobie modulacje ASK i PSK. Takie sposoby modulowania sygnału nazwano modulacjami M-wartościowymi.

Ich idea działania polega na zmianie sposobu kodowania - nie koduje się pojedynczych bitów, lecz ich określone kombinacje.

Przykładowo modulacja DPSK (Differential PSK) koduje dwójki bitów, co przy częstotliwości nośnej rzędu 600 Hz, daje możliwość przesłania 1200 bitów w czasie 1 sekundy. Każdej z możliwych kombinacji dwójek bitowych odpowiada inne przesunięcie fazy:

00	0^o
01	90^o
10	180^o
11	270^o

Dalszą modyfikacją modulacji DPSK jest modulacja QAM (Quadrature Amplitude Modulation), stanowiąca połączenie modulacji DPSK i modulacji ASK. Koduje ona czwórki bitowe, stosując jednocześnie zmianę fazy i amplitudy sygnału. Zapewnia prędkość do 9600 bps.

Dodatkową modyfikacją jest TCM (Trellis Coded Modulation) czyli kodowanie kratowe, polegające na zastąpieniu czwórek bitów, kombinacjami pięciu bitów. Wprowadzana jest nadmiarowość, lecz zmniejsza się ilość błędów, ponieważ można wyeliminować (jako błędne) niedopuszczalne kombinacje bitów.

Kodowanie nadmiarowe - posiada mechanizmy kontroli, polegające na przesyłaniu oprócz danych również bitów kontrolnych. Koduje od 4 do 7 bitów, pozwalając na uzyskanie prędkości 7200 do 14400 bps.

4. Baud i bit na sekundę.

Baud określa rzeczywistą prędkość przesyłania danych (ilość zmian sygnału na sekundę), nie uwzględniając kodowania przesyłanych danych. Prędkość podawana w bitach na sekundę uwzględnia prędkość podawaną w baudach i sposób kodowania. Np. dla prędkości 2400 baud i modulacji QAM, osiąga się prędkość 9600 bps.

5. Techniki zwiększające prędkość.

Dalsze zwiększanie ilości kodowanych bitów przestało być efektywnym sposobem na zwiększenie prędkości transmisji danych. Zaczęto więc poszukiwać innego rozwiązania. Badania poszły w kierunku powiększenia czułości układów nadawczo - odbiorczych, przez co można by osiągnąć możliwość zastosowania mniejszych skoków amplitud przy modulacji kwadraturowej, oraz w stronę wykorzystania specjalizowanych układów procesorów sygnałowych DSP do celów transmisji.

Zwiększenie czułości może działać poprawnie dla linii pozbawionych zakłóceń, jednak linie rzeczywiste są dalekie od ideału.

Zastosowanie procesorów DSP, pozwoliło na użycie techniki kasowania echa (echo cancelation), przez co można było zrezygnować z oddzielnych częstotliwości dla transmisji w poszczególnych kierunkach. Każdy modem wycina z odebranego sygnału to, co sam nadał, i zajmuje się demodulacją reszty sygnału. Pozwoliło to poszerzyć pasmo sygnału i osiągnąć prędkości 16800, 19200, 28880 i 33600 bps, zależnie od mocy obliczeniowej DSP.

6. Protokoły i standardy.

Organizacją standaryzującą protokoły transmisji modemowej była CCITT (Comite Consultatif International Telegraphique et Telephonique), obecne ITU. Wprowadziła ona następujące standardy protokołów

SYMBOL	OPIS	PRĘDKOŚĆ[bps]
V.17	Standard komunikacji faksowej	14400
V.21	Standard połączeń	300
Bell 103	Amerykańska wersja V.21	300
V.22	Standard połączeń	1200
Bell 212A	Amerykańska wersja V.22	1200
V.22bis	Zawiera V.21 i V.22	2400
V.25bis	Standard sterowania modemem
V.27ter	Standard faksmodemów	4800
V.29	Standard komunikacji faksowej	9600
V.32	Zawiera V.21 V.22 i V.22bis	9600
V.32bis	Zawiera V.32	14400
V.32terbo	Rozszerzenie V.32bis	19200
V.34	Zgodny w dół z V.32bis	28800
V.42	Korekcja błędów
V.42bis	Kompresja danych
V.FC	Standard opracowany przez Rockwella	28800
V.34+	Standard połączeń	33600
V.90	Standard połączeń, wymaga wsparcia ze strony central tel.	56600/33600
V.8	Standard negocjacji połączenia
ZyXEL	Standard firmy ZyXEL	19200
PEP	Standard firmy Telebit	23000
HST	Protokół firmowy US Robotics	16800
Class 1	Standard komend faksowych
Class 2	Nowszy standard komend faksowych
Class 2.0	Rozwinięcie Class 2
Class 3	Standard komend faksowych

7. Protokół V.90

Jest to protokół asymetryczny, ukierunkowany na obsługę internetu, pozwalający w teorii osiągnąć w jednym kierunku prędkość do 56600 bps.

Zasada jego działania polega na zapewnieniu transmisji „od” modemu z prędkością taką jak przy protokole V.34+ (33600bps) i obsłudze teoretycznego transferu 56600bps w kierunku „do” modemu. Aby było to możliwe, należy zapewnić wsparcie ze strony centrali telefonicznej i providera internetowego.

Centrala telefoniczna musi być centralą cyfrową, a modemy dostępowe muszą być połączone z providerem przy użyciu łączy cyfrowych. Połączenie to jest zazwyczaj realizowane z prędkością 64000bps (kanał ISDN). Różnica pomiędzy prędkościami (8000bps) wynika z konieczności konwersji sygnału cyfrowego na analogowy.

8. Eliminacja błędów, kompresja danych.

Są dwie techniki eliminacji błędów. Pierwsza polega na zastosowaniu protokołów transmisji stosujących kontrolę poprawności. Druga polega na sprzętowym (przez modem) podziale danych na bloki, wyliczaniu ich danych kontrolnych (bit parzystości lub suma kontrolna CRC). Bloki takie mogą być też sprzętowo kompresowane. Protokoły takie opracowane zostały przez firmę Microcom i znane są pod nazwą MNP (Microcom Network Protocol).

MNP 2-4	Techniki korekcji błędów i redukcji nadmiarowości
MNP 5	Kompresja + MNP 2-4
MNP 7	MNP 5 z lepszą kompresją
MNP 10	MNP 7 o możliwości zmiany prędkości zależnie od stanu linii

Protokoły takie wprowadziła również CCITT. Są to V.42 - korekcja błędów i V.42bis - korekcja i kompresja.

Zastosowanie mechanizmów korekcji (podział na bloki, we wnętrzu których można usunąć bity startu i stopu) powoduje wzrost przepustowości o maks. 20% w stosunku do modemu bez korekcji.

Sprzętowa kompresja (deklarowany poziom kompresji 4:1) zapewnia dalsze zwiększenie przepustowości. Dla efektywnego wykorzystania modemu, łącze szeregowe powinno być od niego 4 razy szybsze.

Techniki zmiany prędkości transmisji (fallback i fallforward) polegają na zmniejszaniu szybkości połączenia w razie pogorszenia się jego jakości, i powiększaniu jej w przypadku polepszenia się jakości połączenia.

9. Fazy nawiązywania połączenia.

1. Modem „podnosi słuchawkę” i po sprawdzeniu stanu zajętości linii generuje sygnały konieczne do wybrania numeru telefonicznego.

2. Modem zdalny (odległy) odbiera wezwanie, modem inicjujący powiadamia go o zamiarze połączenia się z nim. Modem zdalny odpowiada na wezwanie.

3. Modemy rozpoczynają negocjacje sposobu (protokołu) wymiany danych. Dla protokołów starszych niż V.34 modem inicjujący wysyła do zdalnego informację o najwyższym swoim trybie transmisji. Modem zdalny odpowiada potwierdzając możliwość transmisji. Jeśli brak jest odpowiedzi, modem inicjujący przesyła informację o kolejnym, niższym trybie. Standard V.34 wprowadza inną metodę negocjacji - modemy nawiązują połączenie na szybkości 300 bps, po czym modem inicjujący wysyła do zdalnego listę obsługiwanych przez siebie standardów. Modem zdalny odbiera ją i usuwa z niej standardy nieobsługiwane przez siebie, po czym odsyła ją. Następnie oba przełączają się na najwyższy ze wspólnych trybów i rozpoczynają transmisję testową, w celu ustalenia parametrów połączenia, koniecznych do zaprogramowania układów DSP. Po wynegocjowaniu odpowiednich parametrów transmisji, modemy przystępują do właściwej transmisji.

4. Po zakończeniu transmisji modem inicjujący powiadamia o tym modem zdalny i „odkłada słuchawkę”.

10. Modemy na łącza sztywne.

Modemy tego typu pracują z założenia na liniach w których nie ma komutacji połączeń, w związku z czym zbędna staje się część konieczna dla sprawdzania stanu linii, wybierania numerów itp. Jednocześnie linie sztywne nie są ograniczane przez pasma przenoszenia central telefonicznych, co umożliwia wykorzystanie szerszego pasma transmisyjnego. Modemy takie często osiągają więc prędkości rzędu 115000bps (maks. prędkość transmisji portu RS232 na układzie UART16650), choć na odległościach rzędu 1-3 km. Często jednak modemy na łącza sztywne mają dużo mniejsze prędkości, rzędu 28800 - 33600bps, ze względu na słuszne spostrzeżenie, że w przypadku dostępu stałego, prędkość nie ma znaczenia nadrzędnego.

---