Anatomia modemu
Mikrokontroler i procesor modemu
Transmisja danych podlega również normalizacji
QAM, czyli wysoka przepustowość danych
Bity na sekundę kontra body
Pogawędki między modemami
Modemy w Internecie
Chociaż standard ISDN zaczyna powoli wchodzić na krajowy rynek, modemy analogowe nadal stanowią największą część wszystkich urządzeń końcowych do zdalnej transmisji danych. Zasada ich działania nie jest natomiast znana każdemu.
Przed około dziesięcioma laty na rynku zdalnej transmisji danych panowały tzw. sprzęgi akustyczne. Do tych dość nieporęcznych urządzeń dołączało się słuchawkę i można było za ich pomocą przesyłać dane linią telefoniczną w "zawrotnym" tempie 300 znaków na sekundę. Czasy te należą już na szczęście do przeszłości. Od dawna bowiem na rynku rozpowszechniły się już modemy analogowe (MOdulator/DEModulator), czyli urządzenia umożliwiające połączenie portu szeregowego komputera z publiczną siecią telefoniczną.
Z roku na rok producenci modemów prezentują coraz nowsze i szybsze urządzenia. Do najnowszych osiągnięć w tym zakresie należą konkurencyjne technologie firm U.S. Robotics i Rockwell (57 600 bps - bitów na sekundę), które pod względem szybkości dorównują niemal parametrom modemów ISDN.
Blokowy schemat ideowy nowoczesnego modemu został przedstawiony w dalszej części artukułu. Do galwanicznego oddzielenia sieci telefonicznej od układu elektronicznego modemu wykorzystywany jest transformator; telefon i modem z reguły pracują bowiem na tej samej linii zewnętrznej. Po otrzymaniu odpowiednich danych modem musi więc przejąć kontrolę nad transmisją. Gdy tylko pecet poinformuje modem o zamiarze podłączenia się do sieci telefonicznej, specjalny przekaźnik odłącza telefon i włącza na linię modem. Stan ten jest sygnalizowany przez modem za pomocą odpowiedniej diody (OH - Off Hook).
Poprzez filtr impulsów i pętlę stałoprądową nadchodzący sygnał dociera do transformatora, który - jak już wiemy - jest galwanicznym separatorem między siecią telefoniczną a układem elektronicznym modemu. Dzięki takiemu rozwiązaniu również sam pecet jest odizolowany elektrycznie od linii telefonicznej.
Po drugiej stronie transformatora znajdują się analogowe filtry i wzmacniacze, połączone z przetwornikiem analogowo-cyfrowym. W sytuacji, gdy modem zamierza wysyłać dane, wykorzystywany jest z kolei przetwornik cyfrowo-analogowy i wzmacniacz. Sygnał przebiega wówczas w odwrotnym kierunku przez całą część analogową aż do gniazda wyjściowego. W tym miejscu całego układu jest także podłączony głośnik modemu oraz mikrofon dla funkcji głosowych.
Mikrokontroler i procesor modemu
Cyfrowe wejścia i wyjścia przetwornika analogowo-cyfrowego prowadzą do procesora sygnału (DSP, Digital Signal Processor). Układ ten pamięcią ROM, w której zapisane są wszystkie procedury analizy sygnału.
|
W modemach wykorzystujących układy firmy Rockwell procesor DSP oraz przetworniki A/C i C/A wraz ze wzmacniaczami i filtrami są umieszczone na jednym hybrydowym chipie, zwanym "pompą danych". Inni producenci np. U.S. Robotics wykorzystują do tego samego celu kilka oddzielnych układów.
Procesor DSP otrzymuje rozkazy od specjalnego mikrokontrolera, który z kolei interpretuje polecenia AT napływające od peceta łączem szeregowym. Mikrokontroler steruje ponadto przepływem danych pomiędzy portem zewnętrznym a układem DSP.
Transmisja danych podlega również normalizacji
Procesy modulacji po stronie nadawcy i demodulacji po stronie odbiorcy muszą zawsze odbywać się w ten sam sposób, a więc wymagają normalizacji. Wszystkie popularne modemy przeznaczone dla komputerów PC działają według zaleceń międzynarodowego komitetu normalizacyjnego z siedzibą w Genewie (CCITT, Comité Consultatif International Télégraphique et Téléphonique). Specyfikacja ta obejmuje oprócz szybkości transmisji także sposób kodowania, kontroli błędów oraz kompresji danych.
Z punktu widzenia możliwych kierunków transmisji wyróżniamy dwie podstawowe techniki: pełny dupleks (jednoczesne nadawanie i odbieranie) oraz półdupleks (przemienne nadawanie i odbieranie). Metoda półdupleksowa jest typowa dla transmisji faksowych (G3), gdyż dane są wówczas wysyłane tylko w jedną stronę.
|
Większość istniejących norm transmisji danych przeznaczonych jest dla techniki pełnego dupleksu. W przypadku norm o niskich szybkościach - V.21 (300 bps), V.22 (1200 bps) i V.22bis (2400 bps) - przesyłanie danych odbywa się poprzez oddzielne kanały nadawcze i odbiorcze. Przydział tych kanałów dla poszczególnych modemów jest uzależniony od tego, które z urządzeń nadaje, a które odbiera dane.
Wykorzystywana wcześniej przez sprzęgi akustyczne technika V.21 wykorzystywała dla celów transmisji częstotliwości 980 Hz, 1180 Hz, 1650 Hz i 1850 Hz. Stosowano tu metodę kodowania za pomocą zmiany częstotliwości, znaną w telekomunikacji pod nazwą modulacji częstotliwości (FM). Aby uzyskać znacznie większe szybkości transmisji nie można było, niestety, zwiększyć częstotliwości przesyłania, gdyż pasmo przenoszenia linii telefonicznej ma szerokość zaledwie 3100 herców. Poprawę przepustowości przynieść więc mogło tylko zastosowanie efektywniejszej metody modulacji.
Począwszy od normy V.22, zapewniającej transmisję o szybkości 1200 bps, wykorzystywana jest technika modulacji fazowej. Sinusoida sygnału nośnego (carrier - nośna) jest w tym przypadku odpowiednio przesunięta w fazie, w zależności od transmitowanego wzorca bitowego. Cztery dopuszczalne kąty fazowe (dokładniej: różnice kątów fazowych) pozwalają na pełne zakodowanie dwóch bitów, co oznacza podwojenie szybkości transmisji.
QAM, czyli wysoka przepustowość danych
Dalszy wzrost szybkości transmisji uzyskano poprzez uzupełnienie modulacji fazowej o modulację amplitudy. Powstała w ten sposób technika V.22bis umożliwiała już zakodowanie w każdym cyklu 16 (24) różnych stanów. Metoda ta otrzymała nazwę "kwadratowej modulacji amplitudy", w skrócie QAM. Dzięki takiemu rozwiązaniu szybkość transmisji danych wzrosła już do 2400 bps.
W celu zwiększenia przepustowości do 9600 bps (standard V.32), projektanci modemów nałożyli na siebie pasma częstotliwości nadawczych i odbiorczych. W ten sposób szybkość krokowa transmisji wzrosła czterokrotnie - do poziomu 9600 bodów. W związku z tym, że dane przesyłane są jednocześnie w obu kierunkach (pełny dupleks), mechanizm odbierający musi oddzielać modulację sygnału wysyłanego od odbieranego.
Z technicznego punktu widzenia nie jest to takie łatwe, gdyż poziom sygnału wysyłanego jest od 10 do 100 razy wyższy niż odbieranego, a na łączach występuje również efekt echa. Nowoczesne procesory DSP umożliwiają jednak współpracę z samokonfigurującymi się filtrami, które dzięki fazie testowej odbywającej się podczas nawiązywania połączenia potrafią całkiem dobrze oddzielać sygnał wychodzący od przychodzącego.
Z uwagi na fakt, że modulacja amplitudy przy przepustowości 9600 bps spowodowała wzrost liczby błędów transmisji, standard V.32 został uzupełniony mechanizmem kodującyn Trellis, zwiększającym odporność systemu na zakłócenia. Układ kodujący przekształca określony ciąg bitów (4 w przypadku specyfikacji V.32) w sekwencję dłuższą o jeden bit, będący elementem nadmiarowym. Dekoder Trellis w modemie odbierającym oblicza, w którym miejscu powinna pojawić się następna informacja, co znacznie ułatwia przyporządkowanie poszczególnych bitów. Gdy jakiś bit zostanie błędnie odebrany, dekoder zastąpi cały nieprawidłowy wzorzec bitowy innym, najbardziej prawdopodobnym.
Standard V.32bis funkcjonuje dokładnie tak samo jak V.32, ale dzięki zastosowaniu dodatkowych stopni faz i amplitud umożliwia uzyskanie szybkości 14 400 bps. W przypadku metody V.34 taki sam kombinowany schemat modulacji umożliwił już podniesienie przepustowości danych do 28 800 (a nawet 33 600) bps. Specyfikacja V.34 zakłada także dokonywanie wstępnego pomiaru jakości łączy i konfigurowanie na tej podstawie stopni modulacji, szybkości krokowej oraz parametrów filtra.
Najnowszym osiągnięciem techniki są mechanizmy transmisji danych z szybkością nawet 57 600 bps, działające jednak tylko w jednym kierunku. Aby takie połączenie mogło funkcjonować, urządzenie nadawcze musi być podłączone cyfrowo do cyfrowej centrali telefonicznej (tych jest już coraz więcej). Taki sposób podłączenia pozwala uniknąć zbędnej transformacji sygnału cyfrowego na analogowy (który w centrali cyfrowej i tak jest zamieniany na postać cyfrową). Odbiornik pozostaje połączony w pętli analogowej, niemniej do transmisji z tak dużą prędkością wymagane jest łącze odpowiednio wysokiej jakości.
Jeśli te warunki zostaną spełnione, prawie wszystko zależy już od przetwornika cyfrowo-analogowego. Oba modemy - nadający i odbierający - dokonują jeszcze wcześniej dokładnego pomiaru parametrów łączy. Następnie urządzenie nadające synchronizuje wysyłany strumień danych zgodnie z 8-kilohercowym taktem przetwornika i dokonuje modulacji informacji cyfrowych (po 8 bitów w każdym stopniu). Teoretycznie możliwa przepustowość 64 kilobajtów na sekundę nie jest jednak w praktyce nigdy osiągana. Zwrotny kanał transmisji (kanał nadawczy) funkcjonuje natomiast normalnie z szybkością 28 800 bps, co dla miłośników wędrówek sieciowych nie stanowi jednak żadnej niedogodności (z doświadczenia wiadomo, że więcej informacji przepływa w naszym kierunku niż w przeciwnym).
Bity na sekundę kontra body
Pojęcia bodów i bitów na sekundę (bps) są często ze sobą mylone. Bod jest jednostką szybkości krokowej: 2400 bodów oznacza, że odbiornik w czasie transmisji potrafi rozpoznawać 2400 zmian sygnału w czasie sekundy. Od użytego sposobu modulacji zależy natomiast to, ile informacji zostanie zakodowanych w ramach jednej zmiany sygnału. W przypadku modulacji częstotliwości zgodnie z techniką V.21 pojedyncza zmiana sygnału oznacza tylko jeden bit informacji, w związku z czym szybkości podane w bitach na sekundę i bodach są jednakowe. Wszystkie nowoczesne standardy transmisji danych wykorzystują jednak wielowartościowe metody modulacji. W tej sytuacji podczas jednej zmiany sygnału przesyłanych jest kilka bitów, co oznacza, że szybkość w bitach na sekundę jest pewną wielokrotnością szybkości w bodach
Pogawędki między modemami
Gdy dwa modemy nawiążą ze sobą kontakt, muszą najpierw ustalić, według jakiej normy będzie odbywać się transmisja. Z wyjątkiem standardu V.34 procedura ta odbywa się z reguły w taki sam sposób. Modem dzwoniący wysyła sygnał rozpoznawczy, informujący o najlepszej normie transmisji, jaką dysponuje. Jeśli podczas tej operacji głośnik modemu jest włączony, możemy wyraźnie usłyszeć ten sygnał. Gdy modem odbierający nie odpowie na taki komunikat właściwym sygnałem zwrotnym, pierwszy modem wyśle sygnał odpowiadający kolejnemu, wolniejszemu standardowi transmisji, itd.
Procedura ta jest nie tylko trudna do rozbudowania, ale ponadto bardzo podatna na błędy. Z tego też względu standard V.34 wykorzystuje inną technikę łączności, zdefiniowaną w specyfikacji V.8. Oba modemy nawiązują początkowo kontakt o szybkości 300 bps (norma V.21). Modem dzwoniący wysyła do drugiego listę wykorzystywanych przez siebie standardów. Modem odbierający usuwa z tej listy standardy przez niego nie obsługiwane, po czym odsyła listę z powrotem. Następnie oba modemy przełączają się na najszybszy z umieszczonych na liście trybów pracy oraz zaczynają wysyłać i odbierać dane testowe w celu ustalenia parametrów połączenia. Uzyskują one w ten sposób statystyczne dane na temat przewidywanych szybkości krokowych, współczynników filtrów i odchyleń częstotliwości. Oba modemy ponownie wymieniają się między sobą tymi informacjami, a następnie przystępują do właściwej transmisji.