Обмен данными

Модемы

Модем - это преобразователь сигналов, который является промежуточным звеном между компьютером и соединительной линией. Название модема происходит от двух слов: "Модулятор" и "Демодулятор". Как модулятор модем преобразует цифровые сигналы импульсов постоянного тока, используемые в компьютерных системах, в аналоговые сигналы, содержащие ту же информацию. Этот процесс и называется модуляцией.

Модулятор осуществляет модуляцию несущего сигнала, то есть изменяет его характеристики в соответствии с изменениями входного информационного сигнала, демодулятор осуществляет обратный процесс.

Модуляция формирование аналоговых сигналов, в которых закодирована цифровая информация.

Демодуляция представляет собой обратный процесс. Если посмотреть на образуемый сигнал с другой стороны - модем, как модулятор, получает аналоговые сигналы и преобразует их в начальную цифровую форму, содержащую переданную информацию.

Классификация модемов.

• по типу
  • Аналоговые - наиболее распространенный тип модемов для обычных коммутируемых телефонных линий
  • ISDN - модемы для цифровых коммутируемых телефонных линий
  • DSL - используются для организации выделенных (некоммутируемых) линий используя обычную телефонную сеть. Отличаются от коммутируемых модемов кодированием сигналов. Обычно позволяют одновременно с обменом данными осуществлять использование телефонной линии в обычном порядке.
  • Кабельные - используются для обмена данными по специализированным кабелям - к примеру, через кабель коллективного телевидения по протоколу DOCSIS.
  • Радио
  • Спутниковые
  • PLC - используют технологию передачи данных по проводам бытовой электрической сети.
• по типу используемого канала
  • модемы для коммутируемых каналов - наиболее распространенные использующиеся на коммутируемых телефонных линиях.
  • модемы для арендованных каналов - используются на выделенных линиях.
  • комбинированные - сочетающие в себе свойства двух предыдущих.
• по скорости передачи информации
  • низкоскоростные модемы (до 1200 бит/с) -"первая волна" модемов
  • среднескоростные ( от 1200 до 14400 бит/с) -как правило, модемы, произведенные до 1991 года.
  • высокоскоростные (>14400 бит/с) - большая часть современных модемов (за исключением специализированных, которым не требуются высокие скорости передачи данных и которыми можно пренебречь в пользу качества этой передачи).
• по области применения
  • для передачи данных
  • факсимильные модемы (как правило интегрированные в факс-аппараты или отдельные устройства, обеспечивающие прием и передачу факсимильных сообщений со скоростью до 14400 бит/с)
  • комбинированные модемы ( большинство модемов, использующихся в быту).
• по исполнению
  • внутренние - плата вставляемая в слот на материнской плате компьютера. Подключение питания и соединение с компьютером внутренних модемов происходит непосредственно через шину. Это, с одной стороны, позволяет сэкономить на соединительных проводах, а с другой - ведет к замедлению работы компьютера, так как внутренний модем создает дополнительную нагрузку на центральный процессор.
  • внешние - отдельное устройство, питающееся от сети и имеющее разъемы для подключения телефонной линии и телефонного аппарата, соединяющееся шнуром с компьютером. На передней панели модема выведены светодиодные индикаторы, отображающие его состояние. Внутренний модем не позволяет осуществлять контроль его состояния, что удобно реализовано посредством ряда светодиодных индикаторов на лицевой панели внешнего модема, а эмуляционные программы потребляют часть и без того обильно используемых внутренним модемом ресурсов центрального процессора (около 10%), что не происходит при работе модема внешнего. При "зависании" внутреннего модема его нельзя перезагрузить отдельно - приходится прибегать к перезагрузке всего компьютера.
• по реализации дополнительных функций
  • интеллектуальные модемы как правило современные типы модемов с возможностями управления их работой и установки конфигурации (т.е. скорости передачи, режима работы, типа синхронизации, протокола защиты от ошибок и др.).
  • голосовые модемы позволяют одновременно передавать данные и голос. В основном, в пользовательских моделях применяется метод аналоговой передачи потоков голоса и данных, разнесенных по частотам, получивший название ASVD (Analogue Simultaneous Voice/Data).
• по средствам управления
  • аппаратные
  • программные все операции по кодированию сигнала, проверке на ошибки и управление протоколами реализованы программно и производятся центральным процессором компьютера. При этом в модеме находится аналоговая схема и преобразователи: АЦП, ЦАП, контроллер интерфейса (например USB ).

Основное отличие программного модема от аппаратного заключается в том, что часть его функций реализуется за счет центрального процессора компьютера и программного обеспечения. Зачастую от модема остается лишь кодек (сокращение от кодер-декодер), а все остальные функции выполняет драйвер, использующий ресурсы персонального компьютера.

Естественно, что для нормальной деятельности, работающие в паре модемы должны осуществлять операции модуляции/демодуляции одинаковым образом, иначе информация, передаваемая между ними, будет необратимо искажена.

Несущая частота. По своей сути процесс модуляции представляет собой наложение одного сигнала на другой. Модем, как модулятор, начинает функционировать, генерируя постоянный сигнал, называемый несущей частотой, потому что с его помощью осуществляется передача информации. В большинстве систем несущая частота - это устойчивый сигнал постоянной амплитуды, фазы и частоты.

Информационный сигнал. Сигнал, который электрически смешивается с несущей частотой, моделируя ее по некоторому закону, называется информационным. Изменение информационного сигнала приводит к изменению несущего и выходного сигнала.

Модуляция. В основном электронные цепи могут быть настроены на обработку одной несущей частоты и отражение всех других, мультиплицированные модулированные сигналы могут посылаться через один канал связи. Помимо того, модуляция позволяет цифровой информации в форме постоянного тока быть переданной такими средствами, как телефонные системы, которые не могут обрабатывать сигналы постоянного тока.

В демодуляторах несущая частота отделяется, а закодированная информация представляется в своей первоначальной форме.

Последовательная передача данных означает, что данные передаются по единственной линии. При этом биты байта данных передаются по очереди с использованием одного провода. Для синхронизации группе битов данных обычно предшествует специальный стартовый бит, после группы битов следуют бит проверки на четность и один или два стоповых бита. Иногда бит проверки на четность может отсутствовать.

Форматы передачи данных определяют использование бита четности, стартовых и стоповых битов. Очевидно, что передатчик и приемник должны использовать один и тот же формат данных, иначе обмен не возможен. Скорость передачи данных должна быть одинаковой для передатчика и приемника.

Скорость передачи данных обычно измеряется в бодах (по фамилии французского изобретателя телеграфного аппарата Emile Baudot - Э. Бодо) или в количестве передаваемых битов в секунду. При этом учитываются и старт/стопные биты, а также бит четности. Величины "бод" и "бит/с" не всегда совпадают.

Все каналы связи и проходящие по ним сигналы характеризуются полосой пропускания. Эта характеристика определяет диапазон частот, который канал может передать или который может присутствовать в сигнале.

Аналоговые каналы тональной частоты характеризуются тем, что спектр передаваемого по ним сигнала ограничен диапазоном 300-3400 Гц Скорость передачи информации не может превышать ширины этого спектра, т.е. 3100 бод.

Электрический сигнал, распространяемый по каналу, характеризуется тремя параметрами: амплитудой, частотой и фазой. Изменение одного или совокупности этих параметров составляет физическую сущность процесса модуляции. Каждому информационному элементу соответствует фиксированный отрезок времени, на котором электрический сигнал имеет определенные значения своих параметров, характеризующих значение этого информационного элемента. Этот отрезок времени называется бодовым интервалом. Если кодируемый элемент соответствует одному биту информации (может принимать значения 0 и 1), то модуляционная скорость (линейная или бодовая) равна информационной, т.е. 1 бод = 1 бит/с. Но кодируемый элемент может соответствовать, например, двум битам информации. В этом случае информационная скорость может принимать совокупность значений 00, 01, 10 и 11. В общем же случае, когда на бодовом интервале кодируются n бит, информационная скорость будет превышать бодовую в n раз.

Уплотнение данных воспринимают как меру ускорения передачи информации. При посылке данные обрабатываются программой модема и уплотняются. При этом объединяются повторяющиеся данные, т.е. программа сокращает, например, последовательность знаков ВВВВВВ до 6 хВ. Средне статистически это наполовину сокращает количество передаваемых данных.

Дуплекс - описывает возможность канала связи одновременно передавать два сигнала, имеющих противоположные направления. Используя эти два канала, полнодуплексный модем может передавать и принимать информацию в одно и то же время. Для этого используются две несущих частоты, позволяющих одновременно получать и передавать информацию. Две несущие делят пополам имеющуюся полосу пропускания.

Полудуплекс. Альтернативой предыдущему режиму служит полудуплекс. В этом случае используется только один сигнал, а модем должен попеременно настраиваться на прием и передачу сигналов для организации двунаправленности разговора.

Эхо. Модем выдает символ в телефонную линию, а удаленный модем возвращает этот же символ первому, который затем отображается, подтверждая правильность передачи символа.

Охранная полоса. В режиме дуплекса полоса не просто делится на две. Два канала разделяются охранной полосой. Эта полоса представляет собой неиспользуемые частоты, изолирующие каналы и предохраняющие их от перекрытия отдельных несущих частот.

Способы модуляции. Различными модемами используются различные способы модуляции сигналов. Все они базируются на характеристиках несущей волны, которая может быть изменена для кодировки информации.

Используются три основные волновые характеристики: амплитудная, частотная и фазовая.

Амплитудная модуляция. Амплитуда - это сила сигнала или громкость тона передаваемого через телефонный провод. Изменение этой характеристики при кодировке передаваемой информации, называется амплитудной модуляцией. Одним из способов, с помощью которого цифровая информация может быть закодирована при амплитудной модуляции, является соотношение двух значений амплитуд в соответствии с цифровой информацией. Так цифровую информацию можно кодировать установкой максимальной мощности сигнала и нулевой мощностью. Эту характеристику телефонного сигнала легче всего изменять. Однако оба перехода могут накрываться шумами, поэтому амплитудная модуляция не используется в модемах.

Фазовая модуляция. Для кодирования информации в несущей частоте можно использовать и ее фазу. Не модулируемая частота содержит ряд идентичных волн, которые следуют друг за другом с одним шагом. Если же, например, одну волну задержать на ее длину, она придется точно на вершину следующей. Задержка одних волн без изменения их амплитуд или частот порождает изменение, называемое фазовым сдвигом. Установка волны сдвигает во времени ее по отношению к предшествующей. Таким образом, информация может быть закодирована путем сдвига фазы. Единица кодируется одним ее положением, а нуль - другим. Хотя этот способ модуляции используется в модемах связи более часто, он применяется в комбинации с другими технологиями.

Частотная модуляция. Цифровой сигнал можно также закодировать при помощи изменения частоты, например, большое значение можно закодировать высокой частотой, а малую амплитуду более низкой частотой. Такая технология называется частотной модуляцией и обычно используется в радиовещании. В большинстве случаев при частотной модуляции разные значения частот соответствуют цифровым нулю и единице

Коррекция ошибок. Быстродействующие модемы очень чувствительны к шумам. Возможность исправлять случайные ошибки при приеме и передаче файлов. Используемые в настоящее время и ранее протоколы коррекции ошибок применяются обычно вместе со способом сжатия данных. Параллельно с коррекцией ошибок используется Fallback -метод (метод нейтрализации ошибки), встроенный в некоторые протоколы ( V.42, MNP-4 ). Как только количество ошибок превышает предельно допустимое значение, модемы совместно переходят на меньшую скорость передачи.