Модемы различных фирм-производителей

    При этом если ранее микропрограмма хранилась  в ПЗУ, изготовленном и «прошитом» на заводе, то теперь производители  все чаще стали помещать ее в перезаписываемую флэш-память, что позволяет обновлять программу без аппаратного вмешательства. Одним из пионеров такого подхода явилась фирма U.S.Robotics, впервые внедрившая перезаписываемую через основной интерфейс с компьютером флэш-память в своем модеме U.S.Robotics Courier.

    Типовая структура соединения двух компьютеров или локальных сетей через маршрутизатор с помощью модема приведена на рисунке 2. В случае 2-проводного окончания (см. рисунок 2-а) для обеспечения дуплексного режима модем использует трансформаторную развязку. Телефонная сеть благодаря своей схеме развязки обеспечивает разъединение потоков данных, циркулирующих в разных направлениях. При наличии 4-проводного окончания (см. рисунок 2-а) схема модема упрощается. 

Рисунок 2 – Соединение локальных сетей  или компьютеров через модем 

    Аналоговые каналы тональной частоты характеризуются тем, что спектр передаваемого по ним сигнала ограничен диапазоном от 300 Гц до 3400 Гц. Именно это ограничение спектра и является основной преградой в использовании телефонных каналов для высокоскоростной передачи цифровой информации. Скорость передачи информации по каналу с ограниченным спектром не может превосходить ширины этого спектра, т.е. 3100 бод в нашем случае. Но как же тогда быть с модемами, передающими информацию со скоростями 4800, 9600, 14400 бит/с и даже больше? В аналоговой технике передачи данных бод и бит/с не одно и то же. Для прояснения этого тезиса стоит рассмотреть внимательнее физический уровень работы модема.

    Электрический сигнал, распространяющийся по каналу, характеризуется тремя параметрами  – амплитудой, частотой и фазой. Именно изменение одного из этих параметров, или даже совместно некоторой их совокупности в зависимости от значений информационных бит и 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 называют бодовым интервалом. Если кодируемый элемент соответствует одному биту информации, который может принимать значение 0 или 1, то на бодовом интервале параметры сигнала соответственно могут принимать одну из двух предопределенных совокупностей значений амплитуды, частоты и фазы. В этом случае модуляционная скорость (еще ее называют линейной или бодовой) равна информационной, т.е. 1 бод = 1 бит/с. Но кодируемый элемент может соответствовать не одному, а, например, двум битам информации. В этом случае информационная скорость будет вдвое превосходить бодовую, а параметры сигнала на бодовом интервале могут принимать одну из четырех совокупностей значений, соответствующих 00, 01, 10 или 11.

    В общем случае, если на бодовом интервале  кодируется n бит, то информационная скорость будет превосходить бодовую в n раз. Но количество возможных состояний сигнала в трехмерном (в общем случае) пространстве  – амплитуда, частота, фаза – будет равно 2ⁿ. Это значит, что демодулятор модема, получив на бодовом интервале некий сигнал, должен будет сравнить его с 2ⁿ эталонными сигналами и безошибочно выбрать один из них для декодирования искомых n бит. Таким образом, с увеличением емкости кодирования и ростом информационной скорости относительно бодовой, расстояние в сигнальном пространстве между двумя соседними точками сокращается в степенной прогрессии. А это, в свою очередь, накладывает все более жесткие требования к "чистоте" канала передачи. Теоретически возможная скорость в реальном канале определяется известной формулой Шеннона:

    V = F log₂(1+S/N), где F – ширина полосы пропускания канала, S/N – отношение сигнал/шум.

    Второй  сомножитель и определяет возможности  канала с точки зрения его зашумленности  по достоверной передаче сигнала, кодирующего  не один бит информации в бодовом  интервале. Так, например, если отношение  сигнал/шум соответствует 20 dB, т.е. мощность сигнала, доходящего до удаленного модема, в 100 раз превосходит мощность шума, и используется полная полоса канала тональной частоты (3100 Гц), максимальная граница по Шеннону равна 20640 бит/с.

    Основной  задачей модема является преобразование исходной цифровой информации в вид, пригодный для передачи по каналу  связи,  и обратное преобразование на приеме. Вид модуляции и метод построения модема в значительной степени определяют скорость передачи данных и эффективность  использования канала связи. Применительно к передаче данных по телефонным каналам, виды модуляции, используемые в модемах, регламентировались Международным консультативным комитетом по телефонии и телеграфии (МККТТ / CCITT - франц.), а после его реформирования в 1993 году этим стал заниматься Сектор по стандартизации телекоммуникаций (TSS) Международного союз по электросвязи (ITU) при ООН. В Рекомендациях ITU-T (CCITT)  определены  основные  технические характеристики модема, такие, как форма спектра передаваемого сигнала, структура настроечной комбинации, образующий полином скремблера (дескремблера) и другие параметры,  обеспечивающие совместимость модемов, выпускаемых разными изготовителями. Данные рекомендации – модемные стандарты – входят в V-серию, где V означаетпередачу информации в аналоговом виде. Стандарты на передачу цифровой информации относятся к Х-серии, а на телематическое оконечное оборудование – Т-серии.

    Качество  работы модема определяется способностью противодействовать мешающим факторам, а, именно:

• гауссовскому шуму;
• межсимвольной интерференции, вызванной неидеальностью  передаточной функции канала связи;
• флуктуациям фазы несущей частоты, обусловленным низкочастотной паразитной модуляцией в генераторном оборудовании систем передачи с частотным разделением каналов.

    Поэтому для повышения качества работы модема требуется  применение  оптимальных (либо близких к ним) алгоритмов обработки  сигналов, позволяющих уменьшить  влияние мешающих факторов.

    Повышение  эффективности  использования  канала  связи,   т.е. удельной скорости передачи (числа передаваемых бит на единицу полосы пропускания канала  связи),  требует применения в модеме следующих систем:

• адаптивного корректора сигнала для уменьшения  межсимвольной интерференции в принимаемом сигнале;
• дискретного (или цифрового) формирователя спектра сигнала на передаче (в качестве его дополнительной функции может быть введение предыскажений с целью компенсации межсимвольной интерференции);
• скремблера (на передаче) и дескремблера (на приеме) для преобразования исходной последовательности данных в псевдослучайную  и обратного преобразования на приеме;
• системы  компенсации флуктуаций фазы несущей частоты,

    Акустический  канал телефонной линии модем  разделяет на две полосы низкой и высокой частоты. Полоса низкой частоты применяется для передачи данных, а полоса высокой частоты – для приема.

    В первых модемах использовалось два способа кодировки информации: метод FSK (Frequency Shift Keying) для скорости передачи до 300 бод и метод PSK (Phase Shift Keying) для более быстрых модемов - скорость передачи от 2400 бод. FSK использует четыре выделенные частоты. При передаче информации сигнал частотой 1070 Гц интерпретируется как логический нуль, а сигнал частотой 1270 Гц - как логическая единица. При приеме нуль соответствует сигналу 2025 Гц, а единица - 2225 Гц.

    PSK использует две частоты: для  передачи данных - 2400 Гц, для приема - 1200 Гц. Данные передаются по два  бита, при этом кодировка осуществляется  посредством сдвига фазы сигнала. Используются следующие сдвиги фазы для кодировки: 0 градусов для сочетания битов 00, 90 градусов для 01, 180 градусов для 10, 270 градусов для 11. Частотной модуляции пришла на смену квадратурно амплитудная модуляция, а ей уже «дышит в спину» импульсно-амплитудная модуляция сигнала (ИАМ).

    В методе квадратурной амплитудной модуляции QAM одновременно изменяются фаза и амплитуда  сигнала, что позволяет передавать большее количество информации. здесь  помимо изменения фазы сигнала используется манипуляция его амплитудой, что  позволяет увеличивать число кодируемых бит. В настоящее время используются модуляции, в которых количество кодируемых на одном бодовом интервале информационных бит может доходить до 8, а, соответственно, число позиций сигнала а сигнальном пространстве – до 256.

    Однако, применение многопозиционной QAM в чистом виде сталкивается с серьезными проблемами, связанными с недостаточной помехоустойчивостью кодирования. Поэтому во всех современных высокоскоростных протоколах используется разновидность этого вида модуляции, т.н. модуляция с решетчатым кодированием или треллис-кодированием (ТСМ, Trellis Coded Modulation), которая позволяет повысить помехозащищенность передачи информации – снизить требования к отношению сигнал/шум в канале на величину от 3 до 6 дБ. Суть этого кодирования заключается в введении избыточности. Пространство сигналов расширяется вдвое путем добавления к информационным битам еще одного, который образуется посредством сверточного кодирования над частью информационных бит и введения элементов запаздывания. Расширенная таким образом группа подвергается все той же многопозиционной амплитудно-фазовой модуляции. В процессе демодуляции принятого сигнала производится его декодирование по весьма изощренному алгоритму Виттерби, позволяющему за счет введенной избыточности и знания предистории выбрать по критерию максимального правдоподобия из сигнального пространства наиболее достоверную точку и, тем самым, определить значения информационных бит. 

2. Классификация модемов.  Сравнительный анализ  различных классов.  Оценка характеристик. 
 

2.1 Классификация модемов 

    На  первый взгляд, нет ничего проще, чем  классифицировать модемы. Само собой  разумеется, что они делятся на внешние и внутренние. Конечно  кое-кто может предложить их разделить  по скоростям (14400 бит/с, 28800 бит/с, 33600 бит/с, 56К), и, в последнюю очередь, вспомнят о возможности передачи данных в синхронном и асинхронном режимах. Однако это взгяд с высоты совсем уж птьчьего полета. Вблизи всё выглядит далеко не так.

    Попытаемся  подробнее классифицировать вверенные  нам устройства.

    И так, начнём с того, что различают  модемы, предназначенные для работы только на выделенных или только на коммутируемых линиях, а так же на тех и других. Различают модемы для цифровых и аналоговых линий.

    В зависимости от поддерживаемого  режима передачи данных, модемы делятся на:

• поддерживающие только асинхронный режим работы;
• поддерживающие асинхронный и синхронный режимы работы;
• поддерживающие только синхронный режим работы.

    По  исполнению(эта характеристика определяет внешний вид, размеры и размещение модема по отношению к компьютеру):

• внутренний модем – вставляется в компьютер как плата расширения. Они, в-добавок, делятся на контроллерные и безконтроллерные. К первым принадлежит большенство существующих внутренних модемов предназначенных для ISA интерфейса. Вторые – для PCI интерфейсов. Дальнейшим развитием PCI-модемов являются SOFT-модемы (иначе Win-модемы).
• настольный модем – имеет отдельный корпус и размещается рядом с компьютером, соединяясь кабелем с портом компьютера. Иногда называют внешним модемом, что не совсем правильно, т.к. следующие два типа также являются внешними (т.е. расположенными вне системного блока компьютера).
• модем в виде карточки – миниатюрен и подсоединяется к портативному компьютеру через специальный разъем (тот, кто видел сетевую карту для ноутбука поймет о чём идет речь).
• портативный модем – схож с настольным модемом, но имеет уменьшенные размеры и автономное питание.
• стоечные модемы – вставляются в специальную модемную стойку, повышающую удобство эксплуатации, когда число модемов переваливает за десяток.

    По  характеру применения модемы можно  разделить на обычные и профессиональные.

    Под обычными модемами будем понимать устройства, обычно применяемые конечным пользователем  дома или в офисе. Эти модемы используют только телефонные каналы.

    Профессиональные  модемы – наиболее совершенные и  скоростные устройства, преимущественно  стоечного исполнения. Используются для интеграции локальных сетей, в модемных пулах, а также для  удалённого доступа к ресурсам ЛВС.

    Среди обычных модемов можно выделить 3 вида:

• устройства для обмена данными (просто модемы);
• устройства для обмена данными и документами (факс-модемы);
• устройства для обмена данными, документами и приёма голосовых сообщений (голосовые факс-модемы).