Модеми
|
Дана стаття знаходиться в стадії розробки (орієнтовне завершення до 25 жовтня 2009р.) |
|---|
Модем (Modem - скорочення від модулятор-демодулятор). Пристрій зв'язку для перетворення аналогового сигналу в дискретний (модуляція) та навпаки (демодуляція), що дозволяє комп'ютеру передавати дані по телефонній лінії; він є пристроєм узгодження у телекомунікаційних системах, системах автоматичного керування тощо. Стосовно застосування М. у комп'ютерній техніці, то М. поділяють на внутрішні (що встановлюються усередині системного блока) та зовнішні (що встановлюються ззовні системного блока). (c) Wikipedia.
Зміст
Історія виникнення модемів
Компанія At&t Dataphone Modems в Сполучених Штатах була частиною SAGE (ППО системи) в 50-х роках. Вона сполучала термінали на різних повітряних базах, радарах і контрольних центрах з командними центрами SAGE, розкиданими по США і Канаді.
SAGE використовувала виділені лінії зв'язку, але пристрої на кожному з кінців цих ліній були такими ж за принципом як сучасні модеми.
Першим модемом для персональних комп'ютерів став пристрій компанії Hayes Microcomputer Products, яка в 1979 році випустила Micromodem II для персонального комп'ютера Apple II. Модем коштував 380 дол. і працював із швидкістю 110/300 б/сек. У 1981 році фірма Hayes випустила модем Smartmodem 300 б/сек, система команд якого стала стандартом де-факто.
Класифікація модемів
Строгої класифікації модемів не існує і, імовірно, не може існувати через велику розмаїтість як самих модемів, так і сфер застосування і режимів їхньої роботи. Проте можна виділити ряд ознак, по яких і провести умовну класифікацію. До таких ознак або критеріїв класифікації можна віднести наступні: область застосування; функціональне призначення; тип використовуваного каналу; конструктивне виконання; підтримка протоколів модуляції, виправлення помилок і стиску даних. Можна виділити ще безліч більш детальних технічних ознак, таких як застосовуваний спосіб модуляції, інтерфейс сполучення з DTE і так далі.
По області застосування
Сучасні модеми можна розділити на декілька груп:
- для комутованих телефонних каналів;
- для виділених (що орендуються) телефонних каналів;
- для фізичних сполучних ліній:
- модеми низького рівня (лінійні драйвери) або модеми на короткі відстані (short range modems)',
- модеми основної смуги (. baseband modems);
- модеми низького рівня (лінійні драйвери) або модеми на короткі відстані (short range modems)',
- для цифрових систем передачі (CSU/DSU);
- для стільникових систем зв'язку;
- для пакетних радіомереж;
- для локальних радіомереж.
Переважна більшість модемів, що випускаються, призначена для використання на комутованих телефонних каналах, вони повинні уміти працювати з автоматичними телефонними станціями (АТС), розрізняти їх сигнали і передавати свої сигнали набору номера.
Основна відмінність модемів для фізичних ліній від інших типів модемів полягає в тому, що смуга пропускання фізичних ліній не обмежена значенням 3,1 кГц, характерним для телефонних каналів, проте смуга пропускання фізичної лінії також є обмеженою і залежить в основному від типу фізичного середовища і її довжини.
З погляду використовуваних для передачі сигналів модеми для фізичних ліній можуть бути розділені на ‘модеми низького рівня’ (лінійні драйвери), що використовують цифрові сигнали, і ‘модеми з "основної смуги" (baseband)’, в яких застосовуються методи модуляції, аналогічні вживаним в модемах для телефонних каналів.
Модеми для цифрових систем передачі нагадують модеми низького рівня. Проте на відміну від них забезпечують підключення до стандартних цифрових каналів, таким як Е1/т1 або ISDN, і підтримують функції відповідних канальних інтерфейсів.
Модеми для стільникових систем зв'язку відрізняються компактністю виконання і підтримкою спеціальних протоколів модуляції і виправлення помилок, що дозволяють ефективно передавати дані в умовах стільникових каналів з високим рівнем перешкод і параметрами, що постійно змінюються. Серед таких протоколів виділяються ZYCELL, ETC і MNP10.
Пакетні радіомодеми призначені для передачі даних по радіоканалу між мобільними користувачами. При цьому декілька радіомодемів використовують один і той же радіоканал в режимі множинного доступу, наприклад, множинного доступу з контролем що несе, відповідно до ITU-T АХ. 25. Радіоканал по своїх характеристиках близький до телефонного і організовується з використанням типових радіостанцій, налаштованих на одну і ту ж частоту в УКВ або KB діапазоні. Пакетний радіомодем реалізує методи модуляції і множинного доступу.
Локальні радіомережі є швидкорозвиваючою перспективною мережевою технологією доповнюючої звичайні локальні мережі. Ключовим їх елементом є спеціалізовані радіомодеми (адаптери локальних радіомереж). На відміну від раніше згаданих пакетних радіомодемів такі модеми забезпечують передачу даних на невеликі відстані (до 300 м) з високою швидкістю (2—10 Мбіт/с), зіставною із швидкістю передачі в дротяних локальних мережах. Крім того, радіомодеми локальних радіомереж працюють в певному діапазоні частот із застосуванням сигналів складної форми, таких як сигнали з псевдовипадковою перебудовою робочої частоти.
По методу передачі
По методу передачі модеми діляться на асинхронних і синхронних. Кажучи про синхронний або асинхронний метод передачі зазвичай мають на увазі передачу по каналу зв'язку між модемами. Проте передача по інтерфейсу DTE—DCE також може бути синхронною і асинхронною. Модем може працювати з комп'ютером в асинхронному режимі і одночасно з видаленим модемом — в синхронному режимі або навпаки. У такому разі іноді говорять, що модем синхронно-асинхронний або він працює в синхронно-асинхронному режимі.
Як правило, синхронізація реалізується одним з двох способів, пов'язаних з тим, як працюють тактові генератори відправника і одержувача:
незалежно один від одного (асихронно) або погоджено (синхронно).
Асинхронний режим передачі використовується головним чином тоді, коли передавані дані генеруються у випадкові моменти часу, наприклад користувачем. При такій передачі одержуючий пристрій повинен відновлювати синхронізацію на початку кожного отримуваного символу Такий асинхронний режим часто застосовується при передачі даних по інтерфейсу DTE—DCE. При передачі даних по каналу зв'язку можливості застосування асинхронного режиму передачі багато в чому обмежені його низькою ефективністю і необхідністю використання при цьому простих методів модуляції, таких як амплітудна і частотна.
При синхронному методі передачі здійснюють об'єднання великого числа символів або байт в окремі блоки або кадрів. Весь кадр передається як один ланцюжок бітів без яких-небудь затримок між восьмибітовими елементами. Щоб приймаючий пристрій міг забезпечити різні рівні синхронізації, повинні виконуватися наступні вимоги:
- Передавана послідовність бітів не повинна містити довгих послідовностей нулів або одиниць для того, що б приймаючий пристрій міг стійко виділяти тактову частоту синхронізації.
- Кожен кадр повинен мати зарезервовані послідовності бітів або символів, що відзначають його початок і кінець.
Існує два альтернативні методи організації синхронного зв'язку: символьно- або байт-орієнтовний, і біт-орієнтований. Відмінність між ними полягає в тому, як визначаються початок і кінець кадру. При біт-орієнтованому методі одержувач може визначити закінчення кадру з точністю до окремого біта, а байта (символу).
Окрім високошвидкісної передачі даних власне по фізичних каналах синхронний режим часто застосовується і для передачі по інтерфейсу DTE — DCE. В цьому випадку для синхронізації використовуються додаткові інтерфейсні ланцюги, по яких передається сигнал тактової частоти від відправника до одержувача.
По інтелектуальних можливостях
По інтелектуальних можливостях можна виділити модеми:
без системи управління;
- що підтримують набір АТ-команд;
- з підтримкою команд V. 25bis;
- з фірмовою системою команд;
- підтримуючі протоколи мережевого управління.
Більшість сучасних модемів наділена широким спектром інтелектуальних можливостей. Стандартом стала безліч АТ-команд, розроблених свого часу фірмою Hayes і що дозволяє користувачеві або прикладному процесу повністю управляти характеристиками модему і параметрами зв'язку. З цієї причини модеми, що підтримують АТ-команди носять назву Hayes-сумісних модемів.
Найбільш поширеним набором команд, що дозволяє управляти режимами встановлення з'єднання і автовиклика є команди рекомендації ITU-T V. 25bis.
Спеціалізовані модеми для промислового застосування часто мають фірмову систему команд, відмінну від набору АТ-команд. Причиною тому є велика відмінність в режимах роботи і виконуваних функціях між модемами широкого застосування і промисловими (мережевими) модемами.
Промислові модеми часто підтримують протокол мережевого управління SMNP (Simple Manager Network Protocol), що дозволяє адміністраторові управляти елементами мережі (включаючи модеми) з видаленого терміналу.
По конструкції
По конструкції розрізняють модеми:
- зовнішні;
- внутрішні;
- портативні;
- групові.
Зовнішніми модемами є автономні пристрої, що підключаються до комп'ютера або іншому DTE за допомогою одного із стандартних інтерфейсів DTE—DCE. Внутрішній модем — це плата розширення, що вставляється у відповідний слот комп'ютера.
Портативні модеми призначені для використання мобільними користувачами спільно з комп'ютерами класу Notebook. Вони відрізняються малими габаритами і високою ціною. Їх функціональні можливості, як правило, не поступаються можливостям повнофункціональних модемів. Часто портативні модеми оснащені інтерфейсом PCMCIA.
Груповими модемами називають сукупність окремих модемів, що об'єднаних в загальний блок і мають загальні блок живлення, пристрої управління і відображення. Окремий модем групового модему є платою з роз'ємом, що встановлюється в блок, і розрахований на один або невелике число каналів.
Пристрій сучасних модемів
Модем (модулятор/демодулятор) перетворює цифрові сигнали, які надходять від комп’ютера в аналогові для передачі по телефонних лініях зв’язку. Модеми працюють в парі: на іншому кінці з’єднання потрібен інший модем, який перетворює аналоговий сигнал в цифровий. Термін “модем” закріпився в основному для позначення інтелектуальних модемів призначених для роботи з телефонною лінією. Це є складний пристрій, в який входять згадані вище модулятор і демодулятор, але вони служать лише в якості функціональних вузлів. Модем складається з адаптерів портів канального і DTE-DCE інтерфейсів; універсального (PU), сигнального (DSP) і модемного процесорів; постійного (ПЗП, ROM), постійного енергонезалежного перепрограмованого (ППЗП, ERPROM) оперативного (ОП, RAM) запам'ятовуючих пристроїв і схеми індикаторів стану модему.
На модулятор подається вихідний цифровий сигнал, який перетворює його в серію аналогових сигналів, які по лінії зв’язку передаються демодуляторові. Він в свою чергу перетворює ці сигнали у вихідні (цифрові).
Модеми застосовуються там, де лінія зв’язку не дозволяє надійно передавати цифровий сигнал простою зміною амплітуди. Швидкістю модуляції називається кількість модуляцій в секунду, а символом – одиниця інформації, яка була передана за одну модуляцію. Несуча – це аналоговий сигнал, що модулюється, і вона як правило має менші показники затухання чи спотворення навідміну від немодульованого інформаційного сигналу.
DTE (Data Terminal Equipment) – кінцеве (термінальне) устаткування даних. Термін застосовується для маркування пристроїв, які використовують мережу. DTE підключається до мережі через апаратуру передачі даних (DCE).
DCE(Data Communication Equipment) – аппаратура передачі даних. Забезпечення встановлення, підтримку і розрив з’єднання з мережею. Для зв’язку між DTE і DCE використовується уніфікований цифровий інтерфейс.
Порт інтерфейсу DTE-DCE забезпечує взаємодію з DTE. Якщо модем внутрішній, замість інтерфейсів DTE-DCE може застосовуватися інтерфейс внутрішньої шини комп'ютера ISA. Порт канального інтерфейсу забезпечує узгодження електричних параметрів з використовуваним каналом зв'язку. Канал може бути аналоговим або цифровим, із двох- або чотирьохпровідним закінченням.
Універсальний процесор виконує функції керування взаємодією з DTE і схемами індикації стану модему. Саме він виконує відіслані для DTE АТ-команди і керує режимами роботи інших складових частин модему. Також універсальний процесор може реалізовувати операції компресії/декомпресії переданих даних.
Інтелектуальні можливості модему визначаються в основному типом використовуваного PU і мікропрограмою керування модемом, що зберігається в ROM. Шляхом заміни або перепрограмування ROM іноді можна досягти істотного поліпшення властивостей модему, тобто зробити його модернізація, або апгрейд (upgrade). Такого роду модернізація деяких моделей може забезпечити підтримку нових протоколів або сервісних функцій, таких як автоматичне визначення номера (АВН) головного абонента. Для полегшення такої модернізації останнім часом замість мікросхем ROM стали широко застосовуватися мікросхеми флэш-пам’яті (FlashROM).
Схема ERPROM дозволяє зберігати установки модему в так званих профайлах або профілях модему на час його вимикання. Пам'ять RAM інтенсивно використовується для тимчасового збереження даних і виконання проміжних обчислень як універсальним, так і цифровим сигнальним процесорами.
На сигнальний процесор, як правило, покладаються задачі по реалізації основних функцій протоколів модуляції (кодування спецкодом, відносне кодування, скремблювання і т.д.), за винятком хіба що власне операцій модуляції/демодуляції. Останні операції звичайно виконуються спеціалізованим модемним процесором.
Загальні відомості
Відомості про внутрішній архітектуру сучасних модемів не настільки доступні, як, наприклад, інформація про пристрій персональних комп'ютерів. Однією з причин цього є відсутність промислових стандартів на конструкцію модемів. Інша причина - сучасні модеми, як правило, будуються на наборах спеціалізованих мікросхем, які реалізують основні модемні функції. Число виробників наборів модемних мікросхем значно менше числа виробників власне модемів. Основними виробниками спеціалізованих наборів є фірми Rockwell, Intel, AT&T, Sierra Semiconductor, National Semiconductor, Motorola, Exar і деякі інші. Ряд відомих компаній, таких як U. S. Robotics, Telebit, ZYXEL, самостійно займається розробкою і виробництвом модемних мікросхем для своїх потреб. Деякі виробники при побудові модемів використовують мікросхеми загального призначення — цифрові процесори і мікроконтролери.
Модем складається з адаптерів портів канального і DTE—DCE інтерфейсів; універсального (PU), сигнального (DSP) і модемного процесорів; постійного (ПЗП, ROM), постійного незалежного перепрограмованого (ППЗУ, ERPROM) оперативного (ОЗУ, RAM) пристроїв, що запам'ятовують, і схеми індикаторів стану модему.
Порт інтерфейсу DTE—DCE забезпечує взаємодія з DTE. Можливі варіанти реалізації інтерфейсу DTE — DCE детально розглядаються в розділі 3. 1. Якщо модем внутрішній, замість інтерфейсів DTE—DCE може застосовуватися інтерфейс внутрішньої шини комп'ютера ISA. Порт канального інтерфейсу забезпечує узгодження електричних параметрів з використовуваним каналом зв'язку. Канал може бути аналоговим або цифровим, з двух- або чотирипровідним закінченням.
Універсальний процесор виконує функції управління взаємодією з DTE і схемами індикації стану модему. Саме він виконує посилані АТ-команди DTE і управляє режимами роботи решти складових частин модему. Також універсальний процесор може реалізовувати операції компресії/декомпресії передаваних даних.
Інтелектуальні можливості модему визначаються в основному типом використовуваного PU і мікропрограмою управління модемом, що зберігається в ROM. Шляхом заміни або перепрограмування ROM іноді можна досягти істотного поліпшення властивостей модему, тобто провести його модернізація, або апгрейд (upgrade). Такого роду модернізація деяких моделей може забезпечити підтримку нових протоколів або сервісних функцій, таких як автоматичне визначення номера (АОН) зухвалого абонента. Для полегшення такій модернізації останнім часом замість мікросхем ROM почали широко застосовуватися мікросхеми флеш-пам'яті (FLASHROM).
Схема ERPROM дозволяє зберігати установки модему в так званих профайлах або профілях модему на час його виключення. Пам'ять RAM інтенсивно використовується для тимчасового зберігання даних і виконання проміжних обчислень як універсальним, так і цифровим сигнальним процесорами.
На сигнальний процесор, як правило, покладаються завдання по реалізації основних функцій протоколів модуляції (кодування згортальним кодом, відносне кодування, скремблювання і т. д.), за виключенням хіба що власне операцій модуляції/демодуляції. Останні операції зазвичай виконуються спеціалізованим модемним процесором.
Описаний розподіл функцій між складовими частинами модему може бути, і швидше за все буде, зовсім не таким, яке реалізоване у вашому конкретному модемі. Проте внутрішньою начинкою сучасного модему всі ці функції в тій чи іншій мірі повинні виконуватися.
Пристрій цифрового модему
До цифрових модемів можна віднести такі пристрої, як CSU/DSU (Channel Service Unit/Data Service Unit), термінальні адаптери ISDN, а також модеми на короткі відстані (Short Range Modem). По виконуваних функціях цифрові модеми дуже схожі на модеми для аналогових каналів зв'язку. За винятком найпростіших, цифрові модеми володіють інтелектуальними функціями і підтримують набір АТ-команд. В першу чергу це відноситься до цифрових модемів, що працюють на комутованих лініях, наприклад, в мережах ISDN.
Лінійне кодування
Дані користувача, що поступають від DTE, вже є представленими в уніполярному або біполярному коді без повернення до нуля, — NRZ (NonReturn to Zero). При передачі даних на великі відстані в коді NRZ виникають наступні проблеми.
- З часом наростає постійний струм, що блокується деякими електричними пристроями цифрового тракту, наприклад, трансформаторами, що приводить до спотворення передаваних імпульсів.
- Зміна постійного струму в ланцюзі негативно позначається на функціонуванні пристроїв, одержуючих живлення з лінії (репітери або CSU).
- Передача довгих серіїв нулів або одиниць приводить до порушення правильної роботи пристроїв синхронізації.
- Відсутня можливість контролю виникаючих помилок на рівні фізичного каналу.
Перераховані проблеми вирішуються за допомогою лінійного кодування. Параметри отримуваного лінійного сигналу повинні бути узгоджені з характеристикою використовуваної лінії і відповідати ряду наступних вимог.
- Енергетичний спектр лінійного сигналу повинен бути якомога вужчий. У нім повинна бути відсутньою постійна складова, що дозволяє підвищити вірність або дальність передачі.
- Структура лінійного сигналу повинна забезпечувати можливість виділення тактової частоти на приймальній стороні.
- Необхідно забезпечити можливість постійного контролю за помилками на рівні фізичної лінії.
- Лінійний код повинен мати достатньо просту технічну реалізацію.
Формування необхідного енергетичного спектру може бути здійснене відповідною зміною структури імпульсній послідовності і вибором потрібної форми імпульсів. Наприклад, навіть скорочення тривалості імпульсів в два рази удвічі зменшує рівень постійної складової і збільшує рівень тактової складової в спектрі такого сигналу.
Розрізняють неалфавітні (1В1Т) і алфавітні (mBnT) коди (У — двійкове, Т — трійкова підстава коди). При m>n швидкість передачі знижується. Граничною перешкодостійкістю володіють сигнали, елементи яких рівні, але протилежні по полярності.
Сигнал з чергуванням полярності імпульсів AMI (Alter nete Mark Inversion) отримують з двійкового в результаті перетворення, при якому нулі початкової двійкової коди передаються імпульсами нульової амплітуди, а одиниці — імпульсами полярності, що чергується, і удвічі меншої тривалості. Сигнали з кодом AMI вимагають роздільної регенерації позитивних і негативних імпульсів при їх відновленні в приймачах і репітерах. Інформація про синхронізуючий сигнал, як правило, виділяється після випрямляння сигналу в резонансному пристрої синхронізації. Недоліком коди AMI є те, що при появі в інформаційній послідовності серії "нулів" різко знижується рівень синхронізуючої складової сигналу, що приводить до зриву синхронізації.
Найбільш широкого поширення набули дворівневі лінійні коди з подвоєнням швидкості передачі класу 1В2в (перетворення групи з одного дворівневого символу в групу з двох дворівневих символів), що володіють високими перешкодозахисними, простотою перетворення і виділення тактової частоти. Проте частота проходження імпульсів і необхідна смуга частот передачі удвічі перевищує частоту проходження початковій двійковій послідовності. До таких кодів відносяться коди манчестер, DMI, CMI, NEW, код Міллера (М), М, код вітчизняного стику С1-і (С1-фл-бі) і ряд інших менш популярних.
Код манчестер характеризується однозначною відповідністю послідовності чергування імпульсів усередині тактового інтервалу. А саме, "1" початкового цифрового сигналу передається нульовим імпульс в першому напівтактовому інтервалі і одиничним — в другому.
Див.також
- Технологія 3G
- Технологія DSL
- Технологія WI-FI
- Технологія CDMA
- Технологія EDGE та GPRS
- Технологія ISDN
