Frequently Asked Questions (Часто Задаваемые Вопросы)
                   по модемам для телефонных линий

Создан: 27.12.98

Последняя модификация: 29.03.99

Автор: Евгений Музыченко (Eugene Muzychenko)
       2:5000/14@FidoNet, music@spider.nrcde.ru

Copyright (C) 1998-99, Eugene V. Muzychenko. All rights reserved.

Все права в отношении данного текста принадлежат автору. При
воспроизведении текста или его части сохранение Copyright обязательно.
Коммерческое использование допускается только с письменного разрешения
автора.

При наличии изменений с момента последней публикации они отмечаются
знаком ">-".

----------------------------------------------------------------------

 - Что такое модем и каковы его функции?

Слово "модем" (modem) происходит от сочетания "модулятор/демодулятор"
и используется для обозначения широкого спектра устройств передачи
цифровой информации при помощи аналоговых сигналов путем их модуляции
- изменения во времени одной или нескольких характеристик аналогового
сигнала: частоты, амплитуды и фазы. При этом модулируемый аналоговый
сигнал называется несущим (carrier) и обычно представляет собой сигнал
постоянной частоты и амплитуды (несущая частота).

Количество модуляций в секунду называется скоростью модуляции и
измеряется в бодах (Бод); количество переданной при этом информации
измеряется в битах в секунду (бит/с или BPS - Bits Per Second). Одна
модуляция может передавать как один бит, так и большее или меньшее их
количество. В новых модемных протоколах единица информации,
передаваемая за одну модуляцию, называется символом (character).
"Модемный" символ может в общем случае иметь любой размер.

Исходный цифровой сигнал подается на модулятор, преобразующий его в
серию изменений несущего аналогового сигнала, по линии связи
передаваемого демодулятору, который по этим изменениям воссоздает
исходный цифровой сигнал. Для получения симметричной двунаправленной
линии связи модулятор и демодулятор объединяются в одном устройстве -
модеме.

Несмотря на то, что модуляторы/демодуляторы применяются во множестве
устройств - сетевых адаптерах, дисководах, CD-рекордерах и т.п.,
термин "модем" (modem) закрепился для обозначения в основном
интеллектуальных модемов для телефонных линий. Такой модем является
сложным устройством, в который собственно модулятор и демодулятор
входят лишь в качестве основных по смыслу функциональных узлов.

Модемы применяются там, где линия связи не позволяет надежно
передавать цифровой сигнал простым изменением амплитуды. Наиболее
надежно передаются изменения частоты - частотная модуляция, однако для
фиксации такого изменения на приемном конце требуется несколько
периодов сигнала, что требует использования несущих частот,
значительно бОльших частоты цифрового сигнала. Для увеличения
количества информации, передаваемой за одну модуляцию, используются
параллельная фазовая и амплитудная модуляции.

Типовая схема организации связи двух цифровых устройств при помощи
модемов имеет вид:

--------¬  --------¬  --------------¬  --------¬  --------¬
¦ DTE 1 +--+ DCE 1 +--+ Линия связи +--+ DCE 2 +--+ DTE 2 ¦
L--------  L--------  L--------------  L--------  L--------

Аббревиатурой DTE (Data Terminal Equipment - оконечное оборудование
передачи данных) в терминологии систем связи обозначаются оконечные
цифровые устройства, генерирующие или получающие данные. Аббревиатурой
DCE (Data Communication Equipment - оборудование передачи данных)
обозначаются модемы. Линия связи между DCE - аналоговая, между DCE и
DTE - цифровая.

Если для связи DTE и DCE используется унифицированный цифровой
интерфейс, это зачастую дает возможность связать два расположенных
рядом DTE прямой цифровой линией - так называемым нуль-модемным
кабелем. В случае разнесения DTE на большое расстояние в разрыв вместо
нуль-модемного кабеля включается пара модемов и аналоговая линия
связи, обеспечивая прозрачное соединение и передачу данных.

Модемы различного типа используются во многих областях связи; в данном
FAQ рассматриваются только интеллектуальные модемы для телефонных
линий связи, предназначенные для связи между компьютерами и
алфавитно-цифровыми терминалами.

----------------------------------------------------------------------

 - Как устроен и работает современный модем?

Практически все современные модемы имеют похожие функциональные схемы,
состоящие из основного процессора, сигнального процессора,
оперативного запоминающего устройства (ОЗУ, RAM), постоянного
запоминающего устройства (ПЗУ, ROM), перепрограммируемого
запоминающего устройства (Non-Volatile RAM, NVRAM - неразрушающаяся
память с прямым доступом), собственно модулятора/демодулятора, схемы
согласования с линией и динамика.

Основной процессор фактически является встроенным микрокомпьютером,
отвечающим за прием и выполнение команд, буферизацию и обработку
данных - кодирование, декодирование, сжатие/распаковку и т.п., а также
за управление сигнальным процессором. В большинстве модемов
используются специализированные процессоры на основе типовых наборов
микросхем, а в некоторых (US Robotics, ZyXEL) - процессоры общего
назначения (Intel, Zilog, Motorola).

Сигнальный процессор (DSP, Digital Signal Processor - цифровой
сигнальный процессор) и модулятор/демодулятор занимаются
непосредственно операциями с сигналом - модуляцией/демодуляцией,
разделением частотных полос, подавлением эхо и т.п. В качестве таких
процессоров также используются либо специализированные,
ориентированные на конкретный набор способов и протоколов модуляции
(AT&T, Rockwell, Exar), либо универсальные со сменной микропрограммой
(например, TMS), позволяющие впоследствии дорабатывать и изменять
алгоритмы работы.

В зависимости от типа и сложности модема основная интеллектуальная
нагрузка смещается в сторону DSP или модулятора/демодулятора. В
низкоскоростных (300..2400 бит/с) модемах основную работу выполняет
модулятор/демодулятор, в скоростных (4800 бит/с и выше) - DSP.

В ПЗУ хранятся программы для основного и сигнального процессоров
(firmware). ПЗУ может быть однократно программируемым (PROM),
перепрограммируемым со стиранием ультрафиолетом (EPROM) или
перепрограммируемым электрически (EEPROM, Flash ROM). Последний тип
ПЗУ позволяет оперативно менять прошивки по мере исправления ошибок
или появления новых возможностей.

ОЗУ используется в качестве временной памяти при работе основного и
сигнального процессоров; оно может быть как раздельным, так и общим. В
ОЗУ хранится также текущий набор параметров модема (active profile).

В NVRAM хранятся сохраненные наборы параметров модема (stored
profiles), один из которых загружается в текущий набор при каждом
включении или сбросе. Обычно имеется два сохраненных набора - основной
(profile 0) и дополнительный (profile 1). По умолчанию для
инициализации используется основной набор, но есть возможность
переключиться на дополнительный. Ряд модемов имеет более двух
сохраненных наборов.

Схемы согласования с линией включают разделительный трансформатор для
передачи сигнала, оптопару для опознания сигнала звонка (Ring), реле
подключения к линии ("поднятия трубки", off-hook) и набора номера, а
также элементы создания нагрузки в линии и защиты от перенапряжений.
Вместо реле могут применяться бесшумные электронные ключи. В некоторых
модемах применяются дополнительные оптопары для контроля напряжения
линии. Подключение к линии и набор номера могут выполняться как одним,
так и раздельными ключами.

На динамик (speaker) выводится усиленный сигнал с линии для слухового
контроля ее состояния. Динамик может быть включен на время набора
номера и соединения, во время всего соединения, а также отключен
совсем.

Внешние модемы дополнительно содержат схему формирования питающих
напряжений (обычно +5, +12 и -12 В) из одного переменного (реже -
постоянного) напряжения источника питания. Кроме этого, внешние модемы
содержат интерфейсные цепи для связи с DTE.

----------------------------------------------------------------------

 - Чем различаются внутренние и внешние модемы?

Внутренний модем выполняется в виде платы расширения, размещаемой в
корпусе компьютера, подключаемой напрямую к системной шине и
использующей общий источник питания компьютера. Внешний модем
выполняется в виде отдельного устройства, подключаемого к одному из
портов - последовательному или параллельному, и питаемый от
собственного сетевого источника. Внешний модем также имеет индикаторы
режимов работы в виде набора светодиодов или жидкокристаллического
дисплея.


Достоинства внутреннего модема:

- меньшая сложность и цена за счет отсутствия корпуса, преобразователя
питания, индикаторов и интерфейсных схем;

- отсутствие проблем с питанием в случае использования UPS;

- отсутствие необходимости в свободном порте;

- меньшее количество внешних соединений и разъемов питания.


Недостатки внутреннего модема:

- внесение в систему дополнительного порта, что может быть чревато
конфликтами с другими системными устройствами;

- большая подверженность помехам как от компьютерного источника
питания, так и от соседних блоков компьютера, что может сказываться на
качестве связи;

- отсутствие индикаторов режимов работы, что затрудняет контроль
состояния модема и сеанса связи;

- необходимость вскрытия компьютера для установки и снятия модема, а
также для настройки конфигурации порта;

- невозможность использования модема с компьютером другого типа или
другим интеллектуальным устройством;

- невозможность надежного сброса модема в случае "зависания"
встроенной микропрограммы, кроме как через глобальный сброс
компьютера;

- невозможность использования синхронного режима работы;


Достоинства внешнего модема:

- оптимальное по помехозащищенности исполнение с собственным
источником питания;

- наличие индикаторов;

- возможность аварийного сброса в любой момент путем отключения
питания;

- возможность использования с любым типом оконечных устройств -
компьютерами, терминалами, принтерами, кассовыми аппаратами и т.п.;

- возможность использования синхронного режима работы, при котором
данные передаются на уровне битов, а не байтов; этот режим применяется
в бит-ориентированных оконечных устройствах.

- простое и быстрое подключение, и также - переключение между
оконечными устройствами.


Недостатки внешних модемов:

- более высокая сложность и цена;

- большее количество внешних устройств (модем и блок питания);

- необходимость дополнительной розетки питающей сети, а в случае
подключения к UPS - специального переходника;

- необходимость свободного порта и интерфейсного кабеля.

----------------------------------------------------------------------

 - Какие способы модуляции используются в модемной связи?

При частотной модуляции ЧМ (Frequency Shift Keying - FSK) элементы
передаются различными частотами несущего сигнала. Это наиболее
надежный и помехоустойчивый способ модуляции, однако наименее
скоростной.

При относительной фазовой модуляции ОФМ (Differential Phase Shift
Keying - DPSK) информация передается путем сдвига фазы несущего
сигнала.

Квадратурно-амплитудная КАМ (Quadrature Amplitude Modulation - QAM)
сочетает изменение фазы и амплитуды сигнала. Квадратурной этот вид
модуляции называется потому, что сигнал представляется суммой
синусоидальной и косинусоидально составляющих, которые находятся в
квадратуре по отношению друг к другу.

Для увеличения помехоустойчивости при многопозиционной модуляции
применяется предварительное кодирование информации. Без кодирования
появление в сигнале каждой очередной позиции модуляции равновероятно,
и при большом количестве позиций сильно возрастает вероятность ошибки
демодулятора. Кодирование изменяет статистические свойства потока
информации так, что вероятность появления каждой позиции зависит от
предыстории, позволяя демодулятору принимать более надежные решения.
Такие методы кодирования носят название сверточных, или Trellis
Encoding.

----------------------------------------------------------------------

 - Как организуется передача данных посредством модемов?

Передача данных организуется на основе набора протоколов, каждый из
которых устанавливает правила взаимодействия связывающихся устройств.
Протоколы, используемые в модемах, делятся на четыре основные группы:

 - протоколы модуляции и передачи данных;
 - протоколы коррекции ошибок;
 - протоколы сжатия передаваемых данных;
 - протоколы связи DTE и DCE.

Первые три группы относятся только к связи DCE-DCE, последняя - только
к связи DCE-DTE.

Первая группа протоколов устанавливает правила вхождения модемов в
связь, ее поддержания и разрыва, параметры аналоговых сигналов,
правила кодирования и модуляции. Эти протоколы непосредственно
относятся к сигналам, передаваемым по межмодемной аналоговой линии
связи. Соединение двух модемов возможно только в случае поддержки ими
каких-либо общих или совместимых протоколов этой группы. В
семиуровневой иерархии протоколов связи OSI эта группа протоколов
имеет уровень 1 (физический) и формирует канал цифровой связи в
реальном времени, однако не защищенный от ошибок передачи.

Протоколы физической связи могут быть симплексными (simplex) -
реализующими в каждый момент времени передачу только в одну сторону, и
дуплексными (duplex) - с одновременной двунаправленной передачей. Чаще
всего применяются дуплексные протоколы, которые могут быть
симметричными, когда скорости передачи в обоих направлениях равны, и
несимметричными, когда скорости различаются. Несимметричный дуплекс
применяется для повышения скорости передачи в одну сторону за счет ее
снижения в обратную сторону, когда поток передаваемых данных имеет
выраженную асимметрию.

Для определения направления передачи в физическом канале используются
понятия вызывающего (инициирующего соединение) и отвечающего модемов;
направление передачи определяется со стороны вызывающего модема.

Вторая группа устанавливает правила обнаружения и коррекции ошибок,
возникающих на этапе передачи с помощью протоколов первой группы. Эти
протоколы имеют дело только с цифровой информацией; для проверки
целостности информации она разделяется на блоки (пакеты), снабжаемые
контрольными избыточными кодами (CRC - Cyclic Redundancy Check). При
несовпадении контрольного кода на приемном конце переданный пакет
считается ошибочным и запрашивается его повторная передача. Эта группа
протоколов формирует из ненадежного физического канала надежный
(защищенный от ошибок) канал более высокого уровня, однако это
приводит к потере связи в реальном времени и дается ценой определенных
накладных расходов. В модели OSI эта группа соответствует уровню 2
(канальный).

Третья группа устанавливает правила сжатия передаваемых данных путем
уменьшения их избыточности. При этом на передающем конце происходит их
анализ и упаковка, а на приемном - распаковка в исходный вид. Сжатие
позволяет повысить скорость передачи сверх физической пропускной
способности канала за счет уменьшения объема реально передаваемых
данных. Реализация сжатия также требует некоторых накладных расходов
на анализ информации и формирование пакетов; в случае неэффективного
сжатия скорость передачи может оказаться ниже скорости физического
канала.

Последняя группа протоколов задает правила взаимодействия DCE и DTE.
Они подразделяются на физические, касающиеся кабелей, разъемов и
сигналов взаимодействия, и информационные, относящиеся к формату и
смыслу передаваемых сообщений. Посредством этих протоколов реализуется
общение DTE и DCE во время подготовки к вхождению в связь, организации
вызова и ответа, а также в процессе самого обмена данными.

----------------------------------------------------------------------

 - Как скорость передачи зависит от параметров канала?

Для оценки теоретической пропускной способности идеального канала
связи, единственной формой помех в котором является чистый белый шум
(равномерно распределенный по всей полосе частот), применяется формула
Шеннона:

V = dF * log2 (SNR + 1),

где V - скорость передачи, бит/с; dF - ширина полосы частот, Гц, SNR -
соотношение сигнал/шум (Signal to Noise Ratio), отношение мощности
несущего сигнала к мощности белого шума в канале, log2 - двоичный
логарифм. Синонимом SNR является понятие "уровень шума" (Noise Level),
обозначающее отношение мощности шума к мощности сигнала, выраженное в
децибелах:

NL = -10 lg (SNR)

При стандартной для телефонии полосе частот 3100 Гц (300..3400) и SNR
свыше 10 дБ теоретический предел скорости в килобитах в секунду,
приблизительно равен SNR в децибелах.

Предел допустимого уровня шума на внутригородских линиях России
установлен в -25 дБ; реально он составляет более 30 дБ на хороших и
менее 20 дБ на плохих линиях. Используемая в настоящее время система
цифрового уплотнения линий с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ, Pulse
Code Modulation - PCM), передающая 8-разрядные цифровые отсчеты на
частоте дискретизации 8 кГц, имеет предельно возможное соотношение
сигнал/шум около -48 (6.02 * 8) дБ; реально предел оценивается
примерно в -38 дБ, что соответствует скорости 35 кбит/с.

Шум, возникающий в линиях передачи, не является чисто белым и нередко
в значительной мере зависит от передаваемого сигнала (коррелирован с
ним), что сильно снижает реально достижимые скорости передачи. Для
снижения влияния шумов и помех в канале применяется помехоустойчивое
кодирование, повышающее различимость сигнальных элементов; при
повышении скорости передачи в пределах одной системы кодирования
надежность передачи снижается, однако с переходом на более
рациональную систему она может оставаться неизменной и даже
возрастать.

----------------------------------------------------------------------

 - Почему сигнал модема похож на шипение?

Это происходит в результате скремблирования (scrambling) - придания
сигналу в линии связи параметров псевдослучайного, имеющего
равномерный спектр и по звуку напоминающего шипение. Скремблирование
применяется для снижения влияния структуры исходного цифрового сигнала
на спектр выходного аналогового, что облегчает декодеру выделение
несущей частоты и декодирование сигнальных элементов.

----------------------------------------------------------------------

 - Какие протоколы модуляции используются в модемной связи?

Большинство используемых протоколов стандартизировано Международным
Союзом Связи (International Telecommunications Union - ITU), ранее
носившим название Международный Консультативный Комитет по Телеграфии
и Телефонии, МККТТ (Comite Consultatif Internationale de Telegraphie
et Telephonie - CCITT). Отдел ITU, относящийся к телефонной связи,
обозначается ITU-T.

Рекомендации ITU-T в области передачи данных по телефонным линиям
собраны в разделе "V", рекомендации по общему построению систем
передачи данных - в разделе "X".

Из протоколов физической связи наибольшее распространение получили
следующие:


- Bell 103J (American Telephone & Telegraph, AT&T), V.21
(International Telecommunications Union - Telecommunications, ITU-T).
Дуплексные, симметричные, используют ЧМ. Для организации дуплекса
полоса частот канала делится на два подканала - нижний для передачи и
верхний для приема данных. При модуляции используются следующие
частоты:

Bell 103J:

 - нижний подканал: 0 - 1070 Гц, 1 - 1270 Гц;
 - верхний подканал: 0 - 2025 Гц, 1 - 2225 Гц.

V.21:

 - нижний подканал: 0 - 1180 Гц, 1 - 980 Гц;
 - верхний подканал: 0 - 1850 Гц, 1 - 1650 Гц.

За одну модуляцию частоты передается один бит; таким образом, скорости
модуляции и передачи равны и составляют 300 Бод и бит/с.


- V.22 (ITU-T). Дуплексный, симметричный, использует относительную
фазовую модуляцию ОФМ (Differential Phase Shift Keying - DPSK),
передающую информацию путем сдвига фазы несущего сигнала. Несущие
частоты - 1200 и 2400 Гц, скорость модуляции - 600 Бод. Протокол имеет
два режима, в одном из которых одной модуляцией передается один бит, а
в другом - два бита (дибит). Соответственно, в первом случае имеется
две, а во втором - четыре позиции модуляции с относительным сдвигом
фазы на 180 и 90 градусов, а скорость передачи равна 600 и 1200 бит/с.
Реализация протокола предусматривает наличие эквалайзера,
корректирующего частотные и фазовые характеристики сигнала.

- V.22bis (ITU-T). Развитие V.22 путем исключения однопозиционной и
введения шестнадцатипозиционной квадратурно-амплитудной модуляции с
передачей четырех битов (квадбита) за одну модуляцию сигнала.
Соответственно, максимальная скорость передачи увеличена до 2400
бит/с.

- V.32 (ITU-T). Использует шестнадцатипозиционную КАМ и
Trellis-кодирование, скорости передачи - 4800 и 9600 бит/с.

- V.32bis (ITU-T). Расширение V.32 со скоростью передачи до 14400
бит/с, введены промежуточные скорости 7200 и 12000 бит/с. В протокол
включена поддержка процедур автоматического изменения скорости во
время сеанса при изменении качества линии, однако в ряде модемов
реализованы лишь процедуры ее снижения без возврата к исходной
скорости.

- HST (US Robotics). Оригинальный помехоустойчивый несимметричный
протокол с передачей в одну сторону со скоростью до 16800 бит/с, в
обратном канале скорость фиксирована - 300 или 450 бит/с. Протокол
автоматически ориентируется в сторону наиболее плотного потока данных;
при потоках сравнимой плотности происходит периодический "разворот"
протокола.

- V.32terbo (AT&T). Расширение V.32bis со скоростью передачи до 19200
бит/с, промежуточная скорость - 16800 бит/с.

- V.32terbo/ASL (USR). Расширение V.32bis со скоростью до 21600 бит/с.
ASL - Adaptive Speed Leveling, адаптивная коррекция скорости в
зависимости от качества передачи. Управление осуществляется по
протоколу V.42. Поддерживаются быстрые пересоединения (retrain) без
полной настройки систем эхоподавления. Начальное соединение для
надежности выполняется на скорости 7200.

- ZYX (ZyXEL). Оригинальный протокол со скоростью передачи от 7200 до
16800 бит/с в обычных моделях, и до 19200 бит/с - в моделях Plus.
Дискретность изменения скорости - 2400 бит/с.

- ZyCELL. Оригинальный помехоустойчивый протокол, ориентированный на
работу по сотовым (cellular) линиям связи.

- V.34 (ITU-T). Протокол последнего поколения со скоростью передачи до
28800 бит/с, промежуточные скорости - 2400..26400 бит/с с
дискретностью 2400. Принятию стандарта ITU предшествовали протоколы
ряда производителей под названиями V.Fast и V.FC. Модуляция -
256-позиционная КАМ с дополнительным временнЫм кодированием, при
котором решение на приемном конце принимается по двум смежным
состояниям сигнала. В связи с увеличением размера передаваемого за
одну модуляцию элемента данных вместо понятия "бод" используется
"символ в секунду"; в данном случае размер символа равен 8 битам, или
одному байту. Соответственно, введено понятие "символьная скорость" -
2400, 2743, 2800, 3000, 3200, 3429 симв/с. Две последние скорости
формально не укладываются в стандартную полосу пропускания телефонного
тракта, однако ряд телефонных линий реально обладает нужной пропускной
способностью.

- V.34bis (ITU-T). Расширение V.34 до скорости 33600 бит/с с
промежуточной скоростью 31200 бит/с.

- V.90 (ITU-T). Несимметричный, "полуцифровой" скоростной протокол,
позволяющий поднять скорость передачи в одну сторону до 56 кбит/с.
Стандарту предшествовали протоколы x2 (USR/3COM) и k56flex
(Rockwell/Lucent). Данная группа протоколов известна также под
названиями V.PCM и 56k. Протоколы 56k реализуются только на
несимметричных линиях, когда с одной стороны устанавливается блок
прямого сопряжения ("цифровой модем") с подключением к цифровому
каналу T1/E1, ISDN и др., а с другой - аналоговый модем с поддержкой
V.90. При таком соединении сигнал со стороны цифрового канала большую
часть расстояния передается в неизменной цифровой форме, и только от
абонентского комплекта до обычного модема - в аналоговой. Поскольку
преобразование из цифровой формы в аналоговую сопряжено с меньшими
потерями информации, чем обратно, предельная пропускная способность
цифрового канала (64 кбит/с) понижается только до 56 кбит/с (реально
обычно до 45-53 кбит/с). В обратную сторону предельной является
скорость 33.6 кбит/с.

Протоколы 56k ориентированы в первую очередь на централизованные
системы связи - провайдеры Internet (ISP - Internet Service Provider),
банковские и информационные сети и т.п., где преобладает передача
информации от центра к абоненту (download), а передача от абонента к
центру (upload) встречается гораздо реже.

Страница 1 2 3 4 • Следущая >>>