Cопряжение источника цифрового сигнала с аналоговым каналом.

Основной функцией модема, как было показано выше, является сопряжение источника цифрового сигнала с аналоговым каналом связи различной природы. Задача такого сопряжения - прежде всего согласовать частотный спектр сигнала, несущего дискретное сообщение, с частотной характеристикой канала связи. Поскольку цифровой сигнал от источника дискретных сообщений имеет вид последовательности единичных и нулевых элементов, представленных в виде импульсов постоянного тока, его частотный спектр сосредоточен в области низких частот (и может иметь постоянную составляющую). Как известно, канал ТЧ имеет частотную характеристику типа полосового фильтра с полосой пропускания 0,3...3,4 кГц. Чтобы “вписать” в эту полосу спектр сигнала, очевидно, достаточно произвести модуляцию исходным сигналом одного из параметров гармонической несущей.

Большинство современных модемов используют четыре основных мето­да модуляции сигнала, передаваемого по телефонной линии:

- Метод амплитудной модуляции (Amplitude Shift Keying - ASK). Наименее эффективный метод модуляции, в котором информация кодируется за счет изменения амплитуды передаваемого сигнала. Применяется только на очень медленных скоростях -до 100 бит/с

- Метод частотной модуляции (Frequency Shift Keying - FSK). Информация ко­дируется за счет изменения частоты передаваемого сигнала. Применяется на скоростях до 1200 бит/с

- Метод фазовой модуляции (Phase Shift Keying - PSK). Информация кодиру­ется за счет изменения фазы передаваемого сигнала.При этом для повышения скорости передачи без расширения спектра сигнала обычно используют многократную модуляцию - двух и трехкратную (ДОФМ и ТОФМ). Применяется на скоро­стях до 2 400 и 4800 бит/с

- Метод квадратурной амплитудной модуляции (Quadrature Shift Keying - QSK). Является комбинацией фазовой и амплитудной модуляции, имеет наибольшее применение в современных модемах. Позволяет передавать данные со скоростью больше чем 9 600 бит/с.

При выборе вида модуляции, как и вообще сигнала- переносчика, необходимо учитывать следующие критерии:

* согласование по спектру с частотной характеристикой непрерывного канала;

* эффективное использование канала связи (максимальную скорость передачи информации);

* максимальную помехоустойчивость;

* наличие синхроинформации в рабочем сигнале;

* наличие избыточности.

Максимальная скорость передачи может быть получена с помощью многократной или комбинированной модуляции, когда каждый элемент сигнала несет более 1 бита информации.

Максимальная помехоустойчивость достигается применением сигналов с максимальным “расстоянием” между векторами: например, противоположных, как при ФМ.

Эти требования к модему являются противоречивыми и наилучшим решением есть компромисс, который достигается применением квадратурной АМ, получившей в последнее время самое широкое распространение.

Сопряжение с каналом связи помимо указанных задач должно обеспечить возможность работы в режиме передачи информации, определяемом пользователем.

Дуплексный и полудуплексный режимы

Дуплексный режим работы модема позволяет одновременно передавать данные в двух направлениях. В дуплексном режиме работают модемы, соот­ветствующие рекомендациям CCITT V.21, V.22, V.22bis и V.32.

Полудуплексный режим, так же как и дуплексный, позволяет передавать данные в обоих направлениях, но только в разные моменты времени. Сначала данные передаются в одну сторону, а затем в обратную. Таким образом, модем сможет и принимать, и передавать данные, однако по сравнению с дуплекс­ным модемом при одинаковой скорости передачи полудуплексный сможет передать в два раза меньше данных.

В общем случае дуплексные протоколы обладают большей производи­тельностью, чем полудуплексные. Тем не менее для тех приложений, в кото­рых основной поток данных передается в одном направлении, вполне можно воспользоваться полудуплексными модемами. Так, практически все протоко­лы, используемые в факс-модемах для передачи факсов, полудуплексные; V. 17, V.27bis, V.27ter, V.29.

Асинхронная и синхронная передача данных

В асинхронном режиме информация передастся следующим образом. Каждый передаваемый байт предваряется стартовым битом и заканчивается одним или двумя стоповыми битами. Иногда также передается дополнитель­ный бит четности, используемый для проверки целостности передаваемого байта.

В синхронном режиме данные передаются одним потоком: байт за бай­том, бит за битом. Стартовые и стоповые биты отсутствуют. Поэтому при одинаковой скорости в синхронном режиме можно передать больше полезной информации, чем в асинхронном.

По рассмотренным выше вариантам реализации модемов существуют следующие рекомендации (стандарты).

Наиболее распространенные рекомендации Международного консульта­тивного комитета по телеграфии и телефонии, а также их краткие характери­стики представлены в следующей таблице.

Рекомендация	Скорость, бит/с	Рекомендация	Скорость, бит/с
V.21		V.29
V.22	600,1200	V.32	4800,9600
V.22bis	1200,2400	V.32bis	7200,12000,14400
V.26	600,1200	V.34
V.26bis		Bell 103
V.23		Bell 212A
V.27	4800,2400

Модемы, регламентированные рекомендациями МККТТ, различаются не только по скоростным характеристикам. Они могут работать либо в дуплекс­ном, либо в полудуплексном режиме. Ниже мы кратко рассмотрим основные рекомендации и их параметры.

CCITTV.21

Модем, регламентированный данной рекомендацией, предназначен для передачи данных по телефонным линиям. Он работает в асинхронном дуп­лексном режиме. Для передачи и приема данных используется метод частот­ной модуляции. Передача данных происходит с крайне низкой скоростью - до 300 бит/с.

Протокол V.21 используется факсимильными аппаратами группы 3 и факс-модемами на этапе установления связи. Сама передача факсимильных сообщений происходит уже в соответствии с другими, более эффективными рекомендациями.

CCITT V.22

Модем, работающий в соответствии с данной рекомендацией, использу­ет асинхронно-синхронный дуплексный режим передачи данных. Асинхрон­но-синхронный режим означает, что компьютер передает модему данные в асинхронном режиме. Модем удаляет из потока данных компьютера старто­вые и стоповые биты. И далее, уже в синхронном виде, передает их удаленно­му модему.

Передача данных может происходить со скоростями 600 и 1 200 бит/с. Для модуляции передаваемого сигнала используется метод фазовой модуля­ции.

CCITT V.22bis

Дуплексный модем, со скоростью передачи данных 1200 и 2400 бит/с. При передаче данных со скоростью 2400 бит/с используется метод квадратурной амплитудной модуляции, а при скорости 1200 бит/с - метод фазовой моду­ляции.

Модем, регламентированный CCITT V.22bis может обмениваться данными с модемами, соответствующими рекомендации ССIТТ V.22. Естествен­но, скорость обмена не будет выше чем 1200 бит/с.

ССIТТ V.23

Асинхронный модем, использующий метод частотной модуляции. Мо­дем может работать в полудуплексном режиме со скоростью передачи данных по прямому каналу -600/1200 бит/с, а по обратному - только 75 бит/с. Отме­тим, что этот стандарт несовместим с ССIТТ V.21, V.22 и V.22bis.

ССIТТ V.32

Модем, работающий в соответствии с данной рекомендацией, использу­ет асинхронно-синхронный дуплексный режим передачи данных. Дяя моду­ляции передаваемого сигнала применяется метод квадратурно-амплитудной модуляции. Позволяет передавать данные со скоростями 4800 и 9600 бит/с.

ССIТТ V.32bis

V.32bis является расширением рекомендации V.32. Модем, работающий в соответствии с данной рекомендацией, использует асинхронно-синхронный дуплексный режим передачи данных. Для модуляции передаваемого сигнала применяется метод квадратурной амплитудной модуляции. Позволяет переда­вать данные со скоростями 7200, 12 000 и 14 400 бит/с.

ССIТТ V.34

Модемы, соответствующие новой рекомендации V.34, могут передавать данные по телефонным каналам с вісокой скоростью - 28800 бит/с. В дополнение к высокой скорости в рекомендации V.34 применя­ется новый протокол установления связи с удаленным модемом. За счет этого модемы, поддерживающие V.34, могут соединяться значительно быстрее.

Bell 103, Bell 212A

Bell - устаревший американский стандарт, несовместимый со стандар­тами ССIТТ. Регламентирует низкоскоростные модемы, передающие данные со скоростями 300 и 1200 бит/с в дуплексном режиме.

Коррекция ошибок

Практически все современные модемы обеспечивают при передаче ин­формации по телефонным линиям автоматическую коррекцию ошибок. Это позволяет резко повысить качество связи, поскольку существующие каналы ТЧ по реальным значениям коэффициента ошибок (до 10^-2 и даже более на местном участке телефонной сети) никоим образом не удовлетворяет требований компьютерных и других пользователей (10^-6 - 10^-9).

При передаче данных по зашумленным телефонным.линиям всегда су­ществует большая вероятность, что данные, переданные одним модемом, бу­дут приняты другим модемом в искаженном виде. Некоторые передаваемые байты могут изменить свое значение или даже просто исчезнуть. Могут быть приняты данные, которые не были переданы удаленным модемом, то есть принимающий модем может распознать принятый шум на линии как данные. Для того чтобы пользователь имел гарантию, что его данные переданы без ошибок, используются протоколы коррекции ошибок.

Общая форма передачи данных по протоколам с коррекцией ошибок следующая: модем передает данные отдельными блоками (кадрами) по 16-20000 байт, в зависимости от качества связи. Каждый блок снабжается проверочной частью, в которой указана проверочная информация, например “контрольная сумма” блока или проверочные разряды одного из корректирующих кодов. Принимающий модем самостоятельно подсчитывает контроль­ную сумму каждого блока и сравнивает ее с контрольной суммой из проверочной части блока. Если эти две контрольные суммы совпали, считается, что блок принят без ошибок. В противном случае принимающий модем отсылает передающему модему запрос на повторную передачу этого блока. Передача сбойного блока продолжается до тех пор, пока он не будет принят правильно. Такая система передачи называется системой с решающей обратной связью и переспросом.

Протоколы коррекции ошибок могут быть реализованы не только на ап­паратном, но и на программном уровне. Аппаратный уровень реализации бо­лее эффективен. Наиболее распространены следующие протоколы коррекции ошибок, поддерживаемые модемами на аппаратном уровне, фирмы Microcom MNP1-MNP10 и CCITT V.42.

Cжатие информации.

Современные модемы для ускорения передачи данных и повышения эффективности использования канала связи используют спе­циальные протоколы, позволяющие производить сжатие (компрессию) передаваемой ин­формации. Таоке сжатие достигается устранением избыточности, практически всегда присутствующей в любых данных. Передающий модем сжимает данные, они в сжатом виде проходят через телефонный канал и принимаются удаленным модемом. Принимающий модем, зная алгоритм сжатия, восстанавливает данные и передает их компьютеру. Эта процедура известна в компьютерах как архивация - разархивация, а также в электросвязи как эффективное кодирование (напр., коды Шеннона-Фано, Хаффмана).

При использовании модемов с аппаратной поддержкой протоколов сжа­тия информации следует установить скорость роботы СОМ-порта, к которому подключен модем, выше скорости работы модема. Так, если модем может ра­ботать со скоростью 2400 бит/с, установите скорость СОМ-порта 9600 бит/с. Среди протоколов компрессии, реализованных на аппаратном уровне, наи­большее распространение получили протоколы фирмы Microcom - MNP5 и MNP7, а также протокол, разработанный Международным консультативным комитетом по телеграфии и телефонии, V.42bis.

Рассмотрим теперь стандарты на реализацию процедур коррекции ошибок и сжатия данных.

Протоколы MNP

MNP (Microcom Network Protocols) - серия наиболее распространенных аппаратных протоколов коррекции ошибок и сжатия передаваемой информа­ции, разработанная и реализованная фирмой Microcom. В настоящее время известны десять протоколов MNP1 - MNP 10. Приведем их характеристики:

MNP1 - протокол коррекции ошибок, предназначенный для модемов, передающих информацию в асинхронном полудуплексном режиме. Это самый простой из протоколов MNP. Вследствие малой эффективности данного про­токола большинство современных модемов с аппаратной реализацией коррек­ции ошибок его не поддерживают.

MNP2 - протокол коррекции ошибок, поддерживающий асинхронный дуплексный метод передачи данных.

MNP3 - протоках коррекции ошибок, поддерживающий синхронный ду­плексный метод передачи данных между модемами.

MNP4 - протокол, поддерживающий синхронный дуплексный метод пе­редачи информации. Обеспечивает большую эффективность, чем протоколы MNP2 и MNP3. Протокол MNP4 может менять размер блоков передаваемых данных при изменении коэффициента ошибок на линии. При увеличении коэффициента оши­бок размер блоков уменьшается, увеличивая вероятность успешного прохож­дения отдельных блоков.

MNP5 - протокол, использующий простой метод сжатия передаваемой информации. Символы, часто встречающиеся в передаваемом блоке, кодиру­ются цепочками битов меньшей алины, чем редко встречающиеся символы. Дополнительно кодируются длинные цепочки одинаковых символов. Обычно при этом текстовые файлы сжимаются до 35% своей исходной длины.

Конечно, если вы передаете уже сжатые, например архиватором ARJ, данные, а в большинстве случаев это так и есть, или данные, не содержащие избыточной информации, дополнительного увеличения эффективности за счет сжатия данных модемом не происходит. Наоборот, когда модем будет пытать­ся сжать уже скомпрессованные данные, объем передаваемой информации может даже увеличиться.

MNP6 - протокол, который дополняет протокол MNP4 автоматическим переключением между дуплексным и полудуплексным методами передачи в зависимости от типа передаваемой информации. Протокол MNP6 также обес­печивает совместимость с протоколом V.29.

MNP7 - протокол, который по сравнению с протоколом MNP5 использу­ет более эффективный метод сжатия данных.

MNP9 - протокол, который использует рекомендацию V.32 и соответст­вующий метод работы, обеспечивающий совместимость с низкоскоростными модемами.

MNP10- протокол, предназначенный для обеспечения связи на сильно зашумленных линиях, таких, как линии сотовой связи, междугородные ли­нии, сельские линии. Стабильность связи достигается за счет многократного повторения попытки установить связь, путем изменения размера блоков и скорости передачи в соответствии с уровнем помех на линии.

Все протоколы MNP совместимы между собой снизу вверх. При уста­новлении связи происходит установка наивысшего возможного уровня MNP-протокола. Если же один из связывающихся модемов не поддерживает данный прото­кол MNP, то MNP-модем работает без него.

Рекомендация CCITT V.42

Вскоре после разработки фирмой Microcom протоколов коррекции оши­бок MNP Международный консультативный комитет по телеграфии и телефо­нии приступил к созданию собственного стандарта. Таким стандартом стала рекомендация CCITT V.42. Модемы, соответствующие рекомендации V.42, более устойчивы и обеспечивают большую производительность, чем модемы с поддержкой протоколов MNP. Рекомендации V.42 включают в себя протоко­лы MNP2 - MNP4, чтобы обеспечить совместимость со старыми модемами, и новый протокол коррекции ошибок LAPM (Link Access Procedure for Mo­dems). Протокол LAPM включается только в том случае, если модем соеди­нился с другим модемом, поддерживающим рекомендацию V.42.

Рекомендация ССIТТ V.42bis.

Протокол V.42bis использует метод компрессии, при котором определятся частота появления отдельных символьных строк и происходит их замена на последовательности символов меньшей длины (токены). Этот алгоритм компрессии носит название Limpel-Ziv. Он обеспечивает коэффициент сжатия до 4.

За счет применения алгоритма Limpel-Ziv модемы, реализующие V.42bis, сильнее сжимают данные, чем модемы, поддерживающие MNP5.

Модемы с V.42 bis более "разборчивы", чем с MNP5. Если передаваемые данные не содержат избыточной информации, они не пытаются их сжать и передают в исходном виде.

Защита информации.

Необходимость защиты информации от несанкционированного доступа очевидна, особенно при передаче коммерческой, финансовой и другой важной информации по сетям общего пользования. Существует огромное количество различных методов и средств такой защиты, большая часть связанных с этим операций выполняется основной ЭВМ пользователя, но некоторые операции могут выполняться модемом: ввод и проверка пароля, “обратный вызов” и др.

 

2.3. Управление модемами

 

Современные модемы могут изменять свою конфигурацию и управляться как непосредственно органами управления на лицевой панели, так и под воздействием команд, вводимых в виде текстовых выражений и кодов с компьютера. Модемы могут отвечать на эти команды и выводить сообщения о своем состоянии, процессе соединения и канале связи на свой дисплей либо на дисплей ЭВМ. В так называемых интеллектуальных модемах подавляющая часть функций взаимодействия с компьютером и сетью осуществляется программно.

Модем может работать в двух основных режимах - командном режиме и режиме обмена данными. В режиме обмена данными он может принимать и передавать данные между компьютером и удаленным модемом. При этом компьютер принимает и передает данные от модема через асинхроиный порт (СОМ-порт), на котором установлен модем. В командном режиме вы можете передавать с вашего компьютера модему команды, управляющие его работой. Компьютер передает модему команды через СОМ-порт точно так же, как данные для обмена с удаленным модемом.

При помощи команд вы можете изменять характеристики обмена дан­ными, изменять условия связи, записывать и считывать данные из внутренних регистров модема. В этих регистрах хранятся различные числовые параметры, определяющие временные и некоторые другие характеристики работы моде­ма. В командном режиме вы можете заставить модем набрать номер и связать­ся с другим модемом, принять вызов от удаленного модема.

 

Сразу после включения питания модем находится в командном режиме. Из командного режима вы можете переключиться в режим передачи данных в следующих случаях:

- При удавшейся попытке установления связи с другим модемом он автомати­чески переходит в режим передачи данных

- После выполнении модемом процедур самотестирования

Модем переходит из режима передачи данных в командный режим в следующих случаях:

- После неудачной попытки связаться с удаленным модемом, например когда модемы не смогли согласовать общий протокол обмена данными. Обычно это происходит при плохом качестве связи

- При потере несущей во время передачи данных. Причиной потери несущей может быть плохое качество связи, повреждение линии связи, "зависание" удаленного компьютера

- При поступлении модему от компьютера команды в момент набора модемом номера

- При передаче от компьютера модему специальной Escape-последовательности

 

Существует стандарт на команды - так называемый набор команд АТ, в котором имеются специальные команды для выполнения следующих функций:

· установления конфигурации модема и его параметров (скорость передачи, вид модуляции, режим работы, уровень передачи);

· режим ответа на команды компьютера и отображения их: кодами, словами, набор используемых команд;

· статус команд и ответов;

· режим набора номера (импульсный, тональный);

· включение и отключение функций коррекции ошибок и сжатия данных;

· режим синхронизации модема;

· режимы проверки (шлейфы, подключение тестера) и др.

 

Техническое описание образца модема приведено в ПРИЛОЖЕНИИ.

 

3. Ключевые вопросы

1. Назовитеосновные задачи и особенности передачи данных по телефонной сети общего пользования.

2. Перечислите основные и дополнительные функции современного модема.

3. Расскажите о классификации модемов.

4. Как реализуется сопряжение источника цифровых сигналов с непрерывным каналом ТЧ?

5. В чем состоит задача стандартизации модемов, назовите основные стандарты (протоколы).

6. Как реализуются модемом функции сжатия данных и защиты информации?

7. Как производится управление модемом?

8. Какие команды входят в набор АТ?

9. Расскажите об основных принципах устройства и работы образца модема.

10.Перечислите основные технические характеристики и сервисные возможности образца модема.

11.Перечислите основные органы управления и индикаторы образца модема.

12.Каков порядок выполнения основных операций с модемом в различных режимах?

13.Как осуществляется настройка образца модема?

 

4. Домашнее задание

4.1. Ознакомьтесь с основными принципами и особенностями передачи данных по телефонной сети общего пользования (литература 7.1, 7.2; конспект лекций по курсу “Информацион-ные службы связи”).

4.2. Изучите основные и дополнительные функции современного модема и методы их реализации (конспект лекций по курсу “Информационные службы связи”; литература 7.1, глава 6; раздел 2.1 настоящего руководства).

4.3. Познакомьтесь с классификацией модемов, их стандартизацией (литература 7.1, разделы 6.1, 6.8; раздел 2.1 настоящего руководства).

4.4. Изучите структуру современного модема и методы управления им (литература 7.1, раздел 6.8; раздел 2.1 настоящего руководства,”).

4.5. Изучите образец модема (ПРИЛОЖЕНИЕ настоящего руководства) и подготовьте ответы на ключевые вопросы.

4.3. Подготовьте бланк отчета по работе, приведите в нем основные технические характеристики и сервисные возможности образца модема и структурную схему модема.

 

5. Лабораторное задание

5.1. Изучите техническое описание образца модема.

5.2. Изучить конструкцию образца модема, назначение органов управления.

5.3. Изучить порядок установки и включения образца модема.

 

Содержание протокола

6.1. Цель работы.

6.2. Основные технические параметры и обобщенная структурная схема модема.

6.3. Краткое описание операций, выполненных по лабораторному заданию (раздел 5).

6.4. Выводы.

 

Литература

1. Шувалов В.П. и др. Передача дискретных сообщений. - М.: Радио и связь,1990

2. Шварцман В.О.,Емельянов Г.А. Теория передачи дискретной информации.-М.:Радио и связь,1979

3. Емельянов Г.А., Шварцман В.О. Передача дискретной информации.-М.:Радио и связь,1982

ПРИЛОЖЕНИЕ.