Методи побудови і технічна реалізація сучасних модемів

Розглянемо, основні принципи реалізації перерахованих у розділі 9.2.1 функцій телефонних модемів, які реальні умови необхідно при цьому враховувати, варіанти такої реалізації і визначальні їхні стандарти.

Сполучення джерела цифрового сигналу з аналоговим каналом.

Основною функцією модему, як було показано вище, є сполучення джерела цифрового сигналу з аналоговим каналом зв'язку різної природи. Задача такого сполучення - насамперед погодити частотний спектр сигналу, що несе дискретне повідомлення, з частотною характеристикою каналу зв'язку. Оскільки цифровий сигнал від джерела дискретних повідомлень має вид послідовності одиничних і нульових елементів, представлених у виді імпульсів постійного струму, його частотний спектр зосереджений в області низьких частот (і може мати постійну складову). Як відомо, канал ТЧ має частотну характеристику типу смугового фільтра зі смугою пропущення 0,3...3,4 кГц. Щоб “уписати” у цю смугу спектр сигналу, мабуть, досить зробити модуляцію вихідним сигналом одного з параметрів гармонійної несучої.

Більшість сучасних модемів використовують чотири основних методи модуляції сигналу, переданого по телефонній лінії:

- Метод амплітудної модуляції (Amplitude Shift Keying - ASK). Найменш ефективний метод модуляції, у якому інформація кодується за рахунок зміни амплітуди переданого сигналу. Застосовується тільки на дуже повільних швидкостях -до 100 біт/з

- Метод частотної модуляції (Frequency Shift Keying - FSK). Інформація кодується за рахунок зміни частоти переданого сигналу. Застосовується на швидкостях до 1200 біт/з

- Метод фазової модуляції (Phase Shift Keying - PSK). Інформація кодується за рахунок зміни фази переданого сигналу. При цьому для підвищення швидкості передачі без розширення спектру сигналу звичайно використовують багаторазову модуляцію - двох і трьохразову (ДОФМ і ТОФМ). Застосовується на швидкостях до 2 400 і 4800 біт/з

- Метод квадратурної амплітудної модуляції (Quadrature Shift Keying - QSK). Є комбінацією фазової й амплітудної модуляції, має найбільше застосування в сучасних модемах. Дозволяє передавати дані зі швидкістю більше чим 9 600 біт/с.

При виборі виду модуляції, як і взагалі сигналу-переносника, необхідно враховувати наступні критерії:

* узгодження по спектру з частотною характеристикою безупинного каналу;

* ефективне використання каналу зв'язку (максимальну швидкість передачі інформації);

* максимальну завадостійкість;

* наявність синхроінформації в робочому сигналі;

* наявність надмірності.

Максимальна швидкість передачі може бути отримана за допомогою багаторазової чи комбінованої модуляції, коли кожен елемент сигналу несе більш 1 біта інформації.

Максимальна завадостійкість досягається застосуванням сигналів з максимальною “відстанню” між векторами: наприклад, протилежних, як при ФМ.

Ці вимоги до модему є суперечливими і найкращим рішенням є компроміс, що досягається застосуванням квадратурної АМ, що одержало останнім часом саме широке поширення.

Сполучення з каналом зв'язку крім зазначених задач повинне забезпечити можливість роботи в режимі передачі інформації, обумовленої користувачем.

Дуплексний і напівдуплексний режими

Дуплексний режим роботи модему дозволяє одночасно передавати дані в двох напрямках. У дуплексному режимі працюють модеми, що відповідають рекомендаціям CCITT V.21, V.22, V.22bis і V.32.

Напівдуплексний режим, так само як і дуплексний, дозволяє передавати дані в обох напрямках, але тільки в різні моменти часу. Спочатку дані передаються в одну сторону, а потім у зворотню. Таким чином, модем зможе і приймати, і передавати дані, однак у порівнянні з дуплексним модемом при однаковій швидкості передачі напівдуплексний зможе передати в два рази менше даних.

У загальному випадку дуплексні протоколи мають більшу продуктивність, чим напівдуплексні. Проте для тих додатків, у яких основний потік даних передається в одному напрямку, цілком можна скористатися напівдуплексними модемами. Так, практично всі протоколи, використовувані у факсах-модемах для передачі факсів, напівдуплексні; V.17, V.27bis, V.27ter, V.29.

Асинхронна і синхронна передача даних

В асинхронному режимі інформація передається в такий спосіб. Кожен переданий байт випереджається стартовим бітом і закінчується одним чи двома стоповими бітами. Іноді також передається додатковий біт парності, використовуваний для перевірки цілісності переданого байта.

У синхронному режимі дані передаються одним потоком: байт за байтом, біт за бітом. Стартові і стопові біти відсутні. Тому при однаковій швидкості в синхронному режимі можна передати більше корисної інформації, чим в асинхронному.

По розглянутим вище варіантах реалізації модемів існують наступні рекомендації (стандарти).

Найбільш розповсюджені рекомендації Міжнародного консультативного комітету з телеграфії і телефонії, а також їх короткі характеристики представлені в наступній таблиці.

Рекомендація	Швидкість, біт/с	Рекомендація	Швидкість, біт/з
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

Модеми, регламентовані рекомендаціями МККТТ, розрізняються не тільки по швидкісних характеристиках. Вони можуть працювати або в дуплексному, або в напівдуплексному режимі. Нижче ми коротко розглянемо основні рекомендації і їх параметри.

CCITTV.21

Модем, регламентований даною рекомендацією, призначений для передачі даних по телефонних лініях. Він працює в асинхронному дуплексному режимі. Для передачі і прийому даних використовується метод частотної модуляції. Передача даних відбувається з дуже низькою швидкістю - до 300 біт/с.

Протокол V.21 використовується факсимільними апаратами групи 3 і факсами-модемами на етапі встановлення зв'язку. Сама передача факсимільних повідомлень відбувається уже відповідно до інших, більш ефективними рекомендаціями.

CCITT V.22

Модем, що працює відповідно до даної рекомендації, використовує асинхронно-синхронний дуплексний режим передачі даних. Асинхронно-синхронний режим означає, що комп'ютер передає модему дані в асинхронному режимі. Модем видаляє з потоку даних комп'ютера стартові і стопові біти. І далі, вже в синхронному виді, передає їх вилученому модему.

Передача даних може відбуватися зі швидкостями 600 і 1200 біт/с. Для модуляції переданого сигналу використовується метод фазової модуляції.

CCITT V.22bis

Дуплексний модем, зі швидкістю передачі даних 1200 і 2400 біт/с. При передачі даних зі швидкістю 2400 біт/с використовується метод квадратурної амплітудної модуляції, а при швидкості 1200 біт/с - метод фазової модуляції.

Модем, регламентований CCITT V.22bis може обмінюватися даними з модемами, що відповідають рекомендації ССІТТ V.22. Природньо, швидкість обміну не буде вище чим 1200 біт/с.

ССІТТ V.23

Асинхронний модем, що використовує метод частотної модуляції. Модем може працювати в напівдуплексному режимі зі швидкістю передачі даних по прямому каналу -600/1200 біт/с, а по зворотньому - тільки 75 біт/с. Відзначимо, що цей стандарт несумісний зі ССІТТ V.21, V.22 і V.22bis.

ССІТТ V.32

Модем, що працює відповідно до даної рекомендації, використовує асинхронно-синхронний дуплексний режим передачі даних. Дяя модуляції переданого сигналу застосовується метод квадратурно-амплитудной модуляції. Дозволяє передавати дані зі швидкостями 4800 і 9600 біт/с.

ССІТТ V.32bis

V.32bis є розширенням рекомендації V.32. Модем, що працює відповідно до даної рекомендації, використовує асинхронно-синхронний дуплексний режим передачі даних. Для модуляції переданого сигналу застосовується метод квадратурної амплітудної модуляції. Дозволяє передавати дані зі швидкостями 7200, 12 000 і 14 400 біт/с.

ССІТТ V.34

Модеми, що відповідають нової рекомендації V.34, можуть передавати дані по телефонних каналах з вісокой швидкістю - 28800 біт/с. На додаток до високої швидкості в рекомендації V.34 застосовується новий протокол установлення зв'язку з вилученим модемом. За рахунок цього модеми, що підтримують V.34, можуть з'єднуватися значно швидше.

Bell 103, Bell 212A

Bell - застарілий американський стандарт, несумісний зі стандартами ССIТТ. Регламентує низько швидкісні модеми, що передають дані зі швидкостями 300 і 1200 біт/с у дуплексному режимі.

Корекція помилок

Практично всі сучасні модеми забезпечують при передачі інформації з телефонних ліній автоматичну корекцію помилок. Це дозволяє різко підвищити якість зв'язку, оскільки існуючі канали ТЧ за реальним значенням коефіцієнта помилок (до 10^-2 і навіть більш на місцевій ділянці телефонної мережі) ніяким образом не задовольняє вимог комп'ютерних і інших користувачів (10^-6 - 10^-9).

При передачі даних по зашумленним телефонним. лініях завжди існує велика імовірність, що дані, переданим одним модемом, будуть прийняті іншим модемом у перекрученому виді. Деякі передані байти можуть змінити своє значення чи навіть просто зникнути. Можуть бути прийняті дані, що не були передані вилученим модемом, тобто приймаючий модем може розпізнати прийнятий шум на лінії як дані. Для того щоб користувач мав гарантію, що його дані передані без помилок, використовуються протоколи корекції помилок.

Загальна форма передачі даних по протоколах з корекцією помилок наступна: модем передає дані окремими блоками (кадрами) по 16-20000 байт, у залежності від якості зв'язку. Кожен блок забезпечується перевірочною частиною, у якій зазначена перевірочна інформація, наприклад “контрольна сума” блоку чи перевірочні розряди одного з коригувальних кодів. Приймаючий модем самостійно підраховує контрольну суму кожного блоку і порівнює її з контрольною сумою з перевірочної частини блоку. Якщо ці дві контрольні суми збіглися, вважається, що блок прийнятий без помилок. У противному випадку приймаючий модем відсилає передавальному модему запит на повторну передачу цього блоку. Передача збійного блоку продовжується доти, поки він не буде прийнятий правильно. Така система передачі називається системою з вирішальним зворотнім зв'язком і перепопитом.

Протоколи корекції помилок можуть бути реалізовані не тільки на апаратному, але і на програмному рівні. Апаратний рівень реалізації більш ефективний. Найбільш поширені наступні протоколи корекції помилок, підтримувані модемами на апаратному рівні, фірми Microcom MNP1-MNP10 і CCITT V.42.

Стиск інформації.

Сучасні модеми для прискорення передачі даних і підвищення ефективності використання каналу зв'язку використовують спеціальні протоколи, що дозволяють робити стиск (компресію) переданої інформації. Такий стиск досягається усуненням надмірності, що практично завжди є у будь-яких даних. Передавальний модем стискає дані, вони в стиснутому виді проходять через телефонний канал і приймаються вилученим модемом. Приймаючий модем, знаючи алгоритм стиску, відновлює дані і передає їх комп'ютеру. Ця процедура відома в комп'ютерах як архівація - розархівація, а також в електрозв'язку як ефективне кодування (напр., коди Шеннона-Фано, Хаффмана).

При використанні модемів з апаратною підтримкою протоколів стиску інформації варто установити швидкість роботи Сома-порту, до якого підключений модем, вище швидкості роботи модему. Так, якщо модем може працювати зі швидкістю 2400 біт/с, установити швидкість Сома-порту 9600 біт/с. Серед протоколів компресії, реалізованих на апаратному рівні, найбільше поширення одержали протоколи фірми Microcom - MNP5 і MNP7, а також протокол, розроблений Міжнародним консультативним комітетом з телеграфії і телефонії, V.42bis.

Розглянемо тепер стандарти на реалізацію процедур корекції помилок і стиску даних.

Протоколи MNP

MNP (Microcom Network Protocols) - серія найбільш розповсюджених апаратних протоколів корекції помилок і стиску переданої інформації, розроблений і реалізована фірмою Microcom. В даний час відомі десять протоколів MNP1 - MNP 10. Приведемо їхньої характеристики:

MNP1 - протокол корекції помилок, призначений для модемів, що передають інформацію в асинхронному напівдуплексному режимі. Це найпростіший із протоколів MNP. Внаслідок малої ефективності даного протоколу більшість сучасних модемів з апаратною реалізацією корекції помилок його не підтримують.

MNP2 - протокол корекції помилок, що підтримує асинхронний дуплексний метод передачі даних.

MNP3 - протоках корекції помилок, що підтримує синхронний дуплексний метод передачі даних між модемами.

MNP4 - протокол, що підтримує синхронний дуплексний метод передачі інформації. Забезпечує велику ефективність, чим протоколи MNP2 і MNP3. Протокол MNP4 може змінювати розмір блоків переданих даних при зміні коефіцієнта помилок на лінії. При збільшенні коефіцієнта помилок розмір блоків зменшується, збільшуючи імовірність успішного проходження окремих блоків.

MNP5 - протокол, що використовує простий метод стиску переданої інформації. Символи, що часто зустрічаються в переданому блоці, кодуються ланцюжками битів меншої довжини, чим рідко зустрічаючими символи. Додатково кодуються довгі ланцюжки однакових символів. Звичайно при цьому текстові файли стискуються до 35% своєї вихідної довжини.

Звичайно, якщо ви передаєте вже стиснуті, наприклад архіватором ARJ, дані, а в більшості випадків це так і є, чи дані, не утримуючої надлишкової інформації, додаткового збільшення ефективності за рахунок стиску даних модемом не відбувається. Навпаки, коли модем буде намагатися зжати вже скомпресовані дані, обсяг переданої інформації може навіть збільшитися.

MNP6 - протокол, що доповнює протокол MNP4 автоматичним переключенням між дуплексним і напівдуплексним методами передачі в залежності від типу переданої інформації. Протокол MNP6 також забезпечує сумісність із протоколом V.29.

MNP7 - протокол, що у порівнянні з протоколом MNP5 використовує більш ефективний метод стиску даних.

MNP9 - протокол, що використовує рекомендацію V.32 і відповідний метод роботи, що забезпечує сумісність з низкоскоростными модемами.

MNP10- протокол, призначений для забезпечення зв'язку на сильно зашумленних лініях, таких, як лінії стільникового зв'язку, міжміські лінії, сільські лінії. Стабільність зв'язку досягається за рахунок багаторазового повторення спроби встановити зв'язок, шляхом зміни розміру блоків і швидкості передачі відповідно до рівня перешкод на лінії.

Усі протоколи MNP сумісні між собою знизу нагору. При встановленні зв'язку відбувається установка найвищого можливого рівня MNP-протоколу. Якщо ж один з модемів, що зв'язуються, не підтримує даний протокол MNP, то MNP-модем працює без нього.

Рекомендація CCITT V.42

Незабаром після розробки фірмою Microcom протоколів корекції помилок MNP Міжнародний консультативний комітет з телеграфії і телефонії приступив до створення власного стандарту. Таким стандартом стала рекомендація CCITT V.42. Модеми, що відповідають рекомендації V.42, більш стійкі і забезпечують велику продуктивність, чим модеми з підтримкою протоколів MNP. Рекомендації V.42 містять у собі протоколи MNP2 - MNP4, щоб забезпечити сумісність зі старими модемами, і новий протокол корекції помилок LAPM (Link Access Procedure for Modems). Протокол LAPM включається тільки в тому випадку, якщо модем з'єднався з іншим модемом, що підтримує рекомендацію V.42.

Рекомендація ССІТТ V.42bis.

Протокол V.42bis використовує метод компресії, при якому визначаться частота появи окремих символьних рядків і відбувається їх заміна на послідовності символів меншої довжини (токени). Цей алгоритм компресії зветься Limpel-Ziv. Він забезпечує коефіцієнт стиску до 4.

За рахунок застосування алгоритму Limpel-Ziv модеми, що реалізують V.42bis, сильніше стискають дані, чим модеми, що підтримують MNP5.

Модеми з V.42 bis більш "розбірливі", чим з MNP5. Якщо передані дані не містять надлишкової інформації, вони не намагаються їх зжати і передають у вихідному виді.

Захист інформації.

Необхідність захисту інформації від несанкціонованого доступу очевидна, особливо при передачі комерційної, фінансової й іншої важливої інформації з мереж загального користування. Існує величезна кількість різних методів і засобів такого захисту, велика частина зв'язаних з цим операцій виконується основний ЕОМ користувача, але деякі операції можуть виконуватися модемом: введення і перевірка пароля, “зворотний виклик” і ін.

Керування модемами

Сучасні модеми можуть змінювати свою конфігурацію і керуватися як безпосередньо органами керування на лицьовій панелі, так і під впливом команд, що вводяться у виді текстових виражень і кодів з комп'ютера. Модеми можуть відповідати на ці команди і виводити повідомлення про свій стан, процес з'єднання і канал зв'язку на свій дисплей або на дисплей ЕОМ. У так званих інтелектуальних модемах гнітюча частина функцій взаємодії з комп'ютером і мережею здійснюється програмно.

Модем може працювати в двох основних режимах - командному режимі і режимі обміну даними. У режимі обміну даними він може приймати і передавати дані між комп'ютером і вилученим модемом. При цьому комп'ютер приймає і передає дані від модему через асинхронний порт (Сом-порт), на якому встановлений модем. У командному режимі ви можете передавати з вашого комп'ютера модему команди, що керують його роботою. Комп'ютер передає модему команди через Сома-порт точно так само, як дані для обміну з вилученим модемом.

За допомогою команд ви можете змінювати характеристики обміну даними, змінювати умови зв'язку, записувати і зчитувати дані з внутрішніх регістрів модему. У цих регістрах зберігаються різні числові параметри, що визначають тимчасові і деякі інші характеристики роботи модему. У командному режимі ви можете змусити модем набрати номер і зв'язатися з іншим модемом, прийняти виклик від вилученого модему.

Відразу після включення живлення, модем знаходиться в командному режимі. З командного режиму ви можете переключитися в режим передачі даних у наступних випадках:

- при вдалому спробі встановлення зв'язку з іншим модемом він автоматично переходить у режим передачі даних;

- після виконанні модемом процедур самотестування.

Модем переходить з режиму передачі даних у командний режим у наступних випадках:

- після невдалої спроби зв'язатися з вилученим модемом, наприклад коли модеми не змогли погодити загальний протокол обміну даними. Звичайно це відбувається при поганій якості зв'язку;

- при втраті несучої під час передачі даних; (причиною втрати несучої може бути погана якість зв'язку, ушкодження лінії зв'язку, "зависання" вилученого комп'ютера);

- при надходженні модему команди від комп'ютера в момент набору модемом номера;

- при передачі від комп'ютера модему спеціальної Escape-послідовності;

Існує стандарт на команди - так названий набір команд АТ, у якому маються спеціальні команди для виконання наступних функцій:

· установлення конфігурації модему і його параметрів (швидкість передачі, вид модуляції, режим роботи, рівень передачі);

· режим відповіді на команди комп'ютера і відображення їх: кодами, словами, набір використовуваних команд;

· статус команд і відповідей;

· режим набору номера (імпульсний, тональний);

· включення і відключення функцій корекції помилок і стиску даних;

· режим синхронізації модему;

· режими перевірки (шлейфи, підключення тестера) і ін.

Технічний опис зразка модему приведено в ДОДАТКУ.

9.3. Ключові питання

9.3.1.Назвіть основні задачі й особливості передачі даних по телефонній мережі загального користування.

9.3.2. Перелічити основні і додаткові функції сучасного модему.

9.3.3.Розповісти про класифікацію модемів.

9.3.4.Як реалізується сполучення джерела цифрових сигналів з безупинним каналом ТЧ?

9.3.5. В чому складається задача стандартизації модемів, назвіть основні стандарти (протоколи).

9.3.6. Як реалізуються модемом функції стиску даних і захисту інформації?

9.3.7. Як виробляється керування модемом?

9.3.8. Які команди входять у набір АТ?

9.3.9. Розповісти про основні принципи пристрою і роботи зразка модему.

9.3.10. Перелічити основні технічні характеристики і сервісні можливості зразка модему.

9.3.11. Перелічити основні органи керування й індикатори зразка модему.

9.3.12. Який порядок виконання основних операцій з модемом у різних режимах?

9.3.13. Як здійснюється настроювання зразка модему?

Домашнє завдання

9.4.1. Ознайомтесь з основними принципами й особливостями передачі даних по телефонній мережі загального користування (література 9.7.1, 9.7.2; конспект лекцій за курсом “Інформаційні служби зв'язку”).

9.4.2. Вивчіть основні і додаткові функції сучасного модему і методи їх реалізації (конспект лекцій за курсом “Інформаційні служби зв'язку”; література 9.7.1, розділ 6; розділ 9.2.1 методичного керівництва).

9.4.3. Познайомтеся з класифікацією модемів, їхньою стандартизацією (література 9.7.1, розділи 6.1, 6.8; розділ 9.2.1 методичного керівництва).

9.4.4. Вивчите структуру сучасного модему і методи керування їм (література 9.7.1, розділ 6.8; розділ 9.2.1 методичного керівництва).

9.4.5.Вивчите зразок модему (ДОДАТОК методичного керівництва) і підготуйте відповіді на ключові питання.

9.4.6. Підготуйте бланк звіту по роботі, приведіть у ньому основні технічні характеристики і сервісні можливості зразка модему і структурну схему модему.

Лабораторне завдання

9.5.1. Вивчите технічний опис зразка модему.

9.5.2. Вивчити конструкцію зразка модему, призначення органів керування.

9.5.3. Вивчити порядок установки і включення зразка модему.

Зміст протоколу

9.6.1. Мета роботи.

9.6.2. Основні технічні параметри й узагальнена структурна схема модему.

9.6.3. Короткий опис операцій, виконаних за лабораторним завданням (розділ 9.5).

9.6.4. Висновки.

Література

9.7.1. Шувалов В.П. і ін. Передача дискретних повідомлень. - М.: Радіо і зв'язок,1990

9.7.2. Шварцман В.О.,Ємельянов Г.А. Теорія передачі дискретної інформації.-М.:Радіо і зв'язок,1979

9.7.3. Ємельянов Г.А., Шварцман В.О. Передача дискретної інформації.-М.:Радіо і зв'язок,1982

ДОДАТОК.