Типи та принцип дії модемів
1. Типова система передачі даних
Будь-яка система передачі даних (СПД) складається з трьох основних компонентів: передавача, каналу передачі даних і приймача. При двосторонній (дуплексній передачі) джерело і одержувач можуть передавати і приймати дані одночасно.
У найпростішому випадку СПД між точками А і В (рис.1) складається з таких частин:
- кінцевого обладнання даних (КОД) в точці А. КОД – це узагальнене поняття для опису кінцевого приладу користувача або його частини. Відповідний міжнародний термін – DTE (Data Terminal Equipment). Як DTE може бути персональний комп'ютер, сервер (mainframе), термінал, пристрій збору даних та ін.;
- апаратури каналу даних (АКД) в точці А; відповідний міжнародний термін – DCE (Data Communications Equipment).
- інтерфейсу (стику) між DTE і DCE;
- каналу передачі між точками А і В;
- DCE в точці В;
- інтерфейсу DCE з каналом;
- DТE в точці В.
Функцією DCE є забезпечення передачі інформації між декількома DTE по каналу певного типу, наприклад, по телефонному. Для цього DCE має забезпечити з'єднання з DTE з одного боку, і з каналом передачі – з іншого.
Функції DCE може виконувати аналоговий або цифровий модем. У широкому значенні поняття модем і DCE – синоніми.
Слово модем є скороченою назвою пристрою, що здійснює процес МОдуляції/ДЕМодуляції.
Модулюючий сигнал є, як правило, цифровим, а модульований – аналоговим. Сьогодні модеми найбільше використовуються для передачі даних між комп'ютерами через КТМЗК.
При передачі даних по цифрових каналах дані від DTE мають бути перетворені до вигляду, прийнятого для даного каналу. Цю функцію виконують цифрові модеми.
Важливе значення у взаємодії DTE і DCE має їхній інтерфейс, який складається із вхідних/вихідних кіл у DTE і DCE, розніму і з'єднувальних кабелів.
Інтерфейс – програмно-апаратні засоби, що забезпечують взаємодію двох систем або процесів у точці їх сполучення.
У вітчизняній літературі та стандартах також вживається термін стик.
2. Канали зв'язку
Канал зв'язку – це сукупність середовища поширення і технічних засобів передачі між двома канальними інтерфейсами (рис.1).
Канали зв'язку класифікуються за різними ознаками.
1. Залежно від типу сигналів, що передаються, розрізнюють цифрові та аналогові канали зв'язку.
Цифровими є канали систем ІКМ, ISDN, канали типу Т1/Е1 та ін. Нові СПД будують на основі цифрових каналів, які мають переваги перед аналоговими.
Аналогові канали є найпоширенішими через тривалу історію їх розвитку і простоту реалізації. Прикладом аналогового каналу є канал тональної частоти (ктч) зі смугою пропускання 3,1 кГц, а також групові тракти на 12, 60 і більше каналів тональної частоти.
2. Комутовані та виділені канали.
Комутовані канали надаються споживачам на час з'єднання на їх вимогу (наприклад, канали аналогової мережі КТМЗК або цифрової мережі ISDN). Виділені канали орендуються у телефонних компаній або прокладаються зацікавленою організацією.
3. Дво- і чотирипровідні канали.
Чотирипровідні канали надають два проводи для передачі сигналу і ще два проводи для прийому. Перевагою таких каналів є відсутність впливу сигналів, які передаються в зустрічному напрямі.
Двопровідні канали використовують два проводи для передачі і прийому сигналів. Такі канали економічніші, але потребують розв'язки сигналів, які приймаються та передаються, для усунення завади у вигляді ехо-сигналу.
3. Семирівнева модель OSI
Міжнародним стандартом для передачі даних є Базова еталонна модель взаємодії відкритих систем (OSI – Open Systems Interconnection). Модель описана стандартом ISO 7498 (ISO – International Standarts Organization – міжнародна організація по стандартизації). Згідно з моделлю OSI виділяються сім рівнів взаємодії: прикладний, представницький, сеансовий, транспортний, мережевий, канальний, фізичний.
Основний зміст цієї моделі полягає в тому, що кожному рівню призначена конкретна функція. Кожний рівень визначається групою стандартів, що складаються з двох специфікацій: протоколу і сервісу для вищого рівня.
Протокол – набір правил і форматів, що визначають взаємодію об'єктів одного рівня моделі.
Вищим рівнем, найближчим до користувача, є прикладний. Його головна задача – надати вже перероблену інформацію. Цю функцію виконує системне і призначене для користувача прикладне програмне забезпечення, наприклад, термінальна програма.
Функції сучасних модемів належать до нижчих рівнів: фізичного і канального.
1. Фізичний рівень.
Даний рівень визначає інтерфейси системи з каналом зв'язку, а саме, механічні, електричні, функціональні та процедурні параметри з'єднання.
На фізичному рівні виконуються три основні функції:
1) встановлення і роз'єднання з'єднань взаємодіючих систем (крім фізичного підключення модеми можуть "домовлятися" про прийнятний режим роботи, тобто спосіб модуляції, швидкості передачі, режими виправлення помилок і стиснення даних);
2) перетворення сигналів. Для узгодження послідовності біт, що передаються, з параметрами каналу слід виконати їх перетворення в аналоговий або дискретний сигнал.
Функція перетворення сигналів є головною функцією модемів. Тому модеми, які не мали інтелектуальних можливостей і не виконували апаратне стиснення і корекцію помилок, називали пристроями перетворення сигналів (ППС);
3) реалізація інтерфейсу.
Інтерфейси між DTE і DCE регламентуються відповідними рекомендаціями і стандартами: V.24, RS-232, RS-449, RS-422A, RS-423A, V.35 та ін., які визначають такі характеристики:
· загальні (швидкість і послідовність передачі);
· функціональні та процедурні (номенклатура, категорія кіл інтерфейсу, правила їх взаємодії);
· електричні (величини напруг, струмів і опорів);
· механічні (габарити, розподіл контактів).
На фізичному рівні здійснюється діагностика певного класу несправностей, наприклад таких, як розрив проводу, порушення живлення, втрата механічного контакту.
Завадостійкість каналу зв'язку, що складається з двох модемів і середовища передачі між ними, як правило, не задовольняє вимогам, які ставляться до достовірності даних, що передаються. Тому фізичний рівень розглядається як ненадійна система. Задача виправлення спотворених в каналі передачі бітів вирішується на вищих рівнях, зокрема, на канальному.
2. Канальний рівень.
На канальном рівні реалізовуються такі основні функції:
· формування з послідовності біт інформаційних кадрів для передачі по каналу;
· кодування кадру завадостійким кодом (з виявленням помилок);
· відновлення початкової послідовності даних на приймальній стороні;
· забезпечення кодонезалежної передачі даних (припускає довільний вибір коду подання даних);
· управління потоком даних на рівні каналу, тобто темпу їх видачі в DTE одержувача;
· усунення наслідків втрат, спотворень або дублювання кадрів, що передаються в каналі.
Як стандарт для протоколів другого рівня організацією ISO рекомендується протокол HDLC (High Level Data Link Control).
На основі протоколу HDLC розроблено ряд спрощених протоколів для конкретної області застосування:
· SDLC (Synchronous Data Link Control),
· LAP (Link Access Procedure),
· LAPB (Link Access Procedure Balanced),
· LAPD (Link Access Procedure D-channel),
· LAPM (Link Access Procedure for Modems) = V.42,
· LLC (Logical Link Network),
· LAPX (Link Access Procedure Extention) та ін.
Наприклад, протоколи LAPB та LAPD застосовують в цифрових мережах ISDN; LAPM є базовим для стандарту корекції помилок V.42; LAPX є напівдуплексним варіантом HDLC і використовується в термінальних мережах і системах, працюючих в стандарті Teletex, а протокол LLC (Link Logic Control) реалізований практично у всіх мережах з множинним доступом (наприклад, у безпровідних локальних мережах).
У деяких мережах сигнал, що приймається кожним DCE, є сумою сигналів, що передаються від інших DCE. Канали зв'язку в таких мережах називають каналами з множинним доступом або моноканалами, а самі мережі називають мережами множинного доступу. Такими є деякі супутникові мережі, наземні пакетні радіомережі, а також локальні проводові та безпроводові мережі.
4. Класифікація модемів
Основні ознаки класифікації модемів: 1) область застосування; 2) метод передачі; 3) реалізація додаткових функцій; 4) конструктивне виконання; 5) засоби керування; 6) підтримка протоколів модуляції, виправ
За областю застосування:
1. Для комутованих телефонних каналів.
Більшість модемів призначена для роботи з комутованими телефонними каналами. Такі модеми мають взаємодіяти з АТС, розрізнювати їх сигнали і передавати свої сигнали набору номера.
2. Для виділених телефонних каналів.
3. Для фізичних з'єднувальних ліній.
Особливість модемів для фізичних ліній полягає в тому, що смуга пропускання фізичних ліній не обмежена значенням 3,1 кГц (характерним для телефонних каналів), а залежить від типу лінії (екранована і неекранована віта пара, коаксіальний кабель тощо) та її довжини.
До цієї групи належать модеми низького рівня (лінійні драйвери), або модеми на короткі відстані (Short Rang Modеms), і модеми основної смуги (Baseband modems).
У модемах першої групи використовуються цифрові методи біімпульсної передачі, що дозволяють формувати імпульсні сигнали без постійної складової, що звужує смугу частот порівняно з початковою послідовністю. Швидкість передачі – до 19 кбіт/с.
Використання в модемах другої групи різних видів квадратурної амплітудної модуляції (КАМ) дозволяє скоротити смугу частот і забезпечити швидкість передачі до 100 кбит/с.
4. Для цифрових систем передачі – адаптери CSU/DSU (Channеl Sеrvicе Unit/Data Sеrvicе Unit).
Модеми для цифрових систем передачі забезпечують підключення до стандартних цифрових каналів, таких як Е1/Т1 або ISDN, і підтримують функції відповідних канальних інтерфейсів.
До категорії цифрових належать також xDSL-модеми. У технології xDSL (Digital Subscriber Line) збільшення смуги пропускання (швидкості передачі) базується на двох ідеях – використанні ширшого спектра носійних коливань і підвищенні ефективності його використання. Смуга частот розширена до одиниць МГц, а ефективне використання досягається застосуванням сучасних методів модуляції 2B1Q, CAP, DMT. Швидкості передачі: від 160 кбіт/с (для DSL-технології) до одиниць (ADSL) і десятків Мбіт/с (для VDSL).
5. Для стільникових систем зв'язку.
Вирізняються компактністю виконання і підтримкою спеціальних протоколів модуляції і виправлення помилок, які дозволяють ефективно передавати дані в умовах стільникових каналів з високим рівнем завад і змінюваними параметрами. До таких протоколів належать ZyCELL, ETC і MNP10.
6. Для пакетних радіомереж.
Пакетні радіомодеми призначені для передачі даних по радіоканалу. При цьому декілька радіомодемів використовують один радіоканал в режимі множинного доступу, наприклад, у відповідності з протоколом АХ.25. Радіоканал за своїми характеристиками близький до телефонного і організується з використанням радіостанцій з однаковою робочою частотою в УКВ (KB) діапазоні.
7. Для локальних радіомереж.
Локальні радіомережі є перспективною мережною технологією, яка доповнює проводові локальні мережі. Головним їх елементом є спеціалізовані радіомодеми (адаптери локальних радіомереж). На відміну від пакетних радіомодемів вони забезпечують передачу даних на невеликі відстані (до 300 м) з високою швидкістю (2 – 10 Мбіт/с), близькою до швидкості передачі в проводових локальних мережах. Крім того, в локальних радіомодемах застосовують сигнали складної форми, наприклад, сигнали з псевдовипадковою перебудовою робочої частоти.
8. Для телевізійних кабельних мереж.
Такі модеми використовують вільні телевізійні канали зі смугою пропускання 6 МГц в діапазоні від 50 до 450 МГц. Широка смуга телевізійних каналів обумовлює високі швидкості передачі – до 36 Мбіт/с.
9. Для супутникових каналів зв'язку.
10. Для електричних мереж.
За методом передачі.
За методом передачі модеми поділяються на асинхронні та синхронні.
Асинхронний режим передачі використовується, коли дані, що передаються, генеруються у випадкові моменти часу. При цьому одержуючий пристрій має відновлювати синхронізацію на початку кожного отримуваного символу. З цією метою кожен символ, що передається, супроводжується додатковим стартовим і одним або більше стоповими бітами.
Недоліки асинхронного методу: низька ефективність і необхідність використання простих методів модуляції (АМ, ЧМ).
Складніші методи модуляції, наприклад відносна фазова модуляція (ВФМ), КАМ, потребують підтримки постійного синхронізму опорних тактових генераторів відправника і одержувача.
При синхронному методі передачі велику кількість символів або байт об'єднують в окремі блоки (кадри). Кадр передається як один ланцюжок бітів без яких-небудь затримок між 8-бітними елементами. Щоб приймаючий пристрій міг забезпечити різні рівні синхронізації, мають виконуватися такі вимоги:
1) послідовність бітів, що передається, не повинна містити довгих послідовностей нулів або одиниць, щоб приймаючий пристрій міг стало виділяти тактову частоту синхронізації;
2) кожен кадр повинен мати зарезервовані послідовності бітів або символів, що позначають його початок і кінець.
Якщо синхронний режим застосовується для передачі по інтерфейсу DTE‑DCE, то для синхронізації використовуються додаткові кола, по яких передається сигнал тактової частоти від відправника до одержувача.
За реалізацією додаткових функцій:
1) без системи керування;
2) з підтримкою АТ-команд.
Сучасні модеми мають широкі інтелектуальні можливості. Стандартом де-факто стала множина АТ-команд, розроблених фірмою Hayes, що дозволяє користувачеві керувати характеристиками модему і параметрами зв'язку. Модеми, які підтримують АТ-команди, називають Hayes-сумісними модемами;
3) з підтримкою команд рекомендації ITU-T V.25bis (ITU – International Telecommunications Union – міжнародна спілка електрозв’язку, ITU-T – комітет по стандартизації телекомунікацій у складі ITU);
4) з фірмовою системою команд.
Спеціалізовані модеми для промислового застосування часто мають фірмову систему команд, відмінну від набору АТ-команд;
5) з підтримкою протоколів мережного керування;
Промислові модеми часто підтримують протокол мережного керування SMNP (Simple Manager Network Protocol), який дозволяє адміністратору керувати елементами мережі з віддаленого термінала;
6) голосові модеми.
Здатні одночасно передавати голос і дані. В голосових модемах частіше застосовують метод аналогової передачі потоків голосу і даних, рознесених по частотах – ASVD (Analoguе Simultanious Voicе/Data). Інший підхід – DSVD (Digital SVD) ґрунтується на оцифровуванні голосу і передачі отриманих відліків у загальному потоці даних.
За конструкцією:
1) зовнішні; 2) внутрішні; 3) портативні; 4) групові.
Зовнішні модеми є автономними пристроями, що приєднуються до комп'ютера або іншого 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 спільно з комп'ютерами класу Notebook. Мають малі габарити і високу ціну. За можливостями не поступаються повнофункціональним модемам. Оснащені інтерфейсом PCMCIA.
Груповими модемами називають сукупність окремих модемів, які об'єднані у спільний блок і мають спільне живлення, пристрої керування і відображення. Окремий модем, розрахований на малу кількість каналів, є платою з рознімом, що встановлюється в блок.
За засобами керування: апаратні та програмні.
Основна відмінність програмного модему від апаратного полягає в тому, що частина його функцій реалізовується за допомогою центрального процесора і програмного забезпечення. Іноді від модему залишається лише кодек, а всі інші функції виконує драйвер, який використовує ресурси комп’ютера.
Основні недоліки програмних модемів: використання ресурсів ЦП, залежність від операційної системи; переваги – компактність, швидка реалізація нових функцій і протоколів; відсутність прив'язки до шини ISA, низька вартість.
За підтримкою міжнародних і фірмових протоколів.
Протоколи міжнародного рівня розробляються під егідою ITU-T і приймаються їм як рекомендації. Всі рекомендації ITU-T щодо модемів належать до серії V (рис.2).
Фірмові протоколи розробляють компанії-виробники модемів (AT&Т, Motorolla, U.S.Robotics, ZyXEL).
З функціональної точки зору модемні протоколи поділяють на групи:
1) протоколи, що визначають взаємодію модему з каналом (V.2, V.25);
2) протоколи, що регламентують з'єднання і алгоритми взаємодії модему і DTE (V.10, V.11, V.24, V.25, V.25bis, V.28);
3) протоколи модуляції, що визначають основні характеристики модемів, призначених для комутованих і виділених телефонних каналів (V.17, V.22, V.32, V.34, V.90, HST, ZyX та ін.);
4) протоколи захисту від помилок (V.41, V.42, MNP1 – MNP4);
5) протоколи стиснення даних (MNP5, MNP7, V.42bis);
6) протоколи діагностування модемів, які стосуються випробування і вимірювання параметрів каналів зв'язку (V.51, V.52, V.53, V.54, V.56);
7) протоколи узгодження параметрів зв'язку на етапі його встановлення (Handshaking), наприклад V.8.
Звичайно, префікси "bis" і "ter" в назвах протоколів означають модифікацію існуючих протоколів (крім V.42bis).