Modem


Modem

HISTORIA
Pierwszym urządzeniem, umożliwiającym przesyłanie informacji między komputerami, był łącznik akustyczny, nazywany ojcem modemu. Oba urządzenia (modem i komputer) działają na podobnej zasadzie: dane cyfrowe z komputera przekształcane są na sygnał analogowy (przez modulację - czyli nakłada informację na częstotliwość nośną), a następnie przesyłany zwykłą linią telefoniczną i na końcu kabla przekształcane z powrotem na sygnał cyfrowy (demodulaowane). Nazwa MODEM pochodzi właśnie od tych dwóch słów MODulacja i DEModulacja. W porównaniu z łącznikami czy modemami akustycznymi (w których słuchawka telefonu była kładziona na "odwróconą" słuchawkę łącznika) prawdziwy modem (zwany galwanicznym) ma zasadniczą przewagę, tu bowiem układy elektroniczne są podłączone bezpośrednio do sieci telefonicznej. Zmniejsza to znacznie zakłócenia jakie powstawały przy przesyłaniu sygnału przez słuchawkę.

TECHNOLOGIE
Pierwsze modemy pracowały z prędkością 300 bps (bitów na sekundę). Stosowały one metodę
(Frequency Shift Keying) czyli kluczowanie częstotliwości. Kiedy modem wysyłał bit o wartości "1" piszczał na odpowiedniej częstotliwości jedynek, dla "0" miał osobną częstotliwość zer. Podobnie działo się w drugą stronę (przy odbieraniu), z tym, że częstotliwości były nieco przesunięte. Specyficzną cechą tej modulacji jest to, że przekazuje ona jeden bit przy każdej zmianie sygnału jest więc 300 bitów na sekundę i jednocześnie 300 bodów (zmian sygnału na sekundę). Metoda FSK nie pozwala osiągnąć wyższej prędkości, bowiem odpowiednie do tego częstotliwości sygnalizacyjne nie zmieściłyby się w częstotliwości przenoszenia linii telefonicznej, która może przenosić częstotliwości 300-3400 Hz.

Kolejnym opracowanym systemem modulacji było DPSK (Differential Phase Shift Keying) czyli kodowanie różnicą fazy, stosowany w modemach 1200 bps. W zależności od różnicy faz odbieranego sygnału, dekoduje się cztery stany co można zapisać dwoma bitami dla kolejnych zmian nośnej. Ponieważ zmiany następują 600 razy na sekundę (600 bodów) i kodują po dwa bity, mamy razem 1200 bitów na sekundę.

Kolejne modemy pracujące z prędkością 2400 bps wykorzystywały metodę QAM (Quadrature Amplitude Modulation), kwadraturową modulację amplitudy. QAM jest to kombinacja PSK (Phase Shift Keying) czyli kodowania fazowego i modulacji amplitudy (siły sygnału). Dla jednej zmiany nośnej można zakodować 16 wartości czyli 4 bity, co przy 600 bodach daje 2400 bitów na sekundę. Ze względu na stosowanie modulacji amplitudy, jest to system wrażliwy na zakłócenia rozchodzenia się sygnału znacznie bardziej niż przy niższych częstotliwościach. Przy użyciu modulacji QAM można podwyższając częstotliwość nośnej i prędkość jej zmian do 2400 bodów osiągnąć prędkość 9600 bitów na sekundę.

Prędkość 2400 jest jednak najczęściej związana z użyciem kodowania trellis (sztachetowe). Kodowanie sztachetowe posiada mechanizm kontroli poprawności, przekazując poza danymi bity kontrolne, dzięki czemu łatwiej określić czy pojawiają się błędy w transmisji. Pracując na nośnej o częstotliwości 1800 Hz, przy 2400 bodach (czyli na okres przypada więcej niż jedna zmiana) koduje się od 4 do 7 bitów, co daje prędkość od 7200 do 14400 bps, przy czym każdej porcji bitów przyporządkowany jest jeden bit na kontrolę parzystości. Pierwsze modemy 9600 stosowały protokoły asymetryczne tzn. transmisja w jedną stronę była szybka, w przeciwnym kierunku powolna (300-600 bps). Problemem był niemożliwość zmieszania dwóch nośnych do równoległego nadawania i odbierania z pełną prędkością. Opracowano więc technikę echo cancellation czyli kasowanie echa, co pozwalało nadawać obu modemom na tej samej częstotliwości. Każdy z nich musiał jedynie wyciąć z odbieranego sygnału to, co sam nadał, demodulując resztę (czyli sygnał od drugiego modemu). Kombinacja kasowania echa i kodowania sztachetowego była kolejnym przełomem technologicznym.

Podkręcanie parametrów i powszechne stosowanie procesorów sygnałowych (DSP) pozwoliło kodować 8 czy 9 bitów na jedną zmianę sygnału czyli osiągnąć 16800 lub 19200 bps. Tego typu rozwiązani to V.32Terbo i protokoły firmowe ZyXEL-a.

Dalsza poprawa parametrów DSP pozwoliła opracować nowy standard. Stosuje się zmienne parametry: częstotliwość nośna, częstotliwość jej zmian, liczba bitów na bod dobierane są na bieżąco tak aby uzyskać jedną ze standardowych prędkości. Sztachety i kasowanie echa pozostają bez zmian.
Jest to jednak system bardzo wymagający jeśli chodzi o jakość połączenia bowiem pasmo przenoszenia jest wykorzystywane do oporu.

KOREKCJA BŁĘDÓW
Podczas nawet najlepszego połączenia zdarzają się pewne zakłócenia. Im wyższa prędkość transmisji tym bardziej jest ona wrażliwa na trzaski, zaniki sygnału, szumy itp.
Pierwszym rozwiązaniem były protokoły transmisji plików stosujące kontrolę poprawności. Nie było to jednak rozwiązanie najlepsze.

Drugim, znacznie skuteczniejszym podejściem było wbudowanie w modem odpowieniego protokołu, nadzorującego całość przesyłanych danych. Dane są dzielone na bloki, z których każdy jest zaopatrywany w sumę kontrolną. Jeśli po odebraniu pakietu okaże się, iż coś się nie zgadza, modem wyśle żądanie powtórzenia transmisji i dane zostaną przetransmitowane jeszcze raz. Zwykle liczba takich powtórzeń wynosi 10 i jeśli jeszcze występują błędy to połączenie zostaje zerwane.
Pierwsze, popularnie stosowane rozwiązanie opracowała firma Microcom MNP (Microcom Networking Protocol). CCITT, instytucja ustalająca standardy, opracowała nieco inny protokół korekcji błędów transmisji V.42, nie różniący się jednak zbytnio od MNP4.
Druga metoda obniżenia liczby błędów polega na obniżeniu prędkości transmisji, określanym terminem fallback. Możliwość taka pojawiła się dopiero przy modemach 9600 i stała się standardowym elementem nowszych rozwiązań. Nieco później wprowadzono do powszechnego użytku operację odwrotną - fallforward - czyli podnoszenie prędkości w momencie gdy prędkość transmisji się poprawia.

KOMPRESJA
W wielu przypadkach ilość przesyłanych danych może zostać znacznie zmniejszona, np. kiedy transmitujemy tekst to wiele słów często się powtarza, powtarzają się także spacje. Jako rozszerzenie korekcji błędów transmisji pojawiła się kompresja danych.
Popularny protokół MNP5 potrafi teoretyczni ścisnąć dane w stosunku 2:1. Dotyczy to jednak danych nieskompresowanych już wcześniej. Jeśli przy aktywnym MNP5 będziemy przesyłać dane skompresowane przy pomocy ZIP-a, ARJ-a czy innych packerów, to prędkość spadnie, ponieważ MNP5 nie potrafi rozpoznać, że dane są już skompresowane to będzie próbowało je kompresować mimo tego.
Wady tej pozbawiony jest protokół V.42bis, który wykrywa takie sytuacje i wyłącza się na chwilę. Dodatkowo, jego teoretyczna efektywność wynosi kompresji wynosi 4:1.

POŁĄCZENIE MODEMU Z KOMPUTEREM
Połączenia komputera z modemem dokonuje się poprzez interfejs RS-232C. Głównym elementem tego interfejsu jest układ scalony pośredniczący w wymianie danych (Universal Asynchronous Receiver Transmitter). W przypadku modemów o szybkości transmisji 2400 bps lub niższej, nie ma zwykle problemu. Kłopoty zaczynają się jednak gdy stosujemy modemy 9600 i lepsze wyposażone w V.42bis.

artykuł oparty na wiedzy zdobytej w Technikum Hutniczo-Mechaniczym...


www.piotrsog.prv.pl