Лекция 11

Модемы

Передача цифровых сигналов на большие расстояния требует создания специально оборудованных линий и сетей связи с высокой пропускной способностью. Такие линии существуют и интенсивно развиваются. Однако потребность в передаче данных между компьютерами опережает возможности сетей цифровой связи. Это вызывает необходимость задействовать для передачи цифровых данных массовые сети с низкой пропускной способностью - телефонные.

Для использования телефонной сети как канала передачи цифровой информации разработаны и широко используются устройства преобразования цифровой информации в аналоговую и обратно, основанные на принципе модуляции несущей частоты, получившие название модемы (модуляторы-демодуляторы).

Модем
обеспечивает согласование цифровых сигналов компьютера с аналоговыми сигналами телефонной линии, при передаче данных осуществляет модулирование аналоговых сигналов цифровой информацией, а при приеме - демодулирование. Они различаются между собой по способу модуляции, пропускной способности, способу коррекции ошибок, способу сжатия данных. Для различных скоростей работы модемов, различных способов коррекции ошибок и сжатия данных разработаны стандарты.

После установления связи модемы, расположенные на концах линии, обмениваются тональным сигналом с частотой в пределах 1000-3000 Гц (несущей частотой, carrier). При передаче данных на несущую накладываются модуляции - изменения частоты тона (или другого параметра сигнала) в определенных пределах. Повышение или понижение частоты интерпретируются как передача "единицы" или "нуля" цифровой информации.

Стандарты

Модемы, выпускаемые разными производителями, должны отвечать определенным стандартам. Стандарты опираются на протоколы - набор правил, по которым осуществляется процесс передачи данных в данном устройстве. Протоколы, реализуемые в работе модемов, можно разделить на четыре группы:

Протоколы серии V были предложены МККТТ (Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии); серия Bell является американским национальным стандартом; протоколы MNP (Microcomm Nerworking Protocols) разработаны фирмой Microcomm и являются стандартом де факто.

По скорости передачи данных разработаны модемы стандартов: v.22 bis - для скорости 2400 бит/с. В более скоростных модемах обычно реализованы и предшествующие стандарты передачи сигналов и, кроме того, предусмотрены запасные режимы с меньшими скоростями. Например, для стандарта v.32 bis это скорости 12000, 9600, 7200 и 4800 бит/с. В настоящее время используются модемы со скоростью передачи 56 Мбит/с.

Протоколы модуляции

  1. Частотная модуляция (ЧМ, FSK - Frequency Shift Keying)

    На частотной модуляции основаны протоколы Bell 103J и V.21. Протокол V.21 является дуплексным и использует частотное разделение каналов. Полоса частот телефонного канала тональной частоты делится на два подканала. Один из них (нижний) используется вызывающим модемом для передачи своих данных, а другой (верхний) - для передачи информации от отвечающего модема. При этом в нижнем канале "1" передается частотой 980 Гц, а "0" - 1180 Гц. В верхнем подканале "1" передается сигналом в 1650 Гц, а "0" - 1850 Гц. Скорость передачи в этом случае составляет 300 бод, но, несмотря на низкую скорость, протокол V.21 широко используется в качестве аварийного. Кроме того, он применяется в высокоскоростных протоколах на этапе установления соединения.

    Протокол Bell 103J: в нижнем подканале "0" передается частотой 1070 Гц, а "1" - 1270 Гц, в верхнем подканале - "0" - 2025 Гц, "1" - 2225 Гц.

    Частотная модуляция помехоустойчива, однако плохо использует пропускную способность канала, поэтому более широкое распространение получили другие виды модуляции.
  2. Относительная фазовая модуляция (ОФМ, DPSK - Differential Phase Shift Keying)

    Здесь биты кодируются изменением (поворотом) фазы сигнала относительно предшествующего значения - скорость повышается, поскольку один поворот фазы кодирует 2-3 бита, но резко снижается помехоустойчивость.
  3. Квадратурная амплитудная модуляция (КАМ, QAM - Quadrature Amplitude Modulation)

    При этом методе изменяется как фаза, так и амплитуда сигнала, что повышает помехоустойчивость.
  4. Треллис-модуляция (СКК - сигнально-кодовые конструкции, TCM - Trellis Coded Modulation)

    КАМ совместно с решетчатым кодированием.

Протоколы сжатия и обнаружения ошибок

Группа стандартов, связанных с используемыми протоколами коррекции ошибок, многие годы опиралась на протоколы MNP (Microcom Nerworking Protocol):  MNP1-MNP10. Это аппаратные протоколы фирмы Microcom, обеспечивающие автоматическую коррекцию ошибок и компрессию (сжатие) передаваемых данных. В настоящее время используется стандарт МКТТ V.42. В целях совместимости модем стандарта V.42 включает в себя и функции MNP.

Группа стандартов, определяющая реализуемый метод сжатия данных также включает в себя протоколы серии MNP и V. Стандарт MNP5, предусматривающий сжатие информации всего лишь вдвое, уступает место стандарту Международного комитета по телеграфии и телефонии (МКТТ) V.42 bis, обеспечивающему сжатие информации в четыре раза. Стандарт V.42 bis в качестве резервного метода сжатия данных включает стандарт MNP5, а в качестве метода коррекции ошибок - стандарт V.42.

Основные принципы этих протоколов следующие:

Указанные процедуры могут быть осуществлены как аппаратурно, так и программно (аппаратная реализация на 30% эффективнее). В первом случае говорят, что "модем поддерживает соответствующий протокол", во втором - "программа управления модемом эмулирует данный протокол". Не для всех приводимых протоколов возможны как программная, так и электронная реализации.

Протоколы передачи файлов

Протоколы передачи файлов контролируют завершенность передачи файла (вместе с его атрибутами типа "дата создания", "имя файла" и пр.) и используют приемы, аналогичные приведенным выше, - переменная длина блока, контрольные суммы, аппаратная коррекция MNP и пр.

Известен ряд протоколов передачи файлов, рассмотрим некоторые из них:

ASCII -
при передаче данных не используются средства обнаружения ошибок. Обычно можно послать таким образом только файлы ASCII;
Xmodem -
передает блоки по 128 символов; если принимающая сторона обнаруживает, что блок прибыл нетронутым, она сигнализирует об этом и ждет следующего блока. Проверка ошибок реализуется контрольной суммой или более сложной циклической проверкой (протокол в этом случае называется Xmodev-CRC - Cyclic Redundancy Chek - здесь вместо 8-битовой контрольной суммы используется 16-битовый код);
Xmodem 1K -
если передача идет без ошибок, размер пакета увеличивается со 128 до 1024 байт. В остальном совпадает с Xmodem;
Xmodem 1K-G -
подразумевает каналы, свободные от ошибок, такие как модемы, корректирующие ошибки (например, MNP-модемы, реализующие аппаратную коррекцию ошибок), или прямые соединения кабелей модемов между двумя компьютерами. Он достигает высокой скорости путем передачи нескольких блоков без ожидания подтверждения от принимающего компьютера;
Ymodem -
является вариацией Xmodem; позволяет передавать несколько файлов в один прием, кроме того, вместе с файлом передаются его атрибуты;
Ymodem G -
обладает большей скоростью за счет передачи блоков один за другим без ожидания подтверждения;
Zmodem -
быстрый протокол передачи файлов по несколько в окне. Если при передаче файла произошел сбой на линии, то при повторной попытке передачи этого файла он автоматически будет передаваться с того места, где произошло прерывание;
Kermit -
известны две разновидности протокола: стандартный и SuperKermit. Протокол разработан в Колумбийском университете в 1981 г. для связи между ЭВМ различных типов и поколений, включая большие ЭВМ, мини- и микро-ЭВМ. Kermit используют для передачи пакетов переменной длины размером до 94 байт. SuperKermit предназначен для работы в сетях, где имеются большие задержки при передаче данных. По этому протоколу пакеты передаются "окнами" составом до 31 пакета. Kermit также использует предварительную компрессию данных для увеличения скорости обмена.

Архитектура

В состав типичного модема входят: специализированный микропроцессор для управления работой модема, оперативная память для хранения содержимого регистров модема и буферизации передаваемой (получаемой) информации, электрически перепрограммируемая постоянная память для хранения коммуникационных программ, динамик для звукового контроля связи, вспомогательные элементы (трансформатор, резисторы, разъемы и пр.).

Аппаратная реализация

В конструктивном исполнении модемы могут быть внутренними (встроенными) и внешними. Внутренний модем выполняется в виде отдельной платы, вставляемой в слот на материнской плате компьютера. Внешний модем представлен в виде отдельного устройства с блоком питания, подключаемого к последовательному асинхронному порту компьютера. К телефонной линии связи модем подключается либо непосредственно, либо при помощи микрофона и динамика к обычной телефонной трубке (акустические модемы). Модемы, подключаемые к разным концам одной и той же линии связи, должны быть одинакового стандарта.

 

Сайт управляется системой uCoz