Типи та принцип дії модемів
1. Типова система передачі даних
Будь-якасистема передачі даних (СПД) складається з трьох основних компонентів:передавача, каналу передачі даних і приймача. При двосторонній (дуплекснійпередачі) джерело і одержувач можуть передавати і приймати дані одночасно.
Унайпростішому випадку СПД між точками А і В (рис.1) складається з таких частин:
- кінцевого обладнання даних (КОД) в точціА. КОД – це узагальнене поняття для опису кінцевого приладу користувача абойого частини. Відповідний міжнародний термін – DTE (Data Terminal Equipment).Як DTE може бути персональний комп'ютер, сервер (mainframе), термінал, пристрійзбору 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.
/>
ФункцієюDCE є забезпечення передачі інформації між декількома DTE по каналу певноготипу, наприклад, по телефонному. Для цього DCE має забезпечити з'єднання з DTEз одного боку, і з каналом передачі – з іншого.
ФункціїDCE може виконувати аналоговий або цифровий модем. У широкому значенні поняттямодем і DCE – синоніми.
Словомодем є скороченою назвою пристрою, що здійснює процес МОдуляції/ДЕМодуляції.
Модулюючийсигнал є, як правило, цифровим, а модульований – аналоговим. Сьогодні модеминайбільше використовуються для передачі даних між комп'ютерами через КТМЗК.
Припередачі даних по цифрових каналах дані від DTE мають бути перетворені довигляду, прийнятого для даного каналу. Цю функцію виконують цифровімодеми.
Важливезначення у взаємодії DTE і DCE має їхній інтерфейс, який складається ізвхідних/вихідних кіл у DTE і DCE, розніму і з'єднувальних кабелів.
Інтерфейс– програмно-апаратні засоби, що забезпечують взаємодію двох систем або процесіву точці їх сполучення.
Увітчизняній літературі та стандартах також вживається термін стик.
2. Канали зв'язку
Каналзв'язку – це сукупність середовища поширення і технічних засобів передачі міждвома канальними інтерфейсами (рис.1).
Канализв'язку класифікуються за різними ознаками.
1.Залежно від типу сигналів, що передаються, розрізнюють цифрові та аналоговіканали зв'язку.
Цифровимиє канали систем ІКМ, ISDN, канали типу Т1/Е1 та ін. Нові СПД будують на основіцифрових каналів, які мають переваги перед аналоговими.
Аналоговіканали є найпоширенішими через тривалу історію їх розвитку і простотуреалізації. Прикладом аналогового каналу є канал тональної частоти (ктч) зісмугою пропускання 3,1 кГц, а також групові тракти на 12, 60 і більше каналівтональної частоти.
2.Комутовані та виділені канали.
Комутованіканали надаються споживачам на час з'єднання на їх вимогу (наприклад, каналианалогової мережі КТМЗК або цифрової мережі ISDN). Виділені канали орендуютьсяу телефонних компаній або прокладаються зацікавленою організацією.
3.Дво- і чотирипровідні канали.
Чотирипровідніканали надають два проводи для передачі сигналу і ще два проводи для прийому.Перевагою таких каналів є відсутність впливу сигналів, які передаються взустрічному напрямі.
Двопровідніканали використовують два проводи для передачі і прийому сигналів. Такі каналиекономічніші, але потребують розв'язки сигналів, які приймаються та передаються,для усунення завади у вигляді ехо-сигналу.
3. Семирівнева модель OSI
Міжнароднимстандартом для передачі даних є Базова еталонна модель взаємодії відкритихсистем (OSI – Open Systems Interconnection). Модель описана стандартом ISO 7498(ISO – International Standarts Organization – міжнародна організація постандартизації). Згідно з моделлю OSI виділяються сім рівнів взаємодії:прикладний, представницький, сеансовий, транспортний, мережевий, канальний,фізичний.
Основнийзміст цієї моделі полягає в тому, що кожному рівню призначена конкретнафункція. Кожний рівень визначається групою стандартів, що складаються з двохспецифікацій: протоколу і сервісу для вищого рівня.
Протокол– набір правил і форматів, що визначають взаємодію об'єктів одного рівнямоделі.
Вищим рівнем, найближчим до користувача, є прикладний. Його головназадача – надати вже перероблену інформацію. Цю функцію виконує системне іпризначене для користувача прикладне програмне забезпечення, наприклад,термінальна програма.
Функціїсучасних модемів належать до нижчих рівнів: фізичного і канального.
1.Фізичний рівень.
Данийрівень визначає інтерфейси системи з каналом зв'язку, а саме, механічні,електричні, функціональні та процедурні параметри з'єднання.
Нафізичному рівні виконуються три основні функції:
1)встановлення і роз'єднання з'єднань взаємодіючих систем (крім фізичногопідключення модеми можуть «домовлятися» про прийнятний режим роботи,тобто спосіб модуляції, швидкості передачі, режими виправлення помилок істиснення даних);
2)перетворення сигналів. Для узгодження послідовності біт, що передаються, зпараметрами каналу слід виконати їх перетворення в аналоговий або дискретнийсигнал.
Функціяперетворення сигналів є головною функцією модемів. Тому модеми, які не малиінтелектуальних можливостей і не виконували апаратне стиснення і корекціюпомилок, називали пристроями перетворення сигналів (ППС);
3)реалізація інтерфейсу.
Інтерфейсиміж DTE і DCE регламентуються відповідними рекомендаціями і стандартами: V.24,RS-232, RS-449, RS-422A, RS-423A, V.35 та ін., які визначають такіхарактеристики:
· загальні (швидкість і послідовністьпередачі);
· функціональні та процедурні(номенклатура, категорія кіл інтерфейсу, правила їх взаємодії);
· електричні (величини напруг, струмів і опорів);
· механічні (габарити, розподілконтактів).
Нафізичному рівні здійснюється діагностика певного класу несправностей, наприкладтаких, як розрив проводу, порушення живлення, втрата механічного контакту.
Завадостійкістьканалу зв'язку, що складається з двох модемів і середовища передачі між ними,як правило, не задовольняє вимогам, які ставляться до достовірності даних, щопередаються. Тому фізичний рівень розглядається як ненадійна система. Задачавиправлення спотворених в каналі передачі бітів вирішується на вищих рівнях,зокрема, на канальному.
2.Канальний рівень.
Наканальном рівні реалізовуються такі основні функції:
· формування з послідовності бітінформаційних кадрів для передачі по каналу;
· кодування кадру завадостійким кодом (звиявленням помилок);
· відновлення початкової послідовностіданих на приймальній стороні;
· забезпечення кодонезалежної передачіданих (припускає довільний вибір коду подання даних);
· управління потоком даних на рівніканалу, тобто темпу їх видачі в DTE одержувача;
· усунення наслідків втрат, спотворень абодублювання кадрів, що передаються в каналі.
Якстандарт для протоколів другого рівня організацією ISO рекомендується протоколHDLC (High Level Data Link Control).
Наоснові протоколу HDLC розроблено ряд спрощених протоколів для конкретноїобласті 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 длястандарту корекції помилок V.42; LAPX є напівдуплексним варіантом HDLC і використовуєтьсяв термінальних мережах і системах, працюючих в стандарті Teletex, а протоколLLC (Link Logic Control) реалізований практично у всіх мережах з множиннимдоступом (наприклад, у безпровідних локальних мережах).
Удеяких мережах сигнал, що приймається кожним DCE, є сумою сигналів, щопередаються від інших DCE. Канали зв'язку в таких мережах називають каналами змножинним доступом або моноканалами, а самі мережі називають мережамимножинного доступу. Такими є деякі супутникові мережі, наземні пакетнірадіомережі, а також локальні проводові та безпроводові мережі.
4. Класифікація модемів
Основніознаки класифікації модемів: 1) область застосування; 2) метод передачі; 3)реалізація додаткових функцій; 4) конструктивне виконання; 5) засоби керування;6) підтримка протоколів модуляції, виправлення помилок і стиснення даних.
Заобластю застосування:
1.Для комутованих телефонних каналів.
Більшістьмодемів призначена для роботи з комутованими телефонними каналами. Такі модемимають взаємодіяти з АТС, розрізнювати їх сигнали і передавати свої сигналинабору номера.
2.Для виділених телефонних каналів.
3.Для фізичних з'єднувальних ліній.
Особливістьмодемів для фізичних ліній полягає в тому, що смуга пропускання фізичних лінійне обмежена значенням 3,1 кГц (характерним для телефонних каналів), а залежитьвід типу лінії (екранована і неекранована віта пара, коаксіальний кабель тощо)та її довжини.
Доцієї групи належать модеми низького рівня (лінійні драйвери), або модеми накороткі відстані (Short Rang Modеms), і модеми основної смуги (Basebandmodems).
Умодемах першої групи використовуються цифрові методи біімпульсної передачі, щодозволяють формувати імпульсні сигнали без постійної складової, що звужує смугучастот порівняно з початковою послідовністю. Швидкість передачі – до 19 кбіт/с.
Використанняв 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/DataSеrvicе Unit).
Модемидля цифрових систем передачі забезпечують підключення до стандартних цифровихканалів, таких як Е1/Т1 або ISDN, і підтримують функції відповідних канальнихінтерфейсів.
Докатегорії цифрових належать також xDSL-модеми. У технології xDSL (DigitalSubscriber Line) збільшення смуги пропускання (швидкості передачі) базується надвох ідеях – використанні ширшого спектра носійних коливань і підвищенніефективності його використання. Смуга частот розширена до одиниць МГц, аефективне використання досягається застосуванням сучасних методів модуляції2B1Q, CAP, DMT. Швидкості передачі: від 160 кбіт/с (для DSL-технології) доодиниць (ADSL) і десятків Мбіт/с (для VDSL).
5.Для стільникових систем зв'язку.
Вирізняютьсякомпактністю виконання і підтримкою спеціальних протоколів модуляції івиправлення помилок, які дозволяють ефективно передавати дані в умовахстільникових каналів з високим рівнем завад і змінюваними параметрами. До такихпротоколів належать ZyCELL, ETC і MNP10.
6.Для пакетних радіомереж.
Пакетнірадіомодеми призначені для передачі даних по радіоканалу. При цьому декількарадіомодемів використовують один радіоканал в режимі множинного доступу,наприклад, у відповідності з протоколом АХ.25. Радіоканал за своїмихарактеристиками близький до телефонного і організується з використаннямрадіостанцій з однаковою робочою частотою в УКВ (KB) діапазоні.
7.Для локальних радіомереж.
Локальнірадіомережі є перспективною мережною технологією, яка доповнює проводові локальнімережі. Головним їх елементом є спеціалізовані радіомодеми (адаптери локальнихрадіомереж). На відміну від пакетних радіомодемів вони забезпечують передачуданих на невеликі відстані (до 300 м) з високою швидкістю (2 – 10 Мбіт/с), близькою до швидкості передачі в проводових локальних мережах. Крім того, влокальних радіомодемах застосовують сигнали складної форми, наприклад, сигнализ псевдовипадковою перебудовою робочої частоти.
8.Для телевізійних кабельних мереж.
Такімодеми використовують вільні телевізійні канали зі смугою пропускання 6 МГц вдіапазоні від 50 до 450 МГц. Широка смуга телевізійних каналів обумовлює високішвидкості передачі – до 36 Мбіт/с.
9.Для супутникових каналів зв'язку.
10.Для електричних мереж.
Заметодом передачі.
Заметодом передачі модеми поділяються на асинхронні та синхронні.
Асинхроннийрежим передачі використовується, коли дані, що передаються, генеруються увипадкові моменти часу. При цьому одержуючий пристрій має відновлюватисинхронізацію на початку кожного отримуваного символу. З цією метою коженсимвол, що передається, супроводжується додатковим стартовим і одним або більшестоповими бітами.
Недолікиасинхронного методу: низька ефективність і необхідність використання простихметодів модуляції (АМ, ЧМ).
Складнішіметоди модуляції, наприклад відносна фазова модуляція (ВФМ), КАМ, потребуютьпідтримки постійного синхронізму опорних тактових генераторів відправника іодержувача.
Присинхронному методі передачі велику кількість символів або байт об'єднують вокремі блоки (кадри). Кадр передається як один ланцюжок бітів без яких-небудьзатримок між 8-бітними елементами. Щоб приймаючий пристрій міг забезпечитирізні рівні синхронізації, мають виконуватися такі вимоги:
1)послідовність бітів, що передається, не повинна містити довгих послідовностейнулів або одиниць, щоб приймаючий пристрій міг стало виділяти тактову частотусинхронізації;
2)кожен кадр повинен мати зарезервовані послідовності бітів або символів, щопозначають його початок і кінець.
Якщосинхронний режим застосовується для передачі по інтерфейсу DTE‑DCE, тодля синхронізації використовуються додаткові кола, по яких передається сигналтактової частоти від відправника до одержувача.
Зареалізацією додаткових функцій:
1)без системи керування;
2)з підтримкою АТ-команд.
Сучаснімодеми мають широкі інтелектуальні можливості. Стандартом де-факто сталамножина АТ-команд, розроблених фірмою Hayes, що дозволяє користувачеві керуватихарактеристиками модему і параметрами зв'язку. Модеми, які підтримуютьАТ-команди, називають Hayes-сумісними модемами;
3)з підтримкою команд рекомендації ITU-T V.25bis (ITU – InternationalTelecommunications Union – міжнародна спілка електрозв’язку, ITU-T – комітет постандартизації телекомунікацій у складі ITU);
4)з фірмовою системою команд.
Спеціалізованімодеми для промислового застосування часто мають фірмову систему команд,відмінну від набору АТ-команд;
5)з підтримкою протоколів мережного керування;
Промисловімодеми часто підтримують протокол мережного керування SMNP (Simple ManagerNetwork Protocol), який дозволяє адміністратору керувати елементами мережі звіддаленого термінала;
6)голосові модеми.
Здатніодночасно передавати голос і дані. В голосових модемах частіше застосовуютьметод аналогової передачі потоків голосу і даних, рознесених по частотах – ASVD(Analoguе Simultanious Voicе/Data). Інший підхід – DSVD (Digital SVD) ґрунтуєтьсяна оцифровуванні голосу і передачі отриманих відліків у загальному потоціданих.
Законструкцією:
1)зовнішні; 2) внутрішні; 3) портативні; 4) групові.
Зовнішнімодеми є автономними пристроями, що приєднуються до комп'ютера або іншого DTEза допомогою одного із стандартних інтерфейсів DTE – DCE.
Внутрішніймодем – це плата розширення, що вставляється у відповідний слот комп'ютера.
Портативнімодеми призначені для використання спільно з комп'ютерами класу Notebook. Маютьмалі габарити і високу ціну. За можливостями не поступаютьсяповнофункціональним модемам. Оснащені інтерфейсом PCMCIA.
Груповимимодемами називають сукупність окремих модемів, які об'єднані у спільний блок імають спільне живлення, пристрої керування і відображення. Окремий модем,розрахований на малу кількість каналів, є платою з рознімом, що встановлюєтьсяв блок.
Зазасобами керування: апаратні та програмні.
Основнавідмінність програмного модему від апаратного полягає в тому, що частина йогофункцій реалізовується за допомогою центрального процесора і програмногозабезпечення. Іноді від модему залишається лише кодек, а всі інші функціївиконує драйвер, який використовує ресурси комп’ютера.
Основнінедоліки програмних модемів: використання ресурсів ЦП, залежність відопераційної системи; переваги – компактність, швидка реалізація нових функцій іпротоколів; відсутність прив'язки до шини ISA, низька вартість.
Запідтримкою міжнародних і фірмових протоколів.
Протоколиміжнародного рівня розробляються під егідою ITU-T і приймаються їм якрекомендації. Всі рекомендації ITU-T щодо модемів належать до серії V (рис.2).
/>
Фірмовіпротоколи розробляють компанії-виробники модемів (AT&Т, Motorolla,U.S.Robotics, ZyXEL).
Зфункціональної 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, призначенихдля 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 вимірюванняпараметрів 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 модифікаціюіснуючих протоколів (крім V.42bis).