Какой компонент модема реализует протоколы сжатия данных и коррекции ошибок

Обновлено: 03.07.2024

Протоколы международного уровня разрабатываются под эгидой ITU-T и принимаются им в качестве рекомендаций (ранее ITU-T назывался Международным консультативным комитетом по телефонии и телеграфии - МККТТ, международная абревиатура - CCITT). Все рекомендации ITU-T относительно модемов относятся к серии V. Фирменные протоколы разрабатываются отдельными компаниями - производителями модемов, с целью преуспеть в конкурентной борьбе. Часто фирменные протоколы становятся стандартными протоколами де-факто и принимаются частично либо полностью в качестве рекомендаций ITU-T, как это случилось с рядом протоколов фирмы Microcom. Наиболее активно разработкой новых протоколов и стандартов занимаются такие известные фирмы, как AT&T, Motorolla, U.S.Robotics, ZyXEL и другие.

Рекомендации международного союза электросвязи называют стандартами и протоколами. Модемные протоколы являются частным случаем коммуникационных протоколов. Поддерживаемые модемом протоколы определяют важнейшие характеристики: скорость передачи, аппаратную коррекцию данных, упаковку/распаковку данных и так далее.

Различают 3 типа протоколов по их назначению:

1) Протоколы передации (модуляции) - определяют все, что относится к передаче данных по линии: битовая скорость, дуплексность, тип линии и так далее.
2) Протоколы коррекции ошибок - обеспечивают надежность передачи, исправляя неизбежные ошибки.
3) Протоколы упаковки/распаковки - обеспечивают сжатие данных, сокращая время передачи и уменьшая число ошибок.

По происхождению и распространенности протоколы можно разделить на 3 группы:

1) Протоколы, утвержденные, как международные стандарты.
2) Фирменные протоколы, ставшие стандартом де-факто.
3) Фирменные, но мало распространенные.

В Таблице 1 приводится перечень стандартных модемных протоколов и стандартов.

Таблица 1. Основные протоколы модемов

Дуплексный модем на 300 бит/с для телефонных сетей общего назначения, используется факс-аппаратами и факс-модемами

Дуплексной модем для работы при скоростях 600/1200бит/с

Дуплексной модем для работы при скоростях 1200/2400бит/с

Асинхронный модем на частоту 600/1200бит/с (сети videotex), несовместим с V.21, V.22 и V.22bis

Стандарт на схемы сочленения DTE и DCE

Модем для работы на выделенную линию на частотах 2400/1200бит/с

Модем для работы на частотах 4800бод/с

Модем для работы на выделенную линию на частотах 2400/4800бит/с

Модем с набором телефонного номера на частоту 2400/4800бит/с (fax)

Модем на частоту 9600бит/с для 4-проводных выделенных линий (fax)

Семейство 2-проводных модемов, работающих на частотах до 9600бит/с

Модем, работающий на выделенную линию для частот 7200, 12000 и 14400бит/с

Модем на частоту 14.4кбит/с для выделенных линий

Модем на частоту 28.8кбит/с, использован новый протокол установления связи

Модем на частоту 32 кбит/с

Модем, работающий на выделенную линию с частотами до 9600бит/с

Стандарт для сжатия данных в модемах (4:1)

Протоколы коррекции ошибок

Помехи и шумы, существующие в каналах связи, приводят к ошибкам в передаваемой информации. С середины 80-х гг. в модемах по Рекомендации V.22bis начал широко применяться протокол MNP (Microcom Networking Protocol) компании Microcom (США). Этот протокол предусматривает обнаружение ошибок с помощью кода CRC (cyclic redundancy check) и повторный запрос ошибочно принятых блоков информации. Благодаря очень широкому использованию, протокол MNP превратился в фактический международный промышленный стандарт.

Несмотря на универсальные характеристики и широкое распространение протокола MNP, в качестве своего основного протокола в Рекомендации V.42, принятой в 1988 г., МККТТ стандартизировал протокол LAPM (Link Access Protocol for Modems). Протокол MNP был принят в качестве альтернативного и помещен в Приложении к Рекомендации V.42.

Таким образом, для соответствия Рекомендации V.42 модем должен одновременно использовать оба указанных протокола, а совместимость с Рекомендацией достигается применением одного из этих протоколов.

Ниже приведена таблица основных протоколов детектирования ошибок и сжатия информации, все протоколы mnp совместимы снизу вверх. При установлении связи между модемами используется наивысший протокол, поддерживаемый с обеих сторон канала.

Таблица 2. Протоколы mnp

Асинхронная полудуплексная передача данных с побайтовой организацией. Эффективность 70% (2400Кбит/с -> 1680Кбит/c).

Асинхронная дуплексная передача данных с побайтовой организацией. Эффективность 84% (2400кбит/с -> 2000кбит/c)

Синхронная дуплексная передача данных с побитовой организацией. Эффективность 108%.

Адаптивная сборка передаваемых блоков (вариация размера блока) и оптимизация фазы. Эффективность 120%

Помимо новшеств MNP-4 применено сжатие данных. Эффективность 200%. Используется только совместно с MNP-2-4

Снабжен адаптивностью скорости передачи, рассчитан на работу до 9.6кбит/с. Имеется возможность автоматического переключения из дуплексного режима в полудуплексный и обратно с учетом ситуации

Усовершенствованный алгоритм сжатия данных. Эффективность до 300%.

Еще более мощные алгоритмы сжатия

Протокол, ориентированный на работу в сетях с высоким уровнем шумов (сотовые сети, сельские и междугородние линии), надежность достигается благодаря многократным попыткам установить связь, вариации размера пакета и подстройки скорости передачи

Протоколы динамического сжатия

Динамическое сжатие данных означает их сжатие/разжатие в модемах прямо во время передачи. В результате сокращается стоимость и время передачи.

Эффективность сжатия зависит от характера данных. Наибольший выигрыш получается для текстовых данных, наименьший - для звуковых, и практически никакого - для предварительно сжатых данных. Важно, что сжатие используется только совместно с коррекцией ошибок. Так как небольшая ошибка при пересылке сжатых данных многократно увеличивается при разжатии. Исторически сложилось, что конкретный протокол сжатия используется совместно с конкретным протоколом коррекции. Так протокол сжатия MNP5 c MNP2-4.

Hayes-совместимыми

Для того чтобы модемы могли обмениваться данными необходимо, чтобы они использовали одинаковый способ передачи данных. После выпуска американской фирмой Hayes модема Smartmodem 1200, система команд, используемая в нем стала стандартом, которого стали придерживаться остальные разработчики модемов. Система команд, примененная в этих модемах получила название hays-команды или АТ-команды. А модемы, придерживающиеся этого стандарта, стали называться Hayes-совместимыми. Совместимость предполагает идентичность функций первых 28 управляющих регистров модема (всего модем может иметь более сотни регистров). Почти все внутренние команды начинаются с символов AT (attention) и имеют по три символа. Hayes-совместимость гарантирует, что данный модем будет работать со стандартными терминальными программами.

Для обеспечения обратной совместимости все производители модемов продолжают поддерживать прежние стандартные команды, необходимые для управления модемом, дополняя их более современными командами.

Положение кардинально изменилось с появлением ОС Windows 95и выше, которые берут на себя знание об особенностях модема и освобождает от этого пользователя, достигается это путем считывания в ОС так называемого информационного файла модема.

Современный модем - сложное устройство, состоящее из нескольких основных блоков и компонентов, обеспечивающих его функционирование.

- контроллер - реализует протоколы сжатия данных и коррекции ошибок. Кроме того, является связующим звеном между модемом и программным обеспечением компьютера (реализует программный интерфейс);

- кодек - осуществляет двустороннее преобразование аналогового сигнала, поступающего из линии, в поток цифровых данных;

- ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) - микросхема памяти, хранящая в себе программу работы модема, также называемую "прошивкой". Последние модели модемов допускают обновление и перезапись прошивки модема с помощью специального программного обеспечения (за исключением тех случаев, когда это не предусмотрено производителем);

- ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) - микросхема оперативной памяти, хранящая данные до первого выключения питания. Предназначена для хранения и последующей обработки потока данных. Иногда в ней же хранятся текущие настройки для работы модема.

Основные функциональные блоки:

Со стороны телефонной линии самым первым устройством является блок интерфейса с телефонной линией. Основными функциями этого блока являются:

- обеспечение физического соединения с телефонной линией;

- защита от перенапряжения и радиопомех;

- гальваническая развязка внутренних цепей модема и телефонной линии;

Далее сигналы попадают в дифференциальную систему, цель которой - разделение выходных и входных сигналов и компенсация влияния собственного сигнала на входные цепи. В наиболее простых моделях модемов этот узел исполняется в виде пассивной схемы, что зачастую приводит к сильной зависимости качества работы блока от сопротивления конкретной телефонной линии. Избавиться от такой зависимости могут только модели с активной дифференциальной системой, где необходимый для компенсации сигнал постоянно вычисляется сигнальным процессором и, "вычитаемый" из входного сигнала, обеспечивает необходимый уровень компенсации. Подготовленные таким образом сигналы попадают на ряд фильтров, усиливаются и оцифровываются с помощью АЦП (аналогово-цифровой преобразователь) в блоке формирования аналоговых фронтов, так что дальнейшая обработка производится в цифровом виде. Одно из преимуществ такого подхода - улучшение качества обработки сигнала и удешевление схемы. Обработанная информация поступает в цифровой сигнальный процессор (DSP), который и выделяет из нее на основе математических методов "нули" и "единицы". Именно возможностями цифровой обработки сигнала этого блока определяется качество и скоростные возможности современных модемов.

Рисунок 1.1 - Функциональная схема модема

Поддержка интерфейса с компьютером, управление DSP, реализация протоколов аппаратной коррекции ошибок и сжатия данных, управление интерфейсом с пользователем (индикаторы, кнопки и джамперы настройки), а также управление энергонезависимой памятью - вот далеко не полный список функций, лежащих на системе управления модемом (контроллере модема).

При этом если ранее микропрограмма хранилась в ПЗУ, изготовленном и "прошитом" на заводе, то теперь производители все чаще стали помещать ее в перезаписываемую флэш-память, что позволяет обновлять программу без аппаратного вмешательства. DSP со "вшитой" в долговременную память (ПЗУ или flash, что допускает модернизацию) программой обработки получил образное название "datapump" ("насос данных"). Подобная мультипроцессорная архитектура (так называемая функциональная мультипроцессорность) отлично работала в модемах на протяжении многих лет.

Сегодня актуальной становится "деинтеллектуаилизация" модема, для которой уже родилась и новая аббревиатура - HSP (Host Signal Processing, дословно - обработка ресурсами процессора компьютера). Несомненно, вычислительная мощность массовых процессоров семейства х86 позволяет переложить ряд задач обработки сигналов с DSP на CPU-машины и при этом получить даже дополнительные преимущества, заключающиеся в упрощении процедур модернизации специализированного и прикладного ПО и снижении стоимости. Но это только одна сторона медали.

Наблюдается также тенденция потери модемом аппаратной независимости - в чипсеты встраиваются контроллеры сугубо "персональных" шин, таких, как РСI и USB (Universal Serial Bus), в сочетании с узкоспециализированными аппаратно-микропрограммными средствами, соответствующими требованиям тех или иных операционных систем. Это тоже, на первый взгляд, неплохо, потому как гарантирует снижение цены и повышение потребительских удобств.

Единственная аналоговая (и потому крайне важная) подсистема модема - DAA - все чаще реализуется в интегральном исполнении, что уменьшает количество необходимых для изготовления полнофункционального модема дискретных элементов (конденсаторов, резисторов и пр.) до единиц. Еще один почти отрадный факт: меньше элементов, меньше необходимых монтажных операций при сборке, следовательно - ниже стоимость и выше надежность.

С другой стороны, после возложения на программу некоторых жизненно важных функций, аппаратно зависимый от платформы модем, как правило, устойчиво работает только под ОС Windows.

К проблеме согласования сопротивлений следует добавить один тонкий нюанс- зависимость сопротивления телефонной линии от частоты сигнала. Из многолетней успешной практики электроники доподлинно известно, что наилучшим устройством для работы на реактивную нагрузку является обычный трансформатор (при некоторых ограничениях, несущественных в рассматриваемом случае). Для модемов (особенно на нашем рынке) это утверждение также справедливо - практически у всех самых лучших проверенных временем моделей трансформаторный DAA.

Естественно, трансформатор - устройство не дешевое, но по крайней мере намного дороже микросхемы DAA, да и качество телефонных линий в странах с емкими платежеспособными рынками намного выше нашего, что объясняет тенденцию "детрансформаторизации".

Теперь пора вкратце рассмотреть механизмы защиты от аналогового хаоса. Чипсет действительно хорошего модема обязан для успешной работы в наших условиях обладать двумя скрытыми, но очень важными (и сложными в реализации) функциональными блоками - эхо-компенсации и эквалайзера.

Эхо-компенсатор предназначен для борьбы с эхо-сигналом. Эквалайзер также вносит немаловажный вклад в повышение скорости и устойчивости связи, согласовывая частотные характеристики приемопередатчика модема и конкретной телефонной линии.

Обзор практически всех новых моделей чипсетов, поддерживающих протокол v.90, не выявил реализации в них ни эхо-компенсаторов, ни управляемых эквалайзеров. Возможно, что производители просто "забыли" сообщить об этих особенностях, но подозрение об отсутствии столь необходимой для наших телефонных линий функциональности подтверждается и низкой ценой новых чипсетов (в "до-V.90" времена эхо-компенсатором и эквалайзером оснащались только лучшие чипсеты Lucent, низкой стоимостью никогда не отличавшиеся).

Lucent сосредоточилась на двух семействах чипсетов, ориентированных на применение во внутренних модемах, - Apollo и Mars. Учитывая очень высокое качество используемого DSP и мощный опыт Lucent в разработке модемного firmware (внутреннего модемного ПО), можно смело утверждать, что пользователей Windows модемы на новых чипсетах Lucent не подведут.

До появления высокоскоростных протоколов на 56 Kbps передача данных между двумя модемами по обычным телефонным каналам связи осуществлялась в аналоговом режиме, как было рассмотрено выше.

Основным сдерживающим фактором, препятствующим "бесконечному" увеличению скорости передачи данных с помощью модемов, является качество аналоговых телефонных линий связи. До недавнего времени (буквально до начала 80-х годов) основным назначением телефонных каналов связи была только передача голоса. Поэтому, исходя из соображений стоимости и для борьбы с шумами в линии, полоса пропускания телефонного канала была ограничена диапазоном 300-3500 Hz. Исследования показали, что именно в этом диапазоне частот находится основная часть спектра человеческой речи, поэтому после наложения на исходный сигнал указанных ограничений разборчивость речи не ухудшится.

Для управления так называемыми "интеллектуальными" модемами используются специальные связные программы - программы, работающие под управлением операционной системы ЭВМ. Связная программа создает на экране терминала дружественный интерфейс пользователя, обеспечивающий удобное выполнение необходимых управляющих функций. При этом используется, в основном, набор команд АТ, передаваемых модемом либо через связной порт компьютера (для внешних модемов), либо через общую шину (для внутренних модемов). Перед началом работы, пользователь может задать некоторые параметры взаимодействия компьютера и модема. Связные программы создают ряд возможностей, упрощающих управление модемом:

Компоненты модема

Контроллер - реализует протоколы сжатия данных и коррекции ошибок. Кроме того, является связующим звеном между модемом и программным обеспечением компьютера (реализует программный интерфейс).
Кодек - осуществляет двустороннее преобразование аналогового сигнала, поступающего из линии, в поток цифровых данных.
ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) - микросхема памяти, хранящая в себе программу работы модема, также называемую "прошивкой".
ОЗУ ( оперативное запоминающее устройство ) - микросхема оперативной памяти, хранящая данные до первого выключения питания. Предназначена для хранения и последующей обработки потока данных. Иногда в ней же хранятся текущие настройки для работы модема.

Основные функциональные блоки

Со стороны телефонной линии самым первым устройством является блок интерфейса с телефонной линией. Основными функциями этого блока являются:

обеспечение физического соединения с телефонной линией;
защита от перенапряжения и радиопомех;
набор номера;
фиксация звонков;
гальваническая развязка внутренних цепей модема и телефонной линии;
согласование импеданса.

Подготовленные таким образом сигналы попадают на ряд фильтров, усиливаются и оцифровываются с помощью АЦП (аналогово-цифровой преобразователь) в блоке формирования аналоговых фронтов, так что дальнейшая обработка производится в цифровом виде.

Обработанная информация поступает в цифровой сигнальный процессор ( DSP ), который и выделяет из нее на основе математических методов ? "нули" и ?"единицы". Именно возможностями цифровой обработки сигнала этого блока определяется качество и скоростные возможности модемов.

Поддержка интерфейса с компьютером, управление DSP , реализация протоколов аппаратной коррекции ошибок и сжатия данных, управление интерфейсом с пользователем (индикаторы, кнопки и джамперы настройки), а также управление энергонезависимой памятью находящихся в контроллере модема.

Для управления "интеллектуальными" модемами используются специальные связные программы - программы работающие под управлением операционной системы ЭВМ. При этом используется, в основном, набор команд, передаваемых модемом либо через связной порт компьютера (для внешних модемов), либо через общую шину (для внутренних модемов). Перед началом работы, пользователь может задать некоторые параметры взаимодействия компьютера и модема. Связные программы создают ряд возможностей, упрощающих управление модемом:

хранение справочников телефонов
хранение наборов команд управления для разных модемов
макроязык для написания управляющих программ

Сетевая плата

Сетевая плата (англ. network interface card) - периферийное устройство , позволяющее компьютеру взаимодействовать с другими устройствами сети.

Классификация сетевых карт

По физической реализации сетевые платы делятся на:

внутренние - отдельные платы, вставляющиеся в PCI , ISA или PCI-E слот
внешние, подключающиеся через USB или PCMCIA интерфейс, преимущественно использовавшиеся в ноутбуках
встроенные в материнскую плату

На 10-мегабитных сетевых платах для подключения к локальной сети используются 3 типа разъемов:

8P8C для витой пары (используется для подключения ПУ)
BNC -коннектор для тонкого коаксиального кабеля
15-контактный разъем трансивера для толстого коаксиального кабеля

На 100-мегабитных платах устанавливают только разъем для витой пары ( 8P8C , ошибочно называемый RJ-45 ).

Рядом с разъемом для витой пары устанавливают один или несколько информационных светодиодов, сообщающих о наличии подключения и передаче информации.

Сетевой адаптер совместно с драйвером выполняют две операции: передачу и прием кадра. Передача кадра из компьютера в кабель состоит из перечисленных ниже этапов (некоторые могут отсутствовать, в зависимости от принятых методов кодирования): Прием кадра данных LLC через межуровневый интерфейс вместе с адресной информацией МАС -уровня. Обычно взаимодействие между протоколами внутри компьютера происходит через буферы, расположенные в оперативной памяти. Данные для передачи в сеть помещаются в эти буферы протоколами верхних уровней, которые извлекают их из дисковой памяти либо из файлового кэша с помощью подсистемы ввода/вывода операционной системы. Оформление кадра данных МАС -уровня, в который инкапсулируется кадр LLC (с отброшенными флагами 01111110). Заполнение адресов назначения и источника, вычисление контрольной суммы. Формирование символов кодов при использовании избыточных кодов типа 4В/5В. Скрэмблирование кодов для получения более равномерного спектра сигналов. Этот этап используется не во всех протоколах - например, технология Ethernet 10 Мбит/с обходится без него. Выдача сигналов в кабель в соответствии с принятым линейным кодом - манчестерским, NRZ1. MLT-3 и т. п.

Прием кадра из кабеля в компьютер включает следующие действия: Прием из кабеля сигналов, кодирующих битовый поток. Выделение сигналов на фоне шума. Эту операцию могут выполнять различные специализированные микросхемы или сигнальные процессоры DSP . В результате в приемнике адаптера образуется некоторая битовая последовательность, с большой степенью вероятности совпадающая с той, которая была послана передатчиком. Если данные перед отправкой в кабель подвергались скрэмблированию, то они пропускаются через дескрэмблер, после чего в адаптере восстанавливаются символы кода, посланные передатчиком. Проверка контрольной суммы кадра. Если она неверна, то кадр отбрасывается, а через межуровневый интерфейс наверх, протоколу LLC передается соответствующий код ошибки. Если контрольная сумма верна, то из МАС -кадра извлекается кадр LLC и передается через межуровневый интерфейс наверх, протоколу LLC . Кадр LLC помещается в буфер оперативной памяти. Распределение обязанностей между сетевым адаптером и его драйвером стандартами не определяется, поэтому каждый производитель решает этот вопрос самостоятельно. Обычно сетевые адаптеры делятся на адаптеры для клиентских компьютеров и адаптеры для серверов. В адаптерах для клиентских компьютеров значительная часть работы перекладывается на драйвер. Недостатком такого подхода является высокая степень загрузки центрального процессора компьютера рутинными работами по передаче кадров из оперативной памяти компьютера в сеть. Центральный процессор вынужден заниматься этой работой вместо выполнения прикладных задач пользователя. Поэтому адаптеры, предназначенные для серверов, обычно снабжаются собственными процессорами, которые самостоятельно выполняют большую часть работы по передаче кадров из оперативной памяти в сеть и в обратном направлении. Примером такого адаптера может служить сетевой адаптер SMS EtherPower со встроенным процессором Intel i960 . В зависимости от того, какой протокол реализует адаптер, адаптеры делятся на Ethernet-адаптеры, Token Ring -адаптеры, FDDI -адаптеры и т. д. Так как протокол Fast Ethernet позволяет за счет процедуры автопереговоров автоматически выбрать скорость работы сетевого адаптера в зависимости от возможностей концентратора.

Сетевой адаптер перед установкой в компьютер необходимо конфигурировать. При конфигурировании адаптера обычно задаются номер прерывания IRQ , используемого адаптером, номер канала прямого доступа к памяти DMA (если адаптер поддерживает режим DNf А ) и базовый адрес портов ввода/вывода.

Если сетевой адаптер, аппаратура компьютера и операционная система поддерживают стандарт Plug-and-Play , то конфигурирование адаптера и его драйвера осуществляется автоматически. В противном случае нужно сначала сконфигурировать сетевой адаптер, а затем повторить параметры его конфигурации для драйвера. В общем случае, детали процедуры конфигурирования сетевого адаптера и его драйвера во многом зависят от производителя адаптера, а также от возможностей шины, для которой разработан адаптер.

Компоненты модема:

Реализует протоколы сжатия данных и коррекции ошибок. Является связующим звеном между модемом и программным обеспечением компьютера (реализует программный интерфейс).

Осуществляет двустороннее преобразование аналогового сигнала, поступающего из линии в поток цифровых данных.

· ПЗУ (постоянное запоминающее устройство).

Микросхема памяти, хранящая в себе программу работы модема, также называемую "прошивкой". Последние модели модемов допускают обновление и перезапись прошивки модема с помощью специального программного обеспечения.

· ОЗУ (оперативное запоминающее устройство).

Микросхема оперативной памяти, хранящая данные до первого выключения питания. Предназначена для хранения и последующей обработки потока данных. Иногда в ней же хранятся текущие настройки для работы модема.

Строение модема

Во-первых, это порты ввода-вывода.

Порты ввода-вывода - это специальные схемы, с одной стороны, предназначенные для обмена данными между модемом и телефонной линией, а с другой - между модемом и компьютером. С аналоговой телефонной линией модем взаимодействует с помощью трансформатора.

Во-вторых, это сигнальный процессор, модулирующий исходящие сигналы, а также демодулирующий входящие на цифровом уровне (в соответствии с используемым протоколом) передачи данных.

В-третьих, неотъемлемой частью модема является контроллер, управляющий обменом с компьютером.

В-четвертых, каждый модем оснащен микросхемами памяти, которые бывают трех основных видов: RAM, ROM, NVRAM.

Первый вид памяти - RAM - это оперативная память модема, ее функция - буферизация принимаемых и передаваемых данных, а также работа алгоритмов сжатия.

ROM - энергонезависимая память, где хранится микропрограмма управления модемом, которая состоит из набора команд и данных управления модемом. Также прошивка включает в себя поддерживаемые коммуникационные протоколы и интерфейс.

NVRAM - энергонезависимая электрически перепрограммируемая память, в ней хранятся настройки модема.

Строение usb-модемов не такое сложное, как у обычных моделей. Некоторые usb-модемы имеют разъем под карту памяти, то есть модем может использоваться как flash-носитель.

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 модуляции;
протоколы обнаружения/коррекции ошибок;
протоколы сжатия данных;
протоколы передачи файлов.

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

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.

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:

объединение в пакеты с удалением стартовых и стоповых битов и за счет этого экономия времени передачи;
контроль правильности передачи с помощью контрольных сумм - передающая сторона формирует из потока данных отдельные блоки (пакеты) длиной от 16 до 20000 байт в зависимости от качества связи, каждый блок снабжается заголовком, содержащим проверочную информацию (например, контрольную сумму - КС блока); принимающая сторона подсчитывает КС и сравнивает с содержимым заголовка; при несовпадении выдается запрос на повтор передачи блока;
сжатие информации с помощью соответствующих методов (наиболее распространенным является BTLZ - British Telecom Lempel-Ziv method , патентованный метод компрессии, использующий принцип двумерного адаптивного кодирования, эффективность которого может доходить до 400%);
настройка на пропускную способность линии путем изменения длины передаваемого блока.

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;
Xmodem;
Ymodem;
Zmodem;
Kermit.

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.

Читайте также: