Modemy

Do czego służy modem

Tradycyjny modem telefoniczny (MOdulation-DEModulation) stanowi zespół komunikacyjny typu DCE (Data Communication Equipment), który umożliwia połączenie urządzenia o charakterze cyfrowym (komputer) z publiczną komutowaną siecią telefoniczną (kanał analogowy). Modem dokonuje konwersji cyfrowego sygnału komputera na sygnał analogowy, przesyłany dalej przez łącza telekomunikacyjne. Modem po drugiej stronie łącza realizuje operację odwrotną – przekształca odebrany sygnał z postaci analogowej na cyfrową. Przez lata wszelkie linie telefoniczne były optymalizowane pod kątem przesyłania mowy, będąc w swojej pierwotnej postaci zupełnie nieprzydatnymi do transmisji danych. Do tego celu potrzebny jest modem, czyli urządzenie adaptujące postać dyskretnych sygnałów cyfrowych (dane z komputera) do sygnałów analogowych, akceptowanych i przenoszonych przez linie telefoniczne. Należy wyraźnie zaznaczyć, że przesyłany sygnał jest nadal cyfrowy, upodobniony tylko do analogowego w sposób zezwalający na jego transmisję w analogowym kanale telefonicznym. Sam proces takiego upodobnienia sygnału cyfrowego nazywa się modulacją.

Istnieje wiele sposobów podziału pasma komunikacyjnego modemu na kanały i przyporządkowania im różnych funkcji przenoszenia. Sposób podziału pasma jest dokładnie określony standardem telekomunikacyjnym typu V.standard oraz uzgadniany dwustronnie przy współpracy różnych typów modemów. Modemy mogą więc równocześnie nadawać i odbierać dane oddzielnymi kanałami, dysponując dwoma zmodulowanymi sygnałami nośnymi, po jednym dla każdego kanału. Aby zabezpieczyć się przed możliwością wystąpienia przesłuchu i przekłamań, obydwa kanały są rozdzielone dodatkowym pasmem ochronnym. Przez lata najwyższe szybkości w modemach analogowych wynosiły 28 800 b/s i 33 600 b/s (sprzęt m.in. firm: Hayes, Microcom, Motorola, RAD, Racal Datacom, US Robotics, Zoltrix, Zoom, Zyxel), które zastąpiły wcześniejsze modemy wąskopasmowe o przepływności binarnej 56 kb/s (U.S. Robotics, Rockwell, Lucent i in.). Ich powszechne użytkowanie rozpoczęło się dopiero w 1998 r., po zatwierdzeniu wspólnego standardu V.90.

Praca bez modemu

Łącze bez modemu (null modem, modem zerowy) zapewnia najprostszą formę transmisji w pasmie podstawowym, a tego rodzaju kabel połączeniowy nazwano modemem zerowym. Prostokątne impulsy cyfrowe są bezpośrednio prowadzone przez linię (np. telefoniczną), przy czym zbyt duża odległość lub przesyłanie zbyt krótkich impulsów (większa szybkość transmisji) powodują zniekształcenia uniemożliwiające odtworzenie po stronie odbiorcy sygnału pierwotnego. W tej metodzie transmisji nie mogą być stosowane łącza zawierające regeneratory bez wzmocnienia składowej stałej, co ogranicza transmisję do bardzo niewielkich odległości – dla lokalnych zastosowań LAN.

Modulacja w modemach jest metodą konwersji prostokątnego sygnału cyfrowego (sygnał binarny) na sinusoidalną falę nośną transmitowaną w naturalnym pasmie akustycznym linii telefonicznej nazwano modulacją. Większość modemów pracuje na zasadzie ciągłej emisji sinusoidalnej fali nośnej, której parametry są modyfikowane odpowiednio do wartości przesyłanych danych. Wartość chwilowa każdego z tych parametrów lub ich kombinacji jest uzależniona od wejściowego sygnału cyfrowego. Modyfikacja informacji jednego z trzech parametrów opisujących podstawową i harmoniczne fali nośnej (A – amplitudy, f – częstotliwości oraz Q – fazy sygnału nośnej), umożliwia uzyskanie odpowiednio trzech typów modulacji:

• modulacji amplitudy AM (Amplitude Modulation). W transmisjach cyfrowych wielkość amplitudy przebiegu nośnej ulega zmianom zgodnie ze stanem sygnału wejściowego. Przełączanie między dwoma poziomami amplitudy określa się skrótem ASK (Amplitude Shift Keying), jako kluczowanie amplitudy. Modulacja ASK jest rzadko stosowana do przesyłania danych, gdyż transmitowany sygnał jest podatny na tłumienie, co pogarsza warunki demultipleksacji w modemie odległym po drugiej stronie łącza. AM w połączeniu z modulacją fazy jest stosowana w modemach szybkich (powyżej 4800 b/s), umożliwiając uzyskanie wysokiej przepływności binarnej dzięki wielowartościowemu M-ary kodowaniu sygnału wejściowego;
• modulacji częstotliwości FM (Frequency Modulation). Ten typ modulacji w zastosowaniach do transmisji danych cyfrowych nazwano kluczowaniem częstotliwości FSK (Frequency Shift Keying). W najprostszym przypadku używane są tylko dwie częstotliwości: fL (low) – zwykle do przedstawienia stanu logicznej „jedynki” oraz fH (high) – przy interpretacji stanu „zera” sygnału wejściowego poddawanego modulacji.

Korzystając z modulacji FSK można uzyskać jedynie niewielkie szybkości transmisji: 300 b/s lub 600 b/s w trybie pracy dupleksowej, a 1200 b/s już tylko w pracy naprzemiennej (półdupleks). Praca przy większych szybkościach transmisji nie jest możliwa i wymaga stosowania bardziej wydajnych i złożonych metod modulacji. Sygnały modulowane częstotliwościowo charakteryzują się zadowalającą odpornością na zakłócenia, a dewiacja (rozsunięcie) częstotliwości może być zawarta w szerokich granicach w obrębie dostępnego pasma kanału informacyjnego. Stosowana w telekomunikacji modulacja fazy PM (Phase Modulation) dla sygnałów cyfrowych nazywa się modulacją z kluczowaniem fazy PSK (Phase Shift Keying) i ma kilka wariantowych rozwiązań używanych powszechnie w modemach o średniej szybkości od 1200 b/s do 4800 b/s, także w połączeniu z innymi rodzajami modulacji. W modulacji PSK stany charakterystyczne nośnej uzyskuje się przez przesunięcie fazy nośnej w zależności od wartości sygnału wejściowego.

Najprostsza czyli dwuwartościowa wersja modulacji PSK, obejmuje dwa znamienne stany nośnej (np. przesunięcie fazy 0 stopni i przesunięcie 180 stopni), które odzwierciedlają bezpośrednie wartości (modulacja bezpośrednia) jednego bitu danych wejściowych. Nie znalazła ona większego zastosowania w transmisji danych z powodu stosunkowo niskiej efektywności modulacji. W udoskonalonej czyli różnicowej wersji modulacji fazy, o nazwie DPSK (Differential Phase Shift Keying), charakterystyczne stany lokalnej fali nośnej modemu reprezentują zmianę wartości (modulacja różnicowa) sygnału wejściowego w stosunku do poprzedniej, a nie bezpośrednią wartość binarną modulowanego sygnału cyfrowego, jak w zwykłej modulacji PSK. Ciąg danych napływających szeregowo do modulatora DPSK jest umownie formowany w pary bitów, trójki, a nawet czwórki kolejnych bitów, tworząc integralne elementy informacyjne sygnału wejściowego, podlegające procesowi modulacji, określanej odpowiednio: czterowartościową (duobity), ośmiowartościową (trójki) lub szesnastowartościową (czwórki) modulacją różnicową DPSK – przy kodowaniu 4 bitów wejściowych. Ponieważ przesunięcie fazowe jest mało podatne na zakłócenia, modemy z różnicową modulacją fazy DPSK są bardziej odporne na zakłócenia zewnętrzne od modemów z modulacją amplitudy lub częstotliwości. Wprowadzenie ośmiowartościowej (tribits) modulacji typu DPSK, przy częstotliwości nośnej 1800 Hz i szybkości modulacji 2400 bodów, umożliwia konstrukcję modemów (działających w pasmie telefonicznym) o maksymalnej przepływności 4800 b/s, z jednym kanałem powrotnym do sygnalizacji o szybkości 75 b/s.

Rozwój technik kodowania w modemach umożliwił zwiększenie przepływności informacji kilkanaście razy w stosunku pierwszych rozwiązań modulacji: najpierw jako 1200 i 1600 później standardowo do 2400 bodów. Wzrost przepływności informacji przez kanał telefoniczny o ograniczonych parametrach (3,1 kHz) narzucał konieczność kodowania coraz większej liczby stanów znamiennych fali nośnej, zwanych konstelacją punktów charakterystycznych. Liczba punktów konstelacji nie może rosnąć nieograniczenie, gdyż w miarę powiększania konstelacji pogarsza się rozróżnialność stanów, co przy ograniczonym pasmie, zgodnie z prawem Shannona, wyznacza nieprzekraczalną granicę przepływności kanału. Modemy w poszerzonym standardzie V.34 (33 600 b/s), a zwłaszcza w standardzie V.90 (56 kb/s) już zbliżyły się do tej granicy.

Funkcje pomocnicze modemu

Funkcja retrainingu, stosowana w modemach, automatycznie adaptuje szybkość transmisji do jakości linii przesyłowej. Adaptacja ta następuje samoczynnie w górę (fall forward), jak też w dół (fall back), gdy następuje pogorszenie parametrów linii. Adaptacja szybkości dokonuje się krokami co 2400 b/s w pełnym zakresie transmitowanych szybkości: 33 600, 31 200, 28 800, 26 400, 24 000, 21 600, 19 200, 16 800, 14 400, 12 000, 9600, 7200, 4800 i 2400 b/s. Kontrola jakości linii może być prowadzona w sposób ciągły lub w określonych interwałach czasowych (w zakresie od 10 do 60 s). Funkcja retrainingu jest szczególnie przydatna w modemach działających przez płatną publiczną sieć komutowaną, umożliwiając przesyłanie danych po najniższych kosztach: przekazy są przesyłane z najwyższą akceptowalną szybkością, przy najkrótszym zajęciu łącza.

W modemach telefonicznych jest instalowana również funkcja scramblingu, wytwarzająca pozornie przypadkowe ciągi bitów na podstawie konkretnego cyfrowego sygnału wejściowego. W ten sposób unika się przesyłania przez łącze szkodliwych powtórzeń w ciągu danych, uzyskując bardziej równomierne rozłożenie energii w całym paśmie częstotliwości przeznaczonym do transmisji. Kodowanie jest odwracalne za pomocą deskramblera. Funkcje skramblera i deskramblera są zwykle wbudowane w modemach o większych szybkościach przesyłania.

Modem 56 kb/s

Technologia wąskopasmowych modemów 56 kb/s zakłada asymetrię szybkości przekazów w zależności od kierunku transmisji. Dane pochodzące ze źródeł cyfrowych (np. Internetu) i przesyłane na całej trasie łączem cyfrowym mogą osiągać maksymalną szybkość transmisji 56 kb/s. Kierunek przeciwny, zawierający konwersję analogowo-cyfrową A/C, może zapewnić najwyżej 33,6 kb/s – podobnie jak w modemach standardu V.34 – niezależnie od sposobu generowania i modulacji przesyłanych sygnałów. Modemy centralne 56 kb/s (czyli po stronie centrali), zlokalizowane w hubie po stronie dostawcy usług, w początkowej fazie negocjacji parametrów transmisji sprawdzają, czy na łączu do abonenta następuje konwersja A/C. Jeśli ją wykryją lub po drugiej stronie połączenia lokalnego nie ma zaimplementowanej technologii w standardzie V.90 (56 kb/s), ustanawiają dwukierunkową łączność w standardzie V.34 (33,6 kb/s). W technologii przekazu 56 kb/s opracowano początkowo dwa rozwiązania techniczne o identycznych zewnętrznych walorach użytkowych, lecz odmiennej strukturze wewnętrznej, praktycznie uniemożliwiającej współpracę modemów 56 kb/s wykonanych w różnych technologiach:

• w technologii X.2, implementowanej przez U.S. Robotics w modemach firmowych Courier V.Everything i Sportster najwcześniej dostępnych na rynku;
• w technologiach K56Plus i V.flex2, wprowadzanych przez Rockwell Semiconductor Systems i Lucent Technologies i wspieranych także przez innych producentów sprzętu telekomunikacyjnego (3Com, Ascend, Bay Networks, Cascade, Cisco, Compaq, Hayes, Intel, IBM, Microcom, Motorola, Racal-DataCom i Shiva).

Modem kablowy

Modem kablowy wywodzi się z adaptacji funkcji szerokopasmowych modemów radiowych do aplikacji opartych na kablu współosiowym. Modemy kablowe stosowane do dystrybucji multimedialnych sygnałów telewizji kablowej CATV (Cable Antenna Television), zwykle z wykorzystaniem technologii HFC (Hybrid Fiber Coax), umożliwiają wprowadzenie kanału zwrotnego (od abonenta do stacji centralnej) kosztem redukcji części aktywnego pasma dosyłowego. Nominalna przepływność modemów kablowych w kierunku dosyłowym mieści się w zakresie od kilkuset kb/s do kilkudziesięciu Mb/s (zwykle 10 Mb/s) z zastosowaniem różnych technik modulacji, takich jak: 64QPSK, 64QAM i coraz częściej obecnie stosowanej OFDM (Orthogonal Frequency Division Modulation). Zestaw modemów kablowych (podstawowy u abonenta i wielokrotny po stronie dostawcy) umożliwia szybką dwukierunkową transmisję danych (z kanałem zwrotnym), w nowoczesnej technologii opartej na hybrydowej HFC (Hybrid Fiber Coax) i szerokopasmowych sieciach telewizji kablowej.

Standardowe pasmo dosyłowe CATV (88–860 MHz, chociaż są też inne) przesyła sygnały od stacji czołowej do abonenta, w pasmie zwrotnym telewizji kablowej (6–65 MHz, również kilka wersji pasma) sygnały są transportowane od abonenta do stacji czołowej. Oba kierunki różnią się sposobem modulacji, zakresem dostępnych częstotliwości i oraz szerokością i liczbą transmitowanych kanałów transmisyjnych. Architektura modemów kablowych winna być zgodna z nowym ogólnoświatowym standardem DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specyfication) według bieżącej wersji 1.0, zapewniającym przeźroczystość dla protokołów IP (Internet Protocol). Zgodnie ze standardem, najnowsze wersje modemów kablowych winny zapewniać: skalowalność przepływu, asymetryczność kierunków przekazu, zwielokrotnienie kanałów i autonomiczne rozpoznawanie częstotliwości dla obydwy kierunków pracy.

Modem szerokopasmowy DSL

Modemy szerokopasmowe xDSL (Digital Subscriber Line), instalowane po stronie abonenta cyfrowych sieci szerokopasmowych, służą do przenoszenia dwóch asymetrycznych pasm o przepływności: do 8 Mb/s w kierunku abonenta i do 2 Mb/s od użytkownika do sieci. W najprostszej, często spotykanej postaci szerokość transmitowanych pasm jest ograniczona: do 6 Mb/s (niekiedy nawet 2 Mb/s) w kierunku dosyłowym do abonenta i tylko 64 kb/s dla interakcji indywidualnego abonenta w stronę sieci. Dla podstawowych usług telekomunikacyjnych typu POTS istnieje dodatkowy, nie komutowany i dwukierunkowy kanał rozmówny. Za pomocą modemów DSL są realizowane usługi multimedialne bezpośrednio w miejscu lokalizacji abonenta.

Modem SVD

Niestandardowe rozwiązania modemów wykonanych w technologii SVD (Simultaneous Voice and Data) zapewniają jednoczesną transmisję głosu i strumienia danych przez jedną linię telefoniczną. Technologia SVD obejmuje dwa odrębne systemy: analogowe ASVD (analog) i cyfrowe DSVD (digital). Modem ASVD, wylansowany przez AT&T (Lucent Technologies) pod nazwą VoiceSpan, zapewnia wydzielenie z kanału analogowego przekazów cyfrowych (faks, drukarka) o przepływności 4,8 kb/s. W modemach cyfrowych typu DSVD uzyskuje się przepływność wyższą (od 15 kb/s do 24 kb/s), również przy jednoczesnym prowadzeniu rozmów telefonicznych. Zasadniczym elementem modemów SVD jest kodek cyfrowy z kompresją oraz detekcją ciszy w linii. Maksymalna przepływność bitowa strumienia wyjściowego z kodeka (przy braku ciszy) wynosi 8,5 kb/s, co zapewnia doskonałą jakość dźwięku. W trakcie sesji łączności stosuje się modulację V.34 z negocjacją szybkości. Ze względu na niewielkie szybkości użytkowe, modemy tego typu praktycznie nie są stosowane.