Модемы и их применение

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

по специальности:

Управление и информатика в технических системах

на тему:

Модемы и их применение

Выполнили: Буренок Н.

студент 1 курса

Проверила: Кочетова И.В.

Хабаровск - 1997



СОДЕРЖАНИЕ:

Введение

Общая характеристика

Управление модемами

2.1 Реализация управления модемами

2.2 Фактический промышленный стандарт на управление модемами

Протоколы и стандарты

3.1 Общее положение

3.2 Обзор методов эхо-компенсации

3.3 Применение протоколов других типов

3.4 Стандартизация протоколов защиты от ошибок

3.5 Фактически промышленный стандарт-протокол MNP

Сжатие данных

Взаимодействие с оконечным оборудованием

Факс-модемы

Модем как средство связи между компьютерами

7.1 Услуги

7.1.1 Передача файлов

7.1.2 Электронные доски объявлений

7.1.3 Электронная почта

Обзор выпуска модемов

Заключение

Список литературы



ВВЕДЕНИЕ

Редкий серьезный деловой человек, профессиональный программист или системный оператор может представить себе полноценную работу без использования такого мощного, оперативного и удобного сочетания как обычная телефонная линия, модем и компьютерная сеть. В то время как первые две составляющие всего лишь техническая сторона новой организации информационного обмена между пользователями, компьютерная сеть - это та глобальная идея, объединяющая разрозненных обладателей компьютеров и модемов, систематизирующая и управляющая хаотически предъявляемыми требованиями и запросами по быстрому информационному обслуживанию, моментальной обработкой коммерческих предложений, услугами личной конфиденциальной переписки и т.д. и т.п.

Сейчас, в условиях многократно возрастающих каждый год информационных потоков, уже практически невозможно вообразить четкое взаимодействие банковских структур, торговых и посреднических фирм, государственных учреждений и других организаций без современной вычислительной техники и компьютерных сетей. В противном случае пришлось бы содержать гигантский штат обработчиков бумажных документов и курьеров, причем надежность и быстрота функционирования такой системы все равно была бы значительно ниже предоставляемой модемной связью и компьютерными сетями. А ведь каждая минута задержки в пересылке важных информационных сообщений может вылиться в весьма ощутимые денежные потери и имиджевые крахи.

Без модема немыслима система электронных коммуникаций. Это устройство позволяет включиться в увлекательный, а сегодня, используя последние изобретения мира телекоммуникаций, уже и просто жизненно необходимый, мир информационных потоков, электронных баз данных, электронной почты, электронных справочников, электронных досок объявлений и многого другого. Возможности получения и обмена информацией с помощью модемов уже сегодня трудно переоценить, а то, что ждет нас завтра, мы не можем себе даже вообразить. Электронное письмо, посланное по электронной почте в любую точку земного шара, дойдет до адресата меньше, чем за два часа. Мы можем поместить какое-либо объявление или рекламу в систему телеконференции вашей сети электронной почты и эту информацию через сутки узнает весь мир (если, конечно, этого очень захотеть). Посредством модема можно, например, из Москвы подключиться напрямую к серверу в Нью-Йорке и работать с информационными базами данных, которые он содержит. Наконец, мы можем послать факс. Уже сегодня ни одна солидная брокерская контора не может обойтись без оперативного получения и передачи информации с использованием компьютерных каналов связи и, как следствие, модемов.



1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Основной задачей модема является преобразование исходной цифровой информации в вид, пригодный для передачи по каналу связи, и обратное преобразование на приеме. Вид модуляции и метод построения модема в значительной степени определяют скорость передачи данных и эффективность использования канала связи. Применительно к передаче данных по телефонным каналам, виды модуляции, используемые в модемах, регламентируются МККТТ (Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии). В Рекомендациях МККТТ определены основные технические характеристики модема, такие, как форма спектра передаваемого сигнала, структура настроечной комбинации, образующий полином скремблера (дескремблера) и другие параметры, обеспечивающие совместимость модемов, выпускаемых разными изготовителями.

Качество работы модема определяется способностью противодействовать мешающим факторам, а, именно:

- Гауссовскому шуму;

- межсимвольной интерференции, вызванной не идеальностью передаточной функции канала связи;

- флуктуациям фазы несущей частоты, обусловленным низкочастотной паразитной модуляцией в генераторном оборудовании систем передачи с частотным разделением каналов.

Поэтому для повышения качества работы модема требуется применение оптимальных (либо близких к ним) алгоритмов обработки сигналов, позволяющих уменьшить влияние мешающих факторов.

Повышение эффективности использования канала связи, т.е. удельной скорости передачи (числа передаваемых бит на единицу полосы пропускания канала связи), требует применения в модеме следующих систем:

- адаптивного корректора сигнала для уменьшения межсимвольной интерференции в принимаемом сигнале;

- дискретного (или цифрового) формирователя спектра сигнала на передаче (в качестве его дополнительной функции может быть введение предыскажений с целью компенсации межсимвольной интерференции);

- скремблера (на передаче) и дескремблера (на приеме) для преобразования исходной последовательности данных в псевдослучайную и обратного преобразования на приеме;

- системы компенсации флуктуаций фазы несущей частоты,

Соединение абонента передачи данных с телефонным каналом может осуществляться с помощью четырехпроводного окончания (главным образом с арендованными каналами) и/или двухпроводным окончанием (в основном с коммутируемыми каналами). При четырехпроводном окончании передача и прием осуществляются независимо друг от друга, а при двухпроводном окончании и работе в дуплексном режиме передатчик порождает помехи на входе своего приемника (так как объединение и разделение передачи и приема производится с помощью дифсистем, которые невозможно идеально настроить на полное подавление сигнала передатчика местного модема).

Передача данных по телефонным каналам с двухпроводным окончанием организуется с использованием одного из следующих методов:

- поочередной передачи в каждом из направлений (полудуплексный режим);

- частотного разделения направлений передачи (дуплексный режим: симметричный или асимметричный - в зависимости от равенства или неравенства скоростей передачи в разных направлениях);

- одновременной передачи в обоих направлениях с подавлением на приеме отраженного сигнала собственного передатчика (дуплексный режим с эхо компенсацией).

Модемы классифицируются, в основном, по величине скорости и типу канала, для которого они предназначены (арендованный или коммутируемый). Совместимость модемов разных изготовителей обеспечивается соответствием их нормам международных Рекомендаций серии V Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии МККТТ.

Итак, модемом называется устройство, способное осуществлять МОдуляцию и ДЕМодуляцию информационных сигналов (МОДЕМ). Собственно работа модулятора модема заключается в том, что поток битов из компьютера преобразуется в аналоговые сигналы, пригодные для передачи по телефонному каналу связи. Понятно, что демодулятор модема выполняет обратную задачу.

Таким образом, данные, подлежащие передаче, преобразуются в аналоговый сигнал модулятором модема "передающего" компьютера. Принимающий модем, находящиеся на противоположном конце линии, "слушает" передаваемый сигнал и преобразует его обратно в цифровой при помощи демодулятора. После того, как эта работа выполнена, информация может передаваться в принимающий компьютер. Режим работы, когда передача данных осуществляется только в одном направлении, называется полудуплексным (half duplex). Вообще говоря, оба компьютера, как правило, могут одновременно обмениваться информацией в обе стороны. Этот режим работы называется полным дуплексом, или просто дуплексом (full duplex).

Можно выделить некоторые основные этапы работы модема. Первым делом модем принимает данные, поступающие из компьютера, после чего разделяет их на исполняемые команды и информацию, которую надо передать в линию. Сразу же заметим, что большинство современных модемов используют так называемый набор команд AT. (сокращение от слова ATtentin). Поскольку этот набор команд был в своё время разработан фирмой Hayes Microcomputer Product, то использующие его модемы называют Hayes-совместимыми. Сегодня они составляют подавляющее большинство среди подобных устройств.

Кроме собственно модуляции и демодуляции сигналов модемы могут выполнять сжатие и декомпрессию пересылаемой информации, а также заниматься поиском и исправлением ошибок, возникнувших в процессе передачи данных по линиям связи.

Модем выполняется либо в виде внешнего устройства, которое одним выходом подсоединяется к телефонной линии, а другим к стандартному COM-поpту компьютера (pазъём RS232), либо в виде обыкновенной печатной платы, которая устанавливается на общую шину компьютеpа. Внутренние варианты модемов могут быть пpиспособлены как к обычной ISA, так и к PCI шинам.

Контpоллеp модема - это, как правило, специализированный микрокомпьютер типа SC1107 или SC1108, содеpжащий восьмиpазpядное АЛУ, ПЗУ в 8 Кбайт, ОЗУ 128 байт, таймеp, командный pегистp, контpоллеp пpеpываний, стек, поpт ввода/вывода. Если плата модема пpисоединена к системной шине ПК, то пpименяется "паpаллельный" контpоллеp SC1107. Если же плата pаботает с компьютеpом посpедством RS232, то используется "последовательный" контpоллеp SC1108. В некотоpых констpукциях pоль контpоллеpа выполняет пpоцессоp 8031 с внешним ПЗУ (i2732,2764) и микpосхемой 74LS373.

Модемы могут отличаться друг от друга, например, по методам модуляции. Ведь, как известно, у одного и того же сигнала, определяемого во времени, можно модулировать амплитуду, частоту и фазу. Наиболее известны три метода модуляции: FSK (Frequency Shift Keying), PSK (Phase Shift Keying) и QAM (Quadrature Amplitude Modulation). FSK является разновидностью частотной модуляции (ЧМ), а PSK - фазовой (ФМ).

FSK использует четыре выделенные частоты. Пpи пеpедаче инфоpмации сигнал частотой 1070 Гц интерпретируется как логический нуль, а сигнал частотой 1270 Гц - как логическая единица. Пpи приеме нуль соответствует сигналу 2025 Гц, а единица - 2225 Гц.

PSK использует две частоты: для передачи данных - 2400 Гц, для приема - 1200 Гц. Данные пеpедаются по два бита, пpи этом кодиpовка осуществляется посредством сдвига фазы сигнала. Используются следующие сдвиги фазы для кодировки: 0 градусов для сочетания битов 00, 90 гpадусов для 01, 180 гpадусов для 10, 270 гpадусов для 11.

В методе квадратной амплитудной модуляции QAM одновременно изменяются фаза и амплитуда сигнала, что позволяет передавать большее количество информации. В современных модемах используется так называемая модуляция с решёточным кодированием TCQAM (Trellis Coded QAM), или просто TCM.

Одной из основных характеристик модема является скорость модуляции, которая определяет физическую скорость передачи данных без учёта исправления ошибок и сжатия данных. Единицей измерения этого параметра является количество бит в секунду. Скорость модуляции не следует путать с пропускной способностью канала, которая может быть меньше или больше скорости модуляции в зависимости от качества линии, применения коррекции ошибок и сжатия передаваемых данных.

Поскольку скорость передачи данных может измеряться как в битах в секунду, так и в бодах. Дело в том, что бод определяет число изменений (модуляций) сигнала в секунду. Однако в зависимости от способа модуляции каждое изменение сигнала может соответствовать не только одному, но и большему количеству бит.

2. УПРАВЛЕНИЯ МОДЕМАМИ

2.1 Реализация управления модемами

Управление модемом может осуществляться как непосредственно - органами управления на лицевой панели, так и с ООД - оконечного оборудования данных (терминалов, ПЭВМ и т.п.).

Для повышения удобства и расширения возможностей ручного управления во многие модемы введены т.н. универсальные модули управления и отображения, в некоторых типах модема они являются съемными.

Такие модули имеют текстовый дисплей, позволяющий устанавливать конфигурацию модема в режиме "меню". Они создают возможность в процессе работы выполнять измерение и отображать некоторые параметры, характеризующие качество работы модема (раскрыв "глазковой диаграммы", частость ошибок, состояние цепей стыка, уровень принимаемого сигнала, сдвиг частоты принимаемого сигнала и др.), а в процессе установления соединения отображать сообщения о прохождении его отдельных этапов: набора номера, приема ответного тона, комбинации настройки.

В большинстве модемов управление соединением и установка режима работы и проверки может выполняться также с помощью органов управления и средств отображения, расположенных на лицевой панели. В качестве последних используются знаковые жидкокристаллические дисплеи (напр., в модемах VI1242PA на скорость 2400 бит/с компании Racal-Vadic и RM9636 на скорость 9600 бит/с компании Racal-Milgo)

Для управления модемом с ПЭВМ разработаны связные программы, как универсальные, так и специализированные (для отдельных модемов). В настоящее время существует значительное количество различных связных программ, как напр, Procomm, MTEZ, Bitcom, Flashlink и др.

Связные программы включены также в состав прикладных пакетов программ (например, Symphony, Framework, Smartcom II и III, Relay Gold, Lotus Express, Open Access и другие). В состав некоторых связных программ также входят программно реализуемые протоколы защиты от ошибок, такие, как Kermit (программа Bitcom), Xmodem, Ymodem (программа Flashlink) и даже протокол MNP, класс 5 (программы Flashlink, MTEZ, Bitcom).

Следует отметить, что возможно непосредственное управление модемом с ПЭВМ или терминала путем введения команд (АТ или V.25bis) по цепи 103 стыка ООД с модемом (с помощью простейшей программы управления последовательным стыком). Управление модемом с использованием набора команд АТ всегда ведется в асинхронном режиме, поэтому для обеспечения синхронного взаимодействия с ООД необходимо сначала установить соединение между модемами в асинхронном режиме, а затем либо перевести ООД в синхронный режим, либо подключить к модему синхронное ООД вместо асинхронного.

Все модемы обладают диагностическими и тестовыми возможностями, т.е. имеют встроенный генератор стандартной тестовой последовательности и индикатор ошибок, обеспечивают включение местных и удаленных цифровых и аналоговых шлейфов для самопроверки и проверки канала передачи данных. Диагностические и тестовые режимы также могут включаться как вручную (если в модеме имеются соответствующие органы управления), так и дистанционно (с ООД).

2.2 Фактический промышленный стандарт на управление модемами - набор команд АТ

В подавляющем большинстве зарубежных модемов автовызов и автоответ, а также целый ряд других "интеллектуальных" функций выполняются под управлением набора команд АТ фирмы Hayes Microcomputer Products (США).

Набор команд АТ, приводимый в инструкциях по эксплуатации зарубежных модемов (например, модема RM9632 компании Racal-Milgo) позволяет устанавливать:

1) конфигурацию модема и необходимые параметры: скорость работы, вид модуляции, режим работы;

2) режим набора номера: тональный, импульсный;

3) режим ответа модема на команды ООД и отображения ответов: кодами, словами, набор используемых команд;

4) включение и отключение функций защиты от ошибок и сжатия данных, переключение различных вариантов протоколов;

5) алгоритм управления потоком данных на стыке модем-ООД;

6) режимы обнаружения несущей, функционирования других цепей стыка;

7) режимы проверки (установление шлейфов, подключение тестера);

8) режим синхронизации модема;

9) статус команд и ответов;

10) включение, отключение и уровень громкости контрольного громкоговорителя.

11) регулирование уровня передачи.

Рассматривая набор команд AT, можно видеть, что в нем имеется значительно больше команд и возможностей управления модемом, чем в других стандартах. Практика показывает, что в большей части выпускаемых модемов используется набор команд АТ, и, в основном, в модемах европейских изготовителей наряду с этим набором применяется Рекомендация V.25bis. Хранение параметров, определяющих конфигурацию модема, осуществляется в устройствах памяти 3 типов: в ПЗУ (заводская конфигурация), в энергонезависимом ОЗУ (активная конфигурация), в обычном ОЗУ (текущая конфигурация). Изменение активной конфигурации, ее сохранение в энергонезависимом ОЗУ, а также выбор для работы параметров любого из устройств памяти производится по командам ООД.

Набор команд AT используется в следующих модификациях:

- исходный набор команд - был впервые реализован в модеме компании Smartmodem 1200 и предназначен для Hayes-совместимых модемов

- расширенный набор команд (AT plus) - предназначался для модемов по Рекомендации V.22bis (прототип - модем Smartmodem 2400 компании); традиционный набор расширен &-командами; модем содержит память конфигурации и телефоных номеров (порядка 90 команд);

- "супернабор" - базируется на расширенном наборе и поддерживает ряд новых свойств высокоскоростных модемов, таких, как управление потоком данных, протокол защиты от ошибок, изменение режима работы интерфейса, управление последовательностями вхождения в связь (в настоящее время не существует единого стандартного "супернабора").



3. ПРОТОКОЛЫ И СТАНДАРТЫ

3.1 Общее положение

Если бы не было коммуникационных стандартов, то процесс взаимодействия модемов явно напоминал бы строительство Вавилонской башни, когда ни одно из устройств не смогло бы связаться с другим. Пользователи модемов постоянно сталкиваются с такими словами, как "стандарт" и "протокол". Под протоколом в данном случае понимается некая совокупность правил, регламентирующих формат и процедуры обмена информацией. В частности, там может подробно описываться, как выполняется соединение, преодолевается шум на линии и обеспечивается безошибочная передача данных между модемами. Стандарт в свою очередь включает в себя общепринятый протокол или набор протоколов. В1964 г. крупнейшие производители модемов доверили установление соответствующих стандартов международной организации под названием CCITT (МККТТ - Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии).

Сегодня эта организация именуется Международным союзом электросвязи (International Telecommunications Union - ITU). Практически все стандарты, касающиеся модемов, установлены именно этой организацией.

В то время когда телефонная компания AT&T (а точнее, Bell System) владела монополией на телефонную связь в США, она разработала два модема, которые стали стандартами де-факто (Bell 103 и Bell 212A) для модемной связи на скоростях

300 и 1200 бит/с. B Bell 103 применялась частотная модуляция FSK. В Bell 212A нашла своё применение дифференциальная фазовая модуляция DFSK со скоростью 600 бод с передачей 2 бит на один бод (то есть 1200 бит/с.). Как уже говорилось, всю дальнейшую работу по стандартизации взяла на себя CCITT. Стандарты V.21 и V.22 были аналогичны Bell 103 и Bell 212A, но распространены только за пределами США и Канады.

Стандарт V.22bis при модуляции 600 бод определял максимальную скорость передачи данных в 2400 бит/с. Этот стандарт стал поистине международным, поскольку действовал не только в Европе, но и в США. Он специфицировал использование квадратурной амплитудной модуляции QAM, причём каждая модуляция (бод) могла соответствовать одному из 16 состояний сигнала (по фазе и амплитуде), для кодирования которых необходимы 4 бита. Нашла также применение разновидность данного метода - асимметричный дуплекс (напр., в Рекомендации V.23 - комбинация скоростей 1200/75 бит/с). Также был рассмотрен проект Рекомендации (Vasym) на модем со скоростью до 14400 бит/с в одном и до 600 бит/с в обратном каналах.

Модемы по Рекомендации V.26ter не получили широкого распространения, на начальном этапе это было вызвано конкуренцией с более простыми и дешевыми модемами по Рекомендации V.22bis. В настоящее время модемы по Рекомендации V.26ter, имеющие более высокую помехоустойчивость (в них используется метод ДОФМ), могут быть реализованы более экономично, но их не выпускают из-за несовместимости с распространенными типами модемов.

Модем на скорости 2400 Бит/с.

В модемах этого класса используется 16-позиционная квадратурная АМ (2400 бит/с) и ДОФМ(1200 бит/с). Разделение направлений передачи достигается за счет разнесения спектров передаваемого и принимаемого сигналов (несущие частоты 1200 и 2400 Гц). Применение многопозиционного метода модуляции обуславливает необходимость точного формирования спектра сигнала на передаче, использования высокоточных систем АРУ и адаптивного корректора межсимвольной интерференции в приемнике.

Необходимость адаптивной коррекции вызвана также тем, что величины искажений частотных характеристик канала связи заранее неизвестны. Дополнительно может использоваться переключаемый корректор амплитудно-частотной характеристики абонентской линии. К фильтрам предъявляются достаточно жесткие и противоречивые требования по обеспечению малой неравномерности амплитудно-частотной характеристики и характеристики группового времени передачи и быстрого нарастания затухания в полосе задерживания, что требуется для качественного разделения сигналов разных направлений передачи.

Рекомендацией предусмотрена настроечная комбинация, которая позволяет при вхождении в связь определить скорость обмена (1200 или 2400 бит/с) и быстро настроить адаптивный корректор и системы выделения синхроколебаний.

Таблица

Стандарты CCITT и Bell для передачи информации по телефонным сетям

Стандарт V.32 был основан на модуляционном методе TCQAM и определял максимальную скорость передачи данных в 9600 бит/с при скорости модуляции 2400 бод. Вообще говоря, решётчатое кодирование сигнала заключалось в добавлении ещё одного контрольного разряда к пакету из четырёх бит данных. Это, в частности, позволяло выполнять коррекцию ошибок "на лету". Таким образом, данный стандарт существенно повысил помехозащищённость данных при передаче. Кроме того, в стандарт был добавлен метод эхо-компенсации, позволяющий использовать полную полосу частотного канала.

3.2 Обзор методов эхо-компенсации

Решению задачи компенсации влияния передатчика на свой приемник (при двухпроводном окончании) посвящено большое количество работ.

В литературе место возникновения взаимных влияний (эхо) условно подразделяются на "ближнее" эхо (влияние собственной дифсистемы) и "дальнее" эхо (воздействие удаленной дифсистемы). Методы построения эхо-компенсаторов (ЭК) "ближнего" и "дальнего" эха существенно отличаются, так как "ближнее" эхо имеет малое время задержки (относительно передаваемого сигнала) и высокий уровень воздействия (уровень эхо-сигнала (ЭС) может превышать принимаемый сигнал на 30-40 дБ).

В то же время "дальнее" эхо имеет низкий уровень влияния, значительное время задержки от нескольких мс до 2с (в спутниковых каналах), а также - сдвиг по частоте. В результате, эхо-компенсатор (ЭК) должен подавлять ближний ЭС на примерно на 50-60 дБ, а дальний ЭС - на 20 дБ, но с компенсацией задержки, сдвига частоты и медленных изменений фазы. При этом ЭК должен обеспечивать высокую точность компенсации и иметь малое время настройки. Так как сквозной тракт передачи эха, в первом приближении, можно рассматривать как линейный, то в качестве ЭК нашли широкое применение адаптивные фильтры, формирующие сигнал компенсации. Наибольшее распространение получили ЭК, в которых в качестве алгоритма адаптации коэффициентов применяется метод Вайнштейна, базирующийся на использовании корреляции задержанного передаваемого цифрового сигнала с принятым сигналом для формирования реплики ЭС в основной полосе и вычитания ее из принятого сигнала в полосовой области.

Предложен также быстрый знаковый алгоритм настройки ЭК с адаптивно изменяемой величиной шага подстройки. Выполнено подробное сравнение алгоритмов работы ЭК, оценка их быстродействия и требуемой производительности процессора выполнена, выработаны рекомендации по выбору алгоритма настройки, частоты стробирования и разрядности процессора. Методам компенсации сдвига частоты ЭС, борьбы с нелинейностью амплитудных характеристик канала и с дрожаниями фазы несущей в ЭК посвящены многие работы. Исследованы вопросы проектирования, выбора структуры и практической реализации ЭК; проведено сравнение трех вариантов реализации ЭК: в области НЧ, в полосовой области, смешанного варианта. Приведены технические характеристики ЭК для модемов по Рекомендации V.32: разрядность АЦП и ЦАП, число и разрядность коэффициентов адаптивных фильтров, достигаемая степень подавления ЭС.

Модемы, соответствующие стандартам для скорости до 2400 бод, могут свободно обмениваться инфоpмацией. Следует отметить, что pекомендация CCITT V.32 не является стандаpтом в полном смысле этого слова, посколько пpактически каждый кpупный пpоизводитель модемов скоpости выше 2400 бод имеет пpивычку дополнительного пpиложения одного или нескольких специфических пpотоколов пеpедачи данных. Их использование возможно только пpи связи аналогичных модемов, пpичем, пpи этом достигается, как пpавило, более высокая скоpость пеpедачи, помехоустойчивость и быстpота соединения.

В 1991 году стандарт V.32bis стал расширением V.32 и определил скорость передачи данных в 14400 бит/с. При скорости модуляции 2400 бод каждое состояние сигнала кодировалось уже шестью битами. Методом модуляции по-прежнему являлся TCQAM.

Стоит отметить, что V.32bis поддерживает также скорости передачи 12000, 9600, 7200, 2400 бит/с.

Помимо модемов, производители которых придерживаются только международных стандартов, существуют и так называемые нестандартные модемы, которые для больших скоростей передачи используют свои собственные протоколы. Это связано с тем, что до недавнего времени максимальная скорость передачи в соответствии с V.32bis ограничивалась значением в 14,4 Кбит/с.

Например, скоростные модемы фирмы U.S.Robotics используют протокол HST (High Speed Technology), позволяющий достичь скорости обмена 16,8 Кбита/с. Данный протокол предусматривает также асимметричный режим обмена, когда один из передающих модемов работает на скорости 14,4 Кбита/с, а другой - только на 450 бит/с.

Скоростные модемы фирмы Telebit имеют собственные протоколы PEP или Turbo PEP (Packetized Ensemble Protocol) причём при применении последнего достигается скорость около 23 Кбит/с. Метод модуляции здесь основан на разбиении канала передачи на 511 очень маленьких каналов (то есть используется 511 несущих частот), работающих в одном направлении.

Достаточно популярными сейчас в нашей стране являются скоростные модемы фирмы ZyXEL, которые могут работать с использованием собственного протокола на скоростях 16,8 и 19,2 Кбита/с.

Протокол V.32 terbo (ter плюс turbo) был разработан группой компаний совместно с AT&T. Судя по названию, от планировался на смену V.32bis, однако ITU он принят не был. Используемые протоколы позволяли достигать скорости передачи данных 16,8 и 19,2 Кбита/с.

В процессе работы над новым стандартом ряд фирм стал выпускать модемы под общим названием V.fast, которые работали на скорости более 19,2 Кбита/с. В 1993 году фирма Rockwell International выпустила даже набор микросхем V.FC для класса модемов

V.fast, работающих на скоростях до 28,8 Кбита/с. Стоит, правда, отметить, что без некоторой модернизации модемы V.fast, как правило, несовместимы с модемами V.34.

Итак, летом 1994 года союз ITU принял стандарт V.34, который описывает протоколы передачи данных со скорость 28,8 Кбита/с. Заметим, что это практически предельная граница скорости на существующих телефонных линиях. Новый стандарт ввёл ряд новых методов коррекции, кодирования и управления уровнем сигнала. Модемы, соответствующие V.34, поддерживают гораздо больше методов модуляции и скорости модуляции выше 2400 бод. Одним из нововведений стало 4-мерное решётчатое кодирование сигналов.

В отличие от других стандартных модемов, которые для согласования схем модуляции применяют тональные распознавание, "рукопожатие" (handshake) модемов V.34 должно соответствовать спецификации V.8. Дело в том, что чем больше поддерживается методов модуляции, тем больше требуется времени при тональном распознавании. При соединении по V.8 модемы сначала определяют список функциональных возможностей, которые являются для них общими, затем с помощью специального сигнала тестируют характеристики конкретной телефонной линии, после чего приёмо-передающие узлы модемов начинают увеличивать скорость передачи до максимально возможной.

Заметим, что модемы стандарта V.34 создаются уже с учётом цифровых телефонных сетей нового поколения ISDN (Integrated Service Digital Network), которые призваны в будущем заменить коммутируемую телефонную сеть PSTN.

Модем на скорости 9600 Бит/с.

В модеме используется 32-позиционная или 16-позиционная квадратурная АМ при скорости манипуляции 2400 Бод. Так как спектр сигнала занимает практически всю полосу канала, на него максимально воздействуют как помехи, так и искажения частотных характеристик канала. Для подавления отраженного сигнала собственного передатчика в модеме используется эхокомпенсатор.

С целью достижения высокой достоверности передачи при относительно низкой помехоустойчивости метода модуляции в модеме применено решетчатое кодирование. Для его введения число позиций сигнала данных увеличено до 32 позиций. При этом за счет кодирования достигается значительное повышение помехоустойчивости, которая становится соизмеримой с помехоустойчивостью модема по Рекомендации V.22bis

Рекомендацией определены виды настроечных комбинаций, передаваемых при первичном и повторных вхождениях в связь. Эти комбинации обеспечивают быструю настройку автоматических систем, автоматическое определение скорости работы, необходимости включения решетчатого кодирования, задержки дальнего эхо-сигнала.

Применение целого ряда сложных автоматических систем регулирования и обработки сигнала делают модемы этого класса самыми сложными из всего парка модемов для телефонного канала.

Предусмотрен режим использования таких модемов и на арендованных каналах. Алгоритмы определения скорости и режима работы противоположного модема при вхождении в связь, позволяющие более высокоскоростным модемам адаптироваться для работы с низкоскоростными модемами приведены в новом необязательном приложении к Рекомендации V.32 (режим "multimode").

3.3 Применение протоколов других типов

Рядом изготовителей используется непосредственно протокол сети с пакетной коммутацией X.25 - протокол LAPB, что при введении в модем устройства сборки/разборки пакетов PAD позволяет реализовать (в соответствии с Рекомендацией V.110 МККТТ) взаимодействие абонентов телефонной сети и сети с пакетной коммутацией X.25.

3.4 Стандартизация протоколов защиты от ошибок

Помехи и шумы, существующие в каналах связи, приводят к ошибкам в передаваемой информации. Частость ошибок может меняться в широких пределах и достигать величины 0,01. Ранее функция защиты от ошибок выполнялась либо за счет вычислительных ресурсов оконечного оборудования данных (ООД) либо путем создания специальной аппаратуры - устройств защиты от ошибок. Высокая частость ошибок в системах передачи данных по коммутируемым каналам заставили ввести функцию защиты от ошибок и остальные функции 2 уровня эталонной модели взаимосвязи открытых систем непосредственно в модем.

С середины 80-х гг. в модемах по Рекомендации V.22bis начал широко применяться протокол MNP (Microcom Networking Protocol) компании Microcom(США). Аналогично широко распространенному протоколу HDLC, этот протокол предусматривает обнаружение ошибок с помощью кода 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). Решающую роль в этом выборе сыграла совместимость протокола LAPM с протоколами сетей с

пакетной коммутацией X.25(LAPB) и цифровых сетей интегрального обслуживания (LAPD). Исходной базой протокола LAPM является известный протокол передачи данных HDLC. 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.

Оба рассматриваемых протокола определяют как функцию защиты от ошибок, так и другие функции уровня 2 эталонной модели взаимосвязи открытых систем: установление и прекращение соединения с исправлением ошибок, обмен с ООД и др.

3.5 Фактический промышленный стандарт - протокол MNP

В настоящее время, продолжается широкое использование протокола MNP, несмотря на то, что МККТТ не предполагает в дальнейшем его развивать. Уже существует 10 классов этого протокола. Основным принципом протокола является совместимость разных классов, но нет строго иерархического деления классов. При установлении соединения производится анализ определенных параметров для определения, по какому максимальному классу они могут взаимодействовать между собой. В более старших классах сохраняются возможности младших классов, во всех классах, начиная с 3, имеется возможность асинхронной и синхронной, байт (октет)- и бит-ориентированной передачи информации в дуплексном и полудуплексном режимах.

Рассмотрим некоторые характеристики наиболее распространенных 4, 5 и 7 классов, а также самого нового 10 класса, при этом под эффективностью протокола понимается выраженное в процентах отношение средних скоростей передачи информации на стыке с ООД и в канале связи.

В классе 4, наряду с протоколом исправления ошибок используются 2 метода повышения эффективности передачи: "Адаптивное изменение длины пакетов" (Adaptive Packet Assembly) и "Оптимизация фазы данных" (Data Phase Optimisation). Посредством адаптивного изменения длины пакетов модем непрерывно приспосабливается к уровню помех в канале связи. При малом числе ошибок автоматически увеличиваются размеры пакета (максимум до 256 байтов), чтобы повысить эффективность протокола путем уменьшения относительной доли служебной информации пакета, обеспечивающей управление передачей и контроль ошибок. В случае плохого канала протокол уменьшает размеры пакета (минимум до 32 байтов), чтобы уменьшить затраты времени на повторную передачу. Оптимизация фазы данных дополнительно повышает производительность, уменьшая затраты на вспомогательную информацию, так как эта информация остается одной и той же. Эффективность этого класса достигает 120%, т.е., модем на скорость 2400 бит/с обеспечивает фактическую скорость 2900 бит/с (в основном за счет того, что в канал не передаются стартовые и стоповые биты, имеющиеся в знаках, которые поступают в модем от ООД). Данный класс протокола MNP помещен в качестве альтернативного в Приложение к Рекомендации V.42. модем цифровой протокол компьютер

В классе 5 протокола MNP в модемы вводится сжатие данных. Сжатие/расширение данных (Basic Data Compression) производится в процессе передачи с использованием адаптивного алгоритма. Например, при работе в диалоговом режиме сжатие данных ускоряет вывод информации на экран. Достигаемая степень сжатия зависит от типа передаваемого файла. Исполняемые файлы имеют наименьший коэффициент сжатия. Далее следуют файлы электронных таблиц. Наибольший коэффициент сжатия имеют текстовые файлы. Коэффициент сжатия изменяется в пределах от 1,3 до 2. Средний коэффициент сжатия составляет 1,6, а суммарная эффективность данного класса равна 200%. Таким образом, фактическая скорость передачи при использовании данного класса составляет примерно 4800 бит/с для модема на скорость 2400 бит/с.

В классе 7 применена усовершенствованная процедура сжатия данных (Enchanced Data Compression), совместимая с процедурой класса 5, но более эффективная. Коэффициент сжатия возрастает до 2,4.

Класс 10 протокола MNP обеспечивает оптимизацию передачи данных по каналам плохого качества. Указанная цель достигается, в частности, выполнением нескольких попыток соединения для выхода на канал лучшего качества, путем адаптивного изменения длины пакета в зависимости от качества канала. Этот класс протокола считается одним из наиболее перспективных для использования в сотовых сетях, а компания Rockwell International (США), лидер рынка БИС для модемов, намеревается ввести его в свои БИС, а также представить его МККТТ для стандартизации.

130 изготовителей и поставщиков сетей с дополнительными услугами успешно используют этот протокол, предполагается, что в настоящее время используется более 600 тыс. модемов, в которых реализован протокол MNP.

В настоящее время за рубежом широко используются модемы, в которых применены классы 4 и 5 протокола MNP. Более высокие классы не получили пока широкого признания.

Разработан также целый ряд новых протоколов защиты от ошибок для модемов, таких как PEP, X.PC, CAS, EFS и др. Например, протокол X.PC обеспечивает одновременное обслуживание до 15 соединений и может найти применение в сетевых серверах сетей с архитектурой " клиент-сервер".



4. СЖАТИЕ ДАННЫХ

Сжатие данных, наряду с защитой от ошибок, является той функцией, введение которой в модемы позволило значительно повысить их эффективность и, тем самым, продлить существование модемов на этапе перехода к полностью цифровым сетям. В то время, как протокол MNP (класс 5) стал фактическим промышленным стандартом на сжатие данных в модемах, МККТТ в качестве предварительной Рекомендации V.42 bis принял метод сжатия данных BTLZ (British Telecom Lempel-Ziv), разработанный компанией British Telecom.

Выбор указанного метода был сделан на основании сравнительного анализа результатов испытательной передачи определенных файлов с использованием 5 различных методов сжатия: MNP, классы 5 и 7, фирмы Microcom(США); CommPressor, фирмы Adaptive Computer Technologies(США); модифицированный алгоритм Lempel-Ziv(BTLZ), компании British Telecommunication PLC(Великобритания). Испытательные последовательности включали: текстовые файлы; электронные таблицы; записи сессий электронной почты; файлы программ для главных ЭВМ и микрокомпьютеров. На основании полученных результатов был сделан вывод, что метод BLTZ обеспечивает высокую степень сжатия и более эффективное использование памяти и ресурсов процессора.

Первым отличием алгоритма BTLZ от других алгоритмов является способ организации справочника, в котором хранятся более короткие коды, используемые для передачи вместо повторяющихся длинных отрезков данных. При других алгоритмах справочник заранее определен и хранится в ПЗУ, алгоритм BTLZ динамически формирует идентичные справочники на передающей и приемной сторонах, и последние хранятся в ОЗУ. Поэтому достигаемая степень сжатия при этом тем больше, чем больший объем памяти занят справочником, в то время, как степень сжатия при других алгоритмах ограничена фиксированным объемом справочника.

Другим преимуществом протокола BTLZ является его способность распознавать наличие последовательностей данных, близких к случайным. При обнаружении таких последовательностей алгоритм выключает механизм сжатия, продолжает контроль, и включает этот механизм при пропадании случайного характера последовательности данных. Другие рассмотренные протоколы в такой ситуации снижают пропускную способность до величины меньшей, чем даже номинальная скорость модема.

При сжатии текстов с помощью протокола BTLZ могут быть получены коэффициенты сжатия до 3, в то время, как для более регулярных данных, таких, как файлы электронных таблиц и некоторые графические файлы, коэффициент сжатия может достигать значений 4.

Данный метод сильно чувствителен к ошибкам в потоке данных, которые приводят к изменению передающего и приемного справочников. Поэтому он должен использоваться в сочетании с исправлением ошибок; по этой причине он введен как Рекомендация V.42.bis - добавление к Рекомендации V.42.

Возможны 2 варианта реализации метода: простой и сложный, последний вариант обеспечивает более высокий коэффициент сжатия информации, но требует больших аппаратных и программных затрат.

На базе стандартного тестового оборудования на моделях коммутируемых каналов с искажениями были испытаны 12 модемов разных изготовителей при различных видах передаваемых данных (тексты, графика, программы и др.). Получаемые коэффициенты сжатия для метода BTLZ были всегда лучше, чем для протокола MNP, класс 5, и сопоставимы с результатами для протокола MNP, класс 7, а в некоторых случаях даже лучше. При этом реальная скорость передачи информации составляла от 6000 до 9000 бит/с для модемов на скорость 2400 бит/с. Применение сжатия данных в модемах, соответствующих Рекомендации V.32, позволяет повышать фактическую скорость передачи информации до 38400 бит/с, а в модемах по Рекомендации V.32bis - до 57600 бит/с, т.е., до скорости, близкой к скорости передачи в цифровом канале (64000 бит/с).

Несмотря на указанные преимущества, имеются 2 причины, замедляющие широкое распространение Рекомендации V.42bis. Первая, причина, заключается в том, что отдельные алгоритмы протокола защищены патентами, являющимися собственностью компаний British Telecom, IBM и Unisys. Поэтому компании, желающие применить Рекомендацию V.42bis, должны прежде приобрести лицензии у указанных компаний.

Вторая причина связана с наличием ограничения по скорости (20 Кбит/с) на стыке с ООД (Рекомендация V.24), в то время, как при использовании сжатия данных фактическая скорость обмена может достигать значений 40-60 Кбит/с.



5. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ОКОНЕЧНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ

Взаимодействие модема с ООД нормируется рядом Рекомендаций МККТТ. В Рекомендации V.24 (она соответствует стандарту RS232 США) определены номенклатура цепей и алгоритм обмена сигналами управления, синхросигналами и информацией. Параметры сигналов, передаваемых по этим цепям, определены в Рекомендациях V.10, V.11 и V.28. Норм на взаимодействие модемов с ПЭВМ при непосредственно подключении их к шине ПЭВМ пока не имеется, хотя встраиваемые модемы широко применяются в IBM PC- и IBM PS/2-совместимых ПЭВМ

При использовании защиты от ошибок в соответствии с Рекомендацией V.42 применяется механизм обмена, регулирующий поступление данных от модема к ООД и наоборот ("управление потоком данных"), что связано с возможностью задержки передачи из-за переспросов и блокировок в модеме. Для этой цели могут использоваться цепи 106 ("Модем готов к передаче") и 133 (" ООД готово к приему"), либо

процедура XON/XOFF, при которой разрешение и запрет передачи производится с помощью комбинаций DC1 и DC3 кода ASCII, передаваемых по цепям передачи и приема данных (цепи 103 и 104, соответственно).

Проблема возникает при организации обмена данными между модемами, в которых используется протокол MNP (классы 5 и 7) или Рекомендация V.42bis, и ООД. Причиной этого является ограничение предельной скорости обмена (20 Кбит/с) на стыке между указанными устройствами, предусмотренное стандартом RS232-E или

Рекомендацией МККТТ V.28. В связи с этим организации по стандартизации начали работу по пересмотру указанных стандартов или созданию новых стандартов, а изготовители - разработку более высокоскоростного интерфейса.



6. ФАКС-МОДЕМЫ

Заметим, что сама идея передачи изображений по линиям проводной связи ненова и впервые была предложена ещё в 1842 году, а первая работающая факсимильная машина появилась на свет спустя 12 лет. Правда, затем эта идея была забыта почти на столетие.

Система, обеспечивающая электронную передачу обычного текста, чертежей, фотографий и схем, должна обеспечивать сканирование документа на передающей стороне, преобразование информации в форму, пригодную для передачи по имеющемуся каналу связи, и формирование на бумажном носителе на приемлемой стороне дубликата - факсимиле - исходного документа. Системы телефакса наиболее быстро распространились в Японии, поскольку именно там большинство передаваемых сообщений пишутся от руки.

Кроме того, распространению телефакса способствовало и то обстоятельство, что документы, традиционно отправляемые через службу доставки (чертежи, схемы, фотографии), могли теперь быть отправлены или получены почти моментально. Стоимость доставки в этом случае приблизительно равняется стоимости телефонного звонка.

Факсимильные машины стали популярны во второй половине 60-х годов, когда МККТТ принял набор стандартов для телефаксов, названных Group 1 и Group 2 (или G1, G2). Однако телефаксы, отвечающие требованиям G1 и G2, были исключительно аналоговыми и страдали неточностью передачи информации. Так, для передачи одной страницы текста форматом А4 с разрешающей способностью 4 линии на миллиметр аппаратурной группы G1 требовалось 6, а группы G2 - 3 минуты. Существенный скачок в развитии факсимильной связи произошёл в 1980 г., когда CCITT ввёл стандарт Group 3 (G3), который определял методы цифрового сканирования и сжатия информации. Иными словами, избыточность информации в сигнале снижалась ещё до её передачи. В отличие от первых аналоговых телефаксов, работающих со скоростью 300 бит/с, аппарат, отвечающий стандарту G3, передаёт информацию со скоростью 9600 бит/с, что позволяет отправлять страницу документа менее чем за минуту (обычно за 15-20 секунд). Сам процесс модуляции - демодуляции сигнала определяется стандартом V.29. Эффективные методы сжатия позволяют в некоторых случаях сократить количество передаваемой информации на 70-80%.

Телефаксы, относящиеся к стандарту G3, используют так называемое статическое кодирование. Однако в отличие от обычных методов таблицы для кодирования изображений содержат информацию не о частоте появления символов или их комбинаций, а о частоте появлений чёрно - белых линий различной длины. Например, для кодирования информации со стандартного листа формата А4 с разрешением 8 точек на 1 мм потребовалось бы около 4 Мбайт памяти. Передача такого объёма информации при отсутствии сжатия заняла бы несколько десятков минут. Однако любая содержательная строка факса состоит, вообще говоря, из отрезков чёрного и белого цветов различной длинны. Так, если взглянуть на обычную машинописную страницу, то число перемен цвета от белого к чёрному и обратно равно примерно удвоенному числу символов в строке, то есть при 80 - символьной строке переходов будет около 160. Такая схема кодирования весьма компактна, к тому же в данном случае могут учитываться их взаимосвязи между строками. Предусмотрены, например, кодовые комбинации типа "следующая строка такая же, как предыдущая" или "этот фрагмент такой же, как предыдущий". Заметим, что все вышерассмотренные алгоритмы позволяют восстанавливать сжатые данные без потерь, то есть в исходном виде.

Для стандарта Group 3 имеются два различных уровня разрешения: нормальное 203 на 98 точек/дюйм и высокое - 203 на 196 точек/дюйм. В режиме высокого разрешения время передачи обычно удваивается. Другой особенностью передачи в соответствии с G3 является автоматический протокол подстройки скорости передачи информации. Если аппарат, отвечающий стандарту G2, пытается связаться с аппаратом, выполненным в соответствии с G3, то последний автоматически снижает скорость приёма. Когда из-за плохого качества линии невозможна связь со скоростью 9600 бит/с, телефакс (G3) автоматически пробует наладить связь на скорости 7200 бит/с, затем 4800 бит/с и т.д..

Заметим, что стандарт V.29 определяет полудуплексный режим работы модема. Кроме того, процесс модуляции-демодуляции сигнала для факс-плат может определяться стандартами V.27ter (4800 бит/с) и V.17(14,4 Кбит/с).

Перспективным протоколом для телефаксов, передающих информацию по цифровым сетям связи ISDN, является стандарт Group 4 (G4), который определяет передачу изображения с разрешением 400 х 400 точек на дюйм. Однако в настоящее время подавляющее число телефаксов соответствует стандарту G3.

Вообще говоря, в состав любого телефакса входят сканер для считывания документа, модем, передающий и принимающий информацию по телефонной линии, а также принтер печатающий принимаемое сообщение на термо- или обычной бумаге. Разумеется, в платах факс-модемов такие узлы, как сканер и принтер, отсутствуют. Информация представлена только в "электронном" виде.



7. МОДЕМ КАК СРЕДСТВО СВЯЗИ МЕЖДУ КОМПЬЮТЕРАМИ

Если на одном компьютере работают хотя бы два человека, у них уже возникает желание использовать этот компьютер для обмена информацией друг с другом. На больших машинах, которыми пользуются одновременно десятки, а то и сотни человек, для этого предусмотрены специальные программы, позволяющие пользователям передавать сообщения друг другу, а администратору - оповещать пользователей о новостях в системе.

Стоит ли говорить о том, что как только появилась возможность объединять несколько машин в сеть, пользователи ухватились за эту возможность не только для того, чтобы использовать ресурсы удаленных машин, но и чтобы расширить круг своего общения.

В рамках предприятия, небольшого города или просто ограниченной местности возможно создание обычной локальной сети на базе стандаpтов Ethernet или Arcnet и их объединение посредством стандартных кабелей. Hо когда pечь заходит о соединении компьютеров, находящихся на расстоянии многих тысяч километров друг от друга, то мгновенно встает вполне разумный вопрос: а почему бы не использовать такое стаpое и пpовеpенное сpедство коммуникации, как телефонные линии? Ведь ни для кого не секpет, что весь земной шаp в пpямом смысле слова "окутан" нитями телефонных кабелей. Вот тогда и потребовалось это устройство МОдуляции/ДЕМодуляции, которое могло бы переводить информацию в сигналы определенной частоты. Впеpвые такое устройство было представлено разработчиками и стандартизовано МККТТ в 1964 году.

Параллельно с аппаратными изобретениями начали выходить в свет и программные разработки, обеспечивающие удобный, доступный и простой диалог в цепочке модем-ЭВМ-человек. Создаются программы, предназначенные для обмена сообщениями пользователей, находящихся на разных машинах. Из-за разнообразия компьютеров, операционных систем, способов соединения машин в сеть и целей, преследуемых при этом людьми, этих программ оказалось достаточно много и они не всегда совместимы между собой. Практически каждый программист способен создать подобный "почтовик", на базе которого можно было бы создать компьютерную сеть.

...