Модемы и факсмодемы

Модем преобразует компьютерные данные в аналоговый или цифровой сигнал (модуляция), который может передаваться по телефонной линии и достигать другого модема. Удаленный модем переводит полученный сигнал снова в данные (демодуляция) и посылает эти данные на свой компьютер.
*

В тракт передачи входят:
терминал передачи данных DTE (Data Terminal Equipment) в данном случае — это компьютер;
оконечное оборудование данных (ООД). Термин применяется для обозначения устройств, использующих передачу данных. DTE подключается к сети передачи данных через аппаратуру передачи данных (DCE);
оборудование передачи данных. DCE (Data Communication Equipment) — аппаратура передачи данных или аппаратура коммутации данных (АПД или АКД). Это аппаратные средства, обеспечивающие установку, поддержку и разрыв соединения по сети передачи данных.
*

Структурная схема модема
*

Составляющие модема:
устройство сопряжения с каналом связи (в него входят согласующий линейный трансформатор с элементами защиты, схема набора номера, цепь определения сигнала посылки вызова и других акустических сигналов (например, сигнала "занято"), АЦП, ЦАП, фильтры передачи и приема;
цифровой сигнальный процессор (Digital Signal Processor — DSP);
контроллер протоколов и управления (с элементами памяти);
интерфейсный узел сопряжения с компьютером RS232.
*

Устройства сопряжения с каналом связи
отвечают за преобразование сигнала из цифровой формы в аналоговую, переход от четырехпроводной системы передачи к 2-х проводной и обратное преобразование.
обеспечивают модуляцию и передачу по каналу с обнаружением и обработкой ошибок.
*

Цифровой сигнальный процессор
Представляет собой устройство, обрабатывающее поступающие сигналы в реальном масштабе времени.
В модеме он обеспечивает работу алгоритмов кодировки и декодирования информации, алгоритмы авторизации и другие логические действия.
*

Протоколы -
это набор формализованных правил, процедур и спецификаций, определяющих формат и способ передачи данных.
предназначены для работы модемов по телефонным каналам.
асинхронные (протоколы V.21, V.23);
асинхронно-синхронные (протоколы V.22, V.22 bis, V.26, V.32 bis, V.34, V.90, V.92);
синхронные.
*

Основные протоколы модемов
*

V.32
наиболее распространенный протокол;
предназначен для передачи данных по двухпроводной линии в дуплексном режиме на скорости 9600 Кбит/с по нормальным коммутируемым телефонным линиям.
в большинстве случаев он оснащается средствами, выполняющими протокол сжатия данных V.42 bis (на передающем и приемном концах). Скорость передачи и приема возрастает до 38400 бит/с;
протокол предусматривает обратный канал для служебных функций, обеспечивающий скорость 4800 Кбит/с.
*

V.92
Повышена скорость в направлении от пользователя к центральному устройству до 48 Кбит/с.
Взаимодействует с протоколом сжатия V.44, разработанного для цифровых каналов. Это обеспечивает эффект сжатия 6:1, т.е. больший, чем в протоколе V.42bis. В результате реальная скорость передачи может быть поднята до 300 Кбит/с.
Стандарт включает в себя алгоритмы, известные как "Быстрое соединение" (QuickConnect), которые уменьшают время вхождения в связь двух модемов.
*

V.92
Модемы, работающие по протоколу V.92, распознают и отвечают на сигнал "посылка вызова" и устанавливают сеанс передачи данных в режим "удержание" ("onhold") до момента окончания разговора. Это свойство имитирует вторую линию, после отбоя речевого соединения сеанс восстанавливается без набора номера. Эту же услугу может обеспечить и модем с протоколом V.90, при загрузке дополнительного программного обеспечения.
*

Быстрое соединение
Установку коммутируемого сеанса "точка - точка" можно разбить на четыре этапа.
1- модем должен набрать номер и установить физическое соединение с модемом провайдера.
2- модемы должны определить и компенсировать искажения канала связи и соединиться на оптимальной скорости.
3- модемы должны установить соединение с коррекцией ошибок по протоколу V.42 с другим модемом.
4- система должна выполнить авторизацию пользователя и соединиться с сервером.
*

RS-232
наиболее популярный из последовательных интерфейсов. Этот стандарт соединения оборудования был разработан в 1969 г. рядом крупных промышленных корпораций и опубликован EIA.
разработан как стандарт для соединения компьютеров и различных последовательных периферийных устройств. Международный союз электросвязи ITU-T использует аналогичные рекомендации под названием V.24 и V.28.
*

Сигналы интерфейса RS-232
*

*
Сигналы интерфейса RS-232

ТИПЫ ЛИНИЙ СВЯЗИ
Модемы работают на трех основных типах линий связи:
аналоговые и цифровые; обычные телефонные коммутируемые каналы с набором номера;
выделенные каналы телефонных станций;
В зависимости от типа передаваемых сигналов различают два больших класса каналов связи:
цифровые;
аналоговые.
*

АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ КАНАЛЫ
Цифровой канал является битовым трактом с цифровым (импульсным) сигналом на входе и выходе канала. На вход аналогового канала поступает непрерывный сигнал, и с его выхода также снимается непрерывный.
Цифровыми являются каналы систем ИКМ, ISDN, каналы типа Т1/Е1 и многие другие. Вновь создаваемые СПД стараются строить на основе цифровых каналов, обладающих рядом преимуществ перед аналоговыми.
Аналоговые каналы являются наиболее распространенными по причине длительной истории их развития и простоты реализации.
Примером аналогового канала является канал тональной частоты (ктч), а также групповые тракты на 12, 60 и более каналов тональной частоты.
*

КОММУТИРУЕМЫЕ КАНАЛЫ
Модемы с коммутируемым каналом связи могут устанавливать двухточечные соединения через телефонные станции с любой комбинацией ручного или автоматического набора или ответа.
Качество соединения не гарантируется. Установленные связи почти всегда двухпроводные.
*

ВЫДЕЛЕННЫЕ КАНАЛЫ
Выделенные каналы (обычно с 4-мя проводами) служат для исключительного использования "арендованной линии". Выделение линии означает, что устанавливается жесткая коммутация в кросс шкафах телефонных станций.
Используются или два модема (в простом двухточечном соединении) или несколько (на многоточечной сети).
Если среда – телефонная сеть, то гарантируются амплитудные, фазово-частотные и шумовые характеристики канала, причем качество выше и стабильнее, чем для коммутируемых линий.
Если связь включает некоторую радиопередачу, то качество канала может быть переменным.
*

2-х И 4-х проводные линии
Двухпроводная линия используется или для связи только в одном направлении (от передатчика к приемнику), или для поочередной связи в двух направлениях, или для одновременной связи в двух направлениях с частотным разделением каналов.
Четырехпроводная линия - пара двухпроводных линий, одна для передачи и одна для приема, в которых сигналы в двух направлениях полностью разделены.
Линии могут быть объединены гибридную двух/четырехпроводную сеть в любой точке на пути сигнала. В этом случае несоответствия импедансов вызовут отражения и интерференцию между двумя сигналами.
*

Синхронные модемы
Суть синхронной передачи заключается в том, что одновременно с данными по дополнительной линии передаются синхроимпульсы тактирования.
Приемник после получения синхроимпульса просто считывает данные из линии данных. Очевидно, что не требуются никакие дополнительные вычисления или обработка, но на каждую сигнальную линию требуется линия тактирования.
*

Синхронные модемы
Синхронные модемы, работающие на аналоговых телефонных каналах, используются при высоких скоростях обмена до 28800 бит/сек и выше.
Обычные методы модуляции - фазовая и интегрированная фазово-амплитудная (при скоростях выше чем 4800 бит/сек).
В синхронных модемах канал может быть разбит для отдельных потребителей на различные скорости.
Модемы, которые имеют эту способность, называются SSM - Split System Modem.
В синхронных модемах используются эквалайзеры (компенсаторы), чтобы выровнять характеристики телефонных линий.
*

Компенсаторы бывают:
Фиксированный (статистический) компенсатор смещает сигнал согласно среднему из известного затухания на каждой частоте. Настройка компенсатора обычно делается у изготовителя и фиксируется на месте. Такие компенсаторы обычно используются при работе на низких скоростях в линиях с набором номера.
Вручную корректируемый компенсатор может быть настроен на оптимальную эффективность для данной линии. Он должен периодически подстраиваться для данной линии и заново настраивается при замене линии. Для настройки используются кнопки внутри модема (или на внешней панели).
*

Компенсаторы бывают:
Автоматический компенсатор автоматически настраивается при установлении соединения. В зависимости от качества линии компенсатор непрерывно (через 15-25 мс) производит опрос линии и подстраивается к измененным условиям, так что в каждый момент времени модем функционирует при оптимальных условиях.
*

Асинхронные модемы
При асинхронной передаче (передаче с нерегулярными интервалами, передаче без тактирующих импульсов) данные передаются по единственной линии.
Приемник должен определить, когда и какие данные пришли. Для этой цели приемник часто, обычно в 16 раз чаще, чем максимальное быстродействие связи, опрашивает линию. Таким образом обнаруживается момент прихода и значение данных.
*

Асинхронные модемы
Исходное состояние линии - уровень логической 1, которое называется отмеченным (Mark).
При начале передачи уровень переходит в логический 0 (пустое состояние, Space). Если линия находится в данном состоянии более определенного времени, то связь считается разорванной (Break).
После начала передачи уровнем логического 0 передается стартовый бит (Start).
На предыдущем слайде только для стартового бита изображены импульсы опроса, которые генерируются приемной аппаратурой для определении значений передаваемых бит.
*

Асинхронные модемы
За стартовым битом следуют биты данных. На слайде показан пример с 8 битами в символе с номерами от 0 до 7.
Вслед за битами данных может следовать бит четности P, если используется проверка на четность.
Завершают передачу символа один или два стоповых бита (Stop).
После этого линия опять переходит в состояние Mark.
И передатчик, и приемник должны быть настроены на одинаковый формат посылки (число бит в символе, есть/нет проверка на четность или нечетность, один/два стоповых бита) и одинаковую скорость передачи.
*

Работа асинхронного модема на двухпроводной линии
Пример использования асинхронного модема, работающего на двухпроводной телефонной линии с частотным разделением каналов приема и передачи, показан на рисунке.
*

РЕЖИМЫ РАБОТЫ МОДЕМОВ
Имеются три режима работы модемов, отличающиеся возможностями одновременной работы на прием и передачу:
полудуплексный;
дуплексный;
симплексный.
Полудуплекс означает, что сигнал может быть передан в любом направлении, но не в обоих одновременно.
Телефонный канал часто включает подавитель эха, позволяя передачу только в одном направлении. Подавители эха постепенно заменяются на эхо прерыватели, которые теоретически являются дуплексными устройствами.
*

РЕЖИМЫ РАБОТЫ МОДЕМОВ
Дуплекс означает, что сигналы могут быть переданы в обоих направлениях одновременно.
Дуплексная работа на двухпроводной линии требует способности отделения принимаемого сигнала от отражения переданного сигнала. Это обеспечивается или FDM (frequency division multiplexing - мультиплексирование разделением частот).
Термин "полный дуплекс" обычно означает, что модем может передавать и получать одновременно на полной скорости. Модемы, которые обеспечивают медленный обратный канал, иногда называются асимметричными модемами или модемами с расщепленной скоростью.
Полнодуплексные модемы не будут работатьна полудуплексных каналах.
*

РЕЖИМЫ РАБОТЫ МОДЕМОВ
Симплексный режим
В этом режиме сигнал может быть передан только в одном направлении.
Удаленный модем телеметрической системы сбора информации может быть симплексным, так как требуется передачатолько в одном направлении
*

РЕЖИМЫ РАБОТЫ МОДЕМОВ
Подавители и прерыватели эха
Эффект эха проявляется в том, что человек, говорящий в телефон, слышит свои собственные слова после короткой задержки.
Для устранения проблемы эха на линиях длиннее 2000 км устанавливаются подавители эха.
Подавитель эха - устройство, которое обнаруживает человеческую речь, исходящую из одного конца соединения, и подавляет все сигналы, идущие в ином направлении.
*

РЕЖИМЫ РАБОТЫ МОДЕМОВ
В отличие от выделенных четырехпроводных каналов (рис.5а), характерной особенностью телефонного канала КТСОП является наличие участков перехода двухпроводной части канала в четырехпроводную.
Переход осуществляется при помощи дифференциальных систем, обеспечивающих необходимое затухание по встречным направлениям передачи.
В двухпроводном телефонном канале присутствуют токи обратной связи, вызывающие искажения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик прямого и обратного каналов.
*

РЕЖИМЫ РАБОТЫ МОДЕМОВ
В качестве примера на рис.5б приведена типичная схема модемного канала с тремя дифференциальными системами и, соответственно, тремя путями прохождения эхо-сигналов.
Собственный отраженный и задержанный сигнал поступает на вход демодулятора, являясь для него помехой. Чем большей задержкой обладает эхо-сигнал, тем труднее с ним бороться.
а) c 2-х проводным окончанием;
б) с путями прохождения эхо-сигналов (1, 2, 3)
*

Для борьбы с электрическим эхом возможно использование следующих методов:
частотное разделение каналов; применение самобалансирующихся дифференциальных систем;
компенсация эхо-сигнала.
*

Для борьбы с электрическим эхом возможно использование следующих методов:
Подавители эха предотвращают полнодуплексную передачу данных, которая без них была бы возможна даже на местной двухпроводной линии за счет распределения части полосы частот на прямой канал и части на обратный канал. Подавители эха создают помехи, так как на переключения направлений требуется время. Одновременный разговор полностью путает подавители эха и ослабление может быть неоднократно включено в обоих направлениях.
*

Для борьбы с электрическим эхом возможно использование следующих методов:
Для разрешения этих проблем, когда подавители эха обнаруживают специфический тон, они выключаются и остаются выключенными, пока присутствует несущая.
Подавители эха постепенно заменяются на прерыватели эха (Echo Canceler), которые позволяют некоторый объем двойного разговора и не требуют времени "перекрытия" для любого источника разговора, чтобы воспринять управление соединением.
*

Алгоритмы работы модема при исходящем соединении
*

*

*

Алгоритм работы модема при входящем соединении
*

*