Лекция: Модемы, принципы работы. Виды модуляция. Интерфейсы. (5-6 часов)

Содержание:

1)Общие сведения

2) Виды модуляции

3)Функции уровней модели взаимодействия открытых систем

4) Интерфейсы

5) Классификация модемов

6) Технологии, способствующие корректной работе модема

7) Современные модемы

1)Общие сведения

1) Аппаратуру канала данных также называют аппаратурой передачи данных (АПД). Широко используется международный термин DCE (Data Communications Equipment),

2) аппаратуры канала данных (АКД) и канала передачи. В литературе часто употребляется соответствующий международный термин — DTE (Data Terminal Equipment).

3) DCE может являться аналоговым модемом

4) Слово модем является сокращенным названием устройства, осуществляющего процесс МОдуляции/ДЕМодуляции.

Модуляцией называется процесс изменения одного либо нескольких параметров выходного сигнала по закону входного сигнала При этом входной сигнал является, как правило, цифровым и называется модулирующим. Выходной сигнал — обычно аналоговый и часто носит название модулированного сигнала В настоящее время модемы наиболее широко используются для передачи данных между компьютерами через коммутируемую телефонную сеть общего пользования (КТСОП, GTSN — General Switched Telefone Network).

Количество изменений состояния аналогового сигнала в единицу времени в канале связи, происходящее при передаче данных, называют бодом (baud). Иногда еще этой единицей измерения описывают модуляционную скорость канала передачи данных, которая определяется его полосой пропускания. Как уже говорилось выше, полоса пропускания телефонного канала связи не может превышать 3--3,5 кГц. Соответственно, модуляционная скорость таких каналов связи не может превышать 3000--3500 бод. А это означает, что если модуляционную скорость передачи данных, измеряемой в бодах, приравнять к информационной, измеряемой в bps, то максимальная скорость передачи данных по обычной аналоговой телефонной линии не может превышать 3000--3500 bps. Так оно и было на заре развития устройств передачи данных. Вспомните модемы на 2400 bps!

Однако теоретический предел информационной скорости передачи данных по аналоговым каналам связи с полосой в 3,5 кГц, вычисленный по теореме Шеннона и приблизительно равный 35 Kbps, не давал разработчикам покоя. Они стали придумывать новые методы модуляции сигнала, благодаря которым удалось поднять информационную скорость передачи данных в 8 раз и довести ее до 19200 bps при модуляционной скорости, равной 2400 бод!

2) Виды модуляции

Как такое стало возможным? Давайте вспомним немного теорию радиотехнических цепей и сигналов. Чтобы передать цифровую информацию по аналоговым каналам связи, ее сначала нужно закодировать. Для этого можно использовать амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) или фазовую (ФМ) модуляции.

Вначале разработчики остановили на частотной модуляции FSK (Frequency Shift Keying) для передачи логической 1 или логического 0 они использовали тональные сигналы фиксированных частот. Система двусторонней передачи конфигурировалась так, что тональные сигналы, передаваемые с одного конца, отличались от тональных сигналов, передаваемых с другого. Одновременная передача данных на линии была возможна благодаря тому, что частотные спектры используемых сигналов не перекрывались. Но скорость была крайне мала – с системами кодирования она достигала максимум 2400 bps (стандарт получил название V.21 (1200 bps) и V.23bis (2400 bps))

Далее разработчики остановили свой выбор на фазовой модуляции, PSK (Phase Shift Keying) поскольку ее помехоустойчивость оказалась выше предыдущего типа модуляции. Поэтому, чтобы поднять скорость передачи данных в четыре раза, достаточно было передавать два сигнала со сдвигом в 90°. Так появился протокол V. 29, в котором максимальная скорость передачи данных составила 9600 bps, т. е. четырем фазовым состояниям сигнала (0°, 90°, 180° и 270°) сопоставили четыре возможные комбинации битов 00, 01, 10 и 11 (рис. 1).

Рис.1.-Фазовая модуляция

Дальнейшее увеличение скорости передачи данных за счет уменьшения фазового сдвига сигналов оказалось весьма проблематичным, поскольку такой сложный сигнал было очень тяжело декодировать на приемном конце из-за фазовых искажений сигнала, которые напрямую связаны с качеством канала связи.

Поэтому решили остановиться на фазовом сдвиге в 90°, а дальнейшее увеличение скорости выполнить за счет амплитудной модуляции сложного сигнала (рис. 2). ASK (Amplitude Shift Keying)

Рис.2.-амплитудная модуляция сложного сигнала

Так появилась квадратурная модуляция QSK (Quadrature Shift Keying), благодаря которой удалось поднять скорость передачи данных в восемь раз! Таким образом, четырем фазовым состояниям аналогового сигнала соответствовали четыре возможные битовые комбинации, а еще два битовых состояния (0 и 1) удалось закодировать благодаря амплитудной модуляции. Но это по теории, на практике же все выглядит несколько сложнее (рис. 3).

Рис.3.-Квадратурная модуляция

Обратите внимание, что семь битовых комбинаций закодированы с помощью фазовой и только одна -- с помощью амплитудной модуляции. Причина проста -- низкая помехоустойчивость последней.

В результате появился стандарт V.32bis, в котором максимальная скорость передачи данных ограничивалась 14400 bps при модуляционной скорости в 2400 бод. Разделив 14400 на 2400, мы получим цифру 6, а не 8! Как же так? Все очень просто. Специальный сектор стандартизации ITU-T при Международном телекоммуникационном союзе, рассмотрев все предложенные варианты, выбрал из восьми возможных шесть комбинаций сигнала, которые обеспечивали максимальную помехоустойчивость на среднестатистической аналоговой телефонной линии. Кроме этого, преследовалась и еще одна цель. Ограничив стандартом V.32bis максимальную скорость передачи данных на уровне 14400 вместо 19200 bps, ITU-T хотел создать здоровую конкуренцию между фирмами--производителями модемов.