Модемные устройства систем связи

Применение многопозиционной квадратурной амплитудной модуляции (КАМ) сопряжено с проблемой недостаточной помехоустойчивости. Поэтому в современных высокоскоростных протоколах КАМ используют совместно с решетчатым кодированием — специальным видом сверточного кодирования. В результате появилась треллис-модуляция.

Сигнально-кодовые конструкции в модемах.

Выбранная определенным образом комбинация КАМ и помехоустойчивого кода относится к сигнально-кодовой конструкции (СКК). СКК позволяют повысить помехозащищенность систем передачи информации наряду со снижением требований к отношению сигнал/шум в канале на 3—6 дБ. При этом число сигнальных точек увеличивается вдвое за счет добавления к информационным битам одного избыточного, образованного путем сверточного кодирования. Расширенный таким образом блок битов подвергается КАМ. В процессе демодуляции производится декодирование принятого сигнала по алгоритму Витсрби.

Современные системы связи — это модемные технологии, реализованные под конкретные скорости и объемы передачи информации. Сведения о внутреннем устройстве и архитектуре последних моделей модемов не настолько доступны, как, например, информация об устройстве компьютеров. Одна из причин — отсутствие каких бы то ни было промышленных стандартов на конструкцию модемов. Другая причина состоит в том, что модемы строятся на наборах специализированных микросхем, которые реализуют основные функции. Это приводит к тому, что в отличных по конструкции модемах одни и те же методы и протоколы реализованы различными способами. Практически все современные модемы имеют похожие структурные схемы, содержащие (рис. 7.31):

• • порты канального и DTE — DCE интерфейсов;
• • основной или универсальный процессор (PU);
• • цифровой сигнальный процессор (ЦСП);
• • модемный процессор (МП);
• • постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, ROM)
• • перепрограммируемое запоминающее устройство (ППЗУ, ERPROM);

Рис. 731. Структурная схема современного модема

• • оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, RAM);
• • схемы индикаторов состояния модема.

Аббревиатурой DTE (data terminal equipment — оконечное оборудование передачи данных) обозначают оконечные цифровые устройства, генерирующие или получающие данные. Аббревиатурой DCE (data communication equipment — оборудование передачи данных) обозначают модемы. Линия связи в DCE — аналоговая, между DCE и DTE — цифровая.

Порт интерфейса DTE — DCE обеспечивает взаимодействие с DTE. Если для связи DTE и DCE используется унифицированный цифровой интерфейс, то это часто дает возможность связать два расположенных рядом DTE прямой цифровой линией — так называемым нуль-модемнъш кабелем. В случае разнесения DTE на большое расстояние в разрыв вместо нуль-модемного кабеля включаются пара модемов и аналоговая линия связи, обеспечивая прозрачное соединение и передачу данных.

Универсальный процессор выполняет функции управления взаимодействием с DTE и схемами индикации состояния модема. Он выполняет посылаемые DTE АТ- команды (А Г-команды представляют собой последовательности символов, начинающиеся с латинских букв АТ; они используются для настройки и управления работой модема) и управляет режимами работы остальных составных частей. Универсальный процессор отвечает за прием и выполнение команд, буферизацию, обработку некоторых данных, а также за управление сигнальным процессором. Интеллектуальные возможности модема определяются типом PU и микропрограммой управления, хранящейся в ROM.

На ДСП возлагаются задачи по реализации основных функций протоколов модуляции (кодирование сверточным кодом, относительное кодирование, скремблирование, декодирование, компрессии/декомпрессии).

МП занимается модуляцией/демодуляцией, разделением частотных полос, эхо-подавлением и т. п. В зависимости от сложности модема интеллектуальная нагрузка смещается в сторону МП. В низкоскоростных (300—2400 бит/с) модемах основную работу выполняет МП, в скоростных (4800 бит/с и выше) — ЦСП.

В ПЗУ хранятся программы для основного и сигнального микропроцессоров (СМП), а также микропрограмма управления — прошивка, включающая в себя наборы команд и данных для управления модемом. ПЗУ может быть однократно программируемым (PROM), перепрограммируемым со стиранием ультрафиолетом (EPROM) или перепрограммируемым электрически (EEPROM). Последний тип ПЗУ позволяет оперативно менять прошивки по мере исправления ошибок или появления новых возможностей. Путем замены или перепрограммирования ROM иногда можно достичь существенного улучшения свойств модема, т. е. произвести его модернизацию (апгрейд). Такого рода модернизация некоторых моделей модемов может обеспечить поддержку новых протоколов или сервисных функций, таких как автоматическое определение номера (АОН) вызывающего абонента. Для облегчения такой модернизации в последнее время вместо микросхем ROM стали широко применяться микросхемы флеш-памяти (FLASHROM). Флеш-память позволяет легко обновлять микропрограмму модема, исправляя ошибки разработчиков и расширяя возможности устройства.

ППЗУ позволяет сохранять установки модема в так называемых профайлах (профилях) на время выключения. Большинство команд изменения состояния действует только на текущий набор параметров, теряющий свои значения при отключении или сбросе модема. Содержимое текущего набора может быть записано в один из сохраненных ранее наборов в ППЗУ; кроме этого, ряд команд может непосредственно изменять содержимое ППЗУ. Обычно имеется две сохраняемые установки — основная (profile 0) и дополнительная (profile 1). По умолчанию для инициализации используется основной набор, но есть возможность переключиться на дополнительный.

ОЗУ интенсивно используют для временного хранения данных, работы алгоритмов сжатия и выполнения промежуточных вычислений как универсальным, так и цифровым сигнальным процессорами. В ОЗУ хранится также текущий набор параметров модема (active profile).

Современный телефонный модем располагает еще и аналоговой частью, ответственной за сопряжение модема с телефонной сетью, — устройство набора номера, усилитель, АЦП и ЦАП. Практически все телефонные (и другие) модемы производят обработку информации в цифровой форме, без сколь-либо сложной аналоговой предобработки, так как это позволяет добиться высокой стабильности и в значительной степени упростить разработку и анализ алгоритмов. При этом обычно частота дискретизации находится в пределах 7—12 кГц и более. Количество уровней квантования для ЦАП и АЦП современных модемов достигает десятков тысяч. Обычно, поскольку с «цифровой стороны» ЦАП и АЦП пишутся или читаются в виде числа, говорят о количестве разрядов у ЦАП/АЦП, т. е. количестве разрядов двоичного числа, требуемого для представления всех возможных уровней, например 16-разрядный АЦП может распознавать 65 536 уровней, обозначаемых числами от 32 768 до +32 767.

Классификация модемов. В настоящее время строгой классификации модемов не существует. Тем не менее можно выделить ряд их классификационных признаков: область применения; функциональное назначение; тип канала; поддержка протоколов модуляции, исправления ошибок и сжатия данных. Делят модемы и по скоростям передачи информации (14 400 бит/с, 28 800 бит/с, 33 600 бит/с, 56 Кбит/с).

По области применения модемы можно разделить на ряд основных групп:

• • для сотовых систем связи;
• • радиомодемы;
• • для пакетных радиосетей;
• • для локальных радиосетей;
• • спутниковые;
• • для цифровых систем передачи данных (ISDN);
• • кабельные;
• • для выделенных телефонных каналов (?>5Х-модемы);
• • для оптоволоконных линий.

Сотовые модемы используют для мобильной радиотелефонии. Эти модемы не содержат радиостанции (в отличие от радиомодемов), а лишь передают в нее свой сигнал. Модемы для сотовых систем связи отличаются компактностью исполнения и поддержкой специальных протоколов модуляции и исправления ошибок, позволяющих эффективно передавать данные в условиях сотовых каналов с высоким уровнем помех и постоянно изменяющимися параметрами. При пересечении границы сот (в случае сотовой связи) происходят переключение на другую радиостанцию и связанное с этим временное пропадание сигнала. Большинство обычных модемов в этих условиях или пытается возобновить соединение, или рвет его, что неправильно. За счет отражения сигнала от зданий приходят несколько сигналов и их наложения, сигнал искажается или вообще периодически пропадает. Ясно, что для такой работы нужны специальные протоколы. Ведущие производители поставляют модемы такого типа.

Радиомодемы используют свободное пространство как среду передачи сигналов. Поэтому вместо телефонного разъема радиомодем имеет антенный разъем, куда вставляется антенна или антенный кабель. Кроме того, радиомодем содержит передатчик/приемник. Радиомодем выглядит как настольный и подключается к компьютеру через стандартный интерфейс RS-232С, только имеет антенный вывод. В него подключается или штыревая антенна небольшого размера, или антенный кабель, усилитель и направленная антенна.

В современных радиомодемах стали использоваться шумоподобные сигналы, которые достаточно устойчивы к обычным помехам и ставят практически непреодолимые препятствия для перехвата данных. Однако используемая высокая частота (около 900 МГц и выше) требует прямой видимости, хотя есть возможность обойти это ограничение, построив ретрансляцию по ломаной линии.

Передачу данных в системах проводной связи абонентского доступа можно существенно улучшить с помощью модемной технологии (аппаратура «последней мили»), решив проблему увеличения скорости передачи информации на участке «абонент — станция» без замены телефонных кабелей на оптоволоконные.

Пакетные радиомодемы предназначены для передачи данных по радиоканалу между мобильными пользователями. При этом несколько радиомодемов используют один и тот же радиоканал в режиме многостанционного доступа. Радиоканал, но своим характеристикам близок к телефонному и организуется с использованием типовых радиостанций, настроенных на одну и ту же частоту в метровом или дециметровом диапазоне.

Локальные радиосети являются развивающейся перспективной сетевой технологией, дополняющей обычные локальные сети. Ключевой их элемент — специализированные радиомодемы локальных радиосетей. В отличие от пакетных радиомодемов такие модемы обеспечивают передачу данных на небольшие расстояния (до 300 м) с высокой скоростью (2—10 Мбит/с), сопоставимой со скоростью передачи в проводных локальных сетях. Кроме того, радиомодемы локальных сетей работают в определенном диапазоне частот с применением сигналов сложной формы, таких как сигналы с псевдослучайной перестройкой частоты.

Модемы для физических линий отличаются от других типов модемов тем, что полоса пропускания физических линий не ограничена значением 3,4 кГц. Однако полоса пропускания физической линии также является ограниченной и зависит в основном от типа физической среды (экранированная и неэкранированная витая пара, коаксиальный кабель и др.) и ее длины. С точки зрения используемых для передачи сигналов модемы для физических линий могут быть разделены на модемы низкого уровня и модемы основной полосы, в которых применяются методы модуляции, аналогичные применяемым в модемах для телефонных каналов. В модемах первой группы обычно используются цифровые методы биимпульсной передачи, позволяющие формировать импульсные сигналы без постоянной составляющей и часто занимающие более узкую полосу частот, чем исходная цифровая последовательность. В модемах второй группы часто используются различные виды квадратурной амплитудной модуляции, позволяющие радикально сократить требуемую для передачи полосу частот.

Модемы для передачи на короткие расстояния используют для связи между компьютерами, маршрутизаторами и другой аппаратурой цифровой связи, например внутри зданий, в границах города.

Спутниковые модемы предназначены для передачи информации по спутниковым каналам связи. Выпускаемые в настоящее время спутниковые модемы работают в различных диапазонах частот, имеют возможность перестройки и установки основных параметров, включая рабочую частоту, коэффициент усиления, выходную мощность, тин модуляции, скорость кодирования, тип скремблирования, размеры буферов для данных и т. д. Эти параметры могут изменяться с малым шагом в широком диапазоне значений.

Модемы для цифровых систем передачи данных напоминают модемы низкого уровня, однако в отличие от них обеспечивают подключение к стандартным цифровым каналам, таким как ISDN, и поддерживают функции соответствующих канальных интерфейсов.

Кабельные модемы используют для обмена данными по специализированным кабелям — к примеру, через кабель коллективного телевидения. Вместо телефонных линий кабельные модемы используют коаксиальные кабели с широкой полосой пропускания, применяемые для передачи видеоинформации. До сотни телевизионных каналов — лишь небольшая часть той информации, что фактически может быть передана в квартиру. Если бы весь кабель был использован для передачи информации, ее можно было бы получать со скоростью, превышающей 750 Мбит/с, что в тысячи раз быстрее телефонного соединения.

DAL-модемы (DSL — digital subscriber line — цифровая абонентская линия) используют для организации связи выделенные обычные телефонные линии. Абонент, пользующийся в настоящий момент обычной телефонной связью, имеет возможность с помощью технологии DSL значительно увеличить скорость соединения, например, с сетью модемов для физических линий. В результате он получает доступ в Интернет с сохранением нормальной работы телефонной связи.

Оптоволоконные модемы работают как на одномодовом, с длиной волны 860 нм, так и на многомодовом оптоволокне с длиной волны 1300 или 1550 нм:

• • 860 нм — наиболее популярны, но имеют существенное ограничение на длину кабеля — до 5 км по многомодовому кабелю. Источник излучения — светодиод;
• • 1300 нм — более универсальны — до 20 км по одномодовому волокну со светодиодом, до 50 км с применением полупроводникового лазера;
• • 1550 нм — но одномодовому волокну с применением полупроводникового лазера до 100 км. Максимальная дистанция зависит и от диаметра кабеля.

По методу передачи модемы делятся на асинхронные и синхронные. При этом обычно подразумевают передачу по каналу связи между модемами. Как правило, синхронизация реализуется одним из двух способов, связанных с тем, как работают тактовые генераторы отправителя и получателя: независимо друг от друга (асинхронно) или согласованно (синхронно).

Асинхронный режим передачи используется тогда, когда передаваемые данные генерируются в случайные моменты времени. При такой передаче приемник должен восстанавливать синхронизацию в начале каждого получаемого символа. Для этого каждый передаваемый символ обрамляется дополнительным стартовым и одним или более стоповыми битами. Такой режим часто применяют при передаче данных, но интерфейсу DTE — DCE. При передаче цифровых данных по канату связи возможности применения асинхронного режима во многом ограничены низкой эффективностью и необходимостью использования простых методов модуляции, таких как амплитудная и частотная.

Контроль ошибок. Вероятность ошибок не исключена, поэтому в асинхронной передаче используется специальный бит — бит четности. Применяемую схему проверки и коррекции ошибок называют контролем четности. Синхронный режим основан на синхронизации, согласованной между двумя устройствами. Ее цель — выделить биты из группы при передаче их блоками. Для установления синхронизации и проверки правильности работы используют специальные символы. Поскольку информационные биты находятся в синхронном режиме, стартовые и стоновые биты не нужны. Передача данных завершается в конце одного кадра и начинаются в начале другого.

Протоколы, используемые в модемах, делятся на четыре основные группы: модуляции и передачи данных; коррекции ошибок; сжатия передаваемых данных; связи DTE п DCE.

Первая группа протоколов устанавливает правила вхождения модемов в связь, ее поддержки и разрыва, параметры аналоговых сигналов, правила модуляции и кодирования. Протоколы непосредственно относятся к сигналам, передаваемым по межмодемной аналоговой линии связи. Соединение двух модемов возможно лишь в случае поддержки ими каких-либо общих или совместимых протоколов этой группы. В семиуровневой иерархии протоколов связи OSI эта группа протоколов имеет уровень 1 (физический) и формирует канал цифровой связи в реальном времени, однако не защищенный от ошибок передачи.

Вторая группа устанавливает правила обнаружения и коррекции ошибок, возникающих на этапе передачи с помощью протоколов первой группы. Эти протоколы имеют дело лишь с цифровой информацией; для проверки целостности информации она разделяется на пакеты, снабжаемые контрольными избыточными кодами. При несовпадении контрольного кода па приемном конце переданный пакет считается ошибочным и запрашивается его повторная передача. Эта группа протоколов формирует из ненадежного физического канала надежный (защищенный от ошибок) канал более высокого уровня, но это приводит к потере связи в реальном времени и дается ценой определенных накладных расходов. В модели OSI эта группа соответствует уровню 2 (канальному).

Третья группа устанавливает правила сжатия передаваемых данных. При этом на передающем конце происходят их анализ и упаковка, а на приемном — распаковка в исходный вид. Сжатие позволяет повысить скорость передачи сверх физической пропускной способности канала. Реализация сжатия требует некоторых накладных расходов на анализ информации и формирование пакетов; в случае неэффективного сжатия скорость передачи может оказаться ниже скорости физического канала.

Четвертая группа протоколов задает правила взаимодействия DTE и DCE.

Интеллектуальные возможности модемов. Сейчас модемы являются интеллектуальными устройствами, позволяющими помимо своей главной задачи — преобразования передаваемых сигналов — реализовать множество других функций, предоставляя дополнительные удобства пользователю. Эти модемы называют интеллектуальными или smart-модемами. Интеллектуальные возможности модемов реализуются благодаря наличию схемы управления, выполненной на основе того или иного микропроцессора.