Модем. 
Современные коммуникационные устройства персонального компьютера

Модем (акроним, составленный из слов модулятор и демодулятор) — устройство, применяющееся в системах связи для физического сопряжения информационного сигнала со средой его распространения, где он не может существовать без адаптации.

Модемы первых поколений имели довольно сложные аналоговые цепи, обеспечивающие требуемые преобразования для модуляции-демодуляции. Управление модемом и некоторые функции протоколов выполнялись микроконтроллером. Современные модемы строятся иначе: аналоговые схемы используются только для телефонной сигнализации, а вся обработка для модуляции-демодуляции выполняется цифровыми методами. Для этого в состав модема входят ЦАП и АЦП. Обработку сигналов в профессиональных модемах выполняет специализированный сигнальный процессор (DSP). Общее управление модемом обеспечивает микропроцессор, в распоряжении которого имеется локальная оперативная память значительного объема. Функции модема определяются возможностями встроенного процессора и его программного обеспечения. Микропрограммное обеспечение модема (firmware) хранится в ПЗУ (EPROM) или флэш-памяти. Такое построение позволяет относительно легко наращивать функциональные возможности модема перезаписью его программного кода. Правда, эти модернизации всегда имеют предел (на каком-то этапе, например, может уже не хватать производительности DSP). Новые версии ПО модема обычно доступны через Интернет (платно или бесплатно).

Модемы обеспечивают коррекцию ошибок: обнаружение ошибок и организацию повторов на уровне обмена между модемами (протокол V.42, на базе MNP -4). Таким образом, на внешнем интерфейсе модема данные передаются без ошибок.

Для повышения эффективности использования линии модемы выполняют сжатие данных (V.42bis или V .44): в линию передаются символы, представляющие сжатый поток данных с интерфейса хоста, а на интерфейс хоста выводятся распакованные данные. Из этого следует, что внешний интерфейс должен обеспечивать скорость в несколько раз выше битовой скорости в линии (текстовые данные сжимаются до 10 раз).

Модулятор в модеме осуществляет модуляцию несущего сигнала при передаче данных, то есть изменяет его характеристики в соответствии с изменениями входного информационного сигнала, демодулятор осуществляет обратный процесс при приёме данных из канала связи. Модем выполняет функцию оконечного оборудования линии связи. Само формирование данных для передачи и обработки принимаемых данных осуществляет т. н. терминальное оборудование (в его роли может выступать и персональный компьютер).

Модемы широко применяются для связи компьютеров через телефонную сеть (телефонный модем), кабельную сеть (кабельный модем), радиоволны (en:Packet_radio, радиорелейная связь). Ранее модемы применялись также в сотовых телефонах (пока не были вытеснены цифровыми способами передачи данных).

Виды компьютерных модемов:

Рис. 1 Внешний модем U.S. Robotics Courier V34

Рис. 2 Внутренний модем для шины PCI

коммуникационный компьютер сеть модем.

Рис. 3 Аппаратный модем промышленного класса

Модемы различаются по исполнению (внешние или внутренние), по принципу работы (аппаратные или программные), по типу сети, к которой производится подключение, а также по поддерживаемым протоколам передачи данных.

Наибольшее распространение получили внутренние программные, внешние аппаратные и встроенные модемы.

По исполнению.

• · внешние — подключаются через COM-, LPT-^[1], USBили Ethernet-порт, обычно имеют отдельный блок питания (существуют и USB-модемы с питанием от шины USB).
• · внутренние — дополнительно устанавливаются внутрь системного блока или ноутбука (в слот ISA, PCI, PCI-E, PCMCIA, AMR/CNR).
• · встроенные — являются частью устройства, куда встроены (материнской платы, ноутбука или док-станции).

По принципу работы.

• · аппаратные — все операции преобразования сигнала, поддержка физических протоколов обмена производятся встроенным в модем вычислителем (например, с использованием DSP или микроконтроллера). Также в аппаратном модеме присутствует ПЗУ, в котором записана микропрограмма, управляющая модемом.
• · программные (софт-модемы, host based soft-modem) — все операции по кодированию сигнала, контролю ошибок и управлению протоколами реализованы программно и производятся центральным процессором компьютера. В модеме находятся только входные/выходные аналоговые цепи и преобразователи (ЦАП и АЦП), а также контроллер интерфейса (например, USB).
• · полупрограммные (controller based soft-modem) — модемы, в которых часть функций модема выполняет компьютер, к которому подключён модем.

По типу сети и соединения.

• · Модемы для телефонных линий:
  • o Модемы для коммутируемых телефонных линий — наиболее распространённый в XX веке и 2000;х годах тип модемов. Используют коммутируемый удалённый доступ.
  • o ISDN — модемы для цифровых коммутируемых телефонных линий.
  • o DSL — используются для организации выделенных (некоммутируемых) линий средствами обычной телефонной сети. Отличаются от коммутируемых модемов тем, что используют другой частотный диапазон, а также тем, что по телефонным линиям сигнал передается только до АТС. Обычно позволяют одновременно с обменом данными осуществлять использование телефонной линии для переговоров.
• · Кабельные модемы — используются для обмена данными по специализированным кабелям — к примеру, через кабель коллективного телевидения по протоколу DOCSIS.
• · Радиомодемы — работают в радиодиапазоне, используют собственные наборы частот и протоколы:
• · Беспроводные модемы — работают по протоколам сотовой связи (GPRS, EDGE, 3G, LTE) или Wi-Fi. Часто имеют исполнения в виде USB-брелока. В качестве таких модемов также часто используют терминалы мобильной связи. Спутниковые модемы — используются для организации спутникового Интернета. Принимают и обрабатывают сигнал, полученный со спутника. PowerLine-модемы (стандарт HomePlug) — используют технологию передачи данных по проводам бытовой электрической сети.

Рис. 4 Плата модема Acorp Sprinter@ADSL LAN120M

• 1. Порты ввода-вывода — схемы, предназначенные для обмена данными между телефонной линией и модемом с одной стороны, и модемом, и компьютером — с другой. Для взаимодействия с аналоговой телефонной линией зачастую используется трансформатор.
• 2. Сигнальный процессор (Digital Signal Processor, DSP) Обычно модулирует исходящие сигналы и демодулирует входящие на цифровом уровне в соответствии с используемым протоколом передачи данных. Может также выполнять другие функции.
• 3. Контроллер управляет обменом с компьютером.
• 4. Микросхемы памяти:
  • o ROM — энергонезависимая память, в которой хранится микропрограмма управления модемом — прошивка, которая включает в себя наборы команд и данных для управления модемом, все поддерживаемые коммуникационные протоколы и интерфейс с компьютером.
  • o NVRAM — энергонезависимая электрически перепрограммируемая память, в которой хранятся настройки модема (профиль модема). Пользователь может изменять установки, например, используя набор AT-команд.
  • o RAM — оперативная память модема, используется для буферизации принимаемых и передаваемых данных, работы алгоритмов сжатия и прочего.

Факс-модем — позволяет компьютеру, к которому он присоединён, передавать и принимать факсимильные изображения на другой факс-модем или обычный факс-аппарат. Факс-модем (fax-modem) позволяет передавать и принимать факсимильные изображения, совместимые с обычными факс-машинами. Факс-модем работает аналогично, только вместо сканирования его программная поддержка принимает графические или текстовые данные от других программ. Принятые факсы оформляются в виде файл графических форматов, доступных приложениям для дальнейшей обработки или печати.

Голосовой модем — с функцией оцифровки сигнала с телефонной линии и воспроизведения произвольного звука в линию. Часть голосовых модемов имеет встроенный микрофон. Такой модем позволяет осуществить:

• · передачу голосовых сообщений в режиме реального времени на другой удалённый голосовой модем, приём сообщений от него и воспроизведение их через внутренний динамик;
• · использование в режиме автоответчика и для организации голосовой почты.

Голосовой модем (voice modem) способен преобразовывать звуковой сигнал в цифровой вид, в котором он передается по линии связи. На приемной стороне выполняются обратные преобразования. Аудиосигнал сжимается. С помощью голосового модема могут быть реализованы звуковая почта, автоответчик и другие речевые функции. Звуковое сообщение может передаваться по электронной почте или в диалоге реального времени и воспроизводиться голосовым модемом через внутренний динамик, дополнительный телефонный аппарат или мультимедийные средства компьютера (звуковую карту). Средства обработки звуковых сигналов позволяют модему автоматически определять номер вызывающего абонента (АОН), распознавать сигналы тонального набора номера.

Модем (модулятор-демодулятор) служит для передачи информации на большие расстояния, недоступные локальным сетям, с использованием выделенных и коммутируемых телефонных линий. Модулятор поступающую от компьютера двоичную информацию преобразует в аналоговые сигналы с частотной и (или) фазовой модуляцией, спектр которых соответствует полосе пропускания обычных голосовых телефонных линий. Демодулятор из этого сигнала извлекает закодированную двоичную информацию и передает ее в принимающий компьютер. Для передачи данных на большие расстояния (в пределах всего мира) издавна используют телефонные сети общего пользования (ТФОП). Однако для непосредственной передачи цифровых данных обычные аналоговые телефонные сети непригодны — требуются модемы на сторонах обоих абонентов. Модем имеет хост-интерфейс, которым он подключается к компьютеру (или периферийному устройству), и интерфейс линии, согласованный с используемым каналом связи (телефонной линией).

Если при работе модема к линии остаются подключенными телефонные аппараты, то снятие трубки (и, тем более, попытки набора номера) могут приводить к снижению скорости и даже разрыву соединений.

Рис. 5 Функциональная схема модема

Внешние модемы, имеющие собственный корпус и блок питания, подключаются кабелем к какому-либо интерфейсу компьютера. Для их установки не требуется вскрытие системного блока. Недостатком является более высокая цена, необходимость отдельного питания и наличие на рабочем месте дополнительного устройства и кабеля. Однако только внешние модемы, как правило, являются «полноценными», то есть содержат микроконтроллер, сигнальный процессор и т. п.

Традиционный интерфейс подключения внешнего модема — COM-порт. В первых модемах выход передатчика (TxD) порта соединялся прямо с аналоговым модулятором, а вход приемника (RxD) — с выходом аналогового демодулятора. COM-порт PC поддерживает только асинхронный режим работы, и в первых протоколах модуляции он и использовался. В современных модемах передача по линии связи происходит в синхронном режиме, хотя и они могут подключаться к COMпорту. Интерфейсы независимы друг от друга, так что в качестве интерфейса подключения к хосту подходит любой интерфейс, способный передавать в обе стороны потоки данных и команд (в том числе и LPTпорт, и шина USB). Поскольку современные модемы обеспечивают сжатие данных, скорость передачи по интерфейсу с хостом может быть в несколько раз выше скорости передачи через линию. При этом интерфейс хоста может оказаться узким местом. Так, при скорости передачи в линии 33 600 бит/с и коэффициенте сжатия 10:1 (конечно, такое высокое сжатие вряд ли окажется постоянным) COMпорт с «потолком» 115 200 бит/с будет сдерживать скорость передачи данных.

Внутренние модемы устанавливаются в слот шины расширения. До недавних пор в основном использовалась шина ISA, теперь эта шина понемногу изживается, и модемы выпускают для шины PCI. Для блокнотных ПК модемы выпускают в виде карт шины PC Card (PCMCIA). Внутренний модем может быть как аппаратным («честным железным» модемом), так и программным (Win — или Softмодемом).

Модем для шины PCI может иметь аналогичную структуру, при этом PCI позволяет устанавливать произвольный базовый адрес UART и линию запроса прерывания (из-за этого возможны проблемы настройки старого коммуникационного ПО). Мощности современных ПК и пропускной способности PCI достаточно, чтобы решать часть задач управляющего и даже сигнального процессора модема на центральном процессоре. При этом аппаратная часть модема сводится к схеме сопряжения с телефонной линией, ЦАП и АЦП.

Win-модем — карта PCI, выполняющая модуляцию-демодуляцию (с точки зрения ЦП — аппаратно). При этом протоколы модема (команды, коррекция, сжатие) выполняются программно на ЦП. Это вызывает ряд проблем: драйверы неустойчивы, могут оказаться доступными только под Windows (откуда и название). Модем вызывает дополнительную загрузку ЦП, работе модема мешают другие задачи (как и он задачам). Soft-модем в этом плане еще хуже, поскольку и модуляция/демодуляция осуществляется программно (на плате модема остается только телефонная часть и АЦП/ЦАП). Win — и Softмодемы могут быть картами для AMR или CNR (специальный слот на системной плате), связанными со средствами доставки (AC — Link) AC '97.

Кабельные модемы предназначены для работы через сети кабельного телевидения (Cable Television, CATV), для которых требуется широкополосный коаксиальный кабель с импедансом 75 Ом. Передача данных ведется параллельно с видеовещанием. Эти модемы используют кабельное хозяйство операторов услуг кабельного телевидения. Как и ADSL, кабельные модемы асимметричны: скорость к пользователю может достигать десятков мегабайтов в секунду, от пользователя — значительно ниже. Развитием идеи раздельной передачи потоков является передача нисходящего потока по спутниковым каналам, но пока что это слишком дорогая технология. Кабельные модемы в основном предназначены для предоставления пользователям доступа к Интернету с высокими скоростями получения информации.

Модемы для выделенных линий. Выделенные физические линии имеют полосу пропускания гораздо более широкую, чем коммутируемые. Для них выпускаются специальные модемы, обеспечивающие передачу данных со скоростями до 2048 Кбит/с и на значительные расстояния. Модемы могут работать в синхронном или асинхронном режимах. Асинхронный режим требуется на относительно низких скоростях (до 115,2 Кбит/с).

хDSL (англ. digital subscriber line, цифровая абонентская линия) — семейство технологий, позволяющих значительно повысить пропускную способность абонентской линии телефонной сети общего пользования путём использования эффективных линейных кодов и адаптивных методов коррекции искажений линии на основе современных достижений микроэлектроники и методов цифровой обработки сигнала.