Какому типу устройств относится модем. Для чего и когда они нужны? Основные функции и типы модемов.

Вопросы

Основные функции и типы модемов.

Протоколы передачи данных.

Аппаратное обеспечение внешних и внутренних модемов.

Цели и задачи изучения темы: получение представления об устройствах преобразования сигналов - модемах, аналоговых и цифровых модемах, протоколах модемной связи, конструктивном исполнении модемов.

Изучив тему, студент должен:

знать понятие и сущность модуляции и демодуляции, аналоговых и цифровых модемах, протоколов модемной связи, конструктивного исполнения модемов

иметь представление о модемах как устройствах согласования цифровых сигналов компьютера с аналоговыми сигналами телефонной линии, протоколах модемной связи, как совокупности правил и процедур передачи данных в канале связи, протоколах сжатия и коррекции ошибок при передаче данных.

Количество видеопередач в мобильных сетях будет расти, и если в настоящее время он будет составлять от одной пятой до одной трети мобильного трафика данных, он будет более половины объема всех данных, передаваемых в мобильных сетях в течение нескольких лет. И эта тенденция определенно не остановится - напротив, она будет расти. И это уже не просто скорость передачи, но, прежде всего, транспортные возможности в мобильных сетях.

Мобильные сети должны адаптироваться к этой тенденции и оптимизировать передачу видео. Трудности возникают, когда люди хотят посмотреть потоковое шоу в какой-то момент. В основном это спортивные, новостные или культурные мероприятия. Теоретически существует множество способов эффективной передачи этих данных от источника к конечному пользователю. Практически ничто из этого - даже фиксированная сеть не готова, и хотя у нее будет много хорошо размещенных кэшей и серверов регистрации, она все равно будет двухточечной, а не идеальной точкой-многоточечной.

Изучая тему, необходимо акцентировать внимание на следующих понятиях: модем, модуляция и демодуляция, аналоговый и цифровой модем, асинхронный и синхронный модем, протоколы модемной связи, конструктивное исполнение модемов.

7.1.Основные функции и типы модемов

Когда компьютеры расположены далеко друг от друга и их нельзя соединить стандартным сетевым кабелем, связь между ними устанавливается с помощью устройств преобразования сигналов (УПС) . УПС преобразуют сигналы, поступающие от терминального оборудования, в вид, пригодный для их передачи по используемым каналам связи, и наоборот, сигналы, поступающие по каналу связи, преобразует их к виду, воспринимаемому терминальной аппаратурой. В качестве УПС обычно используют модемы. В сетевой среде модемы служат средством связи между отдельными сетями или ЛВС и отдельным миром.

Модем – это устройство прямого (модулятор) и обратного (демодуляция) преобразования сигналов, к виду, принятому для использования в определенном канале связи.

Модуляция –изменение какого-либо параметра сигнала в канале связи (модулируемого сигнала) в соответствии с текущими значениями передаваемых данных (модулирующего сигнала).

Демодуляция – это обратное преобразование модулированного сигнала в модулирующий сигнал.

Модем выполняет функции аппаратуры окончания канала данных. В качестве оконченного оборудования в канале связи обычно выступает компьютер, в котором имеется передатчик. Приемопередатчик подключается к модему через один из последовательных портов компьютера и последовательный интерфейс RS-232C, в котором обеспечивается скорость не ниже 9,6 кбит/сек на расстоянии до 15 км. Существуют различные типы модемов, поскольку каждый тип седы передачи требует различных методов передачи данных, но в первую очередь их можно разделить на:

аналоговые;

цифровые.

Аналоговые модемы

Э то самые распространенные в настоящее время модемы. Они применяются для передачи информации по аналоговым линиям связи.

Взяв за критерий синхронизацию связи модемы можно разделить на:

Асинхронные;

синхронные.

В зависимости от того, какая из разновидностей модуляции используется в модеме, различают модемы с:

частотной модуляцией;

фазовой модуляцией;

квадратурной амплитудной модуляцией.

При частотной модуляции в соответствии с текущими значениями моделирующего сигнала изменяется частота физического сигнала при неизменной амплитуде. В простейшем случае значениям 1 и 0 бит данных соответствуют два значения частот, например 980 и 1180 Гц, как было принято в одном из первых протоколов передачи данных V.21. Частотная модуляция весьма помехоустойчива, ибо при передаче искажается обычно лишь амплитуда сигнала.

При фазовой модуляции модулируемым параметром является фаза сигнала при неизменных частоте и амплитуде; помехоустойчивость фазомодулированного сигнала также устойчивая.

При квадратурной амплитудной модуляции в такт передаваемым данным изменяется одновременно и фаза и амплитуда сигнала.

Асинхронная связь – самая распространенная форма передачи данных. Причина такой популярности в том, что асинхронный метод связи использует стандартные телефонные линии.

При асинхронном методе данные передаются последовательными потоками.

Каждый символ – буква, число, или знак – раскладывается в последовательность битов. Каждая из этих последовательностей отделяется друг от друга стартовым и стоповым битом. Принимающий компьютер для управления синхронизацией использует стартовый и стоповый биты, готовясь тем самым к приему следующего байта данных.

Связь этого типа не синхронизируется. Передающий компьютер просто передает данные, а принимающий компьютер проверяет данные, чтобы убедится в том, что они приняты без ошибок При асинхронной связи управляющая информация составляет около 25% от передаваемых данных.

Для контроля ошибок при асинхронной связи обычно используются специальный бит – бит четности. Схема проверки и коррекции ошибок, которая его принимает, называется контролем четности. При контроле четности количество посланных и принятых единичных битов должно совпадать.

Синхронная связь основана на схеме синхронизации согласованной между устройствами. Её цель – выделить биты из группы при передаче их блоками. Эти блоки называются кадрами. Для синхронизации используются специальные символы. Передача завершается в конце одного кадра и начинается вновь на следующем кадре.

Этот метод более эффективен, чем асинхронная передача. В случае ошибки синхронная схема распознавания и коррекции ошибок просто повторяет передачу кадра.

Цифровые модемы

Развивающиеся цифровые технологии передачи данных, обеспечивающие значительно большие скорости передачи и качество связи, представляющие пользователям существенно лучший сервис, требуют использования модемов иного класса – цифровых. Цифровые модемы более правильно можно называть сетевыми адаптерами, ибо о классической модуляции – демодуляции сигналов в них нет – входной и выходной сигналы такого модема являются импульсы. Для цифровых модемов общепринятых стандартов работы вообще, и стандартов скорости в частности, пока не разработано.

Цифровые модемы применяются только в цифровых системах связи. Они обеспечивают значительно большие скорости передачи и качество связи.. При работе с цифровыми линиями применяется синхронный модем, а не асинхронный.

Цифровые модемы выпускаются для работы в конкретных цифровых технологиях:

кабельные модемы для работы с сетями через коммутации кабельного телевидения;

сотовые модемы для работы в системе сотовой телефонной связи;

оптоволоконные модемы для работы по волоконно-оптическим каналам связи;

спутниковые радиомодемы для приема данных через спутник;

силовые модемы для работы в сетях через систему электропитания компьютеров.

СЕТЕВЫЕ КАРТЫ

Вместо модема в локальных сетях можно использовать сетевые адаптеры (сетевые карты). Выполненные в виде карт расширения, устанавливаемых в разъем материнской платы.

Сетевые адаптеры можно разделить на две группы:

адаптеры для клиентских компьютеров;

адаптеры для серверов.

В адаптерах для клиентских компьютеров значительная часть работы по приему и передачи сообщений переключается на программу, выполняемую в ПК. Такой адаптер проще и дешевле, но он дополнительно загружает центральный микропроцессор машины.

Адаптеры для серверов снабжаются собственными процессорами, выполняющими всю нужную работу.

В качестве устройств сопряжения компьютера с аппаратурой передачи данных и с терминальными устройствами используется:

линейные адаптеры;

мультиплексоры передачи данных;

связные процессоры.

Немного истории

Вы, очевидно, знаете, что модем - это устройство, предназначенное для работы компьютера во Всемирной компьютерной сети Интернет. Появление модемов стало следствием появления глобальных компьютерных сетей. Когда были созданы первые такие сети, то, естественно, возник вопрос о возможности использования телефонных линий для передачи информации от одного компьютера к другому (ведь они уже тогда “опутывали” практически весь земной шар). Реализации этой возможности мешала следующая проблема: в компьютерах информация представлена в цифровой (двоичной) форме, а телефонные линии являются аналоговыми (по ним передается ток). Понадобилось устройство, которое бы преобразовывало сигналы из цифровой формы в аналоговую и наоборот. И такие устройства были созданы, а поскольку только что упомянутые процессы преобразования сигналов в технике называют модуляцией и демодуляцией сигнала, то их назвали модемами (МОдуляция/ДЕМодуляция).

Первые модемы передавали данные с ничтожно малой скоростью (300–2400 бит/с), не “умели” сжимать данные и корректировать ошибки. Однако свое основное назначение они выполняли исправно. Современные модемы обеспечивают гораздо большую скорость передачи данных. Применяемые в них протоколы передачи данных и коррекции ошибок обеспечивают надежную связь даже на не очень хороших телефонных линиях.

Первый модем появился в 1958 году. Американская телефонная компания AT&T ввела дейтафонное обслуживание (передача информации по телефонному каналу). Первым модемом был Bell Dataphone 103, скорость передачи которого составляла 300 бит/с. Но даже сегодня большинство модемов имеет режим работы, совместимый с Bell 103. Bell 212a предложил уже 1200 бит/с, правда был более чувствителен к шумам в телефонной линии. Менее шумочувствительный модем разработала компания Racal-Vadic. К сожалению, эти две модели модемов несовместимы. Так начиналось длительное соперничество за права и стандарты в мире модемов. С начала 90-х по середину 2000 модемы становятся неотъемлемой частью компьютера, который превратился в интеллектуальное многофункциональное устройство, предоставляющее пользователю возможность общаться с огромным миром информации со всего света. Благодаря установки модема на компьютер, последний фактически превращается в звено глобальной сети.

Принцип работы модемов

Как известно, обычный домашний телефон подключается к телефонной станции посредством двухпроводной линии связи (возможно также подключение с использованием четырех проводов, хотя оно менее популярно). Электрическая схема телефонного аппарата обеспечивает передачу сигнала по такой линии в двух направлениях, поэтому по телефону можно слушать и говорить одновременно.

В процессе передачи компьютерных данных по большинству линий связи выполняется двойное их преобразование: поток данных из компьютера побайтно преобразуется в последовательность отдельных бит, которая далее превращается в сигнал, пригодный для передачи по телефонным линиям. Принимаемые данные претерпевают обратное преобразование: из входного сигнала, приходящего по телефонной линии, они превращаются в последовательность отдельных битов, из которых впоследствии собираются байты данных.

Этот механизм иллюстрируется на рис. 1, где показан процесс передачи через телефонную линию файла с именем report.doc.

Функции преобразования байтов данных в последовательность битов, а также функции обратного преобразования выполняются в компьютере при помощи специального аппаратного устройства, называемого портом последовательной передачи данных, последовательными портами, или COM-портами (от англ. communication - связь). Обычно персональные компьютеры комплектуются двумя такими устройствами, обозначаемыми как “СОМ1” и “COM2”. Часто для сокращения порт последовательной передачи данных называют просто “СОМ-портом”, или “портом RS232” (согласно соответствующему стандарту). Название последовательный эти порты получили потому, что данные через эти порты передаются побитно, т.е. в последовательном порядке по одному биту в каждый момент времени. В основе любого СОМ-порта лежит аппаратное устройство, именуемое сдвиговым регистром. Схематично, это набор из восьми ячеек, допускающих параллельную “загрузку” байта во все ячейки сразу, а также последовательное “выталкивание” содержимого ячеек через один выход. Модель выходного сдвигового регистра, выполняющего параллельно-последовательное преобразование, показана на рис. 2.

Регистр на рисунке изображен в виде трубки с прорезями в верхней части, предназначенными для “загрузки” отдельных битов данных. Все восемь битов данных “загружаются” в трубку одновременно. Затем с помощью поршня биты данных “выталкиваются” по одному из правого отверстия трубки.

Последовательность битов после этого превращается в так называемый “несущий сигнал” синусоидальной формы, который передается по телефонным линиям.

Входной сдвиговый регистр предназначен для последовательно-параллельного преобразования. Он работает в точности наоборот: данные несущего сигнала после демодуляции вдвигаются в регистр по одному биту, а после заполнения все биты извлекаются из регистра за один прием.

В заключение заметим, что существуют различные методы модуляции (превращения последовательности битов в несущий сигнал) и демодуляции (наоборот): амплитудная, частотная и другие. Мы не будем описывать их особенности (они связаны с некоторыми вопросами из физики и радиотехники). Заметим только, что современные способы модуляции сигнала обеспечивают наибольшую скорость передачи данных 56 Кбит/сек.6, соответствующую физическому пределу пропускной способности телефонных линий.

Модем, телефонные линии и Интернет

Очень часто пользователи, которые впервые подключают свой компьютер из дома к Сети с помощью модема по телефонной линии, плохо понимают, как связаны Интернет и телефонные каналы. Главный вопрос, на который они ищут ответ: “Означает ли, что обычная телефонная розетка у меня дома - это и есть выход в Интернет?”. Нет, Интернет начинается с узла фирмы, которая предоставляет вам услуги по пользованию Всемирной сетью (так называемого провайдера), а телефонная линия - это всего лишь один из способов “дотянуться” до него. Вы можете использовать как обычную телефонную линию, так и другие виды связи между вашим компьютером и узлом провайдера - канал ISDN, ADSL, радиомодем, сотовый телефон, стекловолоконный кабель или даже спутниковую антенну, но в любом случае это лишь способы соединения с провайдером. Следует понимать, что в общем случае сеть телефонных линий и сеть Интернета - это совершенно разные коммуникационные каналы, принадлежащие разным организациям. Очень упрощенно Интернет можно представить как сеть из каналов, соединяющих разбросанные по миру сотни тысяч компьютеров, которые являются управляющими узлами (nodes) или серверами (sites) и на которых хранится информация. Хотя сама сеть Интернета не принадлежит никому, каждый из узлов или некоторую сеть узлов Интернета вместе с установленным оборудованием и каналами связи обслуживает отдельная компания, являющаяся собственником “своего участка” Интернета. Это может быть как государственная, так и коммерческая организация.

С физической точки зрения сеть каналов связи и узлов выглядит подобно сети автомобильных дорог, где есть свои скоростные автострады, магистрали федерального и местного значения и т.д., вплоть до незаметных “грунтовок”. Интернет также состоит из каналов связи различной пропускной способности, где уровню автострад соответствуют коммуникационные магистрали (backbones), которые связывают узлы (провайдеров) международного и национального масштаба, и далее постепенно “утончающиеся” каналы связи соединяют между собой узлы меньшего масштаба.

Когда вы подключаете свой компьютер к Интернету по обычной телефонной линии, это означает, что модем вашего компьютера связывается через вашу районную АТС с модемом, установленным на ближайшем узле сети, - в данном случае с модемом вашего провайдера. Это происходит так же, как если бы вы звонили туда по обычному телефону. Телефонная компания, как говорят на Западе, или районный телефонный узел, как принято говорить у нас, участвуют в представлении доступа к Интернету только “на последней миле”, зачастую сами об этом не подозревая - ведь звонок модема ничем не отличается от звонка обычного голосового телефона. И только после того, как вы с помощью модема подключились к узлу провайдера, вы получаете доступ к всевозможным ресурсам Сети.

Модем (аббревиатура, составленная из слов модулятор-демодулятор) - устройство, применяющееся в системах связи и выполняющее функцию модуляции и демодуляции. Частным случаем модема является широко применяемое периферийное устройство для компьютера, позволяющее ему связываться с другим компьютером, оборудованным модемом, через телефонную сеть (телефонный модем) или кабельную сеть (кабельный модем). Это все равно, что обычная компьютерная сеть, только скорость передачи данных значительно меньше.

Как известно, данные в компьютере представлены в цифровой форме - закодированные в виде нулей и единиц, которым физически соответствует низкий или высокий уровень напряжения. Телефонная же сеть рассчитана на передачу речевых сообщений, представляемых в форме аналоговых электрических сигналов, поэтому непосредственная передача цифровой информации через телефонную сеть невозможна. Итак, для преобразования форм представления информации необходимо некоторое устройство, включаемое между компьютером и телефонной линией. Такое устройство называют модемом (сокращение от МОДулятор-ДЕМодулятор). Процесс преобразования данных из цифровой в аналоговую форму называется модуляцией. В свою очередь, аналоговый сигнал, попав из телефонной линии на вход модема второго компьютера, преобразуется в цифровой поток данных, который принимается вторым компьютером. Процесс преобразования данных из аналоговой формы в цифровую называется демодуляцией. Таким образом, основное назначение модема - преобразование данных из цифровой формы в аналоговую, пригодную для передачи по телефонному каналу и наоборот из аналоговой в цифровую, воспринимаемую компьютером.

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. В 1964 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.

Типы модемов для компьютеров:

По исполнению:

Внешние - подключаются к COM или USB порту, обычно имеют внешний блок питания (существуют USB-модемы, питающиеся от USB и LPT-модемы).

Внутренние - устанавливаются внутрь компьютера в слот ISA, PCI, PCMCIA, AMR, CNR

Встроенные - являются внутренней частью устройства, например ноутбука или док-станции.

Беспроводной модем (модуль или шлюз) - это приёмопередатчик, использующий сети операторов мобильной связи для передачи и приёма информации. Для использования сети сотовой связи в модем обычно вставляется SIM-карта. Беспроводные модемы могут использоваться вместо обычных телефонных модемов (в банкоматах, торговых автоматах, охранных системах, системах дистанционного управления, компьютерах), а также для интеграции в программно-аппаратные комплексы. Используется в местах, где доступна мобильная связь и можно подключить ноутбук либо персональный компьютер к Интернет и отправлять электронные сообщения, пересылать, получать данные и мультимедийные файлы. Некоторые типы беспроводных модемов могут работать как телефонные шлюзы для передачи голосовых, видео и текстовых данных там, где не может быть использована традиционная фиксированная линия, или, где дешевле использовать сотовое средство сообщения.