Назначение, функционал и параметры модема

Модем – устройство, принимающее и передающее сигнал. Характерная особенность: речь обычно касается исключительно компьютерных технологий, аналоговые тандемы именуют приёмопередатчиками. Цифровые системы используют преимущественно два диапазона: радио, оптический. Связь применяется проводная, беспроводная. Сообразно этой градации созданы обсуждаемые приёмопередающие устройства. Этимология термина образована названиями двух противоположных по смыслу процессов: модуляция, демодуляция. На компьютере используют сегодня исключительно цифровые сигналы.

Процесс модуляции обеспечивает выживаемость информации в среде. Первым быстрое затухание низких частот заметил Попов. Русский исследователь догадался изменять параметры электромагнитного колебания согласно закону передаваемой информации. Процесс получил название модуляции. Попов использовал амплитудную, полвека спустя появилась частотная, сегодня к компьютеру бегут слова преимущественно кодово-импульсной модуляции, введённой в обиход ведшими военные против стран ОСИ действия американцами. Описание системы Зелёный шершень общедоступно.

Принцип действия

Любая среда образована частицами, молекулами. Механические волны вызывают периодические циклические сдвиги веществ. Природа электромагнитных колебаний, механизм возникновения сегодня ещё не объяснены. Однако свойства, характеристики распространения отлично изучены. Средами выступают (преимущественно):

1. Атмосфера Земли.
2. Медь.
3. Оптическое стекло.

Созданы многочисленные виды модемов, осуществляющие преобразование протоколов: Wi-Fi, 4G, Ethernet. Начальным и конечным сигналом всегда является последовательность импульсов цифровой информации. Ими манипулируют процессор, фронтальная шина, оперативная память. Однако спектр цифрового сигнала плохо преодолевает среду: медную жилу, эфир. Волокно PON электромагнитные колебания вовсе бессильны пройти, здесь уже требуется свет, либо близкие диапазоны (инфракрасный, ультрафиолетовый).

Характеристики среды

Медный кабель характеризуется волновым сопротивлением (линии). На больших частотах подавляющее влияние оказывают паразитные составляющие импеданса:

• Собственная ёмкость.
• Индуктивность.

Сказанное обусловливает наличие резонансных характеристик системы. Проще говоря, существует некая частота которая отлично проходит сквозь витую пару, коаксиал, кабель связи. Если централизовать спектр сигнала относительно этого пика, дальность сети сильно повышается. Аналогичную картину демонстрирует оптическое волокно, также наделённое частотным характеристиками. Сказанное объясняет необходимость конструирования преобразователей, реализуемых производителями через модемы.

Термины

Модуляция – процесс изменения параметров несущей частоты согласно информационному сообщению.

Демодуляция – извлечение заложенного передающей стороной сигнала для последующего использования.

Модулированный сигнал отлично распространяется вдоль кабеля, оптического волокна (свет), эфира. Модем приёмной стороны производит демодуляцию.

Радиосигнал – несущая частота, модулированная информацией.

Видеосигнал – типичные импульсы прямоугольной формы.

Используемые среды

Постоянная конкуренция заставляет производителей двигаться. Выдающим сертификаты организациям постоянно поступают новые образцы. Последняя версия Wi-Fi… битрейтом обогнала гигабитный Ethernet. Релиз IEEE 802.3an-2006 обеспечивает вдесятеро большую скорость на дистанции 100 метров. Имеются дальнобойные варианты.

В один год с выходом IEEE 802.3an создали группу, задумавшую покорить рубеж 100 Гбит/с. Первые версии Ethernet (10 Мбит/с) пользовались коаксиальным кабелем, последующие стали задействовать витую пару, оптоволокно. Повышение частоты сильно увеличивает пропускную способность канала. Названное свойство стало основной причиной использования светодиодов.

Стандарты IEEE 802.3a

Аналогично повышается частота эфирных волн. Первоначально Wi-Fi задействовал область 900 МГц, затем стандартами стали:

1. 2,4 ГГц.
2. 5 ГГц.

Сегодня наблюдается тенденция освоения участка 60 ГГц. Антенны роутеров работают параллельно, информация передаётся четырьмя, восемью потоками.

Ключевое отличие модемов

Внимательный читатель заметит, что частенько компьютерные коммуникации несут голый цифровой сигнал, лишённый несущей (например, канал монитора). Русскоязычные источники приводят пример отличия роутера от модема:

Маршрутизатор зачастую лишён модулирующих, демодулирующих устройств, занимается исключительно перенаправлением потока данных.

Напоминает бред? Однако ответ частично верный.

Трудности классификации

Отсутствие необходимости использования несущей существенно ускоряет процесс передачи информации. Ассоциативная оперативная память роутера увеличивает быстродействие. Однако англоязычный домен Википедии (en.wikipedia.org/wiki/Modem) следующим образом описывает ситуацию, касающуюся первых реализаций Ethernet (10 Мбит/с):

«Часто даже при установке кабеля возникает необходимость использования радиосигналов (модуляции). Коаксиал снабдил разработчика неимоверной полосой пропускания, однако затухание цифрового видеосигнала становится грандиозной проблемой. Используя модем, получаем битрейт намного выше. Кабельное телевидение, интернет чаще оперируют радиосигналами, обеспечивая удовлетворение потребностей растущей клиентской базы. Одновременно становится возможным частотное разделение каналов – полный дуплекс обеспечивается единственной линией.»

Вторым аспектом является методика Ethernet, касающаяся предотвращения коллизий. Страна, собирающаяся передать сообщение, прежде проверяет отсутствие несущей. Вдумайтесь, это интерфейс RJ45: сетевая карта, роутер, линия, соединяющая ADSL-модем с ПК. Именно систему «1-настойчивый CSMA» употребляет протокол Ethernet.

Протокол Ethernet

Знаете, любые обзоры, касающиеся темы, упускают важную деталь. Где именно устройства ловят несущую, что за несущая? Мобильные сети первого поколения, например, использовали отдельную частоту, вынесенную за основную полосу канала. Основываясь на таком положении вещей, многие стали уравнивать модем и сетевую карту Ethernet.

Ответ

Ответ скрывает само название технологии Ethernet. Оно включает слово BASE, означающее: Baseband signalling.

Биты проходят шифрование 4B5B, производится формовка импульсов, затем кодирование NRZI. Результирующий сигнал просто передаётся кабелю. Для 100BASE-T средняя частота выходит 31,5 МГц. Получившийся спектр по непонятной причине литература называет несущей, хотя кабель передаёт типичный видеосигнал. Именно его пытается уловить оборудование перед началом передачи. Никакой несущей здесь нет!

Как классифицировать

Модем всегда осуществляет преобразование сигнала. Для медной жилы процесс не очевидный – отсутствует факт смены среды. Поэтому типичный порт RJ45 (8p8c) нельзя называть модемом. Внутри ПК латунные шины, снаружи – витая пара. Подключение оптического волокна, использование эфира, наоборот, всегда имеет отношение к модему.

1. Светодиод нужен для преобразования электрические колебания-свет.
2. Антенны USB-адаптера Wi-Fi занимаются излучением эфирных волн.

Приёмная сторона выполняет аналогичные преобразования. Именно вопрос скорости выступает первопричиной использования провайдерами повсеместно PON при покрытии последней мили доступа к интернету преимущественно витыми парами. Согласно общедоступным источникам:

Модемом принято называть модулятор-демодулятор проводной связи.

Беспроводные скорее являются трансиверами, приёмопередатчиками. Проще говоря, отсутствует элементарная теоретическая база, подпирающая развитие отечественных сетевых технологий.

Внимание, вопрос

Как тогда трактовать оптоволоконные технологии Ethernet? Название BASE сохраняется инерционно. Подразумевается отсутствие дополнительных преобразований спектра относительно вариантов с витой парой, помимо выполняемых светодиодом. Частота субмиллиметрового диапазона автоматически выступает несущей. Поэтому любой роутер, содержащий оптоволоконный порт, можно (и нужно) назвать модемом. Хотя формально остаётся сигнализация видеосигналом (Baseband).

Окончательное разграничение

Учитывая сказанное выше, модемом однозначно назовём устройства:

• Беспроводной связи. Поскольку излучается радиоволна.
• Оптоволоконные. Происходит преобразование сигнала на границе двух разнородных сред проводник-стекло.
• Выполняющие модуляцию/демодуляцию внутри медных сетей: ADSL, Dial-up и другие. Ethernet (RJ45) сюда по большей части не относится.

История dial-up: телефонные линии

Википедия склонна считать модемами первые мультиплексоры. Например, устройства, использовавшие (вторая половина XIX века) трансатлантический кабель. Однако мы считаем столь вольную трактовку излишней. Первые системы управлялись исключительно током, сигналами служили символы азбуки Морзе. Дальнейшее повествование всемирной энциклопедии вполне приемлемое. Стартовой точкой считают 1941 год – время создания системы SIGSALY, получившей кодовое название Зелёный шершень.

Система SIGSALY

Речь оцифровывалась вокодером, поэтому приёмопередающее устройство вполне можно было назвать модемом. Именно войска союзников первыми применили фазовую манипуляцию. Дальнейшие разработки, мягко говоря, засекречены. Известно только, что задолго до появления первых (известных научной общественности) компьютерных сетей модемами уже связывали части противовоздушного оборонного вычислительного комплекса SAGE, призванного управлять ответом NORAD на гипотетическую атаку Советов.

Посему годом рождения модемов называют 1958. Термин употребляется с 1937 года, характеризуя аналоговые преобразования механических, электрических волн. Однако сегодня понятие целиком оккупировали компьютерщики. Модемы SAGE соединяли командные центры, терминалы, базы, радарные станции. Изделия описаны специализированным стандартом AT&T.

Первая пташка

Bell 101 dataset стал первым коммерческим успехом. Год спустя (после отгрузки военным) модели обнародованы. Заявлена скорость передачи 110 бод. Цифровые данные передавались любой телефонной линией. Устройства первыми стали эксплуатировать азбуку ASCII. Поэтому быстро получили имя «четыре ряда», собственно октет, составленный двумя 16-ричными цифрами, используется поныне. Ранее применяли «3-рядный» код Бодо (6-бит), доминировавший в период 1908..1962 гг.

Второе поколение (1962) – акустические модемы Bell 103 достигло скорости 300 бод. Оборудование использовало частотную манипуляцию звуковых колебаний. Применён дуплексный канал:

1. Запрос 1270 Гц (единица)/1070 Гц (нуль).
2. Ответ 2225 Гц (единица)/2025 Гц (нуль).

Хотя старьё давно выброшено вон, сегодня продолжают применять сертификаты совместимости «Bell 103 compatibility». Долгое время оставалась обратная совместимость нового железа. Метод модуляции популярен среди радиолюбителей, радио КВ, коммерческих приложений. Потрясающая надёжность методики сохраняет уверенный приём в невероятно жёстких условиях.

Развитие техники связи

Уже тогда применяли дуплексную систему четырёх проводов, обеспечивающую скорости 2000 (210А) – 2400 (201В) бит/с. 1968 год принёс революционную мысль, выдвинутую FCC: одновременно линию можно нагружать электрическими устройствами. Акустическим модемам нужна узкая полоса области 1-2 кГц. Подавляющее большинство устройств, основанных на патентах General Electric, вполне допускали совместное функционирование. Хорошо известные модели акустических модемов 70-х:

• CXR Anderson-Jacobson
• Novation CAT
• Pennywhistle modem
• AT&T 212A
• Vadic VA3400, VA3467

Устройства помогали общаться первым коммерческим моделям персональных компьютеров (Apple II). Лишь новый Hayes Smartmodem 300 (анонсированный 27 апреля 1981), помогавший разработчикам первых электронных досок объявлений, уничтожил, наконец, монополию «котиков».

CAT использовал системы кодирования Bell 103 (300 бит/с), 202 (1200 бит/с). Первый вариант весьма громоздкий, занимал слот расширения ПК Apple. Благодаря внутренней установке (в противовес порту RS-232), устройство поддерживало широкий набор команд, выдавал отчёты об ошибках. Именно внедрение внутренних слотов (Apple S-100) помогло создавать по-настоящему управляемые программным обеспечением модели.

80-е годы

Настоящий бум начала 80-х обусловлен стремительно дешевеющей электронной начинкой. Выпуск линейки Hayes спровоцировал бурный рост количества электронных досок объявлений, создав предпосылки для появления Fidonet. Компания снабдила разработчиков рядом заложенных инструкций выполнения самых разных действий. Smartmodem первым из внешних стал поддерживать управление по интерфейсу RS-232.

Растущие скорости позволили энтузиастам передавать файлы, добавив сервисы BBS электронными библиотеками. Том Деннингс, создатель Fidonet дистанционно рассылал обновления программного обеспечения абонентов в полностью автоматическом режиме. Вместо двух (см. выше) начали передавать больше символов-частот – 4, 8. Каждый содержал сразу 2, 3 бита, существенно повышая скорость передачи данных. Стандартом де-факто стали 2400 бит/с.

Три американских кита

Три компании предложили первым абонентам подключить к сети (интернет тогда не существовал) телефонных компаний устройства:

1. Telebit представила (1984) Trailblazer, поддерживающий диапазон скоростей 36..18432 бит/с. Дополнительный канал обратной связи помогал абонентам оценить количество информации, ожидающей передачи на каждому конце. Направление оперативно менялось. Интерфейс поддерживал UNIX-протокол UUCP пересылки электронной почты. Продуманная конструкция позволила устройствам 10 лет занимать доминирующее положение.
2. USRobotics представила HST (9600 бит/с), ставший настоящей находкой для администраторов Fidonet по причине низкой стоимости оборудования. Компания направленно бомбила растущий список абонентов, предлагая купить товар.
3. Hayes порадовала рынок девайсом Express 96 (9600 бит/с). Машинка, сильно напоминающая Trailblazer, была лишена ключевых достоинств своего собрата. Поэтому осталось невостребованной.

Успех новинкам принесло умение правильно настроить скорость. Автоматическое определение битрейта обеспечило совместимость с устаревающими типами устройств, поддержав «наследие тяжёлого прошлого». Алгоритм безобразно прост:

1. Новичок начинал звонить.
2. Не получая ответа, снижал битрейт, добиваясь отклика.

Случались накладки. Несовместимыми оказывались модели V.32 и HST. Обе поддерживали скорость 9600 бит/с, однако разница реализаций заставляла использовать 2400. Аналогичная беда постигла созданий компании USRobotics.

Компьютерные гонки

90-е принесли стремительное повышение скорости, удешевляя оборудование. В 1998 году преодолён рубеж 56 кбит/с путём применения технологии сжатия информации совместно с кодово-импульсной модуляцией. В скорости прогресс выставил новые рамки:

1. Архивированные файлы – 50 кбит/с.
2. Текст – 320 кбит/с.
3. Прочее – 160 кбит/с.

Потребовалось ввести локальный буфер памяти, поскольку алгоритмы сжатия работали неравномерно. Одновременно первые интернет-сайты начали активно использовать технологии сжатия и задействования мощностей абонента (например, приложения Flash).

Flash приложение

Эволюция опций

Современная скорость появлялась постепенно.

Подавление эхо

Подавление эхо эксперты назвали революционным шагом. Локальные телефонные сети низкого качество вызывали отражение сигнала. Иногда людям нравится слышать слабые отзвуки собственного голоса, поскольку факт наличия отклика свидетельствует о работоспособности линии. Однако модемы бессильны отличить собственное эхо от запроса модема, находящегося по другую сторону линии. Первые приборы использовали вынос сигнала запроса за пределы ответного. Страдал битрейт.

Новая система подавления эха посылала наружу уникальный звуковой тон и начала слушать отклик. Затем выставляла время задержки инвертированного ответа. Фазы двух складываемых сигналов выставлялись противоположными. Эхо гасилось напрочь. Модемы получали полный спектр в распоряжение.

Квадратурная модуляция

Повысить битрейт вдвое (по сравнению с частотной манипуляцией) помогла квадратурная модуляция. Две несущие частоты (1650 кГц) передаются совместно со сдвигом фаз 90 градусов. Итоговое значение составило 9600 бит/с вместо 2400 бодов. Современники решили, что достигнут теоретический предел сжатия информации. В 1968 году новинка стоила 20.000 долларов.

Треллис-модуляция

1982 год принёс миру документ, ставший новым рубежом развития направления. Готтфрид Унгербок предложил кодировать биты паритета, собранные в шаблон 2-мерного алмаза. При аналогичном количестве сбоев битрейт возрос вдвое. Методика получила название Треллис-модуляция.

Матрицы треллиса представил Дэйв Форни (1973). Практически поголовно изделия, достигавшие скорости 9600 бит/с, использовали код свёртки и алгоритм Витерби.

Коды коррекции ошибок

Внесение избыточности помогло исправлять ошибки, либо узнавать «битые» слова.

ADSL

Технология использования акустических модемов быстро достигла упора. Повышение битрейта потребовало освоить спектр ультразвука (простирается до единиц МГц). Пропускная способность телефонной (американский стандарт) витой пары с запасом перекрывает потребности связистов (максимальная граница 3,5..5 кГц). Остаётся гигантское пространство. Именно этот факт использует технология асимметричной цифровой связи.

ADSL наиболее удачно покрывала участок последней мили. Асимметричной передачу называют в силу характерного распределения спектра:

1. Выгрузка – 26..137 кГц.
2. Загрузка – 138..1104 кГц.

Пространство делят сравнительно узкие (4.3125 кГц) каналы- контейнеры. Модем поочерёдно штудирует доступные бины, оценивая отношение сигнал/шум, с целью оптимизации скоростных характеристик. Уже первые варианты (1984) преодолели заветный порог 100 кбит/с. ITU-T G.9700 (декабрь 2014 года) обеспечивает скорость загрузки 100 Мбит/с. Канадская технология DSL Rings, используя существующие медные телефонные сети, достигает скорости 400 Мбит/с.

• Коренное отличие ADSL технологии против dial-up – использование существенно более высоких областей спектра. Результатом стало расширение пропускной способности канала.

Теоретические основания подвёл (1948) Клод Шеннон, написавший труд Математическая теория связи:

• Повышение битрейта требует расширения полосы пропускания. Зависимость нелинейна, поскольку постоянно появляются новые методики цифровой обработки*.

* Видимо, исследователь подразумевал создание американцами системы цифровой связи Зелёный шершень (1941).

DSL-модем

Особенности:

1. Подключение к телефонной линии цифровых сервисов.
2. Стыковка с ПК посредством USB, Ethernet, PCI.

Выпускают даже DSL-маршрутизаторы, включая содержащие точку доступа. Характерный внешний вид внешнего модема:

1. Коннектор RJ11 входа телефонной линии.
2. RJ45, либо USB для стыковки с ПК.
3. Набор светодиодной индикации, показывающей активность каналов.
4. Настройка через браузер, либо приложенное программное обеспечение.

История

Начиная 50-ми годами, военные использовали телефонные линии. Однако витую пару эксплуатировали также киностудии. Оказалось, что линия вполне пропускает 4 телевизионных канала области КВ. Например, британская трасса BBC-Pontop Pike длиной 16 км. В этом случае картинка была достаточно дрянной, давала лишь общее представление о происходящем.

Однако начало 80-х принесло миру кабельное вещание, значительно раздвигающее былые рамки. US Patent 4.330.687, заявленный 14 марта 1979 года, предлагал совместное использование компьютером и телефон одной витой пары. Логическим продолжением (1984) стало создание регламента цифрового кабельного вещания ISDN. Штат Bellcore размещал передачу выше голосового видеосигнала путём модуляции несущей. Стандарт 1998 года (US Patent 4.924.492) закрепил технологию.

Формулировка концепции асимметричного канала

Джозеф Лехлайдер показал двойное преимущество асимметричной линии перед симметричной. Новинку быстро оценили провайдеры интернета. ADSL стал поддерживать два режима:

1. Быстрый.
2. Чередующихся каналов.

Первый отлично передавал поток мультимедийных данных (видео, звук), допускающих наличие сбойных битов информации. Чередующийся режим лучше передавал файлы, однако медленнее. Провайдерам приходилось осваивать существующие сети с сетевой коммутацией (не пакетной). Технологии HDSL, SDSL вполне обеспечивали поставку Digital Signal 1, использующей наработки Bell labs, потребителю.

Совершенствование интерфейса

Древнейшие разновидности обеспечивали на линии неэкранированной витой пары скорость 8 Мбит/с на расстоянии 2 км. Дальнейшее повышение дальности требовало использования повторителей. Рост популярности сдерживала сравнительно высокая цена. Положение исправил выход СБИС (супербольшие интегральные схемы). ADSL господствовал примерно десятилетие, начиная концом 90-х.

Первые разновидности цифровых каналов робко использовали полосу 10..100 кГц. Постепенно верхний рубеж достиг 1,1 МГц. Позже полосу стали делить надвое:

1. Область выгрузки данных.
2. Область загрузки.

Линию замыкали модемы, занимающиеся модуляцией несущих. Расшифрованные данные передавались компьютерам, маршрутизаторам, концентраторам. Маленький недостаток – сигнал неспособен пройти катушка Пупина. Старые телефонные линии периодически содержат подобные устройства, повышающие дальность связи. Постепенно поставщики услуг меняли старое кабельное хозяйство, прокладывая оптическое волокно.

Устройствами сопряжения (Ethernet, Wi-Fi, Powerline) стали роутеры. Выглядит странно, но доныне всемирно популярны сети «гольного» DSL (naked). В 2012 году в США сообщали про замену устаревших линий ADSL оптическими.

Прочие технологии

Согласно указанной выше классификации, существует уйма оборудования, обслуживающего оптические линии. Под модем можно подогнать принцип действия абсолютно всех преобразователей. Отдельного разговора заслуживает беспроводные технологии, включая Wi-Fi, Bluetooth, оборудование сотовых операторов, инфракрасные порты, спутниковую связь. Столь обильный список устройств обусловил появление новых терминов.

Приёмопередатчики, украшающие параболические антенны (тарелки), принято называть трансиверами. Оборудование Bluetooth, Wi-Fi несправедливо заняло нишу адаптеров. Хотя указанный класс оборудования занимается именно модуляцией. Рядовой же адаптер просто преобразует вид сигнала. Пример: типовое зарядное устройство:

• Вход: 220 В 50 Гц.
• Выход: постоянное напряжение 4-12 В.

Наконец, всем известные рации (воки-токи) тоже занимаются модуляцией/демодуляцией. Ранее скептики могли возразить, что сигнал аналоговый, однако сегодня любая Motorola оперируют как раз цифровыми кодами.

Суммируя сказанное, можно однозначно заявить: терминология области цифровых коммуникаций остаётся неполной. Дёгтя добавляет неточность западной классификации устройств. Результатом становятся нечёткие знания отечественных специалистов относительно реального положения вещей. Как говорится, на Windows надейся, а сам не плошай.