Модемы и факс-модемы

10.1. Модемы и факс-модемы

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 или (и) фазовой модуляцией, спектр которых проходит через обычные голосовые телефонные линии. Демодулятор из этого сигнала извлекает закодированную двоичную информацию и передает ее в принимающий компьютер. Понятно, что на передающей и принимающей стороне должны использоваться одинаковые методы кодирования и декодирования. Работу модемов осложняет масса факторов, обусловленных линиями связи. Это и затухание сигнала, которое может быть различным и даже меняться в течение сеанса связи, и фазовые и частотные искажения, и эхо-сигналы, и перекрестные помехи и шумы. В зависимости от параметров линий связи доступные скорости передачи могут различаться в сотни раз. Качество линии определяет возможную частоту изменения состояния сигнала в линии. Единицей измерения этого параметра является бод (Baud) — количество изменений состояния за одну секунду. В простейшем случае модуляции используются два состояния сигнала (например, две частоты), и тогда скорость передачи двоичной информации, определяемая как число бит, передаваемых за 1 секунду, bps (bit per second, бит/с), будет совпадать со скоростью передачи в бодах. Однако в более эффективных методах модуляции применяют множество возможных состояний сигнала. Это позволяет одним состоянием сигнала кодировать несколько бит данных, в результате чего скорость передачи данных bps превышает скорость изменения сигнала baud. Конечного пользователя больше интересует эффективная скорость передачи полезной информации, которую измеряют в количестве переданных байт или символов за секунду — cps (characters per second). Казалось бы естественным соотношение cps=bps/8 (для восьмибитных символов), но на самом деле оно ниже за счет служебных бит (старт - и стол-биты, см. п. 9.2) и накладных расходов протокола передачи. Для повышения эффективной скорости используются различные методы сжатия информации, реализуемые как самими модемами, так и коммуникационным ПО.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Модемы во время сеанса связи могут работать в симплексном, дуплексном или полудуплексном режиме. Симплексный режим позволяет передавать информацию только в одном направлении, и в телекоммуникациях практически не используется — такой режим не позволяет отправителю информации получать подтверждения о ее приеме, что необходимо для обеспечения нормальной связи. Дуплексный режим позволяет по одной и той же линии одновременно передавать информацию в обоих направлениях. Поскольку при реальном обмене практически всегда одно устройство передает поток информации, а другое — только подтверждение ее приема или сообщения об ошибках, дуплексный канал может быть асимметричным — иметь значительно различающиеся пропускные способности в противоположных направлениях. Полудуплексный режим является компромиссным — в нем в каждый момент времени по линии передается информация только в одном направлении, и существует механизм смены направления передачи.

Хотя способы модуляции стандартизованы (табл. 10.1), в реальных условиях возможна несовместимость модемов из-за некоторых отклонений от стандартов, допущенных разработчиками. Простейший способ обеспечения совместимости — установка одинаковых модемов на обоих концах линии — достижим не всегда.

Таблица 10.1. Стандарты на модуляцию

	Стандарт	bps	baud	Примечания
	Bell 103	300	300	-
	Bell 212А	1200	600	-
	V.17	14400, 1200, 9600, 7200, 4800	2400	Полудуплекс, Fax Group III (аналоговый), обратно совместим с V.29
	V.21	300	300	Несовместим с Bell 103
	V.22	1200	600	Несовместим с Bell 212А
	V.22bis	2400	600	-
	V.23	1200/75	1200/75	Асимметричный в дуплексном режиме
	V.27ter	4	1	Полудуплекс, Fax Group III (аналоговый)
	V.29	9600,7200	2400	Полудуплекс, Fax Group III (аналоговый)
	V.32	9600,4800	2400	Дуплекс, дополнительный контроль
V.32bis	14400, 1200, 9600, 7200,4800	2400	Помехоустойчивый, быстрый
V.32fast	19200	2800	Расширение V.32Bis
V.34	28800	9600	-
V.34++	33600	9600	Расширение V.34
HST	16800	9600	При дуплексе в обратном направлении скорости 300/450. Удобен для диалога. Используется в U. S. Robotics

Для полностью аналоговых телефонных линий предельной скоростью соединения в настоящее время является 33,600 Кбит/с (V.34+). Конечно, это подразумевает качественные аналоговые линии, что в наших условиях далеко не всегда выполняется. Более высокие скорости обеспечивает цифровая телефонная связь, при которой используются специальные цифровые модемы. Если два абонента связаны между собой гибридной телефонной линией (на одном конце цифровое окончание, на другом — аналоговое), то есть способ повысить скорость обмена в направлении от цифрового к аналоговому окончанию. Технология K56flex™ позволяет в этом направлении достичь скорости 57,600 Кбит/с при встречной скорости 33,600 Кбит/с. Эта асимметрия весьма удачна с точки зрения подключения к Интернету: если у солидного провайдера имеется цифровое окончание, то его абоненты с оконечными (от АТС до телефонного аппарата) аналоговыми линиями смогут получать информацию (основной поток при работе в Сети) на высокой скорости. Похожими свойствами обладает и технология х2.

В модемной связи важную роль играют протоколы коррекции ошибок, неизбежных в линии связи, и сжатия данных. Законодателем мод в этой области стала фирма Microcom, по имени которой названо семейство протоколов MNP — Microcom Networking Protocol. Это семейство де-факто стандартных протоколов коррекции ошибок и сжатия данных включает 9 классов, определяющих различный сервис. Классы 2-4 предназначены для обеспечения безошибочной передачи, классы 5 и 7— для сжатия данных, класс 6 — расширенный сервис, класс 9 — оптимизация протокольных процедур, класс 10 — адаптация к каналам связи, класс 8 — пропущен. Старшие классы обычно включают в себя и возможности младших. Дадим краткую характеристику этих классов.

MNP-1.

MNP-2.

MNP-3.

MNP-4.

MNP-5

MNP-6.

MNP-7.

MNP-9.

MNP-10.

сотовой связи

MNPX.

Кроме MNP используются и другие протоколы. В некоторых модемах фирмы Hayes, например, применяется собственный протокол исправления ошибок — Hayes V-Senes. Международный комитет по стандартизации в области телефонии МККТТ (СС1ТТ) рекомендует следующие стандарты:

V.42 —

V.42

bis —

Протоколы исправления и сжатия могут быть реализованы на компьютере как программно, так и аппаратно. Аппаратная реализация подразумевает, что алгоритм выполняется встроенной программой модема, который практически всегда строится на основе микроконтроллера. Модемы с аппаратной реализацией протоколов несколько дороже, но на серверах и рабочих станциях (компьютерах), использующих модемы в фоновом режиме, их применение предпочтительно. Программная реализация протоколов позволяет использовать более дешевые модемы, но при этом во время работы модема загружается CPU, что во многих случаях нежелательно.

Fax-modem (факс-модем) позволяет передавать и принимать факсимильные изображения, совместимые с обычными факс-машинами. Совместимость средств факсимильной связи в глобальных масштабах обеспечивается стандартами СС1ТТ. Существуют следующие стандарты:

Fax

Group 1, 11 —

Fax:

Group

III —

Fax

Group

IV —

Конструктивно модемы для PC выпускаются в двух исполнениях: Internal (внутренние) и External (внешние).

Внутренние модемы устанавливаются в слот шины расширения (как правило, ISA). С системной стороны они обычно эмулируют стандартный СОМ-порт с микросхемой 8250/16450/16550А. Базовый адрес регистров (или номер СОМ-порта) и номер линии запроса прерывания (IRQ) задается джамперами или переключателями на плате модема. Преимущество встроенных модемов — низкая цена и отсутствие дополнительных блоков на рабочем месте. Главным недостатком является необходимость вскрытия системного блока для установки модема и возможные сложности конфигурирования системных ресурсов, а иногда и отсутствие свободного слота. Следует отметить и низкую защищенность компьютера в случае попадания высокого электрического потенциала на телефонный вход модема (например, при ударе молнии в открытую телефонную линию). Правда, если линия не защищена ограничителем перенапряжений, то и внешнее подключение модема не является надежной защитой компьютера.

Внешние модемы, имеющие собственный корпус и блок питания, подключаются кабелем к 9- или 25-контактному разъему СОМ-порта. Их главное преимущество в том, что для установки не требуется вскрытия системного блока, а недостатки — в более высокой цене, необходимости отдельного питания и наличии дополнительного устройства и кабеля на рабочем месте. Частично эти недостатки устраняются в модемах, подключаемых к шине USB. Некоторые модели высокоскоростных модемов подключаются к LPT-порту, работающему в режиме ЕРР.

По режиму последовательной передачи данных (см. п. 9.2) различают синхронные и асинхронные модемы. Синхронные модемы либо используют две выделенные пары проводов (одна пара для сигнала синхронизации, другая для данных), либо используют самосинхронизирующееся кодирование-декодирование, для которого достаточно одной выделенной пары или коммутируемого канала. В PC внешний синхронный модем может подключаться к адаптеру SDLC (Synchronous Data Link Control), который в настоящее время мало распространен из-за высокой цены и ограниченной сферы применения. Адаптер SDLC использовался для подключения PC к «большим» машинам IBM (Mainframe). К СОМ-порту синхронный модем подключаться не может, поскольку этот порт реализует лишь асинхронный режим обмена. Для PC существуют синхронные модемы внутреннего исполнения, а также адаптеры синхронных портов (например, V.35).

Асинхронные модемы, как внутренние, так и подключаемые к СОМ-портам, позволяют использовать обычные телефонные линии, что обусловливает их широкое распространение.

Модемы, используемые для коммутируемых линий, имеют средства набора номера и определения состояния линии (гудок, занято и т. п.). Схема «телефонной части» модема приведена на рис. 10.1. К телефонной линии модем подключается разъемом, помеченным «LINE» или «TELCO», к телефонному аппарату — «PHONE». Набор номера может быть импульсным (pulse dialing) или тональным (tone dialing). При импульсном наборе каждая цифра номера кодируется соответствующим числом прерываний контакта в цепи линии, временная диаграмма прерываний стандартизована на международном уровне. В модемах для импульсного набора обычно применяют малогабаритное реле, его характерные щелчки можно услышать при работе модема. Иногда в качестве прерывателя используют электронный ключ (оптрон). При тональном наборе каждая цифра номера кодируется короткими сигналами определенных пар частот, эти «аккорды» можно услышать в телефонной трубке. Импульсный набор работает со всеми телефонными станциями, но занимает довольно много времени. Тональный набор работает быстрее, но поддерживается не всеми АТС. Цепи сигналов звуковых частот, генерируемых и анализируемых модемом, гальванически развязываются от телефонной линии с помощью трансформатора. Индикатор вызова срабатывает от импульсов, амплитуда которых должна быть порядка 100-120 В.

С вызывными импульсами на сблокированных телефонах иногда возникают сложности. Автору пришлось столкнуться с ситуацией, когда амплитуда вызывных импульсов доходила до 160 В. При этом на верхушках импульсов срабатывал защитный ограничитель напряжения на входе модема, что вызывало протекание тока, воспринимаемое АТС как снятие трубки. В результате при подключенном модеме к данному абоненту стало практически невозможно дозвониться. Загадочность той ситуации заключалась еще и в том, что ограничитель напряжения был спрятан в кабель подключения модема и визуально не обнаруживался. Когда на ненормальную работу телефона обратили внимание, первым делом вынули вилку кабеля из модема, но ситуация не изменилась, и причиной неисправности решили считать АТС. Выход все-таки был найден — перед модемом пришлось поставить стабилизатор-ограничитель напряжения компенсационного типа, схема которого приведена на рис. 10.2. Чтобы не гадать с полярностью подключения к линии, схема дополнена выпрямительным мостом. Схема не претендует на оптимальность — она появилась экспромтом для выхода из затруднительной ситуации.

Современные модемы имеют ряд дополнительных возможностей, расширяющих сферу их применения. Voice Modem (голосовой модем) способен преобразовывать звуковой сигнал в цифровой вид, в котором он передается по линии связи. На приемной стороне выполняются обратные преобразования. Аудиосигнал сжимается, например, по методу ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation — адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция, АДИКМ). С помощью голосового модема может быть реализована 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 через мультимедийные средства компьютера (Sound Blaster). Средства обработки звуковых сигналов позволяют модему автоматически определять номер вызывающего абонента (АОН), распознавать сигналы тонального набора номера. Функции модема определяются возможностями встроенного процессора и его программного обеспечения. Для хранения программного обеспечения используются микросхемы ПЗУ, а в более современных устройствах — флэш-память, позволяющая легко обновить его версию.

Более развитые устройства имеют в своем составе оперативную память значительного размера. Например, в устройства Elite 2864 и Omni 288 фирмы ZyXEL можно установить дополнительный модуль ОЗУ на 8 Мбайт, что позволяет в автономном режиме (без компьютера) принимать до 160 страниц факсимильных сообщений, которые будут сохранены для дальнейшей обработки. К параллельному порту тех же устройств можно подключить и лазерный принтер, в результате чего получится факс-машина.

Современные модемы, кроме интерфейса с традиционными аналоговыми телефонными линиями, могут иметь и средства подключения к цифровой сети ISDN, услуги которой начинают предоставляться и в нашей стране. Такая сеть обеспечивает существенно более высокую скорость передачи информации,

Модемы для портативных компьютеров имеют интерфейс PC Card (PCMCIA). Их отличает возможность работы с аналоговыми телефонными каналами мобильной связи, для которых характерно более низкое качество, чем у стационарных каналов.

И в заключение этого краткого разговора о модемах напомним, что во избежание конфликтов со службами телефонной сети используемые модемы должны иметь сертификаты Министерства связи. Необходимость регистрации модема абонентом телефонной сети спорна: с одной стороны, абонент оплачивает по определенному тарифу предоставляемую ему телефонную линию, а как он ее использует — его частное дело, С другой стороны, у телефонных служб есть соблазн взимать с абонента дополнительную плату за якобы дополнительно предоставляемые услуги. Однако в случае модемной (и факсимильной) связи услуги телефонной сети ограничиваются той же коммутацией канала, что и при обычной голосовой связи, правда, предоставляемая полоса частот используется полнее.

Домашний очаг

Справочная информация

Техника

Общество

Образование и наука

Мир

Бизнес и финансы