Как работают модемы (стр. 2 )

И, наконец, еще раз про помехи. Все они сводятся к тому, что модем либо временно перестает различать сигнал, либо вовсе теряется точка привязки, то есть происходит так называемый срыв синхронизации, и модем уже не может без специальных процедур восстановления (retrain) нормально отделять ни символы друг от друга, ни понять, насколько фаза сигнала отличается от образцовой.

Теперь краткое резюме всего изложенного.

Параметры канала (линии), предоставляемого нам, характеризуются центром и шириной полосы пропускания (в норме - 300-3400 герц), уровнем шумов и искажений, и максимальным уровнем сигнала, еще пропускаемого без заметных искажений. Сигнал/шум - это характеристика того, как сигнал прошел через канал, и что получилось на приемном конце.

Параметры сигнала модема характеризуются центром и шириной спектра (частота несущей плюс и минус половина символьной скорости), и глубиной модуляции, то есть числом возможных градаций состояний сигнала.

Параметры канала ограничивают в принципе скорость передачи информации с одной стороны, а модем работает тем лучше и тем быстрее ее передает, чем полнее он занимает канал, и чем ближе параметры генерируемого им сигнала совпадают с возможностями, предоставляемыми каналом.

Кроме предыдущего пункта, важное значение имеют помехи: при прочих равных условиях, они вынуждают модем делать передаваемые символы более грубыми, и передавать их более длительное время, то есть снижать в результате скорость передачи информации.

Запомните на будущее две простые формулы: 1. Символьная скорость умноженная на глубину модуляции есть битовая скорость. 2. Ширина канала, потребная для передачи сигнала, равна символьной скорости, при этом центр полосы пропускания канала равен частоте несущей.

что такое телефонная линия, и как она мешает нам жить.

Часть вторая -

Телефонная линия представляет собой пару проводов, которые идут от Вас на АТС, некоторое оборудование на АТС, называемое абонентским комплектом, затем межстанционное оборудование, которое передает сигнал на удаленную АТС, там имеется удаленный абонентский комплект, от которого идет пара проводов до провайдера(к примеру). Таким образом, первая интересная нам особенность состоит в том, что телефонная линия - это не просто два провода, которые у Вас на столе начались, а у провайдера - закончились. К сожалению, все намного сложнее и капризнее. Что же предоставляет Вам АТС при помощи всей этой цепочки? Идеально - некий канал для передачи аналоговой информации, то есть - голоса, с некими нормированными параметрами, такими как затухание сигнала, полоса пропускания, уровень шумов, динамический диапазон и т. п., то, что в сумме своей отличает хорошую линию от плохой. В реальной же жизни, кроме всего упомянутого по ГОСТу, как правило, Вам "предоставляются" в нагрузку еще одно или несколько из:

Чрезмерное ослабление сигнала (слышно тихо).

Импульсные помехи (трески, щелчки, резкие изменения громкости и т. п.)

Постоянные помехи (фон, разговор соседей, музыка от радио, гудение)

Перекос АЧХ (глухой звук, плохая разборчивость)

Нелинейные искажения (дребезжащий голос)

Дрожание фазы и амплитуды (как пленка проскакивает на магнитофоне)

Смещение спектра сигнала (не слышно ухом)

Медленное уплывание параметров линии (не слышно ухом)

К чему все это приводит? Если кратко, то к очень простой вещи: модем кодирует каждый байт информации определенным состоянием сигнала, который он передает на другую сторону. Удаленный модем смотрит на линию, определяет форму, фазу, амплитуду и т. п. сигнала, и декодирует это опять в байты информации. Если линия вносит искажения, то состояния сигнала становятся плохо различимыми на удаленной стороне, или, хуже того, начинают путаться друг с другом, и удаленный модем неправильно декодирует информацию, получая неверный результат.

А откуда это все берется? Оттуда же, откуда и разбитые дороги. И исчезнет тогда же. Причем, как правило, основные проблемы вносят либо соединительные провода до Вас, либо межстанционная аппаратура. Первое обычно трещит, а второе - искажает и ослабляет. Мы рассмотрим далее, как можно бороться и с тем, и с другим.

Но стоит обратить внимание и на еще один источник проблем. Это, как ни странно, то, что стоит у Вас, у абонента! Первейший враг модемной связи и источник снижения ее качества - это разного рода офисные АТС. Причем, вовсе не кустарные поделки наших или китайских умельцев, а именно дорогие миниАТС ведущих фирм. Кустарные-то поделки обычно представляют в основном реле, которые коммутируют ваш телефон на городскую линию и все, а вот серьезные миниАТС обычно имеют еще довольно много сервиса, который реализуется за счет дополнительных подключений к сигнальным проводам. Вы можете быть сильно удивлены, увидев лично разницу в работе между прямым подключением модема к телефонным проводам, и подключением через офисную станцию.

Вторым врагом в Вашем доме являются телефоны, подключенные не после модема, для чего у него сделано второе гнездо, а параллельно модему. То, что на телефоне повешена трубка, ничего не меняет: он же в состоянии воспринимать звонок и звенеть, а, стало быть, подключен к телефонной линии и искажает сигнал на ней. Особенно плохо с советскими АОНами, которые не только портят сигнал пассивно, но в придачу еще и активно подмешивают в линию фон от сети, шумы от низкокачественной собственной электроники и т. п. Вообще, гениальное, как все простое, правило: приходящий к Вам сигнал нельзя улучшить, подключая к линии что-либо, его можно либо ухудшить, либо, в лучшем случае, не ухудшить. Уж что пришло - то Ваше, но больше Вы из линии не добудете, что к ней ни подключайте. Можно либо сохранить то, что пришло, и отдать это на обработку модему, либо сначала испортить. Всякие поделки из серии "улучшатель приема факсов" не выдерживают никакой критики, и могут пригодиться лишь для самых дешевых факсов и модемов, поскольку в любом серьезном модеме электроники на входе стоит на порядок больше, чем в этих поделках, и ничего нового они туда добавить не могут. Если их авторы рекламируют улучшение параметров сигнала, например сигнал/шума, то, следуя логике, если поставить их подряд штук 100, то можно так его улучшить, что модемы начнут работать быстрее локальной сети! Мы оставим за пределами нашего цикла рассмотрение идей с вечными двигателями и прочими внешними улучшателями сигнал/шумов.

Третий враг связи в Вашем доме - это разного рода уплотнительные устройства, такие как АВУ. Даже если АВУ стоит у Ваших соседей, а у Вас - низкочастотный канал, то все равно на лестнице Вы найдете такую круглую коробку с катушками, которая портит жизнь не только соседскому модему, но и Вашему тоже, поскольку вносит фазовые и частотные искажения в сигнал. Убирать эту катушку нельзя, иначе при наборе номера на Вашем телефоне у соседей в трубке будет нечто, похожее на стрельбу из пулемета. Кроме АВУ, те же проблемы дает и блокиратор, если телефон спаренный.

почему модемы стоят по-разному.

Часть третья

Кроме понятных причин - реклама, имя фирмы, наценки торговли, есть главная, по которой модемы отличаются, бывает больше чем в 10 раз по цене друг от друга: насколько они в состоянии обработать то, что к ним приходит, без потерь. Как отмечалось выше, есть некоторый теоретический предел скорости передачи сигнала через телефонную сеть, и все отклонения от оптимальных решений лишь понижают скорость. Не считая набора сервисных и дополнительных возможностей, таких как голосовой режим, прием факсов и т. п., цену модема, главным образом, определяют три вещи:

Насколько дорогая аппаратура стоит в его аналоговой части, то есть насколько качественно он может принять тот сигнал, который пришел к Вам по проводам от удаленного модема, без потерь и искажений. Очевидно, что если сигнал пришел очень тихим, то модем должен быть весьма чувствительным и иметь очень низкий уровень собственных шумов, чтобы не испортить то, что пришло перед обработкой его процессором. Какими бы задумчивыми ни были алгоритмы обработки сигнала далее, но если во входной части модема стоит маленький трансформатор, малоразрядный АЦП или дешевая схема набора номера и удержания снятой трубки, пришедший сигнал будет зашумлен и искажен, то есть - безвозвратно испорчен, еще до начала его обработки процессором модема. В конечном итоге, важно соотношение сигнал/шум не на проводе, который входит в Вашу комнату, а уже в цифровом потоке, поступающем на вход процессора модема. Кто это соотношение испортил - межстанционные соединения, провода до Вас, Ваш любимый телефон с АОН, стоящий параллельно, или дешевый АЦП на модеме - не важно. Важно, что то, что поступает на обработку процессору модема, уже будет иметь потери информации, возникшие из-за всех этих воздействий.

Насколько сложные и ресурсоемкие алгоритмы цифровой обработки сигнала используются. Допустим, на вход процессора модема поступил (о чудо!) сигнал совсем не искаженный у Вас в комнате, такой, какой пришел к Вам в комнату. Кроме безвозвратных потерь информации, то есть снижения сигнал/шум, есть еще искажения информации, которые еще можно восстановить. Например, перекос АЧХ дает эффект снижения уровня верхних частот в сигнале, и это в некотором объеме можно восстановить путем правильного фильтрования сигнала. Другой способ восстановления потерянной информации - использование избыточности, заложенной в протокол передачи данных, для коррекции ошибок. Одно из важнейших и самое ресурсоемкое устройство в модеме - треллис-декодер, который позволяет оценивать не символы по отдельности, а набор символов как единое целое, компенсируя недостоверность единичного символа за счет того, что последовательные символы связаны друг с другом (но не все последовательности символов разрешены). Чем качественнее (соответственно, скорее всего дороже) модем, тем больше этих и дополнительных циклов обработки сигнала он проводит. Тем более искаженный сигнал еще может быть правильно обработан, и тем более резкие помехи еще не вызовут срыва синхронизации.

Насколько адекватно поведение модема в сложной помеховой обстановке.

Часть модема, называемая супервизором, может только понижать скорость передачи при увеличении помех на линии, а может гораздо более детально отслеживать все, что происходит, и так варьировать параметры модуляции сигнала, чтобы в минимальной степени снижать скорость передачи, наиболее точно подстраиваясь под особенности данной телефонной линии. Как бы хорошо ни работала аналоговая часть модема и алгоритмы цифровой обработки, но если параметры модуляции будут выбраны неадекватно, или же модем будет плохо отслеживать изменение состояния линии и не вовремя их изменять, то о близкой к теоретически-максимальной скорости передачи информации можно смело забыть. Причем, если первые два пункта можно строить по принципу "сколько есть денег, на столько и припаяем/напишем", то адекватность поведения модема на линии измеряется не только объемом затраченных на разработку или заплаченных клиентом денег, поскольку ведь ни модем, ни его разработчики никогда не знают точно, что произойдет на линии через пять секунд, и не могут выбрать единственно верное поведение в данный момент. Поэтому задача определения поведения модема на линии решается в первую очередь на основании знаний особенностей телефонии в данном конкретном месте, и написании тысячи алгоритмов и алгоритмиков, которые пытаются распознать типичные проблемные ситуации и выбрать адекватное решение. Надо ли говорить, что ни одна, даже самая ведущая западная фирма никогда не сможет сделать ничего похожего, поскольку не знает (а как правило - и не желает знать) всего того, чем отечественная телефония отличается от нормальной. В отличие от автомобиля, где большие колеса и крепкая подвеска решают проблемы плохих дорог, модем должен именно подстраиваться под линию, в нем нельзя просто поставить передатчик на два киловатта и приемник на полмикровольта, чтобы справиться с нашими плохими линиями.