Отчет по практике: Обслуговування комп’ютерних та інтелектуальних систем і мереж

5.2.1 Призначення і принципи роботи модему

Модем є пристроєм, що має, з зовнішньої точки зору, цифровий інтерфейс c комп'ютером (зазвичай послідовний порт RS-232) і аналоговий інтерфейс з каналом зв'язку (телефонною лінією) - роз'єм для телефонного кабелю (RJ-11). "Усередині" модем являє собою мікрокомп'ютер з досить потужним процесором (іноді декількома), постійної і оперативною пам'яттю, і аналогової частиною, відповідальної за пару модему з телефонною мережею - пристрій набору номера, підсилювач, АЦП і ЦАП - Аналого-цифрові і цифро-Аналоговий Перетворювачі, відповідальні за перетворення сигналу з аналогової форми (безперервний сигнал-напруга) в цифрову (окремі відліки сигналу, діскретізованние за часом і квантування за напругою), і навпаки, відповідно. Практично всі сучасні модеми виробляють обробку інформації у цифровій формі, без скільки-небудь складної аналогової передобробки, так як це дозволяє добитися високої стабільності і в значній мірі спростити розробку та аналіз алгоритмів. При цьому зазвичай частота дискретизації (швидкість проходження окремих відліків оцифрованого сигналу) знаходиться в межах 7-12 тисяч відліків в секунду (кілогерц, kHz). Теоретично, частота дискретизації повинна бути як мінімум у два рази вище максимальної частоти сигналу, для того, щоб сигнал був представимо окремими відліку без втрат. Кількість рівнів квантування для ЦАП і АЦП сучасних модемів досягає десятків тисяч. Зазвичай, оскільки з "цифрової боку" ЦАП і АЦП пишуться чи читаються у вигляді числа, говорять про кількість розрядів у ЦАП / АЦП, тобто, кількості розрядів двійкового числа, необхідного для представлення всіх можливих рівнів, наприклад, 16-розрядний АЦП може розпізнавати 65536 рівнів, що позначаються числами від -32768 до 32767.

Давайте подивимося на цей пристрій ось з якого боку: зрозуміло, що його завдання - пересилати інформацію з одного комп'ютера на інший. У випадку роботи в Інтернеті - з комп'ютера клієнта на комп'ютер провайдера, і навпаки. Щоб спростити собі життя, будемо поки вважати, що модем виконує лише одну, примітивну функцію - модулятора-демодулятора цифрового сигналу (до речі, саме звідси і взялося скорочення - модем). Будемо вважати, що він вже набрав номер, встановив з'єднання, почав передавати і приймати дані, і нам цікавий поки лише процес, як байти інформації йдуть від віддаленої сторони до нас, і навпаки. Як же це відбувається?

Розглянемо докладніше, як же модем кодує сигнал і як перешкода цьому заважають. Найбільш популярні нині протоколи передачі даних - V.34 і V.32 - використовують амплітудно-фазову модуляцію сигналу. Базовий сигнал - що несе синусоїда певної протоколом частоти при передачі модулюється, тобто піддаються зміні її амплітуда, тобто рівень, і фаза (зсув фази сигналу щодо немодульованою "вихідної" синусоїди). При цьому статус сигналу, що характеризуються незмінною амплітудою та фазою, послідовно змінюють один одного. Кожне таке стан кодує невелика кількість бітів даних і називається одним символом (не плутати з літерами і цифрами). Швидкість, з якою символи змінюють один одного, називається символьної швидкістю (Symbol rate в статистиці модему). Вона визначається протоколом, для V.32 вона завжди дорівнює 2400 символів в секунду, для V.34 може досягати 3429 символів в секунду. Таким чином, у нас вже два параметри - символьний швидкість і частота несучої.

Коли один символ змінюється іншою, відбувається зміна (збільшення або зменшення) амплітуди і зсув фази ("вперед" або "назад") сигналу. Миттєво ні амплітуда, ні фаза змінитися не можуть - це вимагало б нескінченною швидкості зміни сигналу (напруги і струму) в каналі, тобто необмеженої смуги пропускання каналу. Звичайно ж потрібно надіслати максимум інформації, зайнявши відведений діапазон частот. Мінімальний діапазон частот, що потребується для передачі сигналу, в якому фаза змінюється максимально швидко (найгірший випадок з точки зору заняття смуги частот) вперед або назад, тобто, на половину періоду несучої за один символьний інтервал, в точності дорівнює символьної швидкості в Гц. Наприклад, якщо фаза сигналу повинна зсуватися вперед на половину періоду несучої за час передачі одного символу, частота сигналу в ході цього переходу як мінімум, повинна досягати ((вихідної частоти несучої) + (символьна швидкість) / 2). В іншому випадку буде накопичуватися "відставання" фази сигналу від необхідної.

Для того, щоб "вписати" сигнал у цей мінімально необхідний діапазон частот, переходи між символами згладжуються з тим, щоб швидкість зміни сигналу (і його частота, відповідно) не перевищувала це обмеження. Наприклад, якщо потрібно істотне зрушення фази "вперед", цей зсув відбувається не миттєво, а поступово. Протягом цього перехідного періоду частота сигналу в каналі буде вище вихідної частоти несучої (чутний тон - вище), оскільки для зсуву фази вперед потрібна більш швидка зміна сигналу. І навпаки, для зсуву фази тому потрібно уповільнення зміни сигналу, і чутний вухом тон - нижче. А оскільки такі переходи відбуваються часто (з символьною швидкістю, тобто, більше 2000 разів на секунду), і необхідні величини зміни фази сигналу досить випадкові, в результаті, коли модем передає дані, ми чуємо не рівний тон, або послідовність тонів, а "шипіння", тобто, в середньому всі частоти в робочій смузі використовуються однаково часто. Якщо розглянути спектр сигналу за тривалий період часу, він буде рівномірним, з центром, що збігається з частотою вихідної несучої, простягаються у ширину симетрично ліворуч і праворуч від центральної частоти несучої на смуги частот, рівні половині символьної швидкості.

Таким чином, для розглянутих протоколів ширина спектру сигналу дорівнює символьної швидкості.

Зупинимося поки на цьому, і подивимося, що ж надає нам телефонна лінія. А вона нам надає зобов'язання пропускати наші сигнали до віддаленого абонента в смузі частот від 300 до 3400 герц, і, будемо сподіватися, без спотворень. Очевидно, що модем повинен вибрати таку несучу і таку символьну швидкість, щоб несуча помістилася рівно посередині між 300 і 3400, а символьна швидкість була в точності дорівнює 3400-300. Це - необхідна і достатня умова для того, щоб спектр сигналу модему рівно зайняв весь наданий канал. Якщо він займе менше, значить частина каналу буде невикористані, і модем зможе передати менше інформації, ніж міг би. Якщо він займе більше, то частина спектру буде обрізано і віддалений модем його не отримає, а, отже, не отримає і частини переданої інформації. Взагалі, є теоретична межа пропускної здатності каналу, який не можна перевищити ніякими силами. Скільки б ми не намагалися, і як би ми не пристосовували форму нашого сигналу до параметрів лінії, ми не зможемо передати інформації більше цього теоретичної межі. Таким чином, головне завдання модему - так пристосуватися до каналу, щоб передати через нього все, що канал може пропустити.

Продовжимо тепер про модуляцію. До парі параметрів сигналу - центральній частоті і шириною спектру (тобто частоті несучої і символьної швидкості) нам треба знати про третій визначає параметр - назвемо його глибиною модуляції. Хоча це не до кінця правильний термін в даному застосуванні, але сильно схожий. Він говорить про те, скільки різних станів може бути у переданого сигналу. Згадаймо, що модем передає один символ (не букву!), Якийсь час. А потім - другий символ. Символи відрізняються один від одного. Так скільки ж усього може бути різних символів? Це залежить, головним чином, від того, скільки різних амплітуд і фаз ми можемо передати в канал так, щоб з протилежного боку їх ще не плутали один з одним. Іншими словами, скільки градацій по амплітуді і фазі ми можемо вибрати так, щоб з того боку вони ще однозначно відрізнялися. Як нескладно порахувати, наприклад 16 градацій по амплітуді і 16 по фазі дають 16 * 16 = 256 різних станів сигналу, за допомогою яких можна закодувати 8 бітів інформації. У цьому випадку при символьної швидкості, наприклад, в 1000 символів в секунду ми отримаємо швидкість передачі інформації рівно 8000 бітів на секунду. Якщо глибина модуляції менше, тобто число станів сигналу всього 32, приміром, то ми отримаємо 5 біт за символ, тобто 5 кілобіт на секунду. Якщо символьна швидкість зросте до 2000, це буде вже 10 кілобіт на секунду.

На протоколі V.32 кожен символ відповідає групі біт. При цьому ця група, очевидно, складається з цілого числа біт - від 2 до 6. А оскільки символьна швидкість дорівнює 2400 символів в секунду, додавання чергового біта в групу (і збільшення кількості використовуваних символів в два рази, відповідно), призводить до збільшення бітової швидкості на 2400біт / с. Саме тому підтримувані V.32 швидкості - від 4800 до 14400 біт / с з кроком в 2400. Протокол V.34 кодує символи не по одному, а групами по 8 (так званими "кадрами відображення", mapping frames). При цьому кожна група має деякі параметри (амплітудну обвідної), загальні для всіх 8 символів. За рахунок цього на один символ може припадати "дробове" кількість біт. Однак з міркувань сумісності, список підтримуваних бітових швидкостей і на V.34 складається зі швидкостей, кратних 2400, навіть якщо символьна швидкість вибрана не 2400, а більша. Наприклад, відома Вам швидкість 33600 біт / сек виходить при передачі 79 біт на групу з 8 символів на символьної швидкості 3429.

А тепер знову подивимося на те, що нам надає лінія. З точки зору збільшення числа станів сигналу, вона надає нам параметр, іменований динамічним діапазоном. Тобто різницю між найгучнішим і самим тихим сигналом, який лінія ще може пропустити без спотворень. Зверху це зазвичай обмежується перевантажувальної здатністю каналу, а знизу - рівнем шумів каналу. Інакше це ще називають співвідношенням сигнал / шум (SNR), тобто у скільки разів сигнал на приймальній стороні голосніше шуму, до нього домішується. При цьому пам'ятають про те, що збільшення гучності сигналу понад межі, що допускається лінією, неможливо.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8