Введение в локальные сети
Формулы Шеннона для непрерывного и дискретного каналов
Как уже отмечалось, локальные сети в настоящее время практически всегда имеют выход в какую-то глобальную сеть. Как правило, для подключения к глобальной сети используются модемы.
Модем (сокращение от «модулятор-демодулятор») - это устройство, преобразующее цифровые данные от компьютера в аналоговые сигналы перед их передачей по последовательной линии и, после передачи, производящее обратное преобразование. Основная цель преобразования состоит в согласовании полосы частот, занимаемой сигналами, с полосой пропускания линии передачи. Сигналы могут занимать всю полосу пропускания линии передачи либо ее часть (при частотном разделении каналов, например, в случае организации полностью дуплексного обмена). Кроме того, модемы должны обеспечивать необходимую амплитуду и мощность сигналов для достижения большого отношения сигнал/шум и, как следствие обоих перечисленных факторов (полосы частот и отношения сигнал/шум), возможно большей скорости передачи.
Модемы наиболее часто используются для подключения отдельных компьютеров либо локальных сетей к телефонной линии и, через нее, к другим компьютерам и сетям, в том числе и к глобальной сети Internet. Возможно, однако, использование достаточно экзотичных (по крайней мере, в настоящее время) линий передачи (типа силовой линии электропитания или системы кабельного телевидения) и не менее экзотичных модемов для связи компьютеров (и не только компьютеров), подключенных к той же самой линии связи. Все эти вскользь упомянутые темы, а также принципы работы и внутреннее устройство модемов (в упрощенном виде) рассматриваются в данной главе.
Внимание к характеристикам, внутреннему устройству модемов и принципам их работы вызвано отнюдь не абстрактным соображением о пользе знаний вообще и даже не только чисто прагматическим взглядом на проблему выбора конкретного типа модема, исходя из анализа доступных (часто не полных) сведений и цен. Дело в том, что модемы, используемые для передачи уязвимых по отношению к помехам цифровых данных по отнюдь неидеальным также и в других отношениях линиям передачи, являются хорошим примером «торжества человеческой мысли», воплощенном в достаточно компактном и зачастую интеллектуальном техническом устройстве. Весьма наглядно это проявляется на примере все тех же модемов для подключения к телефонным линиям, которые, как известно, имеют весьма ограниченную полосу пропускания (стандартное значение 3100 Гц) и прочие неприятные и не всегда предсказуемые особенности (временные перерывы в связи, искажения вплоть до полной неузнаваемости формы сигналов после передачи и др.). Для модемов, работающих на аналоговых телефонных линиях, в настоящее время достигнут теоретический предел, определяемый теоремами Шеннона. Работа на пределе возможностей приводит, как всегда, к наукоемким и оригинальным в техническом отношении решениям, которые могут быть полезны широкому кругу специалистов, занимающихся собственными разработками.
Формулы Шеннона представляют собой математические записи теорем кодирования Шеннона для дискретных и непрерывных сообщений, передаваемых по каналам с ограниченной пропускной способностью на фоне шумов и помех.
Каналы связи принято делить на дискретные, непрерывные и смешанные в зависимости от типов сигналов на входе и выходе. В общей структурной схеме канала передачи (рис. 12.1) дискретными являются каналы от входа модулятора до выхода демодулятора и от входа кодера до выхода декодера. Непрерывный (аналоговый) канал - это собственно последовательная линия передачи (телефонная линия, скрученная пара проводов, коаксиальный кабель и др.). Дискретные каналы не являются независимыми рт
аналогового канала, который часто образует наиболее «узкое место» при передаче и из-за собственной ограниченной полосы пропускания и внешних шумов и помех определяет общую достижимую скорость передачи (при заданном допустимом уровне ошибок при приеме).
Рис. 12.1. Общая структурная схема канала передачи: 1 - непрерывный (аналоговый) канал; 2,3- дискретные каналы
Прежде чем рассматривать формулы Шеннона, целесообразно обратиться еще раз к рис. 12.1 и пояснить функции отдельных устройств, так как это пригодится при дальнейшем изложении.
Кодер/декодер в конкретной системе может совмещать, на первый взгляд, прямо противоположные функции.
Во-первых, кодер может быть использован для внесения избыточности в передаваемую информацию с целью обнаружения влияния шумов и помех на приемном конце (там этим занимается соответствующий декодер). Избыточность проявляется в добавлении к передаваемой полезной информации так называемых проверочных разрядов, формируемых, как правило, чисто аппаратурными средствами из информационной части сообщения. Известно много различных помехоустойчивых кодов, причем самый простой однобитовый код (бит четности/нечетности) далеко не всегда удовлетворительно работает на практике. Вместо него в локальных сетях используются контрольная сумма или, что еще лучше, циклический код (CRC - Cyclic Redundancy Check), занимающий в формате передаваемого сообщения 2 или 4 байта, независимо от длины в байтах информационной части сообщения.
Во-вторых, при больших объемах передаваемой информации целесообразно ее сжать до передачи, если есть такая возможность. В этом случае говорят уже о статистическом кодировании. Здесь уместна аналогия с обычными программами архивации файлов (типа arj, rar, pkzip и др.), которые широко используются при организации обмена в сети Internet. Волее того, если проблема с большими объемами информации и после такого обратимого сжатия до конца не решается, можно рассмотреть возможность необратимого сжатия информации с частичной ее потерей («огрублением»). Конечно, здесь не может быть и речи об отбрасывании части чисто цифровых данных, но по отношению к изображениям иногда можно пойти на снижение разрешения (числа пикселей) без искажения общего вида «картинки». Здесь можно упомянуть алгоритмы сжатия JPEG для изображений и MPEG для видео- и аудиопотоков, допускающие значительные степени компресии без уменьшения разрешения и с минимальными потерями.
Понятно, что оба типа кодирования (помехоустойчивое избыточное кодирование и статистическое кодирование) служат, в конечном счете, решению одной задачи - повышению качества передачи как в смысле отсутствия или минимального допустимого уровня ошибок в принятом сообщении, так и в смысле максимального использования пропускной способности канала передачи. Поэтому в высокоскоростных модемах нередко реализуются оба типа кодирования. Что касается функций модулятора/демодулятора на рис. 12.1, то они, как уже было сказано, включают согласование полосы частот, занимаемой сигналами, с полосой пропускания линии передачи. Кроме того, выходные каскады передатчиков (после модуляторов) реализуют усиление сигналов по мощности и амплитуде, что является наиболее очевидным средством увеличения отношения сигнал/шум. Действительно, ничто (кроме, пожалуй, техники безопасности...) не заставляет разработчиков придерживаться в аналоговом канале столь жестких ограничений сигналов по амплитуде, как в дискретных (цифровых) каналах (от 0 до + 5В при использовании аппаратуры в стандарте ТТЛ). Например, для распространенного стандарта последовательного порта компьютера RS-232C предусмотрена «вилка» амплитуд от -(3...12)В до +(3...12)В. Конечно, в обоих случаях речь идет об амплитудах вблизи передатчика, в то время как вблизи приемника амплитуда сигналов может быть существенно ослаблена.
Формула Шеннона для непрерывного (аналогового) канала связи достаточна проста:
где VMaKc - максимальная скорость передачи (бит/сек), Af — полоса пропускания линии передачи и, одновременно, полоса частот, занимаемая сигналами (если не используется частотное разделение каналов), S/N — отношение сигнал/шум по мощности. График этой зависимости приведен на рис. 12.2 (формуле Шеннона соответствует кривая под названием «теоретический предел»).
Под шумом понимается любой нежелательный сигнал, в том числе внешние помехи или сигнал, вернувшийся к передающему устройству - может быть, и модему - в результате отражения от противоположного конца линии. Сами по себе сосредоточенные помехи не столь существенно ограничивают пропускную способность аналогового канала, как непредсказуемый в каждый момент времени белый гауссовский шум. «Умные» высокоскоростные модемы умеют, как будет отмечено в дальнейшем, определять уровень и задержку «своих» отраженных сигналов и компенсировать их влияние.
Рис. 12.2. Зависимость максимальной скорости передачи VU3KCдля аналоговой линии от отношения сигнал-шум по мощности S/N
Формула Шеннона для многопозиционного дискретного канала, построенного на базе предыдущего непрерывного канала, в отсутствие ошибок при приеме, имеет следующий вид:
Здесь п - общее число вариантов дискретного (цифрового) сигнала (алфавит). Если за время одной посылки (длительность элементарного аналогового сигнала типа отрезка синусоиды) передается информация о k двоичных разрядах, то n = 2k. Практически расширение алфавита для дискретных сигналов приводит к появлению все менее различимых элементарных посылок, так что величина п ограничивается сверху все тем же отношением сигнал/шум S/N в аналоговом канале.
При учете ошибок при приеме формула Шеннона для многопозиционного дискретного канала, построенного на базе непрерывного канала, имеет следующий вид:
Здесь рош - отношение числа бит, принятых с ошибками, к общему числу переданных бит за время наблюдения, теоретически стремящееся к бесконечности, а практически достаточное для набора статистики.
Согласно стандарта МККТТ (CCITT, новое название той же организации -ITU-T), для телефонных сообщений должно выполняться условие рош. < 3 • 10~5, а для цифровых данных рош. < 10~6 (в отдельных случаях для критичных данных этот порог уменьшают до 10~9). При выполнении требований стандартов влиянием ошибок при приеме на максимально-допустимую скорость передачи можно полностью пренебречь и от соотношения (3) перейти к более простому соотношению (2). В частном случае бинарного канала (k = 1, n = 2) при Рош= 1/2 из соотношения (3) следует, что V — 0, а при р —> 0 и при р —> 1 V —> 2 • Af. Физический смысл
такой зависимости состоит в том, что при рош— 1/2 принятый сигнал не содержит полезной информации (каждый из принятых битов может оказаться ошибочным). При рош (гипотетический случай, имеющий чисто теоретический интерес) каждый бит с большой вероятностью инвертируется, и доля полезной информации снова возрастает.
Формулы Шеннона показывают, что наиболее эффективный способ увеличения максимальной скорости передачи Умакс состоит в увеличении полосы пропускания линии передачи Af (VMaKc ~ Af). Логарифмическая зависимость VMaKc от отношения сигнал/шум S/N делает этот путь повышения Умакс гораздо менее перспективным и более трудоемким. Однако на практике редко возможен свободный выбор линии передачи, который с точки зрения реализации максимальной скорости передачи однозначно сводится к использованию оптоволоконной линии связи (ВОЛС). Суровая действительность часто состоит в том, что имеется телефонная линия, по которой и нужно организовать передачу с использованием модемов.
Как уже говорилось, телефонная линия (точнее, тракт передачи, функционирующий на этой линии, с учетом фильтров) имеет фиксированную полосу пропускания Af = 3400 - 300 = 3100 Гц, поэтому приходится бороться именно за повышение отношения сигнал/шум. Да и то хороший результат сам по себе не гарантирован, так как речь идет о реализации возможностей, близких к теоретическому пределу. Практический предел отношения сигнал/ шум в аналоговой телефонной линии составляет примерно 35 дБ (более 3000 раз по мощности или более 56 раз по амплитуде), что соответствует максимальной скорости VMBKC« 34822 бит/сек (стандартное значение, реализуемое на практике, 33600 бит/сек). Популярные в настоящее время 56К—модемы реализуют заявленную скорость только в одну сторону — от провайдера (из сети) до пользователя и только при условии работы провайдера непосредственно на цифровой, несколько более широкополосной, линии передачи (чудес не бывает!).
Глава 12.2. Типы линий передачи, использующих модемы
Прокладывание по всем правилам структурированных кабельных систем (СКС) для вновь создаваемых или реорганизуемых компьютерных сетей-- безусловно, полезное, но, одновременно, и дорогостоящее мероприятие, требующее больших первоначальных затрат на проведение капитальных работ. По этой причине производители аппаратных сетевых средств осваивают уже существующие или создаваемые линии передачи, которые не предназначены изначально для соединения компьютеров в сети. Для работы на таких линиях обычно требуются специфические модемы. В сравнении с обычными телефонными модемами эти модемы, как правило, более дорогие не в последнюю очередь из-за ограниченного объема их выпуска. В то же время они по-прежнему служат для переноса спектра передаваемых сигналов в полосу рабочих частот линии передачи, выделенную для организации обмена по сети. Ниже представлен краткий обзор линий передачи, в которых используется модемная связь, и приводятся достигнутые в настоящее время технические характеристики соответствующих модемов (в первую очередь - скорость передачи).
Однопроводная линия - самая простая из возможных линий последовательной передачи данных (см. рис. 12.3). Из-за большого территориального удаления передатчика от приемника в сети (до нескольких сотен метров или даже свыше километра) возникает заметная разница потенциалов между точками заземления аппаратуры и возрастает влияние ничем не скомпенсированных помех. Поэтому на практике такие линии передачи в сетях не используются.
Рис. 12.3. Однопроводная линия передачи (при симплексном режиме обмена данными)
Обычная линия силового электропитания на 220 В (электропроводка) в последнее время успешно используется для организации двунаправленной системы домашней автоматики, связывающей различные бытовые приборы (осветительные приборы, стиральную машину, телевизор и др.) и датчики (датчики температуры, потребляемой мощности и др.). Цель состоит как в управлении этими приборами, так и в сигнализации об опасных ситуациях (пожар, утечка газа и т.д.). «Побочное» использование электропроводки для организации домашней локальной сети напрашивается само собой, однако при этом надо иметь в виду далеко не идеальные характеристики такой линии. Измерения на реальных линиях электропроводки в диапазоне частот 100...150 кГц, наиболее перспективном для передачи данных, показали существенный разброс модуля импеданса линии (1,5...80 Ом), затухания (2...40 дБ) и уровня шума (до -15 дБ). Эти характеристики существенно зависят от количества одновременно включенных в сеть бытовых приборов.
Для организации домашней локальной сети, использующей линию электропроводки, необходимы специальные модемы (power line modems). Модемы типа CD8000 (фирма Compu Mech) работают на центральной частоте 125 кГц, используют частотную модуляцию и допускают объединение до 15 устройств (с дополнительным модулем адресации - до 255 устройств) при скорости передачи 300бит/с...19,2 Кбит/с. Таким образом, устройства обмениваются данными примерно с такими же скоростями, сак если бы это происходило в сети Internet, хотя и находятся в соседних томещениях. Это не столь важно при обмене чисто цифровыми данными, еднако может создавать проблемы при передаче оцифрованной речи и изображений (особенно динамических).
Двухпроводная телефонная линия в пределах отдельных зданий пред-:тавляет собой простой двухжильный провод, но и это уже прогресс по :равнению с рассмотренной ранее однопроводной линией, так как отсчет гринятого сигнала ведется не от потенциала «земли», а от второго прово-la. в линии. В таких линиях просто организуется симплексный и полугуплексный режим обмена данными, в то время как дуплексный обмен юзможен только ценою снижения скорости передачи (при частотном или феменном разделении «прямого» и «обратного» каналов). Если учесть, (то в лучшем случае скорость передачи по аналоговой телефонной линии !е превышает 33600 Кбит/с (см. предыдущий раздел), то делить в общем-'о и нечего... Правда, иногда требуется передавать в одном из направлений чисто служебную информацию (сообщение о состоянии удаленного юдема, его режимах работы и др.), для которой скорость передачи не-:ритична. Тогда параллельный канал может быть организован практи-[ески без потери скорости по основному каналу.
Четырехпроводная телефонная линия преодолевает недостаток обычной двухпроводной линии, так как позволяет организовать дуплексный обмен без потери скорости в обоих направлениях.
Многопарный телефонный кабель используется в магистральной части телефонной линии (для внешних соединений) и отличается от «внутренних» телефонных линий большей полосой пропускания, которая необходима для уплотнения множества телефонных каналов.
Линии на основе коаксиального кабеля, используемые в системах кабельного телевидения, подобны соединениям во многих локальных сетях. В этих линиях используется еще один тип специализированных модемов, «заслуживших» собственное название: cable modems. Обычный телевизионный сигнал и цифровые данные при передаче по кабелю должны быть разнесены по разным частотным диапазонам Поэтому увеличение скорости не такое заметное, как в локальных сетях, монопольно использующих высокочастотные кабели (100 Мбит/с в сетях типа Fast Ethernet и др.). Компромиссное решение для локальных сетей, основанных на системах кабельного телевидения, состоит в выборе неравных скоростей при передаче запросов от пользователя в сеть (0,512...10 Мбит/с) и при получении информации в обратном направлении (10...40 Мбит/с). Понятно, что вторая скорость важнее.
Беспроводные (радио-) линии привлекательны для тех пользователей, которые не имеют фиксированного рабочего места (учащиеся институтов и университетов, инженеры на производстве и т.д.). Обычно в локальной сети стационарные проводные участки (сегменты) сочетаются с удаленными пользователями или сегментами, обслуживаемыми с помощью радиомодемов (radio modems). Высокая частота несущей (2000...2500 МГц) выбирается из условия малого влияния на передаваемую информацию погодных условий. Однако полоса используемых частот, которая определяет достижимую скорость передачи, ограничена как из-за влияния помех, так и из-за общей занятости радиодиапазонов. В результате максимальная скорость передачи по беспроводным линиям составляет примерно 50 Мбит/с. Следует заметить, что беспроводная связь устойчиво работает только в условиях прямой видимости абонентов (отсутствия препятствий для радиоволн) на расстоянии до 50 км.
Линии передачи с использованием искусственных спутников Земли в
качестве ретрансляторов сигналов в глобальных или региональных компьютерных сетях в целом напоминают наземные варианты беспроводных линий. Для передачи в разных направлениях теперь используются две частоты несущей: 6/4 ГГц (другой вариант - 14/12 ГГц). Однако скорость передачи по-ггоежнему обычно не ппевышает 50 Мбит /г Огнгтняя гтоблема в таких линиях связана с заметной временной задержкой сигналов, передаваемых по длинному маршруту. Например, при числе работающих абонентов, равном 100, используемый алгоритм временного разделения каналов (TDMA) приводит к величине временной задержки 1002 (37100 км/300000 км/с) «24 с. Для компенсации этой задержки, создающей дискомфорт при «живом» общении, используются специальные наземные станции-накопители информации SDU (Satellite Delay compensation Unit).
He все из перечисленных линий передачи нашли в настоящее время широкое применение в качестве основы для построения локальных сетей, хотя роль каких-то из них с течением времени может быстро возрасти. Кроме ограниченной развитости линий (как в случае отечественных телевизионных кабельных сетей), сдерживающими факторами могут быть технические особенности отдельных линий (например, ограничение области действия сети на основе силовой проводки пределами тех помещений, которые питаются от одного силового трансформатора). Как уже отмечалось, стоимость специфических модемов (типа power line modems, cable modems или radio modems) может быть в настоящее время достаточно высока в сравнении со стоимостью обычных телефонных модемов. Наконец, такие глобальные линии передачи, которые используют искусственные спутники Земли, не всегда доступны рядовому пользователю, хотя неявно их эксплуатируют многие пользователи сети Internet.
Среди наиболее распространенных при модемной связи телефонных линий есть такие их разновидности и такие режимы работы, которые, опять же, не всегда доступны на практике. Ниже в двух колонках представлены: слева - желательные типы и режимы работы телефонных линий, а справа - доступные широкому кругу пользователей (применительно к отечественным условиям).
Четырехпроводные телефонные Двухпроводные телефонные линии линии Выделенные (leased) линии Переключаемые (switched) линии Многоточечные (many-points) Двухточечные (point-to-point) линии.
Линии с тональным набором Линии с импульсным набором номеномера (tone dial) pa (pulse dial) В современных стандартах для модемов (например, в стандарте V.34) предусматривается возможность работы на двухпроводных переключаемых двухточечных линиях, как широко распространенных во всем мире.
При работе на выделенных линиях, аренда которых из-за высоких цен считается оправданной только при достаточно высокой и постоянной во времени загрузке (трафике), а также при использовании широко распространенных (но не у нас) линий с тональным набором номера существенно снижается уровень помех и более полно реализуются собственные скоростные возможности модемов. Многоточечные линии обеспечивают дополнительный сервис - возможность одновременного подключения к линии нескольких пользователей для проведения чего-то вроде «селекторных совещаний», в то время как случающееся иногда многоточечное соединение в обычной линии с прослушиванием абсолютно посторонних абонентов никому из участников не нужно и всех раздражает.
В отношении качества отечественных телефонных линий высказываются обоснованные претензии, связанные с возможными искажениями сигналов из-за множества факторов.
Значительную долю искажений вносят абонентские линии:
затухание (уменьшение мощности) полезного сигнала; изменение амплитудно-частотной характеристики по сравнению со стандартными требованиями (изменение мощности сигнала в зависимости от частоты), причем высокочастотные сигналы затухают более сильно; импеданс линии при нормативе 600 Ом ± 20% в реальных линиях может лежать в диапазоне от 400 до 1800 Ом. Это означает, что в российских условиях преимущество имеют модемы с перестраиваемым выходным сопротивлением; постоянное напряжение смещения (то самое, благодаря которому работают микрофоны) может иметь значительные отклонения от номинала.При междугородней связи наибольшее влияние оказывают участки переприема, в которых происходит преобразование сигналов из высокочастотных, передаваемых по магистральным линиям с использованием частотного уплотнения каналов, в сигналы звукового диапазона 300..3400 Гц и наоборот. Общее число таких участков может доходить до 8....11. Вносимые искажения во многом зависят от качества настройки полосовых фильтров на телефонных станциях. Основные искажения при этом следующие:
фазочастотные искажения (отклонение группового времени прохождения относительно его значения на частоте 1900Гц); дополнительные амплитудно-частотные искажения (затухание на краях полосы пропускания); смещение несущей частоты (спектр сигнала равномерно смещается на несколько герц); джиттер фазы (дрожание фазы по периодическому или случайному закону); скачки фазы (случайный поток скачкообразных изменений начальной фазы сигнала).Существует еще целый ряд искажений, которые могут возникнуть на всем пути сигнала: шумы, импульсные помехи, замирание сигнала - временное уменьшение его мощности до уровня ниже распознавания модемом, колебания амплитуды и др.
«Ответ» модема на все эти искажения, независимо от их природы и места возникновения, один и тот же - снижение реальной скорости передачи, вплоть до временного прекращения связи в процессе автоматической адаптации модема к характеристикам линии (см. следующие пункты данного раздела). Так, если рассматривать влияние на скорость передачи только отношения сигнал-шум по мощности S/N, то, как следует из графика на рис. 12.2, даже для достижения сравнительно «скромной» скорости на уровне 10 Кбит/с в соответствии со стандартом V.34 требуемое отношение сигнал-шум должно быть больше 15 дБ. Измерения на реальных отечественных телефонных линиях, особенно при междугородней связи, показывают возможность снижения отношения сигнал/шум и до меньших величин.
Глава 12.3. Структура модема
Одна из возможных структурных схем модема показана на рис. 12.4.
Рис. 12.4. Структурная схема модема
Она содержит типовые функциональные узлы обработки и преобразования сигналов, из числа которых намеренно исключены некоторые второстепенные узлы, предназначенные для организации синхронизации и обработки служебных сигналов. Далее узлы, осуществляющие прямое и обратное преобразования в передающей и приемной части модема, рассматриваются попарно.
Кодер/декодер предназначены для защиты от ошибок и «сжатия» данных. Защита от ошибок предполагает включение в пакеты передаваемых данных избыточного циклического кода (CRC), как и в локальных компьютерных сетях. При этом в качестве стандартных протоколов, более подробно описывающих форматы данных (в том числе число бит в коде CRC - 16 или 32), используются протоколы серии MNP (Microcom Networking Protocol от фирмы Microcom) или V.42 (международный стандарт ITU-T).
Протокол V.42bis представляет собой протокол сжатия данных. Если нельзя увеличить пропускную способность линии передачи из-за ограничения, накладываемого теоремой Шеннона, то можно уменьшить избыточность передаваемой текстовой информации, используя свойство повторяемости цепочек символов в словах. Для этого на передающем и приемном конце линии модемы (точнее, их кодеры и декодеры) организуют и поддерживают идентичные динамические словари в виде структур типа дерева с отдельными символами в качестве узлов (см. рис. 12.5). Достаточно передавать не сами слова, а, фактически, специальным образом описанные (в виде чисел) части словарей (пути в дереве), содержащие требуемые последовательности символов. Так, часть словаря на рис. 12.5 позволяет описать строки символов А, В, ВА, BAG, BAR, BI, BIN, C, D, DE, DO и DOG относительно соответствующих корневых узлов.
Рис. 12.5. Пример представления части словаря при работе протокола сжатия V.42bis
Скремблер/дескремблер производят такое преобразование передаваемого и принятого сигналов, которое исключает влияние длинных цепочек из логический нулей или единиц, а также коротких повторяющихся последовательностей на надежность синхронизации в приемной части модема. Скремблер при необходимости «прореживает» такие последовательности за счет вставляемых принудительно логических нулей или единиц, делая преобразованные данные псевдослучайными, а дескремблер удаляет лишние биты, восстанавливая исходный вид данных.
Описанная проблема (зависимость качества синхронизации от вида передаваемых данных) существенна, конечно, не только при модемной связи, но и при любых видах обменов цифровыми данными по последовательной линии передачи, в которой не предусмотрена посылка отдельного синхросигнала. Такая ситуация характерна для компьютерных сетей, в которых для решения указанной проблемы вместо простых кодов передачи используются самосинхронизирующиеся коды (типа двухуровневых кодов Манчестер-П или трехуровневых кодов с высокой плотностью единиц — КВП или BNZS в английском варианте названия).
Эквалайзер включается в приемной части модема и служит для компенсации зависимости группового времени запаздывания в линии от частоты. Для улучшения качества передачи речевых сигналов их спектральные составляющие на разных частотах должны приходить к удаленному модему с одинаковой задержкой. Идеальная компенсация показана на рис. 12.6. На практике в высокоскоростных модемах собственное групповое время запаздывания эквалайзера подстраивается автоматически.
В приемной части модемов, работающих в дуплексном режиме на обычной двухпроводной телефонной линии, требуется осуществлять также эхо-компенсацию.
Соответствующий функциональный узел на рис. 12.4 не показан. Проблема состоит в том, что при дуплексном обмене передающий модем может воспринять порожденный им же сигнал, отраженный от другого конца линии, как пришедший от удаленного модема. В стандартах для высокоскоростных модемов (в частности, в стандарте V.34) предусмотрена процедура эхо-компенсации и установлены ограничения на уровень отраженного сигнала (он должен быть меньше полезного сигнала не менее чем на 25...30 дБ) и его максимальную задержку (не более 200...300 мс). Практическая реализация эхо-компенсации в высокоскоростных модемах предусматривает автоматическое определение параметров отраженного сигнала (его амплитуды и задержки) на этапе установления соединения.
Рис. 12.6. Идеальная компенсация эквалайзером зависимости группового времени запаздывания в линии от частоты
Фильтры и усилители на рис. 12.4 являются традиционными устройствами при обработке сигналов на фоне шумов и помех и не нуждаются в более подробном описании. В то же время модулятор и демодулятор в модемах реализуют специфические и достаточно сложные методы модуляции, которые рассматриваются в разделе 12.4.
В современных модемах большая часть функций выполняется программой, управляющей работой цифрового сигнального процессора (ЦСП). Для исключения эффекта наложения спектров принципиально использование непрерывных аналоговых фильтров. Нужны также аналоговые усилители, АЦП и ЦАП для преобразования аналоговых сигналов в цифровые и обратно.
Глава 12.4. Методы модуляции, используемые в высокоскоростных модемах
Известно, что «классические» методы модуляции при прочих равных условиях существенно отличаются между собой по степени устойчивости к помехам. В отношении посылок ограниченных во времени отрезков синусоидальных сигналов, несущих информацию о логических нулях и единицах, возможна следующая простая интерпретация преимущества одних методов модуляции перед другими.
На рис. 12.7 Sj(t) и s2(t) — сигналы, соответствующие логическому нулю и
несет информацию только об одном бите). AM, ЧМ и ФМ — соответственно амплитудная, частотная и фазовая модуляция. Из графиков видно, что в наибольшей степени отличаются между собой посылки сигналов при фазовой модуляции, в наименьшей - при амплитудной модуляции. Поэтому по степени устойчивости к помехам «классические» методы модуляции должны быть расставлены в том же порядке.
В высокоскоростных модемах для дальнейшего улучшения помехоустойчивости (при неизменном отношении сигнал-шум в линии) используются обычно комбинации из «классических» методов модуляции, в частности, различные варианты амплитудно-фазовой модуляции. Для пояснения преимущества таких комбинированных методов модуляции над «классическими» методами могут быть использованы так называемые констел-ляционные (constellation - созвездие) или треллис (trellis - решетка) диаграммы. Используется еще и третий вариант названия - квадратурные диаграммы, напрямую связанный со способом изображения на комплексной плоскости гармонических функций при их разложении на синусоидальную («мнимую» - Im) и косинусоидальную («вещественную» - Re) составляющие.
Рис. 12.7. Качественное сравнение «классических» методов модуляции по степени УСТОЙЧИВОСТИ к помрхам
На рис. 12.8 показан фрагмент сигнала для простой бинарной дифференциальной фазовой модуляции (DPSK). При ее использовании передаче логической 1 в исходной цифровой последовательности соответствует сдвиг фазы гармонической посылки на 180°, а логическому 0 — отсутствие такого сдвига. В аналитическом виде этот сигнал описывается соотношением s(t) = cos(wct ± р/2) и на комплексной плоскости представляется в виде двух точек на окружности. В современных высокоскоростных модемах этот вид модуляции не используется, хотя использовался ранее в модемах со скоростью передачи до 4800 бит/с. Причина ограничения скорости передачи связана с неэффективным размещением сигналов в пространстве, при котором минимальное расстояние между ними (а значит, и степень устойчивости к помехам) далеко от теоретического предела.
Рис. 12.8. Фрагмент сигнала для простой бинарной дифференциальной фазовой модуляции (2 - DPSK) и его отображение на комплексной плоскости
Для метода DPSK максимальное число бит, информация о которых может быть «закодирована» в одной посылке гармонического сигнала (на одном бодовом интервале), составляет 3, что означает улучшение скорости передачи по сравнению с бинарным кодированием только в 3 раза и общее число гармонических посылок, различающихся по фазе, равное 23 = 8. При попытке дальнейшего «дробления» фаз метод модуляции DPSK становится неконкурентоспособным с точки зрения помехоустойчивости в сравнении с более совершенными комбинированными амплитудно-фазовыми методами модуляции.
Переход от чисто фазовой к амплитудно-фазовой модуляции позволяет увеличить минимальное достижимое расстояние между гармоническими посылками (в смысле расстояния между точками в евклидовом пространстве) при заданном числе этих посылок, как показано на рис. 12.9.
На этом рисунке сравниваются два метода модуляции (16-DPSK и 16-QAM), причем минимальное расстояние между посылками d, очевидно, больше для второго метода модуляции. Здесь QAM (Quadrature Amplitude Modulation) — многопозиционная амплитудно-фазовая модуляция, при использовании которой достижимое число бит на один бодовый интервал может быть увеличено до 8.
Рис. 12.9. Сравнение двух методов модуляции (16-DPSK и 16-QAM) по величине минимального расстояния между посылками
Существует, однако, еще более совершенный метод модуляции - ТСМ (Trellis Coded Modulation), модуляция с решетчатым кодированием, или треллис-модуляция. Преимущество метода ТСМ перед QAM состоит не столько в увеличении числа бит, передаваемых за время посылки (оно может составлять от 1 до 9), сколько в снижении требования к телефонной линии по величине отношения сигнал-шум на 3...6 дБ. Если ограничиться кратким пояснением без привлечения целого ряда дополнительных и необязательных для широкого круга пользователей терминов, то к одним из основных решений, заложенных в метод модуляции ТСМ, следует отнести введение избыточного бита, полученного с помощью свер-точного кодирования. После этого применяется метод модуляции QAM. Несмотря на то, что введение избыточного бита приводит к увеличению общего числа посылок в два раза, использование при декодировании эффективного алгоритма обработки сигналов на фоне шумов и помех (алгоритма Виттерби) позволяет компенсировать эту избыточность и получить отмеченный выше выигрыш в отношении сигнал-шум. Анализ принятого избыточного бита и учет ранее принятых сигналов позволяют более уверенно выбрать наиболее вероятную точку в пространстве сигналов. Усложнение алгоритмов обработки сигналов и увеличение общего числа возможных посылок ведет, естественно, к увеличению тоебуемой производительности (вычислительной мощности) декодера, однако современный уровень развития цифровых сигнальных процессоров позволяет решить эту задачу.
Модемы со скоростью передачи до 33600 бит/с, предназначенные для работы на аналоговых телефонных линиях и отвечающие рекомендациям стандарта V.34, используют метод модуляции ТСМ. На рис. 12.10 в качестве примера представлены проекции сигналов на комплексную плоскость для метода модуляции ТСМ при числе точек, равном 24,128, 256 и 960 (соответствующие скорости передачи в стандарте V.34 — 9600,19200, 24000 и 28800+200 бит/с). В последнем случае за счет временного уплотнения помимо основного канала вводится независимый дополнительный (параллельный) низкоскоростной канал (со скоростью передачи 200 бит/с), который может использоваться для служебных целей. Общий вид проекций сигналов на комплексную плоскость на рис. 12.10 делает понятными ранее упоминаемые варианты названий квадратурных диаграмм: констелляцион-ные или треллис-диаграммы.
Рис. 12.10. Проекции сигналов на комплексную плоскость для метода модуляции
Стоит сделать замечание относительно двух возможных способов описания скоростей модемов. Скорость в бодах (baudrate) представляет собой физическую частоту смены посылок. Она обычно ограничена полосой пропускания телефонной линии (от 300 до 3400 Гц, т.е. 3100 Гц). Частота несущей выбирается близкой к середине полосы пропускания телефонной линии; для стандарта V.34 предусмотрен ряд возможных частот несущей в диапазоне от 1600 до 2000 Гц («уход» в ту или иную сторону от центра полосы пропускания может несколько улучшить качество связи). Таким образом, бодовый интервал (длительность одной элементарной посылки) может содержать менее одного периода гармонического колебания (в отличие от случая, показанного на рис. 12.8.). Информационная скорость передачи может задаваться либо в бит/с (в англоязычной литературе в bps — bit per second), либо в числе символов в секунду, то есть байт/с (в англоязычной литературе в cps - characters per second). Скорость в бит/с всегда больше или равна скорости в бодах, причем отношение этих скоростей совпадает с числом бит, приходящихся на один бодовый интервал в том или ином методе модуляции. Произведение 3100 (стандартная полоса пропускания телефонной линии в Гц)х9 (максимальное число бит, приходящихся на один бодовый интервал в методе модуляции QAM) все еще меньше 33600 Бит/с. Это означает необходимость использования более широкой полосы пропускания (и большей частоты смены посылок), что и является одной из особенностей стандарта V.34 (см. следующий раздел). Правда, в случае стандарта V.34 вместо скорости в бодах частота смены посылок задается в числе символов/с, что не меняет ее абсолютной величины.
Глава 12.5. Особенности стандартов V.34 и V.90
Стандарт V.34 имеет длинное название, перевод которого звучит так: «Модем, обеспечивающий передачу данных со скоростями до 28800 (33600) бит/с для использования на коммутируемой сети общего пользования и на двухточечных двухпроводных выделенных каналах телефонного типа». Таким образом, этот стандарт ориентирован на использование в наиболее распространенных типах телефонных линий. Стандарт V.34 имеет две «версии» или редакции — в первой редакции стандарта от 1994 г. предусматривалась скорость передачи не выше 28800 бит/с, во второй от 1998 г. этот предел был увеличен до 33600 бит/с. Кроме перечисленных ранее, этот стандарт имеет целый ряд других особенностей, наиболее принципиальные из которых перечислены ниже.
Более полное использование полосы пропускания телефонной линии. Из шести предусмотренных стандартом V.34 символьных скоростей передачи две наибольшие (3200 и 3429 символов/с) требуют ширины полосы пропускания линии, большей стандартного значения 3100 Гц, но достижимой для ряда реальных телефонных линий. Введение в передаваемый сигнал наряду с линейными нелинейных предискажений для частичной компенсации нелинейных искажений, вносимых аппаратурой с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ), работающей на линии. На комплексной плоскости такие предискажения выглядят в виде неравномерного (отличающегося от строго решетчатого) расположения сигнальных точек. Развитый сервис, включающий возможность организации асимметричной передачи (разные скорости, несущие частоты, число точек на комплексной плоскости и другие режимы работы для модемов на противоположных концах линии), полудуплексного обмена (эхо-компенсация не используется) и дополнительного канала. Автоматический адаптивный выбор режимов работы модемов в соответствии с параметрами реальной телефонной линии. Для этого модемы попеременно передают друг другу последовательность из 21 гармонических колебаний с частотами в диапазоне от 150 до 3750 Гц, определяют возможные режимы работы и обмениваются информацией о них. Настройка скорости работы модемов в соответствии с качеством связи (отношением сигнал-шум) означает, что фактически скорость может уменьшаться с шагом 2400 бит/с и в случае отношения сигнал-шум менее 20 дБ (реальная цифра для некоторых отечественных телефонных линий, особенно при междугородней связи) окажется не более 9600 бит/с. Связь ряда достижимых значений скоростей передачи с отношением сигнал/шум для стандарта V.34 показана на рис. 12.2.Как следует из анализа особенностей стандарта V.34, он практически полностью использует возможности, предоставляемые стандартными аналоговыми телефонными линиями. Дальнейший рост скорости передачи возможен только при использовании линий с большей полосой пропускания, что и предусмотрено в стандарте V.90 для модемов со скоростью передачи до 56 Кбит/с, часто обозначаемых как V.90- или 56К-модемы. Стандарт V.90 на 56К—модемы утвержден ITU-T в сентябре 1998 г. Появление этого станпапта положило конец данного класса K56Flex (в связи с которым упоминаются фирмы 3COM, Rockwell и Lucent Technologies) и Х2 (от фирмы US Robotics).
На рис. 12.11 приведена иллюстрация принципа работы обычных (со скоростью передачи до 33600 бит/с на основе стандарта V.34) и 56К (V.90)-модемов в телефонной сети общего пользования.
Хотя большая часть сети цифровая, при работе на обоих концах линии модемы, соответствующие протоколу V.34, используют ее как полностью аналоговую. Это означает необходимость использования аналого-цифровых преобразователей (АЦП) при передаче сигналов в обоих направлениях. В результате дискретизации сигналов по амплитуде АЦП вносят заметный вклад в ухудшение отношения сигнал-шум, и скорость передачи в обоих направлениях одинакова (при самых благоприятных условиях до 33600 бит/с). Однако если на одном из концов линии (у провайдера) использовать специальный цифровой V.OO-модем, подключенный непосредственно к цифровой части телефонной сети, а на другом конце (у клиента) аналоговый У.90-модем, то в направлении от провайдера к пользователю АЦП отсутствует, и скорость может быть увеличена (теоретически) до 56 Кбит/с.
Рис. 12.11. Иллюстрация принципа работы обычных и 56К (\/.90)-модемов
Сама по себе цифровая телефонная сеть имеет скорость передачи 64 Кбит/с, однако наличие дополнительных искажений и шумов от работы ЦАП и АТС, хотя и меньших по уровню, чем шум дискретизации АЦП, ограничивает достижимую скорость передачи. Кроме того, тестирование 56К-модемов показывает возможность достижения скорости в диапазоне 40...50 Кбит/с при связи с местной телефонной станцией и 28...33 Кбит/с при работе на международных линиях.
Таким образом, достижение скорости передачи 33,6 Кбит/с и, тем более, 56 Кбит/с требует выполнения целого ряда условий. В первую очередь сама по себе телефонная линия со всем оборудованием, которое используется для преобразования сигналов и коммутации каналов, должна быть достаточно качественной в смысле малости вносимых искажений сигналов (см. 12.2).
Чтобы работа со скоростью 56 Кбит/с была возможной, необходимо выполнение трех дополнительных условий.
1. Цифровое подключение на одном из концов (со стороны провайдера).
2. Поддержка стандарта V.90 на обоих концах. Стандарт V.90 должен поддерживаться на обоих концах соединения: как аналоговым модемом пользователя, так и сервером удаленного доступа или модемным пулом на стороне хост-компьютера. Переход к стандарту V.90 не означает обязательного приобретения нового модема, т.к. некоторые из них допускают чисто программный «upgrade».
3. Одно аналого-цифровое преобразование. На пути следования сигнала между цифровым модемом V.90 и аналоговым модемом может быть только одно аналого-цифровое преобразование.
Если необходимы подробности, то их можно найти в сети Internet (достаточно в одной из русских поисковых систем указать ключевое слово «V.90»). Однако самый правильный (и неизбежный) шаг состоит в том, чтобы выяснить все у выбранного провайдера и, по возможности, осуществить пробную эксплуатацию 56К-модема (некоторые из провайдеров предоставляют такой вид сервиса).
Глава 12.6. Классификация модемов
Выше были упомянуты в достаточно большом количестве разные типы модемов. Однако этот список был бы неполным без упоминания еще ряда названий модемов, используемых на практике. Представлен вариант классификации модемов по следующим трем признакам:
типы линий передачи, в которых используются модемы; виды сервиса и характеристики модемов: особенности внутреннего устройства и конструктивного исполнения модемов.Следует отметить, что модемы относятся к категории массовых и быстро развивающихся телекоммуникационных средств. Их разработкой, изготовлением и продвижением до конечного пользователя занимается множество фирм. С этим связано существование множества неустоявшихся, частично пересекающихся названий модемов. Поэтому краткое название модема может оказаться недостаточным для определения его истинного назначения и особенностей, весьма существенных для пользователя. Так, существуют два абсолютно несовпадающих типа V-90-модемов - один, аналоговый, для использования у пользователя и другой, чисто цифровой, для поддержки стандарта V.90 со стороны провайдера. Путаница может быть также связана с понятием голосового модема (voice modem) в связи с наличием в некоторых модемах близкой по названию, но совершенно отдельной функции голосовой почты (voice mail).
Глава 12.7. Программные средства для модемов
Программные средства для модемов, называемые также телекоммуникационными программами, можно разделить на три уровня.
Низкоуровневые средства по типу языка ассемблера для компьютеров. Широко распространен набор так называемых Hayes-команд фирмы Hayes Microcomputer Products. Hayes-команды начинаются с префикса AT, за которым следуют буквенно-цифровые обозначения. Существует командный режим, в котором устанавливаются, изменяются или восстанавливаются параметры модема по умолчанию, и режим передачи (рабочий). Вряд ли нужно здесь приводить полный список и описание Hayes-команд. Если есть проблемы с использованием конкретного модема, можно попытаться найти столь же конкретный ответ в одной из конференций Internet. Если же таких проблем нет, то можно положиться на строки инициализации AT..., «зашитые» в телекоммуникационных программах более высокого уровня. Средства, встроенные в ОС, в том числе в MS DOS, Norton Commander и Windows. В MS DOS (различных версий) это команда MODE (настройка параметров), а также команды INTERLNK и INTERSRV (собственно передача). В Norton Commander версии 5.0 можно найти программу Term95 или строчку Terminal Emulation в верхнем меню, вызывающую ту же программу. Теперь настройка параметров и передача вызываются в одной программе и просто входят в разные пункты меню. В русскоязычной версии Windows 95 (OSR2) в группу программ «Стандартные» имеется «Программа связи» (Hyper Terminal). Кроме того, в Windows 95 входит отдельная программа настройки модемов («Модемы» в «Панели управления»), а также средства подключения к сети Internet. Упомянутые программы удобнее и «мощнее», чем низкоуровневые команды, однако еще большими возможностями обладают программные средства из следующей группы. «Внешние» специализированные программы типа Quick Link II, Dataline, Remote Win Mail и другие, которые могут поставляться вместе с конкретным модемом (но обычно способны поддерживать работу модемов разных типов) и либо доступны как свободно распространяемое ПО из сети Internet, либо распространяются на CD-дисках. Например, программа Quick Link II поддерживает работу местного факс/модема (или просто модема) с удаленным модемом, удаленным факс/модемом и факсимильным аппаратом.Ниже перечислены основные установочные параметры телекоммуникационных программ.
Скорость передачи в бодах (baudrate). Стоит отметить, что уже в ранних версиях программы Term предусматривалась скорость много большая, чем это возможно при модемной передаче (до 115200 бод для программы Term90, версия 2.3). Дело в том, что связь между компьютерами на небольшие расстояния (до 2 м при использовании интерфейса Centronics и до 15 м при использовании интерфейса RS232C) может быть организована без участия модемов с помощью так называемых «нуль-модемных» кабелей, соединяющих параллельные или последовательные порты. В случае использования параллельных портов верхняя граница достижимой скорости передачи доходит до 100 Кбайт/с (т.е. до 800 Кбод). Протоколы передачи (ASCII, Kermit, Xmodem, Ymodem, Zmodem и их разновидности). Здесь под протоколами понимается одна из составляющих этого понятия — формат пакетов. Возможные форматы отличаются по числу бит на символ (для протокола ASCII предусмотрено только 7 бит на символ и, соответственно, возможна передача только текстов, написанных английскими буквами), по длине пакета в байтах и по способу проверки отсутствия ошибок (без проверки, с использованием бита четности/нечетности, контрольной суммы или циклического кода — CRC). Управление передачей (flow control). Это вторая часть общепринятого понятия протоколов, включающая простой механизм проверки готовности удаленного устройства типа «запрос — ответ» с помощью пары сигналов, образуемых за счет аппаратных средств (RTS/CTS - уровни сигналов на контактах разъема RS232C) или чисто программно (Хоп/ Xoff - служебные символы кодовой таблицы ASCII). Считается, что аппаратный способ более надежен. Он необходим для работы с модемами, поддерживающими стандарты сжатия информации v.42/V.42bis и MNP5. Эмуляция удаленного терминала (Teletype - TTY, DEC102, ANSI и др.). На экране «местного» компьютера может быть получено изображение, идентичное изображению на мониторе удаленного компьютера.