Введение

Нужны ли сегодня модемы ?

Наши компьютерные и сетевые журналы, каталоги и предложения коммуникационных фирм, сайты Internet насыщены новой и новейшей информацией о суперскоростных магистралях SDH, технологиях Frame Relay и АТМ. Отзвучали гимны ISDN и муссируются проблемы Fast ISDN.Уже обсуждают вовсю проблемы ASDL доступа в Internet и доступа по телевизионным кабельным сетям.

Создаётся впечатление, что и дома и на работе всем нам уже совершенно не хватает пропускной способности "банальных" 64К цифровых каналов, ну,например, BRI сетей ISDN, которые давным-давно подведены к нашим квартирам и офисам. В то же время всем хорошо известно, что сидим мы в подавляющем числе случаев пока лишь около своих обожаемых модемов, с замиранием сердца следим как эти рабочие лошадки, не очень то торопясь, перекачивают по обычному коммутируемому телефонному каналу информацию с какого-нибудь WEB сервера Internet. И, как не покажется это странным, профессиональный и дилетантский спор о том, какой модем лучше, не угасает по сей день.
Никто не спорит, что резко возросла потребность скоростного и качественного доступа и информационным рекам, особенно к Internet. Многие с удовольствием воспользовались хотя бы индивидуальными каналами ВRI,ежели все наши сети были бы сплошь ISDN,но : А нельзя ли обеспечить существенное увеличение скорости работы обычных модемов? По обычным телефонным каналам ? Удивительно, но факт, что именно в США- стране с самой современной инфраструктурой сетей связи, задумались над этой проблемой и тут же нашли решение. Дело еще и в том, что в США, как и у нас, исторически ISDN сети : развиты слабо.

В конце 1996 года на коробках модемов Sportster и Courier, наиболее популярных у нас и за рубежом моделях "обычных" модемов U.S.Robotics, запестрела броская наклейка с тремя символами "56K". Появились заметки в журналах и на сайтах в Internet. Заговорили о разгоревшейся в США "войне" между титанами модемной индустрии U.S.Robotics - с одной стороны, и группой суперкомпаний в лице Rocwell Semiconductor System, Lucent Technologies и "примкнувшей к ним" Моtorola -c другой..

Все ещё не успели очнуться от молниеносного скачка скорости от 28.8 Кбит/сек к 33.6 Кбит и постоянных возгласов о том, что сеансы с этими скоростями нереальны, как, на тебе!, новая "напасть" - 56Kбит/сек. Для профессионала эти цифры показались совершенно невероятными и противоречащими известному закону Клода Шеннона. Нарушен ли на самом деле знаменитый закон и так ли непостижима эта технология !? И почему она так быстро "родилась "?

Авторы этой технологии заявили :

Если районная ATC какого-либо провайдера Internet цифровая и если телефонные каналы связи, соединяющие эту АТС с вашей районной АТС, являются каналами ИКМ системы с временным уплотнением (т.е. тоже цифровыми ), то у вас появилась реальная возможность перекачивать информацию из узла доступа в Internet с линейной скоростью около 56Кбит /сек. Если, конечно, провайдер предпримет ряд необходимых для этой технологии шагов. Новые чудеса модемных технологий придут к вам на помощь.

Самое интересное в том, что нет тут никаких чудес .И то, что этот новый номинал скорости превышает почти в два раза стандарт ITU-T V.34 -28,8 Кбит /сек вовсе не означает что нарушен фундаментальный закон Шеннона о предельном значении скорости передачи в зашумлённом канале с ограниченной полосой частот.

Как оцифровывается аналоговый сигнал телефонного канала

Вначале аналоговый сигнал, поступающий на вход какого-нибудь канала системы, заменяется эквивалентной ему по информационному содержанию последовательностью дискретных сигналов-отсчётов. Операция такой замены, называемая дискретизацией, основывается на гениальной теореме Шеннона-Котельникова (о том кто из них автор - спорим мы с США уже почти пять десятилетий ), гласящей :

Если спектр сигнала не содержит частотных составляющих выше F Гц, то этот сигнал полностью определяется последовательностью своих мгновенных значений в моменты, отстоящие друг от друга на время 1/2F Гц. Более того - он может быть восстановлен из этих отсчётов. Для телефонных систем, где принято F=4000 Гц, отсчёты в каждом канале берутся с частотой 2F=8000 Гц. Такой процесс называется амплитудно-импульсной модуляцией АИМ. Если максимально возможные значения сигнала на входе канала известны (или лимитированы нормами на канал ), то известно максимально возможное значение отсчёта. Далее каждый отсчёт заменяется некоторым двоичным кодом, учитывающим знак и амплитуду отсчёта. Такой процесс носит название импульсно-кодовой модуляции-ИКМ, а преобразование отсчёт-код производится в известном устройстве - аналого-цифровом преобразователе АЦП. С какой же точностью может быть зафиксирована амплитуда каждого отсчёта?

Сегодняшние АЦП позволяют фиксировать с огромной точностью, например с ошибкой менее, чем в одну миллионную, при использовании 20-ти разрядного АЦП (20-разрядного кода). Отметим существеннейший для нашего рассмотрения факт: как бы точно не пытались представить реальное напряжение отсчёта сигнала с помощью кода с конечным числом разрядов, всегда существует вероятность неточности представления за счёт конечности кода. Более того, в реальных системах с ВРК используют всего-навсего 8-ми разрядное ИКМ преобразование: компромисс между желанием минимизировать ошибку представления отсчётов сигналов и желанием минимизировать скорость передачи ИКМ кодов по линии связи. Неточность представления отсчёта кодом с ограниченной разрядностью порождает особый вид помехи, которая носит название шума квантования.

· При отсутствии сигнала нет шума квантования - в этом первая специфическая особенность этого вида помехи.
· Шум квантования не зависит от величины отсчёта сигнала, а определяется только абсолютным значением дискрета оценки уровня (шагом квантования) в АЦП-в этом другая специфическая особенность этой помехи.

Забегая вперёд, заметим, что изобретение метода передачи данных с линейной скоростью 56Кбит/сек по телефонным каналам системы с ВРК связано с обнаруженной возможностью устранения аналого-цифрового преобразования и, следовательно,влияния шума квантования в одном из направлений передачи.

При уменьшении уровня сигнала на входе АЦП снижается соотношение сигнал/шум квантования. Чтобы получить примерно постоянное, не зависящее от уровня сигнала, соотношение сигнал /шум квантования необходимо использовать переменную ширину шага квантования :малую для малых сигналов и большую для больших. Однако, для упрощения работы АЦП можно поступить иначе: аналоговый сигнал пропустить через так называемый компрессор с соответствующей характеристикой,а затем- на АЦП равномерным шагом квантования. Компрессор имеет специальную нелинейную характеристику, обеспечивающую существенное усиление малых сигналов и определённое подавление больших. В последнее время функция компрессии и АЦП совмещены в одном устройстве. Существенно, что в соответствие со стандартами ITU-T применяют два вида кривых компрессии :m-закон (применяется в США, Канаде,Японии) и А-закон (в Европе).


Как передаются ИКМ коды телефонного канала по линии

Давайте ограничимся пока в нашем рассмотрении передачей по линии (по паре, например, соединительного кабеля ) последовательности двоичных импульсов напряжения определённой формы, соответствующих разрядам двоичного кода ИКМ преобразования одиночного телефонного сигнала.При этом положительный двоичный импульс напряжения будет, например, соответствовать "1", а отрицательный двоичный импульс - "0" в результирующем коде ИКМ преобразовании. Нетрудно подсчитать, что при 8-ми разрядной ИКМ, скорость передачи двоичных импульсов для одиночного телефонного канала будет равна 2F*8=2*4000 *8=64000 бит/сек (не правда ли знакомая всем цифра !). Что же происходит на приёмной стороне? Последовательность принимаемых двоичных импульсов разбивается специальным методом на восьмёрки (коды принятых отсчётов), которые кратковременно запоминаются и затем в параллельном виде подаются на вход обратного преобразователя код-пропорциональный импульс. В роли преобразователя используется известное устройство цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).Импульсы напряжения (или тока), амплитуда которых пропорциональна принятым ИКМ кодам, возникают на выходе ЦАП. Известно, что если эти амплитудно модулированные импульсы пропустить через низкочастотный фильтр с полосой пропускания от 0 Гц до F Гц, то будет восстановлен почти тот самый аналоговый сигнал, который подавался на вход канала на передающей стороне. Почему "почти" ?

· Во-первых, за счёт погрешности АЦП преобразования из-за ограниченного кода представления отсчётов (шум квантования).
· Во-вторых, за счет неточности взаимообратной пары кривых компрессор-экпандер. Напомним, что для компенсации влияния компрессора на приёмной стороне сигнал должен быть подвергнут обратному преобразованию с помощью так называемого экспандера.
 В-третьих, если помехи в линии связи достаточно велики, возможна ошибка в фиксации разрядов принятого кода отсчёта, а значит величины или знака, или того и другого в воссозданном импульсе на выходе ЦАП.

Но основная идея ИКМ систем как раз и направлена на минимизацию этого потока ошибок в первую очередь за счёт использования двоичных сигналов, передаваемых по линии, обладающих, в соответствии с теорией, высокой помехоустойчивостью. Кроме того, для компенсации искажений этих сигналов, восстановления их параметров (амплитуды и формы ) и минимизации влияния помех, по трассе передачи довольно часто (через 3-4 км для симметричного кабеля) расположены специальные устройства - регенераторы двоичных сигналов, в результате чего в реальных системах с ВРК вероятность фиксации неправильного разряда в двоичном потоке кодов одного телефонного канала равна в среднем одной ошибке на миллион или даже десять миллионов переданных бит. Правда, в зависимости от того какой бит в коде будет ошибочен возможно, как это отмечалось ранее, большее или меньшее искажение или амплитуды импульса, или его знака, или того и другого на выходе ЦАП.

     Т.к. V.92 основывается на V.90, то следует рассказать немного о V.90.

Шум квантования ограничивает скорость коммуникационного канала V.34 примерно до 35 Кбит/с. Но шум квантования влияет только на аналого-цифровые преобразования, а не на цифро-аналоговые. Этот факт служит основой стандарта v.90: если между цифровым модемом V.90 и PSTN отсутствуют аналого-цифровые преобразования, и если этот подключенный цифровым образом передатчик (трансмиттер) использует только 255 уровней дискретного сигнала, которые доступны в цифровой части телефонной сети, то именно эта неискаженная цифровая информация поступает на приемник (ресивер) аналогового модема, и при этом не происходит потери информации в процессах преобразования.

как работает этот процесс:

1. Сервер цифровым, по сути дела, образом подключается к магистрали телефонной компании.
2. PCM, которые используются в цифровой части телефонной сети. Другими словами, отсутствует шум квантования, связанный с преобразованием сигналов аналогового типа в дискретные коды PCM.
3. Эти коды PCM преобразуются в соответствующие дискретные аналоговые напряжения и посылаются на аналоговый модем по цепи с аналоговой петлей (analog loop circuit) без потери информации.
4. Ресивер клиентской стороны реконструирует дискретные сетевые коды PCM принятых им аналоговых сигналов, декодируя то, что послано трансмиттером.

С цифрового модема V.90 данные в PSTN посылаются как двоичные цифры. Но чтобы соответствовать приведенным выше условиям шага 2, цифровой модем V.90 передает данные (8 бит в одной посылке) на клиентский ADC с той же скоростью, что и телефонная сеть (8000 Гц). Это означает, что частота символов модема должна быть равна частоте дискретизации телефонной сети.


Модемные соединения V.90
Во время настроечной последовательности сигналов, модем V.90 изучает линию, чтобы определить, имеют ли место аналого-цифровые преобразования по основному направлению трафика. Если такие преобразования обнаружены, модемы V.90 соединяются по V.34. Аналоговый модем V.90 предпринимает попытку соединиться по V.34 и в тех случаях, когда удаленный модем не поддерживает V.90.

Задача аналогового модема V.90 состоит в различении 256 возможных значений напряжения, чтобы успеть восстановить 8000 кодов PCM за одну секунду. Если модему удается справиться с этой задачей, скорость загрузки будет близка к 64 Кбит/с (8000 х 8 бит/код). Однако оказывается, что есть несколько проблем, которые замедляют скорости.

Во-первых, хотя проблема с порогом шума при квантовании и устранена, возникает другой, гораздо более низкий порог шума, налагаемого сетевым оборудованием цифро-аналогового преобразователя (digit-to-analog converter - DAC) и локальной петлей (local loop service) в местах расположения клиентов. Этот шум возникает из-за различных нелинейных искажений и сетевых перекрестных помех (crosstalk).

Во-вторых, сетевые цифро-аналоговые преобразователи не являются линейными преобразователями, а работают по определенному правилу преобразования ((-закон в Северной Америке и А-закон во многих других странах). В результате, сетевые коды PCM, представляющие малые значения напряжения, продуцируют очень малые шаги выходного напряжения цифро-аналогового преобразователя, в то время как коды, представляющие большие значения напряжения, продуцируют большие шаги напряжения.

Эти две проблемы делают невозможным использование всех 256 дискретных кодов, поскольку соответствующие уровни выходного напряжения DAC вблизи нуля слишком близки друг к другу, чтобы точно представлять данные в зашумленной петле. (Примечание: Каждый сетевой код PCM соответствует уровню напряжения DAC). Поэтому кодировщик V.90 использует различные подмножества 256 кодов, которые устраняют выходные сигналы DAC, наиболее чувствительные к шуму. Например, наиболее надежные 128 уровней используются для 56 Кбит/с, 92 уровня используются для посылки 52 Кбит/с и так далее. Использование меньшего числа уровней обеспечивает более надежное функционирование, хотя и при меньшей скорости передачи данных.

Требования V.90

Для передачи с полной скоростью (56 Кбит/с) необходимо выполнение следующих трех условий:

1. Цифровой на одном из концов. Большинство провайдеров услуг имеют сегодня цифровое подключение к PSTN. Конец соединения V.90, обращенный к PSTN, должен приходить в цифровом потоке, например, "транковый" (trunk-side) channelised T1, ISDN PRI или ISDN BRI. "Линейный" (line-side) T1 не будет работать, так как при этом добавляются дополнительные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразования. После того, как аналоговый звонок пользователя будет преобразован в цифровой и послан по сетевому носителю, в транковой конфигурации звонок остается цифровым до тех пор, пока он по линиям T1, PRI или BRI не достигнет цифрового модема.

2. Поддержка 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. Обычно удаленный пользователь использует модемы 3Com Courier, U.S. Robotics, Megahertz( или другие марки модемов V.90 и вызывает по номеру 3Com U.S. Robotics MP I-модем, NETServer I-модем, Courier I-модем, SuperStack II Remote Access System 1500, концентратор удаленного доступа Total Control или другие марки цифровых модемов V.90.

3. Одно аналого-цифровое преобразование. На пути следования звонка между цифровым модемом V.90 и аналоговым модемом может быть только одно аналого-цифровое преобразование. Если линия - channelized T1, соединение должно быть "транковым", а не с "линейным". Если телефонная компания обслуживает по линейному типу, обычно появляется еще одно дополнительное аналого-цифровое преобразование.

ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА

ВПЕРЕД