Устройством, обеспечивающим возможность передачи данных посредством телефонных сетей, в том числе и через ОАКТС, является модем. При необходимости передачи данных на телефонной сети устанавливается обычное соединение, а затем осуществляется собственно передача данных посредством модемов.
Основные характеристики модемов определяются Рекомендациями МСЭ-Т серии V, также называемые модемными протоколами физического или канального уровня.
Прежде чем рассматривать конкретные Рекомендации, рассмотрим приводимые в них основные характеристики и параметры модемов.
Основным параметром модема является обеспечиваемая скорость передачи данных. Ограниченность эффективно пропускаемой полосы частот (ЭППЧ) канала ТЧ (3100 Гц) является основной преградой в использовании телефонной сети для высокоскоростной передачи данных. Скорость передачи информации по каналу с ЭППЧ не может превосходить ее ширины, т.е. 3100 бод в случае канала ТЧ. Но как же тогда быть с модемами, передающими информацию со скоростями 14400, 28800 бит/с и даже больше? Ответ напрашивается сам: бод и бит/с не одно и то же.
Напомним, что модуляция (см. подраздел 6.1.1) состоит в изменении одного из параметров (амплитуды, частоты или фазы) несущей или совместно нескольких параметров в зависимости от значений информационных бит.
На временной диаграмме несущего сигнала можно выделить равные по длительности отрезки времени, на которых несущий сигнал имеет определенные постоянные значения своих параметров. Эти отрезки времени называют бодовыми интервалами. Число бодовых интервалов в единицу времени определяет модуляционную скорость (еще ее называют линейной или бодовой). Модуляционная скорость измеряется в бодах.
Если кодируемый элемент соответствует одному биту информации (0 или 1), то на бодовом интервале параметры сигнала соответственно могут принимать одну из двух определенных совокупностей значений амплитуды, частоты и фазы. В этом случае модуляционная скорость равна информационной, т.е. 1 бод = 1 бит/с. Кодируемый элемент может соответствовать не одному, а, например, двум битам информации. В этом случае информационная скорость будет вдвое превосходить бодовую, а параметры сигнала на бодовом интервале могут принимать одну из четырех совокупностей значений, соответствующих 00, 01, 10 или 11.
Если на бодовом интервале кодируется N бит, то информационная скорость будет превосходить бодовую в N раз. Количество возможных состояний сигнала в трехмерном пространстве - амплитуда, частота, фаза - будет равно 2N. Это значит, что демодулятор модема, получив на бодовом интервале некий сигнал, должен будет сравнить его с 2N эталонными сигналами и безошибочно выбрать один из них для декодирования искомых N бит. С увеличением емкости кодирования и ростом информационной скорости относительно бодовой, расстояние в сигнальном пространстве между двумя соседними точками сокращается в степенной прогрессии. А это, в свою очередь, накладывает все более жесткие требования к качеству канала. Теоретически возможная скорость в реальном канале определяется формулой Шеннона:
где D F - ширина полосы пропускания канала, r - отношение мощности сигнала к мощности шума.
Второй сомножитель определяет возможности канала с точки зрения его зашумленности по достоверной передаче сигнала, несущего не один бит информации в бодовом интервале. Так, например, если отношение сигнал/шум соответствует 20 дБ, т.е. мощность сигнала, доходящего до удаленного модема, в 100 раз превосходит мощность шума (r =100), и используется полная полоса канала тональной частоты (3100 Гц), максимальная граница по Шеннону равна 20640 бит/с.
Проблема организации одновременной двусторонней связи (дуплекс) с заключается в возможности демодулятора модема распознать входной сигнал на фоне отраженного собственного выходного сигнала, который фактически становится для модема шумом. При этом его мощность может быть не только сравнима, но в большинстве случаев значительно превосходить мощность принимаемого полезного сигнала.
Одним из способов обеспечения двусторонней связи является метод ЧРК. Вся полоса пропускания канала разделяется на два частотных подканала, по каждому из которых производится передача в одном направлении. Выбор подканала передачи осуществляется на этапе установки соединения и, как правило, однозначно связан с ролью модема в сеансе связи: вызывающий или отвечающий.
Очевидно, что этот метод не позволяет использовать возможности канала в полном объеме ввиду значительного сужения полосы пропускания. Для исключения взаимного влияния направлений передачи вводится значительный защитный интервал, в результате чего частотные подканалы становятся меньше половины полной полосы канала. Данный метод обеспечения дуплексной связи ограничивает скорость передачи информации. Существующие протоколы физического уровня, использующие ЧРК, обеспечивают симметричную дуплексную связь со скоростями, не превышающими 2400 бит/с.
Ряд протоколов обеспечивают и более скоростную связь, но в одном направлении, в то время как обратный канал - значительно медленнее. Разделение частот в этом случае осуществляется на неравные по ширине полосы пропускания подканалы. Эта разновидность дуплексной связи называется асимметричной.
Другим методом обеспечения симметричного дуплекса, который используется во всех высокоскоростных протоколах, является технология эхоподавления (эхокомпенсации). Суть ее заключается в том, что модемы, обладая информацией о собственном выходном сигнале, могут использовать это знание для фильтрации "собственного" шума (эхосигнала) из принимаемого сигнала. На этапе вхождения в связь каждый модем, посылая зондирующий сигнал, определяет параметры эхосигнала: количество отражений, время запаздывания и мощность каждого отраженного сигнала и пр. В процессе сеанса связи эхокомпенсатор модема вычитает из принимаемого входного сигнала свой собственный выходной сигнал, скорректированный в соответствии с полученными параметрами эхосигнала.
Эта технология позволяет использовать для дуплексной передачи информации всю ширину полосы пропускания канала, однако требует при реализации значительных вычислительных ресурсов на сигнальную обработку.
Наконец, стоит отметить, что многие протоколы и не пытаются обеспечить дуплексную связь. Это так называемые полудуплексные протоколы. В частности, все протоколы, предназначенные для факсимильной связи - полудуплексные. В этом случае в каждый момент времени информация передается только в одну сторону. По окончании приема/передачи некоторой порции информации оба модема (факса) синхронно переключают направление передачи данных. Ввиду отсутствия проблем с взаимным проникновением подканалов передачи, а также с эхо, полудуплексные протоколы в общем случае характеризуются большей помехоустойчивостью и возможностью использования всей ширины полосы пропускания канала.
Однако, в этом случае эффективность использования канала для передачи данных по сравнению с дуплексными протоколами ниже. Связано это прежде всего с тем, что практически все протоколы передачи данных, как канального уровня (MNP, V.42), так и уровня передачи файлов (X, Y, Zmodem, не говоря уже о протоколах типа BiDirectional), требуют двустороннего обмена, по крайней мере для подтверждения принятой информации. А любое переключение направления передачи, помимо невозможности в данный момент передавать очередную порцию пользовательской информации, требует дополнительных накладных расходов по времени на взаимную пересинхронизацию приемной и передающей сторон.
