Modemi

60-tih godina prošlog veka u poslovnom svetu je naglo porasla potreba za razmenom digitalne informacije izmedju računara, računarskih terminala, i druge računarsko kontrolisane digitalne opreme, koji su medjusobno geografski bili razdvojeni na veća ratojanja. Jedine prenosne mogućnosti koje su u to vreme bile dostupne su bile one koje su se nudile od strane analogne-govorne telefonije. No, telefonska kola su bila prevashodno namenjenja za prenos analognih govornih signala, u opsegu od 300 Hz do 3.4 kHz, a ne digitalna kakvi su izlazi računara. Pored toga, sastavni gradivni blokovi telefonskih kola su bili analogni pojačavači i druge analogne komponente (NF filtri) koje nisu bile predvidjene i projektovane za prenos digitalnih signala. Da bi se uspešno rešio ovaj problem projektovani su bili i realizovani posebni uredjaji nazvani modemi. Modemi su uredjaji koji su namenjeni za prenos digitaih signala preko standardnih analognih govorno-telefonskih komunikacionih veza (vidi sliku 1), tj. Uredjajui za prenos digitalnih signala preko komunikacionih kanala javne telefonske mreže pri čemu su komunikacioni kanli ograničenog propusnog opsega širine 4 kHz. Pojam modem predstavlja izvedenu skraćenicu od pojmova modulator-demodulator. Modulator kreira band-pass analogni signal na osnovu binarnih podataka, a demodulator obnavlja (izvlači) binarne podatke od modulisanog signala.

Slika 1. Komunikacija izmedju dve PC mašine preko modema-POTS Napomena: DCE – Data Communications Equipment; DTE – Data Terminal Equipment. Drugim rečima, modem je telefon za računar, i ponaša se kao uredjaj za konverziju. Digitalni podaci na izlazu računara konvertuju se na izlazu modema u analogne tonove različitih faza i amplituda. Modem prihvata digitalne podatke sa izlaza računara moduliše ih i generiše ekvivalentni analogni govorni signal (vidi sliku 2).

Slika 2. Pojednostavljeni blok dijagram modema

Stariji modemi (vidi sliku 3) modulisali su frekvencije za slanje podataka dok noviji koriste kombinaciju fazne i amplitudne modulacije.

Slika 3. Dodela frekvecnija i propusnog opsega kod Bell-System 103 – kompatibilnog modema (važi za USA)

Kod analognog prenosa, pojava šuma predtsvalja težak problem koga treba uspešno rešiti, koji postaje posebno izarzit sa povećanjem pojačanja pojačavača (povećanjem prijemnog signala povećava se i šum). Prisustvo šuma predsavlja ključni faktor za pouzdan analogni prenos podataka kakve su veze koje koriste pomoć modema. Zbog toga današnji savremeni modemi implementiraju razne sofisticirane tehnike kakve su kompresija podataka i specijalne metode za kontrolu kvaliteta veze čime se u značajnoj meri redukuje efekat šuma na kvalitete i pouzdanost prenosa. No pre nego što amnaliziramo princip rada i strukturu modema neophodno je prvo da objasnimo značenje sledećih triju osnovnih pojmova:

- Baud-ova brzina prenosa, - Bitska brzina prenosa - Brzina prenosa u bajtovima

Sve ove veličine standardno se koriste za izražavanje brzine kominiciranja.

Baud, bitovi u sekundi, bajtovi u sekundi

Bit je nalmanja (osnovna) jedinica (količina) informacija (0 ili 1) u notaciji binarnog brojnog sistema. Bitska brzine prenosa, bps, odgovora broju prenetih bitova u sekundi. Termin baud se odnosi na brzinu signaliziranja i odgovara broju preneti signalnioih elemenata u sekundi. Brzina prenosa izražena u baud-ima ukazuje na to koliko puta signal na izlazu modema promeni stanje svoje amplitude, frekvencije, ili faze u toku jedne sekunde. Danas je uobičajeno da proizvodjači čipova veoma često koriste termin baud da izraze brzine predaje/prijema podataka komunikacionih procesorskih komponenti, pri čemu signlani elemnt čini jedan bit. Standardne bitske brzine (nazvane takodje baud-ove) su 110, 300, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 28800, 33600 i 56000. Sa druge strane brzi modemi komuniciraju nižim baud-ovim brzinama kakve su recimo 2400 baud-a, a predaju podatke većom bitskom brzinom kakva je 9600 bps-a. Bajt je 8-bitna jedinica informacije i odgovara jednom štampanom karakteru. Bajt je niz od 8 sukcesivnih bitova sa kojima računar manipuliše kao sa jedinstvenom celinom. Nije neuobičajeno da se brzina prenosa izražava u bajtovima u sekundi.

Telefonski modemi

Tradicionalno telefonske linije koriste se za prenos frekvencija izmedju 300 Hz i 3.4 kHz, što ukupno čini opseg od 3.1 kHz. Sav ovaj opseg je namenjen za prenos govora. Za prenos signal koji odgovaraju digitalnim podacima zahteva se mnogo veći stepen tačnosti i izobličenja signala u prenosu. Zbog toga delovi opsega telefonskog kanala gde se vrši delimično potiskivanje signal se ne koriste za prenos podataka. Usled ovakvog ograničenja priopusni opseg za prenos podataka po telefonskoj liniji je ograničen na 2500 Hz, tj. od 600 Hz do 3100 Hz (vidi sliku 4).

Slika 4. Propusni opseg telefonske linije

Na slici 5 prikazan je odnos izmedju modema i telefonske veze. Računar sa leve strane predaje binarne podatke modulatorskom delu modema, a podaci se preko telefonske linije prenose kao analogni signali. Modem na desnoj strani prihvata analogni signal, u svom demodulatoru da ga demoduliše, i predaje računaru na desnoj strani. Komunikacija može biti i dvosmerna (bidirekciona) što znači da računar na desnoj strani može da predaje podatke računaru na levoj strani koristeći iste procese modulacije i demodulacije.

Slika 5. Modulacija/demodulacija

Modemi kako je to prikazano na slici 6, za modulaciju digitalnih podataka u analogni signal koriste sledeće tipove modulacije:

- ASK – Amplitude Shift Key - FSK – Frequency Shift Key - PSK – Phase Shift Key - QAM – Quadrature Amplitude Modulation

Slika 6. Tipične digitalno analogne modulacije

Raniji modemi su koristili FSK modulaciju (vidi sliku 7). Recimo za prenos binarne jedinice su koristili nosioc 1200 Hz, a za prenos binarne nule nosioc od 2200 Hz. Ovakvi modemi su se korisitli za bitske brzine od 300 bps, ili 30 karaktera u sekundi.

Slika 7. Dodela frekvencija i propusnog opsega kod Bell Systems 202 kompatibilnog modema

Modemi srednje generacije koristili su PSK modulaciju. Tako na primer fazni stav od odgovarao je logičkoj 0, a fazni stav od logičkoj jedinici.

018000

Nešto novioji modemi koriste DPSK radi predstavljanja četiri moguće kombinacije dvobitnog binarno broja (00, 01, 10, i 11). Brzina ovakvih modema je bila 1200 bps ili 120 karaktera u sekundi. Najnoviji modemi rade na mnogo većim brzinama, a koriate kombinaciju ASK i PSK poznatu kao QAM.

Standardi kod modema

Danas najpopularniji modemi su zasnovani na V-series standardima publik0vanih od strane ITU-T.

V.32 modem Modem V.32 koristi kombinovanu modulacionu i kodirajuću tehniku nazvanu Trellis modulaciju. Trellis u suštini predstavlja QAM plus redudantni bit. Povorka podataka se deli na četvorobitne sekcije. Umesto četiri bita od strane preedajnika se šalju 5 bitova. Vrednost 5-og bita se odredjuje na osnovu vrednosti bitova podataka. Prijemnik svaku primljenu signalnu vrednost (tačku) uporedjuje sa svim vrednostima (tačkama) u konstelaciji i izabira najbližu tačku kao pravu. Zbog prisustva šuma signal može da buide bliži susednoj tački nego pravoj, što rezultira pogrešnoj identifikaciji tačke i grešku u prijemu. Što su tačke u konstelaciji bliže verovatnoća da dodje do greške u prijemu je veća. Dodavanjem 5-og redudantdnog bita smanjuje se broj mogućih uparvivanja na prijemnom strani, a saglasno tome i grešaka u odlučivanju. V.32 koristi 32-QAM sa baud-ovom brzinom od 2400. Imajući u vidu da samo četiri bita od svakih 5 predstavljaju podaci rezultujuća brzina u prenosu je 4 * 2400 = 9600 bps. Konstelacioni dijagram za ovaj slučaj je prikazan na slici 8.

Slika 8. Konstelacija kod V.32 i propusni opseg

V.32bis modem

V.32bis modem je bio prvi ITU-T standard koji je podržavao brzinu prenosa od 14 400 bps-a. V.32bis koristi 128-QAM predaju (7 bitova/baud-u sa jednim bitom za kontrolu greške) pri brzini prenosa od 2400 baud-a (2400 * 6 = 14 400 bps-a). Dodatno poboljšanje koje pruža V.32bis se odnosi na automatske mogućnosti fall-back i fall-forward koje obezbeđuju da modem podešava brzinu prenosa u upward i downward smeru u zavisnosti od kvaliteta signala. Konstelacioni dijagram i propusni opseg za V.32bis su prikazani na slici 9.

Slika 9 – Konstelacioni dijagram i propusni opseg kod V.32bis

V.34bis modem

V.34bis modem obezbeđuje bitsku brzinu od 28 800 bps-a sa 960 tačaka konstelacije do bitske brzine od 33 600 bps-a sa 1664 konstelacionih tačaka.

V.90 modem

Kod tradicionalnih modema postoji ograničenje u odnosu na brzinu prenosa podataka (maksimalno iznosi 33,6 kbps-a), koja je određena Shannon-ovom formulom (kapacitet = propusni_opseg * log2(1 + SNR)). V.90 modemi su asimetrični. U download smeru (od Internet provajdera do PC mašine) brzina prenosa je 56 kbps, a u upload smeru (od PC mašine ka Internet provajderu) brzina prenosa je 33,6 kbps-a.

Tradicionalni modemi

Način razmene podataka između dva računara A i B preko javne telefonske mreže korišćenjem tradicionalnih modema prikazana je na slici 10.

Slika 10 – Tradicionalni modemi

Nakon modulacije od strane modema, analogni signal dolazi do telefonske centrale, gde se on uzorkuje i digitalizira sa ciljem da se prenese preko digitalne mreže. Kvantizacioni šum koji se unosi u signal u tački semplovanja ograničava brzinu podataka na vrednost definisanu Shannon-ovim kapacitetom. Ova granica je 33,6 kbps-a. S obzirom da tačke semplovanja postoje u oba smera maksimalna brzina prenosa je 33,6 kbps-a.

56k modemi

Današnje komunikacije se ostvaruju preko Interneta. No i pored toga se koriste modemi za upload podataka ka Internetu i download podataka sa Interneta (vidi sliku 11).

Slika 11 – Povezivanje modema na Internet

U uploadingsmeru, analogni signal se dalje sempluje u centrali, što znači da je brzina prenosa u tom smeru ograničena na 33,6 kbps-a. No u downloading smeru ne postoji semplovanje. Na signal ne utiče kvantizacioni šum i za njega ne važi ograničenje koje se odnosi na Shannon-ov kapacitet. Zbog ovoga maksimalna brzina prenosa u smeru uploadje 33,6 kbps-a, a u smeru download iznosi 56 kbps-a. Pitanje se sada postavlja zbog čega 56 kbps. Telefonske kompanije uzorkuju 8000 puta u sekundi sa 8 bitova po uzorku. Jedan od bitova u svakom uzorku se koristi za kontrolne namene, što znači da svaki uzorak čine 7 bitova. Prema tome brzina prenosa je 8000 * 7 = 56 000 bps-a ili 56 kbps.

Modem V.92

Standard iznad V.90 se naziva V.92. Ovi modemi mogu da podešavaju svoje brzine i ako nivo puma zadovoljava, oni mogu da upload-uju podatke sa brzinom od 48 kbps-a. Download brzina je 56 kbps.

Klasifikacija modema

Modemi se mogu klasifikovati na osnovu većeg broja kriterijuma kakvi su: modulaciona šema, brzina prenosa, način rada, itd. Sve ove podele su u principu ravnopravne i sveobuhvatne. Mi ćemo koristiti podelu zasnovanu na načinu rada. Shodno ovoj podeli razlikujemo dva tipa modema:

1. Asinhroni voice-band modemi – pripadaju klasi low-speed modema, a koriste se za prenos asinhronih podataka (podaci uokvireni sa start i stop bitovima). Sinhrone podatke je moguće slati preko asinhronog modema ali je to nepraktično i neekonomično (takav prenos nazivamo isochronous transmission). Asinhroni modemi koriste relativno jednostavne modulacione šeme, kakve su ASK ili FSK, i ograničene su na relativno low-speed aplikacije (manje od 2400 bps-a) kakve srećemo u telemetriji. Pojednostavljeni blok dijagram asinhronog voice-band FSK modema je prikazan na slici 12.

Slika 12 – Pojednostavljeni blok dijagram asinhronog voice-band modema

Na strani predajnika, serijski podaci koji se primaju od DTE-a se direktno dovode na FSK modulator. Informacija o taktu nije potrebna jer su FSK modulatori obično realizovani kao naponsko kontrolisani oscilatori, pa reaguju na naponske nivoe nezavisno od vremenske reference. Napon binarne jedinice generiše mark frekvenciju a napon binarne nule space frekvenciju. U suštini FSK modulatori koriste jednobitno kodiranje, što znači da svaki ulazni bit moduliše nosioc nezavisno od ostalih bitova. Jednobitno kodiranje generiše izlaznu frekvenciju koja se menja istom brzinom kao i ulazni podatak. Brzina promene digitalnog ulaznog podatka se naziva bitska brzina, a brzina promene analognog izlaznog signala se naziva baud-rate. Kod FSK promene izlazne frekvencije su iste kao i promene ulaznih podataka pa je zbog toga bitska brzina jednaka baud-rate-u. Minimalni propusni opseg potreban za propagaciju FSK signala zavisi od frekvencije mark i space i bitske brzine. Modulisani FSK signal je sa aspekta opsega ograničen pa se zbog toga signal mora da prođe kroz preekvilajzer blok i zatim da se preda na telefonsku liniju. Asinhroni prijemnici koriste nekoherentnu demodulaciju. To znači da informacija o nosiocu i taktovanju ne treba da se restauriraju na strani prijemnika. Postoji nekoliko standarda za asinhrone voice-band modeme koji su namenjeni za low-speed data aplikacije a koriste se u PSTN.

2. Sinhroni voice-band modemi – sinhroni modemi koriste PSK ili QAM za prenos sinhronih podataka (podaci kojima prethode jedinstveni SYN karakteri), a rade brzinom od 2400 bps-a do 56 000 bps-a, pri čemu se prenos ostvaruje preko standardnih telefonskih linija. Modulisani nosioc se prenosi ka udaljenom modemu, gde se obnavlja koherentni nosioc i koristi za demodulisanje podataka. Predajni takt se obnavlja na osnovu podataka i koristi kao takt za prijem podataka u DTE-u. Zbog postojanja dodatnih kola za taktovanje i obnavljanje nosioca, sinhroni modemi su znatno komplikovaniji pa shodno tome i skuplji u odnosu na asinhrone.

PSK se standardno koristi kod medium-speed sinhronih modema, koji rade sa brzinama od 2400 do 4800 bps-a. Nešto preciznije, QPSK se u opštem slučaju koristi za kod modema koji rade na brzini od 2400 bps-a, a 8-PSK kod modema koji rade na brzini od 4800 bps-a. QPSK ima propusnu efikasnost od 2 bps/Hz, pa su zbog toga baud-rate i minimalna propusnost za 2400 bps sinhroni modem 1200 baud-a i 1200 Hz respektivno.

High-speed sinhroni voice-band modemi rade sa brzinom od 9600 bps-a i koriste 16 QAM modulaciju. 16 QAM ima propusnu efikasnost od 4 bps/Hz pa zbog toga baud-ova i minimalna propusnost za 9600 bps-a iznosi 2400 baud-a i 2400 Hz respektivno.

Na slici 13 dat je pregled specifikacija koji važi za Bell Systems voice-band modeme.

Slika 13 – Pregled specifikacija Bell Systems voice-band modema.

Kablovski modemi Kablovski modemi su slični kao i standardni voice-band modemi sa izuzetkom što:

- rade na mnogo višim frekvencijama, - rade sa većim bitskim brzinama - koriste znatno sofisticiranije modulacione i demodulacione šeme - zahtevaju mnogo veći propusni opseg od konvencionalnih voice-band modema

Kablovski modemi povezuju pretplatnike na kablovsku televiziju, uz pomoć koaksijalnih ili optičkih kablova, pružaju veoma brzi pristup Internetu i obezbeđuju razne video servise.