Основные компоненты модема

Введение

 

В дипломном проекте рассматривается тема "Усовершенствование модема путем защиты передачи данных". Объектом исследования является Северодонецкая автошкола ОСОУ. Предметом исследования является модем. Целью дипломного проекта является усовершенствование модема путем защиты передачи данных. Актуальность дипломного проекта - является усовершенствование модема – возможность использования в любой сфере, где необходимо его использование, является очень важным фактором для модемов. Исходя из назначения данного выбора модемов для дизайнерского моделирования и специфики применения необходимо рассмотреть критерии, согласно которым будет проводиться последующий выбор модема. К основным критериям оптимального выбора модема для усовершенствование следует отнести надежность и работоспособность в той или иной степени без изменений. Для достижения поставленных целей и задач необходимо выполнить следующие этапы работы:

­ подбор литературы и изучение материалов по данной тематике;

­ характеристики модемов;

­ классификация модемов;

­ рассмотрение программных и технических характеристик;

­ планирование информационной безопасности интернета;

­ выполнение расчета экономического эффекта на создание и эксплуатацию модема;

­ анализ плана помещения предприятия и расчет отопления, вентиляции, природного и искусственного предприятия.

Теоретическая значимость состоит в анализе существующих технологий и применений одной из них для реализации на практике. Практическая значимость состоит в анализе реализованного на практике проекта по модему.

Понятие модем

 

Модем

 

Модем - это преобразователь сигналов, который является промежуточным звеном между компьютером и соединительной линией. Название модема происходит от двух слов: "Модулятор" и "Демодулятор". Как модулятор модем преобразует цифровые сигналы импульсов постоянного тока, используемые в компьютерных системах, в аналоговые сигналы, содержащие ту же информацию. Этот процесс и называется модуляцией. Модуляция и модемы необходимы потому, что сигналы телефонного канала связи не всегда представимы в цифровой форме. Процесс модуляции формирует аналоговые сигналы, в которых закодирована цифровая информация, порожденная компьютером, но которые можно передать через телефонные каналы. Демодуляция представляет собой обратный процесс. Если посмотреть на образуемый сигнал с другой стороны - модем, как модулятор, получает аналоговые сигналы и преобразует их в начальную цифровую форму, содержащую переданную информацию. Естественно, что для нормальной деятельности, работающие в паре модемы должны осуществлять операции модуляции/демодуляции одинаковым образом, иначе информация, передаваемая между ними, будет необратимо искажена. Для подключения компьютера к Интернету (доступа в Интернет) используется множество технологий — как доступ по телефонной линии, так и с помощью выделенных линий, различных радиотехнологий и даже спутниковых систем. Самый простой способ подключиться к Интернету — с помощью телефонной линии. Для этого используют телефонные модемы, которые кодируют (моделирует) компьютерную информацию, представленную в цифрах, в электрические волны, и наоборот. Модем может подключаться к компьютеру, если он внешний, или быть картой расширения, если он внутренний.

Таким образом, модем (аббревиатура, составленная из слов модулятор-демодулятор) — устройство, применяющееся в системах связи и выполняющее функцию модуляции и демодуляции. Работа модулятора модема заключается в том, что поток битов из компьютера преобразуется в аналоговые сигналы, пригодные для передачи по телефонному каналу связи. Демодулятор модема выполняет обратную задачу. Данные, подлежащие передаче, преобразуются в аналоговый сигнал модулятором модема "передающего" компьютера. Принимающий модем, находящийся на противоположном конце линии, "слушает" передаваемый сигнал и преобразует его обратно в цифровой с помощью демодулятора. Режим работы, когда передача данных осуществляется только в одном направлении, называется полудуплексом (half duplex), в обе стороны — дуплексом (full duplex).

Частным случаем модема является широко применяемое периферийное устройство для компьютера, позволяющее ему связываться с другим компьютером, оборудованным модемом, через телефонную сеть (телефонный модем) или кабельную сеть (кабельный модем).

Модем является устройством, позволяющий превратить компьютер из обособленной машины в звено глобальной сети. Компьютер давно уже перестал быть машиной, предназначенной только для вычислений, объединив в себе множество других функций, реализуемых современными цифровыми технологиями. Само название "модем" определили процессы модуляции и демодуляции, выполняемые им, при помощи которых осуществляются основные функции по передаче и приему информации.

Поскольку исторически сложилось так, что основным и самым распространенным средством коммуникации являются телефонные аналоговые сети, а компьютер является устройством сугубо цифровым, понадобилось некое аналого-цифровое устройство, позволившее бы осуществлять связь между двумя удаленными цифровыми устройствами (компьютерами) посредством аналогового канала связи. Именно эти функции и сочетает в себе модем, преобразуя цифровые сигналы в аналоговую форму (модулируя) различным образом. Модем, расположенный с противоположной стороны, преобразует (демодулирует) полученный сигнал, получая на выходе в цифровом виде информацию, переданную первым модемом. Для того, чтоб получать неискаженную информацию и иметь возможность ее прочитать, используются различные протоколы передачи данных. Каждый из протоколов имеет набор критериев, отличающих его от других протоколов: тип и параметры модуляции, наличие или отсутствие дуплексной связи, порядок установки связи и многое другое.

На сегодняшний день модем является самым распространенным и самым дешевым устройством, при помощи которого можно получить доступ во всемирную компьютерную сеть Интернет. Конкуренция на рынке аппаратного обеспечения заставляет ведущих производителей модемов и комплектующих к ним, таких как 3Сom/US Robotics, Lucent, ZyXEL, Rockwell, внедрять в жизнь новые разработки, совершенствовать и удешевлять старые, что, в конечном счете, благотворно отражается на пользователе модемов.

При передаче информации модемом крайне важны такие параметры как набор поддерживаемых скоростей и максимальная скорость передачи и приема данных, способность легко устанавливать и устойчиво удерживать установленное соединение, поддерживать стабильность характеристик соединения.

До недавнего времени с успехом использовалось соединение с максимальной скоростью 33,6 Кб/c, что считалось порогом скорости передачи и приема данных по коммутируемым телефонным линиям связи.

Однако, принятый 6 февраля 1998 года в Женеве Международным Телекоммуникационным Союзом цифровой стандарт передачи данных V.90 в очередной раз заставил серьезно задуматься как производителей модемов, так и конечных их пользователей. Достигнутая при помощи этого протокола скорость передачи данных 56Кб/c теоретически является максимально возможной для телефонной линии связи. Однако это новшество в очередной раз оставило позади пользователей, качество телефонных каналов, связи которых и без того оставляло желать лучшего. К сожалению, в этой области даже самые приспособленные к работе в зашумленных условиях модемы зачастую бывают, бессильны, как бы не пытались адаптировать их производители.

По оценкам специалистов, данная проблема является актуальной для более чем 75% пользователей модемов в странах на территории бывшего Советского Союза. Надо отметить, что модемы ведущих фирм и фирм, специализирующихся на производстве модемов для линий, технические характеристики которых далеки от нормы, с успехом позволяют помочь пользователю не задумываться над тем, какие сложности они преодолевают для установления качественной и устойчивой связи.

Модемы бывают внутренними (в виде электронной платы, подключаемой к шине ISA или PCI компьютера) и внешними, в виде отдельного устройства. Отличаются модемы с поддерживаемыми протоколами связи и скоростью модуляции (modulation speed). Она определяет физическую скорость передачи данных без учета исправления ошибок и сжатия данных, которая измеряется количеством бит в секунду (бит/с). Устройство, сочетающее возможности модема и средства для обмена факсимильными изображениями, называется факс-модемом.

 

Основные компоненты модема

 

Современный модем - сложное устройство, состоящее из нескольких основных блоков и компонентов, обеспечивающих его функционирование.

Компоненты модема:

- контроллер - реализует протоколы сжатия данных и коррекции ошибок. Кроме того, является связующим звеном между модемом и программным обеспечением компьютера (реализует программный интерфейс);

- кодек - осуществляет двустороннее преобразование аналогового сигнала, поступающего из линии, в поток цифровых данных;

- ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) - микросхема памяти, хранящая в себе программу работы модема, также называемую "прошивкой". Последние модели модемов допускают обновление и перезапись прошивки модема с помощью специального программного обеспечения (за исключением тех случаев, когда это не предусмотрено производителем);

- ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) - микросхема оперативной памяти, хранящая данные до первого выключения питания. Предназначена для хранения и последующей обработки потока данных. Иногда в ней же хранятся текущие настройки для работы модема.

Основные функциональные блоки:

Со стороны телефонной линии самым первым устройством является блок интерфейса с телефонной линией. Основными функциями этого блока являются:

- обеспечение физического соединения с телефонной линией;

- защита от перенапряжения и радиопомех;

- набор номера;

- фиксация звонков;

- гальваническая развязка внутренних цепей модема и телефонной линии;

- согласование импеданса.

Далее сигналы попадают в дифференциальную систему, цель которой - разделение выходных и входных сигналов и компенсация влияния собственного сигнала на входные цепи. В наиболее простых моделях модемов этот узел исполняется в виде пассивной схемы, что зачастую приводит к сильной зависимости качества работы блока от сопротивления конкретной телефонной линии. Избавиться от такой зависимости могут только модели с активной дифференциальной системой, где необходимый для компенсации сигнал постоянно вычисляется сигнальным процессором и, "вычитаемый" из входного сигнала, обеспечивает необходимый уровень компенсации. Подготовленные таким образом сигналы попадают на ряд фильтров, усиливаются и оцифровываются с помощью АЦП (аналогово-цифровой преобразователь) в блоке формирования аналоговых фронтов, так что дальнейшая обработка производится в цифровом виде. Одно из преимуществ такого подхода - улучшение качества обработки сигнала и удешевление схемы. Обработанная информация поступает в цифровой сигнальный процессор (DSP), который и выделяет из нее на основе математических методов "нули" и "единицы". Именно возможностями цифровой обработки сигнала этого блока определяется качество и скоростные возможности современных модемов.

 

Рисунок 1.1 - Функциональная схема модема

 

Поддержка интерфейса с компьютером, управление DSP, реализация протоколов аппаратной коррекции ошибок и сжатия данных, управление интерфейсом с пользователем (индикаторы, кнопки и джамперы настройки), а также управление энергонезависимой памятью - вот далеко не полный список функций, лежащих на системе управления модемом (контроллере модема).

При этом если ранее микропрограмма хранилась в ПЗУ, изготовленном и "прошитом" на заводе, то теперь производители все чаще стали помещать ее в перезаписываемую флэш-память, что позволяет обновлять программу без аппаратного вмешательства. DSP со "вшитой" в долговременную память (ПЗУ или flash, что допускает модернизацию) программой обработки получил образное название "datapump" ("насос данных"). Подобная мультипроцессорная архитектура (так называемая функциональная мультипроцессорность) отлично работала в модемах на протяжении многих лет.

Сегодня актуальной становится "деинтеллектуаилизация" модема, для которой уже родилась и новая аббревиатура - HSP (Host Signal Processing, дословно - обработка ресурсами процессора компьютера). Несомненно, вычислительная мощность массовых процессоров семейства х86 позволяет переложить ряд задач обработки сигналов с DSP на CPU-машины и при этом получить даже дополнительные преимущества, заключающиеся в упрощении процедур модернизации специализированного и прикладного ПО и снижении стоимости. Но это только одна сторона медали.

Наблюдается также тенденция потери модемом аппаратной независимости - в чипсеты встраиваются контроллеры сугубо "персональных" шин, таких, как РСI и USB (Universal Serial Bus), в сочетании с узкоспециализированными аппаратно-микропрограммными средствами, соответствующими требованиям тех или иных операционных систем. Это тоже, на первый взгляд, неплохо, потому как гарантирует снижение цены и повышение потребительских удобств.

Единственная аналоговая (и потому крайне важная) подсистема модема - DAA - все чаще реализуется в интегральном исполнении, что уменьшает количество необходимых для изготовления полнофункционального модема дискретных элементов (конденсаторов, резисторов и пр.) до единиц. Еще один почти отрадный факт: меньше элементов, меньше необходимых монтажных операций при сборке, следовательно - ниже стоимость и выше надежность.

С другой стороны, после возложения на программу некоторых жизненно важных функций, аппаратно зависимый от платформы модем, как правило, устойчиво работает только под ОС Windows.

К проблеме согласования сопротивлений следует добавить один тонкий нюанс- зависимость сопротивления телефонной линии от частоты сигнала. Из многолетней успешной практики электроники доподлинно известно, что наилучшим устройством для работы на реактивную нагрузку является обычный трансформатор (при некоторых ограничениях, несущественных в рассматриваемом случае). Для модемов (особенно на нашем рынке) это утверждение также справедливо - практически у всех самых лучших проверенных временем моделей трансформаторный DAA.

Естественно, трансформатор - устройство не дешевое, но по крайней мере намного дороже микросхемы DAA, да и качество телефонных линий в странах с емкими платежеспособными рынками намного выше нашего, что объясняет тенденцию "детрансформаторизации".

Теперь пора вкратце рассмотреть механизмы защиты от аналогового хаоса. Чипсет действительно хорошего модема обязан для успешной работы в наших условиях обладать двумя скрытыми, но очень важными (и сложными в реализации) функциональными блоками - эхо-компенсации и эквалайзера.

Эхо-компенсатор предназначен для борьбы с эхо-сигналом. Эквалайзер также вносит немаловажный вклад в повышение скорости и устойчивости связи, согласовывая частотные характеристики приемопередатчика модема и конкретной телефонной линии.

Обзор практически всех новых моделей чипсетов, поддерживающих протокол v.90, не выявил реализации в них ни эхо-компенсаторов, ни управляемых эквалайзеров. Возможно, что производители просто "забыли" сообщить об этих особенностях, но подозрение об отсутствии столь необходимой для наших телефонных линий функциональности подтверждается и низкой ценой новых чипсетов (в "до-V.90" времена эхо-компенсатором и эквалайзером оснащались только лучшие чипсеты Lucent, низкой стоимостью никогда не отличавшиеся).

Lucent сосредоточилась на двух семействах чипсетов, ориентированных на применение во внутренних модемах, - Apollo и Mars. Учитывая очень высокое качество используемого DSP и мощный опыт Lucent в разработке модемного firmware (внутреннего модемного ПО), можно смело утверждать, что пользователей Windows модемы на новых чипсетах Lucent не подведут.

До появления высокоскоростных протоколов на 56 Kbps передача данных между двумя модемами по обычным телефонным каналам связи осуществлялась в аналоговом режиме, как было рассмотрено выше.

Основным сдерживающим фактором, препятствующим "бесконечному" увеличению скорости передачи данных с помощью модемов, является качество аналоговых телефонных линий связи. До недавнего времени (буквально до начала 80-х годов) основным назначением телефонных каналов связи была только передача голоса. Поэтому, исходя из соображений стоимости и для борьбы с шумами в линии, полоса пропускания телефонного канала была ограничена диапазоном 300-3500 Hz. Исследования показали, что именно в этом диапазоне частот находится основная часть спектра человеческой речи, поэтому после наложения на исходный сигнал указанных ограничений разборчивость речи не ухудшится.

Для управления так называемыми "интеллектуальными" модемами используются специальные связные программы - программы, работающие под управлением операционной системы ЭВМ. Связная программа создает на экране терминала дружественный интерфейс пользователя, обеспечивающий удобное выполнение необходимых управляющих функций. При этом используется, в основном, набор команд АТ, передаваемых модемом либо через связной порт компьютера (для внешних модемов), либо через общую шину (для внутренних модемов). Перед началом работы, пользователь может задать некоторые параметры взаимодействия компьютера и модема. Связные программы создают ряд возможностей, упрощающих управление модемом:

- хранение справочников телефонов;

- хранение наборов команд управления для разных модемов;

- макроязык для написания управляющих программ;

 

Классификация модемов

 

Существуют разные классификации модемов: по исполнению, по методам модуляции, по принципу работы, по типу. Ниже приведены основные классификационные группы модемов с кратким описанием каждой.

1. По исполнению:

- внешние — подключаются к COM или USB порту, обычно имеют внешний блок питания (существуют USB-модемы, питающиеся от USB и LPT-модемы);

- внутренние — устанавливаются внутрь компьютера в слот ISA, PCI, PCMCIA, AMR, CNR;

- встроенные— являются внутренней частью устройства, например ноутбука или док-станции.

2. По принципу работы:

- аппаратные — все операции преобразования сигнала, поддержка физических протоколов обмена, производятся встроенным в модем вычислителем (например, с использованием DSP, контроллера). Так же в аппаратном модеме присутствует ПЗУ, в котором записана микропрограмма, управляющая модемом;

- винмодемы — аппаратные модемы, лишённые ПЗУ с микропрограммой. Микропрограмма такого модема хранится в памяти компьютера, к которому подключён модем. Работоспособен только при наличии драйверов, которые обычно писались исключительно под операционные системы семейства MS Windows;

- полупрограммные (Controller based soft-modem) — модемы, в которых часть функций модема выполняет компьютер, к которому подключён модем;

- программные (Host based soft-modem) — все операции по кодированию сигнала, проверке на ошибки и управление протоколами реализованы программно и производятся центральным процессором компьютера. При этом в модеме находится аналоговая схема и преобразователи: АЦП, ЦАП, контроллер интерфейса (например, USB).

3. По типу:

- аналоговые — наиболее распространённый тип модемов для обычных коммутируемых телефонных линий;

- ISDN — модемы для цифровых коммутируемых телефонных линий;

- DSL — используются для организации выделенных (некоммутируемых) линий используя обычную телефонную сеть.

Отличаются от коммутируемых модемов кодированием сигналов. Обычно позволяют одновременно с обменом данными осуществлять использование телефонной линии в обычном порядке.

- кабельные — используются для обмена данными по специализированным кабелям — к примеру, через кабель коллективного телевидения по протоколу DOCSIS;

- радио – для доступа используются технологии WiFi и EDGE, а также мобильные телефоны;

- спутниковые;

- PLC — используют технологию передачи данных по проводам бытовой электрической сети.

4. По методам модуляции:

- FSK (Frequency Shift Keying) - является разновидностью частотной модуляции;

- PSK (Phase Shift Keying) - является разновидностью фазовой модуляции;

- QAM (Quadrature Amplitude Modulation) – в этом методе квадратурной амплитудной модуляции одновременно изменяются фаза и амплитуда сигнала, что позволяет передавать большее количество информации;

- TCQAM (Trellis Coded QAM) - модуляция с решетчатым кодированием.

Наиболее распространены в настоящее время:

- внутренний программный модем;

- внешний аппаратный модем;

- встроенные в ноутбуки модемы.