Библиотека Интернет Индустрии I2R.ru

Так уж сложилось исторически, что есть очень много книг на русском языке про то, как пользоваться Windows, как работать с Internet, но, к сожалению, практически нет никакой литературы, которая достаточно полно с одной стороны, и понятно для неспециалиста - с другой, описывала бы работу таких непростых, но широко распространенных устройств, как модемы. Несмотря на то, что большинство пользователей компьютеров имеют представление о том, что такое Интернет, и либо время от времени, либо ежедневно пользуются им, мало кто задумывался о том, что модем, как основное некорпоративное средство доступа в Интернет на сегодня, едва ли не самое слабое звено в цепочке, по которой информация попадает на дисплей пользователя! Как-то само собой подразумевается, что купил в магазине модем, подключил к компьютеру и телефону, и все, больше не о чем беспокоиться. В этом цикле статей будет сделана попытка наглядно показать, сколь далеко это представление от действительности, и будут даны практические советы, как можно улучшить ситуацию. Материал рассчитан на того, кого называют Advanced user, то есть интересующегося далее простого нажимания на кнопки пользователя, но - пользователя, а не специалиста в цифровой обработке сигналов. Многие принципы и особенности работы модемов будут сознательно упрощены так, чтобы не отнимать лишнего времени у тех, кому важно решить главный вопрос - улучшить качество работы через телефонную сеть, понимая, что именно там происходит. Не в качестве саморекламы, но лишь с целью расстановки точек над 'i' отметим, что сами авторы этих статей как раз являются самыми что ни на есть профессионалами в этой области, несколько лет занимающиеся конкретно адаптацией модемов под Российские телефонные линии, и написавшие свои реализации многих популярных протоколов связи, таких как V.34 и прочих V.xx.

Итак, часть первая: что такое модем, и как он работает.

 Эта часть, надо признаться, потребует от Вас некоторого вспоминания физики уровня средней школы, поэтому если Вам этого не хочется делать, Вы можете ее пропустить. Однако, мы будем в дальнейшем ссылаться на такие термины, как символьная скорость, глубина модуляции, полоса пропускания канала и сигнал/шум, поэтому Вам либо придется запомнить как факт, что и как на что влияет, или все же прочитать нижеследующий раздел про то, как же модем передает информацию. В любом случае, в конце раздела есть резюме.

Модем представляет собой устройство, имеющее, с внешней точки зрения, цифровой интерфейс c компьютером (обычно последовательный порт RS-232) и аналоговый интерфейс с каналом связи (телефонной линией) - разъем для телефонного кабеля (RJ-11). "Внутри" модем представляет собой микрокомпьютер с достаточно мощным процессором (иногда несколькими), постоянной и оперативной памятью, и аналоговой частью, ответственной за сопряжение модема с телефонной сетью - устройство набора номера, усилитель, АЦП и ЦАП - Аналого-Цифровой и Цифро-Аналоговый Преобразователи, ответственные за преобразование сигнала из аналоговой формы (непрерывный сигнал-напряжение) в цифровую.

Давайте посмотрим на это устройство вот с какой стороны: понятно, что его задача - пересылать информацию с одного компьютера на другой. В случае работы в Интернете - с компьютера клиента на компьютер провайдера, и наоборот. Дабы упростить себе жизнь, будем пока считать, что модем выполняет всего одну, примитивную функцию - модулятора-демодулятора цифрового сигнала (кстати, именно отсюда и взялось сокращение - модем). Будем считать, что он уже набрал номер, установил соединение, начал передавать и принимать данные, и нам интересен пока лишь процесс, как байты информации идут от удаленной стороны к нам, и наоборот. Как же это происходит?

Рассмотрим подробнее, как же модем кодирует сигнал и как помехи этому мешают. Наиболее популярные ныне протоколы передачи данных - V.34 и V.32 - используют амплитудно-фазовую модуляцию сигнала. Базовый сигнал - несущая синусоида определенной протоколом частоты при передаче модулируется, т.е. подвергаются изменению ее амплитуда, то есть уровень, и фаза (сдвиг фазы сигнала относительно немодулированной "исходной" синусоиды). При этом состояния сигнала, характеризующиеся неизменной амплитудой и фазой, последовательно сменяют друг друга. Каждое такое состояние кодирует небольшое количество битов данных и называется одним символом (не путать с буквами и цифрами). Скорость, с которой символы сменяют друг друга, называется символьной скоростью (Symbol rate в статистике модема). Она определяется протоколом, для V.32 она всегда равна 2400 символов в секунду, для V.34 может достигать 3429 символов в секунду. Таким образом, у нас уже два параметра - символьная скорость и частота несущей.

Остановимся пока на этом, и посмотрим, что же предоставляет нам телефонная линия. А предоставляет она нам обязательство пропускать наши сигналы до удаленного абонента в полосе частот от 300 до 3400 герц, и, будем надеяться, без искажений. Очевидно, что модем должен выбрать такую несущую и такую символьную скорость, чтобы несущая поместилась ровно посередине между 300 и 3400, а символьная скорость была в точности равна 3400-300. Это - необходимое и достаточное условие для того, чтобы спектр сигнала модема ровно занял весь предоставляемый канал. Если он займет меньше, значит часть канала будет неиспользована, и модем сможет передать меньше информации, чем мог бы. Если он займет больше, то часть спектра будет обрезана и удаленный модем его не получит, а, стало быть, не получит и части передаваемой информации. Вообще, есть теоретический предел пропускной способности канала, который нельзя превысить никакими силами. Сколько бы мы ни старались, и как бы мы ни приспосабливали форму нашего сигнала к параметрам линии, мы не сможем передать информации больше этого теоретического предела. Таким образом, главная задача модема - так приспособиться к каналу, чтобы передать через него все, что канал может пропустить.

Продолжим теперь про модуляцию. К паре параметров сигнала - центральной частоте и ширине спектра (т.е. частоте несущей и символьной скорости) нам надо знать про третий определяющий параметр - назовем его глубиной модуляции. Хотя это не до конца правильный термин в данном применении, но сильно похож. Он говорит о том, сколько разных состояний может быть у передаваемого сигнала. Вспомним, что модем передает один символ (не букву!), какое-то время. А затем - другой символ. Символы отличаются друг от друга. Так сколько же всего может быть разных символов? Это зависит, главным образом, от того, сколько разных амплитуд и фаз мы можем передать в канал так, чтобы с противоположной стороны их еще не путали друг с другом. Иными словами, сколько градаций по амплитуде и фазе мы можем выбрать так, чтобы с той стороны они еще однозначно отличались. Как несложно посчитать, например 16 градаций по амплитуде и 16 по фазе дают 16*16=256 различных состояний сигнала, с помощью которых можно закодировать 8 битов информации. В этом случае при символьной скорости, например, в 1000 символов в секунду мы получим скорость передачи информации ровно 8000 битов в секунду. Если глубина модуляции меньше, то есть число состояний сигнала всего 32, к примеру, то мы получим 5 бит за символ, то есть 5 килобит в секунду. Если символьная скорость возрастет до 2000, это будет уже 10 килобит в секунду.

На протоколе V.32 каждый символ соответствует группе бит. При этом эта группа, очевидно, состоит из целого числа бит - от 2 до 6. А поскольку символьная скорость равняется 2400 символов в секунду, добавление очередного бита в группу (и увеличение количества используемых символов в два раза, соответственно), приводит к увеличению битовой скорости на 2400бит/с. Именно поэтому поддерживаемые V.32 скорости - от 4800 до 14400 бит/с с шагом в 2400. Протокол V.34 кодирует символы не по одному, а группами по 8 (так называемыми "кадрами отображения", mapping frames). При этом каждая группа имеет некоторые параметры (амплитудную огибающую), общие для всех 8 символов. За счет этого на один символ может приходиться "дробное" количество бит. Однако из соображений совместимости, список поддерживаемых битовых скоростей и на V.34 состоит из скоростей, кратных 2400, даже если символьная скорость выбрана не 2400, а большая. Например, известная Вам скорость 33600 бит/сек получается при передаче 79 бит на группу из 8 символов на символьной скорости 3429.

А теперь опять посмотрим на то, что нам предоставляет линия. С точки зрения увеличения числа состояний сигнала, она предоставляет нам параметр, именуемый динамическим диапазоном. То есть разницу между самым громким и самым тихим сигналом, который линия еще может пропустить без искажений. Сверху это обычно ограничивается перегрузочной способностью канала, а снизу - уровнем шумов канала. Иначе это еще называют соотношением сигнал/шум (SNR), то есть во сколько раз сигнал на приемной стороне громче шума, к нему примешиваемого. При этом помнят о том, что увеличение громкости сигнала сверх предела, допускаемого линией, невозможно.

И, наконец, еще раз про помехи. Все они сводятся к тому, что модем либо временно перестает различать сигнал, либо вовсе теряется точка привязки, то есть происходит так называемый срыв синхронизации, и модем уже не может без специальных процедур восстановления (retrain) нормально отделять ни символы друг от друга, ни понять, насколько фаза сигнала отличается от образцовой.

Теперь краткое резюме всего изложенного.

1. Параметры канала (линии), предоставляемого нам, характеризуются центром и шириной полосы пропускания (в норме - 300-3400 герц), уровнем шумов и искажений, и максимальным уровнем сигнала, еще пропускаемого без заметных искажений. Сигнал/шум - это характеристика того, как сигнал прошел через канал, и что получилось на приемном конце.
2. Параметры сигнала модема характеризуются центром и шириной спектра (частота несущей плюс и минус половина символьной скорости), и глубиной модуляции, то есть числом возможных градаций состояний сигнала.
3. Параметры канала ограничивают в принципе скорость передачи информации с одной стороны, а модем работает тем лучше и тем быстрее ее передает, чем полнее он занимает канал, и чем ближе параметры генерируемого им сигнала совпадают с возможностями, предоставляемыми каналом.
4. Кроме предыдущего пункта, важное значение имеют помехи: при прочих равных условиях, они вынуждают модем делать передаваемые символы более грубыми, и передавать их более длительное время, то есть снижать в результате скорость передачи информации.
5. Запомните на будущее две простые формулы: 1. Символьная скорость умноженная на глубину модуляции есть битовая скорость. 2. Ширина канала, потребная для передачи сигнала, равна символьной скорости, при этом центр полосы пропускания канала равен частоте несущей.

Телефонная линия представляет собой пару проводов, которые идут от Вас на АТС, некоторое оборудование на АТС, называемое абонентским комплектом, затем межстанционное оборудование, которое передает сигнал на удаленную АТС, там имеется удаленный абонентский комплект, от которого идет пара проводов до провайдера(к примеру). Таким образом, первая интересная нам особенность состоит в том, что телефонная линия - это не просто два провода, которые у Вас на столе начались, а у провайдера - закончились. К сожалению, все намного сложнее и капризнее. Что же предоставляет Вам АТС при помощи всей этой цепочки? Идеально - некий канал для передачи аналоговой информации, то есть - голоса, с некими нормированными параметрами, такими как затухание сигнала, полоса пропускания, уровень шумов, динамический диапазон и т.п., то, что в сумме своей отличает хорошую линию от плохой. В реальной же жизни, кроме всего упомянутого по ГОСТу, как правило, Вам "предоставляются" в нагрузку еще одно или несколько из:

1. Чрезмерное ослабление сигнала (слышно тихо).
2. Импульсные помехи (трески, щелчки, резкие изменения громкости и т.п.)
3. Постоянные помехи (фон, разговор соседей, музыка от радио, гудение)
4. Перекос АЧХ (глухой звук, плохая разборчивость)
5. Нелинейные искажения (дребезжащий голос)
6. Дрожание фазы и амплитуды (как пленка проскакивает на магнитофоне)
7. Смещение спектра сигнала (не слышно ухом)
8. Медленное уплывание параметров линии (не слышно ухом)

К чему все это приводит? Если кратко, то к очень простой вещи: модем кодирует каждый байт информации определенным состоянием сигнала, который он передает на другую сторону. Удаленный модем смотрит на линию, определяет форму, фазу, амплитуду и т.п. сигнала, и декодирует это опять в байты информации. Если линия вносит искажения, то состояния сигнала становятся плохо различимыми на удаленной стороне, или, хуже того, начинают путаться друг с другом, и удаленный модем неправильно декодирует информацию, получая неверный результат.

А откуда это все берется? Оттуда же, откуда и разбитые дороги. И исчезнет тогда же. Причем, как правило, основные проблемы вносят либо соединительные провода до Вас, либо межстанционная аппаратура. Первое обычно трещит, а второе - искажает и ослабляет. Мы рассмотрим далее, как можно бороться и с тем, и с другим.

Но стоит обратить внимание и на еще один источник проблем. Это, как ни странно, то, что стоит у Вас, у абонента! Первейший враг модемной связи и источник снижения ее качества - это разного рода офисные АТС. Причем, вовсе не кустарные поделки наших или китайских умельцев, а именно дорогие миниАТС ведущих фирм. Кустарные-то поделки обычно представляют в основном реле, которые коммутируют ваш телефон на городскую линию и все, а вот серьезные миниАТС обычно имеют еще довольно много сервиса, который реализуется за счет дополнительных подключений к сигнальным проводам. Вы можете быть сильно удивлены, увидев лично разницу в работе между прямым подключением модема к телефонным проводам, и подключением через офисную станцию.

Вторым врагом в Вашем доме являются телефоны, подключенные не после модема, для чего у него сделано второе гнездо, а параллельно модему. То, что на телефоне повешена трубка, ничего не меняет: он же в состоянии воспринимать звонок и звенеть, а, стало быть, подключен к телефонной линии и искажает сигнал на ней. Особенно плохо с советскими АОНами, которые не только портят сигнал пассивно, но в придачу еще и активно подмешивают в линию фон от сети, шумы от низкокачественной собственной электроники и т.п. Вообще, гениальное, как все простое, правило: приходящий к Вам сигнал нельзя улучшить, подключая к линии что-либо, его можно либо ухудшить, либо, в лучшем случае, не ухудшить. Уж что пришло - то Ваше, но больше Вы из линии не добудете, что к ней ни подключайте. Можно либо сохранить то, что пришло, и отдать это на обработку модему, либо сначала испортить. Всякие поделки из серии "улучшатель приема факсов" не выдерживают никакой критики, и могут пригодиться лишь для самых дешевых факсов и модемов, поскольку в любом серьезном модеме электроники на входе стоит на порядок больше, чем в этих поделках, и ничего нового они туда добавить не могут. Если их авторы рекламируют улучшение параметров сигнала, например сигнал/шума, то, следуя логике, если поставить их подряд штук 100, то можно так его улучшить, что модемы начнут работать быстрее локальной сети! Мы оставим за пределами нашего цикла рассмотрение идей с вечными двигателями и прочими внешними улучшателями сигнал/шумов.

Третий враг связи в Вашем доме - это разного рода уплотнительные устройства, такие как АВУ. Даже если АВУ стоит у Ваших соседей, а у Вас - низкочастотный канал, то все равно на лестнице Вы найдете такую круглую коробку с катушками, которая портит жизнь не только соседскому модему, но и Вашему тоже, поскольку вносит фазовые и частотные искажения в сигнал. Убирать эту катушку нельзя, иначе при наборе номера на Вашем телефоне у соседей в трубке будет нечто, похожее на стрельбу из пулемета. Кроме АВУ, те же проблемы дает и блокиратор, если телефон спаренный. Часть третья - почему модемы стоят по-разному.

Кроме понятных причин - реклама, имя фирмы, наценки торговли, есть главная, по которой модемы отличаются, бывает больше чем в 10 раз по цене друг от друга: насколько они в состоянии обработать то, что к ним приходит, без потерь. Как отмечалось выше, есть некоторый теоретический предел скорости передачи сигнала через телефонную сеть, и все отклонения от оптимальных решений лишь понижают скорость. Не считая набора сервисных и дополнительных возможностей, таких как голосовой режим, прием факсов и т.п., цену модема, главным образом, определяют три вещи:

1. Насколько дорогая аппаратура стоит в его аналоговой части, то есть насколько качественно он может принять тот сигнал, который пришел к Вам по проводам от удаленного модема, без потерь и искажений. Очевидно, что если сигнал пришел очень тихим, то модем должен быть весьма чувствительным и иметь очень низкий уровень собственных шумов, чтобы не испортить то, что пришло перед обработкой его процессором. Какими бы задумчивыми ни были алгоритмы обработки сигнала далее, но если во входной части модема стоит маленький трансформатор, малоразрядный АЦП или дешевая схема набора номера и удержания снятой трубки, пришедший сигнал будет зашумлен и искажен, то есть - безвозвратно испорчен, еще до начала его обработки процессором модема. В конечном итоге, важно соотношение сигнал/шум не на проводе, который входит в Вашу комнату, а уже в цифровом потоке, поступающем на вход процессора модема. Кто это соотношение испортил - межстанционные соединения, провода до Вас, Ваш любимый телефон с АОН, стоящий параллельно, или дешевый АЦП на модеме - не важно. Важно, что то, что поступает на обработку процессору модема, уже будет иметь потери информации, возникшие из-за всех этих воздействий.
2. Насколько сложные и ресурсоемкие алгоритмы цифровой обработки сигнала используются. Допустим, на вход процессора модема поступил (о чудо!) сигнал совсем не искаженный у Вас в комнате, такой, какой пришел к Вам в комнату. Кроме безвозвратных потерь информации, то есть снижения сигнал/шум, есть еще искажения информации, которые еще можно восстановить. Например, перекос АЧХ дает эффект снижения уровня верхних частот в сигнале, и это в некотором объеме можно восстановить путем правильного фильтрования сигнала. Другой способ восстановления потерянной информации - использование избыточности, заложенной в протокол передачи данных, для коррекции ошибок. Одно из важнейших и самое ресурсоемкое устройство в модеме - треллис-декодер, который позволяет оценивать не символы по отдельности, а набор символов как единое целое, компенсируя недостоверность единичного символа за счет того, что последовательные символы связаны друг с другом (но не все последовательности символов разрешены). Чем качественнее (соответственно, скорее всего дороже) модем, тем больше этих и дополнительных циклов обработки сигнала он проводит. Тем более искаженный сигнал еще может быть правильно обработан, и тем более резкие помехи еще не вызовут срыва синхронизации.
3. Насколько адекватно поведение модема в сложной помеховой обстановке.

Часть модема, называемая супервизором, может только понижать скорость передачи при увеличении помех на линии, а может гораздо более детально отслеживать все, что происходит, и так варьировать параметры модуляции сигнала, чтобы в минимальной степени снижать скорость передачи, наиболее точно подстраиваясь под особенности данной телефонной линии. Как бы хорошо ни работала аналоговая часть модема и алгоритмы цифровой обработки, но если параметры модуляции будут выбраны неадекватно, или же модем будет плохо отслеживать изменение состояния линии и не вовремя их изменять, то о близкой к теоретически-максимальной скорости передачи информации можно смело забыть. Причем, если первые два пункта можно строить по принципу "сколько есть денег, на столько и припаяем/напишем", то адекватность поведения модема на линии измеряется не только объемом затраченных на разработку или заплаченных клиентом денег, поскольку ведь ни модем, ни его разработчики никогда не знают точно, что произойдет на линии через пять секунд, и не могут выбрать единственно верное поведение в данный момент. Поэтому задача определения поведения модема на линии решается в первую очередь на основании знаний особенностей телефонии в данном конкретном месте, и написании тысячи алгоритмов и алгоритмиков, которые пытаются распознать типичные проблемные ситуации и выбрать адекватное решение. Надо ли говорить, что ни одна, даже самая ведущая западная фирма никогда не сможет сделать ничего похожего, поскольку не знает (а как правило - и не желает знать) всего того, чем отечественная телефония отличается от нормальной. В отличие от автомобиля, где большие колеса и крепкая подвеска решают проблемы плохих дорог, модем должен именно подстраиваться под линию, в нем нельзя просто поставить передатчик на два киловатта и приемник на полмикровольта, чтобы справиться с нашими плохими линиями.
Продолжение