1.4 Режим работы модемов

Модем – модулятор / демодулятор. При передаче модем получает от компьютера цифровой сигнал, модулирует его, т.е. преобразует из цифрового в аналоговый. При модуляции цифровой сигнал накладывается на аналоговую несущую. При этом в аналоговом сигнале одна из характеристик (амплитуда, частота, фаза) изменяется кратно (по закону) изменению цифрового сигнала. В зависимости от того, какая из характеристик изменяется, различается вид модуляции. На приеме модем выделяет из полученного аналогового сигнала несущую. Т. е. преобразует аналоговый сигнал в цифровой – демодуляция. Модем также способен производить коррекцию ошибок возникающих при передаче информации при плохом качестве связи. Для этого на передаче добавляются избыточная информация (биты четности), которая проверяется на приеме. Если контрольная информация не соответствует должному, то производится повторный запрос на передачу данной информации. Модем может работать в двух основных режимах – командном режиме и режиме обмена данными. Как видно из названия, в режиме обмена данными он может принимать и передавать данные между компьютером и удаленным модемом. При этом компьютер принимает и передает данные от модема через асинхронный порт (COM-порт), на котором установлен модем.

При включении питания модем находится в командном режиме. В командном режиме можно передавать с компьютера модему команды, управляющие его работой. Команды компьютер передает модему через COM-порт точно так же, как данные для обмена с удаленным модемом. При помощи команд можно изменять характеристики обмена данными, изменять условия связи, записывать и считывать данные из внутренних регистров модема. В этих регистрах хранятся различные числовые параметры, определяющие временные и некоторые другие характеристики работы модема. В командном режиме можно заставить модем набрать номер и связаться с другим модемом.

Модем переходит из режима передачи данных в командный режим в следующих случаях:

после неудачной попытки связаться с удаленным модемом;

при потере несущей в течение передачи данных;

при поступлении модему от компьютера команды в момент набора модемом номера;

при передаче от компьютера модему специальной Escape последовательности.

Также возможна и ручная смена режима. Если модем установил асинхронное соединение с удаленным модемом и находится в режиме данных, то перевести его в командный режим, не разрывая текущего соединения, можно, введя с клавиатуры специальную управляющую последовательность символов, которая называется Escape-последовательностью. По умолчанию, Escape-последовательностью является последовательность из трех подряд символов «плюс» – «+++». Если требуется, данные символы можно заменить, изменив содержимое регистра S2. Для возобновления передачи данных необходимо ввести команду ATO. Модем выдаст сообщение «CONNECT nnnn», где nnnn – параметры установленного соединения, после чего вернется в режим данных.

1.5 Состав и основные компоненты модемов

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.

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.

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 программируемым на заводе, то теперь производители все чаще стали помещать ее в перезаписываемую флэш-память, что позволяет обновлять программу без аппаратного вмешательства. DSP с заложенной в долговременную память (ПЗУ или flash, что допускает модернизацию) программой обработки получил образное название «datapump». Подобная мультипроцессорная архитектура (так называемая функциональная мультипроцессорность) отлично работала в модемах на протяжении многих лет.

В настоящее время актуальной становится «деинтеллектуаилизация» модема, которая называется – 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. 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.

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. Её достоинством является небольшое количество элементов, что снижает необходимость монтажных операций при сборке, следовательно – ниже стоимость и выше надежность. С другой стороны, после возложения на программу некоторых жизненноважных 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. Для модемов это утверждение также справедливо – практически у всех самых лучших проверенных временем моделей трансформаторный DAA.

Естественно, трансформатор – устройство не дешевое, уж 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».