Лекция 10. Передача данных между ЭВМ с помощью модемов. Типы и характеристики модемов.Набор АТ-команд.

Редкий серьезный деловой человек, профессиональный программист или системный оператор может представить себе полноценную работу без использования такого мощного, оперативного и удобного сочетания как обычная телефонная линия, модем и компьютерная сеть. В то время как первые две составляющие всего лишь техническая сторона новой организации информационного обмена между пользователями, компьютерная сеть - это та глобальная идея, объединяющая разрозненных обладателей компьютеров и модемов, систематизирующая и управляющая хаотически предъявляемыми требованиями и запросами по быстрому информационному обслуживанию, моментальной обработкой коммерческих предложений, услугами личной конфиденциальной переписки и т.д. и т.п. Сейчас, в условиях многократно возрастающих каждый год информационных потоков, уже практически невозможно вообразить четкое взаимодействие банковских структур, торговых и посреднических фирм, государственных учреждений и других организаций без современной вычислительной техники и компьютерных сетей. В противном случае пришлось бы содержать гигантский штат обработчиков бумажных документов и курьеров, причем надежность и быстрота функционирования такой системы все равно была бы значительно ниже предоставляемой модемной связью и компьютерными сетями. А ведь каждая минута задержки в пересылке важных информационных сообщений может вылиться в весьма ощутимые денежные потери и имиджевые крахи.

Без модема немыслима система электронных коммуникаций. Это устройство позволяет включиться в увлекательный, а сегодня, используя последние изобретения мира телекоммуникаций, уже и просто жизненно необходимый, мир информационных потоков, электронных баз данных, электронной почты, электронных справочников, электронных досок объявлений и многого другого. Возможности получения и обмена информацией с помощью модемов уже сегодня трудно переоценить, а то, что ждет нас завтра, мы не можем себе даже вообразить. Электронное письмо, посланное по электронной почте в любую точку земного шара, дойдет до адресата меньше, чем за два часа. Мы можем поместить какое-либо объявление или рекламу в систему телеконференции вашей сети электронной почты и эту информацию через сутки узнает весь мир (если, конечно, этого очень захотеть). Посредством модема можно, например, из Москвы подключиться напрямую к серверу в Нью-Йорке и работать с информационными базами данных, которые он содержит. Наконец, мы можем послать факс. Уже сегодня ни одна солидная брокерская контора не может обойтись без оперативного получения и передачи информации с использованием компьютерных каналов связи и, как следствие, модемов.

Основной задачей модема является преобразование исходной цифровой информации в вид, пригодный для передачи по каналу связи, и обратное преобразование на приеме. Вид модуляции и метод построения модема в значительной степени определяют скорость передачи данных и эффективность использования канала связи. Применительно к передаче данных по телефонным каналам, виды модуляции, используемые в модемах, регламентируются Международным союзом электросвязи (МСЭ-Т). В Рекомендациях МСЭ-Т определены основные технические характеристики модема, такие, как форма спектра передаваемого сигнала, структура настроечной комбинации, образующий полином скремблера (дескремблера) и другие параметры, обеспечивающие совместимость модемов, выпускаемых разными изготовителями.

Качество работы модема определяется способностью противодействовать мешающим факторам, а, именно:

- Гауссовскому шуму;

- межсимвольной интерференции, вызванной не идеальностью передаточной функции канала связи;

- флуктуациям фазы несущей частоты, обусловленным низкочастотной паразитной модуляцией в генераторном оборудовании систем передачи с частотным разделением каналов.

Поэтому для повышения качества работы модема требуется применение оптимальных( либо близких к ним) алгоритмов обработки сигналов, позволяющих уменьшить влияние мешающих факторов.

Повышение эффективности использования канала связи, т.е. удельной скорости передачи (числа передаваемых бит на единицу полосы пропускания канала связи), требует применения в модеме следующих систем:

- адаптивного корректора сигнала для уменьшения межсимвольной интерференции в принимаемом сигнале;

- дискретного (или цифрового) формирователя спектра сигнала на передаче (в качестве его дополнительной функции может быть введение предыскажений с целью компенсации межсимвольной интерференции);

- скремблера (на передаче) и дескремблера (на приеме) для преобразования исходной последовательности данных в псевдослучайную и обратного преобразования на приеме;

- системы компенсации флуктуаций фазы несущей частоты,

Соединение абонента передачи данных с телефонным каналом может осуществляться с помощью четырех проводного окончания (главным образом с арендованными каналами) и/или двухпроводным окончанием(в основном с коммутируемыми каналами). При четырех проводном окончании передача и прием осуществляются независимо друг от друга, а при двухпроводном окончании и работе в дуплексном режиме передатчик по- рождает помехи на входе своего приемника (так как объединение и разделение передачи и приема производится с помощью дифсистем, которые невозможно идеально настроить на полное подавление сигнала передатчика местного модема).

Передача данных по телефонным каналам с двухпроводным окончанием организуется с использованием одного из следующих методов:

- поочередной передачи в каждом из направлений (полудуплексный режим);

- частотного разделения направлений передачи (дуплексный режим: симметричный или асимметричный - в зависимости от равенства или неравенства скоростей передачи в разных направлениях);

- одновременной передачи в обоих направлениях с подавлением на приеме отраженного сигнала собственного передатчика (дуплексный режим с эхо компенсацией).

Модемы классифицируются, в основном, по величине скорости и типу канала, для которого они предназначены (арендованный или коммутируемый). Совместимость модемов разных изготовителей обеспечивается соответствием их нормам международных Рекомендаций серии V Международного союза электросвязи (МСЭ-Т).

Итак, модемом называется устройство, способное осуществлять МОдуляцию и ДЕМодуляцию информационных сигналов (МОДЕМ). Собственно работа модулятора модема заключается в том, что поток битов из компьютера преобразуется в аналоговые сигналы, пригодные для передачи по телефонному каналу связи. Понятно, что демодулятор модема выполняет обратную задачу.

Таким образом, данные, подлежащие передаче, преобразуются в аналоговый сигнал модулятором модема "передающего" компьютера. Принимающий модем, находящиеся на противоположном конце линии, "слушает" передаваемый сигнал и преобразует его обратно в цифровой при помощи демодулятора. После того, как эта работа выполнена, информация может передаваться в принимающий компьютер. Режим работы, когда передача данных осуществляется только в одном направлении, называется полудуплексным (half duplex). Вообще говоря, оба компьютера, как правило, могут одновременно обмениваться информацией в обе стороны. Этот режим работы называется полным дуплексом, или просто дуплексом (full duplex).

Можно выделить некоторые основные этапы работы модема. Первым делом модем принимает данные, поступающие из компьютера, после чего разделяет их на исполняемые команды и информацию, которую надо передать в линию. Сразу же заметим, что большинство современных модемов используют так называемый набор команд AT. (сокращение от слова ATtentin).

АТ-команды

Практически каждый модем рекламируется как Hayes-совместимый, т. е. понимающий большинство команд языка AT, разработанного компанией Hayes в 70-е годы. Чтобы использовать модем, вам не обязательно знать команды AT, но иногда применение правильной инструкции способно дать модему "второе дыхание". Имейте в виду, что не все команды работают со всеми модемами, а каждая конкретная модель поддерживает лишь основные команды языка Hayes и имеет набор своих собственных (и весьма полезных) команд. Подробная информация об этом содержится в документации на модем и на Web-сервере поставщика. Чтобы воспользоваться командами AT, запустите утилиту Hyper Terminal или Терминал, входящий в пакет Norton Commander 5.0.

AT - команды

AT	начало (префикс) командной строки. После получения этой команды модем автоматически подстраивает скорость передачи и формат знака к параметрам терминала.
A	ручной ответ. Команда переключает модем из командного режима на режим ожидания сигнала несущей вызывающего модема. После получения сигнала несущей, модем реализует процедуру положительного ответа на вызов и действует как переключенный на процедуру автоматического ответа. Если модем работает на выделенных линиях связи, то отвечает несущей без указания частоты. В этом случае если автоматический ответ (auto-answer) выключен (S0=0) и происходит вызов, то для получения связи надо передать команду ATA.
A/	модем повторяет предыдущую командную строку. Команда подается без префикса (AT) и нажатия.
Bn	выбор коммуникационного стандарта: n = 0 CCITT V.21, V.22, V.22bis, n = 1 BELL 103/202A.
Ds	автоматический набор номера. После получения этой команды, модем начинает набор номера и при получении связи переходит в режим передачи. Команда состоит из телефонного номера, в состав которого могут входить следующие управляющие параметры: s = P обозначает, что цифры телефонного номера идущие после символа P модем должен набирать импульсно (используются символы 0-9). s = T обозначает, что цифры телефонного номера идущие после символа T модем должен набирать частотой (разрешено использовать символы 0-9, A-D, * а также #). s = , обозначает перерыв перед набором следующей цифры (2s). s = ; если применяется как последний знак в командной строке, то модем после набора номера переходит в командный режим работы. s = @ модем ожидает 5-секундной тишины на линии, если она не появится в течении 30s (содержимое регистра S7), модем отключается, и отвечает NO ANSWER. s = ! если знак ! стоит перед знаками последовательности набора, модем переходит в состояние ON HOOK (кладет трубку) на 0,5s, а затем снова перейдет в состояние OFF HOOK (снимает трубку). s = S модем набирает телефонный номер записанный в памяти EEROM. s = R при записи как последний символ в командной строке, устанавливает модем после набора номера в режим answer, но только в том случае, если модем звонит к модему originate. s = W модем ожидает ответ станции (длинный гудок) перед дальнейшим набором телефонного номера (например выход на автоматическую междугороднюю связь).
En	местное эхо ON/OFF. После команды E1 модем возвращает эхо каждого знака передаваемого ему, что позволяет узнать, как действительно работает командная линия. Команда E0 блокирует эту функцию. n = 0 эхо выключено, n = 1 эхо включено
Hn	управление линией. Команда используется прежде всего при окончании телефонной связи: n = 0 отключение модема от линии, n = 1 подключение модема на линию.
In	производственный код и контрольная сумма: n = 0 сообщение сода продукта, n = 1 подсчет контрольной суммы программы содержащейся в ROM (EPROM), n = 2 модем проверяет состояние внутренней памяти ROM и возвращает сообщение OK или ERROR.
Ln	установка громкости сигнала встроенного динамика (громкоговорителя). n = 0,1 низкая n = 2 средняя n = 3 высокая
Mn	управление динамиком (громкоговорителем). n = 0 динамик выключен, n = 1 динамик включен только во время набора номера и выключается после обнаружения несущей, n = 2 динамик включен все время, n = 3 динамик включается после набора последней цифры номера и выключается после обнаружения несущей отвечающего модема.
Qn	управление ответом модема. n = 0 ответ включен, n = 1 ответ выключен. Независимо от состояния Q0 или Q1 модем всегда сообщает содержание S-регистров, код продукта, контрольную сумму и результаты теста (смотри команды S, I, а также &T).
O	после прохождения команды, модем настраивается на режим передачи данных и отвечает CONNECT (если до этого он находился в командном режиме работы).
Sr	управление S-регистрами.
Sr?	считывание содержимого S-регистра номер r.
Sr=nnn	ввод числового параметра nnn в S-регистр номер r. Все команды модифицируют содержимое одного или более S-регистров. Некоторые S-регистры содержат временные параметры, которые можно поменять только командой S.
Vn	выбор вида ответа модема. n = 0 ответ цифровым кодом, n = 1 ответ в символьном виде на английском языке.

Стандартный набор ответов модема
Ответ в символьном виде	Ответ цифровым кодом	Значение ответа
OK	0	Модем выполнил команду
CONNECT	1	Модем подключен со скоростью 300bps. После команды X0 возможна работа со скоростью 600, 1200, 2400 bps.
RING	2	Модем обнаружил правильный сигнал звонка. Ответ выдается всегда, независимо от режима работы.
NO CARRIER	3	Модем потерял несущую или не получил ответ от удаленного модема.
ERROR	4	Ошибка в командной строке. Командная строка длиннее 40 символов, или ошибка в контрольной сумме (смотри команду L2).
CONNECT 1200	5	Модем подключен со скоростью 1200 bps, (смотри команды X1, X2, X3, X4).
NO DIALTONE	6	Отсутствие сигнала станции коммутации (смотри команды X2, X4).
BUSY	7	Номер (канал) занят.
NO ANSWER	8	Ответ получается в случае использования в командной строке управляющего символа @ и если не выполнено условие - 5s тишины (см команду D).
CONNECT 600	9	Модем подключен со скоростью 600 bps, (смотри команды X1, X2, X3, X4).
CONNECT 2400	10	Модем подключен со скоростью 2400 bps, (смотри команды X1, X2, X3, X4).

Кроме собственно модуляции и демодуляции сигналов модемы могут выполнять сжатие и декомпрессию пересылаемой информации, а также заниматься поиском и исправлением ошибок, возникнувших в процессе передачи данных по линиям связи.

Модем выполняется либо в виде внешнего устройства, которое одним выходом подсоединяется к телефонной линии, а другим к стандартному COM-поpту компьютера (pазъём RS232), либо в виде обыкновенной печатной платы, которая устанавливается на общую шину компьютеpа. Внутренние варианты модемов могут быть пpиспособлены как к обычной ISA, так и к PCI шинам.

Контpоллеp модема - это, как правило, специализированный микрокомпьютер типа SC1107 или SC1108, содеpжащий восьмиpазpядное АЛУ, ПЗУ в 8 Кбайт, ОЗУ 128 байт, таймеp, командный pегистp, контpоллеp пpеpываний, стек, поpт ввода/вывода. Если плата модема пpисоединена к системной шине ПК, то пpименяется "паpаллельный" контpоллеp SC1107. Если же плата pаботает с компьютеpом посpедством RS232, то используется "последовательный" контpоллеp SC1108. В некотоpых констpукциях pоль контpоллеpа выполняет пpоцессоp 8031 с внешним ПЗУ (i2732,2764) и микpосхемой 74LS373.

Модемы могут отличаться друг от друга, например, по методам модуляции. Ведь, как известно, у одного и того же сигнала, определяемого во времени, можно модулировать амплитуду, частоту и фазу. Наиболее известны три метода модуляции: FSK (Frequency Shift Keying), PSK (Phase Shift Keying) и QAM (Quadrature Amplitude Modulation). FSK является разновидностью частотной модуляции (ЧМ), а PSK - фазовой (ФМ).

FSK использует четыре выделенные частоты. Пpи пеpедаче инфоpмации сигнал частотой 1070 Гц интерпретируется как логический нуль, а сигнал частотой 1270 Гц - как логическая единица. Пpи приеме нуль соответствует сигналу 2025 Гц, а единица - 2225 Гц.

PSK использует две частоты: для передачи данных - 2400 Гц, для приема - 1200 Гц. Данные пеpедаются по два бита, пpи этом кодиpовка осуществляется посpедством сдвига фазы сигнала. Используются следующие сдвиги фазы для кодиpовки: 0 гpадусов для сочетания битов 00, 90 гpадусов для 01, 180 гpадусов для 10, 270 гpадусов для 11.

В методе квадратной амплитудной модуляции QAM одновременно изменяются фаза и амплитуда сигнала, что позволяет передавать большее количество информации. В современных модемах используется так называемая модуляция с решёточным кодированием TCQAM (Trellis Coded QAM), или просто TCM.

Одной из основных характеристик модема является скорость модуляции, которая определяет физическую скорость передачи данных без учёта исправления ошибок и сжатия данных. Единицей измерения этого параметра является количество бит в секунду. Скорость модуляции не следует путать с пропускной способностью канала, которая может быть меньше или больше скорости модуляции в зависимости от качества линии, применения коррекции ошибок и сжатия передаваемых данных.

Поскольку скорость передачи данных может измеряться как в битах в секунду, так и в бодах. Дело в том, что бод определяет число изменений (модуляций) сигнала в секунду. Однако в зависимости от способа модуляции каждое изменение сигнала может соответствовать не только одному, но и большему количеству бит.

МОДЕМ КАК СРЕДСТВО СВЯЗИ МЕЖДУ КОМПЬЮТЕРАМИ

Если на одном компьютере работают хотя бы два человека, у них уже возникает желание использовать этот компьютер для обмена информацией друг с другом. На больших машинах, которыми пользуются одновременно десятки, а то и сотни человек, для этого предусмотрены специальные программы, позволяющие пользователям передавать сообщения друг другу, а администратору - оповещать пользователей о новостях в системе.

Стоит ли говорить о том, что как только появилась возможность объединять несколько машин в сеть, пользователи ухватились за эту возможность не только для того, чтобы использовать ресурсы удаленных машин, но и чтобы расширить круг своего общения.

В рамках предприятия, небольшого города или просто ограниченной местности возможно создание обычной локальной сети на базе стандаpтов Ethernet или Arcnet и их объединение посредством стандартных кабелей. Hо когда pечь заходит о соединении компьютеров, находящихся на расстоянии многих тысяч километров друг от друга, то мгновенно встает вполне разумный вопрос: а почему бы не использовать такое стаpое и пpовеpенное сpедство коммуникации, как телефонные линии? Ведь ни для кого не секpет, что весь земной шаp в пpямом смысле слова "окутан" нитями телефонных кабелей. Вот тогда и потребовалось это устройство МОдуляции/ДЕМодуляции, которое могло бы переводить информацию в сигналы определенной частоты. Впеpвые такое устройство было представлено разработчиками и стандартизовано МККТТ в 1964 году.

Параллельно с аппаратными изобретениями начали выходить в свет и программные разработки, обеспечивающие удобный, доступный и простой диалог в цепочке модем-ЭВМ-человек. Создаются программы, предназначенные для обмена сообщениями пользователей, находящихся на разных машинах. Из-за разнообразия компьютеров, операционных систем, способов соединения машин в сеть и целей, преследуемых при этом людьми, этих программ оказалось достаточно много и они не всегда совместимы между собой. Практически каждый программист способен создать подобный "почтовик" на базе которого можно было бы создать компьютерную сеть.

Если мы хотим оперативно передать какой-то файл нашему другу или сотруднику во Владивостоке, то можно поступить двумя способами. Кто-то предпочтет записать этот файл на дискету, купить билет на самолет, нанять КУРЬЕРА и поручить ему доставить эту дискету по такому-то адресу. А кто-то разумно решит приобрести модем марки COURIER фирмы U.S.Robotics и в считанные минуты, используя присутствующую в каждом приличном учреждении телефонную линию, передать всю необходимую во Владивостоке информацию. Для этого, помимо телефонной линии, необходимо иметь лишь, также присуствующий в каждом приличном учреждении, компьютер и простейшую коммуникационную программу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Последние годы характеризуются быстрым совершенствованием модемов и расширением масштаба их использования. Основными причинами этого стали создание новых высокоэффективных методов модуляции и цифровой обработки сигналов: многопозиционной модуляции в сочетанием со сверточным кодированием и приемом по максимуму правдоподобия, методов защиты от ошибок и сжатия данных.

Технологической базой этого процесса стало создание специализированных БИС для модемов, необходимым компонентом которых являются высокоскоростные цифровые сигнальные процессоры.

В массовом производстве был освоен выпуск модемов для коммутируемых каналов на скоростях 14400 бит/с и 28800 бит/с. (что практически совпадает с теоретической границей скорости передачи). Благодаря применению в модемах защиты от ошибок, обеспечивается высокая достоверность передачи, а за счет введения функции сжатия данных - фактические скорости передачи до 57600 бит/с. Эти факторы, наряду с сохраняющимся значительным объемом использования аналоговых телефонных каналов, обусловили быстрое развитие разработки, производства и применения модемов.