V90. 6 февраля 1998 г. в Женеве Международный телекоммуникационный союз (ITU — International Telecommunication Union) принял стандарт V.90 для передачи данных на скоростях до 56 Kbps. Тем самым завершилась более чем двухлетняя «война» двух протоколов - Х2, предложенного компаниями US Robotics и ЗСом, и K56Flex от Rockwell International и Lucent Technologies.
Стандарт V.90 еще называют V.PCM (Pulse Coded Modulation) или стандарт с импульсно-кодовой модуляцией. При этом использование данного вида модуляции не нарушает требований протокола V.34 и других морально устаревших аналоговых стандартов. Таким образом, согласно V.90 поток данных, поступающих от провайдера к конечному потребителю, не проходит фазу аналогового кодирования. Вместо этого данные кодируются по методу РСМ, причем импульсы передаются на разных уровнях сигнала.
Естественно, что использование протокола V.90 накладывает очень жесткие условия на качество телефонных каналов связи и самой АТС. Причем ваша АТС и АТС провайдера должны быть цифровыми. Это требование не является чрезмерным, поскольку сейчас модемные пулы практически всех ведущих провайдеров установлены на цифровых АТС.
В цифровой телефонии частота сигнала дискретизации составляет 8 kHz, а число уровней дискретизации — 256, что соответствует восьми разрядам, поэтому максимальная скорость передачи данных может составлять 64 Kbps. Откуда же взялось ограничение в 56 Kbps в протоколе V.90? Дело в том, что понижение уровня передачи данных с 64 до 56 Kbps преследовало две цели. Во-первых, уменьшить нелинейные характеристики аналогового оборудования, которое обеспечивает связь с конечным потребителем, и вовторых, уменьшить уровень шумов и перекрестных помех между соседними телефонными каналами.
При использовании модемов и обычных телефонных линий связи обмен данными ведется на одной из стандартных скоростей - 2400, 4800, 7200, 9600,12000,14400, 16800, 19200, 21600, 24000, 26400, 28800, 31200 и 33600 bps. Отметим, что на указанных скоростях данные могут как приниматься, так и передаваться. При использовании стандарта V.90 модемы могут принимать цифровые данные на одной из следующих скоростей - 28000, 29333, 30666, 32000, 33333, 34666, 36000, 37333, 38666, 40000, 41333, 42666. 44000,45333, 46666, 48000,49333, 50666, 52000,53333, 54666,56000 и 57333 bps. Для удовлетворения части 15 правил, принятых Федеральной комиссией по связи (FCC), ограничивающих уровни электромагнитных излучений электрических приборов, передача цифровых данных на скоростях выше 53 Kbps no обычным телефонным каналам запрещена. Поэтому даже при использовании протокола V.90 и отличного телефонного канала скорость передачи данных не превысит 53 Kbps. На практике же модемы крайне редко соединяются на скоростях, превышающих 44 Kbps.
В разработке и реализации этих протоколов раньше всех преуспела фирма Microcom. Ей принадлежит группа стандартов MNP (Microcom Networking Protocol), которые сейчас поддерживаются большинством выпускаемых модемов.
MNP1 Обеспечивает коррекцию ошибок, предназначен для модемов, передающих информацию в асинхронном полудуплексном режиме*. Это самый простой из протоколов MNP, однако вследствие его малой эффективности большинство современных модемов с аппаратной реализацией коррекции ошибок его не поддерживают.
MNP2 Близок к MNP1, но использует полнодуплексную связь, что повышает пропускную способность. MNP2 собирает байты данных их в блоки переменного размера, снабжая каждый блок контрольной суммой, что позволяет добиться стопроцентного обнаружения ошибок.
MNP3 Начиная с MNP3, устаревшая технология стартовых и стоповых битов больше не поддерживается. Получив асинхронный** байт от компьютера, модем убирает из него стартовые, стоповые и контрольные биты, оставляя только голый байт данных. Затем эти байты, как обычно, собираются в блоки и снабжаются контрольной суммой и другой служебной информацией. За счёт этого удаётся ещё больше повысить производительность (примерно на 20%).
MNP4 Отличается от MNP3 тем, что способен (как и MNP2) на ходу менять размер блока данных, приспосабливаясь к качеству линии***, - если ошибок слишком много, модем с MNP4 уменьшает объём блока, повышая тем самым надёжность передачи. Кроме того, в этом протоколе уменьшены затраты на передачу служебной информации. В результате и надёжность, и производительность у MNP4 выше, чем у MNP3 (по сути, этот протокол объединил всё лучшее из MNP2 и MNP3).
MNP5 Отличается от MNP4 только умением сжимать передаваемые данные****, что позволяет заметно повысить пропускную способность (в частности, при передаче текстов или баз данных). Символы, часто встречающиеся в передаваемом блоке, кодируются цепочками битов меньшей длины, чем редко встречающиеся символы. Дополнительно кодируются длинные цепочки одинаковых символов. Обычно при этом текстовые файлы сжимаются до 35% своей исходной длины. Однако, если данные уже сжаты архивный файл), MNP5 работает даже медленнее MNP4, так как безуспешно пытается сжать несжимаемое. Модем, поддерживающий MNP5, работает и с протоколами MNP1-MNP4. Связавшись, модемы сами (не заметно для пользователя) договариваются, по какому протоколу будет происходить передача, пытаясь установить возможно более высокий класс MNP.
MNP6 Дополняет протокол MNP4 и MNP5 автоматическим переключением между дуплексным и полудуплексным режимами в зависимости от типа передаваемой информации, обеспечивает совместимость с протоколом CCITT V.29 (стандарт на передачу факсимильных сообщений на скорости 7200 и 9600 бит/с). Создание этого протокола было вызвано появлением факс-модемов, имеющих свои особенности (например, все протоколы факсимильных аппаратов группы 3, к которым относятся и факс-модемы, являются полудуплексными, то есть в отличие от модемов факсам не нужно сразу и передавать, и принимать сообщение).
MNP7 Дальнейшее развитие протокола MNP5, применена усовершенствованная процедура сжатия данных (Enchanced Data Transmission), совместимая с процедурой MNP5, но более эффективная. Коэффициент сжатия возрастает до 2,4:1.
MNP8 Объединение метода сжатия MNP7 с алгоритмом "Fast Train" для модемов по Рекомендации V.29, это делает возможной передачу со скоростью до 30000 бит/с. Предусмотрены 2 новые процедуры: "Piggyback Acknowledgements" - интеграция пакетов обратных сообщений в пакетах передачи данных и минимизация канального заголовка: "Multiple Selektive Negative Acknowledgements" - исключение части обратной передачи путём селективного подавления блоков при наличии ошибок передачи.
MNP9 Аналогичен протоколу MNP7, но дополнительно используется процедура "Enchanced Universal Link Negotiation", что позволяет оптимизировать реальную дуплексную передачу по Рекомендации V.32bis в сочетании с усовершенствованным сжатием данных и достигнуть эффективности 300%.
MNP10 применяется в модемах фирмы Microcom (MNP1-MNP5 предоставляются Фирмой Microcom по лицензии другим производителям модемов). Это протокол предназначен для связи по сильно "зашумленным" каналам, таким, как линии сотовой связи, международные или сельские линии. Стабильность работы достигается при помощи следующих методов:
· многократного повторения попытки установить связь;
· изменения размера пакетов в соответствии с изменением уровня помех на линии;
· динамического изменения протокола соединения*****.
· В полудуплексном режиме данные передаются не одновременно в двух направлениях, как в дуплексном, а поочередно.
** Собственно, слово "синхронный" звучит несколько некорректно: модем с компьютером всегда обмениваются данными в асинхронном режиме; но при синхронном методе передачи данных из передаваемой компьютером информации удаляются старт/стопные биты, а получившийся сплошной поток данных передаётся удалённому модему уже с синхронизацией.
*** При увеличении числа ошибок размер блоков уменьшается, повышая вероятность успешного прохождения отдельных блоков.
**** Суть сжатия информации заключается в том, что символы, часто встречающиеся в передаваемом блоке, кодируются цепочками битов меньшей длины, чем редко встречающиеся. Кроме того, кодируются длинные цепочки одинаковых символов. В совокупности это позволяет сжать текстовые файлы до 35% их исходной длины. Однако следует учесть, что если данные изначально не содержали избыточной информации, или содержали, но перед пересылкой были сжаты одним из архиваторов (например, ТАR или PkZIP), то дополнительного увеличения эффективности за счёт сжатия данных модемом не происходит - даже наоборот, объём передаваемой информации может увеличиться.
***** Например, модемы связались по спецификации V.32terbo, затем, из-за ухудшения условий связи, произошёл переход на V.32, а когда помехи исчезли - на V.32bis, а потом и V.34.
V.42 - это протокол автоматической коррекции ошибок при передаче. Совместим с MNP1-MNP4, но содержит более гибкие и эффективные методы коррекции ошибок и применяет методику LAPM (Link Access Protocol for Modems). Большинство выпускаемых сейчас модемов поддерживают и MNP1-MNP5, и V.42.
V.42bis - это протокол динамического сжатия данных 'на лету' при передаче их через модем с целью повышения эффективной производительности, развитие V.42, которое отличается высокой эффективностью и иногда даёт некоторый выигрыш даже при пересылке сжатых файлов. Обеспечивается сжатие до 4-х раз. Поддерживается большинством модемов.
BTLZ Первым отличием протокола BTLZ от других является способ организации справочника, в котором хранятся более короткие коды, используемые для передачи вместо повторяющихся более длинных отрезков данных. В то время, как при других алгоритмах справочник заранее определён и хранится в ПЗУ, алгоритм BTLZ динамически формирует идентичные справочники на передающей и приёмной сторонах, и последние хранятся в ОЗУ. Поэтому достигаемая степень сжатия при этом тем больше, чем больший объём памяти занят справочником, в то время, как степень сжатия при других алгоритмах ограничена фиксированным объёмом справочника.
Другим преимуществом протокола BTLZ является его способность распознавать наличие последовательностей данных, близких к случайным. При обнаружении этого алгоритм выключает механизм сжатия, продолжает контроль, и включает этот механизм при пропадании случайного характера последовательности данных. Другие рассмотренные протоколы в такой ситуации снижают пропускную способность до величины меньшей, чем даже номинальная скорость модема.
В то же время, МККТТ был сделан вывод, что эффективность сжатия конкурирующих протоколов примерно одинакова.
При сжатии текстов с помощью протокола BTLZ могут быть получены отношения до 3:1, в то время, как для более регулярных данных, таких, как файлы динамических таблиц и некоторые графические файлы, коэффициент сжатия может достигать значений 4:1. Данный метод сильно чувствителен к ошибкам в потоке данных, которые приводят к изменению передающего и приёмного справочников. Поэтому он должен использоваться в сочетании с исправлением ошибок; по этой причине он введён как Рекомендация V.42.bis - добавление к предварительно принятой Рекомендации V.42.
Возможны 2 варианта реализации метода: недорогая и сложная, но зато обеспечивающая более высокую степень сжатия информации.
LAPM (Link Access Procedure for Modems) - протокол защиты от ошибок для модемов основан на стандартной процедуре HDLC (Стандарт ISO 4335) и приведён в Рекомендации V.42. Протокол имеет следующие основные характеристики:
· взаимодействие в режиме без исправления ошибок с модемами серии V., имеющими асинхронно-синхронное преобразование по Рекомендации V.14, но не реализующими функции защиты от ошибок;
· обнаружение ошибок с помощью циклического кода;
· исправление ошибок путём автоматического запроса повторения данных, принятых с ошибками (метод ARQ);
· синхроннаая передача стартстопных данных;
· процедура начального вхождения в связь
· проведение начального вхождения в связь для определения типа протокола защиты от ошибок, используемого в дальнем модеме;
· установка режима работы с защитой от ошибок или без неё в процессе вхождение в связь;
· координация согласования необходимых параметров и факультативных процедур;
· стартстопно-синхронное преобразование данных.
Устройства защиты от ошибок модемов взаимодействуют между собой при помощи кадров, состоящих из: открывающего и закрывающего флагов ("01111110"), поля адреса, поля управления, информационного поля, проверочной комбинации FCS. На передаче и приёме предусматриваются меры для исключения появления в передаваемой информации комбинации флага путем вставки двоичного нуля после пяти двоичных единиц на передачи и исключения их на приёме.
Комбинация проверки кадров FCS может иметь 16 битов или 32 бита. В первом случае используется образующий полином 16 12 5
" X + X + X + 1" (биты, вводимые для обеспечения прозрачности, не учитываются); во втором случае используется образующий полином 32 26 23 22 16 12 11 10 8 7 5 4 2
" X + X + X + X + X + X + X + X + X + X + X + X + X + X + 1".
В поле управления передаются номера кадров, а также команды и ответы (например, "Готовность к приёму", "Неприём", "Разъединение", всего 12 команд и ответов). Обмен командами и ответами позволяет осуществить запрос повторной передачи, временную остановку передачи, восстановление обмена кадрами и другие необходимые рабочие процедуры.
В одном из добавлений к Рекомендации V.42 приведены возможные направления усовершенствования протокола LAPM, например путём введения дополнительных процедур:
· сжатия данных (реализовано в Рекомендации V.42bis);
· исправления ошибок без обратной связи (с помощью ошибкоисправляющего кода);
· статистического мультиплексирования;
· обмена служебной информацией между функциями управления;
· согласования скорости, формата знака;
· работы по несимметричному или полудуплексному соединению.
Рис.2.1. Модем по рекомендации V.32bis
2.
Структура современного модема (по рекомендации V.32bis).
Выход передатчика и вход приемника соединены с дифсистемой, которая осуществляет частичное разделение сигналов встречных направлений и обеспечивает двухпроводный интерфейс с телефонной линией. Кроме того на рисунке изображен эхокомпенсатор, который обеспечивает дуплексную работу модема и представляет собой адаптивный трансверсальный фильтр имитирующий тракт прохождения эхосигнала.
Структура передатчика. С выхода терминального оборудования данных (обычно - компьютер) на вход передатчика поступает последовательный поток дискретных данных, который обрабатывается скремблером. Скремблер производит над сигналом обратимое преобразование, обеспечивающее случайный характер выходного потока. Передача сигналов имеющих неслучайный характер, например длинная последовательность "0" или "1", может отрицательно сказаться на работе приемника. Однако производитель модема не может накладывать какие-либо ограничения на входной сигнал, и модем должен передавать информацию любого вида. Поэтому используют скремблер, сигнал на выходе которого носит случайный характер даже при подаче на вход длинной последовательности "0" или "1".
С выхода скремблера сигнал поступает на вход преобразователя “последовательный в параллельный”, который обеспечивает разбиение последовательности входных бит на группы, в зависимости от выбранной скорости передачи. Далее старшие биты каждой битовой группы подвергаются сверточному кодированию и вместе с младшими незакодированными битами обрабатываются КАМ-кодером, который осуществляет отображение входных битовых групп на сигнальную плоскость. На выходе КАМ- кодера мы получаем амплитуды косинусной (синфазной) и синусной (квадратурной) несущих, которые на плоскости сигнального созвездия соответствуют абциссе и ординате декартовой системы координат.
Обе эти составляющие обрабатываются фильтрами низких частот (ФНЧ) и модулируют несущую частоту 1800 Гц. Использование ФНЧ необходимо для устранения необратимых искажений при модуляции, вызванных наложением спектров. Сама же модуляция, как это видно из рисунка производится простым умножением синфазной и квадратурной составляющих сигнала на гармонические функции косинуса и синуса.
Все эти операции, хотя и отмечены на рисунке блоками, не подразумевают в современном модеме физических устройств, а реализуются программно на цифровом сигнальном процессоре.
После модуляции сигнал через выходной порт сигнального процессора подается на микросхему ЦАП, которая осуществляет преобразование сигнала из цифрового вида в аналоговый. После этого сигнал с выхода передатчика через дифсистему передается по телефонному каналу к удаленному модему. Так как модемы работают в дуплексном режиме, в то же самое время передатчик удаленного модема, выполнив преобразования, аналогичные рассмотренным выше, осуществляет передачу сигнала, который также пройдя через телефонный канал и дифсистему поступает на вход приемника модема, изображенного на рисунке.
В приемнике модема входной аналоговый сигнал преобразуется к цифровому виду микросхемой АЦП и подается во входной порт сигнального процессора реализующего алгоритмы функционирования приемника.
Первым делом в приемнике выполняется эхокомпенсация. Из-за несовершенства дифсистемы, на вход приемника попадает сигнал с выхода собственного передатчика. Этот сигнал называется эхосигналом и препятствует нормальному приему. Эхосигнал в приемнике воспринимается просто как паразитный шум, поэтому параллельно тракту прохождения эхосигнала включают адаптивный эхокомпенсатор, который синтезирует на своем выходе точную копию эхосигнала.
Как видно из рисунка, компенсация эхо-сигнала производится вычитанием выходного сигнала эхокомпенсатора из входного сигнала приемника. Действительно, сигнал на входе приемника содержит две составляющие: искаженный сигнал, пришедший от удаленного передатчика и эхосигнал. Если из этой смеси двух сигналов вычесть точную копию эхо-сигнала, то можно добиться полной эхокомпенсации , а значит и обеспечения качественного разделения сигналов встречных направлений. После эхокомпенсации сигнал поступает в блок преобразования тактовой частоты. АЦП на входе приемника производит аналого-цифровое преобразование с той же тактовой частотой что и ЦАП передатчика (АЦП и ЦАП тактируются от одного и того же генератора). Это необходимо для нормальной работы эхокомпенсатора, ведь источником эхосигнала является сигнал передатчика. Теперь, когда произведена эхокомпенсация и необходимо произвести обработку сигнала удаленного передатчика, эта обработка должна осуществляться в цифровом виде с той же тактовой частотой, что и в удаленном передатчике. Однако, очевидно, что тактовые частоты двух удаленных от друга модемов могут отличаться из-за различных кварцевых задающих генераторов, и хотя это отличие достаточно мало, оно препятствует нормальному приему сигнала. Поэтому специальный алгоритм производит оценку расхождения тактовых частот ближнего приемника и удаленного передатчика и компенсацию этого расхождения в блоке преобразователя тактовой частоты.
Страницы: 1, 2, 3
