Что такое модем?

Что такое модем?

                Модемы как cредства удаленного доступа широко используются при осуществлении связей между удаленными компьютерами и при обеспечении телекоммуникаций в вычислительных сетях. К числу простых телекоммуникационных устройств, которые к тому же характеризуются невысокой стоимостью, относятся модемы. Программное обеспечение модема (firmware) хранится в ПЗУ (EPROM) или флэш-памяти. Такое построение позволяет относительно легко наращивать функциональные возможности модема перезаписью его программного кода. Некоторые модемы имеют в своем составе оперативную память значительного размера, позволяя в автономном режиме принимать факсимильные и голосовые сообщения, которые сохраняются для дальнейшей обработки.
Интерфейс с телефонной линией
Основные функции интерфейса DAA (Direct Access Arrangement) - это обеспечение физического соединения, защита от перенапряжения и радиопомех, набор номера и фиксация телефонных звонков, гальваническая развязка и согласование. Физическое соединение модема с телефонной коммутируемой линией обеспечивается через разьем RJ11, в современных модемах также можно найти реализацию многолинейных телефонных систем (Key Telephone System) через разъемы RJ12, RJ13 а также поддержку работы на четырехпроводных выделенных линиях RJ45, JM8. На входе линии защищаются от перенапряжения варистором, который резко уменьшает свое сопротивление при напряжении 400...500 В. Второй каскад быстродействующей защиты, который устанавливается во вторичную обмотку трансформатора, реализован на встречно включенных стабилитронах (рис. 1). Во входных цепях интерфейса предусмотренна защита линии от радиопомех, излучаемых модемом. Эта защита выполняется на обычных LC фильтрах . Для коммутируемых линий поддерживаются функции импульсного набора номера, "отбоя" (постоянный ток менее 0,5 мА) и "удержания линии" (постоянный ток более 8 мА). Наиболее универсальна реализация, в которой набор номера выполняет реле, а постоянный ток протекает через трансформатор.

Рис. 1

Узел фиксации телефонных звонков реализован на высоковольтной емкости, резисторе, стабилитроне и светодиодной оптронной развязке. Важным требованием к интерфейсу с линией является обеспечение симметричности входа и его гальваническая развязка. Для уменьшения зависимости импеданса от частоты используются трансформаторы с емкостной развязкой по переменному току, а параллельно вторичной обмотке трансформатора устанавливают дополнительную емкость. Входное сопротивление в 600 Ом опеспечивается нагрузочным резистором. 
Дифференциальная система (HYBRID) 
Цель дифференциальной системы - переход от двухпроводной линии к четырехпроводной схеме аналогового окончания модема. Узел компенсирует проникновение выходного сигнала во входной (ближнее эхо), что повышает реальную чувствительность. Если дифференциальные системы, используемые на цепях для перехода с 2-х проводной на 4-х проводную цепь, недостаточно сбалансированы, то они могут вызвать отражение части сигнала и возвращение его назад по каналу связи. Для борьбы с эхом используют эхозаградители, которые регулируют затухание в обратном канале, когда есть полезный сигнал в прямом канале, и наоборот. Это действительно убирает эхо в разговорных цепях, но вместе с тем исключает одновременную, двунаправленную передачу данных (полный дуплекс). Современные эхозаградители тем не менее снабжены специальным механизмом отключения, который может быть активизирован модемом. Эхозаградитель остается выключенным до тех пор, пока передаются данные. На практике используются несколько вариантов реализации дифференциальной системы. Существуют пассивная реализация и активная. В пассивной реализации применяются два метода построения - трансформаторный, при котором вторичная обмотка трансформатора имеет среднюю точку, подключаемую через баластный резистор к земле, и электронный - для схем с однополярным и двухполярным питанием. В последнем случае выходной сигнал вычитается из входного на операционном усилителе, а частотная зависимость минимизируется использованием форсирующего каскада. В активной дифференциальной системе необходимый для компенсации сигнал постоянно вычисляется сигнальным процессором. Сформированный дополнительным ЦАП и сглаженный фильтром, он вычитается из входного сигнала, обеспечивая высокое качество компенсации. 
Аналоговый фронт (Analog Front End - AFE) 
Гальванически изолированный от внешнего мира трансформатором и разделенный на входной и выходной дифференциальной системой сигнал попадает на "аналоговый фронт. Выходной сигнал формируется ЦАП. Для средних скоростей передачи он обычно 10-разрядный, а для высокоскоростных модемов - 14...16-разрядный. Входной сигнал поступает на полосовой фильтр. Для высокоскоростных модемов полоса может достигать 300...4000 Гц (V.34). Выделенный сигнал усиливается программно управляемой схемой АРУ и измеряется АЦП. Частота дискретизации и разрядность АЦП обычно соответствуют ЦАП. 
Сигнальный процессор (Digital Signal Processor - DSP) 
Сигнальный процессор (DSP, Digital Signal Processor - цифровой сигнальный процессор) и модулятор/демодулятор занимаются непосредственно операциями с сигналом - модуляцией/демодуляцией, разделением частотных полос, подавлением эха и т.п. В качестве таких процессоров также используются либо специализированные, ориентированные на конкретный набор способов и протоколов модуляции (AT&T, Rockwell, Exar), либо универсальные со сменной микропрограммой (например, TMS), позволяющие впоследствии дорабатывать и изменять алгоритмы работы. В зависимости от типа и сложности модема основная интеллектуальная нагрузка смещается в сторону DSP или модулятора/демодулятора. В низкоскоростных (300..2400 бит/с) модемах основную работу выполняет модулятор/демодулятор, в скоростных (4800 бит/с и выше) - DSP. ПЗУ DSP выполняется или по масочной технологии на кристалле процессора, или в виде микросхем ОЗУ, в которые программа загружается из ПЗУ контроллера. ОЗУ данных реализуется на процессоре или совмещается с ОЗУ команд. 
Основной процессор 
Основной процессор фактически является встроенным микрокомпьютером, отвечающим за поддержку интерфейса с компьютером. Он производит прием и выполнение команд, буферизацию и обработку данных, кодирование, декодирование, сжатие/распаковку, реализацию протоколов коррекции ошибок и сжатия информации, управление пользовательским интерфейсом и взаимодействие с энергонезависимой памятью. В большинстве модемов используются специализированные процессоры на основе типовых наборов микросхем, а в некоторых (US Robotics, ZyXEL) - процессоры общего назначения (Intel, Zilog, Motorola). Для обработки данных и выполнения определенных операций основной процессор напрямую связан с ПЗУ, ОЗУ и NVRAM. В ПЗУ хранятся программы для основного и сигнального процессоров (firmware). ПЗУ может быть однократно программируемым (PROM), перепрограммируемым со стиранием ультрафиолетом (EPROM) или перепрограммируемым электрически (EEPROM, Flash ROM). Последний тип ПЗУ позволяет оперативно менять прошивки по мере исправления ошибок или появления новых возможностей.
ОЗУ используется в качестве временной памяти при работе основного и сигнального процессоров; оно может быть как раздельным, так и общим. В ОЗУ хранится также текущий набор параметров модема (active profile). В NVRAM хранятся сохраненные наборы параметров модема (stored profiles), один из которых загружается в текущий набор при каждом включении или сбросе. Обычно имеется два сохраненных набора - основной (profile 0) и дополнительный (profile 1). По умолчанию для инициализации используется основной набор, но есть возможность переключиться на дополнительный. Ряд модемов имеет более двух сохраненных наборов.
Интерфейс с компьютером 
Внешние модемы взаимодействуют с компьютером обычно по цепям интерфейса RS-232C. Полный набор цепей позволяет работать как в асинхронном, так и в синхронном режимах. Микросхемы преобразователей уровня 1488, 1489 обеспечивают сопряжение биполярной логики интерфейса с внутренними ТТЛ уровнями. Стоит отметить, что внутренние изделия могут работать только в асинхронном режиме, т.к. в их состав входит микросхема асинхронного COM порта - UART (16C450 или 16C550), имеющая встроенный буфер приема. Есть реализации, в которых порт эмулируется контроллером. 
Интерфейс пользователя 
В составе интерфейса пользователя имеется схема управления звуком и панель оператора. Встроенный в модем динамик озвучивает процессы, происходящие в телефонном канале. В хороших моделях используются магнитоэлектрические динамики с линейной полосой воспроизведения, в более дешевых - пьезоэлектрические. Для удобства пользователя громкость звука можно регулировать. Узел звука построен по схеме, включающей в себя входной фильтр, узел АРУ, регулировка уровня громкости, усилителя, динамика. Все внешние модемы имеют панель индикации, реализованную на светодиодах. У некоторых модемов на лицевой стороне могут располагаться различные переключатели и органы управления.
 
Встроенные модемы запитываются от компьютера напряжениями +5В,-5В ,+12В, -12В. Внешние модемы массового производства используют внешние адаптеры, преобразующие напряжение первичного питания 220 В во вторичное напряжение 9..12 В. Основное питание +5 В в большинстве случаев формируется из напряжения +12В.