Modemo analoginio signalo konvertavimas

Kai internetas keliauja telefono laidais

Prisimenu tuos laikus, kai interneto prisijungimas skambėdavo kaip robotų orkestras – cypimas, šnypštimas, keisti garsai. Tai buvo modemo darbas – jis kalbėjosi su kitu modemu telefono linija. Bet kaip iš tiesų veikia tas analoginio signalo konvertavimas? Kodėl reikėjo tų keistų garsų ir kas iš tikro vyksta viduje?

Modemas – tai trumpinys iš anglų kalbos žodžių „modulator-demodulator”. Šis įrenginys atlieka du pagrindinius darbus: paverčia skaitmeninę informaciją iš kompiuterio į analoginius signalus, kurie gali keliauti telefono linija, ir atvirkščiai – gautas analogines bangas vėl paverčia skaitmenine informacija. Tai tarsi vertėjas tarp dviejų skirtingomis kalbomis kalbančių pasaulių.

Kodėl apskritai reikia konvertuoti signalą

Kompiuteriai kalba nuliais ir vienetais – tai skaitmeninė kalba. Telefono linijos, kurios buvo projektuotos balso perdavimui dar XX amžiaus pradžioje, perduoda analoginius signalus – nepertraukiamas bangas, panašias į garso bangas. Čia ir kyla problema.

Įsivaizduokite, kad bandote perduoti morzės abėcėlę per radiją. Negalite tiesiog siųsti raidžių – turite jas paversti trumpais ir ilgais signalais. Panašiai modemas negali tiesiog stumti nulių ir vienetų į telefono liniją. Jam reikia sukurti garsus – dažnių pokyčius, kuriuos telefono linija supranta ir gali perduoti.

Analoginės telefono linijos buvo suprojektuotos perduoti dažnius nuo maždaug 300 Hz iki 3400 Hz – tai žmogaus balso diapazonas. Modemas turi dirbti šiame dažnių koridoriuje, kitaip signalas tiesiog nepasieks kito galo. Tai kaip bandyti kalbėti ultragarsu – niekas neišgirs, nors ir šauksi.

Moduliacijos magija – kaip bitai tampa garsais

Moduliacija – tai procesas, kai skaitmeninė informacija „užrašoma” ant analoginės bangos. Yra keletas pagrindinių būdų tai padaryti, ir kiekvienas turi savo privalumų.

**Dažnio moduliacija (FSK)** – paprasčiausias būdas. Čia nuliai ir vienetai perduodami skirtingais dažniais. Pavyzdžiui, 1070 Hz dažnis reiškia „0”, o 1270 Hz – „1”. Ankstyvieji modemai naudojo būtent šį metodą. Jis patikimas, bet lėtas – galima perduoti tik vieną bitą vienu metu.

**Fazės moduliacija (PSK)** – sudėtingesnis, bet efektyvesnis būdas. Čia keičiama ne dažnis, o bangos fazė – tarsi bangos „pradžios taškas”. Galima perduoti kelis bitus vienu metu, keičiant fazę skirtingais kampais. Pavyzdžiui, 0° gali reikšti „00”, 90° – „01”, 180° – „10”, o 270° – „11”.

**Amplitudės moduliacija (ASM)** – keičiamas signalo stiprumas. Stipresnis signalas – viena reikšmė, silpnesnis – kita. Dažniausiai naudojamas kartu su kitais metodais, nes telefono linijose trukdžiai gali iškreipti amplitudę.

Modernieji modemai naudoja kombinuotus metodus – QAM (kvadratūrinė amplitudės moduliacija), kur vienu metu keičiama ir fazė, ir amplitudė. Taip 56K modemas gali perduoti iki 9600 simbolių per sekundę, o kiekvienas simbolis gali nešti 6 bitus informacijos.

Demoduliacijos procesas – atgal į skaitmeninius vandenis

Priimančioji pusė turi atlikti atvirkštinį darbą – iš gaunamų garsų išskirti pradinę skaitmeninę informaciją. Tai sudėtingesnis procesas nei atrodo, nes telefono linija prideda triukšmo, iškraipo signalą, kartais net atspindi jį atgal.

Modemas turi nuolat „klausytis” linijos ir atpažinti, kurie dažniai, fazės ar amplitudės pokyčiai atitinka konkrečius bitus. Tai tarsi bandymas suprasti ką žmogus sako triukšmingoje kavinėje – reikia filtruoti nereikalingus garsus ir sutelkti dėmesį į svarbią informaciją.

Modernieji modemai naudoja sudėtingus algoritmus, kurie gali net „spėti” trūkstamus bitus, remdamiesi kontekstu. Jei dėl triukšmo keli bitai prarandami, klaidos korekcijos kodai leidžia juos atkurti. Tai panašu į tai, kaip jūsų smegenys gali suprasti sakinį net jei keletas raidžių praleidžiama.

Sinchronizacija ir rankos paspaudimas

Prieš pradedant perduoti duomenis, du modemai turi „susitarti” kaip bendrauti. Tai tas garsų orkestras, kurį girdėdavome prisijungdami prie interneto. Šis procesas vadinamas rankos paspaudimu (handshake).

Pirmiausia skambinantis modemas siunčia toną, pranešdamas „esu čia, noriu kalbėtis”. Atsakantis modemas atsako savu tonu „girdžiu tave, galime kalbėtis”. Tada prasideda derybos – kokie moduliacijos metodai palaikomi, kokiu greičiu galima perduoti, kokią klaidos korekciją naudoti.

Linijos kokybė gali skirtis – senesni laidai, didesnis atstumas, trukdžiai. Modemai išbando skirtingus greičius ir pasirenka maksimalų, kurį linija gali patikimai perduoti. Jei linija prasta, modemas automatiškai sulėtina perdavimą. Tai kaip kalbėti lėčiau, kai kalbate su užsieniečiu – geriau supras.

Techniniai apribojimai ir Shanono teorema

Kodėl analoginiai modemai niekada neviršijo 56 Kbps greičio? Atsakymas slypi matematikoje ir fizikoje. Claude Shannon 1948 metais įrodė teoremą, kuri nusako maksimalų duomenų perdavimo greitį triukšmingame kanale.

Telefono linija turi ribotą pralaidumą (apie 3100 Hz) ir tam tikrą signalo ir triukšmo santykį. Pagal Shanono teoremą, maksimalus teorinis greitis tokiomis sąlygomis yra apie 35 Kbps. Kaip tada 56K modemai pasiekė didesnį greitį?

Triukas buvo tas, kad 56K modemai dirbo asimetriniai. Parsisiuntimo kryptimi signalas ėjo iš interneto tiekėjo, kuris naudojo skaitmeninę liniją iki telefono stoties – ten nebuvo analoginio-skaitmeninio konvertavimo triukšmo. Tik paskutinis ruožas iki jūsų namo buvo analoginis. Įkėlimo kryptimi vis tiek veikė 33.6 Kbps apribojimas, nes signalas buvo konvertuojamas du kartus.

Praktiniai patarimai dirbant su analoginiais modemais

Nors šiandien analoginiai modemai retai naudojami, kai kuriose vietose jie vis dar aktualūs. Štai ką reikėtų žinoti:

**Linijos kokybė yra svarbiausia.** Jei turite senus telefono laidus ar daug sujungimų, greitis nukentės. Trumpesnis ir tiesiogesnis kelias nuo modemo iki telefono lizdo duos geresnį rezultatą. Išjunkite papildomus telefonus toje pačioje linijoje – jie prideda triukšmo.

**Filtrai yra būtini.** Jei naudojate DSL ir analoginį telefoną toje pačioje linijoje, būtinai reikia mikrofiltro. Kitaip aukštadažniai DSL signalai trukdys telefono pokalbiams, o telefonas trukdys DSL ryšiui.

**Nustatymai turi reikšmės.** Daugelis modemų leidžia reguliuoti garsiakalbio garsumą, pranešimų detalumą, net moduliacijos metodus. Jei ryšys nestabilus, pabandykite priverstinai sumažinti greitį nustatymuose – lėtesnis, bet stabilus ryšys geresnis nei greitas, bet nuolat nutrūkstantis.

Kada bitai susitinka su bangomis – apibendrinimas praktikoje

Analoginio signalo konvertavimas modeme yra nuostabus inžinerijos pavyzdys – kaip išspausti maksimalų našumą iš senų technologijų. Nors šiandien pereinama prie grynai skaitmeninių ryšių (kabeliniai modemai, šviesolaidis), pagrindiniai principai išlieka aktualūs.

Moduliacija ir demoduliacija naudojama radijo ryšyje, televizijoje, net kosminėse komunikacijose. NASA vis dar naudoja panašius principus bendraudama su zondais milijardų kilometrų atstumu. Skirtumas tik technologijų sudėtingume ir naudojamuose dažniuose.

Supratimas kaip skaitmeninė informacija keliauja analoginėmis linijomis padeda įvertinti šiuolaikinių technologijų sudėtingumą. Kiekvieną kartą kai naudojate WiFi ar mobiliųjų duomenų ryšį, vyksta panašūs procesai – tik daug greitesni ir sudėtingesni. Jūsų išmanusis telefonas per sekundę atlieka milijonus moduliacijos ir demoduliacijos operacijų, ir tai veikia taip sklandžiai, kad net nepagalvojate apie tai.

Seni cypiantys modemai išmokė mus svarbios pamokos – net su ribotais ištekliais galima pasiekti stebėtinų rezultatų, jei supranti fiziką ir protingai naudoji matematiką. Ir kartais tas keistas cypimas buvo ne tik triukšmas – tai buvo technologijos šokis, bitų ir bangų tango telefono laidais.