Илл. 2.26. Применение аналоговой и цифровой передачи данных для связи между компьютерами. За преобразование отвечают модемы и кодеки

Телефонные модемы применяются для обмена битами между двумя компьютерами по каналам передачи голоса (вместо обычных разговоров). Основная проблема состоит в том, что эти каналы ограничены полосой пропускания 3100 Гц, вполне достаточной для передачи разговора. Эта полоса пропускания на четыре порядка меньше используемой для Ethernet или 802.11 (Wi-Fi). Неудивительно, что скорость телефонных модемов также на четыре порядка меньше, чем у Ethernet или 802.11.

Произведем вычисления и выясним, почему так происходит. Согласно теореме Найквиста, даже по идеальному каналу в 3000 Гц (которым телефонная линия явно не является) нет смысла отправлять символы со скоростью выше 6000 бод. Представим старый модем, который работает со скоростью 2400 символов/с (2400 бод) и стремится увеличить число битов на символ; при этом он передает данные в обоих направлениях (за счет использования разных частот для каждого направления).

В нашем скромном 2400-бит/с модеме логическому «0» соответствует 0 вольт, а логической «1» — 1 вольт, 1 бит на символ. Слегка усовершенствуем его: используем четыре разных символа, как в четырех фазах QPSK, что даст 2 бита на символ и позволит достичь скорости 4800 бит/с.

По мере развития технологий скорости все повышались и повышались. А большая скорость передачи данных требовала расширения набора символов (илл. 2.27). При большом числе символов даже незначительный шум в амплитуде или фазе полученного сигнала может привести к ошибке. Чтобы снизить вероятность ошибок, в стандартах для более высокоскоростных модемов часть символов отводится на их коррекцию. Эти схемы известны под названием треллис-модуляции (Trellis Coded Modulation, TCM)23. На илл. 2.27 приведены несколько распространенных стандартов модемов.

Стандарт модема

Бод

Бит/символ

Бит/с

V.32

2400

4

9600

V.32 bis

2400

6

14 400

V.34

2400

12

28 800

V.34 bis

2400

14

33 600

Илл. 2.27. Некоторые стандарты модемов и их скорости передачи данных

Почему эта таблица заканчивается на 33 600 бит/с? Дело в том, что предел Шеннона, в соответствии со средней длиной и качеством абонентских шлейфов для телефонной системы, равен примерно 35 Кбит/с. Более высокая скорость либо пойдет вразрез с законами физики (а точнее, термодинамики), либо потребует замены абонентских шлейфов на новые (что постепенно и происходит).

Впрочем, ситуацию можно изменить. В АТС данные преобразуются в цифровую форму для отправки внутри телефонной сети (ядро сети уже давно перешло с аналоговой на цифровую передачу). Ограничение в 35 Кбит/с рассчитано для двух абонентских шлейфов, по одному с каждой стороны. Каждый шлейф добавляет в сигнал помехи. Если же как-нибудь избавиться от одного из них, можно повысить SNR и удвоить максимальную скорость.

Именно на основе такого подхода и работают 56-килобитные модемы. На одну сторону (обычно это ISP) подается цифровой поток высокого качества от ближайшей оконечной станции. Таким образом, благодаря высококачественному, как у большинства современных ISP, сигналу на одной стороне соединения общая скорость передачи данных составляет до 70 Кбит/с. Максимальная скорость передачи между двумя домашними пользователями с использованием модемов и аналоговых линий по-прежнему составляет 33,6 Кбит/с.

Почему же на практике используются 56-Кбит/с модемы, а не 70-Кбит/с? Причина — в теореме Найквиста. Телефонный канал осуществляет передачу данных внутри системы в виде цифровых измерений. Ширина диапазона частот каждого телефонного канала составляет 4000 Гц с учетом защитных полос частот. Таким образом, необходимо восстановить 8000 измерений в секунду. Число битов на измерение в Северной Америке — 8, из которых один используется в целях контроля; это позволяет передавать 56 000 бит/с пользовательских данных. В Европе пользователям доступны все 8 бит, поэтому теоретически можно было бы использовать 64 000-бит/с модемы, но ради единого международного стандарта была выбрана скорость в 56 000 бит/c.

В результате возникли стандарты модемов V.90 и V.92. Они предусматривают 56-килобитный входящий (от ISP к пользователю) канал передачи данных и 33,6- и 48-килобитные исходящие (от пользователя к ISP) каналы. Причина такой асимметрии в том, что от ISP пользователю поступает обычно больше информации, чем в обратном направлении. Вдобавок это позволяет выделить большую часть ограниченной полосы пропускания на нисходящий канал и повысить шансы на то, что скорость передачи данных действительно будет близка к 56 Кбит/с.

Цифровые абонентские линии (DSL)

Когда телефонные компании наконец-то добрались до скорости в 56 Кбит/с, это был повод для гордости. В это же время провайдеры кабельного телевидения уже предлагали скорости до 10 Мбит/с. Предоставление интернет-доступа становилось все более важной частью бизнеса региональных телефонных компаний. Это заставило их задуматься о более конкурентоспособном продукте и предложить новые цифровые услуги по абонентскому шлейфу.