Модем

Модем — это устройство, предназначенное для модуляции и демодуляции сигналов при передаче данных по аналоговым линиям связи (например, телефонным), а также обобщённое название любого устройства, обеспечивающего сопряжение цифрового оборудования (компьютера, роутера) с физической средой передачи данных (кабельной, оптоволоконной, радиоканалом). Основная функция модема — преобразование цифрового сигнала в аналоговый (модуляция) для передачи по линии и обратное преобразование (демодуляция) при приёме.

История

Предпосылки и ранние разработки

Необходимость в модемах возникла с развитием телеграфной и телефонной связи. Первые устройства для передачи цифровых данных по аналоговым линиям появились в 1940-х годах в военных и авиационных системах. В 1949 году компания Western Electric создала модем Bell 101 для нужд Министерства обороны США, работавший со скоростью 110 бит/с.

Эра телефонных модемов

В 1958 году компания AT&T выпустила первый коммерческий модем Bell 103, предназначенный для передачи данных по телефонным линиям общего пользования. Он поддерживал полнодуплексную связь на скорости 300 бит/с. В 1960-х годах модемы стали использоваться в системах управления, банковских терминалах и ранних компьютерных сетях.

Ключевым этапом стало появление стандартов, разработанных Международным союзом электросвязи (ITU). В 1980-х годах скорость передачи возросла до 1200 бит/с (V.22), 2400 бит/с (V.22bis), а в 1990-х — до 14,4 кбит/с (V.32bis) и 28,8 кбит/с (V.34). В 1998 году был принят стандарт V.90, обеспечивавший скорость приёма до 56 кбит/с, что стало пределом для аналоговых телефонных линий.

Переход к широкополосным технологиям

С распространением цифровых абонентских линий (DSL) в конце 1990-х годов и оптоволоконных сетей в 2000-х годах аналоговые модемы уступили место более скоростным устройствам — DSL-модемам, кабельным модемам, оптическим терминалам. В 2010-х годах модемы стали встраиваться в роутеры и точки доступа, образуя единые устройства — шлюзы.

Классификация

По типу среды передачи

• Аналоговые (телефонные) модемы — работают по коммутируемым телефонным линиям. Используют частотную или фазовую модуляцию. Максимальная скорость — 56 кбит/с (стандарт V.90/V.92).
• DSL-модемы — используют цифровые абонентские линии (ADSL, VDSL, SHDSL). Передают данные по медным телефонным проводам, но в более широком частотном диапазоне, чем голос. Скорости — от 1 Мбит/с до 100 Мбит/с и выше.
• Кабельные модемы — подключаются к коаксиальному кабелю кабельного телевидения (стандарт DOCSIS). Скорости — до 1 Гбит/с (DOCSIS 3.1).
• Оптические модемы (ONT/ONU) — преобразуют оптический сигнал из волоконно-оптической линии в электрический для Ethernet-сети. Входят в состав оборудования GPON, EPON.
• Радиомодемы — передают данные по радиоканалу (Wi-Fi, Bluetooth, сотовые сети). В быту часто называют «модемами» 3G/4G/5G-модемы, встроенные в смартфоны и USB-адаптеры.
• Спутниковые модемы — для связи через спутники-ретрансляторы. Используются в системах VSAT, спутниковом интернете.

По способу подключения

• Внутренние — устанавливаются в слот расширения материнской платы компьютера (например, PCI, PCIe).
• Внешние — подключаются через последовательный порт (RS-232), USB, Ethernet. Внешние модемы часто имеют собственный блок питания и индикаторы состояния.
• Встраиваемые — интегрированы в другое устройство (роутер, смартфон, ноутбук, принтер).

По режиму работы

• Полудуплексные — передача данных возможна только в одном направлении в каждый момент времени.
• Дуплексные — одновременная передача и приём данных (полный дуплекс).

Устройство и принцип действия

Основные компоненты

• Модулятор/демодулятор — ключевой блок, выполняющий преобразование сигналов.
• Цифро-аналоговый и аналого-цифровой преобразователи (ЦАП/АЦП) — для работы с аналоговыми линиями.
• Контроллер — управляет работой модема, реализует протоколы коррекции ошибок и сжатия данных.
• Интерфейсный блок — обеспечивает подключение к компьютеру или сети (RS-232, USB, Ethernet).
• Блок питания — для внешних модемов.

Принцип модуляции

Для передачи цифровых данных по аналоговой линии используется несущая частота, параметры которой изменяются в соответствии с передаваемыми битами:

• Амплитудная манипуляция (ASK) — изменение амплитуды несущей.
• Частотная манипуляция (FSK) — изменение частоты несущей (использовалась в модемах Bell 103).
• Фазовая манипуляция (PSK) — изменение фазы несущей (например, QPSK — квадратурная фазовая манипуляция).
• Квадратурная амплитудная модуляция (QAM) — комбинация изменения амплитуды и фазы, позволяет передавать несколько бит за один символ (используется в DSL, DOCSIS, Wi-Fi).

Протоколы и коррекция ошибок

Современные модемы используют протоколы, обеспечивающие надёжность передачи:

• V.42 — протокол коррекции ошибок (LAPM).
• V.42bis — протокол сжатия данных.
• MNP (Microcom Networking Protocol) — набор протоколов коррекции и сжатия, используемых в аналоговых модемах.

Применение

Доступ в интернет

В 1990-х — начале 2000-х годов аналоговые модемы были основным средством подключения домашних пользователей к интернету. С развитием широкополосных сетей их вытеснили DSL- и кабельные модемы. В настоящее время модемы используются в качестве оборудования для подключения к оптическим сетям (GPON-терминалы) и сотовым сетям (4G/5G-модемы).

Специализированные системы

• Промышленная автоматизация — радиомодемы для удалённого сбора данных с датчиков и управления оборудованием.
• Банковские терминалы — модемы для связи с процессинговыми центрами по телефонным линиям.
• Спутниковая связь — модемы для VSAT-терминалов, обеспечивающие интернет в удалённых регионах.
• Военная и авиационная связь — модемы, устойчивые к помехам и работающие в сложных условиях.

Встраиваемые решения

Модемы входят в состав:

• Роутеров и шлюзов — для подключения к интернету по DSL, кабелю, оптике или сотовой сети.
• Смартфонов и планшетов — для работы в сотовых сетях (2G/3G/4G/5G).
• Ноутбуков — встроенные модемы для подключения к сотовым сетям (LTE/5G).
• Умных устройств (IoT) — маломощные радиомодемы для связи по протоколам LoRa, NB-IoT, Zigbee.

Интересные факты

• Происхождение термина: слово «модем» образовано от названий двух операций — модуляция и демодуляция.
• Предел скорости: теоретический предел скорости передачи данных по аналоговой телефонной линии (около 35 кбит/с) был определён Клодом Шенноном в 1948 году. Практические модемы V.90/V.92 достигли 56 кбит/с за счёт цифрового подключения со стороны провайдера.
• Звук модема: характерный звук, издаваемый аналоговым модемом при установлении соединения, представляет собой последовательность тонов, используемых для согласования параметров связи (протокол «рукопожатия»). Этот звук стал культурным феноменом 1990-х годов.
• Модемы в космосе: для связи с межпланетными станциями используются специализированные модемы, работающие в диапазоне радиоволн с крайне низкой скоростью (единицы бит в секунду) из-за огромных расстояний.
• Эволюция скорости: от 110 бит/с в 1949 году до 10 Гбит/с и выше в современных оптических модемах (GPON, XGS-PON) — рост скорости более чем в 90 миллионов раз.

Источники

• Таненбаум Э., Уэзеролл Д. «Компьютерные сети». 5-е изд. — СПб.: Питер, 2012.
• Олифер В. Г., Олифер Н. А. «Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы». 5-е изд. — СПб.: Питер, 2016.
• Стандарты ITU-T серии V (V.22, V.32, V.34, V.90, V.92).
• Стандарты DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification).
• Материалы Музея истории вычислительной техники (Computer History Museum).