Для отправки битов через абонентский шлейф или любой другой физический канал необходимо преобразовать их в аналоговый сигнал. Это преобразование производится при помощи методов цифровой модуляции (см. раздел 2.4). А на другом конце линии аналоговый сигнал снова становится цифровым.
За преобразование потока цифровых битов в соответствующий им аналоговый сигнал и обратно отвечает модем (modem) — сокращение от «модулятор/демодулятор». Модемы бывают самыми разными, включая телефонные, кабельные, беспроводные, а также DSL-модемы. Кабельные и DSL-модемы представляют собой отдельное аппаратное устройство, подключаемое между входящим в дом физическим каналом связи и остальной частью домашней сети. Беспроводные устройства обычно содержат встроенные модемы. Модем, что логично, размещается между (цифровым) компьютером и (аналоговой) телефонной системой, как показано на илл. 2.26.
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.