Modem

O modem ( portmanteau , para modulador-demodulador) é um periférico de computador em desuso, que conecta um computador a uma rede analógica, como a rede telefônica tradicional. Ele convertia os dados digitais do computador em um sinal modulado, denominado " analógico ", transmissível por uma rede analógica e vice-versa. Desde o advento da voz sobre IP , os dados modulados também podem ser transmitidos em comunicação de voz codificada sem qualquer tipo de compressão.

Tecnologia

Um modem é um dispositivo eletrônico , disponível em uma caixa independente ou como um cartão para ser inserido em um computador, que permite que os dados digitais circulem (recebam e enviem) em um canal analógico . Realiza modulação: codificação de dados digitais, síntese de um sinal analógico que geralmente é uma frequência portadora modulada. A operação de demodulação realiza a operação reversa e permite que o receptor obtenha a informação digital.

Falamos de modem para designar dispositivos destinados a fazer máquinas digitais se comunicarem entre si (por exemplo, computadores, sistemas de bordo), para acessar a Internet , para enviar ou receber fax , para fazer telefonia digital, e isso através de uma rede analógica ( comutada rede telefônica , rede elétrica , redes de rádio , etc.).

Na automação industrial também se fala muito em modems para “máquinas”: máquinas de embalagem, caldeiras coletivas, estações de tratamento de efluentes ... gestão dessas “máquinas”. Isso é feito por meio de roteadores de modem frequentemente associados a software que fornece uma conexão segura (VPN).

Desde o final da década de 1990, surgiram muitos padrões de telecomunicações e, portanto, tantos novos tipos de modems: ISDN (ou ISDN ), ADSL , GSM , GPRS , Wi-Fi , Wimax ...

História

Os modems foram usados pela primeira vez no sistema de defesa aérea US SAGE no final dos anos 1950 . O objetivo era conectar terminais localizados em bases aéreas, sites de radar e centros de comando e controle aos escritórios da SAGE espalhados pelos Estados Unidos e Canadá . O SAGE usava um sistema de linha dedicado, mas os dispositivos finais eram semelhantes aos modems modernos.

A IBM era o principal fornecedor da SAGE para computadores e modems. Alguns anos depois, a American Airlines e a IBM deram origem a uma rede civil inspirada no SAGE que oferecia um sistema de bilhetagem automática, em que os terminais colocados nas agências de venda de bilhetes eram conectados a um computador central responsável por gerenciar a disponibilidade e os horários . O sistema, conhecido como "Sabre", é um parente distante do moderno sistema Sabre .

Durante anos, o desenvolvimento de novas tecnologias de comunicação permitiu uma ampla proliferação de modems indiretamente. A França foi, durante quase uma década, o país com o maior número de modems per capita, devido aos terminais de forte difusão Minitel que incorporavam um modem em cada um deles. O fax também desempenhou um papel nesta evolução.

Modem para acesso discado à Internet

Características

A principal característica de um modem é a velocidade de transmissão. Isso é expresso em bits por segundo (bit / s, b / s ou bps) ou em kilobits por segundo (kbit / s, kb / s ou kbps) (não confunda bps [bits por segundo] e Bps [ bytes por segundo , ou seja, bytes por segundo]). Quando se conecta, o modem emite um ruído reconhecível. Modelos de modem sucessivos têm oferecido velocidades crescentes: 150, depois 300, 600 e 1200 bit / s ; então 4,8 ou 9,6 ou 14,4 ou 28,8 ou 33,6 ou 56 kbit / s . O padrão de 56 kbit / s se tornou um padrão; com essa taxa, chegamos perto dos limites teóricos da taxa de informação para uma linha telefônica que usa uma única freqüência portadora . Para taxas de dados mais altas, foram desenvolvidos sistemas que usam várias operadoras, como ADSL, que exigem o uso de modems específicos.

Tipos de modulação

Diferentes tipos de modulação são usados em modems:

modulação de amplitude (AM, modulação de amplitude ); isto será realizado, por exemplo, por meio de um multiplicador analógico que recebe numa entrada a portadora e na outra o sinal digital a transportar;
modulação de frequência (FSK, Frequency Shift Keying ); as várias frequências podem ser obtidas usando um VCO ( Voltage-Controlled Oscillator , imprecise) ou por processamento digital de um sinal produzido por um relógio de quartzo (divisão de frequência, síntese digital, etc.);
modulação de fase diferencial (DPSK, Differential Phase Shift Keying ): no final de cada ciclo da portadora, uma mudança de fase de 180 ° representa um bit 0, nenhuma mudança de fase representa um bit 1; isto pode ser obtido colocando na saída do oscilador gerador da portadora um inversor e um interruptor que seleciona, em cada passagem por 0 da portadora, a saída direta ou a saída invertida;
amplitude e modulação de fase combinadas (QAM, Quadrature Amplitude Modulation ): duas senoides da mesma frequência, mas fora de fase em 90 °, são criadas; os dois sinais são combinados dando-lhes amplitudes adequadas; um dos padrões especifica dezesseis combinações possíveis (três níveis de amplitude, doze mudanças de fase); o conjunto de combinações constitui o que é chamado de constelação; uma constelação de 16 pontos permite transmitir o estado de 4 bits simultaneamente, é o que permite uma taxa mais elevada do que os outros sistemas descritos acima, que transmitem apenas um bit de cada vez;
uma variante de QAM é a codificação em treliça; uma constelação de 32 estados é usada aqui, o que deve permitir a transmissão simultânea de 5 bits; mas o 5 th bit é um bit de verificação, o que proporciona maior proteção contra erros de transmissão; o estado de 4 bits é então transmitido, como em QAM;
Os modems de 56 kbit / s são projetados para funcionar no ambiente de rede digital; utilizam a modulação por código de pulso (PCM, Pulse Code Modulation ) para converter a seqüência do sinal digital modulado: a amplitude é medida 8000 vezes por segundo, com resolução de 8 bits; A taxa teórica deve atingir 64 kbit / s , mas a taxa real geralmente está entre 40 e 56 kbit / s , dependendo das condições da linha de transmissão.

Estrutura

Um modem possui os seguintes blocos:

um modulador, para modular uma portadora que é transmitida pela linha telefônica;
um desmodulador, para desmodular o sinal recebido e recuperar a informação em formato digital;
um circuito de conversão de 2/4 fios: o sinal do modulador é enviado para a linha telefônica enquanto o sinal que chega pela linha telefônica é roteado para o demodulador; é graças a esses circuitos, dispostos em ambos os lados da linha telefônica, que as transmissões podem ser feitas em full duplex ( full duplex , ou seja, nos dois sentidos ao mesmo tempo);
um circuito de interface de linha telefônica (DAA, Data Access Arrangement ) consistindo essencialmente em um transformador de isolamento e protetores de sobretensão .

Esses circuitos seriam suficientes para transmitir informações no modo manual; todas as operações, como tirar a linha do gancho, discar o número, etc., são executadas pelo usuário. A fim de permitir a operação automatizada, onde todas as tarefas são realizadas sob o controle do software de comunicação, os modems geralmente incluem alguns circuitos auxiliares:

um circuito para discar o número do telefone; geralmente é possível especificar a discagem por pulsos ou por tons (DTMF, Dual Tone Multiple Frequency );
um circuito de detecção de anel; este circuito notifica o computador quando o modem é chamado por um computador remoto;
um detector de tons, que detecta os diferentes tons que indicam que a linha está livre, ocupada, com problemas, etc. ;
um circuito para identificação do chamador ou identificador de chamadas .

Sinais de controle

Os diferentes sinais trocados entre um computador (DTE, Data Terminal Equipment ) e um modem (DCE, Data Communications Equipment ) são especificados no padrão RS.232 / V.24:

os dados a serem transmitidos chegam ao DCE por meio da linha de Envio;
os dados recebidos pelo DCE aparecem na linha de Recepção;
DSR ( Data Set Ready , modem ready) está no nível ativo quando o DCE é ligado e conectado a uma linha telefônica;
DTR ( Data Terminal Ready ) está ativo quando o DTE está pronto;
O RTS ( Request To Send ) é ativado pelo DTE quando deseja enviar dados;
CTS ( Clear To Send , Ready to Send) é ativado pelo DCE quando ele estabelece o link e está pronto para receber os dados a serem transmitidos;
CD ( Detecção de portadora ) é ativado pelo DCE quando recebe uma portadora de outro DCE;
RI ( indicador de toque ) é ativado pelo DCE quando recebe um sinal de toque;
o padrão também prevê duas conexões de aterramento, uma para o sinal (obrigatório) e outra para a blindagem (opcional).

O conector originalmente planejado era um conector serial RS-232 de 25 pinos, o DB-25. No entanto, como muitos pinos não foram usados, a tendência atual é usar conectores com menos pinos, como o DB-9 que tem 9 pinos.

Procedimento típico de emissão

Como exemplo, vamos mostrar como esses diferentes sinais podem ser usados:

antes de iniciar uma transmissão de dados, o computador A verifica se o modem A está ligado verificando o nível de DSR;
o computador A instrui o modem A a discar o número do telefone;
o modem chamado, que chamaremos de B, detecta o toque e avisa o computador B ao qual está conectado ativando sua linha RI;
quando o computador B está pronto para receber dados, ele ativa sua linha RTS;
o modem B então ativa sua portadora;
o modem A detecta a portadora e alerta o computador A ativando o CD;
o computador A ativa o RTS para perguntar se ele pode iniciar a transmissão;
o modem B responde ativando o CTS e a transmissão de dados pode começar.

Modem nulo

Para transmitir informações entre dois computadores na mesma sala, basta desconectar os dois modems e colocar entre os dois computadores uma caixa com dois conectores DB-25 ou DB-9; esta caixa, cuja função é substituir os dois modems, é chamada de modem nulo . Dentro da caixa, os pinos dos dois conectores são conectados da seguinte forma:

o pino de envio A é conectado ao pino de recepção B;
o pino de envio B está conectado ao pino de recepção A;
Os pinos CTS e RTS estão em curto em cada lado;
DTR A vai para DSR B;
DTR B vai para DSR A;
o terra de sinal A vai para o terra de sinal B;
às vezes, o RTS A também vai para o CD B e o RTS B para o CD A;
às vezes, DTR A também vai para RI B e DTR B vai para RI A.

Padrões diferentes

A ITU-T (International Telecommunications Union - Telecommunications Standardization; até 1992, este órgão era denominado CCITT, International Telephone and Telegraph Consultative Committee) emitiu uma série de pareceres sobre o funcionamento de modems. Estes avisos especificam as condições de funcionamento dos dispositivos: velocidades de transmissão autorizadas, tipos de modulação, sistemas de compressão e / ou possível detecção de erros; na verdade, constituem padrões que são respeitados por muitos fabricantes. Aqui estão alguns padrões importantes:

Padrão V.21 : velocidade de 300 b / s em full duplex ( full-duplex , ambas as direções simultaneamente); Modulação FSK; modo assíncrono; frequências utilizadas: 980 e 1180 Hz (para 0 e 1) em uma direção, 1650 e 1850 Hz na outra direção;
Padrão V.22bis : taxa de transferência de 2400 b / s em full duplex; modo assíncrono ou síncrono; frequências portadoras de 1200 Hz de um lado, 2400 Hz do outro; Modulação QAM com constelação de 16 pontos;
Padrão V.23: downlink de 1200 b / s para 75 bits upstream, padrão usado pelo Minitel ;
V.32 padrão : Fluxo 9600 b / s full duplex; portadora a 1800 Hz para transmissão e recepção (portanto, é necessário fornecer supressores de eco para evitar interferência entre os sinais que se propagam em ambas as direções); modulação a 2400 baud, com constelação de 32 pontos; Por conseguinte, transmite 5 bits por intervalo, mas o 5 th mordeu sendo redundante, a velocidade real é de 4 × 2400 ou 9600 b / s ;
Padrão V.32bis : taxa de transferência de 14,4 kb / s ; Modulação QAM ou treliça;
Padrão V.32terbo : taxa de bits 14,4, 16,8 ou 19,2 kb / s ; Modulação DPSK e treliça;
Padrão V.FAST : taxa de transferência de 28,8 kb / s ;

Padrão V.34 : taxa de bits 28,8 kb / s ;
Padrão V.90 : velocidade de 56 kb / s para downlink ( downstream , para o usuário), mas 33,6 kb / s para uplink ( upstream , para a rede); portanto, temos um link assimétrico, como para ADSL ;
Padrão V.92 : taxa de dados downstream de até 56 kb / se taxa de dados upstream de até 48 kb / s . O V92 também adiciona algumas funções adicionais (exemplo: V44 mais eficiente do que V42, atendimento de chamadas telefônicas ...).

Quanto maior for a velocidade de transmissão, menor será a diferença entre os diferentes estados da linha. A taxa de erro, portanto, tende a aumentar, especialmente quando a linha de transmissão é perturbada. Isso levou ao desenvolvimento de padrões para detectar e corrigir erros, como os padrões V.42 e MNP 1 a MNP 4 (estes últimos padrões foram desenvolvidos pela empresa Microcom).

Além disso, como, com o padrão V.90, nos aproximamos da velocidade máxima teórica de transferência de uma linha telefônica padrão, foram desenvolvidas técnicas para aumentar a velocidade procedendo, antes do envio, a compressão de dados:

o padrão V.42bis , que utiliza a técnica de compressão BTLZ , permite que a quantidade de informação a ser transmitida seja reduzida em até 4 vezes;
o padrão MNP 5 permite que o fluxo seja duplicado;
o padrão MNP 6 descreve o procedimento para estabelecer a velocidade de transmissão; cada modem começa conectando-se em sua velocidade mais baixa (geralmente 2400 bps ) e, em seguida, aumenta gradualmente sua velocidade até que o outro modem pare de seguir;
o padrão MNP 7 é um protocolo de compressão de 3 fatores;
O MNP 9 tenta aumentar a largura de banda colocando ACKs (reconhecimentos) em pacotes de dados, em vez de separá-los;
o padrão MNP 10 usa compressão MNP 5 ou V.42bis, mas consegue aumentar ainda mais o rendimento; se, como resultado de más condições de transmissão (ruído, interferência, etc.), os modems reduzirem sua taxa, o MNP 10 permite que aumentem a taxa novamente se a condição da linha melhorar.

Comandos AT

A firma Hayes, fabricante de modems, desenvolveu um protocolo para controlar um modem externo a partir de um computador. O protocolo define vários comandos, permitindo, por exemplo:

disque um número de telefone;
solicitar que o modem seja conectado à linha (o equivalente a pegar o telefone);
saber o estado da linha: tom de convite para transmitir, linha ocupada, etc. ;
para especificar o tipo de transmissão e o protocolo de enlace a ser usado;
ajustar o volume do som do alto-falante interno do modem;
enviar os caracteres transmitidos simultaneamente para a tela;
exibir certas informações sobre o modem;
para manipular os registros internos do modem.

Notas e referências

Laurent Viennot, " Uma breve história das redes de telecomunicações " , sobre Interstícios ,2014.
56K Modem Emulator - som característico produzido por um modem de telefone quando conectado.
(en) Nullmodem.Com - Informação e local de referência no conector de pinagem .

Bibliografia

Daniel Battu, Guide des modems Paris, Eyrolles , col. "Management of new communication", 1993 ( ISBN 978-2-212-04119-4 ) .