Modemkommunikasjon

Modem (fra “modulator / demodulator”), hvilken som helst av en klasse av elektroniske enheter som konverterer digitale datasignaler til modulerte analoge signaler som er egnet for overføring over analoge telekommunikasjonskretser. Et modem mottar også modulerte signaler og demodulerer dem, og gjenvinner det digitale signalet for bruk av datautstyret. Modemer gjør det dermed mulig for etablerte telekommunikasjonsmedier å støtte et bredt spekter av datakommunikasjon, for eksempel e-post mellom personlige datamaskiner, faksoverføring mellom faksmaskiner, eller nedlasting av lydvideo-filer fra en World Wide Web-server til et hjem datamaskin.

De fleste modemer er “voiceband”; dvs. at de gjør det mulig for digitalt terminalutstyr å kommunisere via telefonkanaler, som er designet rundt de smale båndbreddekravene til den menneskelige stemmen. Kabelmodem, derimot, støtter overføring av data over hybride fiber-koaksiale kanaler, som opprinnelig var designet for å gi fjernsynstjeneste med høy båndbredde. Både talebånd- og kabelmodem markedsføres som frittstående moduler i bokstørrelse som kobles til et telefon- eller kabeluttak og en port på en datamaskin. I tillegg er talebåndmodem installert som kretskort direkte i datamaskiner og faksmaskiner. De er også tilgjengelige som små kortstore enheter som kobles til bærbare datamaskiner.

Driftsparametere

Modemer fungerer delvis ved å kommunisere med hverandre, og for å gjøre dette må de følge samsvarende protokoller, eller driftsstandarder. Verdensomspennende standarder for talebåndmodemer er etablert av V-serien av anbefalinger publisert av telekommunikasjonsstandardiseringssektoren i International Telecommunication Union (ITU). Blant andre funksjoner etablerer disse standardene signaliseringen som modemer initierer og avslutter kommunikasjon, etablerer kompatible modulasjons- og kodingsordninger og når frem til identiske overføringshastigheter. Modemer har muligheten til å "falle tilbake" til lavere hastigheter for å imøtekomme tregere modemer. "Full-duplex" -standarder tillater samtidig overføring og mottak, noe som er nødvendig for interaktiv kommunikasjon. “Half-duplex” standarder tillater også toveiskommunikasjon, men ikke samtidig; slike modemer er tilstrekkelige for faksoverføring.

Datasignaler består av flere vekslinger mellom to verdier, representert med de binære sifrene, eller biter, 0 og 1. Analoge signaler derimot består av tidsvarierende, bølgende virkelige svingninger i verdi, omtrent som tonene til den menneskelige stemmen. For å representere binære data, må de svingende verdiene til den analoge bølgen (dvs. dens frekvens, amplitude og fase) modifiseres eller moduleres på en slik måte at de representerer sekvensene av biter som utgjør datasignalet. Modemer bruker en rekke metoder for å gjøre dette; de er notert nedenfor i seksjonen Utvikling av talebåndmodemer.

Hvert modifiserte element i den modulerte bærebølgen (for eksempel et skifte fra en frekvens til en annen eller et skifte mellom to faser) er kjent som en baud. I tidlige talebåndmodemer som begynte på begynnelsen av 1960-tallet, representerte en baud en bit, slik at et modem som for eksempel opererte med 300 baudder per sekund (eller, mer enkelt 300 baud) overførte data med 300 bit per sekund. I moderne modemer kan en baud representere mange biter, slik at det mer nøyaktige målet for overføringshastigheten er biter eller kilobiter (tusen biter) per sekund. I løpet av utviklingen har modem steget i gjennomstrømning fra 300 bit per sekund (bps) til 56 kilobits per sekund (Kbps) og utover. Kabelmodem oppnår en gjennomstrømning på flere megabit per sekund (Mbps; million bits per sekund). Ved de høyeste bithastigheter må kanal-kodingsordninger benyttes for å redusere overføringsfeil. I tillegg kan forskjellige kildekodingsordninger brukes til å "komprimere" dataene i færre biter, noe som øker informasjonsoverføringshastigheten uten å øke bithastigheten.

Utvikling av talebåndmodemer

Den første generasjonen

Selv om det ikke strengt tatt var relatert til digital datakommunikasjon, førte tidlig arbeid med telefonfotograferingsmaskiner (forgjengerne til moderne faksmaskiner) av Bell System i løpet av 1930-årene til metoder for å overvinne visse signalforstyrrelser som er iboende i telefonkretser. Blant disse utviklingen var utjevningsmetoder for å overvinne uttøyning av faks-signaler, så vel som metoder for å oversette faks-signaler til et 1800-Hertz-bæresignal som kan overføres over telefonlinjen.

Den første utviklingen av digitale modemer ser ut til å ha stammet fra behovet for å overføre data for det nordamerikanske luftforsvaret i løpet av 1950-årene. På slutten av det tiåret ble data overført med 750 bits per sekund over konvensjonelle telefonkretser. Det første modemet som ble gjort kommersielt tilgjengelig i USA var Bell 103-modemet, introdusert i 1962 av American Phone & Telegraph Company (AT&T). Bell 103 tillot full-tosidig dataoverføring over konvensjonelle telefonkretser med datahastigheter opp til 300 biter per sekund. For å sende og motta binære data over telefonkretsen, ble det brukt to par frekvenser (ett par for hver retning). En binær 1 ble signalisert ved en skift til den ene frekvensen av et par, mens en binær 0 ble signalisert ved en forskyvning til den andre frekvensen til paret. Denne typen digital modulasjon er kjent som frekvensskift-tasting, eller FSK. Et annet modem, kjent som Bell 212, ble introdusert kort tid etter Bell 103. Overføring av data med en hastighet på 1 200 biter, eller 1,2 kilobits, per sekund over full-dupleks telefonkretser, Bell 212 benyttet seg av faseskift-tasting, eller PSK, for å modulere et 1.800-Hertz bæresignal. I PSK er data representert som faseforskyvning av et enkelt bæresignal. Dermed kan en binær 1 sendes som et fasegift på null grader, mens et binært 0 kan sendes som et 180 graders faseskift.

Mellom 1965 og 1980 ble det arbeidet betydelig med å utvikle modemer som var i stand til enda høyere overføringshastigheter. Denne innsatsen fokuserte på å overvinne de forskjellige telefonlinjeforringelsene som direkte begrenset dataoverføring. I 1965 utviklet Robert Lucky ved Bell Laboratories en automatisk adaptiv utjevner for å kompensere for innsmuring av datasymboler til hverandre på grunn av ufullkommen overføring over telefonkretsen. Selv om utjevningskonseptet var godt kjent og hadde blitt brukt på telefonlinjer og kabler i mange år, ble eldre utjevnere fikset og ofte manuelt justert. Ankomsten av den automatiske utjevneren tillot overføring av data med høye priser over det offentlige koblede telefonnettet (PSTN) uten menneskelig innblanding. Selv om adaptive utjevningsmetoder kompenserte for ufullkommenheter innenfor den nominelle tre kilohertz båndbredden til stemmekretsen, tillot avanserte modulasjonsmetoder overføring med enda høyere datahastigheter over denne båndbredden. En viktig modulasjonsmetode var kvadraturamplitude-modulasjon, eller QAM. I QAM blir binære sifre formidlet som separate amplituder i to faser av den elektromagnetiske bølgen, idet hver fase forskyves 90 grader i forhold til den andre. Frekvensen til bæresignalet var i området 1.800 til 2.400 hertz. QAM og adaptiv utjevning tillot dataoverføring av 9,6 kilobit per sekund over firetråds kretser. Ytterligere forbedringer innen modemteknologi fulgte, slik at det i 1980 eksisterte kommersielt tilgjengelige førstegenerasjonsmodemer som kunne overføre med 14,4 kilobit per sekund over firtråds leide linjer.