Modem

Il modem ( portmanteau , per modulatore-demodulatore) è una periferica per computer caduta in disuso, che collegava un computer a una rete analogica, come la rete telefonica tradizionale. Ha convertito i dati digitali del computer in un segnale modulato, detto " analogico ", trasmissibile da una rete analogica e viceversa. Dall'avvento del voice over IP , i dati modulati possono essere trasmessi anche in comunicazione vocale codificata senza alcun tipo di compressione.

Tecnologia

Un modem è un dispositivo elettronico , disponibile in una scatola indipendente o come una scheda da inserire in un computer, che permette ai dati digitali di circolare (ricevere e inviare) su un canale analogico . Esegue la modulazione: codifica di dati digitali, sintesi di un segnale analogico che generalmente è una frequenza portante modulata. L'operazione di demodulazione esegue l'operazione inversa e consente al ricevitore di ottenere l'informazione digitale.

Si parla di modem per designare dispositivi destinati a far comunicare tra loro macchine digitali (es. computer, sistemi di bordo), ad accedere a Internet , a inviare o ricevere fax , a fare telefonia digitale, e ciò attraverso una rete analogica ( commutata rete telefonica , rete elettrica , reti radio , ecc.).

Nell'automazione industriale si parla molto anche di modem per "macchine": confezionatrici, caldaie collettive, impianti di depurazione... In questo caso specifico, si arriva, via Internet, a modificare da remoto il programma dei sistemi di controllo automatico .gestione di queste "macchine". Ciò avviene tramite modem-router spesso associati a software che forniscono una connessione sicura (VPN).

Dalla fine degli anni '90 sono comparsi molti standard di telecomunicazione e, quindi, altrettante nuove tipologie di modem: ISDN (o ISDN ), ADSL , GSM , GPRS , Wi-Fi , Wimax ...

Storia

I modem sono stati utilizzati per la prima volta nel sistema di difesa aerea statunitense SAGE alla fine degli anni '50 . L'obiettivo era quello di collegare i terminali situati nelle basi aeree, nei siti radar e nei centri di comando e controllo agli uffici SAGE sparsi negli Stati Uniti e in Canada . SAGE utilizzava un sistema di linea dedicato, ma i dispositivi finali erano simili ai modem moderni.

IBM era il principale fornitore di SAGE per computer e modem. Pochi anni dopo, American Airlines e IBM diedero vita a una rete civile ispirata a SAGE che offriva un sistema di biglietteria automatica, per cui i terminali posti nelle agenzie di vendita dei biglietti, erano collegati a un computer centrale responsabile della gestione della disponibilità e dell'orario . Il sistema, noto come "Sabre", è un lontano parente del moderno sistema Sabre .

Per anni, lo sviluppo di nuove tecnologie di comunicazione ha permesso indirettamente un'ampia proliferazione di modem. La Francia è stata, per quasi un decennio, il paese con il numero di modem pro capite più alto, per via dei terminali a forte diffusione Minitel che incorporavano un modem in ciascuno di essi. Anche il fax ha avuto un ruolo in questa evoluzione.

Modem per accesso remoto a Internet

Caratteristiche

La caratteristica principale di un modem è la sua velocità di trasmissione. Questo è espresso in bit al secondo (bit/s, b/s o bps) o in kilobit al secondo (kbit/s, kb/s o kbps) (non confondere bps [bit al secondo] e Bps [ byte al secondo , ovvero byte al secondo]). Quando si connette, il modem emette un rumore riconoscibile. I successivi modelli di modem hanno offerto velocità crescenti: 150, poi 300, poi 600, poi 1200 bit/s ; quindi 4,8 o 9,6 o 14,4 o 28,8 o 33,6 o 56 kbit/s . Lo standard 56 kbit/s è diventato uno standard; di questo passo ci avviciniamo ai limiti teorici della velocità di informazione per una linea telefonica che utilizza un'unica frequenza portante . Per velocità di trasmissione dati superiori sono stati sviluppati sistemi che utilizzano più carrier, come l' ADSL, che richiedono l'utilizzo di modem specifici.

Tipi di modulazione

Nei modem vengono utilizzati diversi tipi di modulazione:

modulazione di ampiezza (AM Amplitude Modulation ); ciò verrà ad esempio effettuato utilizzando un moltiplicatore analogico che riceve su un ingresso la portante, sull'altro il segnale digitale da trasportare;
modulazione di frequenza (FSK, Frequency Shift Keying ); le varie frequenze possono essere ottenute utilizzando un VCO ( Voltage-Controlled Oscillator , impreciso) oppure mediante elaborazione digitale di un segnale prodotto da un orologio al quarzo (divisione di frequenza, sintesi digitale, ecc.);
modulazione di fase differenziale (DPSK, Differential Phase Shift Keying ): alla fine di ogni ciclo di portante, un cambiamento di fase di 180° rappresenta un bit 0, nessun cambiamento di fase rappresenta un bit 1; ciò può essere ottenuto ponendo all'uscita dell'oscillatore generante la portante un invertitore ed un interruttore che seleziona, ad ogni passaggio per 0 della portante, o l'uscita diretta o l'uscita invertita;
modulazione combinata di ampiezza e fase (QAM, Quadrature Amplitude Modulation ): vengono create due sinusoidi della stessa frequenza ma sfasate di 90°; i due segnali vengono combinati dando loro adeguate ampiezze; uno degli standard specifica sedici possibili combinazioni (tre livelli di ampiezza, dodici sfasamenti); l'insieme delle combinazioni costituisce quella che viene chiamata una costellazione; una costellazione di 16 punti permette di trasmettere lo stato di 4 bit contemporaneamente, questo è ciò che consente una velocità maggiore rispetto agli altri sistemi sopra descritti, che trasmettono un solo bit alla volta;
una variante di QAM è la codifica a traliccio; qui viene utilizzata una costellazione di 32 stati, che dovrebbe consentire la trasmissione simultanea di 5 bit; ma il 5 ° bit è un bit di controllo, che fornisce una protezione avanzata contro gli errori di trasmissione; viene quindi trasmesso lo stato di 4 bit, come in QAM;
I modem a 56 kbit/s sono progettati per funzionare nell'ambiente di rete digitale; utilizzano la modulazione del codice a impulsi (PCM, Pulse Code Modulation ) per convertire la sequenza del segnale digitale modulato: l'ampiezza viene misurata 8000 volte al secondo, con una risoluzione di 8 bit; La velocità teorica dovrebbe raggiungere i 64 kbit/s , ma la velocità effettiva è generalmente compresa tra 40 e 56 kbit/s , a seconda delle condizioni della linea di trasmissione.

Struttura

Un modem ha i seguenti blocchi:

un modulatore, per modulare una portante trasmessa sulla linea telefonica;
un demodulatore, per demodulare il segnale ricevuto e recuperare le informazioni in forma digitale;
un circuito di conversione a 2 fili/4 fili: il segnale del modulatore viene inviato alla linea telefonica mentre il segnale proveniente dalla linea telefonica viene instradato al demodulatore; è grazie a questi circuiti, disposti ai due lati della linea telefonica, che le trasmissioni possono essere effettuate in full duplex ( full duplex , cioè in entrambe le direzioni contemporaneamente);
un circuito di interfaccia di linea telefonica (DAA, Data Access Arrangement ) costituito essenzialmente da un trasformatore di isolamento e da limitatori di sovratensione .

Questi circuiti sarebbero sufficienti per trasmettere informazioni in modalità manuale; tutte le operazioni come sganciare la linea, comporre il numero, ecc. sono poi eseguite dall'utente. Per consentire il funzionamento automatizzato, in cui tutte le attività vengono eseguite sotto il controllo del software di comunicazione, i modem generalmente includono alcuni circuiti ausiliari:

un circuito per la selezione del numero telefonico; è generalmente possibile specificare la selezione ad impulsi oa toni (DTMF, Dual Tone Multiple Frequency );
un circuito di rilevamento della suoneria; questo circuito avvisa il computer quando il modem viene chiamato da un computer remoto;
un rilevatore di toni, che rileva i diversi toni indicanti che la linea è libera, occupata, in difficoltà, ecc. ;
un circuito per l' identificazione del chiamante o ID chiamante.

Segnali di controllo

I diversi segnali scambiati tra un computer (DTE, Data Terminal Equipment ) e un modem (DCE, Data Communications Equipment ) sono specificati nello standard RS.232 / V.24:

i dati da trasmettere pervengono al DCE tramite la linea di invio;
i dati ricevuti dal DCE compaiono sulla riga Reception;
DSR ( Data Set Ready , modem ready) è al livello attivo quando il DCE è alimentato e connesso ad una linea telefonica;
DTR ( Data Terminal Ready ) è attivo quando il DTE è pronto;
RTS ( Request To Send ) viene attivato dal DTE quando vuole inviare dati;
CTS ( Clear To Send , ready to send) viene attivato dal DCE quando ha stabilito il collegamento ed è pronto a ricevere i dati da trasmettere;
CD ( Carrier Detect ) viene attivato dal DCE quando riceve una portante da un altro DCE;
RI ( Ring Indicator ) viene attivato dal DCE quando riceve un segnale di suoneria;
la norma prevede anche due collegamenti di terra, uno per il segnale (obbligatorio), l'altro per uno schermo (opzionale).

Il connettore originariamente previsto era un connettore seriale RS-232 a 25 pin, il DB-25. Tuttavia, poiché molti pin erano inutilizzati, la tendenza attuale è quella di utilizzare connettori con meno pin, come il DB-9 che ha 9 pin.

Tipica procedura di emissione

Ad esempio, mostriamo come possono essere utilizzati questi diversi segnali:

prima di iniziare una trasmissione dati, il computer A verifica che il modem A sia acceso controllando il livello del DSR;
il computer A ordina al modem A di comporre il numero di telefono;
il modem chiamato, che chiameremo B, rileva lo squillo e avvisa il computer B al quale è connesso attivando la sua linea RI;
quando il computer B è pronto a ricevere dati, attiva la sua linea RTS;
il modem B quindi attiva la sua portante;
il modem A rileva il gestore e avvisa il computer A attivando il CD;
il computer A attiva RTS per chiedere se può iniziare la trasmissione;
il modem B risponde attivando il CTS e può iniziare la trasmissione dei dati.

Modem nullo

Per trasmettere informazioni tra due computer situati nella stessa stanza è sufficiente scollegare i due modem e interporre tra i due computer una scatola dotata di due connettori DB-25 o DB-9; questa scatola, la cui funzione è quella di sostituire i due modem, è chiamata null modem . All'interno del case, i pin dei due connettori sono collegati come segue:

il pin di invio A è collegato al pin di ricezione B;
il pin di invio B è connesso al pin di ricezione A;
I pin CTS e RTS sono cortocircuitati su ciascun lato;
DTR A va a DSR B;
DTR B va a DSR A;
la massa del segnale A va alla massa del segnale B;
a volte RTS A va anche su CD B e RTS B su CD A;
a volte DTR A va anche a RI B e DTR B va a RI A.

Diversi standard

L'ITU-T (International Telecommunications Union - Telecommunications Standardization; fino al 1992 questo organismo era chiamato CCITT, International Telephone and Telegraph Consultative Committee) ha emesso una serie di pareri riguardanti il funzionamento dei modem. Tali avvisi specificano le condizioni di funzionamento degli apparati: velocità di trasmissione autorizzate, tipologie di modulazione, sistemi di compressione e/o eventuale rilevazione di errori; costituiscono in realtà degli standard rispettati da molti produttori. Ecco alcuni standard importanti:

Standard V.21 : velocità di 300 b/s in full duplex ( full-duplex , entrambe le direzioni contemporaneamente); modulazione FSK; modalità asincrona; frequenze utilizzate: 980 e 1180 Hz (per 0 e 1) in una direzione, 1650 e 1850 Hz nell'altra;
Standard V.22bis : throughput di 2400 b/s in full duplex; modalità asincrona o sincrona; frequenze portanti di 1200 Hz in una direzione, 2400 Hz nell'altra; Modulazione QAM con una costellazione di 16 punti;
Standard V.23: velocità di 1200 b/s downstream per 75 bit upstream, standard utilizzato dal Minitel ;
standard V.32 : Flusso 9600 b/s full duplex; portante a 1800 Hz sia in trasmissione che in ricezione (quindi necessità di prevedere soppressori d'eco per evitare interferenze tra segnali che si propagano in entrambe le direzioni); modulazione a 2400 baud, con una costellazione di 32 punti; trasmette quindi 5 bit per intervallo, ma essendo ridondante il 5 ° bit, la velocità effettiva è 4 × 2400 o 9600 b/s ;
Standard V.32bis : throughput di 14,4 kb/s ; modulazione QAM o trellis;
Standard V.32terbo : bit rate 14,4, 16,8 o 19,2 kb/s ; modulazione DPSK e trellis;
Standard V.FAST : throughput di 28,8 kb/s ;

Standard V.34 : bit rate 28,8 kb/s ;
Standard V.90 : velocità di 56 kb/s per il downlink ( downstream , verso l'utente), ma 33,6 kb/s per l'uplink ( upstream , verso la rete); abbiamo quindi un collegamento asimmetrico, come per l' ADSL ;
Standard V.92 : velocità in downstream fino a 56 kb/s e velocità in upstream fino a 48 kb/s . V92 aggiunge anche alcune funzioni aggiuntive (esempio: V44 più efficiente di V42, presa telefonica…).

Maggiore è la velocità di trasmissione, minore è la differenza tra i diversi stati della linea. Il tasso di errore tende quindi ad aumentare, in particolare quando la linea di trasmissione è disturbata. Ciò ha portato allo sviluppo di standard per il rilevamento e la correzione degli errori, come gli standard V.42 e da MNP 1 a MNP 4 (questi ultimi standard sono stati sviluppati dalla società Microcom).

Inoltre, poiché con lo standard V.90 si arriva vicino alla velocità di trasferimento teorica massima di una linea telefonica standard, sono state sviluppate tecniche per aumentare la velocità procedendo, prima dell'invio, alla compressione dei dati:

lo standard V.42bis , che utilizza la tecnica di compressione BTLZ , consente di ridurre fino a 4 volte la quantità di informazioni da trasmettere;
lo standard MNP 5 permette di raddoppiare la portata;
lo standard MNP 6 descrive la procedura per stabilire la velocità di trasmissione; ogni modem prima si connette alla sua velocità minima (normalmente 2400 bps ), poi aumenta gradualmente la sua velocità fino a quando l'altro modem smette di seguirlo;
lo standard MNP 7 è un protocollo di compressione a 3 fattori;
MNP 9 tenta di aumentare la larghezza di banda inserendo ACK (riconoscimenti) in pacchetti di dati anziché separati;
lo standard MNP 10 utilizza la compressione MNP 5 o V.42bis, ma riesce ad aumentare ulteriormente il throughput; se, a causa di cattive condizioni di trasmissione (rumore, interferenza, ecc.), i modem hanno ridotto la loro velocità, MNP 10 consente loro di aumentare nuovamente la velocità se le condizioni della linea migliorano.

Comandi AT

L'azienda Hayes, produttrice di modem, ha sviluppato un protocollo per controllare un modem esterno da un computer. Il protocollo definisce vari comandi consentendo ad esempio:

comporre un numero di telefono;
ordinare il modem da collegare alla linea (l'equivalente di prendere il telefono);
per conoscere lo stato della linea: tono di invito a trasmettere, linea occupata, ecc. ;
specificare il tipo di trasmissione e il protocollo di collegamento da utilizzare;
per regolare il volume del suono dell'altoparlante interno del modem;
inviare allo schermo i caratteri trasmessi simultaneamente;
visualizzare alcune informazioni sul modem;
per manipolare i registri interni del modem.

Note e riferimenti

Laurent Viennot, " Una breve storia delle reti di telecomunicazioni " , su Interstices ,2014.
Emulatore modem 56K - Suono caratteristico prodotto da un modem telefonico quando connesso.
(en) Nullmodem.Com - Informazioni e sito di riferimento sul connettore piedinatura .

Bibliografia

Daniel Battu, Guide des modems Paris, Eyrolles , coll. "Gestione delle nuove comunicazioni", 1993 ( ISBN 978-2-212-04119-4 ) .