Il modem é l'apparecchiatura (DCE) che interfaccia i dispositivi DTE con i mezzi trasmissivi.

Il segnale digitale proveniente dal DTE deve essere reso compatibile con i segnali trasferiti dalla linea trasmissiva, e per questo il modem deve operare un'opportuna modulazione in fase di trasmissione e conseguente demodulazione in fase di ricezione (da cui il nome modem).

A seconda del segnale accettato dalla linea trasmissiva parliamo di:

modem fonici: la linea non accetta il segnale digitale

modem in banda base: la linea accetta il segnale digitale anche se non direttamente

Ció che discrimina i due tipi modem sono banda permessa al segnale, distanza da percorrere, tipo di portante.

velocitá di trasmissione: (300; 600; 1200; 2400; 4800; 9600... [bit/s])

tipo di portante disponibile: (banda fonica; banda base)

tipo d'esercizio: (simplex; half-duplex; full-duplex)

tipo di trasmissione: (asincrona; sincrona)

tipo di chiamata-risposta: colloquio tra i DCE (manuale; automatico)

Il modem fonico é l'apparecchio di interfacciamento tra DTE e linea telefonica commutata

Banda disponibile é 4[kHz] per cui il segnale digitale (larga banda) non puó essere efficientemente trasmesso (distorsione per attenuazione delle alte frequenze, bassissima velocitá di trasmissione).

Modem:

bassa velocitá: fino a 1200 [bit/s] => modulazione FSK

a velocitá media: fino 4800 [bit/s] => modulazione PSK o DPSK

alta velocitá: oltre 9600 [bit/s] => modulazione QAM

Notevole influenza sulla velocitá di trasmissione sono:

il tipo d'esercizio: (simplex, half-duplex, full-duplex); su due fili l'half-duplex dispone di 4[kHz] di banda mentre il full-duplex dispone della metá;

il tipo di trasmissione: (asincrona, sincrona);

Lo standard delle tecniche di interfacciamento viene convenzionalmente stabilito dalla normativa internazionale del CCITT nella quale ad ogni sigla corrisponde una precisa specifica di progetto.

Tipo di modulazione => FSK

velocitá di trasmissione => 300 [bit/s]

tipo d'esercizio => full-duplex su linea a due fili

tipo di trasmissione => asincrona seriale

tipo di linea => commutata/dedicata

si identificano due canali: chiamante (originate), chiamato (answer), che differiscono in funzione del modo d'operare: chiamata o risposta in automatico o in manuale

Tipo di modulazione => DPSK

velocitá di trasmissione => 600/1200 [bit/s] (o 600 [baud])

tipo d'esercizio => full-duplex su linea a due fili

tipo di trasmissione => sincrona/asincrona seriale

tipo di linea => commutata/dedicata

La modulazione DPSK consente una compressione della banda occupata; inoltre é possibile modulare a quattro livelli coppie di bit (dibit) ottenendo le due velocitá di trasmissione indicate.

(per asincrono si intende con bit di start e stop)

(in entrambi i casi la velocitá é di 600 [baud]).

Tipo di modulazione => QAM

velocitá di trasmissione => 1200/2400 [bit/s] (o 600 [baud])

tipo d'esercizio => full-duplex su linea a due fili

tipo di trasmissione => sincrona/asincrona seriale

tipo di linea => commutata/dedicata

Essendo uno sviluppo del modem V.22 il V.22 bis conserva la divisione del canale telefonico in due sottocanali (chiamante e chiamato) con le stesse frequenze di portante.

La modulazione, per consentire un'alta velocitá di trasmissione, é la QAM multilivello a quattro bit:

I due bit meno significativi determinano la fase della modulazione (ogni coppia genera uno sfasamento di quadrante rispetto al quadribit precedente), mentre i piú significativi danno l'ampizza.

In ogni caso la velocitá di trasmissione é di 600 [baud].

Il modem v.22 bis ha quattro modalitá di funzionamento "settabili" dall'operatore:

(per l'asincrono si intende con bit di start e stop)

Tipo di modulazione => FSK

velocitá di trasmissione => 600/1200 [bit/s]

tipo d'esercizio => half-duplex su linea a 2 fili / full-duplex su linae a 4 fili

tipo di trasmissione => asincrona seriale

tipo di linea => commutata

(la velocitá di 600 [bit/s] é adottata per linee molto disturbate)

Nonostante si abbia una trasmissione half-duplex é possibile creare un piccolo canale FSK con velocitá massima di 75 [bit/s], (dunque banda strettissima), con tramissione asincrona chiamato canale supervisore per trasmettere segnali "videotel".

Tipo di modulazione => DPSK (tipo A)

velocitá di trasmissione => 2400 [bit/s] (o 1200 [baud])

tipo d'esercizio => half-duplex su linea a quattro fili

tipo di trasmissione => sincrona seriale

tipo di linea => dedicata

Modem studiato per la linea dedicata a 4 fili (linea diretta) con possibilitá di canale supervisore come lo standard V.23. La modulazione é DPSK a 4 livelli (accorpando i bit a coppie, dibit):

La portante (fase 0) é a 1800 [Hz] e lo spettro del canale dati é compreso tra i 1200 e i 2400 [Hz].

Tipo di modulazione => DPSK (tipo B)

velocitá di trasmissione => 2400/1200 [bit/s] (o 1200 [baud])

tipo d'esercizio => half-duplex su linea a quattro fili

tipo di trasmissione => sincrona seriale

tipo di linea => commutata

Qui l'unica differenza dal precedente é che é possibile trasmettere su linea commutata, (il modem v.26 puó trasmettere su linea commutata se aggiungiamo un dispositivo chiamato terminazione di linea commutata).

Quando la linea é molto disturbata si trasmette con velocitá 1200 [bit/s] e la modulazione non é piú a dibit ma a bit semplice:

Tipo di modulazione => DPSK (tipo A)

velocitá di trasmissione => 2400 [bit/s] (o 1200 [baud])

tipo d'esercizio => full-duplex su linea a due fili

tipo di trasmissione => sincrona seriale

tipo di linea => commutata/dedicata

Qui si sfrutta la tecnica di soppressione d'eco per trasmettere i segnali di andata e ritorno (full-duplex) su un unico grande canale come se fosse un half-duplex, (non cé piú il canale supervisore).

La distorsione dovuta all eco consiste nella somma di piú repliche del segnale sfasate e sovrapposte all'informazione. Se ricevendo un segnale ne realizziamo delle repliche con opportuna fase ma segno opposto e le sommiamo al segnale ricevuto possiamo riottenere l'informazione pulita.

Il problema é stabilire le corrette ampiezze delle repliche (la fase dipende dal bit rate). Queste vengono stimate dal ricevitore analizzando una sequenza campione ricevuta durante l'handshake tra i modem.

Tipo di modulazione => DPSK (otto livelli)

velocitá di trasmissione => 4800 [bit/s] (o 1600 [baud])

tipo d'esercizio => half-duplex su linea a 2 fili/full-duplex su linae a 4 fili

tipo di trasmissione => sincrona seriale

tipo di linea => dedicata

Vengono accorpati tre bit alla volta (tribit) potendo rappresentare 8 livelli. La portante é di 1800 [Hz] e la banda si colloca tra i 1000 ed i 2600 [Hz] sicché é possibile collocare il canale supervisore in modulazione FSK come giá visto.

Questo modem é peró superato dalle due versioni successive.

Tipo di modulazione => DPSK (otto livelli)

velocitá di trasmissione => 2400/4800 [bit/s] (V.27 bis e ter)

tipo d'esercizio => half-duplex su linea a 2 fili/full-duplex su linea a 4 fili

tipo di trasmissione => sincrona seriale

tipo di linea => dedicata/commutata (V.27 ter)

Questi modem sono evoluzioni del precedente e differiscono dal V.27 per gli adattatori (equalizzatore automatico adattativo DSP) che gli consentono di operare anche su linea commutata. A causa dei forti disturbi presenti su queste linee é possibile ridurre la velocitá di trasmissione a 2400 [bit/s] rendendoli compatibili con il modem V.26 tipo A.

Tipo di modulazione => QAM

velocitá di trasmissione => 9600/7200/4800 [bit/s] (2400 [baud])

tipo d'esercizio => half-duplex /full-duplex

tipo di trasmissione => sincrona seriale

tipo di linea => dedicata

La rete che supporta questo modem é quella punto a punto con collegamento a 4 fili per modalitá full-duplex.

La modulazione QAM (multilivello) accorpa 4 bit (dunque 16 livelli):

LSB determina l'ampiezza del segnale;

i restanti bit determinano la fase secondo la tecnica differenziale.

La portante é a 1700 [Hz] con banda tra i 500 e i 2900 [Hz].

Tipo di modulazione => QAM

velocitá di trasmissione => 4800, 9600 [bit/s] (2400 [baud])

tipo d'esercizio => full-duplex

tipo di trasmissione => sincrona seriale

tipo di linea => commutata/dedicata

Simile al V.26 ter con tecniche di cancellazione d'eco per velocitá di trasmissione fino ai 9600 [bit/s] su linea commutata a 2 fili in full-duplex.

Per velocitá di 9600 [bit/s] si adottano due alternative: portante a 16 stati, (utilizzata in forma semplificata a 4 stati per velocitá di 4800 [bit/s]), dove si accorpano 4 bit dei quali i primi due codificati con codifica differenziale; e la codifica di Trellis, nella quale alcuni bit accorpati, (e codificati con codifica differenziale), generano un bit in piú di ridondanza per la correzione degli errori.

Tipo di modulazione => QAM

velocitá di trasmissione => 4800, 7200, 9600, 1200, 14400 [bit/s] (2400 [baud])

tipo d'esercizio => full-duplex

tipo di trasmissione => sincrona/asincrona seriale (asincrona se c'é un convertitore tra i due tipi di trasmissione come in accordo con v.42)

tipo di linea => dedicata

alle velocitá di 4800 e 9600 é compatibile con il v.32.

Per la trasmissione a 14400 [bit/s] su linea dedicata a 2 fili (full-duplex) si opera una codifica di Trellis a 6 bit (piú bit di ridondanza ottenuto con un codificatore convoluzionale).

velocitá di 14400 [bit/s] per trasmissioni punto a punto sincrone su linea dedicata a 4 fili

Velocitá di 28800 [bit/s] per linee dedicate

Per poter incrementare i ratei di trasmissione alcuni costruttori hanno impiegato metodi per la compressione dei dati. Una delle tecniche piú duffuse é l'M.N.P. (Microcom Networking Protocol) che si avvale di due tipi di codifica:

L'M.N.P. é di fatto adottata universalmente sicché il CCITT ne ha formalizzato lo standard emanando nell'87 e nel '90 le raccomandazioni v.42 e v.42 bis che prevedono anche il riconoscimento degli errore con tecniche CRC e definiscono il tipo di protocollo supportato.

I modem commerciali sono composti da diversi circuiti detti funzionali; i principali sono:

modulatori;

La teoria di Shannon pone un limite alla massima velocitá teorica di trasmissione dati intorno ai 30 [kbps] fissato l'SNR massimo tollerato dalla rete a circa 30dB. Se peró la qualitá della rete migliorasse (maggiore SNR garantito) o la sua banda fosse maggiore allora potremmo incrementare i ratei di trasmissione.

Sfruttando questi miglioramenti di rete si possono realizzare particolari modem ad altissima velocitá che non sono piú classificabili tra le categorie di modem in banda fonica o modem in banda base.

La vecchia PSTN é stata attualmente rimpiazzata da una rete digitale (con modulazione PCM e multiplazione TDM). L'unico segmento di rete ancora analogico é il doppino da casa alla prima centrale (pochi chilometri) ed il convertitore A/D in centrale (CODEC).

Un normale Modem in TX converte un segnale digitale in analogico per immetterlo in rete ma la centrale poi lo riconverte in digitale: il processo degrada il segnale ed introduce rumore (processo di quantizzazione).

Un modem in grado di trasmettere un segnale digitale con un formato digitale giá PCM potrebbe dalla rete telefonica trasmettere direttamente 8[bit] x 8[ksps] = 64[kbps] verso l'utente a casa attraverso i pochi chilometri di doppino.

K56flex realizza, da casa ad un provider connesso alla centrale con interfacciamento ISDN, una connessione standard V34 in TX a max 36.600[bps], e dal provider a casa un collegamento a 56[kbps] teorici (i 64k meno i bit adoperati come informazioni tra centrali telefoniche).

Quí si sfrutta il raddoppio della banda utilizzando due linee telefoniche: un opportuno Modem che trasmette sui due doppini disponibili (banda Doppia) smistando il segnale.

Si puó allora raddoppiare la velocitá di trasmissione 33,600 x 2 = 67,200[bps] con apparati ancora analogici.

K56flex, X2, Transend sono tecnologie proprietarie di gruppi di costruttori e non sono compatibili. Tuttavia il CCITT ha normalizzato K56flex come v90 e scambi di licenze tra costrutturi ha permesso la realizzazione di apparati in grado di supportare X2 e v90 insieme.

Il doppino telefonico possiede una discreta banda passante che per le applicazioni di fonia viene limitata ai soli 4kHz. Potendo "saltare" il filtraggio delle centrali telefoniche si disporrebbe di una grande banda.

Attualmente si fronteggiano due tecniche per modulare il segnale: la tecnologia CAP (Carrier-less Amplitude Phase) che é una versione piú sofisticata della classica QAM ed il DMT (Discrete Multitone) della Amati Communications (ora appartenente a Texas Instruments).

Tale tecnologia prevede di modulare opportunamente un insieme di 256 sottoportanti distanti 4.3125 kHz una dall'altra (32 o 64 per l'upstream) in modo da avere un segnale composito collocato nella banda 26kHz-1,1MHz.

In questo modo si puó suddividere la banda del doppino in tre zone: una bassa fino a 4kHz per la normale telefonia (non interessata al trasferimento dati), una media per l'upstream ed una alta per il downstream.

Le velocitá teoriche ottenibili sono dell'ordine degli 8Mbit/s dalla rete all' utente (downstream), e 800kbit/s dall' utente alla rete (upstream). ma causa il vecchio stato delle linee e della bassa qualitá del doppino giá esistente il rateo si abbassa a circa 1,5Mbit/s (download) e 256kbit/s (upload).

Questa tecnologia non é ancora totalmente standardizzata: ogni costruttore propone la propria variante. Le linee guida sono dettate dallo standard ANSI T1.423 Issue 1, categorie 1 e 2, (comprensiva di codifica di Trellis e cancellazione d'eco).

Lo standard ANSI T1.423 Issue 2 risolve le ambiguitá della Issue 1 ammettendo la sola modulazione DTM, ed aggiunge la modalitá di adattamento di rateo e la connessione a livello internetworking con reti ATM.

L'ATM forum ha riconosciuto ADSL come protocollo di livello 1 su doppino di rame UTP

I modem in banda base trasmettono il segnale in forma digitale ricevuto dai DTE. Vista la larga banda occupata dal segnale occorre che il mezzo trasmissivo interfacciato sia tale da supportare tale segnale.

Tali mezzi trasmissivi sono:

Linee telefoniche dedicate di lunghezza finita (decine di chilometri) prive di stazioni di commutazione ma con centrali di rigenerazione.

Linee dedicate locali (LAN) realizzate con cavo coassiale (larga banda).

Questi modem adattano lo spettro del segnale alla banda supportata dai mezzi trasmissivi attraverso una opportuna codificazione del segnale che riduce le componenti dello spettro alle frequenze bassissime.

Rimane da valutare il legame velocitá di trasmissione-lunghezza di tratta che dipende dalle qualitá della linea. Potendo equalizzare la linea al variare delle velocitá di trasmissione é possibile incrementare le lunghezze di tratta di collegamento, (caso B con equalizzazione).

In particolare si osserva che l'impedenza caratteristica Zo del doppino diminuisce al crescere della frequenza per cui al variare dei ratei di trasmissione si evidenziano effetti di disadattamento.

Gli apparati attualmente in commercio utilizzano codifica bifase differenziale (detta DPSK digitale bifase) tipo CCITT o tipo invertita con trasmissione sincrona.

In tutti questi apparati si ha un segnale in uscita digitale di tipo NRZ (non ritorno a zero) cioé con impulsi positivi o negativi (mai nulli).

In base alla velocitá di trasmissione dividiamo gli apparati in due categorie:

Modem (Connettori) V.24 / V.28

per velocitá: 300, 600, 1200, 4800, 9600, 19600 [bit/s]

Modem (Connettori) V.24 / V.35

per velocitá: 48, 56, 64, 72 [kbit/s]

I modem in banda base sono piú semplici e quindi piú economici.