Voor het behalen van transmissiesnelheden HOGER dan de 2400 bps waar- van tot nu toe in deze serie sprake is geweest, worden verschillende technieken toegepast: - gebruik van een hogere baud(!)-waarde; - meer bits per baud; - data-compressie. De eerste twee hebben betrekking op het analoge deel van het modem (de modulatietechniek op de lijn); de laatste heeft betrekking op het di- gitale signaal (behandeling van de datastroom). Een fijnzinniger benutting van de lijncapaciteit gaat meestal gepaard met een oplopende hoeveelheid transmissiefouten. Dit doet een deel van de snelheidswinst teniet. HOGERE BAUD-WAARDE Eerder is gesteld dat de capaciteit van een gewone telefoonlijn ca. 1500 baud bedraagt. Deze waarde geldt strikt genomen alleen voor fre- quentie-modulatie. De 1500 baud limiet wordt bepaald door de band- breedte van de lijn (het verschil tussen de hoogst en laagst te verzenden frequentie) door een factor twee te delen: (3300-300)/2 geeft 1500, wanneer althans de frequentie van de draaggolf optimaal wordt gekozen. Bij combinatie van amplitude en fase-modulatie (Quadrature Amplitude Modulation - QAM) is echter een hogere baud- waarde haalbaar. Bij de hogere transmissiesnelheden wordt dan ook ge- bruik gemaakt van 2400 baud, of soms nog iets meer. MODULATIE-DIAGRAMMEN QAM is een modulatie-methode met vele varianten. In de modem-lite- ratuur wordt de toegepaste vorm van QAM meestal in een diagram weergegeven: | Y-as *B | | | D |0 A | | *D | Voorbeeld van een modulatie-diagram (4-voudige QAM) Toelichting: Elk modulatie-punt (een stabiele signaaltoestand), aangegeven met een sterretje in de figuur, wordt bepaald door ampli- tude en fase van de draaggolf ('carrier'). De afstand van een punt tot het nul-punt (kruising van X- en Y-as) is de amplitude, de hoek tussen de (denkbeeldige) verbindingslijn van punt naar nulpunt en de posi- tieve X-as is de fase. Voorbeeld: van punt A is de fase 0 graden (punt B: 90, C: 180 en D: 270 graden). De amplitude van alle punten in dit diagram is gelijk: er wordt dus alleen fase-modulatie toegepast, geen amplitude modulatie. Bovenstaand diagram geeft vier signaaltoestanden aan, waarmee dus per signaalwis- seling twee bits kunnen worden verzonden. Voor het behalen van 9600 bps over een 2400-baud verbinding dienen 4 bits per baud te worden gecodeerd, hetgeen 2^4 (twee tot de macht 4), dus 16 verschillende signaaltoestanden vereist; 16 punten in het modulatie-diagram dus. Dit zou er schematisch als volgt uit kunnen zien: | Y-as * | * | * * * | * | | ---*------*-------+--------*------*- X-as |0 | * | * * * | * | * | Voorbeeld van een modulatie-diagram (16-voudige QAM) Uit dit diagram moet je voor jezelf maar eens nagaan dat dit een com- binatie is van 2 amplituden en 8 fasen. Bij 14400 bps zijn 64 signaal- punten nodig: 14400/2400 geeft 6, en 2^6 geeft 64. Bij 19200 bps wordt dat 256 (2^8) signaalpunten: het diagram wordt steeds dichter bevolkt! Het opvoeren van het aantal bits per baud kan niet tot in het oneindige doorgaan: het wordt steeds moeilijker voor de ontvanger de ene soort signaalwisseling van de andere te onderscheiden, ook omdat alle overgangen in principe geldig zijn. D.w.z.: van elke signaaltoe- stand is overgang naar de andere mogelijk, ook naar moeilijk van de vorige te onderscheiden dichtst-naastgelegen punten in het diagram. Trellis-codering is een methode om dit probleem op te vangen. Er wordt een extra bit toegevoegd aan elke baud (bij 9600 bps en 2400 baud komen we dus op 32 signaalpunten). Tevens wordt een coderings-methode gevolgd waarbij niet willekeurig van een signaalpunt naar elk ander gesprongen mag worden, en zeker niet naar een aangrenzend punt. Daarmee worden 'kleine' signaalwisselingen uitgesloten, en kan de ont- vanger dus een deel van de eventuele transmissie-fouten detecteren; en zelfs gedeeltelijk corrigeren (herleiden naar de meest waarschijnlijke uitkomst). Een verdere verbetering kan worden bereikt wanneer uitslui- tend bepaalde wegen (patronen van signaalwisselingen) door het diagram gevolgd mogen worden. Wanneer het ontvangende modem de afgelegde weg bijhoudt, kan het (door eliminatie van doodlopende wegen) nog beter nagaan wat het meest waarschijnlijke punt is bij missende bits. "Viterbi-algoritme" is een naam die in dit verband wordt gehoord. Op deze wijze kan bij 14400 bps een duizendvoudige verbetering van de BER (Bit-Error-Rate - maat voor de transmissiekwaliteit) worden bereikt ten opzicht van 'kale' transmissie op die snelheid. Wie hiervan meer wil weten moet ik naar de vakliteratuur verwijzen. FULL DUPLEX OP TWEEDRAADS VERBINDINGEN Bij vierdraads-verbindingen (gebruikelijk bij huurlijnen) is full-du- plex eenvoudig: elk van de twee paren draden wordt alleen voor zenden of alleen voor ontvangen gebruikt. Op tweedraads-verbindingen (kieslijnen) ligt dat anders. Bij de gebruikelijke 2400 bps modems wordt hiervoor een deel van de bandbreedte van de lijn gebruikt voor zenden, en een ander deel voor ontvangen: beide met 600 baud en vier- voudige QAM. Voor de high-speed modems is een nieuwe techniek ont- wikkeld: ECHO-CANCELLATION Beide partijen gebruiken de volledige bandbreedte van de verbinding, en beide zenden en ontvangen tegelijkertijd op dezelfde draaggolf! Dit gaat natuurlijk niet zonder meer goed, want elke zender ontvangt zijn eigen signaal (terug) naast het signaal van de andere kant. Doordat de zender nu zijn eigen signaal 'aftrekt' van het totaal, blijft alleen het signaal van de partner over. Daarnaast moet ook worden afgerekend met electrische echo's van het zelf uitgezonden signaal. De zender moet dus een tijdje onthouden wat hij zelf verzonden heeft, en heeft daarbij rekening te houden met de echo-tijd (na deze eerst zelf gemeten te hebben!) en de sterkte van de echo. Daarnaast zijn er dan ook nog 'gewone' storingen, alsmede insta- biliteiten van de lijn waardoor het echo-patroon verloopt. Tenslotte stelt de PTT nog de eis dat de totale signaalsterkte van beide zenders samen een bepaalde waarde niet mag overschrijden. Kortom: petje af voor de ontwerpers van high-speed full- duplex op 2-draads lijnen! DATACOMPRESSIE Een populaire vorm van reductie van data wordt veel bij BBS-en toegepast op files. Om disk-ruimte te besparen en transmissietijd te bekorten zijn er de bekende ARC-programma's en varianten; dezen com- primeren data(-files) VAN TEVOREN alvorens te versturen. Deze compressiefunktie is dus heel goed aan het modem uit te besteden, en TIJDENS het versturen toe te passen. In modems die deze techniek toepassen, vindt naast datacompressie trouwens ook fout-detectie en -correctie plaats. Let wel: dit betreft het digitale signaal: fout-correctie vindt plaats door hertransmissie van blokken, hetgeen ten koste gaat van de effectieve lijncapaciteit. Het is een aanvulling op foutcorrectie bij het modulatie-proces. MNP (Microcom Network Protocol) is de thans meest voorkomende (maar niet de enige) 'standaard' van data-compressie door ASYNCHRONE modems. Binnen MNP worden verschillende klassen onderscheiden. Elke klasse be- vat alle eigenschappen van de onderliggende. Bij ongelijke modems aan beide kanten van een verbinding wordt door 'onderhandeling' de hoogste gemeenschappelijke klasse bepaald, waarop de verbinding zal gaan werken. Men spreekt daarbij van 'MNP-level', als volgt: MNP-3 Start- en stop-bit van het asynchrone character worden verwij- derd, en de characters worden in blokken verstuurd, voorzien van de benodigde controle-bits en -bytes. De ontvanger reconstrueert weer de oorspronkelijke bitstroom (incl. start- en stop-bits). Transmissie vindt plaats volgens een SYNCHROON protocol (zoals HDLC). De controle- informatie stelt het modem in staat om trans- missie-fouten te detecteren, en zelfstandig hertransmissie van een blok te bewerkstelligen, zonder dat de computers aan beide zijden daarin worden betrokken. Vanuit de computer gezien is dus sprake van gegarandeerd foutvrije transmissie. Verbetering ca. 8%: van 2400 naar 2600 bps. MNP-4 Verbeterde blok-opbouw (o.a. variabele blokgrootte). Totale ver- MNP-5 Werkelijke datacompressie. Totale verbetering ca 100% (van 2400 naar 4800 bps). MNP-6 Combinatie van twee modems tot 9600 bps full duplex of 19200 bps half duplex met 100 bps terugkoppeling. De werkmethode wordt door het modem zelf vastgesteld aan de hand van het data-aanbod. Er zijn meer 'MNP-levels' in ontwikkeling. Daarnaast zal ook een me- thode welke door HAYES is ontwikkeld, LAPM, in de standaards worden opgenomen; later meer hierover. EFFECTIEF GEBRUIK Om werkelijk profijt van datacompressie door een modem te hebben, dient aan enkele belangrijke voorwaarden te zijn voldaan: * De datastroom moet comprimeerbaar zijn. In principe zijn alle bit- stromen comprimeerbaar, maar bij sommigen -zoals gewone tekst- is het effect veel groter dan bij anderen - zoals ARC-files en grafi- sche bitpatronen. * De koppeling met de computer dient de hogere datastroom aan te kun- nen. Een 2400 bps modem met MNP-5 moet tenminste vanaf de computer aangestuurd kunnen worden op 4800 bps, liefst hoger. Anders is het effect van compressie vrijwel nul, en blijft dus alleen fout-correc- tie uit de lagere MNP-levels over. * Er moet 'flow-control' toegepast kunnen worden. Modem en computer moeten beide gebruik maken van de daarvoor bedoelde modemsignalen praktijk dat een communicatie-programma, of de driver van de asyn- chrone poort, deze signalen moet aankunnen. Daartoe moet hij, even- als het modem, bij initialisatie van het programma worden ge-in- strueerd (middels modem-INIT-string, resp. configuratie-commando's). N.B.: Flow-control m.b.v. X-on/X-off is alleen mogelijk bij ver- NNN - Nederlands Net Nieuws - Nummer 5 - September 1989 - Blad XXX sturen van 'pure' ASCII-tekst; voor programmatuur, ARC-files, e.d. moet de RTS-CTS methode worden gebruikt. Datacompressie kan ook worden toegepast in computer(-software). Een voorbeeld hiervan is het communicatie-pakket MTE. Een recente versie werkt op MNP-5, en kan middels een gewoon (niet-MNP-) modem commu- niceren met een remote 'echt' MNP modem: de andere kant kan het ver- schil niet waarnemen. MODEM-VARIANTEN Tot nu toe zijn in dit artikel technieken besproken, welke worden on- dersteund door standaards. (NB: MNP was een 'eigen' systeem dat tot standaard werd, Red.!) Maar iedere fabrikant is vrij om zijn eigen techniek te ontwikkelen. Zo zijn er modems op de markt, welke andere modulatie-technieken gebruiken dan de hier behandelde. Soms met kleine afwijkingen van de standaards, soms geheel anders. Modems van ver- schillende gezinden praten niet met elkaar. In BYTE van augustus 1988 stond een artikel over high-speed modems: 12 verschillende methoden van 13 verschillende fabrikanten (een gewaagde vergelijking: 12 am- bachten, 13 ongelukken?). Hoewel interessante technische hoogstandjes zijn bereikt, ontbreekt hier de ruimte om op de details in te gaan. Maar ook zonder de tech- niek te beroeren, mogen enkele populaire 'vroege vogels' niet onver- meld blijven, omdat ze op relatief grote schaal in gebruik zijn: * Telebit Trailblazer (+). Ook deze worden in de Bulletin Board wereld aangetroffen, maar nog meer bij de UNIX-systemen in Universiteits- netwerken. Langzamerhand komen van deze typen ook uitvoeringen met een standaard- techniek naast de eigen techniek van de fabrikant, zodat de hiermede uitgeruste systemen toegankelijker worden (minder 'besloten'). SAMENVATTING Voor hogere dan de 'klassieke' transmissie-snelheden (dus 9600 bps en meer) wordt gebruik gemaakt van diverse slimmigheden: hogere baud- waarde, meervoudige modulatie-techniek en (meestal ook) foutcorrectie. Daarnaast levert datacompressie in een modem een zeer aantrekkelijke mogelijkheid die, onafhankelijk van modulatie techniek en snelheid, een aanmerkelijke versnelling kan betekenen. Na het lezen van deze nog betrekkelijk eenvoudige beschrijving zal het duidelijk zijn dat deze klasse modems niet tot de goedkoopste behoren. Voor het verwerken van al deze technieken zijn speciale processoren ontwikkeld: Digital Signal Processors - DSP's, welke een kracht hebben overeenkomend met 10 - 50 MIPS (miljoen instructies per seconde). Alleen bij massale toepassing en hoge mate van integratie is er enige hoop dat ze voor hobby-isten ooit betaalbaar zullen worden! Rob Hamerling, augustus 1989 (FIDO 2:512/4.1098) Overzicht van " V " specifikatie's volgens CCITT -------------------------------------------------- " V " nr. Equivalent Omschrijving --------- + ---------- + ------------------------------------------------ V.1 Binaire codering. V.2 Energie niveaus voor datacommunicate : max. 1mW aan ingang van de lijn : max -13 dBmO t.o.v nul- niveau voor FM systemen. V.3 Internationaal alfabet 5 V.4 Internationaal alfabet voor datacommunicatie. V.5 Transmissiesnelheden (" baudrates ") voor synchrone datacommunicatie over publieke tele- foonnetwerken. V.6 Transmissie snelheden voor synchrone data- communicatie over huurlijnen. V.10 X26/RS423 Elektrische eigenschappen van interfaces voor transmissiesnelheden tot 100 Kbd ( ongebalan- ceerde stroominterfaces ) V.11 X27/RS422 Elektrische eigenschappen van interfaces voor transmissiesnelheden tot 1 Mbd (gebalanceerde stroom interfaces ) V.15 Akoestische koppeling. Niet voor permanente installaties. :-13 dBmO duplex. -10 dBmO simplex max. 1 mW aan de ingang van de lijn (piek) V.16 Medische datacommunicatie. V.19 Het gebruik van 'toets' tonen voor datacommunicatie over publieke telefoonnetwerken V.20 Het gebruik van andere dan 'toets' tonen voor datacommunicatie over publieke telefoonnetwerken V.21 Als Bell's 300 Bd modem voor publieke telefoonnetwerken 103,maar Volduplex FSK ('Frequency Shift Keying'). Zender verschil (kanaal 1): f0=1080 Hz. Ontvanger ( kanaal 2) waarden f0 f0=1750 Hz. Deviatie +/- 100Hz. (+ = binair 0). Asynchrone of synchrone transmissie. V.22 Volduplex 1200 Bd modem voor publieke telefoon netwerken. DPSK ('Double Phase Shift Keying'), gecryptografeerd ('scrambled'), vaste compensatie, 3 alternatieven. V.22 alt.A Opties 1200 Bd + 600 Bd synchroon (resp modes I en III V.22 alt.B Modus II Alternatief A + 1200 Bd asynchroon ( modes I, = Bell III, II en IV). 212 A V.22 alt C Bell's mo- Alternatieven A+B+ 300 Bd asynchroon ( modes I, dem 27(al- III,II,IV en V). Modem wordt in werking gesteld leen PTT- d.m.v. 'handshake'. V.22 specificeert voorts kieslijnen) de snelheden van DTE ('Data Terminal Equipment') het synchroniserenvan modems en testen op afstand. De oproepende modem zendt in het lage kanaal ( 1200 +/- 400 Hz ) en ontvangt in het hoge kanaal ( 2400 +/- 400 Hz). V.22 bis Volduplex 2400 Bd modem voor publieke telefoon netwerken, met terugschakeling ('fold back') naar 1200 Bd volduplex ( V.22). V.23 Als Bell's Half duplex 600/1200 Bd modem voor publieke 202 maar telefoonnetwerken. Twee modes : synchrone en verschil asynchrone FSK (' Frequency Shift Keying ' ). waarden f0 V.23 mode1 600 Bd. 1500 +/- 200 Hz (+ 200 = binair 0 ) V.23 mode2 1200 Bd. 1700 +/- 400 Hz (+ 400 = binair 0 ). Optioneel 'retour'-kanaal (75 Bd) voor foutcontrole. 390 Hz = binair 1. 450 Hz = binair 0. V.24 Vrijwel ge- Definities voor koppeling van terminals en data lijk aan communicatie-appartuur. Definieert de functies RS232C ; en de onderlinge relaties van digitale interface die speci- signalen. ficeert ook V24 FUNCTIE RS232 elektrische 103 TD (Transmitted Data BA eigensch. 104 RD (Received Data) BB en 105 RTS ( Request to Send ) CA pennen 106 RFS ( Ready for sending ) CTS ( Clear to Send CB 107 DSR ( Data Set Ready ) CC 108/1 CDSTL (Connect Data Set to Line ) CB 108/2 DTR ( Data Terminal Ready ) CB 109 DCD ( Data Carrier Detected ) CF 113 TET ( Transmit Clock Terminal ) DA 114 TET ( Transmit Clock Datacommunicatie apparatuur DB 115 RET ( Receive Clock ) DC 125 RI ( Ring Indicator ) CE V.25 Vrijwel ge- Automatisch nummers kiezen en antwoorden. lijk aan RS 232C. V.26 Bell 201B 2400 Bd modem voor huurlijnen (4 W), 4-fase dubbelbit-modulatie. volduplex, synchroon. Optioneel 75 Bd volduplex voor bewakingskanaal. Draaggolf 1800 Hz. 2 Alternatieven voor de codering (A en B). V.26 bis Bell 201C 1200/2400 Bd modem voor publieke BT modem telefoonnetwerken ( als B26 alternatief B ). Bij 12-II werken met 1200 Bd: 2-fase differentiele modu- Datei 2412 latie. V.27 Bell 208B 4800 Bd modem voor huurlijnen van goede kwaliteit (4 W), 8 fase drievoudige bit-codering Volduplex, synchroon. Optioneel 75 Bd volduplex voor bewaking ' scrambler '. Draaggolf 1800 Hz. V.27 bis 4800/2400 baud modem voor huurlijnen van minder goede kwaliteit. Volduplex 4 W of halfduplex 2 W Verder als V.27 maar zonder ' scrambling '. V.27 ter Bell 208B 4800/2400 Bd-modem voor publieke telefoonnet- werken. Half duplex. Modulatie als V.27. 2400 Bd modulatie als V.26, maar zonder 'scrambling'. V.28 Deel van Elektrische eigenschappen van langzame inter- RS232C, faces. Gebruikelijk voor V.24-interfaces voor MIL 188 snelheden kleiner dan 20 KBd. en IEE 488. V.29 Bell 209A 9600 Bd modem voor huurlijnen. Vol of halfduplex is niet 4 W, synchroon, 8 fase viervoudige bit-modulatie compatibel met 2 amplitudes. Terugschakel mogelijkheid naar 7200 en 4800 baud. Gedefinieerde 'scrambler'. V.31 Elektrische eigenschappen van interfaces met relaiscontacten. V.35 48 Kbd-,60...108 kHz-groepband modem. Synchroon of a-synchroon, 5..48 KBd. Terugval tot halve snelheid. Modulatie : enkelzijband-AM (' single side Band' SSB), van de basisband naar 60...104 kHz. Draaggolf 100 kHz. Optioneel spraak kanaal. V.36 48 kBd-, 60..108 kHz-groepbandmodem voor synchrone datatransmissie. Optioneel 56, 64 en 72 kBd. V.37 72 kBd-, 60..108 kHz- groepbandmodem voor synchrone datatransmissie. Snelheid tot 144 kBd, optioneel tot 168 kBd. V.40 Fout indicatie met elektromechanische apparatuur. V.41 Code-onafhankelijke foutcontrole d.m.v. blok- controle tussen terminal en modem, b.v. voor V.22 alternatief C en V.23. V.50 Standaardgrenswaarden voor transmissiekwaliteit. V.51 Onderhoud van internationale datacommunicatie- lijnen. V.52 Testapparatuur voor datacommunicatie ( lage en middelgrote snelheid ). V.53 Onderhoud van datacommunicatielijnen. V.54 Lus-testapparatuur voor modems.