Давайте подивимося на цей пристрій ось з якого боку: зрозуміло, що його завдання - пересилати інформацію з одного комп'ютера на інший. У випадку роботи в Інтернеті - з комп'ютера клієнта на комп'ютер провайдера, і навпаки. Щоб спростити собі життя, будемо поки вважати, що модем виконує лише одну, примітивну функцію - модулятора-демодулятора цифрового сигналу (до речі, саме звідси і взялося скорочення - модем). Будемо вважати, що він вже набрав номер, встановив з'єднання, почав передавати і приймати дані, і нам цікавий поки лише процес, як байти інформації йдуть від віддаленої сторони до нас, і навпаки. Як же це відбувається?
Розглянемо докладніше, як же модем кодує сигнал і як перешкода цьому заважають. Найбільш популярні нині протоколи передачі даних - V.34 і V.32 - використовують амплітудно-фазову модуляцію сигналу. Базовий сигнал - що несе синусоїда певної протоколом частоти при передачі модулюється, тобто піддаються зміні її амплітуда, тобто рівень, і фаза (зсув фази сигналу щодо немодульованою "вихідної" синусоїди). При цьому статус сигналу, що характеризуються незмінною амплітудою та фазою, послідовно змінюють один одного. Кожне таке стан кодує невелика кількість бітів даних і називається одним символом (не плутати з літерами і цифрами). Швидкість, з якою символи змінюють один одного, називається символьної швидкістю (Symbol rate в статистиці модему). Вона визначається протоколом, для V.32 вона завжди дорівнює 2400 символів в секунду, для V.34 може досягати 3429 символів в секунду. Таким чином, у нас вже два параметри - символьний швидкість і частота несучої.
Коли один символ змінюється іншою, відбувається зміна (збільшення або зменшення) амплітуди і зсув фази ("вперед" або "назад") сигналу. Миттєво ні амплітуда, ні фаза змінитися не можуть - це вимагало б нескінченною швидкості зміни сигналу (напруги і струму) в каналі, тобто необмеженої смуги пропускання каналу. Звичайно ж потрібно надіслати максимум інформації, зайнявши відведений діапазон частот. Мінімальний діапазон частот, що потребується для передачі сигналу, в якому фаза змінюється максимально швидко (найгірший випадок з точки зору заняття смуги частот) вперед або назад, тобто, на половину періоду несучої за один символьний інтервал, в точності дорівнює символьної швидкості в Гц. Наприклад, якщо фаза сигналу повинна зсуватися вперед на половину періоду несучої за час передачі одного символу, частота сигналу в ході цього переходу як мінімум, повинна досягати ((вихідної частоти несучої) + (символьна швидкість) / 2). В іншому випадку буде накопичуватися "відставання" фази сигналу від необхідної.
Для того, щоб "вписати" сигнал у цей мінімально необхідний діапазон частот, переходи між символами згладжуються з тим, щоб швидкість зміни сигналу (і його частота, відповідно) не перевищувала це обмеження. Наприклад, якщо потрібно істотне зрушення фази "вперед", цей зсув відбувається не миттєво, а поступово. Протягом цього перехідного періоду частота сигналу в каналі буде вище вихідної частоти несучої (чутний тон - вище), оскільки для зсуву фази вперед потрібна більш швидка зміна сигналу. І навпаки, для зсуву фази тому потрібно уповільнення зміни сигналу, і чутний вухом тон - нижче. А оскільки такі переходи відбуваються часто (з символьною швидкістю, тобто, більше 2000 разів на секунду), і необхідні величини зміни фази сигналу досить випадкові, в результаті, коли модем передає дані, ми чуємо не рівний тон, або послідовність тонів, а "шипіння", тобто, в середньому всі частоти в робочій смузі використовуються однаково часто. Якщо розглянути спектр сигналу за тривалий період часу, він буде рівномірним, з центром, що збігається з частотою вихідної несучої, простягаються у ширину симетрично ліворуч і праворуч від центральної частоти несучої на смуги частот, рівні половині символьної швидкості.
Таким чином, для розглянутих протоколів ширина спектру сигналу дорівнює символьної швидкості.
Зупинимося поки на цьому, і подивимося, що ж надає нам телефонна лінія. А вона нам надає зобов'язання пропускати наші сигнали до віддаленого абонента в смузі частот від 300 до 3400 герц, і, будемо сподіватися, без спотворень. Очевидно, що модем повинен вибрати таку несучу і таку символьну швидкість, щоб несуча помістилася рівно посередині між 300 і 3400, а символьна швидкість була в точності дорівнює 3400-300. Це - необхідна і достатня умова для того, щоб спектр сигналу модему рівно зайняв весь наданий канал. Якщо він займе менше, значить частина каналу буде невикористані, і модем зможе передати менше інформації, ніж міг би. Якщо він займе більше, то частина спектру буде обрізано і віддалений модем його не отримає, а, отже, не отримає і частини переданої інформації. Взагалі, є теоретична межа пропускної здатності каналу, який не можна перевищити ніякими силами. Скільки б ми не намагалися, і як би ми не пристосовували форму нашого сигналу до параметрів лінії, ми не зможемо передати інформації більше цього теоретичної межі. Таким чином, головне завдання модему - так пристосуватися до каналу, щоб передати через нього все, що канал може пропустити.
Продовжимо тепер про модуляцію. До парі параметрів сигналу - центральній частоті і шириною спектру (тобто частоті несучої і символьної швидкості) нам треба знати про третій визначає параметр - назвемо його глибиною модуляції. Хоча це не до кінця правильний термін в даному застосуванні, але сильно схожий. Він говорить про те, скільки різних станів може бути у переданого сигналу. Згадаймо, що модем передає один символ (не букву!), Якийсь час. А потім - другий символ. Символи відрізняються один від одного. Так скільки ж усього може бути різних символів? Це залежить, головним чином, від того, скільки різних амплітуд і фаз ми можемо передати в канал так, щоб з протилежного боку їх ще не плутали один з одним. Іншими словами, скільки градацій по амплітуді і фазі ми можемо вибрати так, щоб з того боку вони ще однозначно відрізнялися. Як нескладно порахувати, наприклад 16 градацій по амплітуді і 16 по фазі дають 16 * 16 = 256 різних станів сигналу, за допомогою яких можна закодувати 8 бітів інформації. У цьому випадку при символьної швидкості, наприклад, в 1000 символів в секунду ми отримаємо швидкість передачі інформації рівно 8000 бітів на секунду. Якщо глибина модуляції менше, тобто число станів сигналу всього 32, приміром, то ми отримаємо 5 біт за символ, тобто 5 кілобіт на секунду. Якщо символьна швидкість зросте до 2000, це буде вже 10 кілобіт на секунду.
На протоколі V.32 кожен символ відповідає групі біт. При цьому ця група, очевидно, складається з цілого числа біт - від 2 до 6. А оскільки символьна швидкість дорівнює 2400 символів в секунду, додавання чергового біта в групу (і збільшення кількості використовуваних символів в два рази, відповідно), призводить до збільшення бітової швидкості на 2400біт / с. Саме тому підтримувані V.32 швидкості - від 4800 до 14400 біт / с з кроком в 2400. Протокол V.34 кодує символи не по одному, а групами по 8 (так званими "кадрами відображення", mapping frames). При цьому кожна група має деякі параметри (амплітудну обвідної), загальні для всіх 8 символів. За рахунок цього на один символ може припадати "дробове" кількість біт. Однак з міркувань сумісності, список підтримуваних бітових швидкостей і на V.34 складається зі швидкостей, кратних 2400, навіть якщо символьна швидкість вибрана не 2400, а більша. Наприклад, відома Вам швидкість 33600 біт / сек виходить при передачі 79 біт на групу з 8 символів на символьної швидкості 3429.
А тепер знову подивимося на те, що нам надає лінія. З точки зору збільшення числа станів сигналу, вона надає нам параметр, іменований динамічним діапазоном. Тобто різницю між найгучнішим і самим тихим сигналом, який лінія ще може пропустити без спотворень. Зверху це зазвичай обмежується перевантажувальної здатністю каналу, а знизу - рівнем шумів каналу. Інакше це ще називають співвідношенням сигнал / шум (SNR), тобто у скільки разів сигнал на приймальній стороні голосніше шуму, до нього домішується. При цьому пам'ятають про те, що збільшення гучності сигналу понад межі, що допускається лінією, неможливо.
І, нарешті, ще раз про перешкоди. Всі вони зводяться до того, що модем або тимчасово перестає розрізняти сигнал, або зовсім втрачається точка прив'язки, тобто відбувається так званий зрив синхронізації, і модем вже не може без спеціальних процедур відновлення (retrain) нормально відокремлювати ні символи один від одного, ні зрозуміти , наскільки фаза сигналу відрізняється від зразкової.
Тепер коротке резюме всього викладеного.
Параметри каналу (лінії), що надається нам, характеризуються центром і шириною смуги пропускання (в нормі - 300-3400 герц), рівнем шумів і спотворень, і максимальним рівнем сигналу, ще пропускається без помітних спотворень. Сигнал / шум - це характеристика того, як сигнал пройшов через канал, і що вийшло на приймальному кінці.
Параметри сигналу модему характеризуються центром і шириною спектру (частота несучої плюс і мінус половина символьної швидкості), і глибиною модуляції, тобто числом можливих градацій станів сигналу.
Параметри каналу обмежують у принципі швидкість передачі інформації з одного боку, а модем працює тим краще і тим швидше її передає, чим повніше він займає канал, і чим ближче параметри генерованої ним сигналу збігаються з можливостями, які надаються каналом.