Vyšlo v měsíčníku Telefon, č. 10/2001

Bohatství místních smyček - část II., analogové modemy

Vraťme se ještě jednou k postatě místních smyček, o kterých je celý tento seriál. Jde o metalické vedení, propojující koncovou lokalitu (místo výskytu zákazníka, konkrétně telefonní zásuvku) s nejbližší telefonní ústřednou konkrétního telekomunikačního operátora. Drtivá většina místních smyček v ČR patří Českému Telecomu, který je vybudoval pro potřeby své telefonní sítě ještě v době, kdy měl monopolní postavení na trhu. Původním určením místní smyčky sledovaly potřeby přenosu hlasu po telefonní síti - dnes se je ale snažíme využít i pro potřeby přenosu dat, ve všech jeho formách i pro všechny různé účely, například pro připojování k Internetu či jiným datovým sítím.

Analogový přenos po komutovaných linkách

Původní způsob fungování telefonní sítě, v době kdy byla celá ještě analogová, si lze představit následovně: z koncového zařízení jednoho účastníka (analogového telefonu) vycházel analogový signál, "nesoucí" lidský hlas nasnímaný mikrofonem. K nejbližší telefonní ústředně procházel přes příslušnou místní smyčku, kterou měl celou jen a jen ke své dispozici. Na první ústředně byla místní smyčka propojena s dalším vedením, které tento signál vedlo dál, buď přímo ke druhému účastníkovi nebo k další ústředně atd. Způsobu, jakým na ústředně docházelo k propojení jedné části vedení (místní smyčky) s jinou částí vedení, se říká "komutace" (doslova: přepojování). Nejnázornější je představit si, jak to probíhalo u nejstarších telefonních ústředen - spojovatelka zde ručně propojila dvě části vedení (zasunutím konektoru do příslušné ždířky). Později to probíhalo již bez zásahu lidské ruky, nejprve sepnutím relé (u reléových ústředen), ještě později pak bezkontaktně, pomocí elektronických obvodů. Princip výsledný efekt byl ale vždy stejný - "komutací" vznikala souvislá přenosová cesta mezi oběma komunikujícími účastníky. Pro posouzení vlastností této přenosové cesty si lze představit, že je ekvivalentní "souvislému drátu", který vede od jednoho účastníka až ke druhému, a analogový signál jím prochází bez jakéhokoli zdržení a jakékoli transformace či jiné úpravy.

U úplně nejstarších telefonních ústředen, ke kterým byli všichni účastníci připojeni přímo, to skutečně takto bylo. Jakmile se ale telefonní síť začala rozrůstat a ústředen bylo více, něco se přeci jen změnilo. Nebylo totiž únosné propojit ústředny velkým počtem individuálních vedení, tak aby pro každý souběžný hovor procházející mezi nimi bylo možné vyhradit samostatné vedení. Místo toho byly ústředny propojeny jedním, zato ale podstatně "propustnějším" vedením, po kterém bylo možné přenášet více telefonních hovorů najednou. Bylo ovšem nutné je na jedné straně vhodně "sloučit" do jednoho proudu a na druhé straně je zase zpětně "oddělit". K tomu se v dobách analogového fungování telefonní sítě používala technika tzv. frekvenčního multiplexu.

Technika frekvenčního multiplexu je technikou analogovou, a lze si ji představit následovně: jednotlivé hovory (v analogové síti) jsou přenášeny pomocí signálu, který se pohybuje v určitém frekvenčním rozsahu - od určité minimální frekvence po určitou maximální frekvenci. Pokud se vhodným technickým opatřením tyto frekvenční rozsahy posunou, v odborné hantýrce "do jiné frekvenční polohy" (samozřejmě každý jinak, tak aby se výsledné rozsahy nepřekrývaly), pak je možné je sloučit do jednoho výsledného signálu a ten přenést po takové přenosové cestě, která to zvládne (která je na to dimenzována). Na druhé straně pak musí dojít k opětnému oddělení jednotlivých signálů a k jejich "vrácení do původní frekvenční polohy" - celou představu ilustruje první obrázek.

Přenosové cesty, propojující telefonní ústředny mezi sebou, však neměly neomezenou přenosovou kapacitu a nedokázaly přenášet libovolně mnoho hovorů současně. Konkrétně omezený byl rozsah frekvencí, který takovýto spoj mezi ústřednami dokázal přenést - a tak bylo celkem přirozené že se hledaly cesty, jak do tohoto omezeného frekvenčního rozsahu "vměstnat" co nejvíce individuálních hovorů.

Řešení se zcela zákonitě našlo v omezení toho, jak velký rozsah mohou "zabírat" jednotlivé hovory. Je to zcela logické - čím bude tento rozsah menší, tím více (hovorů) se pomocí frekvenčního multiplexu podaří vložit do jednoho většího frekvenčního rozsahu. Empiricky (pozorováním) přitom bylo zjištěno, že pro srozumitelnost běžného telefonního hovoru stačí poměrně malý frekvenční rozsah. Konstruktéři veřejné telefonní sítě se konkrétně rozhodli pro rozsah 300 až 3400 Hz, tj. pro "šířku přenosového pásma" (jak se rozsahu frekvencí také říká) 3100 Hz. Jak záhy uvidíme, toto jejich rozhodnutí následně mělo zcela zásadní význam pro naše dnešní snahy přenášet po telefonní síti digitální data.

Jak funguje modem?

Omezení na poměrně úzké přenosové pásmo, zavedené z důvodů popsaných v předchozím odstavci, bylo konkrétně implementováno technickými prostředky na konci místní smyčky (na jejím vstupu do telefonní ústředny). Toto technické opatření má povahu filtru (tzv. pásmové propusti), která dovolí projít jen signálu který svou frekvencí spadá do zmíněného rozsahu, a signály s jinými frekvencemi naopak utlumí (nepropustí).

Jelikož frekvenční rozsah začíná až na 300 Hz, není možné skrz takto fungující telefonní síť přenést tzv. stejnosměrnou složku, neboli signál který se po delší dobu vůbec nemění. Z tohoto, ale i z dalších důvodů, zde tedy není možné použít přenos tzv. v základním pásmu (baseband přenos), při kterém jsou jednotlivé bity reprezentovány úrovněmi napětí, případně velikostí proudu. Tím by totiž vznikl signál, který by telefonní sítí neprošel, resp. byl by tak utlumen a jinak "defomován", že by nebylo možné spolehlivě rozpoznat, jaká data v sobě nese.

Místo toho je pro potřeby přenosu digitálních dat po telefonní síti nutné použít jiné řešení. Založené je na tom, že do telefonní sítě se "pustí" takový signál, který touto sítí projde nejlépe. Tím je signál ve zmíněném frekvenčním rozsahu 300 až 3400 Hz, nejlépe pravidelně se měnící (tzv. harmonický signál, sinusového průběhu). Jeho nevýhodou je ale to, že v sobě nenese žádný "užitečný náklad" v podobě datových bitů. I to ale lze napravit a doslova na něj "naložit" datové bity, postupem který se nazývá modulace.

Modulace harmonického signálu spočívá v tom, že se vhodně mění některý z parametrů tohoto signálu, podle toho jakou binární hodnotu (bit) je třeba přenést. Parametry harmonického signálu, které lze měnit, jsou v zásadě tři: amplituda, frekvence a fáze. Proto také existují tři základní druhy modulace - amplitudová modulace, frekvenční modulace a modulace fázová. Například podstatou frekvenční modulace je to, že se mění frekvence přenášeného signálu (samozřejmě jen v použitelném frekvenčním rozsahu), a to podle toho, jaká logická hodnota má být přenesena. Pokud se při frekvenční modulaci může frekvence měnit mezi dvěma možnými hodnotami, pak každá z nich může reprezentovat jeden bit (logickou nulu nebo jedničku). Jsou-li k dispozici 4 různé frekvence, může každá z nich reprezentovat dvojici bitů, a tudíž každá změna frekvence přenášeného signálu přenese dvojici bitů. Analogicky pro vyšší počty frekvencí i pro ostatní způsoby modulace.

V tuto chvíli jistě už tušíte, co je úkolem zařízení zvaného modem - při odesílání je to zajištění vhodné modulace, a při příjmu zajištění opačného procesu, neboli tzv. demodulace. Ostatně, modem to dokonce má zakotveno již ve svém názvu, protože jde zkratku z MOdulace/DEModulace.

Hranice "modemových" možností

V praxi používané modemy kombinují různé druhy modulace a samozřejmě usilují o to, aby po telefonní lince přenesly co možná nejvíce dat za jednotku času (tj. aby dosáhly co nejvyšší přenosové rychlosti, měřené v bitech za sekundu). Technická dokonalost modemů samozřejmě ovlivňuje jejich "výkonnost" (dosahovanou přenosovou rychlost), ale je jistě na místě otázka, zda technickým zdokonalováním modemů lze na telefonní lince dosáhnout libovolně vysoké přenosové rychlosti.

Odpověď je bohužel záporná. V zásadě říká, že sebedokonalejší modem na telefonní lince určité kvality (dané především množstvím šumu, konkrétně tzv. odstupem signálu od šumu, neboli poměrem intenzity obou) z principu nemůže překonat určitou maximální hranici. Tato hranice je přitom určena jednak kvalitou linky (již zmiňovaným odstupem signálu od šumu), a dále je přímo úměrná šířce pásma, která je k dispozici. Jde přitom o teoretický výsledek, tzv. Shannonův limit (z teorie informací, formulovaný Claudem Shannonem), který je nezávislý na dokonalosti použité technologie.

Na analogových telefonních linkách, s omezením přenosového pásma na 300 až 3400 Hz (a kvalitou vyjádřenou odstupem signálu od šumu 1000:1) vychází Shannonův limit kolem 30 kilobitů za sekundu. Co to v praxi znamená?

Dnes již existují modemy pro analogové linky, které dosahují (za optimálních podmínek) přenosové rychlosti 33,6 kilobitů za sekundu (kbps). To znamená, že tyto modemy jdou skutečně "až na doraz" a maximálně využívají přenosových možností analogové telefonní sítě (včetně některých triků, například využití určité nedokonalosti v omezení frekvenčního pásma). V reálných podmínkách však mohou dosahovat i nižších rychlostí, což je důsledkem horší kvality konkrétní telefonní linky (například silnějšího šumu, poruch apod.).

Efekt komprese a samoopravných protokolů

Na druhou stranu rychlost 33,6 kbps, kterou je vhodné chápat jako maximální přenosovou rychlost na dostatečně kvalitní analogové telefonní lince, je rychlostí nominální. Nejlépe je si ji představit ve smyslu doby, kterou trvá přenesení jedno bitu. Jiná věc je ale význam tohoto bitu.

Dnešní modemy, určené pro analogové linky, totiž mají v sobě zabudovány i další funkce, které mohou "význam přenesených bitů" dosti podstatně ovlivnit. Jde jednak o mechanismus korekce chyb, kterým se modemy snaží eliminovat vliv nejrůznějších chyb při přenosu, a dále mechanismus komprese, který usiluje o efektivní zvýšení přenosových schopností modemu a linky.

Mechanismus korekce chyb funguje tak, že přenáší data po blocích a tyto bloky opatřuje kontrolními součty. Ty umožňují na straně příjemce rozpoznat, zda přenesený blok je či není poškozen, a v případě poškození si vyžádat jeho opakované zaslání. Díky tomu může efektivní přenosová rychlost poněkud klesat oproti nominální, protože některé bity se v rámci opakovaných bloků mohou přenášet vícekrát. Svůj význam má i režie, spojená se zajištěním korekce chyb (například na přenos kontrolních součtů, na správné ohraničení bloků atd.). Také tato režie efektivně snižuje dosahovanou přenosovou rychlost.

Na druhou stranu mechanismus komprese působí opačně a zvyšuje efektivní (skutečně dosahovanou) přenosovou rychlost, označovanou častěji jako tzv. přenosový výkon. Jedná se ale o kompresi, která musí fungovat velmi rychle, prakticky v reálném čase, a musí být "pevně zadrátována" v modemech. Proto nejde o žádnou vysoce výkonnou kompresi, jakou známe například ze softwarových produktů (které nemusí fungovat v reálném čase a mohou využívat velkou výpočetní kapacitu počítače). Dnešní modemy dosahují kompresního poměru až 4:1, který je ale závislý na charakteru přenášených dat. Tomu je třeba rozumět tak, že v optimálním případě může modem "srazit" objem přenášených dat až na čtvrtinu, nejspíše u "hodně řídkých dat" (například u textů obsahujících velké množství stejných znaků). Častěji je ale dosahovaný kompresní poměr podstatně nižší, a může být dokonce i obrácený. To u takových dat, která již jsou zkomprimována jiným, efektivnějším mechanismem komprese. Zde pak komprese zabudovaná v modemech dosahuje záporného efektu a zmenšuje efektivní přenosový výkon.

Skutečně poslední slovo?

Je-li přenosová rychlosti 33,6 kbps na samé hranici principiálních možností daných Shannonovým limitem, jak potom mohou existovat telefonní modemy které slibují rychlosti až 56 kbps? Jde o podvod na uživatelích, nebo na přírodních zákonech (výsledku Clauda Shannona)? Samozřejmě ani jedno ani druhé, modemy na 56 kbps skutečně fungují a nepopírají přírodní zákony. Ale jak je to možné, o tom si povíme zase až příště.