Az eddigiekből kiderülhetett, hogy a nagy sebesség eléréséhez az eddig alkalmazott technológia nem megfelelő. A telefonvonal kis sávszélessége nem teszi lehetővé 33600 bit/s feletti sebesség elérését. A digitális központok megjelenésével a központok között az átvitelt - akár hang, akár adat - digitális jelekkel továbbítják, rendszerint a PCM (Pulse Code Modulation, impulzus kód moduláció) felhasználásával történik. Ahhoz, hogy megértsük a működést, meg kell ismerkednünk az analóg-digitális-analóg átalakítás folyamatával.

Az analóg-digitális átalakítás (Analog-Digital Conversation, ADC)

Az analóg-digitális átalakítás tulajdonképpen az időben és amplitúdóban folytonos (rendszerint folyamatosan változó) jelértékek rögzítése és meghatározott idejű és értékű adatok formájában. Bonyolultnak tűnhet a megfogalmazás, de nem az. Nézzük meg a 43. ábrát, ahol egy analóg és egy digitális jelet láthatunk.


43. ábra. Az analóg és a digitális jel összehasonlítása

Már az előző részekben is volt róla szó, de most ismételjük át egy kicsit az alapokat. Az analóg jel értéke két szélső érték között gyakorlatilag bármilyen értéket felvehet és ráadásul időben ezt bármikor megteheti. A digitális jel esetében ez nem mondható el. A jel állapota csak meghatározott időben változhat meg, ráadásul csak két értéket vehet fel. Az analóg-digitális átalakításnak ezt a kettős problémát kell áthidalnia.
A analóg-digitális átalakításhoz a 44. ábrán látható rendszert használják.


44. ábra. Az analóg-digitális átalakító vázlatos felépítése

Az időben folyamatosan változó jeleket nem lehet digitális formában tárolni, ezért első lépésként meg kell oldani, hogy az analóg jel látszólag csak meghatározott időben változzon meg, amikor meg tudjuk határozni a nagyságát. Ezt valósítja meg a mintavevő áramkör. Ez tulajdonképpen egy kapcsoló, amely a bemenetére kötött analóg jelet csak az órajel által meghatározott időpontokban adja az átalakítóra. Ezt a folyamatot nevezzük mintavételezésnek. A jel most már tulajdonképpen csak megadott időnként változik, amit a 45. ábrán láthatunk is.
 
 


45. ábra. A mintavételezés hatása az analóg jelre.

A mintavevő kimenete egy tartóáramkörre kerül, amelynek a feladata a mintavételezett jel állapotának tartása addig, amíg a feldolgozása megtörténik. Értelem szerűen ez az idő nem lehet nagyobb, mint amennyi a két mintavételezés között eltelik. A tartóáramkör kimenete a kvantáló bemenetére csatlakozik. Ennek az egységnek a feladata a most már időben nem folyamatos analóg jel digitálissá alakítása.

Az átalakítás során nagyon fontos, hogy milyen szélességű (mennyi bitből fog állni) lesz a digitális jel. A bitek száma meghatározza, hogy mennyi különböző értéket lehet megkülönböztetni. Az átalakító minimális és maximális feszültsége közötti tartományt annyi részre osztják fel, amennyi a digitális állapotok száma. Például 8 bites kódolás esetén az állapotok száma 28, vagyis 65536. Ha az átalakító 0 és 10 V közötti analóg jelek fogadására képes, akkor a 10 V-ot el kell osztani 65536-tal és így megkapjuk a legkisebb tárolható feszültségkülönbséget. A kvantálás folyamata látható a 46. ábrán.
 
 


46. ábra. A kvantálás folyamata

A kvantálás több módon is megtörténhet, a legegyszerűbb, és ezzel együtt a leggyorsabb de a legdrágább megoldás a létrahálózatos átalakító. A működést ezen keresztül szeretnénk bemutatni. A rendszer felépítése a 47. ábrán látható.


47. ábra. Közvetlen (létrahálózatos) kvantáló

Az egyszerűség kedvéért a digitális információ legyen 3 bites, amivel összesen 8 különböző feszültségértéket leszünk képesek megkülönböztetni. A megoldás leglényegesebb része a feszültségosztó. A feszültségosztó ellenállásokból álló hálózat, amely a bemeneti feszültséget az ellenállások arányában képes leosztani.

A feszültségosztó egyszerűsített felépítését mutatja a 48. ábra.
 
 


48. ábra. A feszültségosztó felépítése

A bemenetre Ube feszültséget kapcsolva a kimeneten Uki feszültség jelenik meg. Mindkét ellenálláson ugyanaz az I áram folyik át a soros kapcsolásnak megfelelően. Ohm-törvény értelmében

, de az is igaz, hogy 

Ennek megfelelően felírható az áram a következőképpen:

Keresztbe szorzunk R1-el és R2-vel, így kapjuk az alábbi formát:

Mivel az I számunkra nem fontos, hagyjuk ki a képletből, ezzel együtt szorozzunk be R2-vel:

Rendezzük az egyenletet úgy, hogy egy oldalon legyenek az U2-tőt tartalmazó szorzatok:

Emeljük ki a jobb oldalon az U2-tőt:

Mivel U2-re vagyunk kíváncsiak, osszuk el az egyenletet (R1 + R2)-vel. Így az eredmény kis rendezés után:

A 47. ábrán látható, hogy a létrahálózat egy referenciafeszültségre kapcsolódik. Ez határozza meg a legnagyobb érzékelhető feszültséget, míg a legalacsonyabb a példában 0V. A 8 ellenállás pontosan nyolc egyenlő részre osztja a 0-Uref közötti feszültségtartományt. Ahhoz, hogy el tudjuk dönteni, hogy a bemeneti feszültség mekkora amplitúdójú, komparátorokat alkalmazunk.

A komparátorok olyan elektronikus áramkörök, amelyek képesek a két bemenetükre kapcsolt feszültség közül a nagyobbikat, vagy a kise4bbiket kiválasztani. Összesen hét komparátorra van szükség a nyolc kilenc állapot megkülönböztetésére (0 és az Uref is benne van az állapotok számában). Minden komparátor egyik bemenete a bemeneti feszültségre kapcsolódik. A másik bemenet az ellenállásháló megfelelő pontjához van csatlakoztatva. A komparátor kimenete akkor lesz 1-es, ha a bemeneti feszültség nagyobb lesz, mint az ellenálláshálón eső feszültség. Így lehetőség van az összes feszültségszint megkülönböztetésére. Minél nagyobb a bemeneti feszültség, annál több komparátor kimenete lesz magas szinten. A hét kimenetből kell előállítani a 3 bites digitális információt, amire egy kódoló áramkört használunk.

A megoldással tehát a bemenetre adott feszültség digitálisan kódolva megjelenik az átalakító kimenetén. A megoldásból látható, hogy 8 bites információhoz 255 komparátorra lenne szükség, ami a megoldást nagyon drágává teszi.

Nem csak ez az egyetlen módszer az analóg-digitális átalakításra, de ez a legegyszerűbb és az egyik leggyorsabb, ugyanakkor a sok komparátor miatt a legdrágább megoldás is.

Hibák az átalakítás során

Már talán feltűnhetett, hogy ez a művelet nem veszteségmentes. Az átalakítás során hasznos információk veszhetnek el. Az egyik probléma, hogy nem folyamatosan digitalizáljuk a bemeneti jelet. Két mintavételezés között az analóg jel minden változása elveszik. A másik probléma, hogy a kvantálás során az analóg értékeket közelíteni kell az éppen rendelkezésre álló jelet. Ezt akkor látjuk a legjobban, ha a közvetlen átalakítás felépítését ismét átgondoljuk. A két komparátor feszültsége közötti feszültségértékekkel az átalakító nem tud semmit sem kezdeni, azokat mindig az alsó értéknek fogja venni, hiszen a következő komparátor még nem képes átkapcsolni. Ezt nevezzük kvantálási hibának.

A mintavételezés során bekövetkező adatvesztés csökkenthető a minták számának növelésével, vagyis a mintavételezés idejének a csökkentésével. A mintavételezés problémájára a megoldást Shannon fogalmazta meg, ezért nevezzük Shannon-féle mintavételezési tételnek. A tétel kimondja, hogy a mintavételi frekvenciát úgy kell megválasztani, hogy az az analóg jelben előforduló jelek legmagasabb frekvenciájának minimálisan a duplája legyen. Gyakorlatban a biztonság növelése érdekében általában egy nagyságrenddel (egy nagyságrend tízszeres szorzót jelent) nagyobb mintavételi frekvenciát használnak, mint amekkora az analóg jel legnagyobb frekvenciája. Természetesen nem csak ezekkel a problémákkal találkozhatunk az átalakítás folyamán, de ezek ismertetésétől eltekintünk, mivel nem ez a cikk célja.

Az információ bemeneten tartását nem mindig úgy oldják meg, mint ahogyan láttuk. Sokkal biztonságosabb, ha a digitális információ tárolásáról gondoskodunk, ami kétállapotú tárolókkal megvalósítható.

A digitális-analóg átalakítás (Digital-Analog Conversation, DAC)

Értelem szerűen a vevő oldalán a digitális információt vissza kell alakítani analóg jelekké, mivel a modemnek ilyen jelekre van szüksége.

A digitális-analóg átalakítás két lépésben történik meg. Mint már tudjuk, a digitális információ tulajdonképpen diszkrét értékű és diszkrét idejű adatok sorozata. Első lépésként ebből állítunk elő diszkrét értékű, de időben már folyamatos jelet. A második lépésben egy helyreállító (rekonstruáló) szűrő segítségével ezt a jelet folytonos értékű, időben is folyamatos jellé simítunk. A megoldás vázlatát mutatja a 49. ábra.


49. ábra. A digitális-analóg átalakítás vázlatos működése

A DA átalakítóknak elméletileg három eltérő megvalósítását különböztethetjük meg. Ezek:

  • Párhuzamos eljárás. Tulajdonképpen direkt átalakításnak is tekinthető.
  • Súlyozott eljárás.
  • Számláncot alkalmazó eljárás.
Ezeknek az eljárásoknak a működési elve az 50. ábrán vehető szemügyre.
 
 


50. ábra. A DA átalakítók működési elve

A párhuzamos eljárásnál minden kimeneti feszültségeket előállítunk. Mindig azt a kapcsolót kell zárni, amelyhez a megfelelő kimeneti feszültség tartozik. A feladatot egy dekódoló áramkör végzi el. Ez a bemeneti információnak megfelelő kimenetének a magas szintre állításával kapcsolja a megfelelő kapcsolót.

A súlyozásos megoldás esetében a digitális információ közvetlenül képes az analóg jelet meghatározni, nincs szükség dekódolóra. Ebben a megoldásban minden bit egy kapcsolót működtet. A kapcsolóra a helyértéknek megfelelő ellenállások kapcsolódnak. Ezzel biztosítható a megfelelő kimeneti feszültség.

A számláncos megoldás csak egyetlen kapcsolót igényel. Ezt egy áramkör periodikusan nyitja és zárja. A nyitási és zárási idő arányát egy számlálóval állítjuk be. A kimenetre kapcsolódó kondenzátor ennek az időaránynak megfelelő kimeneti feszültséget állít elő. A számláló beírását a digitális információval végezzük el.

Természetesen a kimeneten egy lépcsős jel jelenik meg, ahogyan az 51. ábrán látható (a piros vonal mutatja az eredeti analóg jelet). Ez megfelel annak, amit az előzőekben már leírtunk. A következő lépésben a diszkrét értékű jelet kell folyamatossá alakítani.
 
 


51. ábra. A DA átalakító kimenetén megjelenő jel alakja.

A DA átalakító kimenetén megjelenő lépcsős jel ugrásszerű átmenetei tartalmaznak olyan magas frekvenciájú jelösszetevőket, amelyek az eredeti jelben nem voltak jelen. Ezeknek kiszűrésére egy aluláteresztő szűrőt használunk. Ennek a sajátossága, hogy csak egy határfrekvencia alatti frekvenciájú jeleket enged át, az ennél nagyobbakat nem. Ennek a szűrőnek a kimenetén már egy időben és értékben is folyamatos jel jelenik meg. Az aluláteresztő szűrőn múlik a kimeneti jel tisztasága, ezért nagyon fontos ennek megfelelő elkészítése. A mai modern, integrált átalakítók az esetek többségében már tartalmazzák ezt a szűrőt, ami megfelelően van hozzáillesztve az átalakítóhoz.

Digitális adatátvitel a telefonvonalon keresztül

A feladat az , hogy az analóg, beszédcélú vonalakon digitális információt vigyünk át. Erre egy ma már nagyon gyakran alkalmazott megoldást használnak. A technika a PCM (Pulse Code Modulation, impulzus kód moduláció) nevet viseli.

A telefonvonal sávszélessége 300 Hz-től 3400 Hz-ig terjedő tartományból kifolyólag körülbelül 3,1 kHz nagyságú. Ahhoz, hogy az analóg jelekből olyan digitális információt képezhessünk, amelyet azután vissza is tudunk állítani, a Shannon-tételnek megfelelően minimum a legnagyobb frekvencia kétszeresével kell az analóg jelet mintavételezni. A gyakorlatban 8 kHz-es mintavételi frekvenciát, az analóg jel kódolására pedig 8 bites adatokat használnak. A kódolás logaritmikus kódolású. Ennek oka, hogy az emberi fül ilyen karakterisztikájú, vagyis körülbelül tízszeres hangnyomást érzékelünk kétszer akkorának.

Mivel a mintavételi frekvencia 8 kHz és minden információt 8 bittel kódolunk, ebből következik, hogy az adatátviteli sebesség 8 * 8 = 64 kbit/s. A túloldalon ezt az információt alakítják vissza.

A PCM kódolást nem csak erre a célra használják. Sok helyen a telefonközpontok közel maximális kapacitással működnek. A bővítés helyett lehetőség van egy vonal több részre bontására a PCM technikával. Ilyen esetekben a beszélgetés közben nem vesszük észre a megosztást (talán csak a lassabban megjelenő tárcsahang figyelmeztet minket erre). Más a helyzet viszont adatátviteli célok esetén, mivel a sebesség drasztikusan, 20 kbit/s alá csökken. Ez a technológiai sajátosságokból adódik.

Nagysebességű analóg modemek

Mint már tudjuk, a V.34 szabványnak megfelelő modemek 28800 bit/s-os adatátviteli sebességre képesek. Ennek az sebességnek a növelése a technológiai sajátosságokból adódóan nem lehetséges. A megoldás a digitális technikában és a PCM kódolásban rejlik.

A hagyományos V.34-es modemek az analóg jeleket modulációval állítják elő, amit a telefonközpontok átalakítanak digitális PCM jelekké. Ezt továbbítják, majd a vevőoldali központok visszaalakítják analóg jelekké. Ezeket demodulálja a modem. Látható, hogy az adatátvitel két modulációt és két átalakítást tartalmaz. Ha figyelmesek vagyunk, feltűnhet egy érdekes tény: a digitális jelből analógot csinálunk, amiből a központ digitálist, majd a túlsó oldalon ismét analógot, amiből a modem digitálist. Mint látható, a folyamatban vannak felesleges lépések. A sebességet csak ezek kiiktatásával lehet növelni.

A megoldás működését az 52. ábra mutatja.


52. ábra. Nagy sebességű analóg modemek működése

A szolgáltatónál digitális modemet helyezünk el. Ez képes arra, hogy az információkat a nyilvános telefonhálózat által kezelt formátumban tudja továbbítani. Ezt a vevő helyi központja alakítja át analóg jellé, amiből már a számítógéphez csatlakoztatott modem képes demodulációval a digitálisinformáció kinyerésére. Ezzel a megoldással nincs szükség arra, hogy drága digitális modemet vásároljunk, analóg modemmel is elérhetővé válik 56 kbit/s-os adatátviteli sebesség abban az esetben, ha az a szolgáltatótól felénk irányul (vagyis letöltünk valamit). A feltöltéssel már egy kicsit más a helyzet. Ebben az esetben megmarad a már ismertetett folyamat, tehát a szerver oldali telefonközpont átalakítja a kapott digitális információt analóggá, amiből a szerver modemje demodulációval állítja elő a digitális információt. Ez teljes egészében megfelel a V.34 szabványnak, azzal a különbséggel, hogy lehetőség van 33,6 kbit/s-os sebesség elérésére.

Mint a fentiekből is látható, az új technológia asszimetrikus felépítésű, a feltöltéshez 33,6 kbit/s-os, a letöltéshez pedig 56 kbit/s-os sebességet biztosít. Fontos megemlíteni, hogy ezek elméleti technológiai értékek. A gyakorlatban ezek eltérhetnek, letöltés esetén a 40 kbit/s-os sebesség már elfogadható érték.

Mikor a ez a technika megjelent, két szabvány is megjelent támogatására. Az egyik legnagyobb modemgyártó, a US Robotics 1996 októberében kibocsátotta a saját technológiáját, amit X2-nek neveztek el. Ezt a megoldást támogatta többek között a Cirrus Logic, Hitachi és az AT&T is.

A másik vonalat a Lucent Technology és a Rockwell által készített K56flex technika képviselte. Ehhez is több gyártó csatlakozott hozzá, többek között a Hayes, Motorola, Microcom, MultiTech, Xircom, ZyXEL, Intel, Cisco, Ascend, Bay Networks és Hewlett-Packard.

Mindkét rendszer megfelelt a követelményeknek, hasonló kódolási mechanizmust használtak, de sajnos nem voltak egymással kompatibilisek. Ez felvetette azt a problémát is, hogy nem mindegyik modem volt képes mindegyik szolgáltatóval együttműködni. Ennek kiküszöbölésére készítették el a V.90 szabványtervezetet, amely feladata volt összefogni ezt a két technológiát és az előnyeiket megfelelő módon kamatoztatni. A V.90 szabvány végleges formáját 1998 októberében kapta meg.

A V.90 szabvány inkább hasonlít a K56flex szabványra. Ennek oka, hogy ezt jóval több gyártó terméke támogatja. Fontos volt a V.90 kialakításánál a régi rendszerekről való áttérés lehetősége lehetőleg új hardver vásárlása nélkül. Az X2 esetében ez nem egyszerű dolog, viszont a K56flex modemeknél egy egyszerű szoftveres programmal megvalósítható. Ezek a modemek a különböző beállításaikat már egy elektronikus úton olvasható és írható tárolóban tárolják, amelyet a gyártó által kiadott programmal módosíthatunk.

A ma kapható új modemek kivétel nélkül megfelelnek a V.90 szabványnak. Megvalósításukat tekintve lehetnek külső és belsők egyaránt, valamint találhatunk közöttük hardveres (inkább a külsők) és szoftveres (általában a belsők) működésűeket egyaránt.

Az ISDN modemeknél nincs átalakítási, valamint modulációs probléma. Mivel az egész rendszer digitális jelekkel dolgozik, ezért az átvitel is így valósul meg. A csatornák kialakítása miatt a két számítógép között fix 64 kbit/s kapcsolat áll fenn. Természetesen lehetőség van több csatornát is bevonni az átvitelbe, ebben az esetben a sebesség 64 kbit/s egész számú többszöröse lehet.

Ezzel a résszel az OSI modell fizikai rétegének az ismertetését befejeztük. A következő résztől kezdődően az adatkapcsolati réteggel ismerkedhetünk meg.