Bilgisayar Mühendisleri Portalı

MODEM ÇEŞİTLERİ

Modem, sayısal bilgiyi gönderen uçta Modüle ederek analoga çevirdikten sonra alan uçta Demodüle ederek tekrar sayısal bilgiye çeviren bir cihazdır. Bu doküman bir sunumu takiben, karakteristiklerine göre bir sınıflandırmayı içermektedir. Daha sonra modemlerle ilgili standartları ve protokolleri bulabilirsiniz. Son olarakta bugünkü durum ve gelecek konusunda bir değerlendirme yer almaktadır.
Birbirinden ayrı bilgisayarlar arasında haberleşme ihtiyacı hali hazırda var olan telefon ağının veri iletimi için kullanımına sebep olmuştur. Birçok telefon hattı ses gibi bir analoga bilgiyi iletmek için tasarlanmıştır. Ancak bilgisayarlar ve çevresel cihazları sayısal formda haberleşirler. Bu yüzden analoga bir ortamın kullanılabilmesi için çevirici bir cihaz gereklidir. Bu çevirici iletilen verinin modülasyonunu ve demodülasyonunu gerçekleştiren modemdir. Modem ikilik düzende seri darbeleri alır, bunları analoga ortamda iletmek için bir analoga büyüklüğe (Genlik, frekans veya faz) dönüştürür ve ayni işlemi bağlantının diğer ucundaki bilgisayar veya veri terminaline sayısal bir bilgi olarak iletmek için ayni işlemi tersten gerçekleştirir
Modemler başlangıçta yalnızca veri terminalleri ve sunucu bilgisayar arasındaki haberleşme için kullanıldılar. Daha sonra modemler, uçtan uca bilgisayarların birbirleri ile haberleşebilmesi için geliştirildiler. Bu tip uygulamalar ilk günlerdeki 300 bas’ lif transfer oranın daha hızlanarak günümüzde 56 Kbps dolaylarına gelmesi ihtiyacını doğurmuştur. Bugün transfer oranının artırılarak daha güvenilir veri iletimi için hata denetimi ve düzeltmesi iletim teknikleri üzerinde çalışılmaktadır.
Değişik üreticilerin, değişik tiplerdeki modemlerinin birbirleriyle uyumlu çalışabilmesi için bazı standardizasyon kuruluşları tarafından arabirim standartları geliştirilmiştir. Bugünün modemleri değişik işlevler için kullanılmaktadır. Bunlar, metin veya ses bazlı posta sistemleri, faks cihazları, notebook bilgisayarlarda veya hücresel telefonlara da bütünleşik veya harici olarak takılarak istenilen herhangi bir yere veri ileten cihazlar olarak kullanılabilmektedirler. Gelecekte de daha başka amaçlar için kullanılacaklardır. Modem hızlarının günümüzdeki 56 Kbps sinirinin üzerine çıkması pek beklenilmemektedir. Daha dramatik hızlar ISDN gibi sayısal telefon sistemlerinin yaygınlaşmasıyla mümkün olabilecektir.

Modemlerin Mesafeye göre sınıflandırılması

Kısa Menzil
Kısa menzil modemler halka açık bir sistemi kullanmayan 15 km’ ye kadar kısa sistemler için kullanılabilen ucuz çözümlerdir. Kısa menzil modemler, eğer iki uçta ayni merkezi telefon sistemine bağlı ise 15 km’ den daha uzun mesafelerde de kullanılabilirler. Bu hatlar “Local loop” olarak anılır. Kısa menzil modemler mesafeye karşı hassastır çünkü işaret hat üzerinden iletilirken zayıflamaya maruz kalır. İletim oranı hatasız ve güvenilir iletim üçün uzun mesafelerde düşürülmelidir.

Kısa menzil modemler diğer modemlerden iki sebepten dolayı daha ucuzdurlar:
1. Demodülatörün taşıyıcı frekansı ve modülatörün frekansı arasındaki farklılığı düzeltecek bir devre dahil edilmemiştir.
2. Genel olarak uzun mesafelerle karsilastirildigin da kısa mesafelerde önemli bir problem olmadığından gürültü geri çevrimini düzeltecek veya azaltacak bir devre eklenmemiştir.

Kısa menzil modemlerin iki ana tipi vardır:
1. Analog modemler, basit bir modülasyon metodu kullanılırlar ve hata denetimi ve eşitleyici gibi karmaşık sistemlerden yoksundurlar. Bu modemler genellikle 9600 bas oranında çalışırlar ancak bazıları 64 Kbps gibi daha yüksek hızları da desteklerler.
2. Hat sürücüleri, Line drivers, konvansiyonel modemler gibi bir taşıyıcı işaret iletmeyip, sayısal işareti yükselterek haberleşme kanalına iletirler. Hat sürücüleri ucuz ve küçüktürler ayrıca doğrudan terminalin RS-232 porsuna bağlanırlar. DC güç kaynağı olarak DTE-DCE arabiriminin işaret voltajını kullanırlar.


Ses Sınıfı
Ses sınıfı modemler oldukça uzun mesafeler için kullanılırlar ve çok düşükten çok yükseğe veri iletim oranlarını desteklerler. Bu modemler çok pahalıdırlar, bakımları ve ayarlanmaları çok karmaşıktır. Haberleşme kanalı olarak kiralık veya Dial-up devreleri kullanabilirler.

Ses bandı telefon ağı veri iletimi için kullanılır. Kullanıcıdan kullanıcıya bağlantı adanmış veya aramalı olabilir. Kullanıcı açısından her iki method arasındaki fark zayıflamadır. adanmış (Kiralık veya hususi) hatlar birçok özelliği karşılamak konusunda garantilidir ancak aramalı bağlantıda bu istatistiksel olarak sağlanabilir.

Geniş Band
Geniş Bana modemleri yüksek hacimli telefon hattı çogullamasi, bilgisayar ağları arasındaki yüksek hızlı bağlantılar için kullanılırlar. Bu modemler çok yüksek hızlı veri iletim oranlarını sağlarlar.

Modemlerin Hat Tipine Göre Sınıflandırılması

Kiralık veya Hususi
Kiralık, hususi veya adanmış hatlar (Genellikle 4-tel) kiralık hat modemlerinin kullanımı içindir. Basit uçtan uca bağlantılar veya çok uçlu bir bağlantı sistemi için kullanılırlar. Eğer iletim ortamı bir telefon ağı ise belirli özellikleri sağlayacak şekilde garantilidir ancak link herhangi bir radyo iletimini içeriyorsa kalitesi anahtarlamalı bir devre kadar değişken olabilir.

Dial-up
Dial-up modemler PSTN üzerinden manuel veya otomatik arama veya cevap verme kombinasyonlarının herhangi bir kombinasyonunu kullanarak uçtan uca bağlantılar gerçeklestirbilirler. Devrenin kalitesi garanti edilmez ancak her telefon şirketinin bu konuda amaçlar belirlemişlerdir. bağlantılar her zaman 2 telli hatlar üzerinden gerçekleştirilir zira 4 telli arama zahmetli ve pahalı bir metodudur.

İki ve Dört Telli Hatlar
Dört telli bir hat, bir çift iki telli hattır. Bu çiftlerden biri alim, diğeri ise gönderim için kullanılır, böylelikle iki yöne doğru işaretler birbirinden tamamen ayrılmış olur. Mükemmel ayrım dört tel konfigürasyonu alıcıdan vericiye kadar sağlandığında gerçekleşir. Hatlar işaret yolu boyunca herhangi bir noktada (hybrid transformer) birleştirilebilir. Bu durumda empedans uyumsuzluğu yansımalara ve iki işaret arasında etkileşimlere sebep olabilir.


Modemlerin Çalışma Sekline Göre Sınıflandırılması

Half Duplex
Half Duplex işaretlerin iki yönlü ancak ayni anda bir yöne doğru iletilebilmesi anlamına gelir. Bir telefon kanalı sıklıkla iletimin yalnızca tek bir yönde yapılmasına izin veren bir yankı yakalayıcı, echo-suppressor, içerir. Bu kanalı half-Duplex’ e çevirir. yankı yakalayıcılar yavaş yavaş teorik olarak full-Duplex cihazlar olan yankı dengeleyiciler, echo cancelers, ile değiştirilmektedirler.

Bir modem iki telli bir hatta bağlandığında, çıkış empedansı hattın giriş empedansı ile tam olarak eşit olmaz, bu yüzden iletilen işaretin bir kısmi (Genellikle kötü olarak değişerek) her zaman geri yansır. Bu yüzden half-Duplex alıcılar, lokal gönderici aktif iken iptal edilirler. Half-Duplex modemler full-Duplex modada da çalışabilirler.

Full Duplex
Full Duplex işaretlerin ayni anda iki yönlü iletilebilmesi anlamına gelir. Full Duplex çalışma sekli alınan işaretin gönderilen işaretin yansımasından ayrılabilmesi yeteneğini gerektirir. Bu ye gönderiş ve alış işaretlerinin farklı frekans bandlarinda yer aldığı ve filtreleme ile birbirinden ayrıldığı FDM (frequency division multiplexing) ile veya yankı dengeleme, Echo Canceling (EC) ile yapılır.
Full-Duplex teriminin anlamı modemin tam hız ile iki yönlü iletim yapması anlamına gelir. Düşük hızlı ters kanal iletimi sağlayan modemler dagitik hızlı, split-speed, veya asimetrik modem olarak adlandırılırlar. Full Duplex modemler half Duplex kanallarda çalışmazlar.

Simplex
Simplex işaretin yalnızca bir yönde gedebilmesi demektir. Bu çalışma seklinde data iletimi yalnızca bir yönde gerçekleşir.


Echo Suppressor ana Echo Cancalar
Genellikle iki telli bir devre olan Local loop ve dört telli bir devre olan trunk’ in bağlantı noktasında yansımalar meydana gelir. Bu yansımanın etkisi, telefonla konuşan kişinin bir süre sonra kendi sesini duymasıdır. Psikolojik araştırmalar bu etkininin birçok insani rahatsız ettiği ve karşılıklı konuşma esnasında kafa karıştırdığını ortaya koymuştur. Bu problemi ortadan kaldırmak için 2000 km’ den uzun hatlar üzerinde yankı bastırıcılar kurulmuştur. Kısa hatlarda yankılar çok hızlı geri geldiginden konuşan kisi bunu algılayamaz. yankı bastirci bağlantının diğer ucundan gelen insan sesini algılayan ve diğer yöne giden tüm işaretleri bastıran bir cihazdır. Bu cihaz kapılarının iki ucundan giren işaretlerin seviyelerini karsılaştırır ve bir uç konuşurken ters istikamette bir zayıflatıcı etki uygular.
Bu cihazlar veri iletişimi için arzu edilmeyen özelliklere sahiptirler. Öncelikle, bana genişliğinin bir kısmini ileri geri kalan kısmini da geri kanal için ayirarak, iki telli bile olsa hatta full Duplex iletişimi engellerler. Half Duplex yeterli bile olsa yönleri anahtarlamak için gerekli süre uzun olacağından problem oluştururlar. İki yönlü iletim bu cihazların sürekli olarak tek yönlü olarak hatta uyguladıkları zayıflamanın tekrarına sebep olabilir. Ayrıca bu cihazlar sayısal veri üzerine değil insan sesine duyarlı olarak geliştirilmişlerdir.
Bu problemleri azaltmak için yankı bastırıcılar belirli bir tonu tespit ettiklerinde kendilerini devre dişi bırakırlar ve taşıyıcı bir işaret mevcut olduğu sürece de kapalı kalırlar. (Bu, denetim işaretlerinin, kullanıcı tarafından erişilebilir bana içinde yer alan kontrol işlevlerini aktif veya reaktif ettiği, inband signalling’ e bir örnektir). Bu devre dişi bırakma işlemi başlangıçtaki el-sıkışma, handshaking sirasinda bir modemin 2100 Hz (CCITT) veya 2225 Hz (Eski Bele 103 standardına uyan modemler) de bir cevap tonu göndermesiyle yapılır.
Yankı bastırıcılar yavaş EC’ lar ile değiştirilmektedirler. Bunlar belirli bir miktarda es-zamanlı konuşmaya izin verirler ve konuşan taraflardan birinin bağlantının denetimini ele geçirmesi için bir yakalama zamanına ihtiyaç duymazlar.

Modemlerin Senkronizasyonlarına Göre Sınıflandırılması

Asenkron Modemler
1800 bas’ e kadar çalışan modemlerin birçoğu senkrondur. Asenkron modemler FSK modülasyonunda çalışırlar ve iki frekansı gönderim, diğer iki frekansı da alim için kullanırlar. Asenkron modemler değişik seçenekler kullanılarak iletim ortamına bağlanırlar:
Asenkron Veri
Asenkron veriye herhangi bir clock işareti eslik etmez, gönderen ve alan modemler yalnızca iletilen verinin nominal oranını bilirler. Modemlerin clock’ una rölatif olarak verinin kaymasını önlemek için veri çok kısa bloklar (Karakter) halinde pencerelere bitleri (Başlangıç ve bitiş bitleri) ile gruplanır. Bunun için en yaygın kodlama çift eslik ile 7-bit ASCII kodudur.


Senkron Modemler
Senkron modemler ses dolmeninde çalışırlar ve ses hatları üzerinde 28.8 Kbps oranına ulaşırlar. Senkron veri kullanırlar. yaygın modülasyon metodlari faz modülasyonu ve 4800 bps üzeri oranlar için entegre faz ve genlik modülasyonudur.
Senkron modemlerde, telefon hatlarının uyumsuzluğunu dengelemek için eşitleyiciler kullanılır. Bu eşitleyiciler bazen halihazırda telefon hatlarında kurulu olan eşitleyicilere dahil edilirler. Bu eşitleyiciler üç ana grupta sınıflandırılabilirler:

1. Sabit/İstatistiksel eşitleyici - Bu eşitleyiciler her frekansta bilinen ortalama zayıflamaya göre işareti dengelemektedirler. Eşitleyicideki ayarlama bazen üretimde yapılır ve sabitlenir, genellikle bir Dial-up hatta düşük oranlarda çalışma için kullanılırlar.
2. Manuel ayarlı eşitleyici - Bu eşitleyiciler verilen bir hattaki performansı iyileştirmek için ayarlanabilirler. Bu eşitleyiciler periyodik olarak ve hat değiştirildiği zaman yeniden ayarlanmalıdırlar. Özellikle hat düşük kalitede ve parametreleri sıklıkla değişiyorsa sık sık yeniden ayarlanmalıdır. Bu modem üzerindeki bir anahtar aracılığı ile gerçekleştirilir.
3. Otomatik eşitleyici - Bu eşitleyiciler bağlantı kurulduğunda otomatik olarak ayarlanırlar. Belirli bir andaki hat kalitesine göre 15 MS’ den 25 MS’ ye varan bir işlem ile ilk ayarlamadan sonra, eşitleyici hattı örnekleyerek değişen koşullara göre kendini ayarlar ve modem her an optimal koşullarda çalışır. Uyum işlemi bazı modemlerde saniyede 2400 kez çalışır.
Senkron modemler, Asenkron modemlerle ayni mantıkta çalışırlar. Ancak senkron modemler daha hızlı oranlarda çalışırlar ve bu alandaki buluşların birçoğu senkron modemler için uyarlanmışlardır. Senkron modemlerde haberleşme kanalı değişik noktalara değişik hızlardaki bağlantılar için ayrılabilir.

Senkron Veri
Senkron veriye bir clock işareti eslik eder. Senkron veri her zaman bloklar halinde gruplanır. Veri kaynağının sorumluluğu pencerelere kodları ile birlikte bu blokları birleştirme ve BISYNC, SDLC veya HDLC gibi bir protokole göre hata denetimi ve düzeltimi için gerekli bitleri eklemektir. Veri kaynağı ve hedef modemin bu veriye saydam davranmasını bekler ve modem de veri iletimi durduğu durumları göz ardı edebilir.

Modemlerin Modülasyon Tekniklerine Göre Sınıflandırılması

Telefon hatları gibi haberleşme kanalları analoga ortamlardır. analoga ortam bant genişliği sinirli ortamlardır. Telefon hatlarında kullanılabilir bant genişliği frekansları 300 Hz - 3300 Hz aralığı içindedir. Veri iletimi sayısal bilginin bir yerden diğer bir yere haberleşme kanalları ile iletilmesi manasına gelir. Bu sayısal bilgi “0” ve “1” anlamına gelen kare dalga sekline sahiptir.
Analoga ortam üzerinde iletilen bu tip sayısal işaretler analoga ortam tarafından bozulur. Bu işaretleri alan alici bu gelen bozuk işaretleri doğru bir şekilde yorumlayamayacaktır. Bu sayısal işaretler analoga işaretlere dönüştürülmesiyle bu bilgi haberleşme kanalları aracılığı ile iletilebilir hale gelirler. Bu değişimi sağlayan tekniğe modülasyon adi verilir.
Modülasyon temel analoga işareti bilinen belirli bir şekilde değiştirerek bilgiyi o temel işaret içinde kodlamaktır. Bu analoga işaretin herhangi bir şekilde ölçülebilir herhangi bir büyüklüğü değiştirilip alici uçta bu değişikliklerin tespiti ile bilgi iletimi için kullanılabilir. Değiştirilen işarete taşıyıcı işaret denir çünkü bu işaret haberleşme kanalı boyunca bir uçtan diğer uca bilgiyi taşır.
haberleşme kanalının gönderici ucunda işareti değiştiren cihaza Modülatör ismi verilir. diğer uçta değişen işaretten sayısal bilgiyi tespit eden cihaza Demodülatör adi verilir. Temel analoga işaret bir sinüzodial işarettir ve matematiksel olarak aşağıdaki gibi ifade edilir:

A tepe genliği, F işaret frekansı ve PHI ise işaretin fazıdır. Modülasyon sünüş dalgasının bu üç ölçülebilir ve değiştirilebilir büyüklüğünü kodlama için kullanabilir. Her biri bu temel analoga işaretin bu büyüklüklerden birini değiştiren üç tip modülasyon tekniği vardır.


AM - Genlik Modülasyonu (Amplitude Modulation)
Bu teknik sinüs dalgasının genliğini değiştirir. İlk modemlerde, sayısal işaretler, “1” için geniş genlikli bir sinüs dalgası, “0” için sıfır genlikli bir sinüs dalgası iletilerek analoga dönüştürülürdü. Bu tekniğin ana avantajı bu işaretleri üretmenin ve tespit etmenin kolay olusuydu. Ancak bu tekniğin iki ana dezavantajı vardır. İlki, genlikteki değişim hattın bant genişliği ile sinirlidir. İkincisi, küçük genlik değişimleri sayısal işaretin algılanmasını zorlaştırır. Telefon hatları genlik değişimlerini saniyede 3000 adet ile sınırlar.Bu dezavantajlar bir süre genlik modülasyonunun modemlerde kullanılmamasına neden olmuştur, ancak günümüzde diğer modülasyon metodlari ile birlikte kullanılmaktadırlar.


QAM - Quadrature Amplitude Modulation
Bu teknik temel genlik modülasyonuna dayanır. Bu teknik basit genlik modülasyonun perfomansini iyileştirmektedir. Bu teknikte iki taşıyıcı işaret ayni anda iletilir. Bu iki taşıyıcı işaret 90 derecelik faz kayması ile ayni frekanstadır. İletilen işaretin matematiksel olarak ifadesi aşağıdadır:

S(t) = A* SIN (C* t) + B* COS (C* t)

A, B bu iki taşıyıcı işaretin genlikleridir. Her biri bilinen bir küme değerden değer alabilir. Bu yolla bir sembol zamanı periyodunda birkaç bit taşınabilir. Örneğin {1 , 2 , 3 , 4} değerler kümesini ele alalım. Bu örnekte 4 değişik değer 2 biti temsil edilebilir. Bir sembol zamanında 4 bit iletilir, A 2 bit, B diğer ise diğer iki biti temsil eder.

FM - Frekans Modülasyonu
Bu teknikte veriye göre taşıyıcı işaretin frekansı değiştirilir. Gönderici “1” ve “0” için Sekil - 4’ teki gibi değişik frekanslarda iletimde bulunur. Bu teknik ayrıca FSK - frequency shift keying olarak ta anılır. Bu tekniğin dezavantajları, genlik modülasyonunda olduğu gibi, frekans değişiklik oranı hattın bant genişliği ile sinirlidir ve hat yüzünden kaynaklanan sekil bozuklukları gönderilen sayısal işaretin tespitini genlik modülasyonunda olduğundan daha zor tespitine sebep olur. Bugün bu teknik yalnızca 1200 baud düşük oranlı Asenkron modemlerde kullanılmaktadır.

CPM - Sürekli Faz Modülasyonu (Continuous Phase Modulation)
Frekans modülasyonu metodundan türetilmiş bir tekniktir. Tek farklılığı bir sembolden diğerine geçim süreklidir, faz adımları yoktur. Sürekli faz işaret bant genişliği sinirlandirilmistir ve daha yüksek veri oranlarına ayni bant genişliği içinde ulaşılabilir.

PM - Faz Modülasyonu (Phase Modulation)
Bu modülasyon metodunda bir sinüs dalgası gönderilir ve sinüs dalgasının fazı sayısal bilgiyi taşır. Bir “0” için 0 derece sinüs dalgası iletilir. (PHI = 0). Bir “1” için 180 derecelik bir sinüs dalgası gönderilir. (PHI = 180) Sekil - 5’ e bakiniz. Bu teknikte her sembolün fazını tespit etmek için, gönderici ve alicinin faz senkronizasyonun sağlanması gereklidir. Bu alicinin tasarımını karmaşıklaştırır.
Faz modülasyonun bir alt metodu Diferansiyel Faz Modülasyonu’ dur. Bu metotta modem bir sonraki işaretin fazını kaydırır,bu metotta sayısal işareti tespit bir öncekine göre daha kolaydır. Alici sadece faz kaymalarını tespit etmek zorundadır. Bu teknik ayrıca PSK - Phase shift keying olarak adlandırılır. İki faz kaymasının mümkün olduğu zamanlarda BPSK - binary PSK, olarak adlandırılır. Her sembol için dört frekans kayması yani her sembolün iki biti temsil ettiği durumda QPSK, 8 frekans kaymalı metotta modülasyon metodu 8PSK olarak anılır.

TCM - Trellis Coded Modulation
Daha önce tartışılan QAM veya PSK gibi modülasyon metodlarinin veri oranlarını iyileştirmek için birlikte kullanıldığı modern bir tekniktir.

Veri Oranı
Birim zamanda iletilen işaret değişikliğine modemin veri oranı - data rate, adi verilir. Oran baud olarak bilinen birim ile ifade edilir. Baud hat durumunun "1" den "0" a saniyede değişme şayisidir. Modem tarafında kanal boyunca her işaret değişiminde birçok bit gönderilebildiğinden (Bir sembol olarak, birkaç bit gönderilebilir), veri oranı ve saniyedeki bir şayisi olarak ifade edilen iletim hızı genellikle ayni değildir. Claude Shennon 1948’ de bant genişliği sinirliği bir iletim hattının maksimum kapasitesini (Bit oranı) ile sinirli işaretin gürültüye oranı olarak göstermiştir:
C = W * log (1 + S/N) / log (2)
WC maksimum kapasite, W sinirli bant genişliği ve S/N işaretin gücünün gürültüye oranıdır. Bir telefon hattı örneğin 3000 Hz’ lik bant genişliğine ve maksimum S/N, 1000 (30 db) değerine sahiptir. Bu yüzden ulaşılabilecek teorik veri oranı 30 Kbps civarındadır. Telefon hatlarından çalışan ilk modemler 1.2 Kbps çalışabilirken günümüzün modemleri 33.6 Kbps veri oranlarına ulaşmaktadır.