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Funcionamento de Modems
Por e
Link Original http://www.clubedohardware.com.br/modems.html
O modem (modulador/demodulador) é uma invenção antiga, mas ainda fundamental para o mundo dos computadores. Hoje, há modems rápidos, trabalhando a 56.600 bps, mas muitos ainda se lembram dos antigos aparelhos que operavam a 300 bps. O interessante é que, há uns cinco anos atrás, apenas uma pequena porção dos computadores tinha a disponibilidade de um modem. A consolidação da Internet e a explosão de transações pela rede provocou o surgimento de um enorme mercado para os modems e as fábricas têm respondido com um desenvolvimento sem precedentes.
Inicia-se esta seção perguntando-se sobre qual seria a maneira mais fácil de fazer a comunicação entre dois computadores distantes ? É claro que a resposta óbvia é via linha telefônica. Quase todos têm acesso a uma e já existe uma sofisticada rede de interconexão propiciada pelas companhias telefônicas. O problema reside no fato das linhas telefônicas terem sido preparadas para o tráfego da voz e não para os sinais digitais dos computadores. A informação digital dos computadores precisa de ser convertida em sinais adequados para o tráfego pela rede telefônica pública. O aparelho responsável por essa conversão é o modem.
Hoje em dia, a palavra modem é também usada para designar dispositivos usados em transmissão exclusivamente digital, como por exemplo os dispositivos que recebem as informações digitais originados em um computador e os adequam para uma linha telefônica digital, como a ISDN (Rede Digital de Serviços Integrados).
Os modems são sempre usados aos pares, um em cada extremidade do caminho de transmissão. Para garantir a comunicação, o usuário deve assegurar-se de que tanto o modem transmissor como o receptor usem o mesmo protocolo, que são as regras que descrevem precisamente o formato dos dados, o esquema de modulação e a velocidade de transmissão.
Antes de um estudo mais aprofundado, serão esclarecidos alguns conceitos. O primeiro conceito é o termo canal. Toda vez que se faz a comunicação entre dois pontos, diz-se que essa comunicação acontece através de um canal. Por exemplo, quando duas pessoas falam através do telefone comum, elas usam o canal telefônico. Outro conceito muito importante e também bastante intuitivo é o do ruído. Em toda comunicação, existe ruído presente. É claro que, quanto maior o ruído, maior é a chance de acontecerem erros nessa comunicação. Todo canal é corrompido pelo ruído. A potência do ruído, de forma absoluta, não traz muita informação, o que interessa é a comparação da potência do ruído com a potência do sinal que passa pelo canal. Por isso, o ruído é caracterizado através do que se chama Relação Sinal/Ruído (SNR), que normalmente é medida em dB (decibel). Quanto maior for a SNR, melhor será a comunicação.
Generalidades
A Figura 1 apresenta uma típica conexão usando modem, onde um usuário acessa um provedor Internet (ISP, Internet Service Provider) através da rede telefônica pública (PSTN, Public Switch Telephone Network). O enlace digital entre o computador e o modem é transformado por este último em um enlace analógico, que chega até a central telefônica. Já o enlace entre as centrais é feito de forma digital, exceto as centrais muito antigas. Algumas grandes instituições, como os bancos, alugam linhas privadas digitais e, com isso, têm, desde a origem até o destino, um enlace completamente digital e podem então comunicar-se a grandes velocidades. Os principais problemas da conexão entre computadores surgem no enlace analógico, que foi originalmente projetado para trabalhar com voz na faixa de 300 até 3 kHz. Bem, se o problema está nas linhas telefônicas analógicas, não seria possível substituí-las por enlaces digitais ? Provavelmente não, pois ficaria muito caro. É preciso contentar-se com as velhas linhas telefônicas.
Figura 1: O enlace entre dois computadores.
Protocolo
Quem já trabalhou com modems com certeza já viu uma lista de especificações: v.34, v.32, v.22, bell 212A, etc.. Essas especificações dizem respeito aos protocolos que um modem pode cumprir. Os modems, assim como as pessoas, precisam de uma linguagem comum para que cada um entenda o outro. No começo dos anos 70, a Bell era a maior projetista e produtora de modems e, por isso, seus modems acabavam virando padrões.
Esses padrões foram mais tarde adotados como recomendações de uma organização de padrões mundiais, denominada Comité Consultatif International de Telegraphie et Telephonie, abreviada como CCITT. Ela foi mais tarde renomeada para International Telecommunications Union - Telecommunication Standardization, abreviada como ITU-T, que em português seria traduzido como União Internacional de Telecomunicações, com sede em Genebra, na Suiça.
Diversos padrões para comunicação de dados sobre rede telefônica, em especial para modems, foram desenvolvidos pela ITU-T. Esses padrões estão nomeados com siglas que começam com a letra V e, por isso, são conhecidos como padrões e recomendações da série V. A ITU-T pode ser facilmente acessada através do seu site: http://www.itu.int.
Quão Rápido Pode Ser um Modem
A Rede Telefônica Pública (PSTN) foi projetada para trabalhar na faixa de freqüências (Banda Passante - W) de 300 a 3 kHz. As informações são transmitidas através da linha telefônica com o uso das variações (modulação) de um determinado sinal, chamado de portadora. Quanto maior for o número de variações por segundo, maior será a quantidade de informação transmitida, ou seja, maior será a taxa de bits. A taxa de bits é medida em bps, que significa bits por segundo.
Em 1928, um matemático que trabalhava nos laboratórios da Bell, Harry Nyquist, estabeleceu uma relação entre a banda passante de um canal e a máxima taxa de bits que o canal poderia transportar. Esse teorema estabelece que esta taxa máxima é igual a 2 x W, onde W é a banda passante do canal. Dessa forma, o teorema de Nyquist leva a uma aparente limitação da máxima taxa de transmissão para um canal de voz. Uma comunicação unidirecional estaria limitada a 3.000 bps e, para um canal bidirecional, ela seria de 1.500 bps. Dessa forma, em 1985, um modem de 1.200 bps era considerado estado da arte e vendido por US$ 500. Agora, como explicar que existem modems trabalhando de forma bidirecional a 33.600 bps, ou mais ?
Olhando de forma mais cuidadosa para o teorema de Nyquist, nota-se que ele se refere às mudanças da portadora e especificamente à taxa de transmissão. Isto significa que, se for associado um bit para cada variação da portadora sinal, é possível atingir taxas de transmissão mais altas.
Nos antigos tempos da transmissão telegráfica, foi definida a unidade Baud, que especifica a quantidade de mudanças do sinal por segundo. Ela também é referenciada à taxa de modulação na qual os sinais estão sendo transmitidos. Se os sinais puderem assumir apenas dois valores, por exemplo, 5V para o bit 1 e 0V para o bit 0, então a taxa de modulação em Baud é igual à taxa de transmissão em bits por segundo. Porém, se os sinais assumirem 4 valores, por simplicidade 0; 1,66; 3,33 e 5V, pode-se associar 2 bits para cada um desses valores. Agora, para cada variação da portadora, transmitem-se dois bits, ou seja, a taxa de transmissão em bits por segundo é igual ao dobro da taxa de modulação. Os primeiros modems trabalhavam de forma muito simples, usando apenas dois tons: um bit para cada tom.
A fórmula para calcular-se a máxima taxa de transmissão R de um modem, em bits por segundo, supondo que se saiba a taxa de modulação B, em Baud, e que o sinal pode ter D estados distintos, é:
Como observado, um modem que module a portadora através de 4 níveis distintos pode associar 2 bits para cada nível e, em conseqüência, dobra a taxa de transmissão. Um modem desses, trabalhando a 1.200 bps, é equivalente a uma taxa de modulação de 600 Baud. De forma similar, um modem de alto desempenho associa 6 bits para cada uma das 64 possíveis transições da portadora e então aumenta bastante a taxa de transmissão, ainda mantendo baixa a taxa de modulação. Resumindo, aumentar o número de bits associado a cada nível da portadora efetivamente aumenta a taxa de transmissão.
Volta-se novamente à pergunta: então qual é o limite teórico para a taxa de transmissão quando se usa um canal de largura de banda igual a W ? É claro que não se pode aumentar indefinidamente o número de bits associado a cada variação da portadora. À medida que se aumenta essa quantidade de bits, torna-se cada vez mais difícil distingüir um sinal do outro e agora passa a entrar em cena o ruído. Se o mundo fosse perfeito e não houvesse ruído, então não haveria limite para a quantidade de bits associada a cada transição da portadora. Mas as coisas não funcionam assim e a quantidade de ruído dita o limite para essa quantidade de bits. Em 1949, Claude Shannon, um outro matemático dos Laboratórios da Bell, postulou uma relação entre a máxima taxa de transmissão, a largura de banda do canal e a quantidade de ruído:
Onde:
 C é a máxima capacidade do canal em bps;
W é a largura de banda do canal medida em Hz;
S é a potência do sinal em Watts;
N é a potência do ruído em Watts; e
Log2 é o logaritmo na base 2.
Esta relação determina a máxima taxa de transmissão teórica para um dado canal. A figura 2 apresenta essa relação calculada para o canal de voz telefônico, que tem uma banda de 3.000 Hz e uma relação sinal/ruído entre 30 e 40 dB. Tomando-se como típica uma SNR = 35 dB, chega-se a um limite de 35.000 bps. Os modems comerciais, para trabalhar com linha discada, usualmente chegam a 33.600 bps, o que está próximo ao limite teórico. É comum que as linhas ofereçam uma relação sinal ruído abaixo de 30 dB e isso explica porque os modem 33.6K freqüentemente oferecem uma conexão abaixo dessa velocidade. Agora uma outra pergunta: se o limite é de 35Kbps, como pode funcionar um modem de 56K ?
Figura 2: Relação de Shannon para um canal com banda de 3.000 Hz.
Modem 56K
No início de 1997, começaram a surgir no mercados os modems 56 Kbps. Conhecendo o limite de 33.600, muitos se perguntaram sobre a veracidade desse lançamento. Esses modems, durante muito tempo, estiveram baseados em protocolos particulares. Tinha-se, de um lado, a US Robotics com o X2 e, do outro lado, a Rockwheel com o K56Flex. Os órgãos internacionais, em particular a ITU-T, demoraram para definir uma normalização e as duas companhias não entrararam em acordo. Assim, durante um bom tempo, houve confusão e incompatibilidades nessa área. Felizmente, já existe a recomendação v.90 da ITU-T que padronizou os protocolos.
O protocolo 56K é um projeto assimétrico onde a transferência do usuário para o servidor Internet, chamado de caminho de subida, acontece no máximo a 33.600, enquanto que transferências do servidor para o usuário, chamado de caminho de descida, funcionam a 56.600. Isso é bem aceitável pois, em geral, as transmissões do computador do usuário para o provedor consistem de pequenos pacotes, enquanto que o tráfego é bem pesado no sentido do provedor para o computador do usuário, consistindo de texto, gráficos e arquivos multimídia.
Já foi visto que o principal limitante da velocidade é o ruído presente na linha telefônica. Esse ruído tem várias causas e, dentre elas, a que mais interessa é o ruído proveniente da quantização, que surge quando se digitaliza o sinal analógico para entrar na rede pública telefônica (PSTN). Sempre comete-se um erro ao transformar um sinal analógico em um sinal digital e esse erro tem um papel semelhante ao ruído, sendo por isso chamado de ruído de quantização. O processo inverso, ou seja, o de transformar o sinal digital em analógico, não introduz ruído. Assim, parte do ruído que limita a velocidade de transmissão é proveniente dessa quantização.
Normalmente, os servidores Internet (ISP) conectam-se à rede telefônica pública através de linhas digitais, onde não se faz a quantização. Assim, no caminho ISP, o ruído é bem menor e, por isso, pode-se transmitir a 56K. Já no caminho inverso, antes do sinal analógico do usuário entrar na rede pública, é feita uma conversão de analógico para digital. Em conseqüência, aumenta-se a quantidade de ruído, limitando portanto a velocidade em 33,6K.
O modem 56K trabalha muito bem em laços locais. Porém, nos locais onde a companhia telefônica faz a multiplexação dos sinais e lança mão de um concentrador, ele vai encontrar problemas com o ruído de quantização. Ramais locais também devem encontrar problemas, pois os PABX atuais fazem sua própria digitalização e multiplexação.
Outras Soluções para Conexão com a Internet
Até então foram abordadas as soluções com modems analógicos convencionais. Esta seção será finalizada com um pequeno resumo de diversas outras alternativas, mais caras, evidentemente, mas que podem oferecer conexões mais rápidas e eficientes. A tabela abaixo apresenta um quadro comparativo entre as diferentes soluções.
| Tecnologia |
Velocidade (Subida/Descida) |
Comentários |
| Modem |
33,6/53 Kbps |
Barato e universal
Lento
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| Modem Duplex |
67,2/112 Kbps |
Caro e versátil
Velocidade razoável
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| ISDN |
128/128 Kbps |
Moderadamente rápido
Instalação difícil
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| Modem a cabo |
10Mbps/42Mbps |
Alta velocidade no ramo de descida
Cabo difundido pôr muitas casas
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| Satélites |
33,6/400 Kbps |
Disponível mesmo nos sítios remotos
Serviço caro
Instalação um pouco difícil
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| ADSL |
Variável |
Muito rápido
Preços razoáveis
Disponibilidade muito limitada
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Modem Duplex é um tipo de modem que permite dobrar a velocidade das conexões. O funcionamento é extremamente simples de ser entendido: eles usam duas linhas telefônicas em paralelo. O modem duplex é um modem especial capaz de gerenciar e tirar partido dessas duas conexões simultâneas. Com esse tipo de modem, é possível uma conexão de 67,2 Kbps do usuário para o IPS e de 112 Kbps no sentido ISP para o usuário.
É claro que, para que conexão seja bem rápida, o ISP deve ter também estrutura para modem duplex. O melhor dessa tecnologia é que ela não pede nada de especial e está disponível em qualquer lugar. Se houver a disponibilidade de duas linhas telefônicas e, é claro, de um modem duplex, é possível tirar proveito dessa conexão rápida.
ISDN é a sigla de Rede Digital de Serviços Integrados (do inglês Integrated Services Digital Network). Com o ISDN, as companhias telefônicas fornecem ao seu assinante um acesso digital a um custo razoável. O enlace analógico entre o assinante e a rede pública é substituído por uma conexão digital, sem trocar os cabos.
Para o caso de ISDN, o nome correto para o modem é TA (Terminal Adapter) e, como a linha é digital, ele não faz conversões A/D ou D/A. A velocidade pode chegar a 128 Kbps, através do uso de dois canais de 64 Kbps. Contudo, mesmo nos Estados Unidos, as companhias telefônicas não têm dado importância a esse tipo de serviço e ele ainda é pouco utilizado. Talvez acabe por obsoletar-se antes de tornar-se popular.
xDSL abrevia a expressão Digital Subscriber Line que, em português, significa Linha Digital por Assinatura. Essa técnica, semelhante ao ISDN, disponibiliza ao usuário uma linha digital, só que agora ela trabalha por pacotes, como uma rede. Com essa técnica, também jogam-se fora os conversores A/D. A transferência é assimétrica, trabalhando com algo próximo a 1,5 Mbps na subida e até 8 Mbps na descida. Existem diversas variantes e a que está tendo mais aceitação é a ADSL (Asymetric Digital Subscriber Line).
Os modems por cabo aproveitam a grande banda passante disponível nas conexões da TV a cabo que usam cabo coaxial. Durante muito tempo, faltou compatibilidade nessa área e a grande maioria dos modems fabricados só falavam com os de sua espécie.
O padrão DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) está mostrando-se como um ponto de convergência. De acordo com essa especificação, espera-se algo em torno de 42 Mbps na descida e 10 Mbps na subida. Um outro problema para o modem por cabo é o fato de que a grande maioria das instalações de TV a cabo é unidirecional, ou seja, só funcionam no sentido de chegada à casa. Nesses casos, será necessária uma conexão com modem convencional (via rede telefônica), funcionando a 33.600 bps, para fazer o ramo de subida.
Os Serviços por Satélites são interessantes pois podem trabalhar com taxas elevadas, mesmo nos sítios mais remotos. Eles também são chamados de DSS (Direct Satellite System). Para ter acesso a esse tipo de serviço, é necessária uma pequena antena parabólica e apontá-la para um dos satélites geo-estacionários do fornecedor do serviço. A velocidade deverá estar próxima dos 400 Kbps. Porém, aqui também são encontrados problemas no ramo de subida, sendo necessário fazê-lo através de linhas telefônicas a 33.600 bps.
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