Тестирование PCMCIA-модемов

Сергей Пахомов, Сергей Самохин

В тестовой лаборатории «КомпьютерПресс» проведено тестирование восьми PCMCIA-модемов на предмет выяснения их производительности при работе по протоколу V.34. Тестировались модемы: 3Com 10/100 LAN+56K Global Modem CardBus Type III PC Card (3C3FEM656C-EU), 3Com Megahertz 10/100 LAN+56K* Global Modem CardBus PC Card (3CXFEM656C), Apollo FM560 56K Fax/Modem PC Card, CNet CNFM-560-RF, Motorola Mobile SURFR 56K Modem, Silicom CardBusModem56 PC Card (WMPC56), Xircom Modem 56-GlobalACCESS, ZOOM PC CARD 56K Dual Mode (Model 2980).

Модемы, выполненные в виде PCMCIA-карты, предназначены для установки в ноутбуки. Изначально интерфейс PCMCIA разрабатывался для расширения памяти мобильных компьютеров. Позднее стали выпускаться различные устройства с интерфейсом PCMCIA — сетевые адаптеры, модемы и даже жесткие диски. Существует три типа PCMCIA-карт, внешне различающиеся. Карты Type I имеют толщину 3,3 мм, карты Type II — 5,5 мм, а Type III — 10,5 мм. Соответственно и гнезда для установки этих карт бывают разными. Конструктивно PCMCIA-модемы могут выполняться в виде отдельной карты, либо объединяться с сетевой картой.

По своему схемотехническому решению миниатюрные PCMCIA-модемы лишь немного отличаются от своих внешних «собратьев». Как правило, они выполняются на базе однокристального чипсета, соединяющего в себе контроллер интерфейса, контроллер модема (супервизор) и сигнальный процессор (DSP)¹. Кроме того, многие PCMCIA-модемы вообще не содержат супервизора, то есть являются бесконтроллерными. Встречаются также полные софт-модемы, которые не содержат ни супервизора, ни сигнального процессора. До недавнего времени считалось, что основное различие между PCMCIA-модемами и внешними (внутренними) аппаратными модемами заключено в линейной части. Дело в том, что у PCMCIA-модемов вследствие их малых размеров не может быть полноценного трансформатора — атрибута интерфейса согласования модема с телефонной линией. Как правило, такое решение вызывает несколько заниженную чувствительность модемов. Впрочем, стоит отметить, что в последнее время наблюдается тенденция отхода от трансформаторных схем и во внешних (внутренних) модемах. Таким образом, правомочно говорить о постепенном стирании «границ» между модемами.

Распространенным недостатком PCMCIA-модемов является отсутствие исчерпывающей технической документации. По внешнему виду невозможно определить, является ли модем аппаратным либо относится к разряду софт-модемов. В технической же документации такие важные подробности, к сожалению, не отражаются.

Методика тестирования

Несмотря на появление нового протокола передачи данных V.92, для многих отечественных пользователей все еще сохраняет актуальность протокол V.34+. Именно этот протокол, в основу которого положена адаптивная подстройка модема под качество линии связи, способен преодолевать все «тяготы и лишения», связанные подчас с устаревшим оборудованием АТС. С учетом особенностей отечественных линий связи задача нашего тестирования заключалась в выявлении такого PCMCIA-модема, который, будучи неприхотливым в настройках, гарантировал бы пользователю стабильную работу даже на крайне неудовлетворительных линиях.

Для тестирования использовался имитатор телефонных каналов Canal-5, рекомендуемый Министерством связи РФ для проведения сертификационных испытаний модемов. Имитатор был любезно предоставлен фирмой, которая его разработала и производит, — ООО «Аналитик Телеком Системы» (123424 Россия, Москва, Волоколамское ш., 73, офис 321, http://www.analytic.ru/, info@analytic.ru, тел.: (095) 490-0713, 490-0799, тел./факс: (095) 490-6314).

Имитатор телефонных каналов AnCom Canal-5 (рис. 1) предназначен для проведения испытаний телекоммуникационного оборудования путем воспроизведения электрических характеристик выделенного канала тональной частоты (ТЧ) в четырех- и двухпроводном окончании, а также канала коммутируемой телефонной сети.

Имитатор AnCom Canal-5 представляет собой интеллектуальное имитационно-измерительное устройство, управляемое персональным компьютером и объединяющее электрическую модель телефонного канала и анализатор телефонных каналов AnCom TDA-5 (рис. 2).

Блок имитатора канала ТЧ выполняет имитацию следующих искажений передаваемого сигнала: искажения частотных характеристик затухания и группового времени прохождения, нелинейное искажение, задержка распространения, остаточное затухание, изменение частоты, дрожание фазы, скачки фазы. Кроме того, имитатор канала ТЧ обеспечивает генерацию равномерного шума, импульсной и гармонической помехи (от внешнего генератора).

Управление имитатором осуществляется посредством специального программного обеспечения, которое позволяет выбрать необходимую схему включения имитационных блоков и задать требуемые значения всех имитируемых помех.

В имитаторе предусмотрена возможность подключения встроенного анализатора телефонных каналов AnCom TDA-5 к контрольным точкам имитатора, отображаемым на мнемосхемах, что позволяет контролировать как произведенные настройки параметров блоков имитатора, так и параметры испытываемого оборудования.

Тестирование модемов заключалось в исследовании их способности противостоять всевозможным дестабилизирующим факторам как по отдельности, так и в комплексе.

В целях реализации условий, максимально приближенных к реальным, для тестирования собиралась установка (рис. 3), состоящая из испытуемого модема, имитатора телефонных каналов и реализованного в маршрутизаторе Cisco 2610 (рис. 4) модемного пула провайдера. Маршрутизатор предоставлен российским представительством компании Cisco Systems (Москва, Космодамианская набережная, 52, строение 1, http://www.cisco.ru/, тел.: 7 (095) 961-14-10 тел./факс: 7 (095) 961-14-69).

Модемный пул был выполнен в виде 16 аналоговых модемов, обеспечивающих поддержку протокола V.34+. Сами же используемые аналоговые модемы были построены на базе чипсетов ROCKWELL (рис. 5).

Сервер удаленного доступа, играющий роль интерфейса между телефонной сетью и сетью Ethernet, позволял осуществлять доступ с испытуемого модема на сетевой FTP-сервер. После установления соединения в направлении к испытуемому модему с FTP-cервера копировался предварительно заархивированный файл заданного размера. Архивирование файла производилось с целью исключения возможности аппаратного сжатия передаваемых данных.

Зная размер копируемого файла и время копирования, можно легко вычислить эффективную скорость передачи.

В ходе тестирования исследовалось влияние на работу модемов различных дестабилизирующих факторов, таких как затухание, шум, джиттер фазы и сдвиг несущей частоты. Кроме того, проводилось комплексное тестирование модемов на линиях различного качества.

В лабораторных условиях канал передачи данных от модема провайдера к испытуемому модему и обратный канал — от испытуемого модема к модему провайдера — находились в принципиально разных условиях. Все дестабилизирующие воздействия имитировались исключительно в канале передачи данных от модема провайдера к испытуемому модему. А обратный канал находился в «идеальных» условиях. Такая асимметрия помеховых условий позволяет сконцентрировать внимание на тестировании непосредственно приемных возможностей пользовательского модема, исключив из рассмотрения модем провайдера. Естественно, что в реальных условиях в цепи передачи данных принимают участие три «игрока»: модем пользователя, модем провайдера и линия связи. При этом каналы передачи данных от пользователя к провайдеру и от провайдера к пользователю подвергаются приблизительно (но только приблизительно) одинаковым дестабилизирующим воздействиям. Поэтому далеко не всегда очевидно, кто именно виноват в нестабильной связи: модем пользователя или модем провайдера. Абсолютно негарантировано, что провайдер использует дорогостоящий, помехоустойчивый модем. К примеру, в нашем случае модем провайдера имел всего лишь 16-позиционный треллис-кодер², что определяло его низкую помехоустойчивость. В то же время большинство современных модемов пользователей имеют 64-позиционный кодер. Ясно, что если бы каналы передачи данных от провайдера к пользователю и от пользователя к провайдеру находились в одинаковых условиях, то выяснить характеристики пользовательского модема было бы невозможно. Фактически в этих условиях именно модем провайдера оказался бы слабым местом в цепи передачи данных и причиной ее нестабильности. Поэтому именно асимметричное воздействие на каналы передачи данных, пусть и не соответствующее реальности, позволяет протестировать пользовательский модем.

Тестирование на устойчивость к затуханию

Когда полезный сигнал передается по линии связи, имеющей конечное сопротивление, он, проходя через коммутационные устройства и другие узлы телефонных станций, теряет часть своей мощности. Потерю мощности сигнала принято характеризовать его затуханием, измеряемым в децибелах (дБ). Затухание в 1 дБ соответствует уменьшению мощности сигнала приблизительно в 1,26 раза, а затухание в 10 дБ соответствует ослаблению сигнала в 10 раз. Связь между затуханием сигнала, выраженной в децибелах, и в «количестве раз» определяется по формуле:

где A — затухание сигнала в децибелах, P_in – мощность входного сигнала в ваттах (Вт), P_out — мощность выходного сигнала (после затухания) в ваттах, — ослабление сигнала, измеряемое «количеством раз».

Обратное преобразование, которое связывает затухание сигнала, измеряемое «количеством раз», c затуханием сигнала в децибелах определяется соотношением:

Для измерения абсолютного значения уровня сигнала в теории связи принято использовать не единицы мощности — ватты, а единицы измерения, называемые «децибел относительно мощности в один милливатт (мВт)³» (дБм). Эти единицы измерения являются относительными и показывают, на сколько децибел мощности сигнала превышает один милливатт. Например, уровень сигнала 10 дБм означает, что мощность данного сигнала на 10 дБ больше мощности сигнала в 1 мВт. Уровень сигнала в 1 мВт является достаточно высоким, и в большинстве случаев мы имеем дело с сигналами меньшей мощности. Уровни сигнала меньше 1 мВт измеряют в отрицательных единицах. Например, уровень сигнала –10 дБм означает, что данный сигнал на 10 дБ меньше мощности сигнала в 1 мВт.

Связь между уровнем сигнала, выраженным в дБм, с уровнем сигнала, выраженным в мВт, определяется соотношением:

где P — уровень сигнала, выраженный в дБм, S — уровень сигнала, выраженный в мВт.

Характеристика модема, показывающая, насколько успешно он справляется с затуханием сигнала в линии, называется чувствительностью. Фактически чувствительность определяет минимальный уровень входного сигнала, при котором способен работать модем. Естественно, что минимальный уровень входного сигнала, при котором модем способен стабильно работать, зависит от используемого протокола передачи данных. При использовании менее скоростных и более помехоустойчивых протоколов, таких, например, как V.22, чувствительность модема несколько повышается. Однако в ходе тестирования определялась чувствительность модемов только в рамках протокола V.34+.

Для определения чувствительности в канале передачи данных от модема провайдера к тестируемому модему устанавливался максимально возможный для установления связи уровень затухания. После этого измерялась эффективная скорость передачи тестового файла. Для обеспечения достоверности результатов каждый замер проводился не менее пяти раз. На основании данных о предельном затухании и уровне выходного сигнала от передающего модема (измеряется с помощью анализатора) рассчитывался уровень сигнала в точке приема, который и является чувствительностью модема. К примеру, если уровень выходного сигнала от модема провайдера составляет –11,1 дБм, а критический уровень затухания в канале связи — 31,5 дБ, то чувствительность модема равна –11,1дБм — 31,5дБ = –42,6 дБм.

Тестирование на устойчивость к шуму

Еще одна неприятность, с которой сталкивается модем, — это шум в линии. Постоянный шум как бы снижает чувствительность модема: когда уровень шума приближается к уровню сигнала, то последний просто теряется на его фоне. То есть какой бы высокой чувствительностью ни обладал модем, он не сможет принять сигнал на фоне близкого по мощности шума.

Уровень шума в канале связи измеряется, как и уровень сигнала, в децибелах относительно мощности в один милливатт. Другой характеристикой, определяющей, на сколько децибел уровень сигнала выше уровня шума, является отношение сигнал/шум (Signal to Noise Ratio, SNR). Отношение сигнал/шум измеряется не в «количестве раз», как можно подумать, а в децибелах и рассчитывается по формуле:

где S — уровень сигнала, выраженный в ваттах (милливаттах), N — уровень шума, выраженный в ваттах (милливаттах).

Если, к примеру, отношение сигнал/шум составляет 10 дБ, это означает, что уровень сигнала на 10 дБ выше уровня шума.

Практический интерес представляет определение максимального уровня шума и, соответственно, минимального отношения сигнал/шум, при котором модем в состоянии обеспечить стабильную работу.

Для измерения минимального отношения сигнал/шум, преодолеваемого модемом, в канале связи от модема провайдера к испытуемому модему устанавливался критический уровень постоянно действующего шума, при котором возможно установление связи. Затухание в канале связи оставалось неизменным и составляло 12 дБ. После установления связи при критическом уровне шума измерялась эффективная скорость передачи тестового файла. Для измерения средней скорости передачи процедура повторялась не менее пяти раз. Зная уровень выходного сигнала модема провайдера, затухание в канале связи и уровень постоянно действующего шума, можно рассчитать минимально допустимое отношение сигнал/шум. К примеру, если уровень сигнала от модема провайдера составляет — 11 дБм, а затухание в канале связи — 12 дБ, то в точке приема уровень входного сигнала составит –23 дБм. Тогда, при уровне постоянно действующего шума –33 дБм отношение сигнал/шум составляет –23 дБ-(–33дБм) = 10 дБ⁴.

Тестирование на устойчивость к джиттеру фазы

Джиттер фазы — это не что иное, как дрожание фазы передаваемого сигнала. Джиттер возникает в аппаратуре с частотным разделением каналов (ЧРК) на АТС. Некачественная фильтрация напряжения питания в тракте передачи сигнала приводит к его паразитной модуляции с частотами, величина которых обычно составляет 100 Гц. Тестирование показало, что все рассмотренные модемы успешно преодолевают джиттер фазы более 45 градусов на частоте 100 Гц (установка большего значения ограничена возможностью анализатора), хотя согласно нормативам они должны уметь преодолевать джиттер фазы величиной в 15 градусов.

Тестирование на устойчивость к сдвигу несущей частоты

Сдвиг несущей частоты характерен для аналоговой аппаратуры с частотным разделением каналов. Кратко рассмотрим этот малоизвестный феномен. Известно, что при частотном уплотнении на передающей стороне спектр телефонного канала 300-3400 Гц сдвигается в высокочастотную область, а на принимающей перемещается обратно. Поскольку генераторы, частота которых складывается с частотой сигнала, а затем вычитается из этой суммы, не синхронизированы, то даже при кварцевой стабилизации неизбежен некоторый сдвиг частоты и модем должен уметь с этим бороться. Максимально допустимая по нормативам величина сдвига составляет 7 Гц. Если же модем не способен обеспечить соединение при сдвиге несущей частоты менее 7 Гц, то его использование на линиях связи с аппаратурой ЧРК скорее всего окажется невозможным. Это, естественно, не означает, что модем вообще нельзя использовать. Если в вашей АТС применятся другая аппаратура, например временного разделения каналов (ВРК), то частотный сдвиг вам не страшен и можно с успехом использовать такой модем. Для справки скажем, что если местная АТС позволяет установить соединение по протоколу V.90, то аппаратура ЧРК в ней не используется.

Тестирование на корректное распознавание сигнала «занято»

Хорошо известно, что многие модемы не способны распознавать сигнал «занято» (BUSY). Проблема заключается в том, что российский стандарт сигнала «занято» отличается от аналогичного западного стандарта. У нас принято, что сигнал «занято» формируется из последовательности тональных гудков частотой 425 Гц и длительностью 0,3 с. Время между каждыми двумя последовательными гудками также составляет 0,3 с. Естественно, что сигнал «занято», формируемый АТС, может отличаться от стандартного. При этом возможны разбросы как по частоте сигнала, так и по его длительности.

В нашем тестировании мы определяли корректность распознавания модемами стандартного сигнала «занято». Чтобы учесть возможные отклонения от стандарта, варьировалось также и частота сигнала в широком диапазоне. Тестирование показало, что если модем способен воспринимать стандартный сигнал «занято», то он делает это и при достаточно большом частотном отклонении. Так в среднем все модемы, распознающие сигнал «занято» на частоте 425 Гц, способны осуществлять это и в диапазоне от 300 Гц до 600 Гц.

Комплексное тестирование модемов на линиях различного качества

Для комплексной оценки модемов были проведены испытания в условиях, «приближенных к боевым». Понятно, что если линия «плохая», то в ней присутствуют все виды помех, усугубляющиеся не только постоянно действующим шумом, но и кратковременными всплесками шумовых и импульсных помех. В «хорошей», наоборот, помех меньше, затухание слабее, а периодические всплески импульсных и шумовых помех практически отсутствуют. Поэтому было проведено тестирование, имитирующее подключение модема к линиям, условно поделенным на пять категорий: идеальная, хорошая, удовлетворительная, неудовлетворительная и очень плохая. Параметры линий, использованные в этом тесте, приведены в табл. 1.

Идеальная линия характеризуется практически полным отсутствием дестабилизирующего воздействия. Единственной имитируемой помехой является затухание в канале передачи данных, установленное на уровне 9 дБ. При таком значении затухания уровень сигнала в точке приема составляет приблизительно –20 дБ. Такая линия была введена нами для того, что бы выяснить максимальную скорость соединения, которую можно получить с помощью модема в рамках протокола V.34+. Большинство модемов устанавливали соединение на такой линии на скорости 33 600 бит/с, как им и положено. Однако в некоторых случаях наблюдалась скорость соединения только 28 800 бит/с. Такая особенность работы может быть связана с тем, что у модемов несколько занижена агрессивность. Дело в том, что в процессе анализа линии модем косвенными методами рассчитывает отношение сигнал/шум и исходя из полученного значения выбирает скорость установления связи, пользуясь своей таблицей соответствия. Некоторые модемы могут «перестраховываются», занижая скорость соединения при высоком отношении сигнал/шум или неточно измерять отношение сигнал/шум.

На линиях хорошего и удовлетворительного качества модемы устанавливают соединение на скоростях в диапазоне от 14 400 бит/с до 24 000 бит/с. В этих линиях кроме затухания в канале связи присутствуют и постоянно действующий шум, и всплески шумовых и импульсных помех.

На удовлетворительной линии, кроме того, присутствуют и периодические скачки затухания, то есть на кратковременный промежуток времени (2 с) наблюдается скачок затухания на 2 дБ.

Начиная с линии удовлетворительного качества, имитируется и длина абонентского участка, или так называемой последней мили. На имитаторе телефонных каналов длина абонентского канала реализована посредством пассивных частотных RC-фильтров. В первую очередь это отражается на искажениях амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) канала связи. В области высоких частот затухание сигнала становится более сильным, чем в области низких частот. Для того чтобы противостоять таким «перекосам» АЧХ, в протоколе V.34+ предусмотрена установка фильтра предкоррекции. Рассмотрим это более подробно. В процессе установления связи модем анализирует линию, посылая специальные пробные сигналы на различных частотах (Line Probing). Зная уровень посланного и уровень принятого сигнала, модем определяет затухание сигнала на различных частотах, то есть АЧХ линии. Если в АЧХ линии имеются «перекосы», то принимающий модем выбирает необходимый компенсирующий фильтр и сообщает его индекс передающему модему. Передающий модем, в соответствии с выбранным фильтром, производит частотную корректировку уровня передаваемого сигнала. В результате АЧХ линии связи выравнивается. Всего в протоколе V.34+ предусмотрено одиннадцать фильтров предкоррекции. Каждому фильтру соответствует свой индекс. Фильтр с индексом 0 характеризуется отсутствием искажений.

Линии неудовлетворительного и очень плохого качества характеризуются не только перекосами в АЧХ, но и мощными, периодически повторяющимися всплесками импульсных и шумовых помех. При этом затухание и уровень постоянно действующих шумов в линии не слишком велики. Для неудовлетворительной и очень плохой линий уровень сигнала в точке приема составляет приблизительно 28 дБм, а отношение сигнал/шум в отсутствии всплесков помех — 22 дБ. Основное же дестабилизирующее воздействие оказывают как раз всплески импульсных и шумовых помех. Именно такая помеховая обстановка характерна для большинства реальных низкокачественных каналов связи.

Очень плохая линия связи — это линия, на которой многие модемы не в состоянии не только работать, но и устанавливать соединение. В условиях периодически повторяющихся всплесков шумов модемы не способны адекватно оценить состояние линии, то есть не могут корректно измерить уровень принимаемого сигнала, вычислить отношение сигнал/шум и АЧХ линии. В результате либо скорость соединения окажется чрезмерно завышенной, либо, наоборот, модем решит, что уровень принимаемого сигнала слишком слаб для установления связи. Аналогичным образом, неверное определение АЧХ линии приводит к некорректной установке фильтра предкоррекции, что также делает невозможной работу модема.

Стоит особо подчеркнуть, что сымитированная нами очень плохая линия довольно далека от реальности. Если столь недоброкачественные линии и встречаются, то крайне редко. Основная цель такой имитации заключалась в том, чтобы выявить модемы, способные работать практически в любых условиях.

В комплексном тестировании модемов на линиях различного качества для каждого типа линии устанавливалось соединение между испытуемым модемом и модемом провайдера и определялась скорость передачи тестового файла. Каждый тест повторялся пять раз для расчета средней скорости передачи, которая и характеризовала работоспособность модема.

Особенности тестовых испытаний

Какими бы уникальными возможностями ни обладала имитационная аппаратура, смоделировать на ней реальную линию невозможно. Дело в том, что реальная линия непредсказуема и по-своему уникальна. Она не поддается строгому математическому описанию, и всплески помех, возникающие в таких линиях, как правило, имеют различную длительность и непериодичны по времени. Кроме того, сами помехи могут не оказывать многочастотное воздействие во всем спектре линии ТЧ, а быть локализованными по частотному диапазону. К примеру, всплески шума могут возникать только в низкочастотной или, наоборот, в высокочастотной области. Искажение АЧХ линии связи также может иметь непредсказуемый характер. Учесть все эти обстоятельства просто нереально. Поэтому еще раз подчеркнем некоторые аспекты имитации дестабилизирующих факторов. При тестировании модемов на устойчивость к затуханию, шуму и при комплексном анализе на линиях различного качества все дестабилизирующие воздействия имели «идеальную» АЧХ (то есть затухание сигнала было равномерным по всему частотному диапазону), постоянно действующий шум также имел одинаковый уровень на всех частотах канала ТЧ. Аналогично и всплески шумовых и импульсных помех имитировались равномерными по всему частотному диапазону. Поэтому за рамками тестирования остались такие помехи, как низкочастотные или высокочастотные шумы. Известно, что помехи такого рода не только существуют, но и обусловливают интересные особенности в работе модемов. Например, у модемов Courier такие низкочастотные шумы приводят к так называемому синдрому 21600. Однако нельзя объять необъятное. Поэтому некоторые редко встречающиеся помехи в нашем тестировании не имитировались.

Другой особенностью тестирования явилось то, что все модемы устанавливались на ноутбук с операционной системой Windows Me, а измерения производились с настройками модемов по умолчанию. То есть не вводились никакие дополнительные АТ-команды. Настройки же модема по умолчанию определяются содержимым inf-файла, также называемом драйвером модема, что, впрочем, не вполне корректно⁵. Выбор в пользу тестирования PCMCIA-модемов без настроек был сделан потому, что для мобильных компьютеров типичной является ситуация, когда соединение с провайдером происходит из различных мест. Изучать характерные особенности каждой конкретной линии, как правило, не представляется возможным, поэтому и сами PCMCIA-модемы редко подвергаются дополнительной настройке.

1999	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
2000	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
2001	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
2002	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
2003	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
2004	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
2005	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
2006	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
2007	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
2008	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
2009	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
2010	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
2011	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
2012	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
2013	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12