Тестирование внешних модемов

Методика тестирования

Для тестирования модемов использовался имитатор телефонных каналов Canal-5, предоставленный фирмой-разработчиком — 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 AnCom Canal-5 представляет собой интеллектуальное имитационно-измерительное устройство, управляемое персональным компьютером и объединяющее в себе электрическую модель телефонного канала и анализатор телефонных каналов AnCom TDA-5.

Рис. 1. Имитатор телефонных каналов AnCom Canal-5

Рис. 2. Схема коммутируемого канала ТЧ, реализуемая имитатором телефонных каналов

При имитации коммутируемого телефонного канала тональной частоты имеется возможность управляемого дестабилизируещего воздействия на передаваемый сигнал: искажение частотных характеристик, затухание сигнала, 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.

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, что позволяет контролировать как произведенные настройки параметров блоков имитатора, так и реальные физические параметры сигнала и помех на различных участках смоделированной линии. Тестирование модемов заключалось в исследовании их способности противостоять всевозможным дестабилизирующим факторам как по отдельности, так и в комплексе.

Рис. 3. Схема стендовой установки для тестирования модемов

В целях реализации условий, максимально приближенных к реальным, для тестирования собиралась установка (рис. 3), состоящая из испытуемого модема, имитатора телефонных каналов и модемного пула провайдера, реализованного в маршрутизаторе Cisco 2610 (рис. 4), предоставленного российским представительством компании Cisco Systems (Москва, Космодамианская наб., 52, строение 1, http://www.cisco.ru, тел.: 7 (095) 961-1410 тел./факс: 7 (095) 961-1469).

Рис. 4. Маршрутизатор Cisco 2610

Модемный пул был выполнен в виде 16 аналоговых модемов, обеспечивающих поддержку протокола V.34+. Сами же используемые аналоговые модемы были построены на базе чипсетов Conexant (рис. 5). Уровень передачи сигнала в модемах был установлен равным –10дБм (значение по умолчанию).

Рис. 5. Модуль аналоговых модемов, используемый в маршрутизаторе Cisco 2610

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 тем, чтобы исключить возможность 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 существенно различных условиях. Все дестабилизирующие воздействия имитировались исключительно в канале передачи данных от модема провайдера к испытуемому модему. Обратный же канал находился в «идеальных» условиях. Такая асимметрия помеховых условий позволяет сконцентрироваться на тестировании именно приемных возможностей пользовательского модема, по возможности исключив из рассмотрения модем провайдера. Впрочем, говорить о том, что модем провайдера полностью исключается из рассмотрения и результаты тестирования от него не зависят, нельзя. Дело в том, что модемы в процессе установления связи и собственно сеанса связи находятся в постоянном взаимодействии. При несопряженности взаимных протоколов, например по оценке приемлемой скорости в данной помеховой обстановке, несопряженности по протоколу V.42/V.42bis и по диаграмме уровней входной схемотехники модема, сеанс связи может быть некачественным даже в случае идеального обратного канала. Поэтому результаты тестирования зависят не только от испытываемых модемов, но и от модемов узла доступа (выполненных на элементной базе Conexant). В какой-то мере данное испытание можно считать тестом на совместную работу узла доступа 2610 компании Cisco и испытываемых модемов.

Тестирование на устойчивость к затуханию

При прохождении по проводам, обладающими активным, емкостным и индуктивным сопротивлением, электрические сигналы неизбежно теряют (рассеивают) часть своей первоначальной мощности. Такое явление называется затуханием сигнала. Затухание принято измерять в относительных единицах, показывающих, во сколько раз мощность сигнала в точке передачи меньше мощности сигнала в точке приема. Однако затухание измеряют не в «количестве раз», а в децибелах (дБ). При таком подходе шкала измерения оказывается не линейной, а логарифмической, что удобно для расчетов. Таким образом, затухание определяется как произведение десяти на десятичный логарифм отношения мощности сигнала в точке передаче к мощности сигнала в точке приема. Множитель «десять» в этой формуле вводится для удобства.

Характеристика модема, показывающая, насколько успешно он справляется с затуханием сигнала в линии, называется чувствительностью. Фактически чувствительность определяет минимальный уровень мощности входного сигнала, при котором модем способен работать. Естественно, что минимальный уровень мощности входного сигнала, при котором модем способен стабильно работать, зависит от используемого протокола передачи данных. 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 критический уровень затухания, при котором еще возможно установление связи. После этого измерялась эффективная скорость передачи тестового файла. Для получения достоверных результатов каждый замер проводился не менее пяти раз. На основании данных о предельном затухании и уровене мощности выходного сигнала от передающего модема (измеряется с помощью анализатора) рассчитывался уровень мощности сигнала в точке приема, который и представляет собой чувствительность модема.

Тестирование на устойчивость к шуму

Как уже отмечалось выше, отношение уровня мощности сигнала к уровню мощности шума определяет теоретически максимальное значение количества бит, которые можно закодировать в одном дискретном состоянии, и тем самым ограничивает скорость передачи.

Уровень шума в канале связи измеряется, как и уровень сигнала в децибелах, относительно мощности в один милливатт. Однако практический интерес представляет не абсолютное значение уровня шума в канале связи, а отношение сигнал/шум (SNR), показывающее, на сколько децибел уровень сигнала выше уровня шума. Если, к примеру, отношение сигнал/шум составляет 10 дБ, то это означает, что уровень сигнала на 10 дБ выше уровня шума.

При тестировании модемов на устойчивость к шуму определялся максимальный уровень шума и соответственно минимальное отношение 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.

Тестирование на устойчивость к джиттеру фазы

Джиттер фазы — это дрожание фазы передаваемого сигнала. Джиттер возникает в многоканальной аппаратуре уплотнения межстанционного обмена. Некачественная фильтрация напряжения питания в тракте передачи сигнала приводит к его паразитной модуляции с частотами, величина которых обычно составляет 100 Гц. При тестировании определялся максимально допустимый джиттер фазы на частоте 100 Гц, при котором модем обеспечивает стабильную работу.

Тестирование на устойчивость к сдвигу несущей частоты

Сдвиг несущей частоты характерен для аналоговой аппаратуры с частотным разделением каналов (ЧРК). При объединении абонентских каналов с помощью аппаратуры ЧРК 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, могут быть не синхронизированы, то в этом случае возникнет некоторый сдвиг частоты несущего сигнала. 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 может оказаться невозможным. Это, естественно, не означает, что модем вообще нельзя использовать. Если на участках связи между абонентами применятся другая аппаратура, например временного разделения каналов (ВРК), то частотный сдвиг вам не страшен и такой модем может с успехом использоваться. Для справки скажем, что если при соединениии с провайдером удается установить соединение по протоколу V.90, то в атком соединении аппаратура ЧРК не используется.

Тестирование на корректное распознавание сигнала «занято»

В соответствии со стандартом Минсвязи РФ на отечественных АТС используется два типа сигнала «занято». Первый сигнал соответствует занятости вызываемого абонента. Такой сигнал формируется из импульсов с частотой 425± 25 Гц. Длительность самого импульса и длительность паузы между импульсами составляет от 0,3 до 0,4 с. Уровень сигнала на входе модема должен находиться в диапазоне от –5 до –30 дБм.

Второй тип сигнала — это сигнал «занято — перегрузка». Он соответствует занятости аппаратуры АТС или соединительной линии связи. В отличие от сигнала занятости абонента длительность импульсов и пауз в таком сигнале составляет от 0,15 до 0,2 с. Все остальные параметры обоих сигналов одинаковы.

Из-за разных стандартов воспроизведения сигнала «занято» в России и за рубежом некоторые модемы не способны корректно его распознать. Это приводит к неприятному явлению, когда модем, вместо того чтобы повторить попытку соединения в случае занятости абонента (провайдера), продолжает «висеть» на линии, не понимая, что делать.

Для того чтобы определить корректность распознавания модемами сигнала «занято», имитировался стандартный сигнал, состоящий из последовательности тональных гудков частотой 425 Гц и длительностью 0,3 с. Время между каждыми двумя последовательными гудками также составляло 0,3 с.

Комплексное тестирование модемов на линиях различного качества

Для комплексной оценки модемов было проведено тестирование на линиях различного качества. Такое тестирование позволяет оценить способность модема противостоять не какому-либо одному дестабилизирующему фактору, а их совокупному воздействию. Имитируемые линии были условно разделены на пять категорий: идеальная, хорошая, удовлетворительная, неудовлетворительная и очень плохая. Параметры линий, использованные в этом тесте, приведены в табл. 2.

Таблица 2. Параметры имитируемых линий различного качества

 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, чтобы выяснить максимальную скорость соединения, которую можно получить с помощью модема в рамках протокола V.34. Большинство модемов, как и положено, устанавливало соединение на такой линии на скорости 33 600 бит/с. Однако в некоторых случаях наблюдалась скорость соединения только 28 800 или 26 400 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. Исходя из полученного значения, модем выбирает скорость установления связи. Некоторые модемы могут «перестраховываться», занижая скорость соединения при высоком отношении сигнал/шум, или неточно измерять это отношение.

Рис. 6. АЧХ идеальной линии, полученная с помощью модема ZyXEL Omni56K Pro

На линиях хорошего и удовлетворительного качества модемы устанавливают соединение на скоростях в диапазоне от 14 400 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 краткий промежуток времени (2 с) наблюдается скачок затухания на 2 дБ.

Рис. 7. АЧХ хорошей линии, полученная с помощью модема ZyXEL Omni56K Pro

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 шаблона предкоррекции (pre-emphases).

Рис. 8. АЧХ удовлетворительной линии, полученная с помощью модема ZyXEL Omni56K Pro

Рис. 9. АЧХ неудовлетворительной линии, полученная с помощью модема ZyXEL Omni56K Pro

Рис. 10. АЧХ очень плохой линии, полученная с помощью модема ZyXEL Omni56K Pro

Линии неудовлетворительного и очень плохого качества характеризуются не только перекосами в АЧХ, но и мощными, периодически повторяющимися всплесками импульсных и шумовых помех (рис. 11). 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 отсутствие всплесков помех — 22 дБ. Основное же дестабилизирующее воздействие оказывают именно всплески импульсных и шумовых помех. Именно такая помеховая обстановка характерна для большинства реальных низкокачественных каналов связи.

Рис. 11. Всплески шумовых и импульсных помех, полученные с помощью анализатора TDA-5

Рис. 12. Спектр сигнала для очень плохой линии, полученный с помощью анализатора TDA-5

Очень плохая линия связи — это линия, на которой многие модемы не способны не только работать, но и устанавливать соединение. В условиях периодически повторяющихся всплесков шумов модемы не в состоянии адекватно оценить состояние линии, то есть не могут корректно измерить уровень принимаемого сигнала, вычислить отношение сигнал/шум и АЧХ линии. В результате скорость соединения может оказаться либо чрезмерно завышенной, либо, наоборот, модем решит, что уровень принимаемого сигнала слишком слаб, чтобы было возможно установить связь. Аналогичным образом, неверное определение АЧХ линии приводит к некорректному выбору индекса шаблона предкоррекции (pre-emphases) или к неправильно рассчитанным коэффициентам частотного фильтра при предкодировании (precoding) сигнала, что также делает невозможной работу модема.

Стоит особо подчеркнуть, что сымитированная нами очень плохая линия несколько оторвана от реальности. Столь недоброкачественные линии если и встречаются, то крайне редко. Основная цель такой имитации заключалась в том, чтобы выявить те модемы, которые способны 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. Для расчета средней скорости передачи каждый тест повторялся пять раз. Именно средняя эффективная скорость передачи и характеризовала работоспособность модема.

Особенности тестовых испытаний

Какими бы уникальными возможностями ни обладала имитационная аппаратура, «смоделированная» линия зачастую может иметь мало сходства с «реальной». 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. В жизни возможны и такие ситуации, когда в целом хорошая линия превращается в «плохую» за непродолжительное время — такое может происходить как при росте нагрузки на АТС со стороны абонентов в часы пик, так и по многим другим причинам.

Кроме того, сами помехи могут оказывать не 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. Учесть все эти обстоятельства просто нереально. Поэтому еще раз подчеркнем некоторые аспекты имитации дестабилизирующих факторов. При тестировании модемов на устойчивость к затуханию, шуму и 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 на «смоделированных» линиях имитировались равномерными по всему частотному диапазону.

Таким образом, применяя результаты, показанные в тестах, к реальной жизни, стоит рассматривать как бы две составляющие: результаты предельной помехоустойчивости к отдельным дестабилизирующим факторам характеризуют потенциальные возможности модемов, а результаты работы на линиях различного качества демонстрируют степень «универсальности» модемов для применения в различных ситуациях. Если последнего удается достичь (благодаря логике микропрограммы, или дополнительным настройкам, или и тому и другому вместе) и модем способен работать на линиях различного качества, — то, скорее всего, он не подведет вас и в условиях реальной линии, каким бы непредсказуемым ни было ее качество.