Il modem (MOdulator-DEModulator) è un dispositivo in grado di trasformare le informazioni binarie in una forma adatta ad essere trasmessa attraverso il servizio telefonico tradizionale (POTS, Plain Old Telephone Service) basato sul comune doppino telefonico (twisted pair, il cui corrispondente connettore a 4 pin è detto RJ11).
Il servizio telefonico è stato progettato per gestire le comunicazioni vocali, e dunque offre accesso alla cosiddetta banda fonica, che permette di trasmettere pressoché inalterate le frequenze comprese nella gamma 300-3400 Hz.
Per trasmettere su tale banda è dunque necessario che il segnale digitale venga modulato all’interno di questa frequenza, ovvero che vengano prodotte opportune armoniche comprese nella banda che trasportino l’informazione sotto forma di variazione di uno dei tre parametri fondamentali dei segnali sinusoidali (ampiezza, frequenza, fase o una qualunque combinazione di esse).
All’altro capo della connessione telefonica è sempre presente un altro modem che deve compiere l’operazione inversa, ovvero partendo dal segnale analogico ricevuto deve riuscire ad estrarre nuovamente l’informazione digitale di partenza. Il numero di bit che è possibile trasmettere con una unica modulazione del segnale dipende dal numero di differenti ampiezze, frequenze e fasi che si sono prese in esame.
Bisogna a tale scopo definire:
Vale a tale scopo la formula:
dove:
Ad esempio nel caso più semplice se si utilizzano 2 sinusoidi ad ampiezze differenti per codificare l’informazione binaria 0 o 1, si otterrà N = log2(2*1*1) = log2(2) = 1, ovvero il bit rate ed il baud rate coincidono; questo vuol dire che l’informazione binaria associata ad ogni modulazione è pari ad un bit; se si avessero 300 modulazioni al secondo avremmo baud rate = 300 baud e bit rate = 300 bps.
Nel caso in cui la modulazione di ampiezza e quella di fase vengano combinate tra loro si parla di modulazione QAM (Quadrature Amplitude Modulation).
Ad esempio, per un ipotetico modem in grado di trasmettere a 300 baud, se si utilizzano 2 ampiezze ed 8 fasi si avrà N = log2(2*1*8) = log2(16) = 4, ovvero ad ogni modulazione è associato un contenuto informativo di 4 bit, e dunque il bit rate sarà pari a 4*baud rate = 1200 bps.
Nel corso degli anni la tecnologia ha reso possibile realizzare modem in grado di trasmettere e soprattutto identificare correttamente all’atto della ricezione modulazioni con un numero di ampiezze, frequenze e fasi sempre crescente; di pari passo è stato spinto in avanti anche il baud rate.
Sono stati così stati standardizzati dal CCITT (Comité Consultatif International de Télégraphique et Téléphonique, Comitato Consultivo Internazionale di Telegrafia e Telefonia, dal 1993 ribattezzato ITU-TSS, International Telecommunications Union - Telecommunication Standardization Sector, Unione Internazionale di Telecomunicazioni - Settore di Standardizzazione delle Telecomunicazioni, o più semplicemente ITU-T) vari protocolli:
Protocollo | Bit Rate max [bps] | Baud Rate [baud] | Ampiezze*Frequenze*Fasi | N (bit/modulazione) | Note |
|---|
V.21 | 300 | 300 | 1*2*1 | 1 | Modulazione di 2 frequenze |
V.22 | 1200 | 600 | 1*1*4 | 2 (dibit) | Modulazione di 4 fasi |
V.22bis | 2400 | 600 | 2*1*8 | 4 (quadbit) | QAM 16 |
V.23 | 1200 | 1200 | 1*2*1 | 1 | Modulazione di 2 frequenze |
V.27ter | 4800 | 1600 | 1*1*8 | 3 (tribit) | Modulazione di 8 fasi |
V.32 | 9600 | 2400 | 2*1*16 | 4+1 | QAM 32 con 1 bit di controllo errori |
V.32bis | 14400 | 2400 | 4*1*32 | 6+1 | QAM 128 con 1 bit di controllo errori |
V.34 | 28800 | 3200 | 16*1*32 | 9 | QAM 960, richiede UART 16550 |
V.34+ | 33600 | 3429 | 16*1*32 | 9 | Supportato da tutti i produttori ma mai standardizzato ufficialmente |
V.90 | 56000 | 8000 | Trasmissione digitale | 7 | PCM 128, asimmetrico, ricezione a 33600 come V.34+ |
V.92 | 56000 | 8000 | Trasmissione digitale | 7 | PCM 128, asimmetrico, ricezione a 48000, velocizza l’handshaking e permette di gestire la chiamata in attesa |
Gli ultimi due protocolli sono quelli attualmente utilizzati: il V.90 è ormai supportato dalla totalità dei modem in circolazione, ed il passaggio ai modem V.92 come è accaduto in passato non porterà nessun giovamento fin quando anche i fornitori di accesso ad Internet (ISP, Internet Service Provider) non avranno aggiornato i modem dei loro server ai quali i nostri PC domestici si collegano per accedere alla grande rete.
Sia il V.90 che il V.92 sono protocolli asimmetrici in quanto permettono di scaricare (download) dati alla velocità di 56 Kbps, mentre la velocità di caricamento (upload) è inferiore (ad esempio per spedire la posta o per aggiornare il proprio sito su Internet con un modem V.90 la velocità massima è sempre di 33,6 Kbps).
La differenza fondamentale del V.92 è che la procedura di handshaking (letteralmente "stretta di mano") utilizzata all’inizio della connessione per "contrattare" i parametri di configurazione sarà molto più breve (circa 5 secondi, contro quasi il minuto richiesto attualmente quando si compone il numero del provider e i due modem remoti "dialogano" tra loro emettendo il caratteristico rumore).
Inoltre il V.92 permetterà a chi ha abilitato il servizio di chiamata in attesa di essere avvisato dell’arrivo di una telefonata mentre si è collegati ad Internet, ed avrà la possibilità di interrompere momentaneamente la navigazione per parlare con l’interlocutore senza doversi disconnettere.
C’è da notare come in realtà il V.90 e il V.92 non siano dei modem in senso stretto: in effetti la comunicazione avviene tramite codifica PCM (Pulse Code Modulation, modulazione a codice di impulsi), ovvero i bit da trasmettere a 7 a 7 vengono codificati su uno dei possibili 128 valori di tensione ed immessi direttamente sulla linea per 125 microsecondi; il ricevente non dovrà fare altro che campionare il livello di tensione sulla linea a 8000 Hz e ricostruire la sequenza di bit.
Questa tecnologia funziona solo se sono verificate certe condizioni, ovvero se la qualità del doppino telefonico è buona, priva di disturbi e se la più vicina centrale telefonica digitale è situata nel raggio di 1 Km; altrimenti, come per tutti gli standard, la velocità di connessione che viene contrattata viene automaticamente abbassata (fall-back) ad un valore consentito, ad esempio 48000, 33600 o 31200 bps.
Riguardo alle modalità di connessione tra modem e PC, i modem esterni sono abitualmente collegati alla UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter, ricetrasmettitore universale asincrono), integrata sulla scheda madre del PC, tramite la porta seriale standard RS-232; quelli interni su scheda hanno una loro UART integrata che si aggiunge alle due già presenti nel sistema (e che dunque dai sistemi DOS/Windows sarà identificata come COM3: e dai sistemi Unix/Linux come /dev/ttyS2 in quanto la numerazione parte da zero).
I modem esterni più recenti utilizzano invece l’interfaccia USB con relativo cavetto.
Spesso i provider quando si riferiscono alla connessione ad Internet tramite comune modem analogico parlano di servizi PSTN (Public Switched Telephone Network, rete di telefonia commutata pubblica) per contrapporli ai più veloci e moderni servizi ISDN o ADSL.
