Modem

Modem on seade, mis moduleerib analoogsignaali, et edastada kodeeritud digitaalset sõnumit üle sidekanali ning demoduleerib sellise analoogsignaali, et dekodeerida saadud sõnum. Seadme eesmärk on tekitada signaal, mida on lihtne edastada ja mida on võimalik dekodeerida, et taastada esialgne info.
Sõna "modem" on tuletatud ingliskeelsetest sõnadest modulate" ja demodulate", mis tähendavad vastavalt 'moduleerima' ja 'demoduleerima'.
Modemite tuntuim näide on kõnesagedusala modem, mis muudab personaalarvuti digitaalsed andmed modelleeritud elektrilisteks signaalideks. Modelleeritud elektrilised signaalid on häälsageduse piires telefoni kanalil. Neid signaale saab edastada telefoniliinide kaudu ja vastuvõtja modem saab demoduleerida saadud signaalid digitaalseteks andmeteks.
Üldjuhul liigitatakse modemid kindlas ajaühikus edastatava andmeedastusmahu järgi. Tavaliselt mõõdetakse seda kiirust bittidega sekundis (bit/s, inglise bps). Modemeid saab liigitada ka sümboli määra järgi, mida mõõdetakse boodides, mitu korda modem suudab muuta oma signaali olekut sekundis. Näiteks ITU V.21 standard kasutab raadiosageduse tõstmist, et edastada 300 bit/s kasutades 300 boodi. Samas algne ITU V.22 standard lubab 1200 bit/s edastada 600 boodiga kasutades faasi tõstmist.
Ajalugu.
Modemite kasutusele tulek tõi endaga kaasa uue ajastu kommunikatsioonis ning see mängis suurt rolli Interneti plahvatuslikus levikus.
USA õhujõud vajasid Teise maailmasõja ajal usaldusväärset vahendit, et edastada juhtimiskeskusse tuhandeid radaripilte. Lahenduse leidsid nad telefoni süsteemis.
Modemid olid juba 1920. aastatel kasutusel teletaibis ning ideaalne vahend, et muuta digitaalsed radari pildid analoogsignaaliks ja vastupidi. Neid sai saata telefoni võrgusüsteemi kaudu.
Modemit, mida teatakse ka modulaator-demodulaatorina, täiustati Bell Labsis, et parandada teletaibi edastuskiirust umbes 150 bit/s-ni.
See oli esimene kaubanduslik modem 1962. aastal, Bell 103, mis väljastati AT&amp;T pool. Sealhulgas täisdupleksedastus, mis lubab suhtlust mõlemat pidi ehk sünkroonselt, sageduse tõstmist ja 300 bit/s kiirust.
Selleks, et saada aimu nende modemite tegelikust kiirusest, mõelgem tähele, mis koosneb 8 bitist. 300-bitine kiirus tähendab seda, et modem suutis saata umbes 30 tähte sekundis.
1960. aastatel töötas Paul Taylor koostöös James C. Marsteri ja Robert Weitbrechtiga välja maailma esimese telekommunikatsiooni vahendi, mis oli mõeldud kurtidele, kes kasutasid akustilist modemit. 
BBS (Bulletin Board System) ehk arvutisüsteem, mis kasutas tarkvara, mis lubas kasutajatel luua ühenduse ja logida sisse sellesse süsteemi. Levik tähendas seda, et peagi hakkasid kasutajad nõudma suuremaid kiirusi, et edastada järjest suuremaid faile ja pilte. Turunõudlus viis selleni, et arendati välja V.22 ehk Bell 212 modem, mis kasutas 1200 boodi. See modem suutis edastada rohkem märke ja võimaldas väga lihtsate andmete kokku surumist, mis töötas hästi tekstidega, aga polnud eriti edukas piltidega.
Tagaplaanil kasutas AT&amp;T meetmeid, et kasutajad ei saaks luua ühendust teiste firmade telefoniliinide seadmetega. Siiski, peagi nägi Tom Carter, et AT&amp;T-lt võetakse ära nende ebaõiglane eelis. Peagi oli turg avatud kõigile nagu näiteks General Electricule, kes sisenes turule.
1977. aastal lõid Dale Heatherington ja Dennis Hayes maailma esimese arvutimodemi, milleks oli 80-103A. See oli modem, millel olid kõik õiged tunnused, täpselt õige hinnaga ja mis lõi ühenduse otse telefoniga.
Nende edu oli nii suur, et nad käivitasid DC Hayes Associate'i, mida hiljem tunti ettevõttena Hayes Microcomputer Products. Nad arendasid erinevaid tähtsaid tehnoloogiaid nagu näiteks Smartmodem ja Hayes Command seade. Smartmodem oli märkimisväärne, kuna suutis vahetada andme töörežiimist käsu režiimi.
Varsti pärast seda, kui turule olid jõudnud 2400-boodised modemid, suurendati andmeedastuskiirust topelt ja võeti kasutusele uus standard andmete kokkusurumisel. Pärast seda tutvustati V.42, auto usaldusväärset protokolli. Kiirus oli märgatavalt kiirem ja edastamisel esines oluliselt vähem vigu.
Lühiajalisele 4800-boodisele modemile järgnes 1990. aastatel 9600-boodine modem, mis sai kättesaadavaks 1991. Lisaks kaja tühistamine, mis oli modemite kiiruse läbimurre. Modemid olid nüüdseks võimelised kindlaks tegema, kas signaal, mis nad saavad on nende enda oma või mitte. Kui on, siis tühistavad signaali vältimaks segadust. Selleks läks 14 aastat, 1980–1994, et arendada modemite kiirus 14,4 kilobitilt sekundis 28,9 kilobitini sekundis. 1996. aastal tuli Brent Townshend välja tehnoloogiaga, mis võimaldas kiirust 56 kbit/s.
Townshend selgitas Network Worldile 1997. aastal, et nad alustasid väga spetsiifilise probleemiga, kuidas saada suuremat andmeedastuskiirust digitaalses serveris, mida on viidatud paljudele analoogidele, ja alustasid sellest vaatenurgast.
Paeluv on teadmine, et modemi areng pole olnud sama kiire nagu paljude kaasaegsete tehnoloogiate oma. Modem kuulutas uut ajastut kommunikatsioonis alates laialt levinud Interneti kasutamisega.
Analoogmodem.
Analoogmodem on "tavaline" modem, mis muundab arvutist väljuvad digitaalsignaalid toonideks, mida on võimalik edastada analoogtelefoniliini kaudu. Analoogmodem tuleneb sõnast 'analoogia', sest edastamisel tekitatakse toonid, mis on analoogsed edastatavale helile või pildile.
Digitaalmodem.
Erinevus analoogmodemist seisneb selles, et info teisendatakse binaarkoodi, mis koosneb kahest elemendist: 0 ja 1, positiivne ja negatiivne. Seega digitaalmodem edastab andmeid kahe tooni abil, mida on lihtsam edastada ja vastu võtta, sest eristada tuleb vaid kaht tooni.
Carterfone.
Mitmeid aastaid säilitas AT&amp;T monopoli seadmetele, kas lubada seadmetel elektriliselt ühendus nende telefoniliinidega. AT&amp;T lubas ainult Belli tarnitud seadmeid nende võrku ühendada. See viis 103A modemini, mis lõi ühenduse telefoniga mehaaniliselt, läbi telefonitoru. Seda teatakse ka kui akustiliselt ühendatud modemeid. Kuid AT&amp;T-l olid ranged reeglid elektroonilise ühenduse loomisega seadmetele telefoniliinidega, mis tegid elektrooniliselt ühenduvad modemid kalliks. Seetõttu jäid akustiliselt ühendatavad modemid kuni 1980. aastate alguseni alles.
1972. aasta detsembris tutvustas Vadic VA3400. Enne täisdupleksoperatsiooniga varustamist oli see üks märkimisväärsemaid seadmeid. Kasutades sarnaseid meetmeid, mis oli 103A-l ja VA 3400-l, mille edastuskiirus oli 1200 bit/s helistamisvõrgu kaudu. VA3400 kasutas 103A-st erinevaid sagedusalasid, selleks et edastada ja vastu võtta. 1976. aasta novembris tutvustas AT&amp;T 212A modemit, et pakkuda konkurentsi Vadicule. See sarnanes Vadicu mudeliga, aga kasutas andmete edastamiseks madalamat sagedust. 1977. aastal vastas Vadic VA3467 kolmekordse modemiga, mis oli ainult vastamise modem, mida müüdi arvutikeskuste operaatoritele, mis toetasid Vadicu 1200 bit/s mudelit, AT&amp;T 212A mudelit ja 103A operatsioone.
Smartmodem ja BBS.
Järgmine suur saavutus modemite valdkonnas oli Smartmodem, mille 1981. aastal tõi turule Hayes Communications. Smartmodem oli muidu 103A 300 bit/s modemi standardil põhinev, kuid oli lisaks ühele väikesele kontrollerile, mis viis arvuti saatmise käsud selleni, et võimaldas opereerida telefoniliinidel. Käsu seade hõlmas enda alla juhendit, et võtta vastu ja lõpetada kõne, valida numbreid ja vastata kõnedele. Hayesi käsukomplekt jäi kaasaegsete modemite põhjaks.
Enne Hayesi Smartmodemit vajasid modemid üldjuhul kahe sammulist protsessi, et aktiveerida ühendust. Esiteks pidi kasutaja manuaalselt valima numbri standardsel telefonil ning siis ühenduma telefonitoruga akustiliselt. Riistvara lisad, mida teatakse kui helistajad kasutavad erilist olukorda ning haldavad põhiliselt emuleerimist, et kellegagi ühendust saada.
Smartmodemiga saab arvuti luua otseühenduse telefoniga, saates modemile käsu ning elimineerib telefoni instrumentidega seotuse vajaduse, et numbrit valida. Smartmodem loob ühenduse otse telefoniliiniga. See lihtsustab häälestust ja operatsioone.
Smartmodem ja tema kloonid aitasid kaasa Bulletin Board Systemi (BBS) levikule. Bulletin Board System on arvutisüsteem, mis kasutab tarkvara, et lubada kasutajatel luua ühendus ja logida sisse sellesse süsteemi. Modemid olid varem tavaliselt ainult helistamiseks, akustiliselt ühenduvad mudelid, mida kasutasid kliendid või palju kallimad modemid ehk ainult vastamiseks mõeldud mudelid, mida kasutasid serverid. Smartmodem opereeris mõlemat pidi, olenevalt siis arvuti käsust. Nüüdseks oli siis olemas turul odav serveril põhine modem ja lisaks õitses BBS.
Peaaegu kõik tänapäevased modemid suudavad talitleda koos faksidega. Digitaalsed faksid, mis võeti kasutusele 1980. aastatel, olid mõeldud põhiliselt pildivormingus failide saatmiseks suurel kiirusel (tavaliselt 14,4 kbit/s, modemid). Tarkvara, mis jookseb peaarvutil, suudab muuta pildid faksivormingusse, mida saab siis saata, kasutades modemit. Algselt oli selline tarkvara üksnes lisa, kuid nüüdseks on see suures osas universaalne.
Softmodem.
Winmodem või softmodem on siis minimaalse võimekusega riistvara, mis disainiti, et kasutada peaarvuti ressursse. Põhiliselt siis protsessori ja püsimälu kasutamine, mida täitis riistvara traditsioonilises modemis.
Softmodemit viidatakse ka kui Winmodemit, kuna esimesed müügil olevad modemid töötasid põhiliselt Microsoft Windowsi operatsioonisüsteemis. Siiski on nende kasutus laialt levinud ka paljude teiste operatsioonisüsteemidega (nt Linux) töötavates arvutites. Neid on keeruline kasutada teistel operatsioonisüsteemidel, mis pole Windows, kuna on puudulik tootjate poolne toetus ja standardliidesseadmed. Winmodem on U.S Roboticsi kaubamärk, kuid seda kasutatakse tihti, et iseloomustada teise sarnase tehnoloogiaga modemeid.
Kui üldkasutatavate telefonivõrkude modemite tehnoloogia arenes, siis modelleerimise ja kodeerimise kava muutus järjest keerulisemaks, mis tingis modemite riistvara keerukuse suurenemise.
Esimese generatsiooni modemid ja nende protokollid olid üldjuhul lihtsad modelleerimise tehnoloogiad nagu sageduse tõstmine, amplituudi tõstmine madalatel kiirustel ja telefoniliinide ebaefektiivne kasutamine. Nendel tingimustel olid modemid ehitatud analoogtehnoloogiat kasutades 1970. aastate lõpus ja 1980. aastate alguses.
Kui töötati välja veelgi keerulisemad edastuskavad, siis skeem muutus veelgi keerulisemaks, analoog segunes digitaalsete osadega ja lõppude lõpuks sisaldasid mitmeid integraallülitusi nagu näiteks loogilised väravad, mikrokontrollerid ja lukustatud faasi tsükkel. Samas kasutati neid tehnoloogiaid kaasaegsetes v34, v90 ja v92 protokollides, mis olid nii keerulised, et modemite rakendamine osutus ebapraktiliseks ning selle asemel kasutati digitaalse signaali protsessorit ja rakenduspõhiseid integraallülitusi. See muutis modemid omamoodi varjatud süsteemiks.
Lisaks tutvustati suurenenud pakkimist ja vigade paranduskava uusimas protokollis, mis nõudis modemilt endalt töötlemist. See muutis analoogmodemite konstruktsiooni peaaegu võimatuks, eriti kui üritati saavutada ühilduvust vanemate protokollidega kasutades täiesti erinevaid modelleerimiskavasid.
Kui modemid hakkasid toetama neid standardeid, siis muutusid nad üha keerulisemateks ja kallimateks. Siinkohal ei saa mainimata jätta mitmeid vastuolulisi standardeid, mis ei sobinud omavahel, näiteks mitmed 33.6K (v34) ja 56k protokollid.
Sama funktsionaalsust võimaldades nagu oli riistvara modemitel oli see murdosa hinnast ja piiramatu arenguvõimalus, mis oli tarkvara põhiliste modemite eelis. Selleks, et tarkvara põhilised modemid suudaksid konkureerida riistvara põhiste modemitega, vajasid tarkvara põhilised modemid eelnevalt koduarvuti protsessori jõudu, et tagada tulemuslikkus ja töökindlus.
Softmodemite suur eelis on ka see, et koostisosade hinna, arvu, suuruse, kaalu ja energia pealt sai tunduvalt enam kuludelt kokku hoida, kui võrrelda riistvara modemitega.
"Narrow-band"/"phone-line" sissehelistamisega modem.
Tänapäeval omavad standardsed modemid kahte otstarvet: analoogosa, mis genereerib signaalid ja tegutsevad telefonid ning digitaalne osa, mis häälestab ja kontrollib. Tänapäeval on mõlema funktsioonid ühendatud ühte kiipi, kuid jaotus säilib teoorias. Modemi töö saab olla üks kahest töörežiimist. Andmesiderežiim (inglise "data mode"), kuhu andmed saadetakse, ja käsurežiim (inglise "command mode"), kus modemid jälgivad andmeid, mida saadakse arvutite käskudest, ja teostab need käsud. Tüüpiline seanss koosneb modemi pingestamisest, mis automaatselt eeldab käsurežiimi ja siis saadab käsu, et valida number.
Pärast seda, kui eemal asuva modemiga on ühendus loodud, siis läheb modem automaatselt käsurežiimist üle andmesiderežiimi ning kasutaja saab andmeid saata ja vastu võtta. Kui kasutaja on lõpetanud, siis "escape sequence" ehk jada, mis kasutab seeria tähemärke, et muuta arvuti seisundit ja sellega ühendatud välisseadmeid, tähistatakse ka "+++", sellele järgneb sekundiline paus, mis võidakse saata modemile, et see läheks uuesti tagasi käsurežiimi ja siis saadetakse käsk, et lõpetada ühendus telefoniga.
Üldjuhul käsud ise on Hayes käsu komplektist, kuid mõiste ise on omamoodi eksitav. Esialgu oli Hayes käsukomplekt kasulik 300 bit/s operatsioonide jaoks ning seejärel laiendati 1200 bit/s modemiteni. Suuremad kiirused nõudsid uusi käske, mis viis 1990. aastatel käsukomplektide levikuni. Asjad muutusid üha standardsemaks 1990. aastate teisel poolel, kus suurem osa modemeid ehitati väga väiksest arvust kiibistikust. Me kutsume seda siiani Hayes käsukomplektiks, kuigi praegu on sellel kolm või neli korda rohkem käske kui omas esialgne Hayes käsukomplekt.
Raadiomodem.
Otse-eetri satelliidid, Wi-Fi ja mobiiltelefonid – kõik need kasutavad modemeid, et olla ühenduses ja saata andmeid nagu paljud teisedki traadita ühendused. Kaasaegne telekommunikatsioon ja andmevõrgud kasutavad ära raadio modemeid, kus on vajalik pikamaa viidad. Sellistel süsteemidel on tähtis osa PSTN-s ehk Public switched telephone network ehk üldkasutatavad telefonivõrgud, kus kasutatakse siiani kiiret arvutivõrgu viita äärealadel, kus pole majanduslikult otstarbekas kasutada kiude.
Isegi seal, kus on kaabel installeeritud, on võimalik saavutada parem tulemus või muuta teisi süsteemi osi lihtsamaks, kasutades raadiosagedusi ja modelleerimistehnikat kaabli kaudu. Koaksiaalkaablitel on väga suur ülekandekiirus, et digitaalsignaale kasutades muutub suureks probleemiks signaali sumbumine suurtel andmeedastuskiirustel. Kui kasutada modemeid, siis suurem osa digitaalseid andmeid saab edastada üksiksaadetise traatide kaudu. Digitaalkaabel, televisioon ja kaabliga internetiühendus kasutavad raadiosagedustega modemeid, et tagada suurenevat ülekandekiirust, mida vajavad kaasaegsed majapidamised. Modemi kasutamine lubab kasutada mitut sagedusjaotust, lubades kahepoolset digitaalsidet paljudele kasutajatele, üheaegselt kasutades ühte traati.
Traadita modemeid on eri tüüpi, eri ülekandekiirusega ja eri kiirusega. Traadita modemeid nimetatakse tihtipeale ka kui läbipaistvateks või tarkadeks. Nad edastavad informatsiooni, mis modelleeritakse kandesagedusele, mis lubab paljudel traadita ühendustel üheaegselt viidata, et töötada erinevatel sagedustel üheaegselt.
Läbipaistvad modemid töötavad sarnaselt telefoniliinide modemite sugulastega. Tüüpiliselt on nad ühepoolse edastusega ehk samaaegselt ei saa saata ja vastu võtta andmeid. Üldjuhul läbipaistvad modemid koguvad väikese koguse andmeid, küsitledes neid andmeid hajutatud asukohtadest, millel pole lihtsat juurdepääsu traadiga infrastruktuurile.
Targad modemid tulid meediajuurdepääsu kontrolleriga, mis takistab juhuslike andmepakettide kokkupõrkamist ja saadab andmed uuesti, mis pole korralikult kätte saadud. Targad modemid vajavad üldjuhul rohkem ülekandekiirust kui läbipaistvad modemid ning üldjuhul saavutavad kiirema andmeside. IEEE 802.11 standard defineerib lühikese ulatuse modulatsioonikava, mida kasutatakse suuremahuliselt kogu maailmas.
Wi-Fi ja WiMax.
Traadita andmesidemodemid kasutavad Wi-Fi ja WiMaxi standardeid, mis opereerivad mikrolainesagedustel.
Wi-Fit kasutatakse üldjuhul sülearvutites, et luua ühendus Internetiga ja traadita side rakenduste protokolliks.
Mobiilsidemodem ja -ruuterid.
Modemid, mis kasutavad mobiiltelefoni süsteemi, teatakse kui traadita side modemeid, näiteks GPRS, UMTS, HSPA, EVDO, WiMax jne. Traadita side modemid saavad olla sülearvutisse või muusse seadmesse sisse ehitatud või välisseadmena. Välised traadita side modemid on ühenduskaardid, mobiili lairibaühenduse USB-modemid ja üksikelementidest koosnevad ruuterid. Ühenduskaart on PC-Card või ExpressCard, mis sisestatakse arvuti PCMCIA/PC-kaardi pessa.
Tuntuim traadita modemite andmesidekaartide tootja on AirCard, mida tehakse Sierra Wirelessi poolt. USB-traadita modemid kasutavad sülearvuti USB-pesa, mis on PC-cardi või ExpressCardi pesa. Üksikelementidest koosnevad ruuterid võivad omada välist andmesidekaarti või USB-modemit. Nad ise ei ole modemid, aga nende sees võib modem olla või on võimalik ühendada modemit ruuteriga. Üksikelementidest koosneva ruuteri ja traadita side modemi vahe on selles, et ruuter lubab paljudel inimestel sellega ühenduse luua, kui modemid on tehtud ainult ühe ühenduse jaoks.
Suuremal osal GSM traadita side modemitest, näiteks Huawei E220, Sierra 881 jne, on sisseehitatud SIM-kaardi hoidik. Osad mudelid on varustatud ka microSD-mälukaardi pesaga või lisaantenni võimalusega, näiteks Huawei E1762 ja Sierra Wireless Compass 885. CDMA versioonid ei kasuta R-UIM kaarte, aga kasutavad selle asemel elektroonilist seerianumbrit (ESN).
Uuemate traadita modemite tehnoloogiatel on suuremad andmeedastuskiirused (UMTS, HSPA, EVDO, WiMax), mida kaalutletakse ka kui lairibaühendusega traadita modemeid ja konkureerivad teiste lairibaühendusega modemitega.
Ühenduste läbilaskevõime.
Esitatud kiirused on maksimaalsed ja tavalistes olukordades võivad olla nad palju aeglasemad (näiteks nn mürarohkete liinide korral)
Koduinternet.
Modemit on võimalik kasutada ka kiire koduinterneti ühenduse loomiseks, eriti neile, kes kasutavad juba olemasolevat juhtmestikku. Üheks näiteks võib tuua G.hn standardi, mis on loodud ITU-T poolt. See võimaldab suure kiirusega kohtvõrgu ühendust, milles on kasutusel olemasolev juhtmestik (toitejuhtmed, telefonijuhtmed ja koaksiaalkaablid), kus kiirus võib koguni ulatuda kuni 1 Gbit/s. G.hn seadmed kasutavad ristisageduse keerukat jaotamist (OFDM), et luua digitaalse seadme edastamine läbi kaabli.
Terminit "nullmodem" kasutatakse sellise erilise kaabli kohta, mida kasutatakse jadaportide ühendamiseks kahe arvuti ühendamiseks. Sama tarkvara kasutavaid modemeid nagu procomm või minicom võib kasutada koos nullmodemiga.