1/23
Modemy analogowe – modulacja i dostęp do sieci przez linię telefoniczną

Budowa i konfiguracja urządzeń sieci LAN – urządzenia warstwy fizycznej (L1)

Prezentacja poświęcona modemom analogowym – urządzeniom warstwy fizycznej, które umożliwiły masowy dostęp do Internetu w erze dial-up. Omówione zostaną zasady modulacji (ASK, FSK, PSK, QAM), budowa modemu, sekwencja handshake, komendy AT oraz praktyczne aspekty konfiguracji dial-up w urządzeniach Cisco i MikroTik.

Modemy analogowe, choć dziś wyparte przez łącza szerokopasmowe, stanowią ważny rozdział w historii telekomunikacji. Wprowadziły koncepcje modulacji cyfrowej i transmisji danych przez sieć telefoniczną, które są nadal wykorzystywane w nowoczesnych technologiach.

Modem analogowy z lat 90. obok ikon sygnału cyfrowego i analogowego
2/23
Streszczenie

Najważniejsze idee prezentacji

Modem (MOdulator + DEModulator) konwertuje cyfrowy sygnał z komputera na sygnał analogowy przesyłany przez linię telefoniczną i odwrotnie. Kluczowe techniki modulacji to FSK, PSK i QAM. Dial-up (dostęp wdzwaniany) umożliwiał połączenie z Internetem przez standardową linię telefoniczną z maksymalną prędkością 56 kb/s (standardy V.90/V.92). Mimo wyparcia przez ADSL, LTE i światłowody, modemy analogowe pozostawiły trwałe dziedzictwo w postaci komend AT, technik QAM i architektury DSP.

Streszczenie prezentacji
4/23
Co to jest modem?

MOdulator + DEModulator

Modem (skrót od MOdulator + DEModulator) to urządzenie warstwy fizycznej (L1), które konwertuje cyfrowy sygnał z komputera na sygnał analogowy przesyłany przez linię telefoniczną (modulacja) oraz odwrotnie – sygnał analogowy z linii na cyfrowy dla komputera (demodulacja).

Modem – urządzenie warstwy 1 modelu OSI, które dokonuje modulacji i demodulacji sygnału, umożliwiając transmisję danych cyfrowych przez analogowe medium transmisyjne.
Schemat blokowy modemu – wejście cyfrowe → modulator → wyjście analogowe → demodulator → wyjście cyfrowe
5/23
Dlaczego potrzebny jest modem?

Sygnał cyfrowy a analogowa linia telefoniczna

Linia telefoniczna została zaprojektowana do przesyłania sygnałów mowy (analogowych) w paśmie 300–3400 Hz. Sygnał cyfrowy z komputera (sygnał prostokątny o szerokim widmie) nie może być przesyłany bezpośrednio przez linię telefoniczną – uległby zniekształceniu i tłumieniu. Modem rozwiązuje ten problem poprzez modulację – nakłada cyfrowe dane na falę nośną o częstotliwości mieszczącej się w paśmie przenoszenia linii.

Wyróżnienie: Nie można jednocześnie rozmawiać i korzystać z Internetu za pomocą dial-up – linia telefoniczna jest wtedy zajęta przez modem.
Pasmo przenoszenia linii telefonicznej 300-3400 Hz z zaznaczonym pasmem sygnału modemowego
6/23
Modulacja – co to jest?

Podstawowe rodzaje modulacji cyfrowej

Modulacja to proces zmiany parametrów fali nośnej (sinusoidy) zgodnie z przesyłaną informacją cyfrową. Wyróżniamy trzy podstawowe rodzaje modulacji oraz ich kombinacje:

  • ASK (Amplitude Shift Keying) – zmiana amplitudy fali nośnej.
  • FSK (Frequency Shift Keying) – zmiana częstotliwości fali nośnej.
  • PSK (Phase Shift Keying) – zmiana fazy fali nośnej.
  • QAM (Quadrature Amplitude Modulation) – jednoczesna zmiana amplitudy i fazy.
Modulacja – proces zmiany parametrów sygnału nośnego (amplitudy, częstotliwości, fazy) zgodnie z przesyłaną informacją cyfrową.
Fala nośna (sinus) i trzy zmodyfikowane sygnały – ASK, FSK, PSK
7/23
FSK (Frequency Shift Keying)

Modulacja częstotliwości – Bell 103 (300 b/s)

FSK to najwcześniejsza forma modulacji stosowana w modemach komercyjnych. Dwie różne częstotliwości reprezentują logiczne 0 i 1. Standard Bell 103 (1962) osiągał prędkość 300 b/s i wykorzystywał cztery częstotliwości – dwie dla nadawania i dwie dla odbioru (full-duplex).

Bell 103 używał różnych częstotliwości dla nadawania i odbioru – 1070/1270 Hz dla nadawania, 2025/2225 Hz dla odbioru – co umożliwiało jednoczesną transmisję w obu kierunkach (full-duplex).
Wykres częstotliwości – FSK z dwoma częstotliwościami dla bitów 0 i 1
8/23
PSK (Phase Shift Keying)

Modulacja fazy – BPSK, QPSK

PSK zmienia fazę fali nośnej w zależności od przesyłanych danych. W BPSK (Binary PSK) faza zmienia się o 180° – jeden symbol reprezentuje jeden bit. W QPSK (Quadrature PSK) wykorzystywane są cztery fazy (0°, 90°, 180°, 270°), co pozwala na przesyłanie 2 bitów na symbol.

PSK jest bardziej odporna na szum niż ASK, ponieważ zmiana fazy jest łatwiejsza do odróżnienia od zakłóceń amplitudowych występujących na linii telefonicznej.
Konstelacje BPSK (2 punkty) i QPSK (4 punkty) na płaszczyźnie I/Q
9/23
QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

Połączenie ASK i PSK

QAM łączy modulację amplitudy i fazy, tworząc dwuwymiarową przestrzeń symboli. Im więcej bitów na symbol, tym gęstsza konstelacja i wyższa przepustowość:

  • 16-QAM – 4 amplitudy × 4 fazy = 16 symboli (4 bity na symbol).
  • 64-QAM – 64 symbole (6 bitów).
  • 256-QAM – 256 symboli (8 bitów).
Im więcej bitów na symbol, tym większa podatność na szum – gęstsza konstelacja wymaga wyższego stosunku sygnału do szumu (SNR), aby uniknąć błędów odczytu.
Konstelacje 16-QAM, 64-QAM i 256-QAM
10/23
Ewolucja szybkości modemów

Od Bell 103 do V.90 – historia prędkości

StandardRokPrędkośćModulacja
Bell 1031962300 b/sFSK
V.211964300 b/sFSK
V.2219801200 b/sQPSK
V.22bis19842400 b/s16-QAM
V.3219919600 b/s32-QAM
V.32bis199214,4 kb/s128-QAM
V.34199428,8/33,6 kb/s256-QAM + TCM
V.90199856 kb/sPCM (downstream)
V.90 wykorzystywał cyfrową centralę ISP – 56 kb/s osiągalne było tylko w kierunku downstream (do użytkownika). Upstream pozostawał na 33,6 kb/s (V.34).
Wykres ewolucji prędkości modemów od 300 b/s do 56 kb/s
11/23
Dlaczego 56 kb/s to maksimum?

Ograniczenia linii telefonicznej

Twierdzenie Nyquista mówi, że maksymalna szybkość transmisji (bit rate) w kanale o paśmie B przy użyciu M poziomów sygnału wynosi 2B log₂(M) b/s. Dla linii telefonicznej (B ≈ 3100 Hz) i najwyższej stosowanej w praktyce modulacji (ok. 8 bitów na symbol) otrzymujemy teoretyczne maksimum ok. 50 kb/s.

Twierdzenie Shannona-Hartleya uwzględnia dodatkowo szum – dla typowego SNR linii telefonicznej (~30 dB) granica przepustowości wynosi ok. 30 kb/s. V.90 osiąga 56 kb/s, przełamując to ograniczenie dzięki cyfrowej ścieżce downstream.

56 kb/s to praktyczne maksimum dla tradycyjnej linii telefonicznej, wynikające z ograniczeń pasma (3100 Hz) i stosunku sygnału do szumu.
Wykres przepustowości w funkcji SNR z zaznaczonym maksimum dla linii telefonicznej
12/23
Budowa modemu analogowego

Podstawowe bloki funkcjonalne modemu

  • Interfejs RS-232 (UART): łączy modem z komputerem – transmisja szeregowa (piny TX, RX, RTS, CTS, DCD).
  • Procesor DSP (Digital Signal Processor): realizuje modulację/demodulację, filtrację cyfrową, korekcję kanału.
  • DAA (Data Access Arrangement): interfejs do linii telefonicznej – separacja galwaniczna, detekcja sygnału dzwonienia, podnoszenie słuchawki.
  • Głośnik: umożliwia słyszenie dźwięków handshake i sygnałów linii – przydatne przy diagnostyce.
DAA – układ odpowiedzialny za bezpieczne podłączenie modemu do linii telefonicznej, zapewniający izolację galwaniczną i zgodność z przepisami telekomunikacyjnymi.
Schemat blokowy modemu – RS-232, DSP, DAA, głośnik, linia telefoniczna
13/23
Dial-up – dostęp do Internetu w latach 90.

Dostęp wdzwaniany (dial-up)

Dial-up to metoda dostępu do Internetu, w której modem wybiera numer telefonu ISP (Internet Service Provider), nawiązuje połączenie (sesję PPP) i umożliwia transmisję danych. Proces ten wymagał:

  • Komputera z modemem (wewnętrznym lub zewnętrznym).
  • Linii telefonicznej (PSTN).
  • Konta u ISP z numerem dostępowym i konfiguracją PPP.
Dźwięk handshake – charakterystyczne piski i szumy wydawane przez modem podczas nawiązywania połączenia – dla wielu osób to dźwięk dzieciństwa i symbol początków Internetu.
Ekran Windows 95 z oknem połączenia dial-up i modemem obok
14/23
Sekwencja handshake

Jak modem negocjuje połączenie?

Sekwencja handshake (uścisk dłoni) to seria sygnałów wymienianych między modemem dzwoniącym (originating) a odpowiadającym (answering), mająca na celu uzgodnienie parametrów transmisji:

  • Ton wywołania (2100 Hz): modem odbierający informuje, że jest modemem.
  • Ton odpowiedzi (ANS): sygnał 2100 Hz z przerwami – sygnalizacja gotowości.
  • Negocjacja modulacji: wymiana sygnałów sondujących (probing) w celu wyboru optymalnej modulacji i prędkości.
  • Trening korektora: adaptacyjne dopasowanie do charakterystyki linii.
Dźwięk handshake to nie przypadkowy hałas – to precyzyjnie zdefiniowany protokół negocjacji połączenia, który informuje doświadczonego użytkownika o postępie nawiązywania łączności.
Spektrogram dźwięku handshake modemu z oznaczeniem faz
15/23
AT Command Set

Zestaw komend AT (Hayes)

Zestaw komend AT (ATtention) został opracowany przez firmę Hayes w 1981 roku i stał się standardem sterowania modemami. Komendy są wysyłane do modemu jako tekst przez interfejs szeregowy, poprzedzone prefiksem „AT":

  • ATDT – wybierz numer (tone dialing).
  • ATA – ręczne odebranie połączenia (answer).
  • ATH – rozłączenie (hang-up).
  • ATZ – reset modemu do konfiguracji fabrycznej.
  • AT&F – przywrócenie ustawień fabrycznych.
  • ATI – wyświetlenie informacji o modemie.
Komendy AT są nadal używane w modemach GSM/LTE (np. AT+CSQ – siła sygnału, AT+CGATT – attach do sieci GPRS).
Terminal z sesją AT – wpisywanie komend i odpowiedzi modemu
16/23
Przykład sesji dial-up w Cisco IOS

Konfiguracja modemu na routerze Cisco

Cisco IOS umożliwia podłączenie modemu analogowego przez port AUX (auxiliary) i skonfigurowanie dial-on-demand routing (DDR) dla połączeń dial-up:

line aux 0
 modem InOut
 speed 115200
 transport input all
!
interface Dialer0
 ip address negotiated
 dialer in-band
 dialer idle-timeout 120
 dialer pool 1
 dialer string 123456789
 ppp authentication chap callin
 ppp chap hostname user@isp.pl
 ppp chap password 0 haslo
!
dialer-list 1 protocol ip permit
!
interface Dialer0
 dialer-group 1
Dial-on-demand routing (DDR) – modem nawiązuje połączenie tylko gdy istnieją dane do przesłania, a po okresie bezczynności (idle-timeout) rozłącza się, co oszczędza koszty połączeń telefonicznych.
Router Cisco z podłączonym modemem zewnętrznym przez port AUX
17/23
Modem w RouterOS

Praca z modemem przez RouterOS MikroTik

RouterOS umożliwia podłączenie modemu przez port szeregowy (np. USB-RS232) i bezpośrednią komunikację za pomocą komend AT:

/port print
 # Flags: I - inactive
 #   NAME    CHANNELS USED-BY
 0   serial1          1
 1   usb1             1

/system serial-terminal serial1
 AT
 OK
 ATI
 Rockwell 56K External Modem
 OK
 ATDT123456789
 CONNECT 48000
 ...
RouterOS pozwala na bezpośrednią komunikację z modemem przez konsolę szeregową – przydatne do testowania i diagnostyki.
Router MikroTik z modemem USB
18/23
Ograniczenia dial-up

Problemy i niedogodności dial-up

  • Niska prędkość: maksymalnie 56 kb/s (rzeczywista 28,8–48 kb/s) – załadowanie strony WWW zajmowało dziesiątki sekund.
  • Zajętość linii telefonicznej: podczas korzystania z Internetu nie można było dzwonić ani odbierać połączeń.
  • Szumy i zakłócenia: słaba jakość linii powodowała spadki prędkości, błędy transmisji i rozłączenia.
  • Opłaty za połączenie: w Polsce taryfikacja czasowa (impulsy co 3 minuty w szczycie) generowała wysokie rachunki.
  • Brak mobilności: dostęp tylko z miejsca, gdzie znajdował się telefon stacjonarny.
Dial-up nigdy nie osiągał 56 kb/s w praktyce – rzeczywista prędkość była ograniczona przez jakość linii i odległość od centrali, zwykle 28,8–48 kb/s.
Wykres rzeczywistej prędkości dial-up w zależności od jakości linii
19/23
Dial-up w Polsce – era TP S.A.

Internet wdzwaniany w Polsce (1996–2021)

W Polsce dial-up był główną formą dostępu do Internetu przez blisko 20 lat – od połowy lat 90. do końca 2021 roku, gdy Telekomunikacja Polska (TP S.A., obecnie Orange) ostatecznie zakończyła świadczenie usług dial-up (Neostrada tp).

  • Koszt: opłata za impulsy telefoniczne (w szczycie ~0,30 zł/3 min) + abonament ISP (~30–50 zł/mies.).
  • Prędkość: maksymalnie do 56 kb/s, w praktyce 28,8–40 kb/s.
  • Neostrada tp: marka TP S.A. dla usług dial-up (później ADSL).
Kto pamięta dźwięk łączącego się modemu? Dźwięk handshake modemu wdzwanianego do TP S.A. (numer 0202122) to wspomnienie, które łączy pokolenie polskich internautów lat 90.
Neostrada tp – pudełko z modemem lub billboard TP S.A.
20/23
Dlaczego dial-up umarł?

Koniec ery modemów analogowych

Dial-up został wyparty przez technologie oferujące znacznie wyższe prędkości, stałe połączenie i brak blokowania linii telefonicznej:

  • ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line): do 20 Mb/s (downstream) – stałe łącze, nie blokuje telefonu.
  • LTE/4G: do 150 Mb/s – mobilność, brak okablowania.
  • Światłowód (FTTH): do 1 Gb/s i więcej – symetryczny, niskie opóźnienia.
  • Telewizja kablowa (DOCSIS): do 1 Gb/s – wykorzystanie istniejącej infrastruktury TV.
Dial-up był niezbędnym krokiem w ewolucji dostępu do Internetu – pokazał, że istnieje popyt na domowy dostęp do sieci i stworzył fundament ekonomiczny dla późniejszych inwestycji w łącza szerokopasmowe.
Schemat ewolucji – dial-up → ADSL → LTE → światłowód
21/23
Dziedzictwo modemów analogowych

Co modemy analogowe pozostawiły współczesności?

  • Zestaw komend AT: nadal używany w modemach GSM/LTE, modułach IoT (AT+CGSN, AT+CSQ, AT+CGATT).
  • Techniki QAM: 16/64/256-QAM stosowane w Wi-Fi 802.11ac/ax, DVB-T, 5G, ADSL/VDSL.
  • DSP i cyfrowe przetwarzanie sygnałów: algorytmy korekcji kanału, filtracji i kodowania opracowane dla modemów są podstawą współczesnej telekomunikacji.
  • PCM (Pulse Code Modulation): cyfryzacja sygnału analogowego – standard w ISDN, VoIP.
Bez modemów analogowych nie byłoby dzisiejszego Internetu – technologie i protokoły opracowane dla dial-up stały się fundamentem nowoczesnej telekomunikacji.
Mapa myśli – dziedzictwo modemów (AT, QAM, DSP, PCM) z odnośnikami do współczesnych technologii
22/23
Podsumowanie – modem analogowy

Modemy analogowe – najważniejsze pojęcia

  • Modem to urządzenie L1 realizujące modulację i demodulację sygnału.
  • FSK (Bell 103, 300 b/s) – modulacja częstotliwości – pierwsze modemy komercyjne.
  • PSK (V.22, 1200 b/s) – modulacja fazy – QPSK, 2 bity na symbol.
  • QAM (V.22bis–V.34) – kombinacja ASK + PSK – 16 do 256 symboli.
  • V.90 (56 kb/s) – PCM downstream – maksymalna prędkość dial-up.
  • Komendy AT – standard sterowania modemem (Hayes, 1981).
  • Dial-up – dostęp wdzwaniany, blokada linii telefonicznej, opłaty impulsowe.
  • Dziedzictwo: QAM, AT, DSP, PCM – fundamenty nowoczesnej telekomunikacji.
Kolaż – modem Bell 103, V.34, V.90, płyta główna z DSP
23/23
Podsumowanie

Najważniejsze wnioski z prezentacji

  1. Modem analogowy to urządzenie L1, które konwertuje sygnał cyfrowy na analogowy (modulacja) i odwrotnie (demodulacja), umożliwiając transmisję danych przez linię telefoniczną.
  2. Podstawowe techniki modulacji stosowane w modemach to FSK, PSK i QAM – każda kolejna oferowała wyższą efektywność widmową kosztem większej podatności na szum.
  3. Ewolucja prędkości modemów (od 300 b/s do 56 kb/s) była możliwa dzięki coraz bardziej zaawansowanym modulacjom (QAM 256) i wykorzystaniu cyfrowych central ISP (PCM w V.90).
  4. Dial-up (dostęp wdzwaniany) był pierwszą metodą masowego dostępu do Internetu, ale ograniczała go niska prędkość, blokowanie linii telefonicznej i koszty połączeń.
  5. Dziedzictwo modemów analogowych – komendy AT, QAM, DSP, PCM – stanowi fundament współczesnych technologii telekomunikacyjnych (Wi-Fi, LTE, 5G, ADSL).
Ikony podsumowujące – modem, fala, QAM, AT, Internet