Modem

De modem is een apparaat waarmee informatiesignalen geschikt gemaakt worden om over een kanaal te worden getransporteerd. Tegenwoordig gaat het meestal om digitale informatie die over een analoge telefoonlijn, een andere (lange) kabelverbinding, of draadloos wordt verstuurd. Meestal betreft het een dataverbinding tussen computers. Ook op andere gebieden zijn modems in gebruik, zoals bij radio-verkeer, waar een modem ervoor zorgt dat de informatie geschikt gemaakt wordt om via een draadloze verbinding te worden overgebracht.

Het woord modem is een samentrekking van modulator en demodulator. Zowel 'de' als 'het' modem wordt in het Nederlands gebruikt. Gezien de oorsprong geniet 'de modem' de voorkeur. Een modum wordt gebruikt om een computer (PC) te verbinden met o.a. internet.

Doel

Indien men de digitale informatie als elektrische impulsen rechtstreeks op een communicatie-verbinding zou zetten, dan zal blijken dat aan de ontvangzijde de impulsen niet meer te herkennen zijn. Dat heeft een aantal oorzaken, zoals elektrische vervorming van het signaal, (groep)looptijdverschillen, verschuiving van frequentie, enz. Om deze reden moet het digitale signaal omgezet worden op een bepaalde manier zodat die signalen aan de ontvangstzijde als zodanig herkend kunnen worden. Die omzetting is het doel van de modem.

Werking

De binaire gegevens worden omgezet in 'pieptoontjes' in een of meer frequentiebereiken en aan de andere kant door een andere modem weer omgezet in digitale informatie. De term pieptoontjes is eigenlijk alleen van toepassing bij 'ouderwetse' modems waarbij geen draaggolf werd toegepast maar ieder informatiebit een eigen 'toontje' had, dat aan of uit werd gezet als die bit één of nul was. Het nadeel was dat door de grote hoeveelheid elektronische componenten (spoelen) en dat door de eigenschappen van de telefoonverbinding bij bepaalde combinaties van tonen er hele nieuwe, niet gewenste tonen ontstonden (intermodulatie). Later is men een draaggolf gaan gebruiken en hoort men een soort ruisachtig geluid. Een draaggolf is te beschouwen als één ononderbroken voortdurende toon waarvan een of meerdere eigenschappen veranderen, zoals toonhoogte (frequentie) of sterkte (amplitude). Bij moderne ADSL-verbindingen is de frequentie zo hoog, dat het signaal überhaupt niet meer gehoord kan worden.

Meestal is er sprake van één basisfrequentie, de draaggolf dus, die wordt gemoduleerd op vergelijkbare manier als bij radio- of televisieoverdracht. Dit kan door amplitudemodulatie, frequentiemodulatie of fasemodulatie van de draaggolf. Het voordeel van het gebruik van een draaggolf is dat de draaggolf zelf als referentie gebruikt kan worden omdat die steeds aanwezig is en men weet wat de eigenschappen waren bij het ontstaan: het genereren van die draaggolf. Zo zou bij frequentieverschuiving (bij gebruik van straalverbindingen voor telefonie) de draaggolf in frequentie kunnen veranderen, maar de fase- of frequentieverandering (het modulaat) daarop zal hetzelfde zijn. Of de vorm van het signaal zelf kan aangetast worden maar de vorm die door de modulatie gedragen wordt blijft gelijk.

Achterliggende techniek: fasemodulatie

Bij modems wordt fasemodulatie het meest toegepast. Een sinus is voltooid na 360 graden. Tijdelijk wordt bijvoorbeeld de draaggolffrequentie 45 graden of 90 graden of 135 graden of 180 graden eerder of later gestuurd. Op die manier zijn er 8 verschillende sinusposities te onderscheiden. Hiermee kunnen dan 3 bits tegelijk worden gecodeerd. 3 bits hebben 8 (fase)mogelijkheden. De tijdsduur van de faseverandering kan dan 3 keer zo langzaam zijn als wanneer al de bits na elkaar (in serie) worden gezonden. Dat is ook wel noodzakelijk omdat de normale spraakverbindingen bij de telefonie in frequentie beperkt zijn van 300 Hz tot 3400 Hz.

Bij een draaggolf van bijvoorbeeld 1900Hz kan de modulatie niet meer zijn dan ongeveer 1500Hz en dan komt overeen met 3000 b/s als maximum in het modulaat (in één sinus passen twee bits na elkaar). Door nu steeds 3 bits tegelijk te zenden kan dit overeen komen met 9000 b/s als seriëel gecodeerde informatiebits. Door steeds meer verschillende fases te nemen kan op die manier de bitrate (bits per seconde) verhoogd worden. Het eind komt in zicht als de verschillende fases niet meer herkend kunnen worden door de onzekerheid in het signaal dat bepaald wordt door de signaal-ruisverhouding. Bij een bepaald kanaal (bijvoorbeeld een telefoonlijn) is de maximale grootte van het signaal beperkt en de minimum grootte van de ruis ook beperkt. Samen bepalen deze twee het dynamisch bereik van het kanaal de daarmee de grootst mogelijk voorkomende signaal-ruis verhouding.

Op deze wijze zijn al deze eigenschappen van het kanaal bepalend voor de maximale capaciteit van de telefoonverbinding teruggerekend naar de snelheid van de digitale data in b/s. Als hierna wordt gesproken over de maximale capaciteit van een (telefoon)spraaklijn dan wordt dus de overgedragen hoeveelheid informatie per seconde bedoeld en niet de bandbreedte van de (telefoon)spraaklijn zelf.

Snelheid en ontwikkeling van modems

Aanvankelijke modems waren naar huidige begrippen erg langzaam: de eerste consumentenmodems konden 110 of 300 b/s aan en werden akoestisch aan de computer gekoppeld door een telefoonhoorn op een hulpstuk met een luidsprekertje en een microfoon te leggen. Al spoedig kon de telefoonlijn echter direct aan de computer worden gekoppeld. Binnen iets meer dan een decennium ging de snelheid van telefoonmodems naar 1200, 2400, 2800, 9600 b/s en 14,4, 28,8, 33,6 en 56 kb/s, waarmee de maximale capaciteit (zie hierboven, dus niet de bandbreedte) van een gewone (telefoon)spraaklijn ongeveer is bereikt.

Met ISDN werden wat hogere snelheden mogelijk, 64 kbit/sec of bij gebruik van de twee kanalen van de ISDN-verbinding tegelijk 128kbit/s (tegen dubbel tarief dan weer). Bij ISDN kunnen we echter niet spreken van een modem, omdat bij ISDN de informatie direct met basisbandtransmissie op de kabel gezet wordt; het signaal wordt niet gemoduleerd. Bij ISDN spreken we daarom liever niet meer over een modem maar bijvoorbeeld over een ISDN-kaart.

Breedbandmodems

Met de komst van kabelinternet en ADSL kwam een grote sprong: datatransmissie met honderden kilobytes (niet bits) per seconde werd mogelijk. Hiermee werd overdracht van goede kwaliteit audio in real-time en een matige kwaliteit video mogelijk. Alhoewel ADSL een digitale techniek is, worden de signalen net als bij een gewone modem gemoduleerd over de koperlijn verzonden en kunnen we wederom met recht spreken van een modem.

Modems kunnen worden gebruikt om een computernetwerk te realiseren, gebruikmakend van de telefooninfrastructuur die al bestond voordat computernetwerken in zwang raakten.

Hierbij moet worden opgemerkt dat de telefonie-infrastructuur opgebouwd is uit een groot aantal verschillende verbindingen die totaal anders van karakteristiek zijn. De koperverbinding van de huisaansluiting naar een ondercentrale is soms bij heel erg lange oude verbindingen voorzien van spoelen (pupinspoelen). Na een lange afstand zorgden die voor een versterking van hoge tonen die anders op zo'n grote afstand niet meer hoorbaar waren. Dan zijn er verbindingen tussen een ondercentrale naar een hoofd-telefooncentrale. Er zijn glasvezelkabel en straal- en satelliet- verbindingen.

Een "gewone" modem zoals hierboven beschreven kan gebruikmaken van al deze verschillende verbindingen. Hij is geoptimaliseerd voor de "gewone" ouderwetse spraakverbinding die door al deze systemen heen loopt. Echter een ADSL-kaart maakt alleen gebruik van het allereerste deel van de ouderwetse infrastructuur: een paar koperdraadjes in de kabel die van huis naar de ondercentrale lopen en dan alleen nog als die koperdraad niet te lang is. De kabel moet ook nog in goede conditie zijn en beslist zonder die oude pupinspoelen. Dit omdat die sommige "tonen" van het signaal sneller doorlaat dan andere delen (groeplooptijdverschillen). Geavanceerde "gewone" modems trachtten deze verschillen weer te compenseren en schakelen automatisch op een hogere of lagere snelheid over die nog juist haalbaar is. Maar bij de gewenste zeer hoge snelheden bij ADSL is dat helemaal niet mogelijk meer. Hoe hoger de snelheid van de informatie hoe korter de kabels mogen zijn die gebruikt worden.

Opmerkingen

Het is belangrijk in dit verband te begrijpen dat b/s en Baud twee verschillende begrippen zijn. Nochtans worden ze erg vaak foutief door elkaar gebruikt. Baud is het aantal signaalwisselingen per seconde, terwijl b/s het aantal bits per seconde is. Deze kunnen gelijk zijn, maar meestal zijn ze verschillend (zeker bij hogere snelheden). Zie het artikel Baud voor meer details hierover.