home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ CP/M / CPM_CDROM.iso / beehive / bbs / usr-hst.arc / 9600INFO.INF next >
Text File  |  1989-08-12  |  19KB  |  334 lines

  1.  
  2. Not long ago, many data communicators thought that dial-up modem manufacturers
  3. had pushed transmission speeds to the limit with the introduction of 2400 bit
  4. per second (bps) modems.  Recently, however, several manufacturers have
  5. creatively combined  relatively mature techniques of data transmission with
  6. newer technology and have introduced 9600 bps modems.
  7.  
  8. Unfortunately, a widely accepted standard for full duplex 9600 bps
  9. transmission as defined by the International Consultative Committee for
  10. Telegraphy and Telephony (CCITT) does not yet exist (the CCITT is currently
  11. considering proposals for a new 9600 bps dial-up standard).  This means that
  12. today's 9600 bps modems do not offer cross-manufacturer compatibility.  The
  13. CCITT HAS endorsed a half duplex and a full duplex 9600 bps standard, but to
  14. date implementations of these relatively flexible standards have been
  15. proprietary, i.e., even the "standardized" modems from different manufacturers
  16. are not compatible.
  17.  
  18. All this means that modem users who want to enjoy the dream speed of 9600 bps
  19. must weigh the pros and cons of each 9600 bps technique before committing to a
  20. particular 9600 bps design.  This paper was written in an effort to provide
  21. typical modem users with enough technical information and insight that they
  22. will be able to consider the new 9600 bps modems from the position of an
  23. educated consumer and not have to rely on information gleaned from sales
  24. brochures and advertisements.  It should be noted that the author, Wes Cowell,
  25. is an employee of USRobotics.
  26.  
  27.                               THE ROAD TO 9600
  28.  
  29. High speed data communications via the dial-up phone network is limited by the
  30. available phone line bandwidth and by random channel impairments.  Just as the
  31. diameter of a pipe limits its liquid flow capacity, so does the telephone
  32. channel bandwidth limit its data flow capacity.
  33.  
  34. The roughly 3000-Hz available in the telephone bandwidth poses few problems
  35. for 300 bps modems, which only use about one fifth of the bandwidth.  A full
  36. duplex 1200 bps modem requires about half the available bandwidth,
  37. transmitting simultaneously in both directions at 600 baud and using phase
  38. modulation to signal two data bits per baud.  "Baud rate" is actually a
  39. measure of signals per second.  Because each signal can represent more than
  40. one bit, the baud rate and bps rate of a modem are not necessarilly the same.
  41. In the case of 1200 bps modems, their baud rate is actually 600 (signals per
  42. second) and each signal represents two data bits.  By multiplying signals per
  43. second with the number of bits represented by each signal one determines the
  44. bps rate: 600 signals per second X 2 bits per signal = 1200 bps.
  45.  
  46. In moving up to 2400 bps, modem designers decided not to use more bandwidth,
  47. but to increase speed through a new signalling scheme known as quadrature
  48. amplitude modulation (QAM).
  49.  
  50. In QAM, each signal represents four data bits.  Both 1200 bps and 2400 bps
  51. modems use the same 600 baud rate, but each 1200 bps signal carries two data
  52. bits, while each 2400 bps signal carries four data bits:
  53. 600 signals per second X 4 bits per signal = 2400 bps.
  54.  
  55. A technique known as adaptive equalization enables 2400 bps modems to adapt to
  56. phone line impairments call-by-call. Essentially, if the modem is experiencing
  57. problems with a noisy line, it looks for a "sweet spot" in the bandwidth and
  58. attempts to avoid troublesome frequencies.  This technique makes 2400 bps
  59. modems more tolerant of line noise than their 1200 bps counterparts that use
  60. compromise equalization (a one-size-fits-all approach).
  61.  
  62. While these advanced modulation and equalization techniques in 2400 bps modems
  63. provide for double the data rate of 1200 bps modems, they also result in a
  64. design at least four times more complex than 1200 bps modems.
  65.  
  66. Which brings us to the problem of designing a 9600 bps modem.
  67.  
  68. Jumping to 9600 from 2400 bps is several orders of magnitude more complicated
  69. than going to 2400 from 1200 bps.  Telephone network characteristics make it
  70. highly unlikely that success will be had in  extending the "data signal
  71. alphabet" (number of bits represented by each signal) beyond four bits per
  72. signal.
  73.  
  74. Instead, modem designers must increase the bandwidth that is to carry the
  75. signal, and this presents a very big problem.  In fact, at speeds of 4800 bps
  76. (1200 signals per second), the transmit and receive channels must be expanded
  77. to the point where they actually begin to overlap. A  9600 bps "band"
  78. requires roughly 90 percent of the available bandwidth, making it impossible
  79. to have two-way communication without the bands interfering with each other.
  80.  
  81. A helpful analogy to the problem might be to consider a two lane highway:
  82. traffic must flow in both directions simultaneously, but to carry more cars
  83. per unit of time, highway designers must either increase the number of lanes
  84. in each direction or widen the two lanes to accommodate driver error with a
  85. margin of safety.  Unfortunately, these options are not available to modem
  86. designers as the available bandwidth is of a fixed size.
  87.  
  88. With these considerations and limitations in mind, let's examine three basic
  89. ways to accomplish full duplex (two-way) 9600 bps communications:  echo
  90. cancellation, virtual full duplex (achieved by half duplex systems), and
  91. asymmetrical frequency division.
  92.  
  93.                               ECHO-CANCELLATION
  94.  
  95. This method solves the problem of overlapping transmit and receive channels.
  96. Each modem's receiver must try to filter out the echo of its own transmitter
  97. and concentrate on the other modem's transmit signal.  This presents a
  98. tremendous computational problem that significantly increases the complexity
  99. -- and cost -- of the modem.  But it offers what other schemes don't:
  100. simultaneous two-way transmission of data at 9600 bps.
  101.  
  102. The CCITT "V.32" recommendation for 9600 bps modems includes echo-
  103. cancellation.  The transmit and receive bands overlap almost completely, each
  104. occupying 90 percent of the available bandwidth.  Measured by computations per
  105. second and bits of resolution, a V.32 modem is roughly 64 times more complex
  106. than a 2400 bps modem.  This translates directly into added development and
  107. production costs which means that it will be some time before V.32 modems can
  108. compete in the high- volume modem market.
  109.  
  110. Despite the fact that V.32 is a recognized standard, it is uneconomical and
  111. unnecessarily complex for personal computer datacomm applications that simply
  112. don't require simultaneous two-way 9600 bps transmission.
  113.  
  114.                               HALF DUPLEX SYSTEMS
  115.                              (Virtual Full Duplex)
  116.  
  117. Half duplex solutions devote the entire bandwidth to 9600 bps in one direction
  118. at a time, and "ping-pong" the data flow back and forth to simulate full
  119. duplex.  This is potentially the simplest scheme.  Its performance is
  120. acceptable in data transfer applications that don't involve user interaction,
  121. i.e. file transfers. Even so, advanced error-control protocols that require
  122. ACKnowledgments to be sent in response to received data blocks generate a high
  123. number of "line reversals" which greatly impair overall data throughput.  In
  124. short, the benefit of higher speed is so significantly compromised by line
  125. reversals in half duplex sessions that the net gain in data throughput may be
  126. marginal at best.
  127.  
  128. If users want to operate in an interactive mode, their data must be sent to
  129. the remote computer, the data channel must be reversed, and then the data must
  130. be echoed back.  This process results in significant turn-around delays which
  131. can be very frustrating to users.
  132.  
  133. Half duplex modems of this kind are most often based on CCITT recommendation
  134. V.29 for half duplex 9600 bps transmission on the dial-up network.  V.29 based
  135. data pumps used in facsimile systems are available as LSI chip sets, providing
  136. a short-cut to modem manufacturers, particularly to companies that don't
  137. develop their own modem technologies.  But the major problem is that the V.29
  138. modulation scheme has been outdated  by the fact that it operates in a half
  139. duplex mode and doesn't provide good signal to noise performance.  The V.32
  140. recommendation, which operates in a full duplex mode and employs Trellis
  141. Coding Modulation offers greater throughput and a greater immunity to channel
  142. impairments.
  143.  
  144. To the best of my knowledge, modems employing V.29-based modulation include
  145. products from Racal-Vadic, Comspec, Develcon, Gamma Technology, Microcomm, and
  146. Electronic Vaults, Inc.  (EVI).  These modems, however, are NOT mutually
  147. signal compatible -- cross-manufacturer compatibility does not exist.
  148.  
  149. Another modem in the half duplex category, but not based on V.29 modulation,
  150. is the Telebit Trailblazer (R), which uses a proprietary modulation method.
  151.  
  152. Trailblazer is based on a multi-carrier technique.  Conceptually, the
  153. transmission channel is divided into many (512), independent, very narrow
  154. channels (think of our two-lane highway and imagine it as having 512 very
  155. narrow lanes (say, for bicycles) going in one direction and you've got a fair
  156. idea of how Trailblazer divides the bandwidth).  The main advantage is that no
  157. receiver adaptive equalizer is needed because each channel is very narrow
  158. compared to the overall channel bandwidth.
  159.  
  160. Further, in the Trailblazer modulation scheme, the modulation rate in each
  161. narrow channel can be changed somewhat independently.  Trailblazer is
  162. different from many other modems in that the decision to fall back to lower
  163. speeds is built into the modem protocol, rather than controlled by the user's
  164. computer port.  It is claimed that in the face of channel impairments,
  165. throughput can be adapted gracefully to channel conditions.  Traditional
  166. modulation systems would have to fall back in larger steps.  But there are
  167. three inherent MAJOR problems:
  168.  
  169. 1)  The turn-around delay is very long compared to conventional modulation
  170. techniques because data must be sent in large blocks.   A typed character may
  171. take several seconds to be echoed back to the system that sent it.  As a
  172. result, the system fails to achieve the illusion of full duplex and is not
  173. really suited to interactive online sessions.
  174.  
  175. 2)  The Trailblazer receiver cannot "track" carrier "phase jitter" (phase
  176. jitter can be thought of in terms of "phase shift": think of how the whine of
  177. a race car goes from higher to lower as it passes the viewer --  the frequency
  178. of the sound is said to be "shifted" or "jittered").  Instead of cancelling
  179. out phase jitter (which is commonly encountered on long distance calls) the
  180. Trailblazer can only respond by lowering throughput to gain more immunity to
  181. phase jitter.
  182.  
  183. 3)  The ability to transmit at the maximum rate when subject to channel
  184. impairment is considerably less than for conventional modems.  There is one
  185. notable exception:  the multiple channel technique offers extremely good
  186. immunity to impulse noise because the impulse energy is distributed over
  187. narrow channels.  While conventional modems can achieve similar results
  188. through special coding or filtering techniques they rarely implement such
  189. methods.
  190.  
  191.                        ASYMMETRICAL FREQUENCY DIVISION
  192.  
  193. When one considers the nature of most PC datacomm applications, it is realized
  194. that most applications are interactive, involving manual (typed) data entry
  195. from one end and data file transmission from the other end.
  196.  
  197. Few, if any, PC users can justify using an expensive 9600 bps channel to carry
  198. their typed characters when they realize that 300 bps translates to 360 words
  199. per minute.  Assuming one could type 100 words per minute, even a 100 bps
  200. transmission channel would be sufficient.
  201.  
  202. On the other hand, file transfer should take advantage of the tremendous speed
  203. of the microprocessor.  Serial ports are often set at data rates in excess of
  204. 19,000 bps.
  205.  
  206. Considering these inherent characteristics, a communications scheme that
  207. incorporated a high speed and a low speed channel would be best suited for
  208. most PC datacomm applications.
  209.  
  210. Remembering the highway analogy (higher speeds mean wider lanes), one can see
  211. how such a method would grant modem designers a  large portion of the
  212. available bandwidth for a 9600 bps channel and still leave enough room to
  213. accommodate a narrow 300 bps channel without any channel overlap.
  214.  
  215. By utilizing two discreet channels, such a modem would avoid costly, complex
  216. echo-cancellation schemes.  And, because the channels carry data in both
  217. directions simultaneously, the communications link is a true full duplex
  218. connection.  This means that data entered at one system would be almost
  219. instantaneously echoed back -- eliminating the frustrating turn-around delay
  220. experienced in half duplex sessions.
  221.  
  222. USRobotics has developed just such a modem.  It passes data in one direction
  223. using the V.32 modulation technique (a very robust method that is very immune
  224. to phone line impairments) but employs only a 300 bps channel in the opposite
  225. direction so that the channels do not overlap and echo-cancellation is not
  226. necessary.
  227.  
  228. The use of the high-speed channel by the two modems is based on data demand.
  229. In most applications, however, "channel swapping" will not be required.  For
  230. interface elegance, the modems employ a 4K buffer that allow them to perform
  231. data rate conversion: sending and receiving speeds remain constant between the
  232. modem and the computer -- it is only in between the modems that transmitted
  233. and received data run at different speeds.
  234.  
  235. For interactive sessions, users are assigned the low-speed channel while the
  236. data sent to them (long mail messages, menus, files, etc.) in the 9600 bps
  237. channel.
  238.  
  239. For file transfer sessions, the data blocks that make up a file are sent in
  240. the 9600 bps channel while the corresponding ACKnowledgments are returned in
  241. the 300 bps channel.  An asymmetric frequency division scheme is ideal for
  242. file transfer where large data blocks (usually several hundred bytes in
  243. length) are transmitted in the high-speed channel and the ACKs (usually only
  244. a few bytes in length) are carried in the low-speed channel.
  245.  
  246. If a user switches from an interactive mode to file transfer and then back to
  247. interactive mode, the high speed channel is dynamically and automatically
  248. assigned to the system with the greatest data demand.
  249.  
  250.                               A BRIEF COMPARISON
  251.  
  252. Three options exist for data communicators who desire to operate at 9600 bps:
  253.  
  254. 1)  V.32-type modems offer a full duplex connection but do so by virtue of
  255. echo-cancellation.  This technique is so complex, and has proven so difficult
  256. to employ, that the cost for such modems will remain prohibitively high and
  257. their implementation a delicate task for some time to come.
  258.  
  259. 2)  Half duplex modems (either V.29 or multi-carrier) offer 9600 bps but the
  260. turn-around delay inherent in half duplex links severely compromise overall
  261. throughput.  This degradation of throughput, however, can be more than offset
  262. by data compression techniques assuming the modems in question support
  263. identical compression protocols and are operating on relatively "clean" phone
  264. lines.  Both half duplex methods suffer disproportionate degradation on
  265. "noisy" lines: the V.29 modems must spend more and more time in line reversals
  266. as detected data errors increase, and the multi-carrier modems must sacrifice
  267. throughput to gain noise immunity.
  268.  
  269. 3)  Asymmetrical Frequency Division offers 9600 bps communications in a true
  270. full duplex implementation.  By efficiently utilizing the available bandwidth,
  271. these modems provide users with high speed file transfer capabilities and fast
  272. response in interactive sessions.  Because the transmit and receive data
  273. channels do not overlap, expensive echo-cancelling techniques are unnecessary
  274. making these modems economically efficient.
  275.  
  276.                                   IN CONCLUSION
  277.  
  278. Until a widely recognized standard is agreed upon by the standards community,
  279. and implemented by several manufacturers, modem buyers must weigh the benefits
  280. and detriments of each 9600 bps scheme.
  281.  
  282. V.32 would be best where symmetrical, full duplex, synchronous communication
  283. is desired (for example, dial-up HDLC links between multiplexers) and where
  284. the user can modify his software to accommodate non-"AT" command-driven
  285. modems.
  286.  
  287. V.29 modems would be likely solutions where absolute lowest price is required
  288. and conformance to an international standard (in a very limited sense) is
  289. desired.
  290.  
  291. Multi-carrier transmission schemes are well-suited to applications that
  292. require maximum one-way throughput and where circuit conditions are known to
  293. be good.  This transmission method is also ideally suited for circuits where
  294. immunity to impulse noise is paramount.
  295.  
  296. Users who most often work with one-way file transfers (PC-to-PC) or with real-
  297. time applications may opt for an Asymmetrical Frequency Division scheme, which
  298. is suited equally well for either application.  The elegant approach to the
  299. frequency division (avoiding overlapping bandwidths) also allows these modems
  300. to present a very economical ratio between dollars and bps.
  301.  
  302. Potential high-speed-modem buyers should also consider the aspects of ease-of-
  303. use, ease-of-implementation, and downward compatibility with existing
  304. implemented standards (the CCITT's V.22bis for 2400 bps, Bell 212A for 1200
  305. bps, and Bell 103 for 200 bps).
  306.  
  307.                                   POST SCRIPT
  308.  
  309. Many modem users have voiced confusion and consternation about the lack of
  310. compatibility between modem manufacturers at speeds greater than 2400 bps.
  311.  
  312. Modem manufacturers have embraced the Bell 212A and 103 standards for 1200 and
  313. 300 bps.  In these post-divestiture days, however, Bell no longer sets modem
  314. standards in the U.S. and hence, U.S. modem manufacturers have turned to the
  315. CCITT as a definitive source for standards.  The industry-wide acceptance of
  316. the CCITT's V.22bis standard for 2400 bps is the best example of this shift.
  317.  
  318. The CCITT recommendations V.29 and V.32 for 9600 bps have not resulted in
  319. compatible implementations.  It is important to remember that V.29 was
  320. originally developed as a four-wire full duplex leased-line modem and has
  321. since been adapted by various manufacturers to encompass half duplex dial up
  322. applications.  Other problems with V.29 are that it compromises transmission
  323. speed and is poor for interactive sessions.  V.32 is proving to be
  324. prohibitively complex and exceptionally difficult to implement (driving
  325. development and production costs up).
  326.  
  327. Recognizing the need for an alternative to the V.32 recommendation, the CCITT
  328. has requested proposals from modem manufacturers.
  329.  
  330. Presently, two proposals are being considered by the CCITT.  One is the multi-
  331. carrier scheme developed and sponsored by Telebit.  The other is an
  332. Asymmetrical Frequency Division scheme developed and sponsored by USRobotics.
  333.  
  334.