L’evoluzione dei modem: dai 300bps ai 300Mbps negli ultimi 40 anni

Era da un po’ che avevo in mente di scrivere un’articolo su questo tema … inizialmente l’idea era di produrlo in occasione del VCF 2020, manifestazione ovviamente “saltata” per Covid19 … ma poi dopo aver sostenuto l’esame di “Teoria dei Segnali” presso l’università Politecnica delle Marche ho acquisito migliori basi teoriche per poter scrivere del tema in modo più competente, e forse è stato meglio così: questa “revisione” 2021 di un articolo scritto nel tempo è sicuramente più “consapevole” e tecnicamente più coerente.

Il mio primo “login” su un sistema telematico l’ho effettuato nell’estate 1989, grazie ad un modem a 1200bps proprio su MC-Link, servizio a cui mi abbonai poi come MC5510 … considerando che al 2020 ancora un certo numero di milioni di utenti fruisce di servizi telematici a mezzo di una “coppia”, o meglio di un “doppino in rame di categoria 3”, ritengo che a molti possa far comodo sapere come sia stato possibile passare dai primi modem su rete telefonica commutata a 300bps (introdotti commercialmente nel 1962) agli attuali EVDSL che sulla medesima coppia, spesso risalente anche 50 anni fa, riescono in qualche modo a “farci passare” dati nell’ordine di grandezza dei 300 Mbit, cioè SEI ordini di grandezza in più (per chi non ne avesse pratica, si parla di un ordine di grandezza considerando un fattore 10, ed il prefisso “Mega” nel sistema internazionale sta per 10^6, uno seguito da sei zeri, un milione).

Questo articolo intende occuparsi dell’evoluzione storica dei modem dai primi 80 anni ad oggi, considerando SOLO il doppino telefonico, quale mezzo più conosciuto da tutti; in realtà esistevano un certo altro numero di tecniche di trasmissione, che prevedevano ad esempio l’utilizzo di due o più “coppie”, l’uso di cavi coassiali con differenti impedenze, piuttosto che forme comunicazioni senza fili … ecco, io vorrei occuparmi in questa sede solo della prima categoria.

Bell 103A (o V.21)

Le persone più “mature” che leggeranno quest’articolo ha fatto le sue prime “connessioni telematiche” con un modem a 1200 o 2400 bps … prodotti che venivano tutti forniti “compatibili” con quelli a 300 bps: lo standard Bell 103A fu introdotto come tale dalla AT&T addirittura nel 1962! Permetteva una trasmissione full-duplex a 300 bit/s su una normale linea telefonica, utilizzando un sistema di “modulazione” FSK (Frequency-shift keying), dove il modem che originava la chiamata trasmetteva sulle frequenze di 1,070 o 1,270 Hz e quello che rispondeva alle frequenze di 2,025 o 2,225 Hz

Chi ha iniziato a “giocare” con i modem nei primi anni 80, si è sicuramente trovato per le mani già un Hayes Smartmodem o un qualcosa di “compatibile”: nel 1981 infatti la Hayes insieme al suo “SmartModem”, pur mantenendosi compatibile con lo standard 103A, offriva per prima un “linguaggio di comando” del modem molto intuitivo, che poi è diventato standard i tutti i futuri modelli (almeno quelli casalinghi), comprendendo fra le altre cose la possibilità di comporre automaticamente il numero di telefono con degli specifici comandi (ATDP:Attention, Dial Pulse; ATDT: Attention, Dial Tone)

Non si trattava di una novità, ma allora non c’erano sistemi standard, e tipicamente un modem a 300bps prevedeva l’utilizzo di un accoppiatore acustico mediante una comune cornetta telefonica con il doppino telefonico.

Rispetto a questi anni sono arrivato “poco dopo”, cioè senza vivere mai personalmente l’esperienza di un accoppiatore acustico, leggendo però un certo numero di recensioni di modem, anche su MC.

V.22: 1200bps

Ho infatti iniziato a connettermi a servizi telematici mediante un modem V22, standard CCITT che alla pari del predecessore V21, elevò al rango di “standard mondiale” una delle tante modalità già disponibili per ottenere un canale a 1200 bps simmetrico su linea telefonica commutata tradizionale: si trattava di una variante dello standard Bell 212A che permetteva la realizzazione di un canale a 600bps o 1200bps utilizzando una modulazione di tipo PSK (Phase Shift Keying).

Sicuramente il mio modem non era “ancora” USRobotics, cioè uno dei produttori di riferimento di Modem a livello mondiale, del quale utilizzerò le immagini a titolo di esempio, anche perché sicuramente si tratta della marca più diffusa in Italia (se non nel mondo) e sicuramente, a distanza di anni, ancora fra le più conosciute.

V.22 bis: 2400bps

Il precedente standard fu poi esteso per raggiungere il doppio della “velocità”, ma utilizzando una modulazione di tipo QAM (Quadrature Amplitude Modulation), con “fallback” al precedente standard V22 nel caso fosse necessario trasmettere dai 1200bps in giù (per compatibilità verso il basso o per condizioni di linea non favorevoli).

Baud o Bps? La “Modulazione”.

A questo punto il mercato degli standard trovò un pò di quiete: il superamento della soglia dei 2400 bps fu infatti oggetto di ricerca e di un certo numero di standard che si proponevano di ottenere una “velocità” superiore, cercando di superare le limitazioni delle modulazioni FSK e PSK utilizzando schemi più complessi quali il PSQK e la QAM, considerando che molti dei principi di quest’ultima sopravvivono ancora nei modem contemporanei.

A questo punto vorrei cogliere qui l’occasione per dirimere una diatriba che ha visto per anni lottare schiere di utenti circa l’utilizzo del termine Bps e Baud … c’era chi sosteneva fossero equivalenti, chi diversi … “Baud” aveva un look più comune, Bps più tecnico, ma in realtà erano e sono due concetti del tutto distinti e non sovrapponibili … per ben comprendere i quali non è più possibile prescindere da una buona comprensione del concetto di “modulazione” … termine che i più danno per scontato, ma che l’esperienza mi insegna non tutti abbiano capito come si deve.

Al di la di tutte le spiegazioni tecniche che si possono dare del concetto di “modulazione“, c’è da comprendere un concetto di base: nella necessità di dover trasmettere “informazioni” da un punto originante (che possiamo pensare considerare ente trasmissivo, simboleggiato in genere con l’acronimo TX) verso un punto ricevente, abbiamo a disposizione tutti i “mezzi trasmissivi” che separano queste due entità, sia in senso fisico che, soprattutto, elettromagnetico.

Fra due paesi posti sopra una collina, con visibilità ottica, possiamo immaginare in modo molto concreto una “modulazione” a segnali di fumo: presumendo di avere un fuoco che ne produce in modo regolare, interrompere il flusso di fumo con una modalità “pre-concordata” fra le parti (un “protocollo), qualifica il paese originante quale ente TX, ed il fatto che un’altro paese abbia visibilità ottica su questo stato di cose lo elegge a potenziale “paese RX” … l’utilizzo di un codice comune preconcordato (quale il codice morse) realizza un canale trasmissivo, che nel 2021 è possibile realizzare con bassi costi con un efficacia trasmissiva pari a qualche bit al minuto.

Immaginando di moltiplicare il numero di “sorgenti di fumo” trasmittenti, e considerando che ogni simbolo del morse può essere composto da tre sottosimboli (punto o linee), è possibile immaginare di riuscire a poter trasmettere con successo a un bps trasmettendo simboli a 3 baud (con 3 umani “TX” che interrompono ad arte il flusso di fumo, e tre umani “RX” che dall’altra parte leggono questi simboli, e li decodificano grazie al codice preconcordato.

Ecco quindi spiegato in modo “concreto” cosa si intende per “modulazione”: una tecnica che permette di scambiare informazioni fra due enti utilizzando opportune “variazioni” delle caratteristiche di uno dei mezzi fisici che li divide … segnali di fumo nell’esempio simbolico, ampiezza, frequenza, fase di un segnale elettromagnetico (o una combinazione di questi tre parametri) nel caso si utilizzi un doppino in rame.

L’acronimo “bps” sta quindi per bit-per-second, numero di bit massimi trasmissibili (e non necessariamente trasmessi) al secondo: si tratta quindi di una unità di misura della “portata massima” di un canale di trasmissione digitale … affermare che lo standard V22bis permette un canale simmetrico di 2400bps su una linea tradizionale, significa che mentre si può scaricare un file massimo a 2400bps se ne può inviare un altro sempre massimo a 2400 bps (anche sul paese ricevente, si può immaginare di trasmettere segnali con la stessa tecnica al paese originante).

Con il termine Baud quindi si intende qualcosa di sottilmente ma strutturalmente diverso: nel voler onorare la memoria del “Codice Baudot“, con modem a 2400 Baud si intende un apparato che può trasmettere 2400 “simboli” al secondo, per cui un modem a 2400 baud in grado di trasmettere “simboli” da 4 bit, risulta avere una portata trasmissiva massima di 9600 bps: è quanto avviene ancora oggi con le connessioni più rapide su doppino, dove ad una portata massima teorica di 300 Mbps (milioni di bit al secondo) corrisponde un Baud Rate di circa 4000 Baud: vengono quindi trasmessi simboli dell’ordine di grandezza dei 10 Mbit circa 4000 volte al secondo (su 4000 portanti distinte) … come vedete il Baud Rate non è cambiato più di tanto, ma sono modulazioni sempre più sofisticate ad aver permesso l’evoluzione tecnologica che consente oggi a quasi tutte le utenze del territorio nazionale di godere di una connessione a “larga banda”.

V32: 9600 bps simmetrici

Arrivo finalmente uno standard mondiale per un canale a 9.6 Kbit simmetrico, a calmierare un mercato che era stato movimentato principalmente da due player: Telebit e US Robotics.

Telebit produceva una linea di modem (Trailblazer) che già a metà degli anni 80 rasentava i 20 Kbit/s grazie ad una singolare modulazione proprietaria (PEP: Packetized Ensemble Protocol) ed era comune per il collegamento di sistemi Unix, mentre UsRobotics tentava di stressare i limiti sfruttando il doppino in modo asimmetrico, arrivando anche a rasentare i 25 Kbit/s trasmettendo dati velocemente solo in una delle due direzioni: se era necessario un upload il modem riservava quasi tutta la banda per il canale trasmissivo, cambiando poi lo schema di trasmissione in caso di download, situazione in cui la banda veniva dedicata invece al canale ricevente.

Il marchio USRobotics finì per avere un successo commerciale maggiore, soprattutto grazie ad una politica di marketing aggressiva che concedeva forti sconti ai “SysOp” delle famose BBS, ma anche perché lo sforzo tributato in termini di ricerca e sviluppo dall’azienda, poi acquisita da 3Com, fu sempre tale da porla “un passo avanti” rispetto sia agli standard che alla concorrenza diretta.

V32bis: 14400 bps simmetrici

Tanto per fare un esempio, quando arrivò lo standard per i 14400 bps simmetrici, USRobotics aveva già il modello 16.8k “HST”, tecnologia proprietaria che fu spinta a colpi di 2.4 kbps fino a 24 kbps, proprio mentre lo “standard ufficiale” prevedeva un massimo molto inferiore.

In realtà questa tecnologia proprietaria aveva un approccio molto “smart”: piuttosto che cerca di ottenere un canale simmetrico, coscienti del fatto che tipicamente l’utilizzo di un modem da utente finale era concepito per fare in tempi distinti tipicamente prima dei download di file, poi di upload, gli ingegneri USRobotics svilupparono un protocollo “asimmetrico”; praticamente quando il firmware si rendeva conto che l’utente voleva ricevere un file, realizzava una trasmissione asimetrica, ad esempio 16.8 kbit in download e 0.4 kbit in upload … mentre quando l’utente si apprestava a trasmetterlo, la larghezza di banda di upload e download veniva scambiata … per quei “puristi” che amavano tenere il volume del modem alto, ciò corrispondeva ad un chiarissimo “cambio” nel “rumore di modulazione” …

é altrettanto ovvio che questi incrementi di 2.4k alla volta non erano ottenuti cambiando il baud rate, ma il bit rate … cioè concependo una tecnologia in grado di aggiungere un bit alla volta al “simbolo” trasmesso sempre a 2400 baud (ovviamente, 4 bit per i 9.6k, 5 bit per i 12kbps, 6 bit per i 14.4kbps, 7 bit per i 16.8 kbps, e così via fino ai 10 bit dei 24kbps)

V.34: da 28800 a 33600 bps simmetrici

Sempre a “calmierare” tutti gli standard che nel frattempo l’agguerrita concorrenza cercava di realizzare per accaparrarsi parte di una fetta di mercato che era diventata ricchissima (per la connessione ad Internet dell’utente finale) arrivo finalmente anche uno standard per i 28.8 kbps prima, e i 33.6kbps infine: questo tipo di connessioni, come del resto quelle dei primi modem, erano “adattive”, cioè si adattavano dinamicamente all’eventuale variato rapporto segnale/rumore in linea, scendendo dai 33.6kbps ai 31.2, poi ai 28.8, poi così via fino agli eventuali 4.8 a step di 2400 bps: tutto ciò mantenendo costante il baud rate e diminuendo il numero dei bit trasmessi per simbolo … in teoria, una volta rallentata la velocità per un degrado di linea (ad esempio un interferenza) il modem era in grado di ri-negoziare una velocità superiore con la sua controparte ad intervalli regolari.

In tutto ciò US.Robotics produceva dei modem “dual standard”, cioè in grado sia di essere compatibili con gli standard CCITT, che con i propri protocolli proprietari (ovviamente sempre almeno un bit avanti rispetto agli standard).

Fra le altre cose fu nel 1993 il CCITT , cioè l'”International Telegraph and Telephone Consultative Committee” (in francese Comité Consultatif International Téléphonique et Télégraphique, CCITT) creato nel 1956 fu “rinominato” ITU-T (ITU Telecommunication Standardization Sector), quindi lo standard V34, che ci accompagnò per anni e ancora sopravvive fino ad oggi, fu ratificato proprio sotto questa nuova denominazione.

ISDN (e V.90/V.92)

Il limite di quanto permetteva il doppino telefonico era definitivamente raggiunto: non c’era anche teoricamente modo di andare oltre … l’unico modo era di rendere “digitale” tutto il canale fra utente e utente, o almeno fra utente e “provider”, termine con il quale si indica ormai universalmente un fornitore di servizi telematici.

Di fatto tutta l’infrastruttura telefonica era nel frattempo stata digitalizzata, cioè fra centrale e centrale telefonica le telecomunicazioni avvenivano già da anni con tecnologie digitali, anche in questo caso grazie a delle “coppie di modem” su circuiti però dedicati (e non commutati) che permettevano di aggregare molte comunicazioni su una sola coppia.

Era quindi giunto il momento dello sviluppo di un set di standard di protocolli comunicazione completamente digitale che però facesse utilizzo dello stesso mezzo della comune linea analogica PSTN, cioè il solito doppino: prese il nome di Integrated Services Digital Network, una tecnologia che all’atto pratico permetteva di multiplexare su una coppia in rame due canali dati da 64kbps (detti canali B) ed un canale dati “di controllo” (Detto canale D).

Nel 2021 questo standard è ancora vivo e vegeto … nonostante ci si stia spostando sempre di più verso uno standard IP only, TIM ancora è in grado di erogare il servizio ISDN, che resta l’unico modo di collegare alla massima velocità un FAX Standard, a parte ovviamente richiedere un servizio tradizionale PSTN, parimenti ancora erogato e richiedibile.

Con riferimento specifico però all’evoluzione dei modem, oltre ad utilizzo full digital (che richiedeva ovviamente che entrambi le parti fossero dotate di una terminazione di rete completamente digitale), lo standard ISDN permetteva però delle amenità particolari: a mezzo di ingegnosi schemi di modulazione, fu possibile realizzare dei modem per linea analogica che, se connessi ad un provider di servizi con connessione digitale, permettevano di “stressare” il canale di ricezione prima (V.90), e anche quello di trasmissione poi (V.92), fino a un massimo teorico di 56kbs in download e 48 kbps in upload: è quanto fa il modello di cui sopra, ancora in produzione sotto marchio USRobotics nonostante i tanti cambi di proprietà del marchio e della tecnologia stessa … per quel poco di analogico che c’è ancora al mondo, di sicuro questo è il modello più “performante” che sia ancora commercialmente in vendita.

IDSL

Questo è un acronimo poco conosciuto dai più, ma ne parlo perchè fa un po’ da ponte fra il vecchio e il nuovo mondo, cioè fra le connessioni DialUp e quelle broadband stabili: una coppia di modem IDSL era in grado, sfruttando le modulazioni tipiche della ISDN, di realizzare un canale digitale simmetrico da 144kbps (64*2 per i canali B + 16k del canale D) su un doppino telefonico “dedicato”: utilizzai per un paio di anni una coppia di questi modem per collegare due sedi della mia azienda separate da 2km di doppino telecom standard, regolarmente noleggiato come “CdF” (collegamento diretto fonia). Allo stesso modo anni prima avevo utilizzato due modem V34 per collegare due sedi, in questo caso “distanti” ben 7km di doppino, e questa connessione punto-punto ha funzionato benissimo fin quando è servita 🙂

In questo caso si trattava comunque una delle prime modulazioni dette xDSL, cioè Digital Subscriber Line, delle quali le più note sono ovviamente le contemporanee ADSL e VDSL

xDSL

A questo punto per poter fare un salto di qualità non era più possibile prescindere da una indispensabile “mossa tecnica”: per accorciare il percorso fra i due modem, era ovviamente indispensabile avvicinare uno dei due modem all’utente finale, cioè installarlo … nelle centrali telefoniche!

Ciò alla fine non solo risolve il problema della distanza, ma di fatto, potendo realizzare una tratta dedicata fra utente e modem, non è più necessario alcun filtro limitatore di banda, per cui in questo modo è possibile utilizzare l’intero spettro di frequenze per trasmettere segnali sul doppino di rame.

L’idea di base dietro a questo tipo di tecnologia è “valida” ancora oggi nel terzo decennio del 2000 e resterà tale almeno fino a fine decennio … prima il modem è stato installato nelle centrali telefoniche (ADSL), poi si è avvicinato fino all’armadio di strada (VDSL – FTTC), ed in alcuni casi fino alla base di un condominio …

… il tutto per permettere “portate” trasmissive teoriche massime rispettivamente di 8Mbps/1Mbps (ADSL), 24Mbps/1Mbps (ADSL2+), 55Mbps/3Mbps (VDSL) , 55Mbps/3Mbps (VDSL) , 300Mbps/100Mbps (VDSL2+) … ed il tutto senza sacrificare neanche quel poco di banda che serve per garantire all’utenza finale anche la fruizione di un servizio analogico tradizionale … per quanto con le tecniche del tipo VDSL questo servizio sia ottenuto con standard di tipo VoIP.

Più vicino di così all’utente del servizio non si può materialmente, e da qui in poi l’unica forma di evoluzione possibile in termini di “portata trasmissiva” è arrivare con una fibra ottica direttamente a casa dell’utente finale, piuttosto che con un ponte radio anche dedicato, ad un’antenna sopra il tetto.

In realtà esiste uno standard ancora più “capace” della VDSL2+, il G.Fast (per velocità di download fino a 1Gbps), che però non mi risulta avere alcuna diffusione commerciale significativa … consultando Wikipedia ci sono studi teorici per modulare addirittura un Terabit su un doppino … probabilmente si tratterà di standard che non vedranno mai la luce, perchè ormai la diffusione di reti in fibra ottica che arrivano fino alla casa dell’utente (FTTH) stanno per diventare “comuni” … e non è ardito ipotizzare che entro fine decennio possa essere coperto anche un buon 90% del territorio nazionale, con il resto raggiunto da tecnologie wireless con una ragionevole larghezza di banda.

Conclusioni – i “vecchi” modem nel 2021

Come scrivevo nel paragrafo dedicato all’ISDN, sia le linee ISDN che quelle analogiche tradizionali, sono ancora relativamente diffuse, ma ovviamente destinate ad una rapida “estinzione” … il grafico a lato rende conto dell’andamento dell’utilizzo di modem tradizionali (in grigio) e “broadband” (in blu) .. come noto la situazione americana fa spesso da riferimento profetico rispetto al resto del mondo, e possiamo pensare che anche da noi le cose andranno allo stesso modo, magari con un lag di un paio di anni …

Di sicuro potrei scrivere un’articolo del titolo “L’evoluzione della fibra ottica negli ultimi 40 anni” … considerando che già si parla di “portate trasmissive” dell’ordine di centinaia di Terabit per distanze da dorsale sottomarina su fibre non amplificate.

Per finire, a proposito dei modem xDSL, ho riportato in immagine uno dei modelli più comuni di Fritz.Box, una linea di prodotti fra le più valide e apprezzate, della tedesca AVM, che potremmo ritenere di una popolarità da potersi paragonare ai modem analogici USRobotics … azienda che si è fermata a questi ultimi, con un’incursione poco significativa nel mercato delle prime tecnologie ADSL. A onor di verità avrei potuto utilizzare per l’intero articolo immagini di prodotti Zyxel, produttore ben noto dal mercato e che ha storicamente prodotto sia modem analogici che xDSL … resta che oggettivamente si sia sempre trattato di un “second player” nei casi più felici dei rispettivi mercati POTS e xDSL.

Al prossimo articolo … probabilmente fruito attraverso canali trasmissivi di portata sempre più ampia.

Venezia 30 Gennaio 2020 – Gramolazzo 21 Agosto 2021
MC5510 – Marco Piagentini