Wykład 10: Modemy
PG – Katedra Systemów Mikroelektronicznych
ZASTOSOWANIE PROCESORÓW SYGNAŁOWYCH
Marek Wroński
Podłączenie modemu
MODEM to skrót od MODulacja (z sygn.nośnym) i DEModulacji –jest to konwerter sygn. cyfrowego na sygnał akustyczny (analogowy) i odwrotnie w celu transmisji przez łącze telefoniczne (to jakby połączenie terminali tj. klawiatury z odległym monitorem).
W terminologii RS-232C modem jest urządzeniem DCE (Data Communication Equip.) czyli dołączonym do terminala tzn. do DTE (Data Terminal Equipment) czyli komputera emulującego terminal
Opis portu szeregowego RS232; Typy modemów:
*sygn. do transm.
synchronicznej między modemem a komputerem
(konieczny interfejs wys. szybkości HSI)
Sygn. na złączu:
od –12V do +12V
Szybkości transmisji:
(przepływności bitowej) 300,600,1200,2400,
4800,9600,19200,38400, 57600,115200 bps
•Asynchroniczne (dane w ramce) i synchroniczne (dane buforowane i zmienne w takt TXCK)
•Half-Duplex
(lub wysyła lub odbiera) i full-Duplex
(jednoczesne wysyłanie i odbieranie- 2 nośne, B/2
Typy modulacji
(np. kwadraturowa:QAM=ASK+PSK lub TCM to samo ale z bitami korekcji błędów) ASK jest b. wrażliwa na szumy interferencyjne
Modulacja kwadraturowa (QAM) Dla sygnału pasmowego
(o wąskim paśmie):
x(t)-składowa synfazowa I
y(t)- składowa kwadraturowa Q
m.b. połączone w obwiednię zespoloną:
Sygn. zmodulowany:
A
Po stronie odbiorczej demodulacja:
i usuwanie składowej w.cz.(LPfilt.) M=4 PSK:
(QPSK)
2 cyfry binarne A(n) i A(n-1)
są przesyłane jednocześnie, następnie składowe kwadraturowe są mnożone przez nośne przesunięte o –90O i sumow.
Przekształcenie Hilberta – „idealny” filtr kwadraturowy Dla sygn. jednowstęgowych (SSB-single sideband)
idealny filtr wszechprzepustowy dający przesunięcie 90O
Odpowiedź impulsowa:
a na sygn. we.
(transformata Hilberta):
oraz sygnał analityczny:
jest on odpowiedzią częstotliwościową systemu:
(tylko „dodatnie” skł. częst. są przepuszczane) bo:
Dlatego gdy chcemy przesłać sygn. analogowy x(t) stosując modulację SSB stosujemy obwiednię zespol.
zaś układ odwzorowania zastęp. dołączeniem x(t) do kanału I oraz przez transf. Hilberta do kanału Q.
Dla dyskretnych systemów czasowych odp. impulsowa:
(aproksymowana przez FIR)
Konstelacja sygnału (Signal Constellation)
To diagram używający punktów w układzie współrzędnych dla zdefiniowania zmian sygnału (ASK i PSK)
Przykładowy konstelacji:
(jednak. odległość) 4 bity/bod 5bitów/bod
4-punkt PSK 3 ampl.12 faz extra bit do korekcji błędów(4*2400) full duplex fC= 1200/2400Hz -Trellis Code Modulation
V.29
fC= 1700Hz 4 bity danych:
1-szy amplituda, następne zm. fazy
The International Telegraph and Telephone Consulative Committee (CCITT) modem standards
G.992.2: ADSL=Asymmetric Digital Subscribed Line 1.5 Mbps/512Kbps
Budowa modemu – schemat blokowy
Po włączeniu modem przyjmuje 7-bit. komendy (AT do bufora interpretatora) i po<CR>
realizuje (np. ATA-wzięcie linii, ATD-wybranie nr.) i odpowiada (OK., ERROR).
Komendy (Hayes’a) ustawiają par. modulacji, sposobu negocjacji...zapisane w S-rejestrach Po ATA i pomyślnej negocjacji sposobu modulacji (OK., CONNECT) dane b. Wysyłane (aż minie czas S, pojawi się NO CARRIER lub <przerwa1>+++< przerwa2> lub brak DTR Przygotowanie danych wg. wcześniej zadanej AT receptury w bitowy strumień który to zmienia parametry nośnej w modulatorze, też wg. AT receptury. Przetw.C/A wygeneruje sygn., który przez układ liniowy wysłany zostanie linią tel. do modemu odległego.
Tam odwrotnie – P A/C próbkuje sygn. analog. Demodulator odfiltruje i odzyska bity strumienia, a układ przygotowania odzyska dane.
Liniowa część modemu
Szczególnie ważna przy pracy z linią tel. o dużym tłumieniu i zaszumieniu.
Przełącznik (przekaźnik e-m, optoprzełącz.) sterowany jest komendą „wzięcia linii”
Układ dopasowania stałoprądowego MOSa zapewni przepływ prądu „podniesienia
mikrofonu”. Kondensator zwiera nap.zm.
(tj. „przerwa”). Najlepsze „chipsety” o małym poborze prądu (wolne od zakłóceń) Składowa zmienna sygn. włączona jest przez kondensator na uzwojenie pierw. transformatora izolującego galwanicz.
linię tel.od komputera. Wtórne uzwojenie Tr. Połączone jest z WO nadajnika przez układ dopasowania impedancji -dwójnik zapewniający 600cały zakr.cz.) od strony linii tel. WO zapewnia wymaganą amplitudę sygn.(szcz.VOICE) Sygn. z uzwojenia wtórnego Tr. włącz. jest na we. WO odbiornika, który odejmuje od sygn. wejściowego sygn. nadawany (oprócz cyfrowego odejmowania echa).
Modem nadaje sygn.-10dBm, a ma skutecznie odbierać na poziomie –43dBm.
Warstwa aplikacyjna - oprogramowanie
Po włączeniu program (emulator terminala) wysyła tzw. „string” inicjujący ustawiający param. modemu (AT kody sposobu negocjacji, modulacji, reagowania na dzwonek itp.) Każda aplikacja wymaga innej konfiguracji modemu (autom. lub recznie z klawiatury z opcją echa lokalnego na monitor). W pamięci nieulotnej zapisane są profile i aktywny.
Emulatory posiadają coś w rodzaju książki tel. z której mb. wygenerowany właściwy nr.
i sposób prowadzenia negocjacji (ATQ, ATX) wg. zawartości S-rejestrów
(modem dzwoniący po połączeniu wysyła dźwięk, a drugi bierze linię gdy S0 (licz.
dzwonków) różne od 0 po czym wygeneruje nośną wg. sposobu modulacji i gdy jest ona zrozumiała uzgadnia dalsze szczegóły, np. protokoły przesyłu zbiorów takie jak:
XMODEM (jeden plik zdanymi 8-bit w blokach 128 bajtowych+bity kontr.CRC-potw.) 1K-XMODEM (pakiety 1024 bajtowe), MODEM7 (jednorazowo przesyła więcej plików wraz z ich nazwami wysyłanymi i potwierdzanymi (wg. CRC) przed wysłanim danych), YMODEM (najpierw blok zerowy o wszystkich wysyłanych plikach+ pliki od 128-1024) KERMIT (z kompresją na 7-bit dane + też informacje o plikach. Transmisja ciągła dupl.) ZMODEM (pliki do wysyłki dzielone są na pakiety od 32 do nawet 8kB z CRC 16/32b dł. zmieniana dynamicznie w zależności od ilości błędów. Dane kompresowane wg. alg.
RLE (Run Lenght Encoding) i LZW (Lempel Ziv). Dane przesył. ciągle; dupleksowo zaś inf. o błędach wymuszając retransmisję. Możliwość wznowienia transm.od miejsca zrywu (protokół sprawdza, która część danych została wcześniej wysłana i autom.uruch.odbiór)
Komendy Hayes’a zaczynające się od AT=attenuation character Cecha modemów -zawierają mikroprocesory, dzwonią automatycznie i komendy ASCII
Schemat blokowy modemu V.90
Tx po Antyalias.F najpierw wybielane, dzielone na grupy i kompresowane, potem odwzor, po DAC i LPF transmit. Rx -odwr. kolejn.+ Adapt.wzm,Viterbi dekoder,echo,dif.dek, odtw
Schemat blokowy części nadawczej modemu V.32
Najpierw spektrum sygnału jest wybielane przez scrimbler dla polepszenia wykorzystania kanału, lepszej redukcji echa i adaptacyjnego wzmocnienia.Następnie strumień jest dzielony na grupy 4-bit.
z których 2 bity są kompresowane w differential encoder i poddane kodowaniu splotowemu (convolutional encoder). W rezultacie otrzymujemy 5-bitowe symbole które są odwzorowane w przestrzeni (część rzeczywista i urojona).Pulse shape LP filter tłumi częstotliw. > cz. Nyquista i eliminuje interferencje między symbolami (przecinając odpowiednio oś częst.).
Następnie - modulacja kwadraturowa (QAM) z częstl. nośną 1800Hz po czym próbki są w DAC konwertwane na sygnał analogowy i wygładzane filtrem dolnoprzepustowym.
Schemat blokowy części odbiorczej modemu V.32
Otrzymywany sygnał analogowy z szybk. 9600 b/s (4x oversampling) jest najpierw filtrowany przez Rised Cosinuse Filter i poddawany decymacji (2x). Mnożąc przez e-j(2fcnT/2) realizuje się QAM demodulację. 64-tab adaptive fractionaly spaced equalizer kompensuje zniekształcenia wprowadzane przez kanał. Dostarcza on sygnał do pętli czasowej dla dostrojenia 4x i 2x próbek.
Algorytm Viterbi’ego określa właściwy punkt na konstelacji pamiętając historię ok. 20 słów.
Detektor fazy i blok opóźnienia zapewnia sprzężenie zwrotne do wzmacniacza, który ciągle się adaptuje do otrzymywanych danych. Gdy znana jest amplituda i faza symbol jest odwzorowany z powrotem a 4-bit. symbol jest następnie descrablowany wykorzystując ten sam wielomian gener.
Scrambler / Descrambler
Używają one prostych wielomianów generujących dla trybu „wzywania” i „odpowiadania”:
GPC=1+x-18+ x-23; gdzie x próbka wejściowa, a potęga określa opóźnienie o liczbę próbek GPA=1+x-5+ x-23; zaś sumowanie jest modulo 2, tzn. XOR. Uzyskujemy pseudo-losowość.
Nadający modem dzieli strumień przez generujący wielomian (IIR), a odbierający - mnoży (FIR)
Call/Answer Mode Scrambler: Call/Answer Mode Descrambler:
Low Pass Raised Cosine Filter
Sygnał dolnoprzepustowy może być przedstawiony jako:
gdzie In dyskretny kod słowa, g(t) jest fazą tego słowa.
Ograniczone pasmo kanału jest przyczyną interferencji między-symbolowych. Kanał o idealnie oganiczonym paśmie (o kształcie prostokątnym w dziedzinie częstotl. G(f)=T dla f<1/2T) w dziedzinie czasu odpowiada funkcji sinc tj. g(t)=sin(t/T)/ (t/T) która m.b. Aproksymowana Jako funkcja podniesionego kosinusa:
Gdzie reprezentuje żądany zakres pasma Dla V.32 T odpowiada 2400 symboli/s, a częstotliwość próbkowania jest 9600 Hz dlatego przyjmuje się =0.25 i N=17 FIR:
) (
0
nT t
g I
n
n
V.34 vs. V.90 Modems
Separacja między nadawanymi i odbieranymi sygn.dzięki tłumieniu echa blisk. –6dBm i echa dalekie (LMS FIR). V.90 jest całkowicie cyfrowy dlatego druga para ADC/DAC jest niepotrzebna dlatego szybsza jest transmisja „w dół” od centrali do modemu.
Sygnał od DAC jest 256K konstelacją bez komponenty urojonej, tj. odbiornik musi
dokonać detekcji któremu poziomowi odpowiada. V.92 standard –> w obu kierunkach.
Remote Access Server (RAS) Modems (do Internetu LAN)
ADSP-21mod870 do ISDN (integrated services digital network) oferuje różne funkcje Centrali, jest kompatybilny ze wszystkimi protokołami.
ADSP-21mod970 posiada 6 kanałów modemowych (31 mm BGA) ADSP-21mod980N – 16 kanałów modemowych (35 mm BGA)
ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) - charakterystyka
ADSL ModemBlok Diagram (AD20msp910 chipset)
Możliwe jednoczesne wysyłanie e-maili, ściąganie video i rozmawianie przez telefon, czy też organizowanie video-konferencji (kompatybilny z formatem kompresji MPEG bez przerywania normalnej rozmowy telefonicznej i wszystkimi DLC digital loop carrier oraz standardami ANSI, ETSI i ITU). Zawiera: DSP host processor, line driver, and
AD20msp918 – ADSL over ISDN modem; control software + DMT technology
