Tematem naszego referatu jest transmisja asynchroniczna i synchroniczna oraz metody modulacji stosowane w modemach. Przeczytawszy treść tego tematu na wstępie powinniśmy powiedzieć coś o samych modemach.

Czy zastanawialiście się kiedyś co w ogóle oznacza MODEM? To oczywiście skrót (bo amerykanie wszystko lubią skracać) od słów MOdulator/DEModulator. Modem umożliwia połączenie urządzenia cyfrowego z publiczną siecią telefoniczną (kanał analogowy). Wszelkie linie telefoniczne są optymalizowane pod kątem przesyłania mowy a nie do przesyłania danych. Zatem żeby było możliwe przesyłanie danych tą drogą potrzebne jest urządzenie konwertujące sygnał cyfrowy, w jakim są zapisane dane, na sygnał analogowy. Ten proces nazywa się modulacją. Po stronie nadawcy modem konwertuje cyfrowy sygnał komputera na sygnał analogowy, przesyłany dalej przez łącza telekomunikacyjne. Ten proces nazywa się demodulacją Po stronie odbiorcy modem dokonuje odwrotnej operacji to jest przekształca odebrany sygnał z postaci analogowej na cyfrową. Przesyłany sygnał nadal jest cyfrowy, a jedynie upodobniony do analogowego tak aby można było przesłać go w analogowym kanale telefonicznym.
          Obydwa modemy muszą stosować zgodne ze sobą techniki komunikacyjne, zdefiniowane kilkoma standardami. Do najważniejszych należą standardy serii V, opracowane przez CCITT (Consultative Committee for International Telegraph and Telephone - Komitet Międzynarodowej Unii Telekomunikacyjnej powołanej przez ONZ). Innym standardem transmisji modemowej jest Microcom Nerworking Protocol (MNP).
          Połączenie modemu z komputerem dokonywane jest najczęściej poprzez interfejs RS-232, a połączenie modemu z gniazdem sieci telefonicznej za pomocą wtyku RJ-11C (modularne złącze czteroprzewodowe, używane w telefonii).

Kabel RS-232C składa się maksymalnie z 25 przewodów, z których każdy spełnia określoną rolę i jest przeznaczony do przenoszenia różnych sygnałów. Standardowo zakończony jest gniazdem 25-stykowym (DB 25) opisanym przez standard ISO 2110. Ponieważ, jak już wcześniej wspomniano, rzadko używane są wszystkie sygnały złącza, spotykane są też wtyki 9-stykowe (DB 9) zgodne ze standardem ISO 4902. Modemy przeznaczone dla komputerów mogą być montowane wewnętrznie w formie karty lub zewnętrznie w formie niewielkiego pudełka, które jest połączone z komputerem za pomocą portu szeregowego.

Rysunek przedstawia zasadę danych poprzez linię telefoniczną: modem lokalny odbiera dane cyfrowe, przesyłane z komputera , zamienia je w modulatorze na postać analogową i transmituje poprzez linię telefoniczną do modemu oddalonego. Ten z kolei dokonuje za pomocą demodulatora zamiany postaci analogowej danych na postać cyfrową i wysyła je do komputera.

Komunikacja DTE-DCE

Sposób przesyłania danych można przedstawić za pomocą następującego schematu blokowego:

gdzie:
DCE (Data Communication Equipment) - oznacza urządzenie komunikacyjne np. modemy, kodeki, adaptery liniowe i inne urządzenia komunikacyjne tego typu.
DTE (Data Terminal Equipement) - oznacza urządzenie terminalowe będące źródłem lub odbiorcą danych np. komputery, mosty i routery łączące ze sobą sieci lokalne.
          Urządzenia pośredniczące typu DCE, oprócz funkcji przenoszenia danych, pełnią funkcję terminatora łączy i zapewniają synchronizację w liniach telekomunikacyjnych.Styk definiuje sposób wzajemnej komunikacji między tymi urządzeniami. Urządzenia DTE i DCE nadają i odbierają dane osobnymi przewodami, doprowadzonymi do złączy 25-stykowych.

Ogólna budowa modemu

Budowa wewnętrzna:

Schemat blokowy modemu:

   

       Data Pump (pompa danych) jest specjalizowanym układem scalonym, który moduluje i demoduluje sygnały. Zawiera on dedykowany procesor sygnałowy DSP. We wbudowanej w niego pamięci ROM zawarte są procedury modulacji dla procesora DSP, zgodne ze standardami CCITT. Ponadto w układzie tym znajduje się przetworniki: C/A (cyfrowo-analogowy) i A/C (analogowo cyfrowy), które pozwalają na przejście z sygnału analogowego na cyfrowy w celu obróbki i odwrotnie w celu transmisji w kanale. W tym układzie dokonywane jest kompensacja i eliminacja echa (techniki stosowane przy przesyłaniu danych mające na celu uniknięcie różnego rodzaju zakłóceń).

          Mikroprocesor realizuje całą logikę modemu. Dekoduje on i wykonuje rozkazy języka AT (język służący do komunikacji między modemem i komputerem). Ponadto zajmuje się on wybieraniem numeru, skramblowaniem, kodowaniem zabezpieczającym i kompresją danych (Skramblowanie, kodowanie zabezpieczające oraz kompresja danych ma na celu wyeliminowanie większości błędów przy przesyłaniu danych oraz przyspieszenie komunikacji). Większość z tych funkcji wymagają pamięci RAM. Program według, którego pracuje mikroprocesor jest zawarty w podłączonej do niego pamięci ROM.

          RS-232 - blok ten zawiera układ transmisji szeregowej UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) lub USART. Dokonuje on transmisji danych pomiędzy modemem i komputerem zgodnie ze standardem RS-232C. Jeśli modem jest połączony z komputerem za pomocą innego złącza to oczywiście ten blok jest zastąpiony przez blok realizujący inne funkcje

          Układ styku odpowiedzialny jest za izolację galwaniczną linii i modemu. Głównie od parametrów układu stykowego uzależniona jest homologacja modemu, czyli dopuszczeni go do użytku w danej sieci publicznej. Do zadań tego układu należy także pulsacyjne (dekadowe) wybieranie numeru.

Znaczenie diod na obudowie

 

          Większość modemów wyposażona jest w diody sygnalizujące stan modemu. Ilość diod może się różnić w zależności od modelu i możliwości modemu. Oto zestaw możliwych diod oraz ich znaczenie:

 

<TBODY>Dioda	Nazwa	Opis
AA	Auto Answer	Automatyczne przyjmowanie wywołań
CD	Carrier Detect	Wykrycie nośnej nadającego modemu
CTS lub CS	Clear To Send	Gotowość modemu do nadawania
DSR>	Data Set Ready	Gotowość modemu
EC	Error Correction	Praca z korekcja błędów
HS	High Speed	Praca z wysoką prędkością
OH	Off Hook	Istnienie połączenia
RXD lub RD	Received Data	Odbiór danych przez modem
TST	Modem Test	Testowanie modemu lub łącza
TXD	Trans smit Data	Nadawanie danych przez modem
TR	Terminal Ready	Gotowość terminala
FAX	Fax Operations	Operacje związane z faxem
ARQ/	Error Control/	Automatyczne powtarzanie żądań</TBODY>

 

Bps i bod

 

          Dosyć często bps oraz bod są stosowane zamiennie jako miary tej samej wielkości, służące do określenia szybkości modemu. W rzeczywistości każda z nich określa coś innego.
    

      bps (bits per second )- w komunikacji danych, jest miarą szybkości przesyłania danych dla modemów oraz transmisji. Oznacza liczbę przesłanych bitów na sekundę. Czas d bitów danych w sekundach jest odwrotnie proporcjonalny do cyfrowej transmisji s w bps: d = 1/s.
          Modemy komputerowe dla (dwużyłowej skrętki) linii telefonicznej zazwyczaj mają szybkość między 14.4 a 57.6 kbps. najczęściej używane szybkości to 28.8 i 33.6 kbps. Modemy stworzone do użytku z telewizyjną siecią kablową mogą nawet osiągać szybkość większą niż 100 kbps. Światłowodowe modemy są najszybsze ze wszystkich; mogą wysyłać i odbierać dane nawet w Mbps.
          Często producenci oznaczają szybkość modemu według maksymalnej szybkości portu szeregowego. W starych modemach port szeregowy komputera pracował zawsze z tą samą szybkością co modem. W modemach z korekcją błędów port szeregowy komputera ustawia się na stałą szybkość, zazwyczaj dwu- lub czterokrotnie wyższą niż prędkość transmisji modemu. Wartość ta odpowiada orientacyjnej efektywności stosowanej w modemie kompresji danych. Nie wszystkie dane dają się dobrze skompresować w związku z tym maksymalna prędkość przysłania może być osiągnięta tylko dla niektórych danych.

          bod (ang. baud) - jest miarą liczby zmiany sygnały cyfrowego w ciągu jednej sekundy. Wartość podana w bodach określa, ile razy stan linii komunikacyjnej zmienia się w ciągu jednej sekundy. Miara bod (ang. baud) została nazwana tak na cześć francuskiego inżyniera - Jean Maurice Emile Baudot. Była pierwszą miarą szybkości w transmisjach telegraficznych. Bod był kiedyś powszechnie używaną miarąszybkości transmisji danych zanim został zamieniony przez bardziej właściwą miarę bps.
          Gdyby modem wraz z każdą zmianą sygnału przesyłał 1 bit, to jego szybkość transmisji wyrażona w bitach na sekundę byłaby równa szybkości modulacji wyrażonej w bodach. W praktyce stosowane techniki kodowania pozwalają przedstawić 2 lub więcej bitów w postaci pojedynczej zmiany sygnału. System kodowania, w którym na 1 bod przypadają 2 bity nazywa się kodowaniem dwu-bitowym (dibit encoding), zaś system, w którym na 1 bod przypadają 3 bity - kodowaniem trzy-bitowym (tribit encoding). Jeśli mamy szybkość modulacji n bodów oraz używamy modulacji 2m-wartościowej to otrzymamy prędkość transmisji nm b/s, gdyż przy pomocy każdego sygnału elementarnego możemy zakodować m bitów informacji.

 

Rodzaje modemów

 

          Modem szerokopasmowy to najczęściej stosowane modemy, przesyłające dane przez publiczne sieci telefoniczne przeznaczone standardowo do przesyłania mowy w paśmie 3,1 kHz. Modemy tego rodzaju przesyłają dane przez łącze dedykowane (oferujących szerokie pasmo przenoszenia danych) lub przez łącze komutowane (to jest złożone na czas trwania sesji, tak jak w przypadku rozmowy telefonicznej).
Modem szerokopasmowy typu DSL (Digital Subscriber Line), stosowany po stronie abonenta w szerokopasmowych sieciach cyfrowych DSL, przenosi dwa niesymetryczne pasma: o szybkości do 8 Mb/s w kierunku abonenta i do 2 Mb/s od użytkownika do sieci. Inny model modemu szerokopasmowego to modem radiowy RF (Radio Frequency), przenoszący pasmo minimum 10 Mhz, często stosowany pod nazwą modemu Kablowego w sieciach współosiowych telewizji kablowej CATV.

          Short Haul - modemy zdające egzamin na niewielkich odległościach do ok. 15 km, które mogą być nieznacznie przedłużane pod warunkiem ograniczenia prędkości. Wykorzystują one połączenia na tzw. liniach dzierżawionych. Mają one dużo zalet gdyż łączą najczęściej tylko kilka komputerów i nie występują na nich zakłócenia związane z siecią telekomunikacji publicznej.

          Voice-Grade - modemy o nieograniczonym zastosowaniu zaletą ich jest to, iż posiadają one zdolność do przesyłu dużej ilości danych w krótkim czasie, oraz to, że mogą być stosowane jako systemy łączące komputery zarówno za pomocą sieci publicznej jak i linii dzierżawionej - co zresztą w dzisiejszych czasach jest standardem wśród tego typu urządzeń.

Tryby pracy modemu

 

Tryb asynchroniczny

Najprostszym protokołem, znajdującym się dzisiaj w powszechnym użyciu jest protokół asynchroniczny oparty na rozwiązaniach sprawdzonych już we wcześniejszych systemach teleksowych. Sieci teleksowe były podstawą nie głosowej łączności dla abonentów biznesowych przez więcej niż pięćdziesiąt lat. Urządzenia końcowe sieci teleksowej - elektromechaniczne dalekopisy - powstały na długo przed burzliwym rozwojem elektroniki; dalekopis wykorzystuje klawiaturę do wprowadzania danych oraz drukarkę do ich wyprowadzania.

Protokół implementowany w pierwszych wersjach dalekopisów jest nazywany asynchronicznym, ponieważ nie przewiduje on wspólnego sygnału synchronizacyjnego, który wyznaczałby w odbiorniku początek transmisji. W transmisji asynchronicznej nadajnik i odbiornik generują własny sygnał zegarowy wykorzystywany do nadawania oraz odbierania danych. Zegary co prawda są ustawione na ta samą nominalną szybkość transmisji, ale w praktyce, ale w praktyce jeden zegara może opóźniać się lub śpieszyć względem drugiego, co jest przyczyną powstawania błędów. Na rysunku wyjaśniono dlaczego powstają błędy, jeżeli lokalny zegar odbiornika opóźnia się.

Amplituda

(V)

Chwile próbkowania

0 1 1 0 1 0 0 1 Sygnał odbierany

0 t

opóźniana elementarna

podstawa czasu

0 1 1 0 1 0 1 0 Odbierane dane

błąd błąd

Rys. Błąd odtwarzania elementowej podstawy czasu w transmisji asynchronicznej

Innym rozwiązanie jest transmisja synchroniczna, w której zegar odbiornika jest synchronizowany z zegarem nadajnika. Efekt można uzyskać albo przesyłając sygnał zegarowy w oddzielnym obwodzie( jak ma to miejsce w obwodzie RS-232), albo uzyskując sygnał zegarowy ze zmian poziomu w sygnale odbieranym. Synchroniczny tryb transmisji pozwala wyeliminować błędy związane z poślizgiem zegara , ponieważ lokalny zegar odbiornika biegnie tak samo jak lokalny zegar nadajnika.

Protokół transmisji asynchronicznej eliminuje błędy związane z poślizgiem zegara w inny sposób - dane mogą być przekazywane wyłącznie w krótkich seriach ( kilka bitów zazwyczaj tworzących znak), a każda seria jest poprzedzana zmianą poziomu napięcia w linii w celu resynchronizacji sygnałów. W dalekopisach poziom napięcia w linii jest zmieniany przez wciśnięcie klawisza z klawiatury. Po naciśnięciu dowolnego klawisza mechanizm rozruchowy nadajnika dalekopisowego powoduje uruchomienie osi z krzywkami modulującymi i wysłanie w linię sekwencji bitów ( łącznie z bitem startowym). Po wysłaniu sekwencji kodowej mechanizm dalekopisu wraca w położenie spoczynkowe na co najmniej dwa okresy zegara przed wysłaniem następnego znaku.

Opisane rozwiązanie sprawdza się przy niewielkich szybkościach transmisji ( zazwyczaj 50 bit/s lub 110 bit/s), natomiast niedokładności zegarów mechanicznych nie pozwalają uzyskiwać transmisji szybszych. Protokół transmisji asynchronicznej jest stosowany również we współczesnych terminalach ASCII, ale dokładne zegary elektroniczne zapewniają większe szybkości transmisji.

W nowoczesnych terminalach stosuje się układy transmisji asynchronicznej UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter ), które próbkują odbierany sygnał z częstotliwością szesnaście razy większą od szybkości transmisji w celu możliwie bezzwłocznej detekcji zmiany napięcia w linii (sygnalizującej początek transmisji). Odbierany sygnał jest następnie próbkowany mniej więcej w połowie każdego okresu zegara. Złącze RS-232 przenosi

protokół transmisji asynchronicznej jako sygnał bipolarny o ujemnej konwencji lohicznej.

Amplituda

(V)

Początek transmisji

+15

Bit

startu 0 Napięcie progowe

+3

0

-3 t

Dane

linia

nieaktywna 1 1

zegar odbiornika ( start mniej więcej w połowie bitu startowego)

odzyskane dane 1 0 1 t

Rys. transmisja asynchroniczna w złączu RS-232

Sygnał transmisji asynchronicznej

Początkowo linia jest w stanie nieaktywnym (ujemne napięcie na styku RS-232). Wciśnięcie dowolnego klawisza z klawiatury powoduję zmianę poziomu napięcia w linii( przejście dodatnie) będącą jednocześnie początkiem bitu startowego oraz sygnalizującą odbiornikowi transmisję sekwencji kodowej znaku (łączenie z bitem parzystości). Sekwencja bitów wraz z bitem parzystości jest przekazywana z zastosowaniem ujemnej konwencji logicznej. Po zakończeniu transmisji bitów linia powraca do stanu nieaktywnego na czas od jednego do dwóch odstępów jednostkowych (tzw. bity stopu). Następny znak może być wysłany w linię po upływie dowolnego czasu od ostatniego bitu stopu.

Na rysunku poniżej przedstawiono sygnał transmisji asynchronicznej tak, jak mógłby on być

Amplituda

(V) bit parzystości

+15 Start ASCII „Y” (najpierw 1sb) normalnej

0 0 0 0

+3

0

-3

1 1 1 1 linia nieaktywna

-15

1 bit stopu

obserwowany na ekranie oscyloskopu. Transmisja znaku wiąże się z transmisją dziesięciu bitów (najpierw jest wysyłany bit najmniej znaczący). W przedstawionym przykładzie format danych jest następujący:

1 bit startu

7-bitowy znak ASCII (najpierw jest transmitowany lsb)

1-bit parzystości normalnej

1-bit stopu

Pamiętamy, że nie istnieje standardowy format danych, a więc należy zadbać o to, aby odbiornik i nadajnik pracowały dokładnie w ten sam sposób (programowanie parametrów pracy - rodzaj parzystości, liczba bitów informacyjnych , liczba bitów stopu, szybkość transmisji - odbywa się za pomocą przełączników lub poleceń sterujących wydawanych z klawiatury), w przypadku przeciwnym nastąpi bowiem utrata danych.

Kolejnym przykładem jest asynchroniczna transmisja znaku ASCII „J” ^msb1 001010^lsb przez styk RS-232 ( negatywna kontrola parzystości , dwa bity stopu). Pełna sekwencja bitów przy założeniu negatywnej kontroli parzystości jest równa:

Bit bit bity

startu lsb msb parzystości stopu

| | | | |

0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 11

W przykładzie pokazanym na rysunku poniżej zostały zastosowane 3 bity dla celów synchronizacyjnych ( bit startu sygnalizujący początek transmisji znaku oraz dwa bity stopu przywracające stan nieaktywny linii) oraz jeden bit parzystości negatywnej umożliwiający detekcję błędów transmisji. Tak więc cztery bity spośród jedenastu nie są bitami

informacyjnymi, zapewniają one natomiast poprawna transmisję informacji.

Amplituda

(V) 8 bit parzystości

+15 Start ASCII „J” (najpierw 1sb) negatywnej

+3

0 t

-3

linia nieaktywna

-15

2 bit stopu

Rys. Sygnał transmisji asynchronicznej dla znaku „J”

 

        

Półduplex - modem może przesyłać dane w obu kierunkach, ale niejednocześnie. Wymagana tu jest obecność specjalnego systemu sygnalizacji, który pozwala zarządzać transmisją danych - raz w jednym, raz w drugim kierunku.

          Pełny duplex - modem może przesyłać jednocześnie w obu kierunkach. W przypadku kabla dwuprzewodowego modemy stosują różne metody separowania jednego toru transmisji (nadawanie) od drugiego (odbieranie), tak aby nie dochodziło do przesłuchów. Najczęściej jest tu stosowana technologia FDM (Frequency Division Multiplexing - każdy tor pracuje na oddzielnej częstotliwości ) lub EC (Echo Cancelling - niwelowanie odbić). Praca w trybie pełnego duplexu przewiduje, że modem może przesyłać dane w obu kierunkach z pełną szybkością.

          Simplex - modem może przesyłać dane tylko w jednym kierunku. Zatem może pełnić tylko jedną rolę : nadajnika lub odbiornika. Obecnie już nie stosowane.

 

Tryb synchroniczny

Występujące przy znakowej transmisji asynchronicznej bity start, stop oraz przerwy pomiędzy znakami powodują ograniczenie efektywnej szybkości transmisji. Powstaje zatem pytanie, czy nie można z nich zrezygnować i przesyłać kolejne znaki bezpośrednio jeden za drugim oraz, jak takie postępowanie wpłynie na synchronizację transmisji, czyli proces rozpoznawania bitów oraz łączenie ich w znaki (bajty).
    Przesyłanie znaków w większych blokach jest zadaniem bardziej złożonym niż transmisja pojedynczego znaku i wymaga buforowania, rozumianego jako grupowanie znaków przed

Rys Transmisja oparta na łączu dzierżawionym

ich wysłaniem. Przygotowany do nadania blok trzeba ograniczyć na początku i na końcu wyróżnionymi znakami (znacznikami początku i końca), co umożliwia stacji odbierającej podział odbieranych bitów na znaki i naturalne zakończenie odbioru. Poszczególne bity przesyłanego bloku są wyprowadzane ze stacji początkowej zgodnie z taktem nadawania, nazywanym również "podstawą czasu przy nadawaniu" (TT - Transmit Timing), którego wielkość musi być dobrana do właściwości toru transmisyjnego. Taką metodę przesyłu nazywa się transmisja synchroniczną.

Szybkość transmisji synchronicznej w standardzie RS-232C wynosi do 20000 bodów, przy czym powszechnie stosowane wartości to: 1200, 2400, 4800, 9600 i 19200. Szybkości bliskie maksymalnej możliwe są jedynie w łączach dzierżawionych, w przypadku łącza komutowanego typową wartością jest 4800 bodów.

   
    Jak powiedziano, wybór szybkości transmisji nie może być przypadkowy i zależy od rodzaju i jakości łącza. Po ustaleniu właściwej szybkości transmisji ważne jest określenie źródła sygnału taktującego. Jedną z możliwości jest generacja sygnału taktującego w stacji początkowej DTE. Takt ten, nazywany wewnętrznym taktem nadawania, obecny jest na wyprowadzeniu 24 złącza (wyjście). Inną możliwością jest podanie taktu nadawania z zewnętrznego źródła, na przykład z modemu. Tak naprawdę to modem (DCE), bezpo-średnio podłączony do linii telefonicznej, "najlepiej wie" o jakości toru transmisyjnego i wydaje się najwłaściwszym źródłem sygnału taktującego, odpowiedzialnego za szybkość transmisji. Zewnętrzny takt nadawania pojawia się na wyprowadzeniu 15 złącza (wejście). Określenia zewnętrzny lub wewnętrzny takt nadawania podano "z punktu widzenia" DTE. Takt zewnętrzny DTE jest taktem wewnętrznym DCE. Rozróżnienie to ma istotne znaczenie.
     Podstawowym zadaniem stacji odbierającej dane jest prawidłowe rozpoznanie bitów w sygnale odebranym (synchronizacja bitowa) oraz połączenie bitów w znaki (synchronizacja znakowa). Dla przeprowadzenia synchronizacji bitowej stacja odbierająca musi znać, takt odbieranego sygnału. Takt ten, nazywany taktem odbioru lub podstawą czasu przy odbiorze (RT - Receive Timing), dostarczany jest przez współpracujący ze stacją modem i pojawia się na wyprowadzeniu 17 złącza (wejście). Sygnał taktujący może być generowany, przez modem, ale częściej jest wydzielany z sygnału odbieranego. Ta druga technika dostarcza sygnał zegarowy o częstotliwości rzeczywiście odpowiadającej szybkości odbieranego sygnału i fazie zapewniającej właściwe rozeznawanie bitów. Metody uzyskiwania odpowiedniego sygnału taktu odbioru są różnorodne, jednak najczęściej stosuje się układy synchronizacji bitowej oparte na pętli fazowej PLL analogowej lub cyfrowej.
    W systemie synchronicznej transmisji danych pomiędzy dwoma stacjami jest kilka potencjalnych źródeł sygnału taktującego. Mogą nimi być modemy DCE lub stacje DTE. Jednak im więcej urządzeń sterujących szybkością transmisji, tym większe niebezpieczeństwo wystąpienia problemów z odbiorem danych. Dla zminimalizowania ilości źródeł, sygnału taktującego, zaleca się połączenie przedstawione na rysunku 2. Takt wydzielony przez modem z sygnału odbieranego (wyprowadzenie 17) wprowadza się jako zewnętrzny takt nadawania (wyprowadzenie 15), co ułatwia synchronizację, ponieważ jest tylko jedno źródło sygnału taktującego. Opcja taka w modemach nazywa się taktowaniem podrzędnym (słave timing), jako że takt nadawania jest uzyskiwany z taktu odbioru.

Rys. Taktowanie podrzędne

 <!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.0 Transitional//EN"><!-- saved from url=(0073)http://orfi.geo.kortowo.pl/kierunek/przedmioty/sieci/jakula/modulatus.htm --> Modulacja i demodulacja

 

Sygnał analogowy a cyfrowy

 

          Sygnał cyfrowy przedstawia informacje wykorzystując stan „niski” reprezentowany przez zero oraz stan „wysoki” reprezentowany przez jedynkę. Zatem transmisję cyfrową tworzą dwa rodzaje stanów i nie ma tu stanów pośrednich. Sygnał analogowy można przedstawić za pomocą sinusoidy.

          Taki sinusoidalny sygnał charakteryzuje określona amplituda, częstotliwość i faza. Amplituda to wysokość, której odpowiada wartość na osi rzędnych (oś y). Ta wartość określa głośność fali dźwiękowej. Częstotliwość to w przybliżeniu szybkość powtarzania się przebiegu fali na osi odciętych (x). Ta wartość określa wysokość fali dźwiękowej. Faza sinusoidy może być brana pod uwagę wówczas jeśli porównujemy ją z inną sinusoidą o takiej samej częstotliwości oraz amplitudzie. Określa ona wielkość przesunięcia (na osi x) pomiędzy obydwoma sinusoidami.

Jak działa modulacja i demodulacja

 

          Modulacja - jest operacją zamiany sygnału cyfrowego na sygnał analogowy, który może być przesyłany za pomocą linii telefonicznej. Podstawowym zadaniem modulacji jest polepszenie jakości sygnału odtworzonego po stronie odbiorczej. Dokonuje się tego poprzez przekształcenie sygnału przesyłanego do postaci, której widmo mieściłoby się w paśmie przenoszenia kanału.

Demodulacja - jest operacją odwrotną do modulacji i polega na przekształcaniu sygnału analogowego do postaci cyfrowej.
          Modulacja dla cyfrowego sygnału modulującego przyporządkowuje bitom 0 i 1 różne sygnały elementarne (symbole), demodulacja natomiast odtwarza z tych z ciągu sygnałów elementarnych ciąg bitów. W kanale o ograniczonym paśmie szybkość modulacji jest ograniczona zatem użycie modulacji wielowartościowej zwiększa prędkość transmisji. Niestety odporność modulacji wielowartościowej na zakłócenia zmniejsza się ze wzrostem liczby poziomów.

Techniki modulacji

Rys. Porównanie przebiegów czasowych sygnałów ASK, FSK oraz PSK

Kluczowe amplitudy ASK

Kluczowe amplitudy ASK (ang. Amplitude Shift Keying) polega na zamianie amplitudy harmonicznego sygnału nośnego w zależności od tego czy nadawany jest symbol binarny „0” czy tez symbol binarny „1”. Przebieg sygnału ASK ( większa amplituda jest przypisana do symbolu binarnego „1”, mniejsza do symbolu binarnego „0” ). Sygnał ASK odsłuchiwany przez głośnik cechuje się zmiennym poziomem głośności.

Kluczowe częstotliwości FSK

Amplituda sygnału kluczowania częstotliwości FSK ( Frequency Shift Keying) pozostaje niezmienna, natomiast zmienia się jego częstotliwość- wyższa jest przypisana do symbolu binarnego „1” niższa do symbolu binarnego „0”. Sygnał FSK odsłuchiwany przez głośnik cechuje się świergoczącym brzmieniem.

Kluczowe fazy PSK

Z trzeci rodzajem modulacji mamy do czynienia gdy zmieniamy fazę harmonicznego sygnału nośnego, natomiast jego amplituda oraz jego częstotliwość pozostaje stała. Modulacja ta jest nazwana modulacja fazy PM lub kluczowaniem fazy PSK ( Phase Shift Keying). Faza sygnału harmonicznego jest mierzona względem jego początku i mierzona w stopniach lub radianach. Sygnał sinusoidalny bez przesunięcia fazowego jest nazwany sygnałem synfazowym- sygnał rozpoczynający się o połowę okresu później a więc przesunięty w fazie o 180⁰ jest nazwany sygnał w przeciwfazie. Do rysunku ( przedstowiono przebieg sygnału kluczowania PSK o różnicy faz znamiennych równych 180⁰ ). Sygnał synfozowy reprezentuje symbol binarny „1”, symbolowi binarnemu „0” przypisano sygnał w przeciwfazie. Spoglądając na przebieg sygnału PSK pokazany na rysunku stwierdzamy pewien problem- otóż nie jest wiadomo który sygnał jest synfazowy, a który jest przeciwfazowy. Do tego problemu wrócimy nieco dalej opisując różnicowe kluczowanie fazy DPSK. Kod modulacyjny PSK można łatwo zilustrować w biegunowym układzie współrzędnych (układ współrzędnych amplituda/faza ) tak jak zrobiono na rysunku poniżej.

Otrzymany wykres jest nazwany konfiguracją sygnału. Konfiguracja sygnału zawiera dokładnie dwa punkty i tylko ten rodzaj kluczowania jest także znany pod nazwą binarnego kluczowania fazy BPSK ( Binary Phase Shift Keying). Stała amplituda 1V harmonicznego sygnału nośnego jest odwzorowana w okrąg o jednostkowym, ze środkiem w środku układu współrzędnych. Nadawany sygnał może być albo sygnałem synfazowym ( faza= 0⁰ ), albo sygnałem w przeciwfazie (faza=180⁰ ); sygnały te reprezentowane są przez dwa punkty A oraz B umieszczone na okręgu. Punkt A odpowiada symbolowi binarnemu „1” natomiast punkt B symbolowi binarnemu „0”.

90⁰

Amp.1

Amp

(0) (1)

180⁰ B A faza 0⁰

270⁰

Rys. Konfiguracja sygnału BPSK

 

        

Porównanie rodzajów modulacji.

Konstrukcja modemu z kluczowaniem ASK jest prosta, podobnie jak układy elektroniczne stosowane w radiofonii AM. Niestety, sygnał AM czy też ASK jest podatny na rozmaite zakłócenia (lub szumy) powodowane przez wyładowania atmosferyczne oraz włączanie obciążeń indukcyjnych (silniki elektryczne) itp. Tego rodzaju zakłócenia są przechwytywane przez komutowane łącza telefoniczne i jeżeli tylko ich poziom oraz czas trwania są odpowiednio duże, mogą powodować błędy transmisji. Nawet słaby szum zakłócający słaby sygnał nośny może spowodować w efekcie powiększenie jego poziomu, odczytane przez demodulator jako symbol binarny „1”, a nie „0”.

System kluczowania częstotliwości FSK, podobnie jak radiofonia FM, cechuje się większą odpornością ba szum aniżeli system ASK, szum bowiem w większej mierze wpływa na amplitudę niż na częstotliwość sygnału zmodulowanego. Jednakże w systemie FSK są stosowane dwie częstotliwości nośne, a więc szerokość pasma zajmowanego przez sygnał FSK jest większa aniżeli w przypadku sygnału ASK, a to oznacza, że kluczowanie FSK można stosować wyłącznie w modemach przeznaczonych do wolnej transmisji danych.

Kluczowanie PSK jest również odporne na szum, a ponieważ wykorzystuje jedną częstotliwość nośnej, to szerokość zajmowanego pasma częstotliwości jest mniejsza aniżeli w przypadku kluczowania FSK.

Szybkie techniki modulacji

Modulacja kwadraturowa QAM (Quadrature Amplitude Modulation).

Każda zmiana sygnału nośnej fali koduje czterobitową informację wejściową,. Przy maksymalnej szybkości modulacji 2400 bodów można przesłać dane z szybkością 9600 b/s. Sposób kodowania określony jest standardem V.29 i polega na równoczesnej zmianie amplitudy i fazy sygnału nośnego o częstotliwości 1700 Hz. W efekcie uzyskuje się 16 możliwych wartości binarnych przy jednej zmianie sygnału.

Modulacja TCM (Trellis-Coded Modulation ).

Stosowana w najnowszych modemach, od standardu V.32 do standardu V.34, jako kombinacja modulacji QAM z nadmiarowym kodowaniem splotowym Trellis-Coding. W kodowaniu TCM odwzorowanie sygnału jest związane ze zmianą amplitudy i fazy sygnału podobnie jak w QAM. Każda zmiana stanu sygnału nośnej związana jest z konkretnym wzorem bitów informacji wejściowej. Dzięki tej metodzie modem nadawczy aby przesłać jeden znak, przesyła jeden sygnał zawierający informację o jednym kompletnym znaku. Modem odbiorczy, deszyfrując sygnał identyfikuje znak alfabetu odpowiadający konkretnemu sygnałowi nośnemu wykorzystując odpowiednią tablicę.

Modulacja delta CVSD (Countinuosly Variable Speed Delta Modulation)

Jedna z najbardziej wydajnych modulacji stosowanych przy zamianie sygnału analogowego na cyfrowy. Umożliwia ona kodowanie sygnału mowy w kanale o przepływności 16 kb/s. Jest powszechnie stosowana w wojskowej technice telekomunikacyjnej.

Impulsowa modulacja amplitudy PAM (Pulse Amplitude Modulation)

Jest stosowana w połączeniach nowych modemów 56 Kbps - nie wymagają one wstępnej konwersji sygnału analogowego na cyfrowy w swoich strumieniach danych ( w przeciwieństwie do starszych modemów, które taką modulację muszą wykonać).

Szybkość transmisji oraz szybkość sygnalizacji.

Szybkość transmisji

Jest mniejsza od szybkości sygnalizacji z powodu redundacji wbudowanej w protokół. Poniżej rozważymy w jaki sposób można uzyskać szybkości transmisji większe od szybkości sygnalizacji. Bez rozwiązania tego problemu nie jesteśmy w stanie konstruować szybkich modemów, wąskie pasmo kanału telefonicznego ogranicza bowiem szybkość sygnalizacji, nie ogranicza natomiast szybkości transmisji.

W opisanych dotychczas modulacjach symbole binarne były odwzorowane w dwie różne amplitudy, częstotliwości lub fazy. Jest to sygnalizacja dwustanowa. W przypadku sygnalizacji dwustanowej liczba zmian stanów znamiennych sygnału w ciągu jednej sekudny jest równa liczbie bitów przekazywanych w ciągu jednej sekundy.. Liczba tych zmian (fazy, częstotliwości lub amplitudy) przypadająca na jedną sekundę jest określana szybkością sygnalizacji (modulacji) modemu mierzoną w bodach. W modemach pracujących z modulacją dwuwartościową, pomijając redundację protokołu, szybkość sygnalizacji jest równa szybkości transmisji. Przykładowo, modem BPSK pracujący z szybkością 300 bodów jest w stanie przekazywać 300 bitów w ciągu jednej sekundy.

Maksymalna szybkość © sygnalizacji modemu w idealnym kanale bezszumowym, przy zastosowaniu modulacji binarnej, jest równa:

C = 2B bit/s

gdzie:

B jest szerokością pasma kanału. Przykładowo, przy szerokości pasma kanału telefonicznego równej 3400 Hz otrzymujemy szybkość sygnalizacji C = 6800 bodów.

Ponieważ komutowane kanały telefoniczne są zaszumione, to dla zapewnienia bezbłędnej transmisji szybkość sygnalizacji modemu nie przekracza 1200÷2400 bodów, co przy sygnalizacji dwustanowej daje szybkość transmisji nie większą aniżeli 2400 bit/s.

Sygnalizacja wielostanowa.

W szybkich modemach jest stosowana sygnalizacja wielopoziomowa, co pozwala uzyskać duże szybkości transmisji przy względnie małej szybkości sygnalizacji (nie przekraczającej ograniczeń sieci PSTN). Przykładowo, jeżeli modem jest w stanie generować cztery częstotliwości wyjściowe zamiast dwóch, wtedy każdej częstotliwości można przypisać dwa bity. Załóżmy, że kombinacja dwóch bitów 00 jest przypisana do częstotliwości 500 Hz, 01 do 1000 Hz, 10 do 1500 i wreszcie 11 do 2000 Hz. Transmisja sekwencji ośmiu bitów 00011011 wiąże się wtedy z czterokrotną zmianą częstotliwości sygnału wyjściowego modemu. Oznacza to, że szybkość sygnalizacji jest równa połowie szybkości transmisji danych, a więc modem 2400 bodów przekazuje dane z szybkością równą 4800 bit/s:

Szybkość transmisji [bit/s] =

szybkość sygnalizacji [bod] × {liczba bitów na stan znamienny}

Transmisja dwóch kolejnych bitów (duobit) w jednym stanie znamiennym sygnału nazywana jest kodowaniem duobitowym. Przepustowość kanału należy od szybkości sygnalizacji, a więc kodowanie duobitowe przepustowość podwaja:

C = 4B bit /s

 

<!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.0 Transitional//EN"><!-- saved from url=(0069)http://orfi.geo.kortowo.pl/kierunek/przedmioty/sieci/jakula/tryby.htm -->

---