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 konwertersygn. cyfrowego na sygnał akustyczny (analogowy) i odwrotnie w celu transmisji przezłącze 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 iodbieranie- 2 nośne, B/2

Typy modulacji

(np. kwadraturowa:QAM=ASK+PSK lubTCM 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 Iy(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, następnieskładowe kwadraturowe są mnożoneprzez 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) dokanału 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 zmiansygnału (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 Line1.5 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-rejestrachPo ATA i pomyślnej negocjacji sposobu modulacji (OK., CONNECT) dane b. Wysyłane(aż minie czas S, pojawi się NO CARRIER lub <przerwa1>+++< przerwa2> lub brak DTRPrzygotowanie danych wg. wcześniej zadanej AT receptury w bitowy strumień który tozmienia parametry nośnej w modulatorze, też wg. AT receptury. Przetw.C/A wygenerujesygn., 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 MOSazapewni przepływ prądu „podniesieniamikrofonu”. Kondensator zwiera nap.zm.(tj. „przerwa”). Najlepsze „chipsety” o małym poborze prądu (wolne od zakłóceń)

Składowa zmienna sygn. włączona jest przez kondensatorna uzwojenie pierw. transformatora izolującego galwanicz.linię tel.od komputera. Wtórne uzwojenie Tr. Połączonejest z WO nadajnika przez układ dopasowania impedancji-dwójnik zapewniający 600cały zakr.cz.) od strony liniitel. 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 ustawiającyparam. modemu (AT kody sposobu negocjacji, modulacji, reagowania na dzwonek itp.)Każda aplikacja wymaga innej konfiguracji modemu (autom. lub recznie z klawiaturyz 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 jestona 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 plikówwraz 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 16/32bdł. zmieniana dynamicznie w zależności od ilości błędów. Dane kompresowane wg. alg.RLE (Run Lenght Encoding) i LZW (Lempel Ziv). Dane przesył. ciągle; dupleksowo zaśinf. 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 sięQAM 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 sięadaptuje 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 próbekGPA=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. AproksymowanaJako 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

nTtgIn

n

V.34 vs. V.90 Modems

Separacja między nadawanymi i odbieranymi sygn.dzięki tłumieniu echa blisk. –6dBmi echa dalekie (LMS FIR). V.90 jest całkowicie cyfrowy dlatego druga para ADC/DACjest niepotrzebna dlatego szybsza jest transmisja „w dół” od centrali do modemu.Sygnał od DAC jest 256K konstelacją bez komponenty urojonej, tj. odbiornik musidokonać 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 funkcjeCentrali, 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 MPEGbez przerywania normalnej rozmowy telefonicznej i wszystkimi DLC digital loop carrieroraz standardami ANSI, ETSI i ITU). Zawiera: DSP host processor, line driver, and AD20msp918 – ADSL over ISDN modem; control software + DMT technology