Коммуникационные устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция 13. Коммуникационные устройства

Введение

Коммуникационные устройства ПК предназначены для организации обмена данными между компьютерами, компьютером и удаленным устройством ввода вывода, а также для включения компьютера в локальную или глобальную сеть. Обмен данными требуется для различных целей: передачи файлов, совместного использования периферийных устройств (например, принтеров), доступа к разнообразным информационным услугам Интернета и частных сетей, приема и передачи факсимильных сообщений, посылки сообщений на пейджеры и мобильные телефоны, установление голосовой связи (IP-телефония), видеосвязи и даже совместных игр по сети. Современные технологии, используемые для этих целей, ориентированные именно на коммуникации: СОМ-порт, беспроводные интерфейсы, модемы, адаптеры локальных сетей. Связь между компьютерами, правда, с рядом ограничений, может быть установлена и другими средствами: через LPT-порты, последовательные шины FireWire и USB.

1. Проводные интерфейсы связи

1.1 СОМ-порт

Последовательный интерфейс для передачи данных в одном направлении использует одну сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за другом -- последовательно. Английские названия интерфейса и порта -- Serial Interface и Serial Port. Последовательная передача позволяет сократить количество сигнальных линий и добиться улучшения связи на больших расстояниях.

Начиная с первых моделей, в PC имеется последовательный интерфейс - СОМ-порт (Communications Port -- коммуникационный порт). Этот порт обеспечивает асинхронный обмен по стандарту RS-232C. Синхронный обмен в PC поддерживают лишь специальные адаптеры, например SDLC или V.35. СОМ-порты реализуются на микросхемах универсальных асинхронных приемопередатчиков (UART), совместимых с семейством 18250/16450/16550. Они занимают в пространстве ввода-вывода по 8 смежных 8-битных регистров и могут располагаться по стандартным базовым адресам:

3F8h (COM1), 2F8h (COM2), 3E8h (COM3), 2E8h (COM4).

Порты могут вырабатывать аппаратные прерывания IRQ4 (обычно используются для СОМ1 и COM3) и IRQ3 (для COM2 и COM4). С внешней стороны порты имеют линии последовательных данных передачи и приема, а также набор сигналов управления и состояния, соответствующий стандарту RS-232C. СОМ-порты имеют внешние разъемы-вилки DB25P или DB9P, выведенные на заднюю панель компьютера. Характерной особенностью интерфейса является применение не ТТЛ-сигналов -- все внешние сигналы порта дву-полярные. Гальваническая развязка отсутствует -- схемная земля подключаемого устройства соединяется со схемной землей компьютера. Скорость передачи может достигать 115,2 Кбит/сек.

Название порта указывает на его основное назначение -- подключение коммуникационного оборудования (например, модема) для связи с другими компьютерами, сетями и периферийными устройствами. К порту могут непосредственно подключаться и периферийные устройства с последовательным интерфейсом: принтеры, плоттеры, терминалы и др. СОМ-порт широко используется для подключения мыши, а также организации непосредственной связи двух компьютеров. К СОМ-порту подключают и электронные ключи.

В настоящее время устройства, которые традиционно используют СОМ-порт, рекомендуется переводить на последовательные шины USB и Fire Wire.

1.2 Интерфейс RS-232C

Протокол RS-232C

Стандарт RS-232C описывает несимметричные передатчики и приемники -- сигнал передается относительно общего провода -- схемной земли (симметричные дифференциальные сигналы используются в других интерфейсах -- например, RS-422). Интерфейс не обеспечивает гальванической развязки устройств. Логической единице соответствует напряжение на входе приемника в диапазоне -12...-3 В. Логическому нулю соответствует диапазон +3...+12 В. Диапазон -3...+3 В -- зона нечувствительности, обусловливающая гистерезис приемника: состояние линии будет считаться измененным только после пересечения порога. Уровни сигналов на выходах передатчиков должны быть в диапазонах -12...-5 В и +5...+12 В для представления единицы и нуля соответственно.

 Логический 0

Логическая 1 0 Uвх

-12В +3 В +12В

-3В

Рис 13.1. Уровни напряжения и логический сигнал

Интерфейс предполагает наличие защитного заземления для соединяемых устройств, если они оба питаются от сети переменного тока и имеют сетевые фильтры.

Подключение и отключение интерфейсных кабелей устройств с автономным питанием должно производиться при отключенном питании. Иначе разность невыровненных потенциалов устройств в момент коммутации может оказаться приложенной к выходным или входным (что опаснее) цепям интерфейса и вывести из строя микросхемы.

В табл. 13.1 приведено назначение контактов разъемов СОМ-портов (и любой другой аппаратуры передачи данных). У модемов название цепей и контактов такое же, но роли сигналов (вход-выход) меняются на противоположные.

Таблица 13.1. Разъемы и сигналы интерфейса RS-232C

Обозначение цепи	Контакт разъема	№ провода кабеля выносного разъема PC	Направление
СОМ-порт	RS-232	V.24 Стык 2	DB-25P DB-9P	11	22	33	44	I/O
PG	АА	101	1	5	(10)	(10)	(10)	1	-
SG	АВ	102	7	5	5	9	1	13	-
TD	ВА	103	2	3	3	5	3	3	О
RD	ВВ	104	3	2	2	3	4	5	I
RTS	СА	105	4	7	7	4	8	7	О
CTS	св	106	5	8	8	6	7	9	I
DSR	cc	107	6	6	6	2	9	11	I
DTR	CD	108/2	20	4	4	7	2	14	О
DCD	CF	109	8	1	1	1	5	15	I
RI	CE	125	22	9	9	8	6	18	I

1 Ленточный кабель 8-битных мультикарт.

2 Ленточный кабель 16-битных мультикарт и портов на системных платах.

3 Вариант ленточного кабеля портов на системных платах.

4 Широкий ленточный кабель к 25-контактному разъему.

Подмножество сигналов RS-232C, относящихся к асинхронному режиму, рассмотрим с точки зрения СОМ-порта PC. Для удобства будем пользоваться мнемоникой названий, принятой в описаниях СОМ-портов и большинства устройств (она отличается от безликих обозначений RS-232 и V.24). Назначение сигналов интерфейса приведено в табл. 10.2.

Таблица 13.2. Назначение сигналов интерфейса RS-232C

Сигнал	Назначение
PG	Protected Ground -- защитная земля, соединяется с корпусом устройства и экраном кабеля
SG	Signal Ground -- сигнальная (схемная) земля, относительно которой действуют уровни сигналов
TD	Transmit Data -- последовательные данные -- выход передатчика
RD	Receive Data -- последовательные данные -- вход приемника
RTS	Request To Send -- выход запроса передачи данных: состояние «включено» уведомляет модем о наличии у терминала данных для передачи. В полудуплексном режиме используется для управления направлением -- состояние «включено» служит сигналом модему на переключение в режим передачи
CTS	Clear To Send -- вход разрешения терминалу передавать данные. Состояние «выключено» запрещает передачу данных. Сигнал используется для аппаратного управления потоками данных
DSR	Data Set Ready -- вход сигнала готовности от аппаратуры передачи данных (модем в рабочем режиме подключен к каналу и закончил действия по согласованию с аппаратурой на противоположном конце канала)
DTR	Data Terminal Ready -- выход сигнала готовности терминала к обмену данными. Состояние «включено» поддерживает коммутируемый канал в состоянии соединения
DCD	Data Carrier Detected -- вход сигнала обнаружения несущей удаленного модема
RI	Ring Indicator -- вход индикатора вызова (звонка). В коммутируемом канале этим сигналом модем сигнализирует о принятии вызова

Нормальная последовательность управляющих сигналов для случая подключения модема к СОМ-порту приведена на рис. 13.1. Напомним, что положительному уровню соответствует логическое состояние «выключено», а отрицательному -- включено.

Рис.13.1 Последовательность управляющих сигналов интерфейса RS-232C

Содержание этой последовательности управляющих сигналов следующее:

Установкой сигнала DTR компьютер указывает на желание использовать модем.

Установкой сигнала DSR модем сигнализирует о своей готовности к установлению соединения.

Сигналом RTS компьютер запрашивает разрешение на передачу и заявляет о своей готовности принимать данные от модема.

Сигналом CTS модем уведомляет о своей готовности к приему данных от компьютера и передаче их в линию.

Снятием сигнала CTS модем сигнализирует о невозможности дальнейшего приема (например, буфер заполнен) -- компьютер должен приостановить передачу данных.

Восстановлением сигнала CTS модем разрешает компьютеру продолжить передачу (в буфере появилось место).

Снятие сигнала RTS может означать как заполнение буфера компьютера (модем должен приостановить передачу данных в компьютер), так и отсутствие данных для передачи в модем. Обычно в этом случае модем прекращает пересылку данных в компьютер.

Модем подтверждает снятие сигнала RTS сбросом сигнала CTS.

Компьютер повторно устанавливает сигнала RTS для возобновления передачи.

Модем подтверждает готовность к этим действиям.

Компьютер указывает на завершение обмена.

Модем отвечает подтверждением.

Компьютер снимает сигнала DTR, что обычно является сигналом на разрыв соединения («повесить трубку»).

Модем сбросом сигнала DSR сообщает о разрыве соединения.

При асинхронной передаче каждому байту предшествует старт-бит, сигнализирующий приемнику о начале посылки, за которым следуют биты данных и, возможно, бит паритета (четности). Завершает посылку стоп-бит, гарантирующий паузу между посылками (рис. 13.2). Старт-бит следующего байта посылается в любой момент после стоп-бита, то есть между передачами возможны паузы произвольной длительности. Старт-бит, имеющий всегда строго определенное значение (логический 0), обеспечивает простой механизм синхронизации приемника по сигналу от передатчика. Подразумевается, что приемник и передатчик работают на одной скорости обмена.

При асинхронной передаче каждому байту предшествует старт-бит, сигнализирующий приемнику о начале посылки, за которым следуют биты данных и, возможно, бит паритета (четности). Завершает посылку стоп-бит, гарантирующий паузу между посылками (рис. 13.2). Старт-бит следующего байта посылается в любой момент после стоп-бита, то есть между передачами возможны паузы произвольной длительности.

Рис. 13.2. Формат асинхронной передачи

Старт-бит, имеющий всегда строго определенное значение (логический 0), обеспечивает простой механизм синхронизации приемника по сигналу от передатчика. Подразумевается, что приемник и передатчик работают на одной скорости

Формат асинхронной посылки позволяет выявлять возможные ошибки передачи: ложный старт-бит, потерянный стоп-бит, ошибку паритета. Контроль формата позволяет обнаруживать обрыв линии: при этом принимаются логический нуль, который сначала трактуется как старт-бит и нулевые биты данных, потом срабатывает контроль стоп-бита.

Для асинхронного режима принят ряд стандартных скоростей обмена: 50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19 200, 38 400, 57 600 и 115 200 бит/с. Иногда вместо единицы измерения «бит/с» используют «бод» (baud), но при рассмотрении двоичных передаваемых сигналов это некорректно.

В бодах принято измерять частоту изменения сигнала состояния линии, а при недвоичном способе кодирования в канале связи скорости передачи бит (бит/с) и изменения сигнала (бод) могут отличаться в несколько раз.

Количество бит данных может составлять 5, 6, 7 или 8 (5- и 6-битные форматы распространены незначительно). Количество стоп-бит может быть 1, 1,5 или 2 («полтора бита» означает только длительность стопового интервала).

Асинхронный режим является байт-ориентированным (символьно-ориентированным) -- минимальная пересылаемая единица информации -- байт (символ). В отличие от него синхронный режим (не поддерживаемый СОМ-портами) является бит-ориентированным -- кадр, пересылаемый по нему, может иметь произвольное количество бит.

1.3 Применение Сом-портов

СОМ-порт широко применяется для подключения различных периферийных и коммуникационных устройств, связи с технологическим оборудованием, объектами управления и наблюдения, программаторами, внутрисхемными эмуляторами и прочими устройствами через протокол RS-232C.

СОМ-порт может функционировать и как двунаправленный интерфейс, у которого имеются

3 программно-управляемых выходных линии и

4 программно-читаемых входных линии с двуполярными сигналами.

Их использование определяется разработчиком. Существует, например, схема однобитного широтно-импульсного преобразователя, позволяющего записывать звуковой сигнал на диск PC, используя входную линию СОМ-порта. Воспроизведение этой записи через обычный динамик PC позволяет передать речь.

Непосредственное подключение устройств

а). Манипулятор мышь.

СОМ-порты чаще всего применяют для подключения манипуляторов (мышь, трекбол). В этом случае порт используется в режиме последовательного ввода. Мышь с последовательным интерфейсом -- Serial Mouse -- может подключаться к любому исправному порту. Для согласования разъемов порта и мыши возможно применение переходника DB-9S-DB-25P или DB-25S-DB-9P. Для мыши требуется прерывание, для порта С0М1 -- IRQ4, для COM2 -- IRQ3. То, что для работы мыши порту С0М1 требуется прерывание IRQ4, является особенностью ее драйвера, но для пользователя важен сам факт ограничения. Каждое событие -- перемещение мыши или нажатие-отпускание кнопки -- кодируется двоичной посылкой по интерфейсу RS-232C. Применяется асинхронная передача; двуполярное питание обеспечивается от управляющих линий интерфейса.

б). Внешний модем.

Для подключения внешних модемов требуется полный (9-проводный) кабель АПД-АКД, схема которого приведена на рис. 13.3. Этот же кабель используется для согласования разъемов (по количеству контактов); возможно применение переходников 9-25, предназначенных для мышей. Для работы коммуникационного ПО обычно нужны прерывания, но здесь есть свобода выбора номера (адреса) порта и линии прерывания. Если предполагается работа на скоростях 9600 бит/с и выше, то СОМ-порт должен быть реализован на микросхеме UART 16550A или совместимой. Возможности работы посредством FIFO-буферов и обмена по каналам DMA зависят от коммуникационного ПО.

в). Связь компьютеров.

Для связи двух компьютеров, удаленных друг от друга на небольшое расстояние, используют и непосредственное соединение их СОМ-портов нуль-модемным кабелем (рис. 13.4). Программы MS-DOS типа Norton Commander и Interlnk позволяют обмениваться файлами со скоростью до 115,2 Кбит/с без применения аппаратных прерываний.

Рис. 13.3 Кабели подключения модемов

Рис 13.4 Нуль-модемный кабель а) - минимальный, б) - полный

Преобразования последовательных интерфейсов

На физическом уровне последовательный интерфейс имеет различные реализации, различающиеся способом передачи электрических сигналов. Существует ряд международных стандартов, родственных RS-232C. На рис. 13.5 приведены схемы соединения их приемников и передатчиков, а также показаны ограничения на длину линии (L) и максимальную скорость передачи данных (V). Несимметричные линии интерфейсов RS-232C и RS-423A имеют самую низкую защищенность от синфазной помехи. Лучшие параметры имеет двухточечный интерфейс RS-422A и его магистральный (шинный) аналог RS-485, работающие на симметричных линиях связи. В них для передачи каждого сигнала используются дифференциальные сигналы с отдельной (витой) парой проводов для каждой сигнальной цепи. Поскольку логически эти интерфейсы родственны, возможно применение несложных преобразователей сигналов, обеспечивающих переход от одного интерфейса к другому.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 13.5 Стандарты последовательных интерфейсов

В вышеперечисленных стандартах сигнал представляется потенциалом. Существуют последовательные интерфейсы, где информативен ток, протекающий по общей цепи передатчик-приемник -- «токовая петля» и MIDI

«Токовая петля» является распространенным вариантом последовательного интерфейса. В ней электрическим сигналом является не уровень напряжения относительно общего провода, а ток в двухпроводной линии, соединяющей приемник и передатчик. Логической единице (состоянию «включено») соответствует ток 20 мА, а логическому нулю -- отсутствие тока. Такое представление сигналов для вышеописанного формата асинхронной посылки позволяет обнаружить обрыв линии -- приемник заметит отсутствие стоп-бита (обрыв линии действует как постоянный логический нуль).

Токовая петля обычно предполагает гальваническую развязку входных цепей приемника от схемы устройства. При этом источником тока в петле является передатчик (этот вариант называют активным передатчиком). Возможно и питание от приемника (активный приемник), при этом выходной ключ передатчика может быть также гальванически развязан с остальной схемой передатчика. Существуют упрощенные варианты без гальванической развязки, но это уже вырожденный случай интерфейса.

Токовая петля с гальванической развязкой позволяет передавать сигналы на расстояния до нескольких километров. Расстояние определяется сопротивлением пары проводов и уровнем помех. Поскольку интерфейс требует пары проводов для каждого сигнала, обычно используют только два сигнала интерфейса. В случае двунаправленного обмена применяются только сигналы передаваемых и принимаемых данных, а управление потоком реализуется программным методом. Если двунаправленный обмен не требуется, занимают одну линию данных, а для управления потоком обратная линия задействуется для сигнала CTS (аппаратный протокол) или встречной линии данных (программный протокол). При надлежащем ПО одной токовой петлей можно обеспечить двунаправленную полудуплексную связь двух устройств.

При этом каждый приемник «слышит» как сигналы передатчика на противоположной стороне канала, так и сигналы своего передатчика. Они расцениваются коммуникационными пакетами просто как эхо-сигнал. Поэтому для безошибочного приема передатчики должны работать поочередно.

сигнал протокол подключение периферийный

2. Модемы

Для передачи данных на большие расстояния (в пределах всего мира) издавна используют телефонные сети общего пользования (ТФОП). Однако для непосредственной передачи цифровых данных обычные аналоговые телефонные сети непригодны -- требуются модемы на сторонах обоих абонентов.

Модем (модулятор-демодулятор) служит для передачи информации на большие расстояния, недоступные локальным сетям, с использованием выделенных и коммутируемых телефонных линий. Модулятор поступающую от компьютера двоичную информацию преобразует в аналоговые сигналы с частотной и (или) фазовой модуляцией, спектр которых соответствует полосе пропускания обычных голосовых телефонных линий. Демодулятор из этого сигнала извлекает закодированную двоичную информацию и передает ее в принимающий компьютер.

Факс-модем (fax-modem) позволяет передавать и принимать факсимильные изображения, совместимые с обычными факс-машинами. Передача факсов также подразумевает передачу цифровых данных, хотя «цифра» не видна конечным пользователям: факс-машина сканирует изображение, оцифровывает его (1 бит на точку), сжимает данные и через модем передает в телефонную линию. На приемной стороне выполняются обратные преобразования. Факс-модем работает аналогично, только вместо сканирования его программная поддержка принимает графические или текстовые данные от других программ. Принятые факсы оформляются в виде файлов графических форматов, доступных приложениям для дальнейшей обработки или печати.

Современные модемы имеют ряд дополнительных возможностей, расширяющих сферу их применения. Голосовой модем (voice modem) способен преобразовывать звуковой сигнал в цифровой вид, в котором он передается по линии связи. На приемной стороне выполняются обратные преобразования. Аудиосигнал сжимается, например, по методу ADPCM (Adaptive Differential Pulse Code Modulation -- адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция, АДИКМ).

Модемы во время сеанса связи могут работать в симплексном, дуплексном или полудуплексном режиме. Для повышения эффективной скорости используются различные методы сжатия информации, реализуемые как самими модемами, так и коммуникационным ПО.

2.1 Конструкции модемов

ИТЛ ДС СОС СП

УСГ К

КУ

УСПК

Рис. 10.7 Структурная схема модема

На рис. 10.7 представлена типовая структурная схема внешнего модема в состав которого входят:

ИТЛ - интерфейс телефонной линии;

ДС - Дифференциальная система разделения вход и выходного сигналов, переход от 2-х проводной к 4-х проводной линии;

СОС - система обработки сигналов ЦАПом и АЦП.

СП - сигнальный процессор кодирования сигнала;

К - контроллер управления СП, обеспечивающий: коррекцию ошибок, сжатие информации, работу с памятью;

УСП - устройство сопряжения с громкоговорителем;

КУ - ключи управления;

УСПК - устройство сопряжения с персональным компьтером.

1. Интерфейс с телефонной линией - ИТЛ

(Direct Access Arrangement - DAA)

В ГОСТах экс-СССР регламентируется "Стык 1 ТЧ". В США модемы проверяются на соответствие FCC Part 65, Part 15, в Великобритании соответствующий стандарт - BS6305... Телефонные компании всего мира жестко регламентируют требования к оборудованию, подключаемому к каналам.

Обеспечение физического соединения, защита от перенапряжения и радиопомех, набор номера и фиксация телефонных звонков, гальваническая развязка и согласование импеданса - вот далеко не полный перечень функций, поддерживаемых схемой DAA. Перечисленные функции обеспечиваются следующим образом.

1) Соединители RJ11 обеспечивают физическое подключение к коммутируемой телефонной линии и телефонному аппарату. В дешевых изделиях телефон подключается параллельно входу модема, в качественных поддерживается переключение телефон/модем, реализованное на реле.

Хорошим тоном можно считать реализацию режимов многолинейных телефонных систем (Key Telephone System) - RJ12, RJ13 и поддержку работы на четырехпроводных выделенных линиях RJ45, JM8.

В таблице 1 приводится назначение контактов этих соединителей.

Таблица 1

Номер контакта	RJ11	RJ12,RJ13	RJ45	Номер контакта	JM8
1				1	Ring transmit
2		A	Tip receive	2	Tip transmit
3	Tip	Tip	Ring transmit	3
4	Ring	Ring	Tip transmit	4
5		A1	Ring receive	5
6				6
				7	Tip receive
				8	Ring receive

2) Входные линии защищаются от перенапряжения варистором, который резко уменьшает свое сопротивление при напряжении 400...500 В. Второй каскад быстродействующей защиты устанавливается во вторичную обмотку трансформатора и реализован на встречновключенных стабилитронах.

3) Защита линии от радиопомех, излучаемых модемом, выполняется на обычных LC фильтрах (1000 pF плюс три витка на феррите).

4) Для коммутируемых линий поддерживаются функции импульсного набора номера, "отбоя" (постоянный ток менее 0.5 мА) и "удержания линии" (постоянный ток более 8 мА).

Наиболее универсальна реализация, в которой набор номера выполняет реле, а постоянный ток протекает через трансформатор.

В новых разработках часто используется схема Electronic Holding Coll Circuit (EHCC). Она имеет низкое сопротивление постоянному току, достаточное для удержания линии, но сохраняет высокий импеданс для переменного тока полезного сигнала. При этом набор номера осуществляет реле или сам узел EHCC с оптронной развязкой управления.

Схема EHCC имеет ограниченое применение на некоторых типах АТС (например, "Квант").

5) Наиболее консервативен узел фиксации телефонных звонков. За последние десять лет он почти не изменился. Высоковольтная емкость, резистор, стабилитрон, светодиод оптронной развязки (с небольшой игрой на номиналах и типах) - вот, пожалуй, и все.

6) Важным требованием к интерфейсу с линией является обеспечение симметричности входа и его гальваническая развязка. Для этого используются трансформаторы. Оптронные развязки сегодня интересны, скорее, как экзотика.

Сами трансформаторы, беспрерывно совершенствуясь, претерпели две волны моды. Сначала использовались обычные - с емкостной развязкой по переменному току. Затем были разработаны модели, не ухудшающие параметров при значительных постоянных токах подмагничивания. При переходе к высоким скоростям все вернулось в начало...

7) Согласование импеданса. Входное и выходное сопротивление модема переменному току (300...3400 Гц) должно быть 600 Ом +-15%.

Качественный трансформатор и точный нагрузочный резистор тому залог. Для уменьшения зависимости импеданса от частоты устанавливают дополнительную емкость параллельно вторичной обмотке трансформатора.

Дифференциальная система (HYBRID) - ДС.

Цель дифференциальной системы - переход от двухпроводной линии к четырехпроводной схеме аналогового окончания модема. Узел компенсирует проникновение выходного сигнала во входной (ближнее эхо), что повышает реальную чувствительность.

Известно несколько типов "пассивных" реализаций:

· трансформаторная, при которой вторичная обмотка трансформатора имеет среднюю точку, подключаемую через баластный резистор к земле;

· электронные, для схем с однополярным и двухполярным питанием; в этом случае выходной сигнал вычитается из входного на операционном усилителе, а частотная зависимость минимизируется использованием форсирующего каскада.

Больным местом этих схем является зависимость от сопротивления конкретной телефонной линии. Несколько типов модемов имеют аппаратную подстройку, но до конца справиться с зависимостью сопротивления от частоты в пассивных системах не удается.

Активная дифференциальная система используется в дорогих моделях. Необходимый для компенсации сигнал постоянно вычисляется сигнальным процессором. Сформированный дополнительным ЦАП и сглаженный фильтром, он вычитается из входного сигнала, обеспечивая высокое качество компенсации.

Система обработки сигналов СОС.

Гальванически изолированный от внешнего мира трансформатором и разделенный на входной и выходной дифференциальной системой сигнал попадает на "аналоговый фронт", где развертывается борьба за милливольты и децибелы.

Выходной сигнал формируется ЦАП. Для средних скоростей передачи он обычно 10-разрядный, а для высокоскоростных модемов -14...16-разрядный. Частота дискретизации данных от 7.2 до 9.6 кГц. Сглаживающий фильтр, как правило, выполняется на базе интегральной технологии "переключающихся конденсаторов". Он обеспечивает затухание более 32 дБ на частотах свыше 4.6 кГц.

Входной сигнал поступает на полосовой фильтр. Для модемов, соответствующих V.22bis - это 900...1500 Гц или 2100...2700 Гц. Для высокоскоростных полоса может достигать 300...4000 Гц (V.34). "Облагороженный" сигнал усиливается программно управляемой схемой АРУ и измеряется АЦП. Частота дискретизации и разрядность АЦП примерно соответствуют ЦАП.

Сигнальный процессор (Digital Signal Processor - DSP) СП

Давно закончились времена, когда "единички" и "нолики" выделялись из помех с помощью аппаратных компараторов. Скорость передачи и ее качество сейчас определяются вычислительными ресурсами, задействованными для обработки сигнала. Их усредненные значения приведены в таблице 2.

ПЗУ DSP выполняется или по масочной технологии на кристалле процессора, или в виде микросхем ОЗУ, в которые программа загружается из ПЗУ контроллера. ОЗУ данных реализуется на процессоре или совмещается с ОЗУ команд.

Таблица 2

Рекомендация ITU-T	V.22bis	V.32bis	V.34
Скорость передачи б/с	2400	14400	28800
Разрядность (бит)	16	16	16
Быстродействие (MIPS)	5	20	30
Ресурс ПЗУ/ОЗУ (кбит*разр.)	2*16/0.124*16	8*16	32*16
Пример DSP	TMS320C10	ADSP2115	DSP1633F

Контроллер (Modem controller - MC) - К.

Поддержка интерфейса с компьютером, управление DSP, реализация протоколов коррекции ошибок и сжатия информации, управление пользовательским интерфейсом и взаимодействие с энергонезависимой памятью - вот неполный перечень функций контроллера.

Усредненные значения необходимых ресурсов приведены в таблице 3.

Поддержка идеологии "upgrade" привела к постепенному сосредоточению хранения "firmware" DSP и контроллера в одной микросхеме с возможностью ее замены.

Таблица 3

Рекомендация ITU-T	V.22bis	V.32bis	V.34
Скорость передачи б/с	2400	14400	28800
Разрядность (бит)	8	8	8
Быстродействие (MIPS)	1	4	8
Ресурс ПЗУ (кбит*разр.)	32*8	256*8	256*8
Ресурс OЗУ (кбит*разр.)	32*8	32*8	32*8
Ресурс EEPROM (кбит*разр.)	1*1	4*1	4*1
Пример контроллера	i80C51	68000	AT&T C882

Устройство сопряжения с компьютером (Data Interface - DI) УСПД

Внешние модемы взаимодействуют с компьютером по цепям интерфейса RS-232C / V.24. Полный набор цепей позволяет работать как в асинхронном, так и в синхронном режимах. Микросхемы преобразователей уровня 1488, 1489 обеспечивают сопряжение биполярной логики интерфейса с внутренними ТТЛ уровнями.

Внутренние изделия могут работать только в асинхронном режиме, т.к. в их состав входит микросхема асинхронного COM порта - UART(16C450 или 16C550, имеющая встроенный буфер приема). Есть реализации, в которых порт эмулируется контроллером. Достаточно буфера и дешифратора для подключения UART к общей шине компьютера. Джамперы позволяют настроить номер COM порта (COM1...COM4) со стандартным или расширенным номером прерывания.

Интерфейсы с пользователем (User Interface).

1) Звук (SPEAKER) - Устройство сопряжения с громкоговорителем - УСГ .

Встроенный в модем динамик озвучивает процессы, происходящие в телефонном канале. В хороших моделях используются магнитоэлектрические динамики с линейной полосой воспроизведения, в более дешевых пьезоэлектрические. Для удобства пользователя громкость звука можно регулировать (узел volume).

Наиболее часто узел звука строится по схеме:

· сигнал снимается после фильтра, но до АРУ;

· громкостью управляет контроллер с помощью микросхемы коммутатора напряжения 4052;

· фильтр вносит предискажение АЧХ для линеаризации характеристик конкретного типа динамика;

· микросхема LM386, запитанная от +5 В, усиливает сигнал;

· для четырехпроводных устройств одновременно воспроизводится как входной, так и выходной сигнал.

2) Панель индикации (INDICATOR). Внутренние модемы не имеют панелей индикации. Во внешних чаще всего используются светодиоды (LED). В относительно дорогих устройствах применяют символьные двухстрочные жидко-кристаллические индикаторы (LCD). Используя панель управления можно отобразить состояние модема, характеристики физической линии, вывести меню для программирования режимов. Использование стандартных (HD44780A00-совместимых) индикаторов не сильно увеличивает себестоимость, но позволяет производителю ощутимо поднять цену.

3) Панель управления (CONTROL KEY).

В большинстве модемов панель сводится к набору джамперов и переключателей (SW), как недоступных без разборки изделия, так и имеющих специальные "окошки", "крышечки", обеспечивающие "защиту от дурака".

В изделиях с LCD кнопочная панель (KEY) сосредоточивает все функции по управлению режимами работы.

8. Питание (POWER)

Встроенные модемы запитываются от компьютера напряжениями +-5

В и лишь в отдельных случаях используют +-12 В.

Внешние модемы массового производства используют внешние адаптеры, преобразующие напряжение первичного питания 220 В во вторичное напряжение 9..12 В. Встроенный стабилизатор формирует:

· основное питание +5 В; обычно использовалось гашение напряжения из +12 В на линейном стабилизаторе, сейчас внедряются импульсные стабилизаторы;

· 5 В для аналоговых цепей;

· +-12 В для интерфейса RS-232C.

В старых разработках применялись однополупериодные схемы выпрямления для получения положительного и отрицательного напряжения. В новых используются двухполупериодные, а отрицательное напряжение формируется за счет разделительных емкостей.

9. Производители

Обзор архитектуры модемов будет не полным, если не коснуться вопроса их производителей. Все фирмы можно условно разделить на три группы.

1) Разработчики "модемного сердца" - набора специализированных БИС (chip set).

Для средних скоростей передачи относительно много фирм ввязались в гонку за призом (хотя и не все его получили): Intel, Rockwell, ATI, EXAR, Sierra Semiconductor, Silicon Sistems, Hayes, Sharp, Cermetek, Texas Instrument, и др.

Для высокоскоростных модемов лидеры обозначились более четко. Это гигант связи и телекоммуникации на американском континенте AT&T и "продукт американской конверсии" Rockwell International. Наличие лидеров ничуть не принижает результатов, достигнутых другими компаниями.

2) Производители, использующие универсальные процессоры, и, как следствие, разрабатывающие свои алгоритмы сигнальной обработки: Motorola Codex, Telebit Corp., U.S. Robotics Inc., ZyXEL, и др. Для реализации протоколов сжатия и коррекции ошибок они, как правило, покупают лицензию фирмы R. Scott Association. Все эти фирмы дополнительно поддерживают свои собственные протоколы физического уровня.

Немного в стороне стоят, так называемые, soft-модемы, программное обеспечение которых загружается из компьютера - красивые по заложенной идее, они пока не получили широкого распространения.

3) Сборщики модемов на основе chip set. Не стоит понимать термин "сборщики" в пренебрежительном тоне. Качество работы во многом определяется тем, насколько хорошо поддерживаются заложенные в chip set возможности, насколько "бесшумно" реализован аналоговый тракт передачи и еще от тысячи других причин. Многие фирмы вносят свои коррекции и реализуют дополнительные функции в программном обеспечении базовых наборов микросхем.

Приведем лишь несколько крупных фирм производителей: AMT International Industries Inc., Archtek America Corp., ATI Tecnologies, AT&T Paradyne, Boca Research Inc., Calpak Corp., Cardinal Technologies Inc., GVC Technologies Inc., Hayes Microcomputer Products Inc., Microcom Inc., MultiTech Systems, Practical Peripherals Inc., Racal-Datacom Inc., Zoom Telephonics Inc.

Размещено на Allbest.ur