Побудова сучасних модемів та факсимільних апаратів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Побудова сучасних модемів та факсимільних апаратів

1. Загальні відомості

Схеми сучасних модемів та факсимільних апаратів базуються на наборах спеціалізованих мікросхем, які реалізовують основні модемні функції. Основними виробниками цих наборів є фірми Rockwell Semiconductor Systеms (Conеxant), Intel, AT&Т, Sierra Semiconductor, National Semiconductor, Motorola, Exar.

Такі компанії, як U.S.Robotics, Telebit, ZyXEL, самостійно займаються розробкою і виробництвом модемних мікросхем, інші виробники, виробляючи модеми, використовують мікросхеми загального призначення (цифрові процесори і мікроконтролери).

Модем складається з портів канального і DTE-DCE інтерфейсів, універсального (або модемного) (МП, PU) і сигнального (ЦСП, DSP) процесорів; запам'ятовуючих пристроїв - постійного (ЗТЧ, ROM), постійного енергонезалежного ПЗТЧ (ЗТЧ, що програмується, ERPROM), оперативного (ЗДД, RAM) і схеми індикаторів стану модема.

Порт інтерфейсу DTE-DCE забезпечує взаємодію з DTE. Якщо модем внутрішній, замість інтерфейсів DTE-DCE може застосовуватися інтерфейс внутрішньої шини комп'ютера ISA або РСI.

Порт канального інтерфейсу (Direct Access Arrangement - DAA) забезпечує інтерфейс з телефонною лінією. Основними функціями цього блоку є:

забезпечення фізичного з'єднання з телефонною лінією;

захист від перенапруги і радіозавад;

набір номеру;

фіксація дзвінків;

гальванічна розв'язка внутрішніх кіл модема і лінії;

узгодження імпедансу.

Далі сигнали надходять у диференціальну систему (ДС), призначення якої - розділення вихідних і вхідних сигналів і компенсація впливу власного сигналу на вхідні кола. В простих моделях модемів цей вузол виконується як пасивна схема, що призводить до значної залежності якості роботи пристрою від опору телефонної лінії. Позбутися такої залежності можуть тільки моделі з активною диференціальною системою, де необхідний для компенсації сигнал постійно обчислюється сигнальним процесором і віднімається із вхідного сигналу, забезпечуючи необхідний рівень компенсації.

Оброблена інформація надходить до цифрового сигнального процесора (DSP), який і виділяє з неї «нулі» і «одиниці» на основі математичних методів. Саме можливостями цифрової обробки сигналу цього блока визначається якість і швидкісні можливості сучасних модемів. Сигнальний процесор реалізовує основні функції протоколів модуляції (кодування свертковим кодом, відносне кодування, скремблювання тощо), за винятком власне операцій модуляції/демодуляції. Останні звичайно виконуються кодеком.

Кодек здійснює двостороннє перетворення аналогового сигналу, що надходить з лінії, в потік цифрових даних.

Модемний процесор (контролер) виконує такі функції: керування взаємодією з DTE (в тому числі виконання АТ-команд), керування DSP, керування енергонезалежною пам'яттю і схемами індикації стану модема (інтерфейс з користувачем), реалізація протоколів апаратної корекції помилок і стиснення даних.

Оперативна пам'ять використовується для тимчасового зберігання даних і виконання проміжних обчислень як універсальним, так і цифровим сигнальним процесорами.

Інтелектуальні можливості модема визначаються в основному типом контролера і мікропрограмою керування модемом, що зберігається в ЗТЧ. Заміною або перепрограмуванням ЗТЧ можна зробити модернізацію модема, або апгрейд (upgrade). Щоб полегшити таку модернізацію, останнім часом замість мікросхем ЗТЧ застосовують мікросхеми флеш-пам'яті (FlashROM).

Схема ПЗТЧ дозволяє зберігати установки модема в так званих профайлах або профілях модема на час його вимкнення. DSP з вбудованою в довго-тривалу пам'ять (ЗТЧ, або flash, що допускає модернізацію) програмою обробки отримав образну назву "datapump" ("насос даних").

Подібна мультипроцесорна архітектура відмінно працювала в модемах протягом багатьох років. Сьогодні актуальною стає "деінтелектуалізація" модема, для позначення якої використовується абревіатура HSP (Host Signal Processing, дослівно - обробка ресурсами процесора комп'ютера). При цьому єдина аналогова підсистема модема DAA все частіше реалізовується в інтегральному виконанні, що зменшує кількість необхідних для виготовлення повнофункціонального модема дискретних елементів, підвищує надійність і знижує вартість. З іншого боку, необхідно враховувати залежність опору телефонної лінії від частоти сигналу. Відомо, що найкращим пристроєм для роботи на реактивне навантаження є трансформатор (тому у багатьох перевірених часом моделей використовується трансформаторний DAA).

Описаний розподіл функцій між складовими частинами модема може відрізнятися від реалізації в конкретному модемі. Однак сучасний модем всі ці функції тією або іншою мірою має виконувати.

Нижче детальніше зупинимося на побудові аналогових (для телефонних каналів) модемів і основних їхніх функціях, пов'язаних з обробкою сигналів. Ці функції реалізовуються цифровим сигнальним процесором, модемним процесором і власне канальним інтерфейсом.

2. Елементи модемів для телефонних ліній

Незважаючи на показану на рис.1 майже схемотехнічну реалізацію сучасного модема, принципи роботи його складових частин зручніше розглянути, спираючись на їх функціональну інтерпретацію.

З позиції функцій, пов'язаних з перетворенням сигналів, сучасний модем містить приймач, передавач, компенсатор електричного еха, схему керування і джерело живлення.

Основні функції приймача і передавача виконуються DSP, а схеми керування - універсальним процесором.

Ехо-компенсатор призначений для ослаблення завади у вигляді електричного еха (відбиття сигналу) при прийомі сигналу від віддаленого модема.

Від DTE дані, що передаються, надходять у передавач модема, який виконує операції скремблювання, відносного кодування, синхронізації. Еквалайзер вносить передспотворення, які компенсують нелінійність АЧХ і ФЧХ телефонного каналу.

Схема синхронізації передавача отримує сигнал опорної частоти від внутрішнього генератора або від DTE. В останньому випадку модем має підтримувати синхронний режим роботи не тільки по каналу з віддаленим модемом, але й по інтерфейсу DTE-DCE.

Скремблер призначений для надання властивостей випадковості (рандомізації) послідовності даних, що передається, з метою ефективного виявлення тактової частоти приймачем віддаленого модема.

Відносне кодування застосовується, якщо використовується ВФМ.

Приймач типового синхронного модема в свою чергу містить адаптивний еквалайзер зі схемою керування, модулятор із задавальним генератором, демодулятор, відносний декодер, дескремблер і схему синхронізації.

Модулятор приймача спільно із задавальним генератором переносять спектр сигналу (300-3400 Гц), що приймається, в область вищих частот для підвищення ефективності операцій фільтрації і демодуляції.

Відносний декодер і дескремблер виконують операції, обернені тим, що виконуються в передавачі.

Схема синхронізації виділяє тактову частоту з прийнятого сигналу і подає його на інші вузли приймача.

Адаптивний еквалайзер приймача (передавача) компенсує нелінійні спотворення, які вносяться каналом передачі. Адаптивність еквалайзера полягає в його здатності підстроюватися під параметри каналу, які змінюються протягом сеансу зв'язку. Для цього сигнал помилки фази з демодулятора надходить на схему керування, яка формує керуючі сигнали для еквалайзера.

Еквалайзер складається з лінії затримки з виводами і набору керованих підсилювачів із змінним коефіцієнтом підсилення.

3. Скремблювання та ехо-компенсація

3.1 Скремблювання

Двійковий сигнал на вході модема має довільну статистичну структуру, яка не задовольняє вимогам, що ставляться синхронним способом передачі:

1) частота зміни символів (1,0) має забезпечувати надійне виявлення тактової частоти безпосередньо з сигналу, що приймається;

2) спектральна густина потужності сигналу, що передається, має бути постійною і зосередженою у заданій області частот для зменшення взаємного впливу каналів.

Тому в модемах початкова послідовність двійкових посилок обробляється так, щоб статистика появи нулів і одиниць наближалася до випадкової.

Одним з способів такої обробки є скремблірування (scramble - перемішування) - обернене перетворення структури цифрового потоку без зміни швидкості передачі з метою отримання властивостей випадкової послідовності.

Проводиться на передавальній стороні за допомогою скремблера, що реалізовує логічну операцію підсумовування за модулем два початкового і псевдовипадкового двійкових сигналів. На приймальній стороні дескремблер виділяє з прийнятої послідовності початкову інформаційну послідовність.

3.2 Ехокомпенсація

Для боротьби з електричним ехом використовують такі методи:

частотне розділення каналів;

застосування самобалансованих диференціальних систем;

компенсація ехо-сигналу.

При використанні першого методу вся смуга пропускання каналу розділяється на два частотних підканали, по кожному з яких передається сигнал в одному напрямі. При цьому знижується ефективність використання частотного ресурсу і швидкість передачі, оскільки:

1) не повністю використовується смуга каналу;

2) між підканалами вводиться захисний частотний інтервал, щоб усунути проникнення бічних гармонік.

Застосування диференціальних систем, що автоматично настроюються, невигідне через складність їх технічної реалізації.

У зв'язку з цим найбільше поширення має компенсаційний метод боротьби з ехо-сигналом. Суть методу полягає в тому, що модем, маючи інформацію про свій власний сигнал , може використати її для фільтрації прийнятого сигналу , від ехо-завади. Відбитий ехо-сигнал Е(t) зазнає змін внаслідок амплітудних і фазових спотворень. На етапі встановлення з'єднання кожен модем надсилає еталонний зондувальний сигнал і визначає параметри ехо-відбиття: час запізнення, амплітудні та фазові спотворення, потужність.

У процесі сеансу зв'язку ехо-компенсатор модема віднімає зі вхідного сигналу свій власний вихідний сигнал Е*(t), зкоригований відповідно до отриманих параметрів ехо-відбиття. Створення копії ехо-сигналу виконує лінія затримки з виводами.

Технологія ехо-компенсації дозволяє використати для дуплексної передачі всю ширину смуги пропускання телефонного каналу, однак вимагає чималих обчислювальних ресурсів для обробки сигналу.

4. Класифікація факсимільних апаратів

Згідно з рекомендаціями CCITT (Сектора стандартизації Міжнародного союзу електрозв'язку ITU-T) залежно від способу модуляції розрізнюють ФА чотирьох груп. Перші факсимільні стандарти, що належать до групи 1, базувалися на аналоговому методі передачі інформації. Сторінка тексту форматом А4 з роздільною здатністю 4 лінії на міліметр апаратами групи 1 передавалася за 6 хвилин, а групи 2 - за 3 хвилини.

У 1980 році ITU-T запровадив стандарт групи 3, який визначав методи цифрового сканування і стиснення інформації. В апаратах групи 3 частота дискретизації вибирається такою, щоб забезпечити роздільну здатність 8 елементів/мм, що для формату А4 відповідає 1728 ел/рядок.

Згідно зі стандартом групи 3 можливі три ступеня розрізнення:

стандартне, яке забезпечує 1728 точок по горизонталі та 100 точок/дюйм по вертикалі (200100 точок/дюйм);

високе, яке подвоює кількість точок по вертикалі - 200200 точок/дюйм. В режимі високого розрізнення час передачі подвоюється;

надвисоке (300300 точок/дюйма).

За рівнем сигнал квантується за 16, 32 або 64 рівнями яскравості.

На відміну від аналогових факсів, працюючих зі швидкістю 330 біт/с, апарат групи 3 передає інформацію зі швидкістю від 9600 до 14400 біт/с, що дозволяє відправляти сторінку документа за 15-60с.

Особливістю факсів групи 3 є автоматичне підстроювання швидкості передачі інформації. Якщо апарат групи 2 намагається зв'язатися з апаратом групи 3, то останній автоматично знижує швидкість. Коли через низьку якість лінії неможливий зв'язок зі швидкістю 9600 біт/с, ФА групи 3 автоматично виконує спробу встановити зв'язок на швидкості 7200 біт/с, потім 4800 біт/с тощо.

ФА перших трьох груп використовують аналогові телефонні канали КТМЗК. У 1984 р. ITU-T прийняв стандарт групи 4, який передбачає розрізнення 400400 точок/дюйм, передачу кольорових зображень і підвищення швидкості при меншому розрізненні. Факси групи 4 забезпечують розрізнення дуже високої якості. Однак, вони потребують високошвидкісних каналів зв'язку, які надають цифрові мережі зв'язку ISDN, і не можуть працювати через канали КТМЗК.

Роботу ФА групи 3 регламентують стандарти Т.4 і Т.30. Стандарт Т.4 визначає можливості групи 3 (розмір листа, розрізнення та ін.); Т.30 - розпізнавання можливостей апаратів, узгодження параметрів, формування сторінок зображення, алгоритми стиснення.

Особливістю більшості ФА є напівдуплексний режим роботи.

В табл.1 наведені основні протоколи, які використовуються в факсимільних апаратах і сумісних з ними факс-модемах.

Таблиця 1 - Протоколи для факсимільних апаратів

5. Характеристики сучасних факсимільних апаратів

модем факсимільний апарат скремблювання ехокомпенсація

Сервісні можливості.

ФА групи 3 мають такі основні сервісні можливості:

автовідповідь та ідентифікація приймача і передавача;

автоматичний прийом повідомлень і відрізка аркушів;

автовибір швидкості передачі та роздільної здатності залежно від якості каналу зв'язку;

позначка про дату і час прийому;

автоматичне керування фоном (адаптація кольорових зображень);

автоматична корекція (повторний запит рядка або сторінки);

функція скорочення часу передачі (стиснення копії за висотою);

переадресування повідомлення на інший апарат (форвардінг);

передача повідомлень у певний час;

збереження в пам'яті документа та автододзвонювання тощо.

Технічні характеристики.

Нижче наведені характеристики одного з найпоширеніших факсимільних апаратів "Panasonic KX-FT31BX".

Лінії зв'язку, що використовуються для передачі: КТМЗК.

Розмір документа (максимальний): 216600 мм.

Фактична ширина сканування: 208 мм.

Розмір паперу: 21630 мм, рулон.

Фактична ширина друку: 208 мм.

Час передачі: приблизно 15 с/стор. (початковий режим);

приблизно 30 с/стор. (нормальний режим G3).

Щільність сканування: по горизонталі - 8 елементів/мм; по вертикалі: 3,85 лінії/мм (із звичайним розрізненням), 7,7 лінії/мм (з високим), 15,4 лінії/мм (з надвисоким).

Кількість рівнів півтонів: 64.

Тип сканувального пристрою: контактний давач зображення.

Тип друкувального пристрою: працює на основі термодруку.

Система стиснення даних: видозмінена система Хаффмена (MH), видозмінена система READ (MR).

Швидкість передачі: 9600, 7200, 4800, 2400 біт/с.

Габаритні розміри: 13532322 Маса: 2,9 кг.

Споживана потужність: у режимі очікування 6,5 Вт; при передачі 17 Вт; при прийомі 40 Вт; при копіюванні 40 Вт; максимальна 125 Вт.

Електроживлення: 220…240 В змінного струму, 50 (60) Гц.

6. Кодування і стиснення факсимільних сигналів

Отримане в результаті дискретизації факсимільне повідомлення, як і аналоговий факсимільний сигнал, мають велику надмірність. Щоб зменшити надмірність, цифровий факсимільний сигнал піддається кодуванню і стисненню.

Методи кодування поділяють на дві групи: 1) кодування двоградаційних (двійкових) зображень (тексти, рисунки, креслення); 2) кодування багатоградаційних (напівтонових) зображень.

Розглянемо методи кодування двійкових зображень. Найпростіше реалізується полінійне кодування, зокрема кодування довжин сегментів (КДС).

При кодуванні за методом КДС-1 сигнал від кожного рядка розгортки дискретизується, причому елементам білого надаються значення логічного нуля, а чорного - одиниці. Кодування починається з відрізка будь-якого кольору, причому кодуються групи з чотирьох елементів. Групи, які містять переходи між чорним і білим (наприклад, групи 1, 2, 18 на рис.6), передаються у незмінному вигляді. Групи білого, які містять тільки нулі (групи 3-16), і групи чорного, які містять тільки одиниці (група 17), виділяються. Кількість однакових груп, які ідуть одна за одною, підраховується і кодується двійковими чотирирозрядними числами.

Закодований сигнал є послідовністю шестиелементних кодових комбінацій (рис.6в). Старші біти кожної (шостий і п'ятий) визначають характер комбінації: 11 - сигнал керування, 10 - некодована, 01 - кількість послідовних груп чорного, 00 - кількість послідовних груп білого. Отже, кожна кодова комбінація, що починається з 01 або 00, може закодувати до 15 "одноколірних" груп. Рахунок вище за 15 ведеться за допомогою кратних груп з основою 16 в порядку від молодшого розряду до старшого. Наприклад, 360 груп чорного, що передаються один за одним, можуть бути закодовані трьома кодовими комбінаціями: 01 1000, 01 0110, 01 0001.

Щоб синхронізувати сигнал за кодовими комбінаціями (фазування), перед початком передачі сигналів кожного рядка передаються синхрокомбінації, які починаються бітами керування.

Для випадку, показаного на рис.6, 72 елементи факсимільного сигналу закодовані п'ятьма шестиелементними комбінаціями, тобто 30 двійковими елементами.

Спосіб КДС-2 (рис.7) враховує, що в середньому довжини чорних ділянок зображення коротше білих. Тому відрізки білого кодуються 6_елементними, відрізки чорного - 3-х елементними кодовими комбінаціями. Кодування рядка завжди починається з білого; для визначення початку рядка передається службова комбінація з дев'яти нулів.

Розглянуті способи прості в реалізації, але недостатньо ефективні. Дослідження моделей факсимільних сигналів виявило, що доцільно застосовувати нерівномірні (ймовірнісні) коди.

До основи ймовірнісних методів стиснення (алгоритмів Шеннона-Фано і Хаффмена) покладено ідею побудови "дерева", місце символа на "вітках" якого визначається частотою його появи.

Прикладом статистичного (з фіксованою частотою появи символів) коду є одномірний код Хаффмена, суть якого полягає у такому:

1) символи, які зустрічаються у файлі, виписуються у стовпець в порядку зменшення імовірностей (частот) їх появи;

2) два найменш вірогідних елемента об'єднуються в один, і тим самим способом (у порядку зменшення імовірностей) виписується допоміжний ансамбль, що складається з вихідних і одного об'єднаного елемента (імовірність останнього дорівнює сумі імовірностей, що об'єднуються);

3) потім допоміжний ансамбль піддається аналогічному перетворенню і так далі до отримання ансамбля з одного елемента, який має імовірність. Процес кодування з використанням методу Хаффмена пояснюється даними табл.2.

Таблиця 2 - Кодування за методом Хаффмена

Принцип методу Хаффмена можна подати за допомогою кодового дерева на основі табл.2.

Побудова за цим методом двійкового коду для п'ятирічного джерела без пам'яті.

З точки, відповідної сумі всіх імовірностей (1), прямують дві вітки. Вітці з більшою імовірністю присвоюється “1”, а з меншої - “0”. Продовжуючи послідовно розгалужувати дерево, доходимо до імовірності кожного символа.

Тепер, рухаючись по кодовому дереву з точки, де р = 1, можемо записати відповідний код для кожного символа.

Код Хаффмена має кілька модифікацій і вважається одним з найефективніших для кодування факсимільних зображень. Модифіковані коди Хаффмена (МКФ) широко застосовують в апаратах групи 3.

Ще ефективніші способи двомірного кодування, коли позиція кожного символа наступного рядка кодується з урахуванням позиції відповідного елемента попереднього рядка. При цьому використовуються кореляційні властивості сусідніх рядків. Після кодування опорного рядка наступний рядок віднімається з опорного, а потім кодується різницевий сигнал.

Размещено на Allbest.ru