Модемы в каналах связи и радиосвязи

скачать (7014.5 kb.)

  1   2
РЕФЕРАТ

МОДЕМЫ В КАНАЛАХ СВЯЗИ И РАДИОСВЯЗИ

1. Модемная связь в информационных сетях
Развитие промышленности, экономики и сферы обслуживания в странах современного мира невозможно без решения задачи надежного информационного обеспечения всех звеньев хозяйственной цепи, связанных между собой сетями и каналами связи. Гигантские сети, подобные Интернету, объединяют миллионы ЭВМ и ПЭВМ в единую систему, в которой каждый абонент может пользоваться скоростными каналами связи с максимальной информационной пропускной способностью. В подавляющем большинстве это цифровые каналы связи, имеющие высокую помехоустойчивость.

Простейшая типовая система обмена информационными данными между двумя абонентами приведена на рис. 1. В абонентских точках А и В размещаются оконечные терминалы данных (ОТД), в иностранных источниках для их обозначения применяется международный термин Data Terminal Equipment (DTE). Часто в качестве ОТД используются обычные ЭВМ.

Каналом передачи может служить двух- или четырехпроводная линия связи, а в сверхскоростных системах ? волоконно-оптическая линия (ВОЛС). В городских телефонных линиях необходима коммутация сигналов, поэтому их называют коммутируемой телефонной сетью общего пользования.


Рис. 1. Типовая система передачи данных
Различают два класса каналов: цифровые и аналоговые. Аналоговые каналы до недавнего времени имели более широкое распространение по причине простоты их реализации. Сложные и дорогие цифровые каналы отличаются повышенной помехоустойчивостью и более высокой пропускной способностью, поэтому в последние годы они интенсивно используются при замене аналоговых.

К сожалению, машинные коды ЭВМ, несущие цифровую информацию, не могут быть переданы на большие расстояния по следующим причинам:

) с течением времени в них накапливается постоянная составляющая тока, блокируемая трансформаторами, что приводит к искажению передаваемых импульсов;

) передача длинных серий нулей или единиц может приводить к нарушению работы устройств синхронизации;

) на уровне физического канала КТСОП теряется возможность контроля за возникновением ошибок, вызванных помехами.

Эти проблемы могут быть решены введением специального линейного кодирования (коды Манчестер, NEW, CMI, коды Миллера и др.). На сверхдальних расстояниях (десятки, сотни и более километров) не помогает и линейное кодирование, проблема может быть решена только путем введения режима манипуляции поднесущих и несущих частот, а также c помощью использования импульсной модуляции высоких частот.

Устройства, преобразующие машинные коды в сигналы, способные преодолевать большие расстояния в канале передачи, называются аппаратурой канала данных (АКД). Для их обозначения широко используется и международный термин Data Communications Equipment (DCE). В нашей стране с начала 60-х гг. прошлого столетия эти устройства назывались модуляторами и демодуляторами сигналов или сокращенно ? модемами. В последние годы модемы кроме модуляции стали выполнять множество других функций: коррекцию ошибок, сжатие информации и адаптацию по скорости ее передачи.

Модем должен обеспечивать надежное соединение как с терминальным устройством ОДТ, так и с каналом КТСОП. Эту задачу выполняют интерфейсы модемов, которые в отечественной литературе называются также стыками. Интерфейс - это программно-аппаратные средства для взаимодействия двух процессов или систем в месте их сопряжения. Стык, связывающий модем с ОДТ, обозначается в схемах как С2, а стык модема с каналом ? как С1.

Стык С2 состоит из входящих и исходящих цепей в ОДТ, разъемов, соединительных кабелей и адаптеров. Стандарты по интерфейсам С2 определяют их общие характеристики, характеристики функциональные, а также электрические и механические. К стыкам С2 стандарты относят интерфейсы V.24, RS-232, RS-449, RS-422A, RS-423A, V.35 и др.

Стыки С1 используются для согласования передаваемых через модем последовательностей сигналов с параметрами аналогового или цифрового канала связи. В недалеком прошлом подавляющее число модемов, используемых на практике, относилось к аналоговым, так как обслуживало аналоговые телефонные и сигнальные линии связи. Для каналов КТСОП и выделенных каналов тональной частоты были разработаны стандарты стыков С1-ТФ и С1-ТЧ (ГОСТ 26557-85). С появлением в качестве ОТД быстродействующих ПЭВМ стыки С1 и С2 были адаптированы и для пропускания цифровых сигналов. К цифровым относятся каналы систем ИКМ, T1 / E1 и др.

В табл. 1 показано, как базовые услуги, предоставляемые каналами модемной связи, зависят от скорости передачи информации.
Таблица 1

Базовые услуги при различных скоростях передачи сигналов

Базовые услуги

Телеграф

SMS, E-mail

Речь, пение

Текст Internet

Графика Internet

Видео среднего класса

Видео высокого класса

Скорость передачи, кБит/с

0,2-1

1-10

10-56

56 ?115

115-380

380 ?1000

1000-104



2. Семиуровневый протокол модемной связи
Любая информационная сеть (совокупность множества связанных между собой компьютеров) может существовать как открытая для взаимодействия система, обмен информацией внутри которой организован по так называемому протокольному принципу. Протокол в системе связи - это совокупность правил и алгоритмов, обеспечивающая интерпретацию машинных кодов на верхнем уровне ЭВМ для превращения их на более низких уровнях в сигналы, постепенно подготавливаемые к отправке в физическую линию канала передачи.

На каждом нижестоящем уровне существует свой протокол по обработке сигнального кода, который вносит вклад в его преобразование с последующей передачей на следующий более низкий уровень. Сигнальный код остается неподвижным вплоть до передачи его в физическую линию, попав в которую он начинает движение со скоростью света по направлению к своему абоненту.

Международная организация стандартов (МОС) еще в 60-е гг. прошлого века разработала открытый стандарт связи ISO7498 (Open Systems Interconnection ? OSI), т. е. модель обмена данными согласно 7-уровнему протоколу, каждый уровень которого обеспечен своей инструкцией. Профиль этого протокола для модема телефонной линии приведен на рис. 2.

Протоколы высокого уровня занимают седьмой, шестой и пятый этажи 7-уровневого протокола. Седьмой уровень называется пользовательским, поскольку на этом уровне начинается стыкование ЭВМ с вычислительной сетью.

Шестой уровень называется представительным. В сети, объединяющей разнотипные ЭВМ, передаваемая от них информация должна иметь единую форму представления, которую и определяет протокол шестого уровня.

Пятый уровень протоколов называется сеансовым, потому что на этом уровне образуются сеансы, разделяющие прикладные процессы информационных сигналов на фрагменты, облегчающие их взаимодействие в коммутируемых каналах КТСОП. Каждому фрагменту на пятом уровне приписывается пронумерованный заголовок ? сообщение. По номерам фрагментов, которые в точку приема могут приходить с задержками из-за коммутаций в КТСОП, восстанавливается вся передаваемая в точку В информация по конкретной теме.


Рис. 2. Схема модема для телефонной линии
Четвертый, третий, второй и первый этажи занимают протоколы нижнего уровня, обслуживающие транспортную сеть. Выход информации в транспортную сеть производится через так называемый порт ОТД. Число портов у пользователя равно числу адресатов, с которыми он взаимодействует в данный момент.

Четвертый уровень протокола называется транспортным. На этом уровне каждому фрагменту приписывается заголовок передачи, где указывается номер порта назначения фрагмента. Такой фрагмент с заголовком называется блоком. Четвертый уровень управления на приемном конце линии по заголовку блока отделяет свою информацию от чужой и передает ее через свой порт на сеансовый уровень для формирования сообщения.

Третий уровень протокола называется сетевым. На этом уровне определяется траектория движения блока по узлам сети. Для этого к блоку добавляется заголовок пакета, в котором содержится информация о состоянии транспортной сети связи, о загруженности ее каналов, состоянии узлов. Эта информация необходима для определения маршрута продвижения пакета. На приемном конце сетевой уровень по заголовку пакета примет его и направит на четвертый уровень.

Второй уровень называется канальным. В соответствии с его протоколом из пакета образуется кадр со своим заголовком и концевиком кадра. Для обозначения кадра в его начале и конце ставятся так называемые флаги, каждый в виде байтовой последовательности 01111110. Между флагами размещается кадр, а его заголовок и концевик ? спереди и сзади флагов. В заголовке помещается информация для управления каналом связи, а концевик используется для проверки правильности передачи информации на приемном конце. При правильном приеме в узел, откуда пришел кадр, направляется подтверждение о приеме, в противном случае - требование на повторную передачу кадра, Эту информацию в исходный узел доставляет концевик.

Первый уровень протокола называется физическим. На физическом уровне работает модем, определяющий правила обработки и передачи каждого бита передаваемой информации в физическую линию.

Схема наращивания информации при прохождении ее по протокольным уровням представлена на рис. 3. Эти уровни, определенные стандартом 60-х гг., в настоящее время считаются избыточными и весьма условными. В современных ЭВМ верхние уровни протокола объединяются, поскольку шины данных и порты в ЭВМ стандартизованы. Протоколы обязательны для каждой сети, но в различных сетях они могут значительно отличаться друг от друга. Так, например, в линиях поездной радиопроводной связи используются интерфейсы, построенные на основе трехуровневого протокола информационно-логического взаимодействия, содержащего физический, канальный и логический уровни.

Физический уровень представляет симметричную двух- или четырехпроводную линию связи с типовыми параметрами и линейным сигналом передачи. Канальный уровень преобразует цифровой сигнал сначала в NRZ-код, а затем в дифференциальный бифазный кодовый сигнал, который после обработки попадает в линию и со скоростью свыше 19 кбит/с уходит к абоненту. Такого рода параметрами обладают модемы первой группы с линейными драйверами (управляющими программами), занимающие более узкую полосу частот передачи, чем исходные цифровые сигналы.

Модемы второй группы реализуют сложные виды манипуляций (КАМ, ?/4-DQPSK, которые позволяют существенно снизить полосу частот и увеличить скорость передачи в сигнальной линии до 100 кбит/с.


Рис. 3. Схема наращивания информации по уровням протокола

3. Классификация и устройство современных модемов
Как показывает практика, существует огромное количество и разнообразие различных типов и конструкций модемных устройств, обслуживающих сети и каналы связи, их условную квалификацию можно провести по следующим признакам: область применения, методы передачи, поддержка протоколов.

. По области применения различают модемы телефонных каналов, волоконно-оптических каналов и радиомодемы.

. По методам передачи - асинхронные и синхронные. Синхронизация режима организуется двумя способами, связанными с тем, как работают тактовые генераторы в DTE отправителя и получателя: независимо друг от друга (асинхронно) или согласованно (синхронно).

. По конструкции - внешние, внутренние и портативные.

. По поддержке протоколов - модемы с протоколами модуляции, исправления ошибок, сжатия информации, адаптации к скорости передачи информации и модемы со смешанными протоколами.

Один из вариантов многочисленных схем модемов представлен на рис. 4. Структурная схема содержит интерфейсы С2 и С1, процессор (PU), сигнальный процессор, элементы памяти ПЗУ, ОЗУ и ППЗУ.


Рис. 4. Структурная схема модема
Если используется внутренний модем, то вместо стыка С2 применяется интерфейс внутренней шины компьютера ISA или USB, при этом порт канального интерфейса С1 модема обеспечивает согласование электрических параметров с используемым аналоговым или цифровым каналом связи.

Универсальный процессор (PU) устанавливает интеллектуальные возможности модема. Эти возможности определяются микропрограммой управления модемом, хранящейся в постоянном запоминающем устройстве ПЗУ (ROM). Постоянное энергонезависимое перепрограммируемое устройство ППЗУ позволяет в современных модемах существенно улучшать их характеристики, т. е. модернизировать режимы работы. Такая модернизация дает возможность модемам обеспечивать поддержку новых протоколов или сервисных функций, таких, например, как автоматическое определение номера вызывающего абонента (АОН).

Сигнальный процессор реализует функции протоколов модуляции и демодуляции сигналов, используя возможности оперативного запоминающего устройства ОЗУ (RAM). В общем виде сигнальный процессор или модем с функциями модуляции и демодуляции представлен на рис. 5, он содержит передатчик, приемник, источник питания, эхо-компенсатор и схему управления, включающую в себя упомянутые выше микропроцессор (PU) и память (ПЗУ, ППЗУ И ОЗУ).


Рис. 5. Схема аналогового модема
В схеме передатчика выполняются операции скремблирования, помехоустойчивого кодирования, синхронизации, а также частичной компенсации при помощи эквалайзера нелинейностей амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик используемого телефонного канала. Скремблирование предназначено для придания свойств случайности передаваемой последовательности данных с целью уменьшения избыточности сигнала и облегчения выделения тактовой частоты приемником удаленного модема.

В приемнике производятся обратные операции демодуляции, декодирования и дескремблирования принятого сигнала. Адаптивный эквалайзер приемника (как и эквалайзер передатчика) компенсирует нелинейные искажения, вносимые телефонным каналом.

Эхо-компенсатор позволяет устранить влияние друг на друга встречных телефонных сигналов при помощи дифференциальных систем (ДС), осуществляющих развязку между четырехпроводным каналом модема и двухпроводной линий КТСОП. Более подробно описание каналов модемной связи, принципы их работы и протоколы приводятся в литературе по специальным дисциплинам.

  1   2



Рефераты Практические задания Лекции
Учебный контент

© ref.rushkolnik.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации