Тема 5. Пристрої передачі даних

5.1 Типова структура цифрової системи передачі даних

5.2 Аналогові та цифрові канали передачі даних

5.3 Методи передачі даних

5.4 Фізичні основи і стандартизація факсимільного зв’язку

5.5 Класифікація модемів

5.6 Узагальнена структура модему

5.1 Типова структура цифрової системи передачі даних

Будь-яка система чифрової передачі даних (цифрова система зв’язку) може бути змодельована за допомогою трьох основних компонентів. Такими компонентами є: передавальний пристрій, канал передачі даних (канал зв’язку), приймальний пристрій. Додатково в таку структуру можуть входити джерело інформації та одержувач інформації. В реальних системах зв’язку основні компоненти розбиваються на складові частини, тому в в загальному випадку структура цифрової системи зв’язку може мати вигляд (рис.21):

Рис.21 Структура цифрової системи зв’язку

КТП – кінцевий термінальний пристрій, що може бути джерелом інформації або її споживачем (одержувачем), або тим і іншим одночасно. КТП може являти собою персональний комп’ютер, супер ЕОМ, термінал, пристрій (систему) збирання даних (АЦІ), касовий апарат, навігаційний приймач або будь-яку апаратуру, що може приймати, зберігати, обробляти та передавати дані. Часто для визначення КТП застосовують міжнародний термін DTE (date terminal equipment).

Безпосередня передача даних відбувається за допомогою АПД – апаратури передачі даних, за міжнародним позначенням DCE (date communications equipment). Функція DCE полягає в тому щоб забезпечити можливість обміну інформацією між двома (або більше) DTE по каналу певного типу, наприклад, телефонному каналу загального користування (ТКЗК). DCE може являти собою аналоговий модем, якщо використовується аналоговий канал зв’язку або бути пристроєм обслуговування цифрового каналу типу Е1/Т1, або ISDN. У більшості випадків модем – це пристрій, який виконує функції модулятора-демодулятора, кодера-декодера та інші при обміні інформацією між персональними комп’ютерами як безпосередньо, так і в складі інформаційно-обчислювальних мереж (BBS, FIDONET, Internet, Novell і т.д.). Для такого пристрою вхідний сигнал, це, як правило, цифрова послідовність даних, що надходить від DTE, а вихідний сигнал – це аналоговий сигнал, що подається в аналоговий телефонний канал. Однак це вірно для випадку, коли модем працює як модулятор. Якщо ж він працює як демодулятор, то все навпаки: вхідний сигнал має аналогову форму, а вихідний сигнал – це потік цифрових даних.

Важливу роль для взаємодії DTE i DCE відіграє їх інтерфейс, що складається з вхідних/вихідних кіл DTE, DCE, рознімачів та з’єднувальних кабелів (СТКДК).

5.2 Аналогові та цифрові канали передачі даних

Як відомо з теорії інформації, передача в каналах зв’язку відбувається за допомогою сигналів, що можуть мати як безперервну (аналогову) форму, так і дискретну (цифрову). В залежності від характеру сигналу відповідно розрізняють аналогові та цифрові канали зв’язку.

Аналогові канали зв’язку є, в силу історичних причин, більш розвинутими, особливо на рівні телефонних мереж зв’язку. Прикладом аналогового каналу може бути ТКЗК, що складається з багаточисельних комутаційних пристроїв, пристроїв розподілення сигналів, групових модуляторів та демодуляторів. При передачі дискретних сигналів даних по аналоговому каналу на його вході та  виході повинен знаходитись спеціальний пристрій, типу DCE, що перетворює цифрові дані від DTE в аналоговий сигнал з відповідним спектром (для ТКЗК від 300Гц до 3,4кГц) і передає його в канал, а сигнал з каналу перетворює з аналогової форми в цифрову. Ці функції, як правило, виконує аналоговий модем, інколи факсмодем.

Цифрові канали зв’язку мають ряд переваг перед аналоговими, але можуть використовуватись лише спеціалізовані лінії або системи зв’язку, наприклад, типу IKM, ISDN (integrated services digital network), канали типу Т1/Е1 та інші. При цьому передача інформації в конкретний канал супроводжується узгодженням параметрів DСE з параметрами конкретного каналу. Для цього використовують спеціальні пристрої, що інколи називають адаптерами ISDN, адаптерами каналів Е1/Т1, лінійними драйверами і таке інше.

Як аналогові, так і цифрові канали зв’язку можуть бути виділеними або комутованими. Виділені канали комутуються один раз при укладанні договору оренди з підприємством зв’язку, або в момент прокладки індивідуальної лінії. Вони більш надійні, аніж комутовані, оскільки не включають комутаційної апаратури, але й більш дорогі. Комутовані канали виділяються за запитом DTE тільки на момент проведення сеансу зв’зку, а тому значно дешевші.

Як правило, канали зв’язку мають двопровідний або чотирипровідний стик з DCE (стик типу С2). Чотирипровідні канали мають два проводи для передачі сигналів і два проводи для приймання. Двопровідні канали дозволяють економити на вартості кабелів зв’язку, однак вимагають вирішення задачі розподілу сигналів за рахунок ускладнення апаратури шляхом введення диференційних систем в канали передачі/приймання. Однак такі диференційні системи приводять до спотворень амплітудно-частотних та фазочастотних характеристик каналу та до виникнення ехо-сигналу.

5.3 Методи передачі даних

Передача даних здійснюється такими методами: комутацією каналів, комутацією повідомлень та комутацією пакетів. Використання того чи іншого методу залежить від характеру даних, що передаються та пропускної спроможності каналу.

Комутація каналів. При передачі даних методом комутації каналів, встановлюється фізичне з’єднання між джерелом і адресатом за допомогою утворення складеного каналу з окремих ділянок. Такий складений канал містить фізичні канали, які мають одну і ту ж швидкість передачі даних. В якості фізичних каналів використовують телефонні або телеграфні лінії зв’язку, а комутацію здійснюють за допомогою апаратури автоматичних станцій телефонного зв’язку (АТС) або автоматичних станцій абонентського телеграфа (АТА).

Комутація повідомлень. Цей метод в основному використовується в інформаційно-обчислювальних мережах, коли фізичні з’єднання встановлюються між двома вузловими станціями мережі тільки на час передачі повідомлення і тільки на одній з ділянок складеного каналу для передачі повідомлення оснащеного ідентифікаційним заголовком, адресою. Це повідомлення транспортується від окремого вузла мережі до іншого, причому в різний час та з різною швидкістю без створення єдиного каналу з’єднання. Такий принцип підвищує гнучкість використання каналів передачі даних за рахунок можливості одночасної передачі інформації по більшості ланок скаденого каналу. Пропускна спроможність каналів при цьому також підвищується.

Комутація пакетів. Це різновид методу комутації повідомлень. Суть цього методу в тому, що тут вже розбиваються на окремі ділянки також і самі повідомлення. Ці ділянки носять назви пакетів повідомлень. Таке розбивання додатково підвищує гнучкість та пропускну спроможність каналів передачі даних за рахунок зменшення часу передачі цих пакетів по каналах з різною конфігурацією та швидкістю передачі.

5.4 Фізичні основи і стандартизація факсимільного зв’язку

Факсимільний зв’язок є логічним розвитком систем фототелеграфу, коли на значні відстані передаються зображення документів або фотоматеріалів. В той же час на відміну від фототелеграфічних каналів, які використовували спеціалізовані лінії передачі інформації з досить щирокою частотною смугою, фассимільний сучасний зв’язок базується на використанні звичайних телефонних каналів з базовою смугою частот від 300Гц до 3400Гц.

Фізична суть факсимільної передачі інформації полягає в скануванні оптичного зображення документа за допомогою оптично-світлової системи. При цьому джерело світла (типу лазера) випромінює вузькообмежений світловий потік, що має форму світлового п’ятна. При попаданні на поверхню документа цей світловий потік відбивається від поверхні обмеженого ним елемента зображення. Відбите елементом зображення документа, частина світлового потоку попадає на фотоелемент, амлітуда сигналу на виході якого пропорційна величині відбитого світлового потоку. В подальшому, шляхом переміщення світлового п’ятна по поверхні документа, проводиться сканування всіх елементів зображення (інакше – фіксація величини світловідбивання кожного з елементів зображення документа). Швидкість такого сканування може бути на рівні 60, 90, 120, 180, або 240 рядків за секунду.

Перші факсимільні апарати використовували аналоговий метод передачі інформації, при якому елементи зображення безпосередньо подавались на модулятор, проходили канал-демодулятор, а потім фіксувались на світлочутливому папері за допомогою модульованого ними джерела світла. Ці апарати належали до першої, другої груп стандартизації Міжнародного союзу зв’язку (ITU). Апарати першої групи стандартизації передавали сторінку тексту за 6 хв., а апарати другої групи – за 3 хв.

Фактична революція в області факсимільного зв’язку сталась в 1980році, з введенням стандарту 3, що базувався на цифрових методах передачі даних. Цей стандарт перевидавався в 1984, 1988 роках, та модифікувався в 1990році. В модифікації 1990 р. були визначені схеми кодування для групи 4 та більш високі щвидкості передачі для групи 3=14400біт/секунду. Використовуючи методи стискання даних, факс апарати групи 3 передають сторінку тексту за 30, 60 секунд. Факс апарати 1, 2, та 3 груп працюють церез аналогові телефонні канали. В 1988 році ITU ввів стандарт для факс апаратів групи 4, для яких необхідно використовувати спеціальні широкосмугові канали зв’язку. Група 4 забезпечує підвищену чіткість зображення документів (400 * 400 елементів/дюйм).

Найбільш поширеними є факси групи 3, структурна схема яких наведена нижче і складається з світлооптичного розгортувального пристрою (СОРП), фотоприймача (ФП), підсилювача рівня (ПР), аналогово-цифрового перетворювача (АЦП), пристрою кодування та модуляції (ПКМ), каналу зв’язку (КЗ), пристрою декодування та демодуляції (ПДД), цифроаналогового перетворювача (ЦАП), відтворювально-розгортувального пристрою (ВРП) та пристрою синхронізації (ПС) приймальної сторони, ПП- підсилювач потужності.

Рис. 22 Структурна схема факсапарата групи 3

Світлове сканування кожного з елементів документа відбувається за допомогою СОРП, який рухає вузький струмінь світла з певною швидкістю (60 – 240 рядків/сек.). Кожний рядок для факсів групи 3 складається з 1728 світлових елементів зображення горизонтально при 100 рядках на дюйм (2,4 см.) по вертикалі. Частина світлового потоку, відбиваючись від елемента зображення документа попадає на фотоприймач, в якому відбувається перетворення амплітуди світлового потоку в аналоговий відеосигнал. В подальшому цей відеосигнал перетворюється в дискретну (цифрову) форму за допомогою АЦП та кодується  і модулюється у відповідності одним із протоколів факс модуляції (V27, V42, V29, V17). При цьому спектр цифрового відеосигналу переноситься в область частот каналу зв’зку. Синхронізація розгортки світлооптичного пристрою та інших пристроїв відбувається за допомогою пристрою синхронізації. На приймальній стороні процес перетворення відбувається у зворотному напрямку. Спочатку, за допомогою ПДД, сигнал декодується та демодулюється, перетворюючись у цифровий відеосигнал, потім за допомогою ЦАП – у аналоговий відеосигнал, потім, за допомогою світлооптичного відтворювального пристрою на термочутливий папір наноситься поелементне зображення первинного документа.

5.5 Класифікація модемів

Існує ряд класифікаційних ознак за якими можна класифікувати модеми: за областю використання, за методом передачі, за інтелектуальними можливостями, за конструкцією, за підтримкою протоколів модуляцій, за корекцією помилок, за стисканням інформації, за взаємодією. За областю використання сучасні модеми можна розподілити на такі групи:

·        Модеми для комутованих телефонних каналів;

·   Модеми для виділених телефонних каналів і фізичних з’єднувальних ліній;

·   Модеми для цифрових систем передачі;

·   Модеми для стільникових систем зв’язку;

·   Модеми для пакетних радіомереж;

·   Модеми для локальних радіомереж.

Найбільша кількість модемів призначена для використання на комутованих телефонних каналах. Такі модеми повинні вміти працювати з автоматичними телефонними станціями (АТС), розрізняти їх сигнали та передавати свої сигнали набору номера тональним або імпульсним методом.

Основна відмінність модемів для виділених і фізичних ліній полягає в тому, що смуга частот фізичної лінії не обмежена смугою 300Гц – 3,4кГц телефонного каналу. З точки зору сигналів модеми для фізичних ліній поділяються на модеми низького рівня (лінійні драйвери), що використовують цифрові сигнали, та модеми основної смуги, в яких використовуються методи модуляції аналогічні телефонним модемам. В модемах низького рівня використовуються цифрові методи імпульсної передачі без постійної складової з максимальною швидкістю до 19,2Кбіт/сек. Модеми основної смуги використовують різні види квадратурної модуляції, що дозволяє радикально скоротити необхідну смугу частот. На виділених фізичних лініях такі модеми можуть передавати зі швидкістю до 100Кбіт/сек.

Модеми для цифрових систем передачі нагадують модеми низького рівня з точки зору передачі цифрових сигналів. Однак на відміну від них вони забезпечують функції канальних інтерфейсів каналів типу Е1/Т1 або ISDN.

Модеми для стільникових систем зв’язку відрізняються компактністю виконання і підтримкою спеціальних протоколів ZyCELL, ETS i MNP10. Пакетні радіомодеми дозволяють забезпечити передачу даних по радіоканалах між мобільними користувачами. Такий радіоканал організовується з використанням типових КВ або УКВ радіостанцій налаштованих на однакову частоту. При цьому пакетний радіомодем може використовувати один радіоканал з іншими модемами в режимі багатонапрямного доступу в спільній радіомережі.

Модеми для локальних радіомереж працюють по радіоканалах на невеликі (до 300м) відстані з великою швидкістю (2 – 10мбіт/сек) передачі інформації.

За методом передачі модеми поділяються на асинхронні та синхронні. Асинхронний режим передачі використовується тоді, коли дані, що передаються, генеруються у випадкові проміжки часу. При такій передачі кожен символ інформації, що передається, обрамляється додатковими стоповим та стартовим бітами. При синхронному методі передачі відбувається об’єднання великого числа символів або байт в окремі блоки або кадри. Весь кадр передається як одна послідовність біт без будь-яких затримок між елементами. Для забезпечення синхронізації повинні виконуватись такі вимоги:

а) послідовність біт не повинна мати довгих послідовностей нулів або одиниць для стійкого виділення тактової частоти синхронізації;

б) кожен кадр повинен мати зарезервовані (маркерні) послідовності біт, що вказують на його початок та кінець (маркери);

За інтелектуальними можливостях можна виділити модеми:

·             без системи управління

·             з підтримкою АТ команд

·             з підтримкою команд V25bis

·             з фірменною системою команд

·             з підтримкою протоколів мережного керування.

Більшість модемів підтримують Hayes (АТ) команди, що дозволяють користувачу повністю керувати характеристиками модема та параметрами зв’язку. Ці команди підтримують не тільки модеми для ТКЗК, а також пакетні радіомодеми, модеми для ISDN і ряд інших спецмодемів.

За конструкцією модеми поділяються на :

·              внутрішні

·              зовнішні

·              портативні (призначені для використання з Note Book)

·              групові (сукупність окремих модемів, об’єднаних в один блок з одним блоком живлення).

За підтримкою протоколів модеми поділяються на такі, що підтримують фірмені протоколи і на такі, що підтримують міжнародні протоколи. Протоколи міжнародного рівня розробляються під егідою ITU та відносяться до серії V. Самі  протоколи поділяються на протоколи модуляції (V21, V22, V22bis, V23, V32, V33, V34 – загальні, V17, V27, V29 - факсмодемні), протоколи корекції помилок (V42, V29), стискання (V42bis), взаємодії (V25bis, V8).

5.6 Узагальнена структура модему

Більшість сучасних модемів забезпечують передачу даних по  телефонних каналах загального користування, по існуючих каналах  зв’язку . Для прикладу наведено структуру середньошвидкісного модему, розробленого НПО Аналітик м. Санкт - Петербург для роботи на фізичних лініях телефонної мережі СНГ. Модем підтримує протокол V22bis (на 1200 та 2400Гц; модуляційна швидкість 600біт; інформаційна швидкість 1200 або 2400 біт/сек, за рахунок QAM).

Рис 23 Типова блок-схема зовнішнього модему

де СПР – сигнальний процесор; ІТЛ – інтерфейс з телефонною лінією; ДС – диференційна система; НЧФ – низькочастотний фільтр; ЦАП, АЦП – перетворювачі форми інформації; ПФ – полосовий фільтр; В/З – схема вибірки/запам’ятовування; ДРП – дискретний регулятор підсилення; КУ – контролер управління; БУІ – блок управління індикацією; ІН – індикатори.

Інтерфейс з телефонною лінією (ІТЛ) забезпечує фізичне з’єднання, захист від перенапруг на лінії та радіоперешкод, набирання телефонних номерів, фіксацію телефонних дзвінків та узгодження імпедансів. Фізичне з’єднання забезпечується шляхом підключення модему до телефонної лінії з телефонним апаратом та DTE. В дешевих виробах телефон підключається паралельно входу  модема, а в якісних підтримується перемикання телефон/модем за допомогою реле. Захист від перенапруги на лінії забезпечується варистором, який різко зменшує свій опір при напрузі 400 – 500В. Другий каскад захисту встановлюється на вторинну обмотку трансформатора у вигляді зустрічно ввімкнених стабілітронів. Захист лінії від ряду перешкод виконується на LC фільтрах. Імпульсний набір номера, як правило, виконується за допомогою реле. Гальванічна розв’язка модема з лінією забезпечується за допомогою трансформатора, який також забезпечує імпеданс на рівні 600 Ом ± 15%.

Диференційна система (ДС) забезпечує перехід від двопровідної лінії до чотирипровідного аналогового стику модема. Цей вузол також компенсує проходження вихідного сигналу у вхідні коло (ближнє ехо). Розрізняють трансформаторну та електронну реалізацію диференційної системи. Перша використовується в дешевих моделях, а друга  - в дорогих. Електронна схема забезпечує розділення сигналів на ОУ  з відніманням від вхідного сигналу деякого компенсувального, що формується сигнальним процесором і додатковим ЦАП з фільтром.

Гальванічно відділений від фізичної лінії трансформатором та поділений диференційною системою, вхідний аналоговий сигнал надходить на смуговий фільтр ПФ. Для модемів, що працюють за протоколом V22bis це смуга

        900 – 1500Гц                 або                2100 ... 2700Гц      

    1200 ± 300Гц                                            2400 ± 300Гц

для модемів, що працюють за протоколом V34 це смуга 300 ... 4000Гц. В подальшому сигнал підсилюється схемою програмно-керованої АРУ (автоматичне регулювання рівня) та перетворюється з аналогової форми в цифрову за допомогою АЦП. Для середніх швидкостей передачі, він, як правило, 10 розрядний, а для високошвидкісних – 14 ... 16 розрядний. Частота дискретизації від 7,2 до 9,6 кГц. Вхідний (антилязинговий) фільтр виконується на основі конденсаторів, що перемикаються (32дБ на f ³4,6кГц). В подальшому обробка сигналів здійснюється за допомогою сигнального процесора (СПр), який на приймальній стороні виконує функції узгодженого сигнального фільтра, адаптивного коректора, схеми розв’язку формування кодової послідовності та схеми формування сигналу тактової синхронізації, управління АРУ та ФАПЧ (фазове автопідстроювання частоти). На передавальній стороні сигнальний процесор формує у цифровому вигляді сигнал, що передається  в лінію. Така передача відбувається за допомогою ЦАП і НЧ фільтра на вході диференційні системи. У якості сигнального процесора можуть використовуватись мікросхеми TMS320C10 фірми Tehas Instument (вітчизняний аналог КР1887ВМ1) для протоколу V22bis (2,4Кбіт/сек.), або ADSP фірми Analog Devises для протоколу V32bis (14,4Кбіт/сек), або DSP1633F  фірми Data System для протоколу V34 (28,8 Кбіт/сек).

Окрім сигнального процесора в структурі модема використовується контролер управління у вигляді цифрового процесора, наприклад, типу Z8031 фірми Intel (вітчизняний аналог КР1816ВЕ31). За допомогою цифрового процесора здійснюється управління модемом за допомогою АТ-команд, реалізуються інтерфейси, а також протоколи корекції (MNP2,4; V42) та стискання (MNP5 ma V42bis).

Додатково в склад модема входить послідовний асинхронний порт, який дозволяє забезпечити зв’язок з ДТЕ (персональним комп’ютером).