ТЕМА: Модеми. Принцип дії та будови сучасних середньо швидкісних модемів, особливостей їх схемотехніки та конструювання

МЕТА РОБОТИ:

Вивчення і знайомство

• з узагальненою структурою модему;

• з головними складовими модему ;

• з принципами побудови модемів відповідно до їх призначення;

• з принципами модуляції та демодуляції сигналів;

• з принципами дії модемів різного призначення;

• з принципами класифікації для різних класифікаційних ознак.

Розглянути:

• Різновид протоколів, які підтримують сучасні модеми;

• Існуючі міжнародні стандарти модемів;

• Типи модемів, марки модемів;

• Принцип формування сигналів для передавання та приймання даних;

• Основні функції процесора та сигнального процесора сучасного модему.

1. Будова та принцип дії модему.

Модем – це перетворювач сигналів, який є проміжною ланкою між комп'ютером і лінією зв’язку. Назва модему походить від двох слів: "Модулятор" і "Демодулятор". Як модулятор модем перетворює цифрові сигнали імпульсів постійного струму, які використовуються в комп'ютерних системах, в аналогові сигнали, що містять ту ж інформацію. Цей процес і називається модуляцією.

Модуляція та модеми необхідні тому, що сигнали телефонного каналу зв'язку не завжди представлені в цифровій формі. Процес модуляції формує аналогові сигнали, в яких закодована цифрова інформація, породжена комп'ютером, але які можна передати через телефонні канали.

Демодуляція являє собою зворотний процес. Якщо подивитися на утворений сигнал з іншого боку – модем, як демодулятор, отримує аналогові сигнали і перетворює їх у початкову цифрову форму, що містить передану інформацію.

Складові модему:

1. Порти введення-виведення – схеми, призначені для обміну даними між телефонною лінією і модемом з одного боку, і модемом та комп'ютером – з іншого. Для взаємодії з аналоговою телефонною лінією часто використовується трансформатор.

2. Сигнальний процесор (Digital Signal Processor, DSP) Звичайно модулює вихідні сигнали і демодулює ті, що входять на цифровому рівні у відповідності з використовуваним протоколом передачі даних. Може також виконувати інші функції. (Кодек – здійснює двостороннє перетворення аналогового сигналу, що надходить з лінії, в потік цифрових даних)

3. Контролер – реалізує протоколи стиску даних і корекції помилок, крім того, є сполучною ланкою між модемом і програмним забезпеченням комп'ютера (реалізує програмний інтерфейс).

4. Мікросхеми пам'яті:

ROM – енергонезалежна пам'ять, у якій зберігається мікропрограма управління модемом – прошивка, яка включає в себе набори команд і даних для управління модемом, всі підтримувані комунікаційні протоколи і інтерфейс з комп'ютером. Оновлення прошивки модему є в більшості сучасних моделей, для чого служить спеціальна процедура описана в довідці користувача. Для забезпечення можливості перепрошивання для зберігання мікропрограм застосовується флеш-пам'ять (EEPROM). Флеш-пам'ять дозволяє легко оновлювати прошивки модему, виправляючи помилки розробників і розширюючи можливості пристрою. У деяких моделях зовнішніх модемів вона так само використовується для запису вхідних голосових і факсимільних повідомлень при вимкненому комп'ютері.

NVRAM – енергонезалежна електроперепрограмовувана пам'ять, в якій зберігаються налаштування модему. Користувач може змінювати установки, наприклад використовуючи набір AT-команд.

RAM – оперативна пам'ять модему, використовується для буферизації прийнятих і переданих даних, роботи алгоритмів стиснення та іншого.

Основні функціональні блоки

З боку телефонної лінії найпершим пристроєм є блок інтерфейсу з телефонною лінією. Основними функціями цього блоку є:

• забезпечення фізичного з'єднання з телефонною лінією;

• захист від перенапруження і радіоперешкод;

• набір номера;

• фіксація дзвінків;

• гальванічна розв'язка внутрішніх ланцюгів модему і телефонної лінії;

• узгодження імпедансу.

Далі сигнали потрапляють в диференціальну системму, мета якої – поділ вихідних і вхідних сиглів і компенсація впливу власного сигналу на вхідні ланцюги. У найбільш простих моделях модемів цей вузол виконується у вигляді пасивної схеми, що часто призводить до сильної залежності якості роботи блоку від опору конкретної телефонної лінії. Позбутися від такої залежності можуть тільки моделі з активної диференціальної системи, де необхідний для компенсації сигнал постійно обчислюється сигнальним процесором і, "віднімається" з вхідного сигналу, забезпечуючи необхідний рівень компенсації.

Підготовлені таким чином сигнали потрапляють на ряд фільтрів, посилюються і оцифровуються за допомогою АЦП (аналогово-цифровий перетворювач) в блоці формування аналогових фронтів, так що подальша обробка проводиться в цифровому вигляді. Одна з переваг такого підходу – поліпшення якості обробки сигналу і здешевлення схеми.

Оброблена інформація надходить в цифровий сигнальний процесор (DSP), який і виділяє з неї на основі математичних методів «нулі» і «одиниці». Саме можливостями цифрової обробки сигналу цього блоку визначається якість та швидкісні спроможності сучасних модемів.

Підтримка інтерфейсу з комп'ютером, управління DSP, реалізація протоколів апаратної корекції помилок і стиску даних, управління інтерфейсом з користувачем (індикатори, кнопки і джампери налаштування), а також управління незалежною пам'яттю – ось далеко не повний список функцій, що лежать на системі управління модемом (контролері модему).

При цьому якщо раніше мікропрограма зберігалася в ПЗП, виготовленому і "прошитому" на заводі, то тепер виробники все частіше стали поміщувати її в перезаписувану флеш-пам'ять, що дозволяє оновлювати програму без апаратного втручання. DSP зі "вшитою" у довгострокову пам'ять (ПЗП або flash, що допускає модернізацію) програмою обробки отримав образну назву "datapump" ("насос даних"). Подібна мультипроцесорних архітектура (так звана функціональна мультипроцесорного) відмінно працювала в модемах протягом багатьох років.

Інтерфейс із телефонною лінією

Диференцій-на система

Сигнальний процесор (DSP)

Система управління модемом

Живлення

Індикатори, кнопки, джампери

Система формування аналогових фронтів

Інтерфейс із користувачем

Інтерфейс із комп’ютером

Функціональна схема модему

Сьогодні актуальною стає "деінтелектуаілізація" модему, для якого вже з’явилася і нова абревіатура – HSP (Host Signal Processing, дослівно – обробка ресурсами процесора комп'ютера). Безсумнівно, обчислювальна потужність масових процесорів сімейства х86 дозволяє перекласти ряд задач обробки сигналів з DSP на CPU-машини і при цьому отримати навіть додаткові переваги, які полягають в спрощенні процедур модернізації спеціалізованого та прикладного ПЗ і зниженні вартості. Але це тільки одна сторона медалі.

Спостерігається також тенденція втрати модемом апаратної незалежності – в чіпсети вбудовуються контролери суто "персональних" шин, таких, як РСI та USB (Universal Serial Bus), в поєднанні з вузькоспеціалізованими апаратно-мікропрограмними засобами, що відповідають вимогам тих чи інших операційних систем. Це теж, на перший погляд, непогано, оскільки гарантує зниження ціни та підвищення зручності користування.