СХЕМОТЕХНІЧНАРЕАЛІЗАЦІЯ МОДЕМів
ДЛЯ ТЕЛЕФОННИХЛІНІЙ
Розглянемо детально склад іпризначення елементів схеми типового зовнішнього модема (рис.1).
/>
Інтерфейс зтелефонною лінією (DAA). Телефонні компанії всього світу жорстко регламентуютьвимоги до обладнання, що підключається до каналів.
Часто ця проблемавирішується на державному рівні. Так у вітчизняних стандартах регламентується«Стик 1 ТЧ». У США модеми перевіряються на відповідність РСС Part 65, Part 15,у Великобританії відповідний стандарт – BS6305.
Забезпеченняфізичного з'єднання, захист від перенапруг і радіозавад, набір номера і фіксаціятелефонних дзвінків, гальванічна розв'язка і узгодження імпедансу – основніфункції схеми DAA. Ці функції забезпечуються у такий спосіб.
1. З'єднувачі RJ11 забезпечують фізичнепідключення до комутованої телефонної лінії і ТА. У простіших модемах телефонпідключається паралельно входу модема, у складніших – здійснюється перемиканнятелефон/модем за допомогою реле.
2. Ефективність роботи підвищують,використовуючи режими багатолінійних телефонних систем (Key Telephone System)за рахунок з’єднувачів RJ12, RJ13 і підтримуючи роботу на чотирипровіднихвиділених лініях (RJ45, JM8). В табл.1 наведено призначення контактів цихз'єднувачів.
Таблиця 1 – Призначенняконтактів поширених з'єднувачів канального стикуНомер контакту RJ11 RJ12, RJ13 RJ45 JM8 1 Ring transmit 2 А Tip receive Tip transmit 3 Tip Tip Ring transmit 4 Ring Ring Tip transmit 5 Al Ring receive 6 7 Tip receive 8 Ring receive
3. Вхідні лінії захищають від перенапруги варистором, який різко зменшуєсвій опір при напрузі 400 — 500 В. Другий каскад швидкодіючого захистувстановлюється у вторинну обмотку трансформатора і реалізований на зустрічноувімкнених стабілітронах.
4. Захист лініївід радіозавад, що випромінюються модемом, виконується звичайними LC фільтрами.
5.Для комутованих ліній підтримуються функції імпульсного набору номера, «відбій»(постійний струм менше 0,5 мА) і «утримання лінії» (постійний струм більше 8мА).
Найуніверсальнішимє варіант схеми, коли набір номера виконує реле, а постійний струм протікаєчерез трансформатор. Часто використовується схема утримання лінії ElectronicHolding Call Circuit (EHCC).
Вонамає низький опір постійному струму, достатній для утримання лінії, але зберігаєвисокий імпеданс для змінного струму корисного сигналу. При цьому набір номераздійснює реле або сам вузол EHCC з оптронною розв'язкою керування.
СхемаEHCC має обмежене застосування на деяких типах АТС (наприклад «Квант»).
6. Найконсервативнішим євузол фіксації телефонних дзвінків. За останні роки він майже не змінився іскладається з високовольтної ємності, резистора, стабілітрона і світлодіодаоптронної розв'язки.
Важливою вимогою доінтерфейсу з лінією є забезпечення симетричністі входу і його гальванічнарозв'язка. Для цього в основному використовують трансформатори.
7. Узгодження імпедансу.Вхідний і вихідний опір модема змінному струму (300 -3400 Гц) має бути 600 Ом±15%.
Щоб виконати цю умову,потрібен якісний трансформатор і точний навантажувальний резистор. Длязменшення залежності імпедансу від частоти встановлюють додаткову ємністьпаралельно вторинній обмотці трансформатора.
Диференціальнасистема ДС (HYBRID). Призначення диференціальної системи – забезпечити перехід віддвопровідної лінії до чотирипровідної схеми аналогового закінчення модема.Вузол компенсує вплив вихідного сигналу на вхідній (ближнє ехо), що підвищуєреальну чутливість.
Відомо декількатипів «пасивної» реалізації диференціальної схеми:
•трансформаторна, коли вторинна обмотка трансформатора має середню точку, якузаземлено через балансний резистор;
• електронна, для схем зоднополярним і двополярним живленням; в цьому випадку вихідний сигналвіднімається від вхідного за допомогою операційного підсилювача, а частотназалежність мінімізується використанням форсуючого каскаду.
Недоліком цихсхем є залежність від опору конкретної телефонної лінії. Декілька типів модемівмають систему апаратного підстроювання, але повністю компенсувати залежністьопору від частоти в пасивних системах не вдається.
Активнадиференціальна система використовується у складніших моделях. Необхідний длякомпенсації сигнал постійно обчислюється сигнальним процесором. Сформованийдодатковим ЦАП і згладжений фільтром, він віднімається від вхідного сигналу,забезпечуючи високу якість компенсації.
Аналоговийфронт АФ (Analog Front End – AFE). Гальванічно ізольований від зовнішньої лініїтрансформатором і розділений диференціальною системою на вхідний та вихідний,сигнал надходить на вузол АФ. Вихідний сигнал формується ЦАП.
Для середніхшвидкостей передачі він зазвичай 10-розрядний, а для високошвидкісних модемів — 14...16- розрядний. Частотадискретизації даних – від 7,2 до 9,6 кГц.
Згладжуючий фільтр, як правило, виконується на базі інтегральної технологіїконденсаторів, що перемикаються. Він забезпечує ослаблення більше 32 дБ начастотах понад 4,6 кГц.
Вхідний сигналнадходить на смуговий фільтр. Для модемів, які підтримують протокол V.22bis, це900…1500 Гц або 2100…2700 Гц. Для високошвидкісних модемів смуга може досягати300…4000 Гц (V.34). Відфільтрований сигнал підсилюється програмно керованоюсхемою автоматичного керування підсилення (АКП) і вимірюється АЦП.
Частотадискретизації та розрядність АЦП приблизно дорівнюють параметрам ЦАП.
Цифровийсигнальний процесор ЦСП (Digital Signal Processor – DSP). DSP є альтернативою апаратнихкомпараторів, які виявляли на фоні завад «одиниці» і «нулі».
Швидкість таякість передачі зараз визначаються обчислювальними ресурсами DSP, задіяними дляобробки сигналу. Їх усереднені значення наведені в табл.2.
Таблиця 2 – Вимоги до DSP при реалізації протоколівмодуляціїРекомендація ITU-T V.22bis V.32bis V.34 Швидкість передачі, біт/с 2400 14400 28800 Розрядність, біт 16 16 16 Швидкодія, MIPS 5 20 30 Ресурс ЗТЧ/ЗДД, кбіт´разр. 2´1610, 124´16 8´16 32´16 Приклад DSP TMS320C10 ADSP2115 DSP1633F
ПЗУ DSPвиконується за масковою технологією на кристалі процесора або у виглядімікросхем ЗДД, в які програма завантажується з ЗТЧ контролера. ЗДД данихреалізовується на процесорі або поєднується з ЗДД команд.
Модемнийконтролер МК (Modem Controller – МС). Модемний контролер виконує такі основні функції:
• підтримкаінтерфейсу з комп'ютером;
• керування DSP;
• реалізаціяпротоколів корекції помилок і стиснення інформації;
•керування призначеним для користувача інтерфейсом і взаємодія зенергонезалежною пам'яттю.
Усередненізначення необхідних ресурсів МК наведені в табл.3. Підтримка ідеології«upgrade» призвела до поступового зосередження функцій зберігання і керування водній мікросхемі з можливістю її заміни або перепрограмування.
Таблиця 3 – Вимоги до модемних контролерівРекомендація ITU-T V.22bis V.32bis V.34 Швидкість передачі, біт/с 2400 14400 28800 Розрядність, біт 8 8 8 Швидкодія, MIPS 1 4 8 Ресурс ЗТЧ, кбіт´разр. 32´8 256´8 256´8 Ресурс ЗДД, кбіт´разр. 32´8 32´8 32´8 Ресурс ERPROM, кбіт´разр. 1´1 4´1 4´1 Контролер i80C51 68000 AT&Т C882
Інтерфейси зкористувачем (User Interface). Вузол звук(SPEAKER). Вбудований в модемдинамік відтворює процеси, що відбуваються в телефонному каналі.
В складнихмоделях використовуються магнітоелектричні динаміки з лінійною смугоювідтворення, в простіших – п’єзоелектричні. Для зручності користувача гучністьзвуку можна регулювати.
Найчастіше вузолзвуку будується за схемою:
• сигнал беретьсяпісля фільтра, але до АРП;
• гучністю керуєконтролер за допомогою мікросхеми комутатора напруги 4052;
• фільтр вноситьпередспотворення АЧХ для лінеаризації характеристик динаміка певного типу;
• мікросхемаLM386, яка живиться від джерела +5 В, підсилює сигнал;
• длячотирипровідних пристроїв одночасно відтворюється як вхідний, так і вихіднийсигнал.
Панель індикації(INDICATOR). Внутрішні модеми не мають панелей індикації. У зовнішніх модемахяк правило використовують світлодіоди (LED – Light Emitting Diode).
У відносно дорогих пристроях застосовують символьні рідкокристалічнііндикатори (LCD). Використовуючи панель керування, можна відобразити стан модему,характеристики фізичної лінії, вивести меню для програмування режимів.
Панель керування(CONTROL KEY). У більшості модемів панель – це набір перемикачів як недосяжнихбез розбирання пристрою, так і тих, що мають спеціальні захисні «віконця».
У виробах з LCDкнопкова панель (KEY) зосереджує всі функції керування режимами роботи.
Живлення (POWER).Внутрішні модеми живляться від джерела комп'ютера напругою ±5 В і лише вокремих випадках використовують ±12 В.
Зовнішні модемимасового виробництва використовують зовнішні адаптери, які перетворюють напругупервинного живлення 220 В у вторинну напругу 9…12 В. Вбудований стабілізаторформує:
• основнеживлення +5В; зазвичай використовується гасіння напруги з +12В на лінійномустабілізаторі; крім того, застосовуються імпульсні стабілізатори;
• — 5 В для аналогових кіл;
• ± 12 В дляінтерфейсу RS-232.
У старихрозробках застосовувалися однонапівперіодні схеми випрямлення для отриманняпозитивної і негативної напруги. У нових використовують двонапівперіодні, анегативну напругу формують розділовими ємностями.
Інтерфейс зкомп'ютером (Data Interface – DI). Зовнішні модеми взаємодіють з комп'ютером, якправило, по колах інтерфейсу RS-232C. Повний набір кіл дозволяє працювати як васинхронному, так і в синхронному режимах. Мікросхеми перетворювачів рівня1488, 1489 забезпечують узгодження біполярної логіки інтерфейсу з внутрішнімиТТЛ рівнями.
Внутрішні пристрої, як правило, можуть працювати тільки в асинхронномурежимі, оскільки до їх складу входить мікросхема асинхронного СОМ-порту – UART(16C450 або 16С550, що має вбудований буфер прийому).
Є реалізації, в яких порт емулюється контролером. Тоді досить буфера ідешифратора для увімкнення UART до загальної шини комп'ютера. Перемикачі дозволяютьнастроїти номер СОМ-порту (СОМ 1...COM4) зі стандартним або розширеним номеромпереривання.
Структурна схема адаптера послідовного порту RS-232 показана на рис.2.
Перетворення ТТЛ-рівнів до рівнів інтерфейсу RS-232 і навпакиздійснюється передавачами і приймачами EIA, які входять до складу мікросхемтипу i1488 (i1489) або їх аналогів.
Передача даних здійснюється на одній з декількох дискретних швидкостей:50, 75, 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 або115200 Бод.
Тактова частота становить 1,8432 МГц і стабілізована завдяки використаннюкварцового генератора. З сигналу цієї частоти формуються сигнали всіх інших необхіднихчастот.
Послідовний портпередачі даних комп'ютера базується на мікросхемі INTEL 8250 або її сучасниханалогах – INTEL 16450, 16550, 16550А. Ця мікросхема є універсальнимасинхронним прийомопередавачем (UART – Universal Asynchronous ReceiverTransmitter), забезпечуючи швидкість прийому/передачі даних до 115200 бод (длясучасної мікросхеми INTEL16550A).
Мікросхемамістить декілька внутрішніх регістрів, доступних через команди вводу/виводу.
Мікросхема 8250містить регістри передавача і приймача даних. При передачі байта вінзаписується до буферного регістру передавача, звідки потім переписується узсувний регістр передавача. Байт «рухається» зі зсувного регістра побітах.
/>
Програма має доступ тільки добуферних регістрів, копіювання інформації у зсувні регістри і процес зсувувиконується мікросхемою UART автоматично.
У загальних рисах роботу UART в режимах прийому/передачі можна описатитак. Передаючи символ, UART має виконати такі операції:
· прийнятисимвол в паралельній формі через системну шину PC;
· перетворитисимвол у послідовність окремих бітів (паралельно-послідовне перетворення);
· сформуватистарт-стоповий символ додаванням до інформаційних розрядів стартового,стопового і, можливо, біта паритету (парність або непарність);
· передатистарт-стоповий символ на інтерфейс з необхідною швидкістю;
· повідомитипро готовність до передачі наступного символа.
Приймаючи символ,UART має виконати зворотну послідовність дій.
До зовнішніхпристроїв асинхронний послідовний порт підключається через спеціальний роз'єм.Існує два стандарти на роз'єм інтерфейсу RS-232C: DB-25(25 контактів) іDB-9 ( 9 контактів).