Схемотехника телекоммуникационного сетевого устройства Модем

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Череповецкий государственный университет»

Институт информационных технологий

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине «Схемотехника телекоммуникационных устройств»

на тему:

Схемотехника телекоммуникационного сетевого устройства «Модем»

                                                               Выполнил  студент группы 1РФб- 01-41оп

                                                              Направления подготовки (специальности)

                                                               03.03.03

                                                        Сидоров  Дмитрий Владимирович

                                                               Руководитель   Осипова Н.А   К.ф.-м.н., доцент.                                                                                
                                                                                                                                                               
                                                                                 
                                                                                 
                                                                                 
                                                                                 
                                                                ^(Ф.И.О.)                                                                                
                                          

                                                             Дата представления работы  _________2020г.

                                                             Подпись студента _________

                                                             Заключение о допуске к защите _________                                                            

                                                             Оценка________количество баллов_________

                                                             Подпись преподавателя ___________________

ЧЕРЕПОВЕЦ – 2020

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………….……………3

ГЛАВА 1. УСТРОЙСТВО СОВРЕМЕННЫХ МОДЕМОВ ……………………….5

1.1 Устройство модема……………..…………………………………………….……5

1.2 Технические характеристики……………………………….………………..……8

1.3 Устройство цифрового модема………………………………………………….10

ГЛАВА 2. СХЕМОТЕХНИКА МОДЕМА…………………………………….…...12

2.1 Схемотехника построения аналоговой части модема……………………..….12

2.2 Линейное кодирование…………………………………………………………..14

ГЛАВА 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ………………………………………………………19

1.1 Применение………………………………………………………….…………….19

ВЫВОД…………………………………………………………………………………22

Литература…………………………………………………………………………....23

ВВЕДЕНИЕ

Модем (от слов модулятор и демодулятор) — устройство, применяющееся в системах связи для физического сопряжения информационного сигнала со средой его распространения, где он не может существовать без адаптации.

Модулятор в модеме осуществляет модуляцию (что является основным отличием модема от роутера — тот модуляции и демодуляции не осуществляет, если не имеет встроенного модема) несущего сигнала при передаче данных, то есть изменяет его характеристики в соответствии с изменениями входного информационного сигнала, демодулятор осуществляет обратный процесс при приёме данных из канала связи.

Модем выполняет функцию оконечного оборудования линии связи. Само формирование данных для передачи и обработки принимаемых данных осуществляет т. н. терминальное оборудование (в его роли может выступать и персональный компьютер).

Такие устройство появились ещё в 1950-х и были предназначены для передачи данных в компьютерные системы по телефонным линиям. Тогда применение устройств было сугубо военным – с помощью девайсов организовывалась система противовоздушной обороны США.

Отличие роутера (маршрутизатора) от модема в том, что маршрутизатор отвечает за адресацию внутри сети, за взаимную связь устройств. Интернет при этом не требуется – адресная таблица, прописанная в роутере, соединяет ПК, смартфон, планшет, телевизор и другие устройства в домашнюю сеть. И совсем другое дело, если вы подключаете модем к планшету, компьютеру или любому другому гаджету.

В отличие от роутера, модем работает с внешней сетью, с интернетом. Он преобразует формат сигнала в вид, понятный для компьютерной техники – и обратно. Другими словами модем совершает – кодирование, передачу, получение и преобразование сигнала.

Однако в чистом виде эти устройства используются всё реже. Если ваш роутер получает выход в интернет при помощи телефонной линии, то, значит, в него встроен модем. Дополнительно на это может указать лампочка и разъём ADSL на устройстве.

ГЛАВА 1. УСТРОЙСТВО СОВРЕМЕННЫХ МОДЕМОВ

1.1 Устройство модема

Сведения" о внутреннем устройстве и архитектуре современных модемов не настолько доступны, как, например, информация об устройстве персональных компьютеров. Одной из причин этого является отсутствие, каких бы то ни было промышленных стандартов на конструкцию модемов. Другая причина состоит в том, что современные модемы, как правило, строятся на наборах специализированных микросхем, которые реализуют основные модемные функции. Число производителей наборов модемных микросхем значительно меньше числа производителей собственно модемов. Однако все же их недостаточно для того, чтобы можно было вести речь о какой-либо унификации модемных комплектующих. 

Основными производителями специализированных наборов являются фирмы Rockwell, Intel, AT&T, Sierra Semiconductor, National Semiconductor, Motorola, Exar и некоторые другие. Ряд известных компаний, таких как U. S. Robotics, Telebit, ZyXEL, самостоятельно занимается разработкой и производством модемных микросхем для своих нужд. Некоторые производители при построении модемов используют микросхемы общего назначения — цифровые процессоры и микроконтроллеры.

Казалось бы каждый производитель модемов волен делать, что хочет и как хочет. Однако, это не так. В рамках такой "свободы" производитель должен создать конкурентоспособный продукт, удовлетворяющий множеству стандартных модемных протоколов, которые, в свою очередь, налагают определенные требования на количество и качество его функций. Эти требования приводят к тому, что в отличных по конструкции модемах одни и те же методы и протоколы реализованы различными способами. Один из вариантов исполнения модема можно представить в виде, изображенном на рис. 3.

Рис. 3. Устройство современного модема

Модем состоит из адаптеров портов канального и DTE—DCE интерфейсов; универсального (PU), сигнального (DSP) и модемного процессоров; постоянного (ПЗУ, ROM), постоянного энергонезависимого перепрограммируемого (ППЗУ, ERPROM) оперативного (ОЗУ, RAM) запоминающих устройств и схемы индикаторов состояния модема.

Порт интерфейса DTE—DCE обеспечивает взаимодействие с DTE. Если модем внутренний, вместо интерфейсов DTE—DCE может применяться интерфейс внутренней шины компьютера ISA. Порт канального интерфейса обеспечивает согласование электрических параметров с используемым каналом связи. Канал может быть аналоговым или цифровым, с двух- или четырехпроводным окончанием.

Универсальный процессор выполняет функции управления взаимодействием с DTE и схемами индикации состояния модема. Именно он выполняет посылаемые DTE АТ-команды и управляет режимами работы остальных составных частей модема. Также универсальный процессор может реализовывать операции компрессии/декомпрессии передаваемых данных.

Интеллектуальные возможности модема определяются в основном типом используемого PU и микропрограммой управления модемом, хранящейся в ПЗУ. Путем замены или перепрограммирования ПЗУ иногда можно достичь существенного улучшения свойств модема, то есть произвести его модернизация, или апгрейд (upgrade). Такого рода модернизация некоторых моделей модемотз может обеспечить поддержку новых протоколов или сервисных функций, таких как автоматическое определение номера (АОН) вызывающего абонента. Для облегчения такой модернизации в последнее время вместо микросхем ROM стали широко применяться микросхемы флэш-памяти (FlashROM).

Схема ERPROM позволяет сохранять установки модема в так называемых профайлах или профилях модема на время его выключения. Память ОЗУ интенсивно используется для временного хранения данных и выполнения промежуточных вычислений как универсальным, так и цифровым сигнальным процессорами.

На сигнальный процессор, как правило, возлагаются задачи по реализации основных функций протоколов модуляции (кодирование сверхточным кодом, относительное кодирование, скремблирование и т. д.), за исключением разве что собственно операций модуляции/демодуляции. Последние операции обычно выполняются специализированным модемным процессором.

Описанное распределение функций между составными частями модема может быть, и скорее всего будет, совсем не таким, какое реализовано в вашем конкретном модеме. Однако внутренней начинкой современного модема все эти функции в той или иной мере должны выполняться.

Технические характеристики

Модем обладает комплексом технических характеристик, свойственных любым модемам, построенным на чипах от Conexant, и в этом смысле не наблюдается каких либо отклонений от рекомендованного фирмой-производителем референс-дизайна. Но тут сразу следует оговориться, что это справедливо только в случае применения предустановленных заводских микропрограмм.

 Если же использовать новые микропрограммы, проходящие специальную обкатку в рамках всероссийского бетатестирования, функциональные возможности модема расширяются.

Модем поддерживает следующие протоколы передачи данных:

V.92, V.90, V.34, V.32bis, V.32, V.22bis, V.22, V.23, V.21, Bell 212A и Bell 103

Протоколы компрессии:

V.44, V.42bis, MNP5

Протоколы коррекции ошибок:

V.42, MNP2-4

Как видно, модемы Acorp 56K EMSF-2 могут работать на всех современных протоколах приёма/передачи данных (включая самый последний V.92) с максимальной битовой скоростью на приём в 56000 бит/с, и 48000 бит/с на передачу. Последнее выполняется в случае поддержки удалённым серверным модемом функции PCM Upstream. Для реализации возможности работы на этом протоколе производителю пришлось отказаться от ранее использовавшегося в EMSF двухчипового варианта на RP56D/SP и L2800-38 и перейти на новый чип от фирмы Conexant — CX06827-11.

Вопросы целесообразности такого перехода не раз обсуждались, поскольку с одной стороны вроде как ничего и не мешало реализовать этот протокол в старом варианте, но с другой стороны, сама фирма-производитель чипов прекратила его микропрограммную поддержку. Поэтому факт остаётся фактом — получился другой модем с новыми возможностями и техническими характеристиками.

1.3 Устройство цифрового модема

Как уже отмечалось, к цифровым модемам можно отнести такие устройства, как CSU/DSU (Channel Service Unit/Data Service Unit), терминальные адаптеры ISDN, а также модемы на короткие расстояния (Short Range Modem). По выполняемым функциям цифровые модемы очень похожи на модемы для аналоговых каналов связи. За исключением самых простейших, цифровые модемы обладают интеллектуальными функциями и поддерживают набор АТ-ко-манд. В первую очередь это относится к цифровым модемам, работающим на коммутируемых линиях, например, в сетях ISDN. В качестве примера цифрового модема рассмотрим устройство CSU/DSU. 

Устройства CSU/DSU применяются для передачи данных по цифровым каналам типа Е1/Т1, Switched 56 и другим. CSU обеспечивает правильное согласование с используемым цифровым каналом и частотную коррекцию линии. CSU также поддерживает выполнение проверок по шлейфу. На CSU часто устанавливаются световые индикаторы, сигнализирующие об обрыве местных линий, потери связи со станцией, а также о работе в режиме проверки по шлейфу. Питание CSU может осуществляться отдельным источником питания, либо посредством самой цифровой линии.

Модули обслуживания данных, или цифровые служебные модули DSU включаются в цепь между CSU и DTE (рис. 6), в качестве которого часто выступает не только компьютер, но и различное сетевое оборудование, например, маршрутизатор, мост, мультиплексор или сервер. На DSU обычно устанавливается интерфейс RS-232 или V. 35. Основной задачей DSU является приведение потока цифровых данных, поступающих от DTE в соответствие со стандартом, принятым для данной цифровой линии.

Можно провести аналогию с аппаратурой для сетей ISDN. В этом случае CSU играют примерно ту же роль, что и NT1, а DSU похожи на терминальные адаптеры ISDN. DSU часто встраивают в другие устройства, например мультиплексоры. Но чаще их комбинируют с CSU. При этом получается единое устройство, именуемое CSU/DSU или DSU/CSU. В CSU./DSU могут встраиваться схемы сжатия передаваемых данных, а также резервные коммутируемые порты.

Часто устройства CSU/DSU выполняют функции защиты от ошибок, реализуя один из протоколов супермножества HDLC. К сожалению, в области цифровых модемов нет такой жесткой стандартизации на протоколы сжатия данных, защиты от ошибок и вид линейного кодирования, какая существует для аналоговых модемов КТСОП. По этой причине следует с большой осторожностью осуществлять выбор цифровых модемов различных производителей.

Как уже отмечалось, для передачи данных по цифровым линиям требуется выполнить определенное преобразование исходной последовательности. Такое преобразование часто носит название линейного кодирования (кодирования для линии передачи).

ГЛАВА 2. СХЕМОТЕХНИКА МОДЕМА

2.1 Схемотехника построения аналоговой части модема

Рассмотрим схемотехнику построения аналоговой части модема. В целом она мало отличается от большинства типов схем модемов PIM2 и IRW2. Узлы те же, принципы работы и их назначение идентичны. Поэтому остановимся только на характерных особенностях.

Схема аналоговых цепей построена на классической трансформаторной развязке, что в современных линейках модемов является неоспоримым достоинством.

Как видно на приведённой схеме, входные участки имеют те же защиты от токовых и потенциальных перегрузок, причём по напряжению защита усилена за счёт введения трёхточки на варисторах RV1-RV3, а вот фильтр защиты телефонной сети от высокочастотных наводок модема упрощен за счёт отказа от применения дросселей.

Так же у большинства модемов имеется неотключаемое гнездо PHONE что для многих — однозначный минус. Действительно, когда кто-нибудь из родных хочет позвонить и хватает трубку во время работы модема — это может привести к разрыву связи, или в лучшем случае — к перетренировке в виде ретрейна.

Подключенные старые телефонные аппараты также могут ухудшить связь. Однако не всё так плохо. Во-первых, таких аппаратов либо уже не осталось, либо их число сократилось до минимума. А во-вторых, с введением новых АТС появилась другая проблема — «хорошая слышимость». Конечно, оттого, что удаленный модем слышно хорошо — связь должна стать лучше, но иногда входной сигнал имеет значение выше нормы (16-25 дб).

Разводка аналоговой и цифровой земли, по сравнению с рассмотренными ранее принципиальными схемами также имеет отличие, поскольку введена гальваническая связь между ними с помощью конденсатора C113. Таким образом усиливается защита от различного рода синфазных помех, обеспечение работы модема с отсутствием заземления компьютера и т.д.

2.2 Линейное кодирование

Данные пользователя, поступающие от DTE, уже являются цифровыми, представленными в униполярном или биполярном коде без возврата к нулю — NRZ (NonReturn to Zero). При передаче данных на большие расстояния в коде NRZ возникают следующие проблемы. 

·   С течением времени нарастает постоянный ток, блокируемый некоторыми электрическими устройствами цифрового тракта, например, трансформаторами, что приводит к искажению передаваемых импульсов. 

·   Изменение постоянного тока в цепи отрицательно сказывается на функционировании устройств, получающих питание из линии (репитеры или CSU). 

·   Передача длинных серий нулей или единиц приводит к нарушению правильной работы устройств синхронизации.

·   Отсутствует возможность контроля возникающих ошибок на уровне физического канала.

Перечисленные проблемы решаются при помощи линейного кодирования. Параметры получаемого линейного сигнала должны быть согласованы с характеристикой используемой линии и отвечать ряду следующих требований. 

·   Энергетический спектр линейного сигнала должен быть как можно уже. В нем должна отсутствовать постоянная составляющая, что позволяет повысить верность либо дальность передачи.

·   Структура линейного сигнала должна обеспечивать возможность выделения тактовой частоты на приемной стороне.

·   Необходимо обеспечить возможность постоянного контроля за ошибками на уровне физической линии.

·   Линейный код должен иметь достаточно простую техническую реализацию.

Формирование требуемого энергетического спектра может быть осуществлено соответствующим изменением структуры импульсной последовательности и выбором нужной формы импульсов. Например, даже сокращение длительности импульсов в два раза (биимпульсный код с возвратом к нулю, RZ) вдвое уменьшает уровень постоянной составляющей и увеличивает уровень тактовой составляющей в спектре такого сигнала.

Различают неалфавитные (1В1Т) и алфавитные (mBnT) коды (В — двоичное, Т — троичное основание кода). При m>n скорость передачи снижается. Предельной помехоустойчивостью обладают сигналы, элементы которых равны, но противоположны по полярности. Примеры наиболее популярных линейных кодов приведены на рис. 8.

Квазитроичный сигнал с чередованием полярности импульсов AMI (Alter nete Mark Inversion) получают из двоичного в результате преобразования, при котором нули исходного двоичного кода передаются импульсами нулевой амплитуды, а единицы — импульсами чередующейся полярности и вдвое меньшей длительности.

Сигналы с кодом AMI требуют раздельной регенерации положительных и отрицательных импульсов (рис. 9) при их восстановлении в приемниках и репитерах. Информация о синхронизирующем сигнале, как правило, выделяется после выпрямления квазитроичного сигнала в резонансном устройстве синхронизации. Недостатком кода AMI является то, что при появлении в информационной последовательности серий "нулей" резко снижается уровень синхронизирующей составляющей сигнала, что приводит к срыву синхронизации.

Наиболее широкое распространение получили двухуровневые линейные коды с удвоением скорости передачи класса 1В, 2В (преобразование группы из одного двухуровневого символа в группу из двух двухуровневых символов), обладающие высокой помехозащищенностью, простотой преобразования и выделения тактовой частоты.

Однако частота следования импульсов таких кодов, а следовательно, и требуемая полоса частот передачи вдвое превышает частоту следования исходной двоичной последовательности. К таким кодам относятся коды Манчестер, DMI, CMI, NEW, код Миллера (М), М, код отечественного стыка С1-И (С1-ФЛ-БИ) и ряд других менее популярных.

Код Манчестер характеризуется однозначным соответствием последовательности чередования импульсов внутри тактового интервала. А именно, "1" исходного цифрового сигнала передается нулевым импульс в первом полутактовом интервале и единичным — во втором. Для символа "О" принимается обратный порядок чередования импульсов (биимпульс 10). Аналогичный код, в котором символ "1" передается двоичной парой 10, а символ "О" — парой 01, называется кодом Манчестер-11.

На стыке С1-И символу "1" входной информационной последовательности соответствует биимпульс 10 или 01, совпадающий с предыдущим, а символу "О" — биимпульс 10 или 01, инверсный по отношению к предыдущему биим-пульсу.

Другими словами, данный код является относительным, подобно тому, который используется при модуляции методом ОФМ. Относительное кодирование позволяет решить проблему неопределенности фазы биимпульса на приемной стороне. В результате этого стык С1-И не боится ошибок типа "зеркальный прием", или "обратная работа" (инверсия знаков) и переполюсовки контактов физической линии или используемых разъемов.

Энергетические спектры ряда линейных кодов приведены на рис. 10, где ft —тактовая частота следования исходных двоичных символов. Эти спектры позволяют судить о частотной эффективности и свойствах синхронизации наиболее популярных линейных кодов.

ГЛАВА 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

1.1 Применение

Модем стандартного вида, обеспечивает стандартное интернет-соединение с использованием проводов, позволяет настроить Wi-Fi сеть, что обеспечивает доступ к интернету для всех домашних устройств. Удобны для использования как дома, так и в офисе.

Так же модем внешнего типа — подключаются к USB порту, обычно малых размеров и выглядит в виде шлеф-накопителя. Некоторые имеют внешний блок питания. Такой модем будет получать сигнал от поставщика интернета в радиусе доступа сотовой связи, или в радиусе одной конкретной вышки или соты.

Технология, позволяющая выходить в Интернет с компьютера, используя мобильный телефон в качестве модема, называется GPRS-Интернетом.С помощью данной услуги пользователь получает доступ к многочисленным информационным и развлекательным ресурсам Интернета: может просматривать веб-страницы, работать с электронной почтой, общаться в чатах и многое другое.

Для получения доступа к сети Интернет с помощью услуги GPRS абоненту необходим мобильный телефон с поддержкой GPRS, подключенный к компьютеру (ноутбуку или устройству типа PDA, Pocket PC), а также подключить услугу GPRS и настроить компьютер и телефон для работы. Скорость соединения зависит от типа телефона с поддержкой GPRS и наличия свободных каналов в соте.

Так же модем как отдельное устройство используется в военный целях. Сигналы военного модема для имеют свои особые засекреченные частоты на которых ведут работу. Подобные сигналы часто встречаются на КВ диапозонах, но данные сигналы зашифрованы и обычному пользователю их не раскрыть.  Также существует диапазон lowband, частоты 41.195 и 39.641, вид излучения НБП (LSB). Используется для передачи сообщений по средствам раций, с помощью модемов дальнего действия.

ВЫВОД

Приобретая модем, важно учитывать не только потребности и возможности пользователя, но и перспективы решения новых задач, тенденции развития аппаратных и программных компонентов модема и область его использования.

Потенциальному покупателю модема следует предварительно понять, какой модем ему требуется для выполнения необходимой работы.

Сегодня рынок предлагает любые модемы - от недорогой программной модели до продвинутого внешнего устройства с множеством функций. Модемы представляют собой универсальное средство связи, благодаря которому можно выйти в Интернет в любом месте, где есть телефон, а также обеспечить себя автоответчиком, факсом и определителем номера.

Покупателям, у которых бюджет покупки не ограничен, можно рекомендовать внешние модемы - отличное качество связи на телефонных линиях самого разного качества при сравнительно высокой цене.

Тем, кто планирует нечасто использовать модем, или бюджет на покупку ограничен, а телефонная линия местной АТС хорошего качества, то лучшим выбором будет внутренний софт-модем.

ЛИТЕРАТУРА

1. Березин С.Б. Модемы: Учеб. пособие / С.Б. Березин. БХВ-Петербург, 2004.

2. Берлин А. Н. Цифровые сотовые системы связи: Учеб. Пособие / Берлин А. Н. Эко-Трендз, 2007.

3. Лагутенко О. И. Современные модемы: Учеб. Пособие / О.И. Лагутенко. - Эко-Трендз, 2002. 

4. https://www.ixbt.com

5. https://www.bestreferat.ru

6. http://www.radioscanner.ru