MODEM ModulatorDemodulator El por qu de los MODEMS

MODEM Modulator/Demodulator

El por qué de los MODEMS • El sistema telefónico análogo sigue siendo la principal facilidad utilizada para comunicación de datos. • Los computadores producen pulsos digitales, en tanto que el sistema telefónico está diseñado para transmitir señales análogas que están dentro del espectro auditivo de los seres humanos. • Se requiere de un dispositivo que convierta pulsos de datos digitales generados por los computadores a tonos análogos que pueden ser transportados por el sistema telefónico. • Este dispositivo se llama modem (su nombre viene de la contracción de las dos principales funciones del equipo: modulación y demodulación). Algunos lo llaman también “Data set”.

Conversión de señal realizada por los modems MODEM Señal Digital MODEM Señal Análoga Señal Digital

Partes de un MODEM – Una fuente de potencia: • Proporciona el voltaje necesario para operar los circuitos que conforman el modem. – Un transmisor: • Convierte los pulsos digitales a una señal análoga que puede ser enviada por el sistema telefónico. – Un receptor: • Invierte el proceso de de convertir al convertir la señal análoga a señal digital.

Componentes básicos de un Módem Request to send Datos trasmitidos Reloj Trasmitido. Transmisor Codificador de Datos Reloj para el transmisor Scrambler Modulador y Amplificador Clear to Send Filtro Línea telefónica Circuitos de control de Transmisión Datos recibidos Reloj Recibido. Receptor Decodificador Descrambler de Datos Demodulador Reloj Data Carrier Detect Ecualizador Filtro y Amplificador Detección de Portadora Línea telefónica Sólo Módems Sincrónicos

Tipos de MODEMS • Modo de Trans. : simplex, half y full duplex. • Técnica de trans. : asincrónico y sincrónico • Uso de la línea: sub-banda de voz (narrowband), voice-grade, wideband y para líneas dedicadas. • Por su inteligencia (recibe comandos) • Método de fabricación: standalone (externos), tarjeta de expansión (interno) y para rack. • Ecualización: Manual y automática • Capacidad Multipuerto (con Time Division Multiplexer) • Capacidad de seguridad: Ninguna, con password, lista de números para llamar, lista de números a responder (callback security). • Selección de múltiples velocidades • Capacidad de voz/datos simultáneos

Operación de los MODEM Ténicas de modulación y ejemplos

Proceso de modulación • El proceso de modulación altera las características de la señal de la portadora. Pero cuando la portadora se modifica mediante un proceso de modulación se está “colocando” información sobre la señal. Para señales análogas, la portadora es una sinusoidal, representada por: a = A sen(2 pft + f) Donde a es el valor instantáneo del voltaje en el tiempo t, A la amplitud máxima, f la frecuencia y f la fase. • Las características de la portadora que pueden ser alteradas son la amplitud (AM), la frecuencia (FM) y el ángulo de fase (f. M).

Frecuency Shift Keying (Bell System 103/113 e ITU V. 21, 300 bps) • Los modems que operan a 300 bps utilizan FSK. En esta técnica la frecuencia de la portadora es alternada a una de dos frecuencias, una frecuencia representando el espacio (cero lógico) y la otra representando una marca (uno lógico).

Frecuency Shift Keying (Bell System 103/113 e ITU V. 21, 300 bps)

Phase Shift Keying • PSK: – Si se quisiera representar un bit (un 1 ó un 0) con PSK, quien transmite sólo debe cambiar la fase de la señal para representar cada bit que entra en el modem. Por ejemplo con un deslazamiento de fase de 0 o podría representa un espacio (cero lógico) y con 180 o representaría una marca (uno lógico). Esto se llama modulación de dos fases

Bps vs. Baudios • Cuando se quieren representar más de dos bits con PSK (multiples bits con PSK) se debe entender la diferencia entre la tasa de transferencia de datos y la velocidad con que cambia la señal. • Bits por segundo es el número de dígitos binarios transferidos por segundo. • Baudio es la rata o tasa de señalización -cambio de estado de la señal por segundo (cuantas veces cambia la señal en un segundo)- (Jean. Maurice-Emile Baudot). – Por ejemplo, un módem se puede construir para que un cambio de señal sea utilizado para representar dos bits: la rata de baudios es la mitad de los bits por segundo (codificación dibit: un baudio representa dos bits). Cuando un baudio se utilza para representar tres bits se denomina codificación tribit). La codificación dibit y tribit son técnicas de codificación multinivel y se implementan utilizando modulación de la fase.

Parámetros de un circuito de voz • El ancho de banda es un rango de frecuencias. Por ejemplo, un canal de voz está entre 300 Hz y 3300 Hz, es decir tiene un ancho de banda de 3 KHz • A medida que los datos entran al módem (bps) estos se convierten en señales análogas. La velocidad con que cambia las señal anánloga del modem se conoce como tasa de los baudios. • En 1928, Nyquist encontró la relación entre el ancho de banda y la tasa de los baudios: B=2 W (donde B: baudios/s, W= ancho de banda en Hz). • En teoría, para un canal de voz la máxima cantidad de bits por segundo que se pueden transmitir es de 6000 bps. ¿Cómo es que existen modems que transfieren 9600 bps , 14400 bps , 19200 bps, 28800 bps, 33600 bps y 56000 bps sobre un canal de voz? (la respuesta es que se utilizan ténicas de modulación combinadas. . . Una es PSK multinivel)

PSK Multinivel • Para superar el límite impuesto por Nyquist se hace lo siguiente: – Los modems primero agrupan una secuencia de bits, examinan la composición de los bits y luego implementan un desplazamiento de fase de acuerdo al valor de los bits agrupados. – Esta técnica recibe el nombre de multiple bit, Phase-Shift Keying ó multinivel, Phase-Shift Keying. – Códigos de dos bits se denominan dibits y son transmitidos en un solo desplazamiento de fase a partir de un conjunto de cuatro posibles estados de fase. Los códigos de tres bits reciben el nombre de tribits y se transmiten en un solo desplazamiento de fase de un conjunto de ocho posibles estados de fase

Constelación para ITU V. 26, 2400 bps • Q 135 o 10 45 o 00 V. 26 tiene dos patrones: A y B Dibit Cambio de fase “A” “B” 00 0 o 45 o 01 90 o 135 o 11 180 o 225 o 10 270 o 315 o I 11 225 o 01 315 o El estándar V. 26 especifica las características para un modem sincrónico a 2400 bps sobre una línea dedicada de cuatro hilos. • El dibujo muestra el patrón “B”

Modulador de cuatro fases Bits en puesto par Driver bits Separador de bits Señales en fase (I) (In-phase) Oscilador Keyer 0 o-180 o S 90 o Keyer 0 o-180 o Señales desplazadas (Q) (Quadrature) Bits en puesto impar Driver

Constelación para ITU V. 27, 4800 bps 90 o 135 o 45 o 010 011 180 o 000 111 001 110 100 225 o 315 o 270 o • Los modems ITU V. 27 acomodan tres bits a la vez, codificándolos en uno de ocho posibles ángulos de fase 0 o V. 27 tribit 001 000 011 110 101 Cambio de fase 0 o 45 o 90 o 135 o 180 o 225 o 270 o 315 o

Quadrature Amplitude Modulation (QAM) • QAM es una técnica que combina modulación de fase y de amplitud. • Con esta técnica se pueden colocar cuatro bits en cada cambio de señal, operando a 2400 baudios, logrando que se puedan transferir 9600 bits por segundo. • La gran mayoría de modems de 9600 bps se adhieren al estándar ITU V. 29. Este estándar utiliza una portadora de 1700 Hz sobre la cual se varía tanto la amplitud como la fase, resultando 16 posibles combinaciones de ocho ángulos de fase y cuatro amplitudes. • En V. 29 el primer bit, de acuerdo con el ángulo de fase, permite seleccionar la amplitud. Los otros tres bits utilizan el mismo desplazamiento de fase usado en V. 27.

Constelación para V. 29, 9600 bps 90 o V. 29 (Amplitud relativa: primer bit) bit ángulo amplitud 1 0 o, 90 o, 180 o, 270 o 5 1 45 o, 135 o, 225 o, 315 o 3 raiz de 2 0 0 o, 90 o, 180 o, 270 o 3 0 45 o, 135 o, 225 o, 315 o raiz de 2 1010 135 o 45 o 1011 0010 1000 0011 0000 1111 180 o 0001 0111 1001 0110 0100 225 o 1110 1100 270 o 1101 315 o 0 o V. 29 (cambio de fase de V. 27) tribit Cambio de fase 001 0 o 000 45 o 010 90 o 011 135 o 111 180 o 110 225 o 100 270 o 101 315 o

Trellis Coded Modulation (TCM) • Originalmente los modems de 14400 bps utilizaban QAM (grupos de 6 bits 2400 veces por segundo). Pero los puntos que conforman la constelación para un modem de 14400 bps QAM están más “amontonados” que los de un modem de 9600 QAM. Esto se traduce en que un modem de 14400 QAM es más susceptible a fallas en la transmisión y, bajo ciertas circunstancias, puede tener un desempeño menor que un modem de 9600. Un modem de 14400 bps sólo podía trabajar sobre circuitos de alta calidad. Bajo ciertas condiciones, un modem de 9600 bps QAM puede funcionar mejor que uno de 14400 bps QAM.

Trellis Coded Modulation (TCM) • • • Debido a la suceptibildad de los modems QAM convencionales, apareció una nueva generación de modems basados en TCM. Estos modems toleran dos veces más potencia en ruido que los QAM convencionales, permitiendo obtener ratas de transmisión hasta de 33. 6 Kbps sobre la red telefónica convencional. ¿Qué es lo que sucede para que los modems QAM convencionales de alta velocidad tengan que usar circuitos de alta calidad? • • Las variaciones en el circuito de transmisión hacen que los puntos se desplacen de su ubicación correcta en la constelación de señales. El receptor selecciona el valor más cercano del sitio donde encontró el punto. Cuando hay mucho ruido es altamente factible que el receptor se equivoque y seleccione un punto equivocado. Para reducir la posibilidad de este tipo de errores, TCM emplea un codificador que adiciona un bit redundante a cada grupo de bits.

Trellis Coded Modulation (TCM) Driver 4 bits Keyer 0 o-180 o Mapeo de grupos de bits a puntos de la constelación conversor de serial a paralelo S Keyer 0 o-180 o Codificador de convolución 2 bits 3 bits Driver

Codificador de convolución • Asumiendo que el código de convolución está compuesto por la suma módulo 2 de los dos bits de datos más recientes, entonces dos bits de salida se generarán por cada bit: un bit de datos y uno de paridad. • Si se asume que el primer bit que genere el codifiacdor es el mismo bit de datos, el segundo será la suma módulo 2 del bit de datos actual y del anterior. b 3 b 2 b 1 1101 P 3 b 3 P 2 b 2 P 1 b 1 01111011

Codificador de convolución Vamos a colocar los bits 0110 en el codificador Primero entra el 0 Compuertas lógicas XOR 0 0 1 1 Bit de entrada 0 T 0 00 00 0 bits de salida 0 Bloques de retardo de tiempo Nota: dentro del codificador hay dos ceros (00) y la salida tiene dos ceros {00}

Codificador de convolución Vamos a colocar los bits 0110 en el codificador Luego entra el 1 Compuertas lógicas XOR 1 0 1 Bit de entrada 1 T 0 T 1 11 00 00 00 0 bits de salida 1 Bloques de retardo de tiempo Nota: dentro del codificador hay un uno y un cero (10) y la salida tiene dos unos {11}

Codificador de convolución Vamos a colocar los bits 0110 en el codificador Luego entra el 1 Compuertas lógicas XOR 0 0 Bit de entrada 1 T 0 01 11 00 00 0 bits de salida 1 Bloques de retardo de tiempo Nota: dentro del codificador hay dos unos (11) y la salida tiene un cero y un uno {01}

Codificador de convolución Vamos a colocar los bits 0110 en el codificador Finalmente entra el 0 Compuertas lógicas XOR 1 Bit de entrada 0 T 1 T 0 01 01 11 00 1 bits de salida 1 Bloques de retardo de tiempo Nota: dentro del codificador hay un cero y un uno (01) y la salida tiene un cero y un uno {01}

Rejilla (trellis) Observe que si dibujamos un diagrama de estados donde, cruzamos los bits que están esperando dentro del codificador con los que se obtienen a la salida de acuerdo con el bit que entra, tenemos sólo ciertos posibles “caminos” para pasar de un estado a otro. Bits dentro del codificador 00 00 11 01 00 11 11 00 10 10 01 11 11 00 10 01 01 01 10 Entró un 1 10 01 11 00 10

Recorrido de codificación de 0110 Ahora dibujemos el camino seguido, en esta rejilla, por 0110, Se obtiene como salida 01 01 11 00 Bits dentro del codificador 00 00 11 01 00 11 11 11 00 10 10 01 11 00 10 01 01 01 10 Entró un 1 10 01 11 00 10

Codificador de convolución • En MODEMs TCM de 14400, el mapeador de puntos de señal utiliza tres bits de codificación para seleccionar uno de ocho subconjuntos compuestos por 16 puntos originados a partir de los cuatro bits de datos. Esto asegura que sólo ciertos puntos son válidos. Un MODEM TCM es dos veces inmune al ruido comparado con un MODEM QAM. • V 32 es una especificación para modems de 9600 bps que utilizan modulación TCM.

Operación y compatibilidad de los modems • 300 Bps (Bell system 103/113, ITU V. 21) • 300 a 1800 bps (Bell system 212 A, ITU V. 22) • 1200 bps (ITU V. 23) • 1200 bps - 1800 bps (Bell 202) • 2400 bps (Bell 201 B/C, ITU V. 26 y V. 22 bis) • 4800 bps (Bell 208, ITU V. 27) • 9600 bps (Bell 209, ITU V. 29 y V. 32) • 14400 bps (ITU V. 32 bis y V. 33) • 19200 bps (ITU v. Fast, V. 34, v. FC y V. 32 terbo) • 28800 bps (Rockwell v. FC, ITU v. Fast y V. 34) • 33600 bps (revisión de ITU V. 34) • 56000 bps (ITU V. 90)

Características de MODEMS Bell system

Características de MODEMS ITU

Handshaking de los modems • Handshaking es el intercambio de señales de control para establecer la comunicación entre dos data sets (modems). • Estas señales son requeridas para iniciar y terminar las llamadas • El tipo de señalización utilizada es predeterminada a uno de tres estándares: EIA RS-232, EIA RS-449 o el ITU V. 24

Referencias • KADISK, Jules E. ; EAST, Thomas W. R. “Satellite Communications Fundamentals”. Artech House. Boston, London. 2000. Páginas 251 -270 • HELD, Gilbert. “Data Communications Networkink Devices”. John Whiley & Sons. New York. 1999. Páginas 355 -504