HÍRADÁSTECHNIKA
INTÉZET
Híradástechnika labororatórium
Kapcsolt vonali MODEM mérése
mérési útmutató
Kapcsolt vonali MODEM mérése A MODEM szó a MODuláció és DEModuláció szavakból áll össze. A MODEM-ek megalkotásakor a cél az volt, hogy a beszédcélú analóg kapcsolt távbeszél
hálózaton
keresztül digitális információt vihessünk át. Modulációs
eljárást
a
technika
számos
területén
alkalmazunk
akkor,
mikor
a
rendelkezésünkre álló átviteli közeg az átvinni kívánt elektromos, elektromágneses vagy fény jelet nem képes, vagy csak nagy csillapítással képes eljuttatni az egyik ponttól a másikig. Ekkor választunk egy olyan jelet (viv jelet), amelyet a rendelkezésre álló átviteli közeg az elvárásainknak megfelel en képes továbbítani. Az információ továbbításához a viv
jel
valamely jellemz jét (esetleg jellemz it) az információt hordozó jellel (moduláló jellel) megváltoztatjuk. A fenti eljárást modulációnak nevezzük. A modulált jelet (viv jel és moduláló jel segítségével el állított jel) eljuttatjuk az átviteli közegen keresztül a célpontig, majd leválasztjuk az információt hordozó jelet. A leválasztást nevezzük demodulációnak.
Alkalmazott modulációs eljárások A modulációs eljárásokat megkülönböztetjük aszerint, hogy a viv jel mely jellemz je fogja az információt eljuttatni egyik ponttól a másikig. Ha az információ hordozó paraméter a viv jel amplitúdója, akkor a modulációs eljárást amplitúdó modulációnak (AM-nek) nevezzük. Amplitúdó moduláció meghatározása matematikailag, ha a viv jel:
uv(t)=Uv*sin(2*π*fv*t)
moduláló jel: um(t) a modulált jel: umd(t) = (Uv+Uv*k*um(t)/ummax)*sin(2*π*fv*t) ahol: k
-modulációs mélység,
ummax -moduláló jel amplitúdójának maximuma. A gyakorlatban az amplitúdó modulált jelet (mint modulációs terméket) gyakran sz résnek vetjük alá (frekvencia spektrum bizonyos elemeit, esetleg azok bizonyos részeit elnyomva). A jellemz spektrumkép alapján a megsz rt AM jeleket a következ elnevezéssel láthatjuk el:
Dupla oldalsávos AM jel:
AM-DSB ( DSB = Double Side Band)
Elnyomott viv j dupla oldalsávos AM jel: AM-DSB/SC (SC = Supressed Carryer) Egyoldalsávos AM jel:
AM-SSB (SSB = Single Side Band)
Gyakran jelölik azt, hogy mely oldalsáv van jelen a frekvenciaspektrumban (USB = Upper Side Band illetve LSB = Lover Side Band) Elnyomott viv j csonka oldalsávos AM jel: AM-SSB/SC, technikai kényszer ségi okok miatt került bevezetésre. Használata abban az esetben indokolt, ha a viv komponens és az oldalsávi komponens alsó határfrekvenciás összetev je túl közel van egymáshoz, így az sz réssel nem választható le (végtelen meredekség sz r re lenne szükség, ami technikailag kivitelezhetetlen). Ekkor az elnyomott oldalsáv viv höz közeli komponenseit fokozatosan csillapítják, majd nyomják el, valamint arányosan csillapítják a megmaradó oldalsáv viv höz közeli komponenseit is. Az eljárást AM-VSB (VSB = Vestigial Side Band) –nek nevezik és az analóg TV technikában alkalmazzák.
Szögmodulációnak nevezzük azon modulációs eljárásokat, mely során a viv jelet leíró függvény argumentumát (szögét) módosítja a moduláló jel. A szögmoduláció lehet frekvencia moduláció -ekkor közvetlenül a viv jel frekvenciáját módosítja a moduláló jel (FM)- és lehet fázis moduláció -ekkor pedig a viv jel fázisszögét módosítja a moduláló jel (PM)-. Megkülönböztetjük továbbá azon modulációs eljárásokat, amelyek szinuszos viv t modulálnak digitális moduláló jellel. Ezen modulációkat billenty zésnek nevezzük. Amplitúdó billenty zés ASK (Amplitude Shift Keying) Amplitúdó billenty zés esetén a viv
jel szinuszos, a moduláló jel pedig digitális
(értékkészlete ’0’ vagy ’1’). A moduláló jel jelen esetben a viv jel amplitúdóját változtatja (’kapcsolgatja’). Az így el állított jel (modulált jel) teljesítményszintje folyamatosan ingadozó, mivel a logikai ’0’-hoz A0, a logikai ’1’-hez pedig, A1 amplitúdó tartozik. uASK(t) = A * sin (2 * π * f + φ),
ahol:
az A az ASK jel pillanatnyi amplitúdója (A0 vagy A1), az f a viv jel frekvenciája, a φ pedig a viv jel kezd fázisa.
A fenti modulációs eljárás során A0, vagy akár A1 (egyik a kett közül) lehet nulla. Ekkor valójában a digitális moduláló jel nem tesz mást, mint a viv jelet be-ki kapcsolgatja, attól függ en, hogy ’0’ vagy ’1’ kerül átvitelre. Az ASK önmagában történ használata a távközl rendszereknél nem elterjedt.
Frekvencia billenty zés FSK (Frequency Shift Keying) Frekvencia billenty zés esetén a viv
jel szinuszos, a moduláló jel pedig digitális
(értékkészlete ’0’ vagy ’1’). A moduláló jel jelen esetben a viv
jel frekvenciáját (fp)
változtatja: például a logikai ’0’-hoz f0, míg a logikai ’1’-hez f1 tartozik. uFSK(t) = A * sin (2 * π * fp + φ), ahol:
az A az FSK jel amplitúdója, az fp a viv jel pillanatnyi frekvenciája (f0 vagy f1), a φ pedig a viv jel kezd fázisa.
Nézzük példaként a V.21 ajánlás szerinti FSK jellemz ket, ami 300 bit/s sebesség duplex átvitelt tesz lehet vé a beszédcélú távközl hálózaton. Az „adás” és a „vétel” irányt a beszédsávban két csatorna kijelölésével oldják meg. A hívó berendezés szemszögéb l az adási frekvenciák (1-es csatorna): 980 Hz, ami logikai ’1’-nek felel meg, 1180 Hz, ami pedig logikai ’0’-t jelenti. A hívó berendezés szemszögéb l a vételi frekvenciák (2-es csatorna): 1650 Hz, ami logikai ’1’-nek felel meg, 1850 Hz, ami pedig logikai ’0’-t jelenti. Az FSK általában a kis sebesség digitális átviteli rendszerek kapcsán elterjedt eljárás. A beszédcélú távközl csatornán nagy megbízhatóságú átvitelt biztosít, ezért széles körben alkalmazzuk.
Fázis billenty zés PSK (Phase Shift Keying) Fázis billenty zés esetén a viv jel szinuszos, a moduláló jel pedig digitális (értékkészlete ’0’ vagy ’1’). A moduláló jel jelen esetben a viv jel fázisát változtatja. uPSK(t) = A * sin (2 * π * fp + φ), ahol:
az A a PSK jel amplitúdója, az f a viv jel frekvenciája, a φ pedig a viv jel pillanatnyi fázisa (φ0 vagy φ1 ... φn).
A PSK modulációs eljárást tovább csoportosítva megkülönböztetünk, úgynevezett állapot- és differenciális modulációt. Állapot moduláció esetén a kezd fázis értékhez viszonyítottan változtatjuk a viv jel fázisát. Ebben az esetben úgy teszünk, mintha egy fix fázisú referencia jelet vennénk viszonyításnak. Differenciális modulációról beszélünk abban az esetben, ha az el z
jelelemet vesszük
referenciának és a következ jelelem fázisát ehhez képest határozzuk meg. A PSK
moduláció során gyakran több fázisállapotot is kihasználunk, ezért a digitális
jelfolyamban az egymás után következ biteket csoportosítva (2, 3, 4 .... x bit) végezzük a modulálást. Két bit esetén (egy jelelem 2 bit információt hordoz) 4 állapot lehetséges, azaz négy fáziszöget kell definiálnunk: bitek 00 01 10 11
fázis / fázisváltozás 0° 90° 270° 180°
Három bit esetén (egy jelelem 3 bit információt hordoz) 8 állapot lehetséges, azaz nyolc fáziszöget kell definiálnunk: bitek 000 001 010 011 100 101 110 111
fázis / fázisváltozás 45° 0° 90° 135° 270° 315° 225° 180°
QAM Mostanában különösen elterjedtek a kombinált modulációs eljárások. Az eljárás lényege az, hogy a viv jel nemcsak egy, hanem több jellemz jét is megváltoztatja a moduláló jel, illetve a digitális moduláló jelfolyamból csoportosított bitsorozat. Abban az esetben, ha a viv jel fázisát és amplitúdóját is megváltoztatjuk a modulációs eljárás esetén, akkor az eljárást kvadratura amplitúdó modulációnak nevezzük. Ekkor a viv
amplitúdója és a fázisa is információt hordozó fizikai jellemz . A QAM
(Quadrature Amplitude Modulation) nagy adatátviteli sebességel elérését teszi lehet vé. uQAM(t) = A * sin (2 * π * fp + φ), ahol:
az A a QAM jel pillanatnyi amplitúdója (A0, A1 ...An), az f a viv jel frekvenciája, a φ pedig a viv jel pillanatnyi fázisa (φ0 vagy φ1 ... φn).
A kvadratúra amplidúdó modulációra példát a G3 távmásoló berendezések fejezetben láthatunk.
Vonali paraméterek A
MODEM-ek
vonali
jellemz i
megegyez ek
a
kéthuzalos
analóg
távtáplált
telefonkészülékek vonali jellemz ivel (egyenáramú ellenállás, bemeneti impedancia stb.) A telefon vonalhoz csatlakozást a gyártók általában RJ11 6/2 vagy RJ11 6/4 csatlakozó ajzattal teszik lehet vé. RJ11 6/2 csatlakozó esetén két ajzat kerül beépítésre „phone” és „line” feliratú. A „line” feliratút kell a nyilvános kapcsolt telefonhálózathoz csatlakoztatni, a „phone” feliratúhoz pedig egy analóg kéthuzalos távtáplált telefon illeszthet . MODEM kommunikáció esetén a „phone” feliratú pont kitiltott, nehogy a véletlenül beemelt telefonkészülék adathibát okozzon az átvitelben. RJ11 6/4 csatlakozóval szerelt eszköz esetén a két középs érintkez biztosítja a vonali csatlakozást, míg a két széls a telefonkészülék illesztésére ad lehet séget.
MODEM és számítógép kapcsolata, AT parancskészlet A személyi számítógépek korában a MODEM, mint kiegészít
eszköz számos módon
illeszkedhet a PC-hez. Legolcsóbb megoldást a PC kártya MODEM jelenti. Ekkor a fizikai illeszt felület a személyi számítógép valamilyen ISA, PCI csatlakozófelülete. A tápellátást a MODEM kártya a PC tápegységér l kapja. Küls MODEM esetén a tápellátást általában hálózati adapterrel valósítják meg. A MODEM külön házban, szeparáltabb környezetben üzemel, ami jobb zavarvédelmet jelent. A PC és a MODEM között a kommunikációs csatorna soros adatátviteli RS-232 (V.24) illetve USB. Kommunikációs eljárások áttekintése A kommunikációs eljárásokat a következ k szerint csoportosíthatjuk: soros vagy párhuzamos, illetve szinkron vagy aszinkron eljárás. Szinkron átvitel esetén az adatátvitel ütemezését a szinkronizáló vezetéken (órajel vezetéken) átvitt jel valósítja meg. A szinkron jel meghatározza azt az id pontot, amikor az adatvezetéken, illetve az adatvezetékeken az átvitt adatinformáció stabilan olvasható. Aszinkron átvitel esetén nincs a szinkronizálást biztosító órajel vezeték. Az átviteli sebesség mindkét oldalon (adó és vev ) azonos, el re, az adatátvitel megkezdése el tt beállított érték. Az adatátvitel kezdetét a START jel, míg a végét a STOP jel jelzi. Az adó berendezés az általa az adatvezetéken (adatvezetékeken) kiadott START jel után a rögzített adatátviteli sebességgel ütemezetten kilépteti a vev nek átküldeni kívánt adatokat, majd STOP jel küldésével jelzi az adás befejeztét. A vev a START jel érkezése után a megállapodás szerinti sebességgel gy jti be az adatokat. A begy jtést a STOP jel megérkeztéig végzi, illetve fix hosszúságú adatcsomag esetén a megfelel adathosszúság vételéig. Párhuzamos kommunikáció esetén egyszerre több adatvezetéken továbbítjuk az adatokat. Az adatvezetékek száma általában annyi, hogy egyszerre egy információ egységet (például: karakter) továbbítani tudjunk. A szokásos adatvezeték szám 8, illetve 16, de ennél magasabb vezetékszám is egyre gyakoribb.
Soros kommunikáció esetén egyetlen vezeték szolgál adatvezetékként. Az adatinformációt bitenként továbbítjuk. A soros kommunikációs eljárások nagy el nye a párhuzamos átviteli eljárással szemben a kevés vezetékszám, de hátrányként jelentkezik (ugyanakkora jeltovábbítási frekvenciát véve alapul) a lassabb átvitel. Aszinkron soros kommunikációs eljárás során a jelvezeték logikai ’1’-ben (stop állapotban) van. Az adás megkezdése a START bittel kezd dik (egy bitid re ’0’-ba húzzuk a vonalat), majd ezután léptetjük ki az adatbiteket. A megfelel számú adatbit kiléptetése után a vonalat ’1’-be húzzuk (STOP bit), és egy bitid re minimum ott is tartjuk. A STOP bit hossza gyakran 1, 1.5 vagy 2 bitid . A soros adatátvitel során az átvinni kívánt bitek száma 5, 7, de leggyakrabban 8 bit. Az átvitt adatbitek után lehet ség van egy hibaellen rz bit továbbítására. Ezt a bitet: paritás bitnek hívjuk! A hibaellen rzés történhet páros vagy páratlan paritással. Fontos tudnunk, hogy a paritásvizsgálat az egy adategységen belüli egy hibát kimutatja, de ha két vagy több adatbit sérül, akkor el fordulhat, hogy a hiba rejtve marad. EIA-RS232 szabvány, valamint V.24 ajánlás szerint a logikai ’1’ -hez -5...-12V szintet, míg a logikai ’0’ -hoz +5V... +12V szintet rendelünk. A szimbólumok közti nagyobb feszültségszint jobb zavarvédettséget, így nagyobb távolságokra megvalósítható adatátvitelt tesz lehet vé. Az RS232 szabványban a kommunikációban résztvev eszközöket két csoportba sorolhatjuk: 1.
DTE -Data Terminal Equipment- a berendezések "passzív" kategóriájába tartoznak (például terminálok, printerek, MODEM-ek)
2.
DCE -Data Communication Equipment- az "aktív" kategóriába tartozó eszközök (például számítógépek).
Gyakran a kommunikáció egy számítógép (DCE) és egy "passzív" eszköz (DTE) között jön létre. Ha két számítógép között valósul meg soros adatátvitel, akkor az egyiknek DCE, míg a másiknak DTE státuszt kell felvennie. A DCE jelenti ekkor a "master", míg a DTE a "slave" pozíciót. (A DTE adatot csak a DCE jóváhagyásával küldhet.) Az RS232 szabványban a csatlakozó típusok és azok kivezetéseinek funkciói is ledefiniáltak.
A "D-25" típusú csatlakozón keresztül kapcsolódhatnak a berendezések a soros átviteli vonalhoz. Csatlakozó dugó (Male Connector) használatos a DCE berendezés oldalon, míg a DTE oldalon pedig csatlakozó ajzat (Female Connector). Mind a 25 csatlakozási pont nincs kihasználva, ezért néhány esetben el fordulhat kisebb méret (például "D-9") csatlakozó használata is. A szabványos csatlakozók (D9 és D25) kivezetései számozottak és azok csatlakozási pontjait az alábbi táblázatban láthatjuk:
Csatlakozó pont neve DCD RxD TxD DTR GND DSR RTS CTS RI
Csatlakozó pont sorszáma (D9) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Csatlakozó pont sorszáma (D25) 8. 3. 2. 20. 7. 6. 4. 5. 22.
Nézzük meg néhány jelvezeték elnevezését és funkcióját! PGND-(Protection GND) -ez a vonal (csatlakozó háza) a kommunikációs vonalakat árnyékolja (zajvédelmi feladatot lát el). A kommunikációban résztvev
berendezések
általában földeltek (például asztali személyi számítógép), és ehhez a földponthoz csatlakozik ez a vezeték. TXD-(Transmit Data) -Az adatot szolgáltató berendezés ezen a vonalon keresztül küldi ki a soros adatokat. RXD-(Receive Data) -Soros adat bemenet. RTS-(Request To Send) -A DCE ezen a vonalon értesíti a berendezést, hogy adatot kíván szolgáltatni. CTS-(Clear to Send) -Válasz az adáskérés (RTS) jelre. A berendezés bejelenti, hogy az kész (illetve nem kész) az adás vételére. A számítógép addig nem küld adatokat, míg ez a vonal 1es állapotban van. GND-(GrouND) -Ez a föld vonal. A jelszintek ehhez a vonalhoz viszonyítva értelmezettek.
DSR-(Data Set Ready) -Olyan eszköz használja ezt a vonalat, mely a számítógép felé adatot akar továbbítani. DTR-(Data Terminal Ready) -A számítógép ezen a vonalon jelez vissza a berendezésnek (mely az el bb a DSR vonalon jelzett a számítógépnek), hogy a számítógép kész az adatok fogadására. Az RTS, CTS, DSR valamint a DTR vonalak szintén az RS232 vonali szintjeivel m ködnek (5-12V), tehát ezeket a vonalakat is illeszteni kell. A soros kommunikációt igen gyakran három vezetéken valósítják meg (TXD, RXD és a GND). Ekkor az RTS vonalat a CTS-sel, a DSR vonalat pedig a DTR-rel kell rövidre zárni. Az átvinni kívánt adatokat gyakran karakterek formájában továbbítjuk, ekkor általában az ASCII kódtáblát alkalmazzuk. Az alsó 128 karakter (00H – 7FH) az alábbi táblázatban látható. Itt találhatóak a vezérl karakterek és az alapkarakterek. A fels 128 karakter pozíció (80H – FFH) a speciális karaktereket tartalmazza.
Karakter kód (dec.) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
0
16
NULL
♥ ♦ ♣ ♠ •
!! π
↑ ↓ → ← ↔
32
48
64
80
96
112
SPACE ! ” # $ % & ’ ( ) * + , . /
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 : ; < = > ?
@ A B C D E F G H I J K L M N O
P Q R S T U V W X Y Z [ \ ] ^ _
` a b c d e f g h i j k l m n o
p q r s t u v w x y z { | } ~
A fenti táblázatban nem került kiemelésre néhány fontos vezérl karakter, melyek a következ ek:
0DH (13 dec) a CR (Carridge Return)
- kocsi vissza
0AH (10 dec) az LF (Line Feed)
- soremelés
A MODEM-ek a számítógéppekkel úgynevezett HAYES AT parancsok segítségével kommunikálnak (hívást kezdeményeznek, hurkot zárnak és bontanak, hívást megválaszolnak, illetve a kommunikáció szabályainak beállítását végzik). Az AT parancsok küldése karakteres formában történik. Minden -a számítógép által küldött- parancsra a MODEM válaszüzenetet ad. A következ táblázat néhány AT parancsot és azok rövid magyarázatát tartalmazza: AT parancs AT ATD
ATH ATA AT Sx= AT Sx=?
AT parancs magyarázata Üres „AT” parancs, a MODEM parancsfogadó képessége ellen rizhet vele. Hívás indítás tárcsázással. Az els átadandó paraméter a tárcsázás módja, P –impulzus T –DTMF esetén, ezután következnek a hívószámok Hurok bontást / zárást végz parancs. ATH0 – hurok bontás ATH1 – hurok zárás Csengetett állapotban a hívás megválaszolását elindító parancs MODEM CHIP ’S’ regiszter tartalma módosítható (az „x” az S regiszter sorszámát jelöli) MODEM CHIP ’S’ regiszter tartalma lekérdezhet (az „x” az S regiszter sorszámát jelöli)
Minden kiadott „AT” parancsot a CR vezérl karakterrel le kell zárni. A lezárókarakter megérkezése után kezd dik el a parancs értemezése. Az ATD parancsnál külön említést érdemelnek az átadható paraméterek: P – impulzus üzem tárcsázás (PULSE) vagy T – DTMF üzem tárcsázás. Ezt a paramétert közvetlenül az ATD után kell megadni (így ATDP vagy ATDT lesz). Ezután következik a hívószám. Ha a hívószámok közé vessz t szúrunk, akkor a két szám eltárcsázása között a MODEM várakozást (PAUSE-t) iktat be. Például, ATDT0,2101415 esetén a tárcsázott ’0’ után szünetid következik (kb. 2s), majd ezután folytatódik a többi szám tárcsázása.
Példa: ATDT0,12345678 CR a következ t jelenti: DTMF módban „0” PAUSE, majd 1 2 3 4 5 6 7 8 hívószám kerül kitárcsázásra. MODEM a válaszüzenetekkel tájékoztatja a számítógépet az aktuális állapotról, illetve az esetleg bekövetkez
hibákról. A következ
táblázatban néhány válaszüzenetet foglaltunk
össze: Válaszüzenet OK ERROR NO DIALTONE NO CARRIER BUSY CONNECT RING
Válaszüzenet jelentése Rendben (a kiadott parancs végrehajtása sikeresen befejez dött). Hiba (a kiadott parancs végrehajtása közben hiba állt el , vagy a kiadott parancs hibás). Nincs tárcsahang. Nincs viv . A hívott foglalt. Kapcsolat felépült. A telefon vonalon csenget feszültség van jelen (csengetett állapot).
Kapcsolt vonali MODEM mérési feladatok 1. Rendszer elindítása • • • • • • • •
Kapcsoljuk be a PC-t és a hozzá kapcsolódó távközlési MODEM-et. Ellen rizzük a kommunikációs csatlakozást (RS-232) a PC és a MODEM között. Ellen rizzük a MODEM távközl hálózati csatlakozását! (A laboratóriumban a MODEM nem a nyilvános hálózathoz csatlakozik, hanem a laboratóriumban üzemel alközponthoz.) Ellen rizzük a MODEM-hez csatlakoztatott telefonkészüléket és ezen teszteljük a tárcsahangot, valamint a vonal hívószámát. Indítsuk el a PC-n a terminál emulátor szoftvert (például Hyperterm). Ellen rizzük, illetve állítsuk be a kommunikációs port jellemz it. Üres „AT” parancs kiadásával ellen rizzük a kommunikációs interfész m ködését (AT – enter; OK). A MODEM kézikönyvben keressük ki a gyári alaphelyzetbe állítás „AT” parancsát, majd állítsuk alaphelyzetbe a MODEM-et.
2. Kapcsolatfelvétel a másik MODEM-mel • • • • •
Hívjuk fel a másik MODEM-et a megfelel AT parancs alkalmazásával! Jegyezzük fel a hívásfelépítés lépéseit! A kapcsolatfelvételt próbáljuk el TONE és PULSE üzemmódban is. Értékeljük a CONNECT üzenetet, Ellen rizzük a felépített kommunikációs csatornát szöveg átvitellel!
3. Automatikus válasz üzemmód programozás • • •
Keressük ki a MODEM kézikönyvb l az automatikus válasz üzemmódot és állítsuk be a MODEM-et úgy, hogy például 3 csengetés után válaszolja meg a hívást. Jegyezzük fel a parancsot és a parancs kiadás utáni állapotot (figyeljük meg a MODEM el lepon található „AA” LED állapotát). Hívással ellen rizzük a m ködést!
4. További MODEM m ködést meghatározó paraméterek áttekintése • •
Keressük ki a MODEM kézikönyvb l az egyes „S” regiszterek funkcióit, és jegyezzünk fel közülük néhányat. Próbáljunk ki néhány beálítást!
