Схемотехнічна реалізація модемів для телефонних ліній

СХЕМОТЕХНІЧНА РЕАЛІЗАЦІЯ МОДЕМів

ДЛЯ ТЕЛЕФОННИХ ЛІНІЙ

Розглянемо детально склад і призначення елементів схеми типового зовнішнього модема (рис.1).

Інтерфейс з телефонною лінією (DAA). Телефонні компанії всього світу жорстко регламентують вимоги до обладнання, що підключається до каналів.

Часто ця проблема вирішується 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.

Забезпечення фізичного з'єднання, захист від перенапруг і радіозавад, набір номера і фіксація телефонних дзвінків, гальванічна розв'язка і узгодження імпедансу – основні функції схеми DAA. Ці функції забезпечуються у такий спосіб.

З'єднувачі RJ11 забезпечують фізичне підключення до комутованої телефонної лінії і ТА. У простіших модемах телефон підключається паралельно входу модема, у складніших – здійснюється перемикання телефон/модем за допомогою реле.

Ефективність роботи підвищують, використовуючи режими багатолінійних телефонних систем (Key Telephone System) за рахунок з’єднувачів RJ12, RJ13 і підтримуючи роботу на чотирипровідних виділених лініях (RJ45, JM8). В табл.1 наведено призначення контактів цих з'єднувачів.

Таблиця 1 – Призначення контактів поширених з'єднувачів канального стику

Номер 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 зменшує свій опір при напрузі 400  500 В. Другий каскад швидкодіючого захисту встановлюється у вторинну обмотку трансформатора і реалізований на зустрічно увімкнених стабілітронах.

4. Захист лінії від 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 8 мА).

Найуніверсальнішим є варіант схеми, коли набір номера виконує реле, а постійний струм протікає через трансформатор. Часто використовується схема утримання лінії Electronic Holding Call Circuit (EHCC).

Вона має низький опір постійному струму, достатній для утримання лінії, але зберігає високий імпеданс для змінного струму корисного сигналу. При цьому набір номера здійснює реле або сам вузол EHCC з оптронною розв'язкою керування.

Схема EHCC має обмежене застосування на деяких типах АТС (наприклад «Квант»).

6. Найконсервативнішим є вузол фіксації телефонних дзвінків. За останні роки він майже не змінився і складається з високовольтної ємності, резистора, стабілітрона і світлодіода оптронної розв'язки.

Важливою вимогою до інтерфейсу з лінією є забезпечення симетричністі входу і його гальванічна розв'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. Для зменшення залежності імпедансу від частоти встановлюють додаткову ємність паралельно вторинній обмотці трансформатора.

Диференціальна система ДС (HYBRID). Призначення диференціальної системи – забезпечити перехід від двопровідної лінії до чотирипровідної схеми аналогового закінчення модема. Вузол компенсує вплив вихідного сигналу на вхідній (ближнє ехо), що підвищує реальну чутливість.

Відомо декілька типів «пасивної» реалізації диференціальної схеми:

• трансформаторна, коли вторинна обмотка трансформатора має середню точку, яку заземлено через балансний резистор;

• електронна, для схем з однополярним і двополярним живленням; в цьому випадку вихідний сигнал віднімається від вхідного за допомогою операційного підсилювача, а частотна залежність мінімізується використанням форсуючого каскаду.

Недоліком цих схем є залежність від опору конкретної телефонної лінії. Декілька типів модемів мають систему апаратного підстроювання, але повністю компенсувати залежність опору від частоти в пасивних системах не вдається.

Активна диференціальна система використовується у складніших моделях. Необхідний для компенсації сигнал постійно обчислюється сигнальним процесором. Сформований додатковим ЦАП і згладжений фільтром, він віднімається від вхідного сигналу, забезпечуючи високу якість компенсації.

Аналоговий фронт АФ (Analog Front End – AFE). Гальванічно ізольований від зовнішньої лінії трансформатором і розділений диференціальною системою на вхідний та вихідний, сигнал надходить на вузол АФ. Вихідний сигнал формується ЦАП.

Для середніх швидкостей передачі він зазвичай 10-розрядний, а для високошвидкісних модемів  14...16- розрядний. Частота дискретизації даних – від 7,2 до 9,6 кГц.

Згладжуючий фільтр, як правило, виконується на базі інтегральної технології конденсаторів, що перемикаються. Він забезпечує ослаблення більше 32 дБ на частотах понад 4,6 кГц.

Вхідний сигнал надходить на смуговий фільтр. Для модемів, які підтримують протокол V.22bis, це 900…1500 Гц або 2100…2700 Гц. Для високошвидкісних модемів смуга може досягати 300…4000 Гц (V.34). Відфільтрований сигнал підсилюється програмно керованою схемою автоматичного керування підсилення (АКП) і вимірюється АЦП.

Частота дискретизації та розрядність АЦП приблизно дорівнюють параметрам ЦАП.

Цифровий сигнальний процесор ЦСП (Digital Signal Processor – DSP). DSP є альтернативою апаратних компараторів, які виявляли на фоні завад «одиниці» і «нулі».

Швидкість та якість передачі зараз визначаються обчислювальними ресурсами DSP, задіяними для обробки сигналу. Їх усереднені значення наведені в табл.2.

Таблиця 2 – Вимоги до DSP при реалізації протоколів модуляції

Рекомендація 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 DSP виконується за масковою технологією на кристалі процесора або у вигляді мікросхем ЗДД, в які програма завантажується з ЗТЧ контролера. ЗДД даних реалізовується на процесорі або поєднується з ЗДД команд.

Модемний контролер МК (Modem Controller – МС). Модемний контролер виконує такі основні функції:

• підтримка інтерфейсу з комп'ютером;

• керування DSP;

• реалізація протоколів корекції помилок і стиснення інформації;

• керування призначеним для користувача інтерфейсом і взаємодія з енергонезалежною пам'яттю.

Усереднені значення необхідних ресурсів МК наведені в табл.3. Підтримка ідеології «upgrade» призвела до поступового зосередження функцій зберігання і керування в одній мікросхемі з можливістю її заміни або перепрограмування.

Таблиця 3 – Вимоги до модемних контролерів

Рекомендація 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 з користувачем (User Interface). Вузол звук (SPEAKER). Вбудований в модем динамік відтворює процеси, що відбуваються в телефонному каналі.

В складних моделях використовуються магнітоелектричні динаміки з лінійною смугою відтворення, в простіших – п’єзоелектричні. Для зручності користувача гучність звуку можна регулювати.

Найчастіше вузол звуку будується за схемою:

• сигнал береться після фільтра, але до АРП;

• гучністю керує контролер за допомогою мікросхеми комутатора напруги 4052;

• фільтр вносить передспотворення АЧХ для лінеаризації характеристик динаміка певного типу;

• мікросхема LM386, яка живиться від джерела +5 В, підсилює сигнал;

• для чотирипровідних пристроїв одночасно відтворюється як вхідний, так і вихідний сигнал.

Панель індикації (INDICATOR). Внутрішні модеми не мають панелей індикації. У зовнішніх модемах як правило використовують світлодіоди (LED – Light Emitting Diode).

У відносно дорогих пристроях застосовують символьні рідкокристалічні індикатори (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 недосяжних без розбирання пристрою, так і тих, що мають спеціальні захисні «віконця».

У виробах з LCD кнопкова панель (KEY) зосереджує всі функції керування режимами роботи.

Живлення (POWER). Внутрішні модеми живляться від джерела комп'ютера напругою ±5 В і лише в окремих випадках використовують ±12 В.

Зовнішні модеми масового виробництва використовують зовнішні адаптери, які перетворюють напругу первинного живлення 220 В у вторинну напругу 9…12 В. Вбудований стабілізатор формує:

• основне живлення +5В; зазвичай використовується гасіння напруги з +12В на лінійному стабілізаторі; крім того, застосовуються імпульсні стабілізатори;

•  5 В для аналогових кіл;

• ± 12 В для інтерфейсу RS-232.

У старих розробках застосовувалися однонапівперіодні схеми випрямлення для отримання позитивної і негативної напруги. У нових використовують двонапівперіодні, а негативну напругу формують розділовими ємностями.

Інтерфейс з комп'ютером (Data Interface – DI). Зовнішні модеми взаємодіють з комп'ютером, як правило, по колах інтерфейсу RS-232C. Повний набір кіл дозволяє працювати як в асинхронному, так і в синхронному режимах. Мікросхеми перетворювачів рівня 1488, 1489 забезпечують узгодження біполярної логіки інтерфейсу з внутрішніми ТТЛ рівнями.

Внутрішні пристрої, як правило, можуть працювати тільки в асинхронному режимі, 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 і дешифратора для увімкнення UART до загальної шини комп'ютера. Перемикачі дозволяють настроїти номер СОМ-порту (СОМ 1...COM4) зі стандартним або розширеним номером переривання.

Структурна схема адаптера послідовного порту RS-232 показана на рис.2.

Перетворення ТТЛ-рівнів до рівнів інтерфейсу RS-232 і навпаки здійснюється передавачами і приймачами EIA, які входять до складу мікросхем типу 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 або 115200 Бод.

Тактова частота становить 1,8432 МГц і стабілізована завдяки використанню кварцового генератора. З сигналу цієї частоти формуються сигнали всіх інших необхідних частот.

Послідовний порт передачі даних комп'ютера базується на мікросхемі INTEL 8250 або її сучасних аналогах – INTEL 16450, 16550, 16550А. Ця мікросхема є універсальним асинхронним прийомопередавачем (UART – Universal Asynchronous Receiver Transmitter), забезпечуючи швидкість прийому/передачі даних до 115200 бод (для сучасної мікросхеми INTEL16550A).

Мікросхема містить декілька внутрішніх регістрів, доступних через команди вводу/виводу.

Мікросхема 8250 містить регістри передавача і приймача даних. При передачі байта він записується до буферного регістру передавача, звідки потім переписується у зсувний регістр передавача. Байт "рухається" зі зсувного регістра по бітах.

Програма має доступ тільки до буферних регістрів, копіювання інформації у зсувні регістри і процес зсуву виконується мікросхемою UART автоматично.

У загальних рисах роботу UART в режимах прийому/передачі можна описати так. Передаючи символ, UART має виконати такі операції:

прийняти символ в паралельній формі через системну шину PC;

перетворити символ у послідовність окремих бітів (паралельно-послідовне перетворення);

сформувати старт-стоповий символ додаванням до інформаційних розрядів стартового, стопового і, можливо, біта паритету (парність або непарність);

передати старт-стоповий символ на інтерфейс з необхідною швидкістю;

повідомити про готовність до передачі наступного символа.

Приймаючи символ, UART має виконати зворотну послідовність дій.

До зовнішніх пристроїв асинхронний послідовний порт підключається через спеціальний роз'єм. Існує два стандарти на роз'єм інтерфейсу RS-232C: DB-25 (25 контактів) і DB-9 ( 9 контактів).