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 MODEM
Señal Digital 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
Transmisor
Datos
trasmitidos Codificador Modulador y
Scrambler Filtro
de Datos Amplificador
Línea
Reloj Reloj para el telefónica
Circuitos
Trasmitido. transmisor de control de
Clear to Send
Transmisión
Datos Receptor
recibidos
Decodificador Filtro y
Descrambler Demodulador Ecualizador
de Datos Amplificador
Reloj
Recibido. Línea
telefónica
Detección de
Reloj
Portadora
Sólo Módems
Data Carrier Detect
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(2pft + 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 (fM).
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)
Tipo de Modem Origen Respuesta
Bell System 103/113 Marca 1270 Hz 2225 Hz
Espacio 1070 Hz 2025 Hz
ITU V.21 Marca 980 Hz 1650 Hz
Espacio 1180 Hz 1850 Hz
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 0o podría representa un
espacio (cero lógico) y con 180o
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 3KHz
• 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=2W (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 • El estándar V.26 especifica las
135o 45o características para un modem
sincrónico a 2400bps sobre una
10 00 línea dedicada de cuatro hilos.
V.26 tiene dos patrones: A y B
I Dibit Cambio de fase
“A” “B”
00 0o 45o
01 90o 135o
11 01 11 180o 225o
10 270o 315o
225o 315o
• El dibujo muestra el patrón “B”
Modulador de cuatro fases
Bits en puesto par
Driver
Señales en fase (I)
(In-phase)
Separador
bits de
Keyer
Oscilador 0o-180o
bits
S
Keyer
90o 0o-180o
Señales desplazadas (Q)
(Quadrature)
Bits en puesto impar Driver
Constelación para ITU V.27, 4800 bps
90o
• Los modems ITU V.27
135o 45o acomodan tres bits a la vez,
010 codificándolos en uno de ocho
011 posibles ángulos de fase
000
V.27
111 001 tribit Cambio de fase
180o 0o 001 0o
000 45o
010 90o
101
011 135o
110 111 180o
100 110 225o
225o 315o 100 270o
101 315o
270o
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
90o
V.29 (Amplitud relativa: primer bit)
1010
bit ángulo amplitud
135o 45o 1 0o, 90o, 180o, 270o 5
1011 1 45o,135o, 225o, 315o 3 raiz de 2
0010 0 0o, 90o, 180o, 270o 3
1000
0 45o,135o, 225o, 315o raiz de 2
0011
0000
1111 V.29 (cambio de fase de V.27)
0001 1001
180o 0o tribit Cambio de fase
0111 001 0o
0101
000 45o
0110 010 90o
011 135o
0100 1101
111 180o
1110 110 225o
225o 315o 100 270o
1100
101 315o
270o
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
Bajo ciertas condiciones, un modem de 9600 bps QAM
sólo podía trabajar sobre circuitos puede funcionar mejor que uno de 14400 bps QAM.
de alta calidad.
Trellis Coded Modulation (TCM)
• Debido a la suceptibildad de los • Las variaciones en el circuito de
modems QAM convencionales, transmisión hacen que los puntos se
apareció una nueva generación de desplacen de su ubicación correcta
modems basados en TCM. en la constelación de señales. El
• Estos modems toleran dos veces receptor selecciona el valor más
más potencia en ruido que los cercano del sitio donde encontró el
QAM convencionales, permitiendo punto. Cuando hay mucho ruido es
obtener ratas de transmisión hasta altamente factible que el receptor
de 33.6 Kbps sobre la red se equivoque y seleccione un punto
telefónica convencional. equivocado.
• ¿Qué es lo que sucede para que los • Para reducir la posibilidad de este
modems QAM convencionales de tipo de errores, TCM emplea un
alta velocidad tengan que usar codificador que adiciona un bit
circuitos de alta calidad? redundante a cada grupo de bits.
Trellis Coded Modulation (TCM)
Driver
4 bits
Keyer
Mapeo de 0o-180o
conversor
bits grupos
S
de
de bits
serial
a puntos
a
de la
paralelo
constelación Keyer
Codificador 0o-180o
de
convolución
Driver
2 bits 3 bits
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.
b3b2b1 P3b3P2b2P1b1
1101 01111011
Codificador de convolución
Vamos a colocar los bits 0110 en el codificador
Primero entra el 0
Compuertas
lógicas XOR
0 0
0 1 1 00 00 00 00
0 0 0
Bit de entrada T T 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 1
0 1 11 00 00 00
1 0 0
Bit de entrada T T 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
0 01 11 00 00
1 1 0
Bit de entrada T T 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 0
01 01 11 00
0 1 1
Bit de entrada T T 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.
00 00 00 00 00
11 11 11 11 11 11
Bits dentro del codificador
01
00 00 Entró un 0
Entró un 1
10 10 10
10
01 01 01
01 01
11 10 10
Recorrido de codificación de 0110
Ahora dibujemos el camino seguido, en esta rejilla, por 0110,
Se obtiene como salida 01 01 11 00
00 00 00 00 00
11 11 11 11 11 11
Bits dentro del codificador
01
00 00 Entró un 0
Entró un 1
10 10 10
10
01 01 01
01 01
11 10 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.
• V32 es una especificación para modems de 9600 bps que
utilizan modulación TCM.
Operación y compatibilidad de
los modems
• 300 Bps (Bell system 103/113, • 14400 bps (ITU V.32bis y
ITU V.21) V.33)
• 300 a 1800 bps (Bell system • 19200 bps (ITU vFast, V.34,
212A, ITU V.22) vFC y V.32 terbo)
• 1200 bps (ITU V.23) • 28800 bps (Rockwell v.FC,
• 1200 bps - 1800 bps (Bell 202) ITU v.Fast y V.34)
• 2400 bps (Bell 201B/C, ITU • 33600 bps (revisión de ITU
V.26 y V.22 bis) V.34)
• 4800 bps (Bell 208, ITU V.27) • 56000 bps (ITU V.90)
• 9600 bps (Bell 209, ITU V.29 y
V.32)
Características de MODEMS
Bell system
CARACTERISTICAS DE OPERACIÓN DE LOS MODEMS DE DATOS PARA CANAL DE VOZ
Bell System
Tasa de transf. máxima Ténica de transmisión Técnica de Modulación Modo de transmisión Tipo de línea
tipo de modem
103A,E 300 Asincrónico FSK Half, full Conmutada
103F 300 Asincrónico FSK Half, full Dedicada
201B 2400 Sincrónico PSK Half, full Dedicada
201C 2400 Sincrónico PSK Half, full Conmutada
202C 1200 Asincrónico FSK Half Conmutada
202S 1200 Asincrónico FSK Half Conmutada
202D/R 1800 Asincrónico FSK Half, full Dedicada
202T 1800 Asincrónico FSK Half, full Dedicada
208A 4800 Sincrónico PSK Half, full Dedicada
208B 4800 Sincrónico PSK Half Conmutada
209A 9600 Sincrónico QAM Full Dedicada
212 0-300 Asincrónico FSK Half, full Conmutada
1200 Asincrónico/sincrónico FSK Half, full Conmutada
Características de MODEMS
ITU
CARACTERISTICAS DE OPERACIÓN DE LOS MODEMS DE DATOS PARA CANAL DE VOZ
ITU
tipo de modem Ténica
Tasa de transferencia máxima de transmisión Técnica de Modulación Modo de transmisión Tipo de línea
V.21 300 Asincrónico FSK Half, full Conmutada
V.22 600 Asincrónico PSK Half, full Conmutada/Dedicada
1200 Asincrónico/sincrónico PSK Half, full Conmutada/Dedicada
V.22bis 2400 Asincrónico QAM Half, full Conmutada
V.23 600 Asincrónico/sincrónico FSK Half, full Conmutada
1200 Asincrónico/sincrónico FSK Half, full Conmutada
V.26 2400 Sincrónico PSK Half, full Dedicada
1200 Sincrónico PSK Half Conmutada
V.26bis 2400 Sincrónico PSK Half Conmutada
V.26ter 2400 Sincrónico PSK Half, full Conmutada
V.27 4800 Sincrónico PSK Half, full Dedicada
V.29 9600 Sincrónico QAM Half, full Dedicada
V.32 9600 Asincrónico TCM/QAM Half, full Conmutada/Dedicada
V.32bis 14400 Asincrónico TCM/QAM Half, full Conmutada/Dedicada
V.33 14400 Sincrónico TCM Half, full Dedicada
v.32terbo 19200 Asincrónico TCM Half, full Dedicada
V.34 28800 Asincrónico TCM Half, full Conmutada/Dedicada
V.90 56000 Asincrónico TCM Half, full Conmutada/Dedicada
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