Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/AMD/D19840712Elc029.shtml

Однокристальный модем для систем видеотекса и арендуемых телефонных линий

УДК 621.03.049.774:621.395

Стивен Идсон (Stevan Eidson)
Фирма Advanced Micro Devices Inc. (Саннивейл, шт.Калифорния)

Stevan Eidson. Leased-line and videotex applications are targets of one-chip modem, pp.119—123.

Рассматриваются особенности применения и параметры модема, реализованного в виде одной БИС. Эта схема, обработка сигналов в которой ведется цифровыми методами, может использоваться в сложных видеографических терминалах, а также в аппаратуре арендуемых телефонных каналов.

Эксплуатируемые в настоящее время модуляторы-демодуляторы имеют модульное конструктивное оформление и считаются первыми кандидатами на реализацию в виде БИС, которые возьмут на себя функции согласования главной микропроцессорной системы, оперирующей цифровыми сигналами в форме импульсных последовательностей, с сетями местных телефонных компаний, где передача данных ведется с использованием частотной манипуляции (ЧМН). Создание однокристальных модемов отражает последние веяния в области миниатюризации модульной аппаратуры с целью сокращения ее стоимости, размеров и потребляемой мощности, поскольку один из самых перспективных подходов к решению этой проблемы заключается в размещении возможно большего числа функциональных узлов в пределах одного кристалла кремния.

Темпы прогресса в сфере проектирования однокристальных модемов существенно повышает применение в этих схемах цифровой обработки сигналов. Помимо интеграции в одном кристалле большинства функций модема цифровая техника позволяет с помощью одной ИС реализовывать системы различных типов, которые отличаются скоростями и режимами передачи данных, видами обслуживаемых каналов и возможностями работы с такими специфическими системами, как видеотекс. Чтобы получить законченное устройство для подключения главной вычислительной системы к линии местной телефонной компании, к такой ИС остается добавить всего несколько внешних компонентов.

Микросхема Am7911— это однокристальный модем с цифровой обработкой сигналов. Дополнительные компоненты необходимы ей для сопряжения с телефонной линией, выбора постоянной времени интегратора в АЦП и реализации тактового генератора. В последнем случае требуются кварцевый резонатор и нагрузочные конденсаторы. После сборки модуль готов к приему первой команды выбора режима, получив которую цифровые схемы кристалла берут на себя функции изменения структуры модема в соответствии с одним из нескольких стандартов или его модификациями, принятыми в данном канале связи.

Рассматриваемая ИС отвечает всем широко распространенным международным стандартам на модемы с ЧМН. Она работает в дуплексном и полудуплексном режимах на скоростях 300 и 1200 бит/с соответственно и выполняет основные функции интерфейса, модулятора и демодулятора. При скорости 300 бит/с ИС реализует стандарты 103 фирмы Bell и V.21 Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии (МККТТ); скорость 1200 бит/с отвечает стандартам Веll202 и V.23 МККТТ. Кроме того, параметры схемы удовлетворяют недавно опубликованным рекомендациям МККТТ R.20 по дуплексной передаче на скорости 300 бит/с (см. «Новые рекомендации МККТТ по параметрам модемов»).

Обратные каналы

Все модемы, рассчитанные на скорость 300 бит/с, работают в дуплексном режиме; полудуплексные модемы обеспечивают передачу в одном направлении со скоростью 1200 бит/с, а в другом функционирует низкоскоростной вспомогательный (обратный) канал. (Дуплексная связь с использованием ЧМН-сигналов по коммутируемым телефонным сетям общего пользования при скорости 1200 бит/с на практике не применяется, поскольку амплитудные и фазовые искажения ограничивают отводимую для передачи данных полосу величиной около 2 кГц.)

Во многих случаях предпочтительна полудуплексная система, в которой предусмотрен низкоскоростной обратный канал. Параметры этого канала определяют стандарты Bell 202 и V.23. Согласно требованиям стандарта V.23, в обратном канале ведется передача данных ЧМН-сигналами на скорости 75 бит/с; обратный канал (пропускная способность 5 бит/с) стандарта Bell 202 организуется для сигнализации и использует двоичные сигналы с амплитудной манипуляцией.

При связи с терминалом — а более конкретно, с аппаратурой видеотекса — данные должны приниматься с высокой скоростью, тогда как исходящую информацию можно передавать значительно медленнее в соответствии с возможностями человека-оператора. Низкая скорость передачи допускается ввиду того, что даже самый опытный оператор не в состоянии ввести с клавиатуры более 150 бит за секунду. По этой причине получившая широкое признание канадская система видеотекса Телидон использует недорогие модемы и стандарт Bell 202 с дополнительными техническими условиями на обратный канал со скоростью передачи 150 бит/с.

Для управления основным каналом, в котором передача ведется на скорости 1200 бит/с, в обычных модемах Bell 202 предусматривается обратный канал со ско
Рис.1. Для управления основным каналом, в котором передача ведется на скорости 1200 бит/с, в обычных модемах Bell 202 предусматривается обратный канал со скоростью передачи 5 бит/с (а). Новые технические условия допускают работу в обратном канале на скорости 150 бит/с (б), что характерно, например, для видеографического терминала, в который данные пользователя вводятся только на низкой скорости.

ИС Am7911 предусматривает возможность работы как с обратным каналом сигнализации на скорости 5 бит/с (рис.1,а), так и с более скоростным обратным каналом видеотекса (рис.1,б). Микросхема удовлетворяет также требованиям стандарта V.23, причем связь по обратному каналу в таком случае может выполняться со скоростями 150 и 75 бит/с. Выбор конкретного типа модема входит в функции устройства управления интерфейсом схемы Am7911. Внешние управляющие сигналы поступают на пять выводов выбора режима ИС (рис.2). На кристалле микросхемы размещены АЦП приемника и ЦАП передатчика. Эти узлы позволяют обрабатывать сигналы в схеме цифровыми методами (см. «Первая ИС модема с цифровой обработкой сигналов). ЦАП передатчика работает на частоте дискретизации, превышающей 100 кГц.

Алгоритмы обработки сигналов ИС Am7911 запускаются в момент поступления логических уровней на пять выводов управления режимом. Модем функционирует на
Рис.2. Алгоритмы обработки сигналов ИС Am7911 запускаются в момент поступления логических уровней на пять выводов управления режимом. Модем функционирует на скоростях 300 или 1200 бит/с в дуплексном или полудуплексном, а также в других специальных режимах.

Благодаря цифровой обработке и наличию интегрального ЦАП любой экземпляр ИС 7911 обеспечивает разброс выходных уровней передатчиков модемов всех типов в пределах 0,5 дБ. Если сравнение производится в партии ИС, то этот разброс увеличивается до 0,7 дБ. ЦАП может работать непосредственно на телефонную линию с малым (600 Ом) сопротивлением.

Высокая частота дискретизации

Высокая частота следования отсчетов, поступающих для обработки в процессор сигналов приемника, обеспечивается интерполяционным АЦП, который работает с частотой дискретизации около 500 кГц и построен на основе принципа адаптивной дельта-модуляции. В таком АЦП аналоговая величина, полученная на предшествующем такте дискретизации, восстанавливается вспомогательным внутренним ЦАП и сравнивается с текущим значением, полученным в результате интегрирования входного сигнала на интервале дискретизации. Результат сравнения представляется в форме альтернативного решения об увеличении или уменьшении на единицу цифрового кода, поступающего на вспомогательный ЦАП и на вход процессора сигналов приемника.

Встроенный конечный автомат выполняет функции управления интерфейсом: контролирует операции обработки сигналов в передатчике и приемнике, а также обеспечивает синхронизацию всех основных сигналов последовательного интерфейса RS-232-C/MKKTT V.24. Определяемый стандартами полудуплексного режима Bell 202 и V.23 протокол изменения направления передачи предусматривает в конце каждого цикла работы по основному каналу интервал молчания (блокировки). Этот интервал формируется конечным автоматом схемы управления интерфейсом в соответствии с требованиями каждого из стандартов на модемы со скоростью передачи 1200 бит/с. Кроме того, предусмотрено выполнение дополнительной функции кратковременной индикации выключения, которая оговаривается только стандартом Bell 202. Имеется вариант модема, формирующий тональный 900-Гц сигнал в начале интервала блокировки, который сигнализирует модему-приемнику об окончании цикла передачи данных.

Для того чтобы упростить выявление неисправностей в системе связи, в ИС для модемов всех типов предусмотрен режим возвратного тестирования аналоговыми сигналами. В этом режиме процессоры сигналов приемника и передатчика настраиваются на одну частоту. Режим возвратного тестирования позволяет использовать ИС Am7911 в качестве модема для дуплексной связи по четырехпроводным арендуемым линиям на скорости 1200 бит/с; каждая пара проводов в такой линии выделяется для связи только в одном направлении.

Для получения функционально законченного устройства к микросхеме необходимо подключить 910-Ом резистор, конденсатор емкостью 0,002 мкФ (эти компоненты обеспечивают задание постоянной интегрирования АЦП), кварцевый резонатор с нагрузочными конденсаторами и схему сопряжения с телефонной линией. Кварцевый генератор выполняется по схеме с несогласованными конденсаторами нагрузки, которая обеспечивает наибольшую надежность начального запуска, использует кварцевый резонатор, работающий в режиме параллельного резонанса на основной моде колебаний с частотой 2,4576 МГц и допуском на ее установку, равным 0,01%. В случае необходимости можно предусмотреть внешнюю схему автоматической установки модема в исходное состояние при включении питания. Для этого достаточно подключить к выводу установки ИС Am7911 простую RC-цепочку, которая обеспечит задержку не менее 1,4 мс относительно момента достижения положительным напряжением питания уровня 3,5 В.

Поскольку микросхема Am7911 разработана для двухпроводных арендуемых каналов, устройство сопряжения с абонентской линией коммутируемой телефонной сети общего пользования должно состоять из двух узлов: дифференциальной системы для перехода с двухпроводной линии на четырехпроводную (дуплексера) и аттестованной защитной схемы, которую обычно называют устройством доступа к данным. С помощью дуплексера две пары выводов ИС подключаются к двухпроводной телефонной линии.

Официальные инстанции

Устройство доступа к данным должно обеспечить защиту телефонной сети от неправильно подключенного или неисправного оборудования. В свою очередь подключаемую аппаратуру необходимо защитить от воздействий со стороны телефонной сети. В каждой стране действует официальный орган, устанавливающий правила соединения с телефонными системами. В США — это Федеральная комиссия связи, а в большинстве западноевропейских стран — ведомства почт и связи. Эти организации регламентируют требования к развязке с телефонной сетью и защите от выбросов напряжения, а также задают значения мощности передатчика и определяют величины токов и напряжений в линии в зависимости от положения трубки на телефонном аппарате.

Технические условия на мощность передатчика устанавливают допустимые уровни сигнала в полосе речевого канала. Типичная величина допустимого уровня составляет около 0,55 В (пиковое значение) в 600-Ом линии (—9 дБм). Рекомендация МККТТ R.20, например, регламентирует пиковое значение на входе 600-Ом телефонной линии — оно не должно превышать 0,245 В (—13 дБм). Развязка с телефонной сетью необходима для исключения возможности повреждения аппаратуры пользователя большими синфазными напряжениями, которые наводятся силовыми линиями, проложенными вблизи телефонных кабелей. Кроме того, в случае короткого замыкания в сети или в аппаратуре пользователя развязка гарантирует восстановление работоспособности системы после устранения неисправности. В прошлом функции развязки с сетью выполняли трансформаторы связи, однако более современные устройства доступа к данным используют активные компоненты. Другая задача устройства доступа к данным — обеспечить защиту системы связи от больших выбросов напряжения, которые возникают, например, при разряде молнии. На конце телефонной линии в месте ее подключения к аппаратуре пользователя могут наблюдаться импульсы напряжения с амплитудой до нескольких киловольт, однако большинство национальных регламентирующих инстанций определяют максимальное значение выбросов на уровне только от 1,5 до 2 кВ. Устройство доступа к данным должно выдерживать воздействие таких выбросов без повреждения модема или любого другого оборудования пользователя.

Положение трубки

Для того чтобы оборудование коммутируемой телефонной сети работало правильно, сопротивления и токи в аппаратуре пользователя должны соответствовать определенным нормам. При бестоковом состоянии (трубка лежит на аппарате) оборудование телефонной станции должно фиксировать высокое сопротивление (свыше 10 МОм) и малый ток (менее 10 мкА) в месте подключения абонентской линии к аппарату пользователя. Если аппаратура находится во включенном состоянии (трубка снята), сопротивление на конце абонентской линии становится значительно ниже (около 600 Ом) и ток, протекающий через схемы пользователя и линию, увеличивается примерно до 50 мА. Такие изменения токов и сопротивлений не только сигнализируют телефонной станции о состоянии аппаратуры абонента, но и позволяют включать соответствующее оборудование станции только на время сеанса связи. В системе связи именно устройство доступа к данным управляет сопротивлениями и токами, которые фиксируются сетью.

В процессе автоматического управления бестоковым/токовым состоянием линии устройство доступа к данным должно воспринимать посылаемый телефонной станцией сигнал вызова. Обычно этот сигнал имеет форму низкочастотного (номинальное значение частоты 20 Гц) колебания большой амплитуды (около 100 В). Поскольку ни дифференциальная система, ни модем не рассчитываются на столь большие входные напряжения, представленные на рынке изделия обычно снабжаются встроенной схемой обнаружения сигнала вызова, которая подключается непосредственно к телефонной сети и обеспечивает необходимую развязку (рис.3).

Устройство доступа к данным обеспечивает развязку между модемом и дифференциальной системой, с одной стороны и линией местной телефонной компании — с
Рис.3. Устройство доступа к данным обеспечивает развязку между модемом и дифференциальной системой, с одной стороны и линией местной телефонной компании — с другой. Схема обнаружения вызова опознает вызывающий сигнал и оповещает об этом модем.

Регламентирующие организации обязывают аттестовывать каждую конструкцию устройства доступа к данным до того, как оно получит разрешение на подключение к телефонной линии. Приступая к проектированию, разработчики должны уточнить в соответствующей инстанции технические требования, которым обязано удовлетворять их устройство. В данной статье рассматривается типовое решение, которое не проверялось на соответствие требованиям конкретной телефонной сети. Тем не менее оно позволяет дать исходную информацию инженерам, приступающим к проектированию устройств доступа к данным.

Детектор сигнала вызова

Выходной сигнал схемы детектора вызова используется для включения системы (управления бестоковым/токовым состоянием линии), причем необходимые токи и сопротивления в устройстве доступа к данным устанавливаются с помощью реле. Полная схема, обеспечивающая выполнение требований по токам и сопротивлениям, содержит также катушку поддержания тока и два небольших резистора. Устройство под названием tranzorb, обладающее характеристикой высоковольтного двунаправленного стабилитрона, необходимо для защиты от выбросов напряжения, а трансформатор связи гарантирует развязку от телефонной сети. Конденсатор предотвращает попадание в обмотку трансформатора постоянной составляющей.

Вместе с соответствующими внешними компонентами ИС Am7911 представляет собой систему, которая будет удовлетворять требованиям конкретных телефонных сетей. Области применения этой микросхемы охватывают не только телефонные сети с высокоскоростной коммутацией, которые характеризуются малой задержкой между управляющими сигналами интерфейса модема «Запрос передачи» и «Готовность к передаче», но и арендуемые каналы с большой задержкой, а также новейшие видеографические системы.

Подключение к арендуемым каналам

Арендуемые телефонные линии, для работы в которых важна большая часть параметров модема, представляют собой фиксированные каналы связи между двумя объектами пользователя. тогда как конфигурация стандартной телефонной сети изменяется во времени в зависимости от нагрузки. Неизменное подключение обусловливает в арендуемой линии точно известное значение задержки, которое значительно меньше, чем задержка случайной величины в типовой телефонной сети. Более того, временные характеристики, предписываемые стандартами Bell 202 и V.23, относятся к меньшим значениям задержек.

Стабильные параметры соединения в арендуемой линии упрощают и контроль мощности передаваемого сигнала. По этой причине пользователи арендуемых каналов обращаются к местной телефонной компании с просьбой об установке программируемых удлинителей. После измерения характеристик линии можно произвести регулировку параметров системы связи таким образом, чтобы максимальный уровень линейного сигнала при передаче не превосходил установленных норм.

Для обмена данными используются двух- и четырех-проводные арендуемые линии. Четырех-проводная сеть имеет определенные преимущества с точки зрения технических возможностей, но уступает двухпроводной по экономическим показателям, так как требует применения более дорогого оборудования и кабелей. Основное достоинство четырехпроводной линии связано с возможностью работы в дуплексном режиме без частотного разделения каналов, которое приходится выполнять в полосе телефонного сигнала.

Кроме того, модем, работающий в четырехпроводной арендуемой линии, не подавляет сигнал в соседнем частотном канале, что способствует улучшению параметров системы. Схему Am7911 можно использовать как в двух-, так и в четырехпроводных конфигурациях. Сопряжение с двухпроводной арендуемой линией выполняется аналогично рассмотренному выше стыку с телефонной сетью. Схема организации четырехпроводной системы показана на рис.4.

Подключение к четырехпроводной арендуемой линии требует двух устройств доступа к данным. Однако система связи в таком случае будет работать в дуплексн
Рис.4. Подключение к четырехпроводной арендуемой линии требует двух устройств доступа к данным. Однако система связи в таком случае будет работать в дуплексном режиме (скорость 1200 бит/с в каждом направлении) и только с одной ИС модема.

За исключением случая постоянной работы в дуплексном режиме, сигналы интерфейса RS-232-C основного и обратного каналов должны поступать в отдельные универсальные асинхронные приемопередатчики (УАПП). Кроме этих схем для подключения ИС Am7911 к главному микропроцессору требуется только адресуемый регистр-фиксатор, выполняющий выбор режима. Связь модема с четырехпроводной линией выполняется через схему сопряжения, содержащую два устройства доступа к данным и две аналоговые буферные схемы, которые заменяют дифференциальную систему перехода от двухпроводной линии к четырехпроводной, устанавливаемую для сопряжения с телефонной сетью или арендуемым двухпроводным каналом. Подходящие к модему цепи передатчика и приемника содержат по одному буферу и устройству доступа к данным.

Сложные функции

Система связи, обслуживающая такое сложное устройство, как видеографический терминал, должна выполнять функции автоматического вызова, автоответа и разъединения. Кроме того, стандартная конфигурация комплектуется интерфейсом с 8-разрядным микропроцессором и двумя последовательными интерфейсами RS-232-C/V.24 для связи с модемом. Подобное устройство управления системой связи может состоять из однокристального микрокомпьютера, двух УАПП, 8-разрядной микропроцессорной шины данных и 5-разрядного порта для выбора режимов ИС Am7911. Оно могло бы взять на себя и функции управления устройством доступа к данным, а также двухтональным многочастотным генератором, который используется для автоматического набора телефонного номера.

Устройство управления системой связи освобождает основной процессор от решения части задач и гарантирует системе наивысший приоритет в случае жестких временных ограничений. Полный терминал видеотекса (рис.5) с минимальным число обслуживающих схем содержит устройство управления системой связи, ИС Am7911, ИС контроллера ЭЛТ и микрокомпьютер 8051 фирмы Intel. Последний управляет всеми операциями терминала: преобразованием данных в памяти видеодисплея, считыванием информации из интерфейса клавиатуры, а также инициализацей двух других СБИС контроллеров в системе. Параметры конфигурации терминала должны контролироваться через клавиатуру. Микрокомпьютер 8051 интерпретирует и выполняет поступающие от нее команды.

В этой конструкции видеографического терминала использовано минимальное число компонентов. Подключенное к микрокомпьютеру устройство управления систем
Рис.5. В этой конструкции видеографического терминала использовано минимальное число компонентов. Подключенное к микрокомпьютеру устройство управления системой связи взаимодействует с ИС 7911 через 5-разрядный порт-выбора режима.

Выпускаются несколько типов ИС контроллеров ЭЛТ, пригодных для видеографических терминалов. Эти схемы работают, как правило,, только со стабильной тактовой частотой или внешним кварцевым резонатором, что необходимо для формирования устойчивого изображения при растровой развертке. Контроллеры ЭЛТ для видеотекса принадлежат к схемам с посимвольной записью в память, поскольку в каждой ячейке ЗУ изображения хранится информация, соответствующая одному знаку выводимого на экран: текста. В качестве памяти изображений чаще всего используются статические ЗУПВ, поскольку необходимые для динамических приборов схемы обновления повышают стоимость терминала.

В комплект схем для построения видеографического терминала входит также ИС Am7911, в которой предусмотрена возможность организации обратного канала на скорости передачи 150 бит/с. Поскольку аппаратура видеотекса использует телефонный канал связи, в системе необходимы схема перехода с двухпроводной линии на четы-рехпроводную и устройство доступа к данным.

Дочерние статьи:

Новая рекомендация МККТТ, определяющая параметры модема

Первые ИС модема с цифровой обработкой сигналов

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 57, No.14 (695), 1984г - пер. с англ. М.: Мир, 1984, стр.48

Electronics Vol.57 No.14 July 12, 1984 A McGraw-Hill Publication

Stevan Eidson. Leased-line and videotex applications are targets of one-chip modem, pp.119—123.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Модемы





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/AMD/D19840712Elc029.shtml