Curs_CD_2011

Cezar Popescu

Comunicaţii de Date (note de curs pentru anul III- IS, 2011/2012)

Universitatea "Politehnica" din Timişoara Departamentul de Automatică şi Informatică Aplicată

Cuprinsul cursului Cap 1 Noţiuni de bază în comunicaţiile de date 1.1 Scurt istoric 1.2. Semnale şi date 1.3. Reţeaua Publică de Telefonie Comutată Cap. 2 Terminale şi interfeţe de date 2.1 Structura unui sistem de comunicaţii de date 2.2. Terminale de date 2.2.1. Terminalul de tip teletype 2.2.2. Terminale de date electronice 2.2.3. Terminale emulate prin software. 2.3. Interfeţe de date 2.3.1. Standardul RS232 2.3.1.1. Semnalele interfeţei 2.3.1.2. Utilizarea interfeţei RS232 2.3.2. Standardul I2C 2.3.2.1. Domenii de aplicaţie şi caracteristici. 2.3.2.2. Semnalele magistralei I2C 2.3.3. Standardul CAN 2.3.3.1. Domenii de aplicaţie şi caracteristici. 2.3.3.2. Magistrala fizică 2.4. Circuitul programabil pentru comunicaţii seriale i8251 2.4.1. Caracteristici generale 2.4.2. Moduri de comunicaţie 2.4.3. Schema bloc a circuitului 2.4.4. Programarea circuitului 8251 Cap. 3 Modulaţia în transmisia datelor. Modemul. 3.1 Modulaţia 3.1.1 Noţiunea de modulaţie 3.1.2 Modulaţia de amplitudine 3.1.3 Modulaţia de frecvenţă 3.1.4 Modulaţia de fază 3.1.5 Modulaţia de amplitudine şi fază 3.2. Modemul 3.2.1. Clasificarea modemurilor 3.2.2. Modemul în banda de bază 3.2.3. Modemuri inteligente 3.2.4. Modemuri de cablu 3.3 Modulaţia numerică a semnalelor analogice 3.3.1 Modulaţia PCM 3.3.2 Legile de compandare μ şi A 3.3.3 Multiplexarea semnalelor codate PCM

Cap. 4 Codarea informaţiei 4.1 Nivelele de codare a informaţiei în comunicaţiile de date 4.2 Codarea primară 4.3 Codarea redundantă 4.4 Codarea canalului Cap. 5. Canale de comunicaţie 5.1. Caracteristici ale canalelor de comunicaţie 5.2. Cabluri conductoare 5.2.1 Cablul telegrafic 5.2.2 Cablul telefonic. 5.2.3 Cablul coaxial şi ghidul de undă 5.2.4 Cablurile STP şi UTP 5.3 Transmisia prin unde radio 5.4 Sateliţi de comunicaţii 5.4.1 Dinamica sateliţilor geostaţionari 5.4.2 Echipamentele de comunicaţie ale sateliţilor 5.5 Fibrele optice Cap. 6 Sisteme de comunicaţii mobile 6.1 Comunicaţii radio mobile 6.2 Caracteristicile telefoniei celulare GSM 6.3 Arhitectura de bază a unei reţele celulare 6.3.1 Elemente componente 6.3.2 Terminalul mobil 6.3.3 Celula 6.3.4 Centrala de comutare 6.4 Procesarea apelurilor în reţeaua celulară 6.5. Arhitectura sistemului GSM 6.6 Evoluţia sistemelor de comunicaţii mobile. 6.6.1 Generaţia 1G. 6.6.2 Generaţia 2G. 6.6.3 Generaţia 2.5G. 6.6.4 Generaţia 3G. 6.6.5 Generaţia 4G. Cap.7 Comunicaţii digitale pe linii telefonice 7.1 Standardul ISDN 7.1.1 Caracteristici şi servicii 7.1.2 Transportul în reţele ISDN 7.1.3 Configuraţii ISDN la abonat 7.2 Standardul DSL 7.2.1 Caracteristici şi servicii 7.2.2 Configuraţia unei legături ADSL 7.3 Comparaţie între ISDN şi DSL

Comunicaţii de date 3

Cap 1 Noţiuni de bază în comunicaţiile de date 1.1 Scurt istoric Cuvîntul cheie în comunicaţiile de date este eterogenitate. Ce au în comun o convorbire telefonică printr-o centrală analogică, un "bip" dat pe "celular" şi un transfer de fişiere prin Internet?

Pentru ilustrare, prezentăm cîteva modalităţi de comunicare la distanţă. 1. Focuri pe dealuri.

- Focurile produc fum. Fumul poate fi "modulat" (0/1), acoperind sau descoperind focul. Bibliografie: "Decebal şi romanii", "Ştefan cel Mare şi Sfânt şi tătarii". Semnal digital. Canal de transmisie optic, neghidat.

2.Telegraful secolului al 17-lea (variantă modernizată a focurilor pe dealuri). - Stîlpi înalţi în vîrful cărora un "braţ" poate lua poziţia orizontală sau verticală.

Bibliografie: Alexandre Dumas, "Contele de Monte Cristo". Semnal digital. Canal de transmisie optic, neghidat.

3. Telegraful secolului al 19-lea. - Ca mai sus dar: canal de transmisie electric, ghidat. Un cablu de cupru şi pămîntul

formează canalul. 4. Telefonie între două posturi legate la aceeaşi centrală locală.

- Semnal analogic în banda 300..3400Hz. Canal de transmisie electric, ghidat, constînd dintr-un cablu bifilar torsadat. Apare necesitatea de a îndeplini funcţii de comutare şi semnalizare pentru a stabili legătura între cele două posturi telefonice pe durata dorită de către vorbitori.

5. Netmeeting sau similar - Semnalul analogic provenit de la microfon (semnal analogic, canal de transmisie

electric, ghidat) este convertit la semnal digital de către placa de sunet a calculatorului prin eşantionare şi cuantizare (semnal digital, canal de transmisie electric, ghidat).

- un modem converteşte semnalul digital în semnal analogic compatibil cu reţeaua de telefonie (semnal analogic, canal de transmisie electric, ghidat).

- În centrala telefonică locală semnalul analogic este supus unei operaţii de modulaţie analog->digitală de tip PCM şi este transmis mai departe în reţeaua telefonică (semnal digital, canal de transmisie electric, ghidat). Apare multiplexarea, în acest caz, multiplexare în timp.

- Între centralele telefonice mari semnalul circulă prin reţele de fibră optică (semnal analogic, canal de transmisie optic, ghidat, multiplexare în frecvenţă).

- Semnalul "iese pe satelit" (semnal analogic, canal de transmisie electromagnetic, neghidat, multiplexare în timp sau în frecvenţă).

- Semnalul parcurge calea inversă: satelit, reţeaua publică de telefonie, modem, calculator, placa de sunet, difuzor sau căşti.

Iată şi un scurt istoric datat: 1832 - Morse inventează telegraful electric şi codul Morse (comunicaţie de tip digital). Nota bene: comunicaţiile au fost la început de tip digital. 1876 - Graham Bell inventează telefonul (comunicaţie de tip analogic). 1886 - Strowger inventează primul comutator telefonic automat (electromecanic, sistemul numit Rotary). 1919 - Ericsson inventează primul comutator telefonic electronic.


1938 - Reeves inventează modulaţia codată în impulsuri a semnalelor digitale (PCM) prin care un semnal analogic este transmis sub forma unui şir de impulsuri digitale. 1965 - Ia fiinţă CCITT (Comitetul Central Internaţional pentru Telegrafie şi Telefonie (titulatura originală este în limba franceză dar se abreviază la fel)), organism european care îşi propune să introducă standarde prin care să reglementeze eterogenitatea.

1.2. Semnale şi date Prin date se înţeleg entităţi care desemnează "ceva inteligibil", adică informaţie. Semnalele sînt forma (de obicei electrică) prin care datele sînt transmise pe un canal de comunicaţie. Atît datele cît şi semnalele pot fi analogice sau digitale. Avem, aşadar, patru combinaţii posibile.

Date analogice. Semnale analogice. Putem încadra aici telefonia clasică (prin centrale analogice), transmisiile radio şi de televiziune (inclusiv televiziunea prin cablu). Prin acelaşi mediu (canal) se pot transmite simultan mai multe semnale (fie acestea convorbiri telefonice, programe TV pe cablu sau programe radio). Operaţia se numeşte multiplexare şi are ca suport modulaţia analogică a unor semnale purtătoare care au frecvenţe diferite.

Date digitale. Semnale digitale. Deşi poate părea, la prima vedere, ciudat, acesta a fost începutul comunicaţiilor de date, aşa cum tot acesta este şi nivelul tehnologic actual. Telegrafia clasică şi actualele reţele de calculatoare sînt exemple din acest domeniu.

Date analogice. Semnale digitale. Aşa cum se va arăta, pe canalele de transmisie analogice zgomotul este cumulativ, în timp ce pe cele digitale el poate fi rejectat la fiecare releu de retransmisie. Din acest motiv conversia analog-digitală şi transmisia digitală reprezintă o soluţie bună pentru comunicaţii de date pe canale care dispun de o bandă largă de frecvenţă.

Date digitale. Semnale analogice. Această situaţie pare puţin stranie, mai ales prin prisma celor spuse în aliniatul precedent. De ce am vrea să facem aşa ceva? Pentru că reţeaua publică de telefonie a fost concepută pe principii analogice (în conexiunea dintre abonat şi centrala locală). Pentru a avea acces la Internet prin această conexiune trebuie să legăm calculatorul la telefon printr-un dispozitiv numit modem.

1.3. Reţeaua Publică de Telefonie Comutată Prin PSTN (Public Switched Telephone Network) desemnăm Reţeaua Publică de Telefonie Comutată. Deşi există alternative (ISDN, DSL, cablu etc), reţeaua de telefonie constituie coloana vertebrală a comunicaţiilor. Aceasta este, pentru moment, singura reţea care dispune de o infrastructură care ajunge la abonat acasă pe o linie dedicată.

PSTN constă dintr-o multitudine de mijloace de transport pentru comunicaţii telefonuce şi de date. Iniţial PSTN a fost o reţea fixă de comunicaţii analogice. Actualmente ea este aproape în întregime bazată pe tehnologia digitală, cu excepţia legăturilor locale între abonat şi prima centrală. PSTN este standardizată de către un organism internaţional (ITU – International Telecommunication Union), asigurîndu-se, astfel, interoperabilitatea la nivel mondial a reţelelor naţionale.

Desigur, telefonia celulară este o alternativă importantă faţă de cea fixă. Chiar şi pentru telefonia fixă au apărut alte oferte în afara PSTN. Pentru aceste tipuri de comunicaţii nu există însă (încă) reţele globale paralele cu cea a telefoniei "fixe". În fapt, celula care


preia un apel pe "mobil" se adresează în final către infrastructura PSTN pentru a realiza legătura la distanţă.

Deasemenea, PSTN deţine monopolul a ceea ce se numeşte „buclă locală”. Aceasta este conexiunea pe cablu bifilar, dintre abonat şi centrala telefonică. Acest sistem are posibilitatea de a prelua şi alte tipuri de comunicaţii, precum ISDN şi este foarte fiabil, prin construcţie şi prin faptul că fiecare abonat are propria sa buclă locală, deci un defect pe cablu va afecta un singur abonat.

În legătură cu modul în care PSTN funcţionează trebuie să explicăm pe scurt cîţiva termeni.

Transmisie. Se referă la faptul că semnalele se propagă pe un canal de comunicaţie. Canalul poate fi analogic sau digital, ghidat sau neghidat, la nivel fizic el poate fi un anume tip de cablu, electric sau bazat pe fibre optice sau electromagnetic, după cum el poate fi un canal destinat pentru legături locale cu trafic mic, sau un canal destinat unui trafic mare la distanţe mari. Aproape toate combinaţiile sînt posibile din punct de vedere tehnologic.

Multiplexarea. În legăturile telefonice locale, între un abonat şi centrala la care acesta este conectat, pe un cablu se poartă, la un moment dat, o singură convorbire telefonică. Pe cablurile cu lăţime mare de bandă, convorbirile sînt multiplexate. Dacă transmisia este de tip analogic, prin tehnici de modulaţie specifice, lăţimea totală de bandă a canalului se împarte în "fîşii", aşa încît unei convorbiri i se alocă pe toată durata ei o anumită fracţiune din lăţimea de bandă a canalului. Multiplexarea în frecvenţă se face conform unor standarde, pe mai multe nivele care formează ierarhia analogică.

Dacă transmisia este de tip digital, atunci multiplexarea se face în timp. După conversia analog digitală a semnalului telefonic, şirul de eşantioane numerice aferent unei convorbiri este trimis pe canal în sloturi de timp bine definite, care se grupează mai departe în cadre. Pe durata unui slot, întreaga lăţime de bandă a canalului aparţine unei singure convorbiri. Multiplexarea în timp se face respectînd standardele ierarhiei digitale.

Comutaţie. Se referă la faptul că o legătură între doi abonaţi ai reţelei se face la cererea şi cu consimţămîntul acestora, pe o durată limitată şi pe baza unui tarif dinainte stabilit. La nivelul legăturii dintre un abonat şi centrala locală avem de a face cu o comutaţie de circuite, în sensul că circuitele electrice ale abonaţilor sînt legate/dezlegate, prin centrala telefonică, unul de celălalt.

La nivelul comunicaţiilor digitale, între centrale, avem de a face cu comutaţia de pachete. Operaţia are aceeaşi semnificaţie ca rutarea în reţelele de calculatoare şi este specifică multiplexării în timp.

Semnalizare. Este modalitatea prin care se iniţiază şi se încheie o legătură telefonică între doi abonaţi (formarea numărului, semnalizarea între centrale, iniţierea apelului, încheierea convorbirii). Semnalizarea este strîns legată de comutaţie. Unele standarde de comunicaţii (de exemplu ISDN) prevăd canale de semnalizare separate de cele de date sau de cele vocale, aceasta chiar începînd de la nivelul legăturii la abonat.


Cap. 2 Terminale şi interfeţe de date 2.1 Structura unui sistem de comunicaţii de date Un sistem de comunicaţii de date are următoarele părţi componente:

- Sursa: echipamentul care generează datele. - Destinaţia: echipamentul care primeşte datele. - Canalul de comunicaţie.

Echipamentul sursă poate fi uneori şi receptor, sau invers. Din acest punct de vedere avem următoarele tipuri de transmisii:

1. Transmisia simplex. Pe canal, datele se transmit într-un singur sens. Exemplu: transmisia Radio-TV.

2. Transmisia duplex (sau full-duplex). Pe canal, datele se transmit concomitent în ambele sensuri. Echipamentele sînt concomitent sursă şi receptor. Exemplu: telefonie, reţele de calculatoare.

3. Transmisia semiduplex. Pe canal, datele se transmit în ambele sensuri, dar nu concomitent, ci în intervale de timp distincte. Exemplu: interfoane, staţii radio mobile.

Un model general a unui sistem de comunicaţii de date este aşa numitul sistem de comunicaţii cu 7 părţi (Fig.2.1).

Unde: 1,7 - DTE (Data Terminal Equipment) este un terminal de comunicaţii de date 3,5 - DCE (Data Communication Equipment) este un modem 2,6 - sînt interfeţele dintre DTE şi DCE 4 - este canalul de comunicaţie 2.2. Terminale de date Terminalul este partea cea mai vizibiă a unui sistem de comunicaţii de date, cea cu care operatorul lucrează direct. În cursul dezvoltării echipamentelor care funcţionează pe post de terminal avem de a face cu o evoluţie care trece prin mai multe etape.

2.2.1. Terminalul de tip teletype

În limbaj comun acesta se mai numeşte şi telex. Dispozitivul a fost inventat pentru a înlocui telegraful Morse. Echipamentul teletype combină o maşină de scris electrică cu o interfaţă de comunicaţii. Textul introdus la un capăt al liniei este tipărit de către dispozitivul de la celălalt capăt. La origine, telexul funcţiona pe linii dedicate, cu o viteză de circa 100 biţi/sec. Ulterior, acest gen de dispozitiv a migrat în domeniul echipamentelor periferice pentru calculatoare. În anii '60 un teletype era echipamentul folosit în mod obişnuit pe post de consolă de operare pentru sistemele de calcul.

DTE DCE DCE DTE

7 64 53 2 1

Fig.2.1


2.2.2. Terminale de date electronice La primele generaţii de calculatoare (anterioare celor din clasa PC), echipamentele

periferice, inclusiv cele de introducere şi extragere/afişare a datelor, nu făceau parte din calculatorul propriu-zis. Evoluţia tehnologică a înlocuit dispozitivul de afişare de tip "maşină de scris" cu cel bazat pe tubul catodic. În anii '70 un sistem de calcul obişnuit consta dintr-un calculator legat cu mai multe terminale de introducere a datelor, folosite în multitasking, deoarece calculatorul propriu-zis era încă prea scump pentru a putea deveni "personal".

Se prezintă în continuare o clasificare a terminalelor electronice, cu precizarea că ea are în special un caracter istoric şi nu îşi propune să instituie graniţe exacte între diferitele tipuri de echipamente.

Terminale simple („dumb terminal”). Reprezintă prima generaţie de terminale electronice. Dispozitivul de afişare, iniţial o imprimantă mecanică cu ace, a evoluat către displayuri CRT (Cathod Ray Tube). Displayul CRT are avantajul unei viteze de afişare mai mari, este mai versatil şi nu consumă hîrtie. Pentru acest tip de echipamente a fost elaborat standardul de codificare numit ASCII.

Terminale inteligente („smart terminal”). Au posibilităţi de afişare specifice displayurilor CRT, în mod text, fără grafică. Acceptă comenzi de tipul: ştergerea ultimului caracter trimis, ştergerea unei linii de pe ecran sau a întregului ecran, existenţa unui cursor adresabil, care poate fi mutat pe ecran în orice poziţie. În acest mod este posibilă formatarea ecranului, care ia aspectul unui formular tip, în care operatorul introduce datele în rubrici dinainte stabilite. Aceste comenzi speciale sînt trimise terminalului, prin setul de coduri ASCII, sub forma unor secvenţe de caractere ce încep cu caracterul special ESCAPE. Terminalele inteligente nu au beneficiat, din păcate, de o standardizare unitară astfel încît există o multitudine de seturi de comenzi specifice cîte unui tip de terminal, incompatibile între ele.

Terminale programabile. Au caracteristic faptul că dispun de un suport local de memorie de capacitate semnificativă (disc) şi au capacitatea de a rula programe scrise de către utilizator. Există facilităţi de grafică vectorizată. În esenţă, un astfel de terminal este un calculator în sine.

Staţii grafice. Presupun existenţa unui afişaj grafic performant, cu număr foarte mare de culori şi acceleratoare grafice. Pot opera fie în mod vectorial, grafica fiind descrisă în termeni de geometrie analitică, fie în mod raster, grafica fiind descrisă pixel cu pixel.

2.2.3. Terminale emulate prin software. Acestea sînt calculatoare de uz general care rulează aplicaţii de tip „emulator de terminal”, precum Procomm sau Hyperterminal. Un astfel de program poate emula o gamă largă de terminale inteligente în mod text şi este o soluţie de înlocuire a echipamentelor vechi.


2.3. Interfeţe de date Prin interfaţă înţelegem o specificaţie, un standard, prin care sînt definite caracteristicile mecanice, electrice şi logice prin care două echipamente se interconectează. În sens mai larg, adesea, prin interfaţă se înţelege dispozitivul hardware care implementează funcţionalităţile definite anterior.

2.3.1. Standardul RS232

2.3.1.1. Semnalele interfeţei Ne propunem, în continuare, să studiem interfaţa serială standardizată sub acronimul RS232. Standardul a fost elaborat iniţial în SUA de către organismul EIA (Electronic Industry Association). Ulterior, el a fost adoptat şi în Europa, sub denumirea V24, de către CCITT.

Din punct de vedere mecanic este specificată cupla cu 25 de pini DB25, dar la calculatoarele PC se foloseşte şi cupla cu nouă pini.

Din punct de vedere electric, nivelele de semnal standardizate sînt următoarele: +3V.. +12V: nivel logic 0 -3V ..-12V: nivel logic 1 -3V.. +3V: margine de zgomot. În acest interval nu se poate decide valoarea logică a semnalului electric.

Nivelele electrice corespund unei tehnologii care a fost, între timp, îmbunătăţită. Specificaţiile electrice ale interfeţei RS232 garantează o funcţionare corectă pe orice tip de cablu la o distanţă de 15 metri.

Din punct de vedere logic, această interfaţă a fost gîndită, iniţial, pentru a standardiza comunicaţia dintre un echipament de tip DTE cu unul de tip DCE, în cadrul unui sistem de comunicaţii cu 7 componente precum cel descris mai sus. În tabelul următor se prezintă principalele semnale vehiculate prin interfaţa RS232. Numerele de pin corespund conectorilor de tip RB25, respectiv DE9.

Pin DB25

Pin DE9

Semnal DTE ↔ DCE

1 GND --

2 3 TxD ←

3 2 RxD →

4 7 RTS →

5 8 CTS ←

6 6 DSR ←

7 5 SG --

8 1 DCD ←

20 4 DTR →

22 9 RI ←

Semnificaţiile semnalelor sînt următoarele:


SG - (Signal Ground). Este firul electric de masă pentru toate celelalte semnale.

GND - Masă de înpămîntare. Se leagă la una dintre carcasele echipamentelor DTE sau DCE în scopul de a putea asigura metode de rejecţie a zgomotului electromagnetic ce poate apărea pe cablul de legătură. Electronica de comunicaţii de date a ajuns în acest moment la un nivel tehnologic care face superfluă această linie de cablu. De obicei, pinul GND se leagă local la pinul SG.

Txd, RxD - Liniile pe care se transmit şi se recepţionează date, serial, bit cu bit.

DTR, DSR - (Data Terminal Ready, Data Set Ready). Sînt liniile prin care echipamentele DTE, respectiv DCE semnalează, unul către celălalt, faptul ca sînt, în principiu, gata de lucru.

RTS, CTS - (Request To Send, Clear To Send). Sînt semnalele prin care se iniţiază efectiv legătura dintre terminal şi modem. Terminalul trimite RTS, apoi aşteaptă CTS de la modem, drept confirmare a faptului că legătura de date a fost efectiv iniţiată.

RI - (Ring Indicator). Modemul informează terminalul despre faptul că "a fost sunat" de către alt modem, prin reţeaua telefonică, pentru a stabili o legătură.

DCD - (Data Carier Detect). Modemul informează terminalul despre faptul că a detectat existenţa unui semnal purtător (vezi cap. 3), venind de la alt modem, aşadar că modemul "pe care l-a sunat", "a răspuns".

Semnalele RI şi DCD sînt legate de specificul stabilirii unei legături prin reţeua telefonică comutată, între modemuri. Semnalele RTS şi CTS sînt semnale de sincronizare locală între terminal şi modem, la fiecare dintre cele două capete ele legăturii de date. 2.3.1.2. Utilizarea interfeţei RS232

Deşi interfaţa RS232 a fost concepută pentru a lega direct un echipament de tip DTE cu unul de tip DCE, în mod frecvent ea este folosită pantru a lega între ele două echipamente de tip DTE. De obicei, unul dintre echipamente este un calculator, iar celălalt poate fi:

- Alt calculator. Legătura este lentă dar soluţia este simplă din punct de vedere tehnic. - Un sistem de dezvoltare cu microcontroler. - Un echipament periferic (imprimantă, mouse etc). - Un echipament de achiziţie de date.

În aceste cazuri se folosesc cuple cu nouă pini şi un cablu cu trei fire. Legarea se face astfel: pinul 7 (SG) se leagă împreună la cele două cuple, iar pinii 2 şi 3 (TxD, RxD) se leagă încrucişat. O asemenea soluţie se numeşte legătură null modem.

Principalul dezavantaj al folosirii interfeţei RS232 în astfel de aplicaţii este acela că nu există semnale care să permită controlul fluxului de date. Să luăm cazul unei imprimante. Dacă ea se leagă la calculator prin portul paralel, aceste semnale există. Dacă se leagă prin portul serial, atunci calculatorul nu poate şti exact cu ce viteză poate tipări imprimanta datele trimise. Desigur, se presupune că imprimanta are un buffer, dar nu se poate şti cînd anume acesta este plin. Soluţia problemei a fost alocarea a două caractere ASCII cu sensul de XON (porneşte transmisia) şi XOFF (opreşte transmisia). Echipamentul receptor trimite aceste caractere către calculator în funcţie de gradul de umplere al bufferului.

În continuare enumerăm principalele limitări ale standardului RS232. - Nivelele mari de tensiune şi necesitatea a două surse de alimentare cresc consumul de putere la transmisie şi limitează viteza.


- Transmisia de tip „single ended signaling”, adică existenţa unei linii de semnal, a cărei tensiune se măsoară faţă de masă, limitează imunitatea la zgomote şi distanţa maximă a legăturii. Altermantiva la “single ended” este transmisia diferenţială, ca la magistrala CAN. - Nu se pot efectua conexiuni de tip multipunct (în care sînt implicate mai mult de două dispozitive). - Cele două echipamente sînt definite asimetric. La proiectarea unui echipament nou trebuie decis dacă acesta ve fi de tip DTE sau DCE. - Liniile de control ale interfeţei sînt definite pentru a permite semnalizarea şi comutarea liniilor telefonice. Folosirea lor pentru controlul fluxului de date nu este potrivită. - Nu este specificată o metodă de a alimenta cu tensiune un dispozitiv prin intermediul interfeţei (ca la USB, de exemplu). Cu toate acestea, pentru dispozitive de mică putere (de exemplu mouse) se poate extrage curent din liniile DTR şi RTS. - Conectorii au dimensiuni mari.

2.3.2. Standardul I2C

2.3.2.1. Domenii de aplicaţie şi caracteristici. Denumirea I2C (sau I2C, sau IIC) vine de la „Inter Integrated Circuit”, adică o magistrală concepută, în primă instanţă , pentru a lega între ele circuite integrate digitale aflate la distanţă mică unul de celălalt, de multe ori pe aceeaşi placă de cablaj imprimat. Standardul a fost dezvoltat de firma Philips în anii ’80, în acest moment existînd peste 1000 de tipuri de circuite integrate care îl folosesc, produse de peste 50 de firme.

În domeniile electronicii de larg consum, electronicii industriale şi telecomunicaţiilor există similarităţi de proiectare cum ar fi: - circuite de control inteligent, de obicei un microcontroler single-chip - circuite de uz general precum memorii RAM şi EPROM, porturi aflate la distanţă, ceasuri de timp real, convertoare analog numerice şi numeric analogice - circuite orientate pe aplicaţie, cum ar fi circuite de acord cu comandă digitală pentru radio şi video, procesoare de semnal, senzori, carduri inteligente Pentru toate acestea este necesară o comunicaţie de date digitale. O magistrala paralelă fiind o soluţie prea complexă din punct de vedere al cablării, se impune o soluţie de comunicaţie serială.

Principalele caracteristici ale magistralei I2C sînt următoarele: - Necesită doar două linii active: de date şi de tact - Fiecare dispozitiv conectat poate opera ca master sau ca slave, respectiv ca

transmiţător sau receptor. Identificarea fiecărui dispozitiv se face printr-o adresă unică. - Este o magistrală multimaster completă, cu facilităţi de detectare a coliziunilor şi

arbitrare atunci cînd două module master încearcă să obţină aceesul simultan. - Transmisia este serială, cu cuvinte de 8 biţi. Viteza standard este de 100Kbit/s, dar

există şi moduri de lucru rapide care aceeptă viteze de 400Kbit/s, 1Mbit/s sau 3.4Mbit/s. - Dispune de filtre de linie integrate în cip care rejectează perturbaţiile de pe linie şi

asigură integritatea datelor. - Numărul de dispozitive ce poate fi conectat este limitat doar de impedanţa

(capacitivă) a liniei magistralei.

Din punct de vedere al designerului de echipamente, folosirea acestei magistrale prezintă următoarele avantaje:

- Proiectare rapidă de la faza de schemă bloc la cea de schemă finală. - Nu este necesară proiectarea de magistrale de interfaţare deoarece sînt integrate în

cip.


- Protocolul de adresare şi transfer de date permite sistemelor să fie complet definibile prin software.

- Acelaşi design de bază poate fi refolosit în alte aplicaţii. - Diagnoza şi depanarea sînt simple. - La dezvoltarea de software se pot folosi biblioteci de funcţii reutilizabile.

Din punct de vedere al fabricantului de echipamente, avantajele sînt: - Magistrala serială cu două fire reduce numărul de conexiuni. - Protocolul de magistrală complet integrat elimină necesitatea decodoarelor de

adrese. - Capabilitatea multimaster permite testarea rapidă. - Circuitele integrate compatibile I2C sînt disponibile într-o mare varietate de capsule.

2.3.2.2. Semnalele magistralei I2C În fig.2.2. se prezintă două dispozitive I2C legate între ele. Magistrala are două linii de semnal: una de date, notată SDA şi una de tact, notată SCL. Deasemea sînt prezente linia de masă GND şi linia de alimentare cu tensiune a circuitelor Vcc.

Etajele de iesire ale driverelor sînt de tip open collector (open drain), deci pe fiecare linie trebuie să existe cîte o rezistenţă de sarcină, notată Rp. Deasemenea sînt figurate impedanţele parazite ale liniei, anume rezistenţele serie Rs1 şi Rs2, capacităţile fiecărei linii faţă de masă, Cp şi capacitatea dintre cele două linii, Cc. Caracterul capacitiv al impedanţei liniei determină, prin caracteristica de frecvenţă de tip trece-jos, viteza maximă a transferului pe magistrală.

În Fig.2.3. se prezintă diagrama semnalelor SDA şi SCL la transferul unuia sau mai multor octeţi de date între două module. Este obligatoriu ca cel puţin unul dintre ele să fie master, acesta fiind cel care iniţiază transferul.

Fig. 2.2


Pe durata transferului au loc următoarele faze: - masterul generează aşa numita condiţie de start, provocînd o tranziţie coborîtoare a

semnalului SDA, în timp ce SCL este pe nivel ridicat; - în continuare pe durata a 8 impulsuri de tact, pe linia de date se trimite adresa

modulului cu care se doreşte comunicarea, precum şi sensul dorit pentru transfer (R/W, citire sau scriere);

- receptorul răspunde cu o combinaţie de confirmare notată ACK; - urmează unul sau mai mulţi octeţi de date, însoţiţi fiecare de ACK; - în final se generează fie o condiţie de stop (P), fie o condiţie de start repetat (S),

printr-o tranziţie crescătoare, respectiv coborîtoare a liniei SDA, pe palierul ridicat al liniei SCL.

2.3.3. Standardul CAN

2.3.3.1. Domenii de aplicaţie şi caracteristici.

Magistrala CAN (Controller Area Network) este o magistrală de comuicaţii seriale pentru aplicaţii de timp real. Operează la viteze de pînă la 1Mbit/s şi are capabilităţi excelente de detecţie şi corecţie a erorilor. CAN a fost dezvoltată iniţial de firma Bosch, în anii ’80, pentru uz în automobile, în scopul de a înlocui cablările existente care erau complicate, scumpe şi nefiabile. Cîteva subsisteme automatizate în automobile sînt următoarele: - frînare ABS - managementul motorului - controlul tracţiunii - controlul aerului condiţionat - închidere centralizată etc Această gamă de aplicaţii are anumite caracteristici specifice: - complexitate ridicată - necesitate de a duplica senzorii dacă datele sînt necesare în mai multe subsisteme - dificultăţi de cablare - probleme de fiabilitate, diagnosticare a defectelor şi service Controlerele specifice fiecărei funcţii poartă în aplicaţiile „automotive” numele generic ECU (Electronic Control Unit).

SCL

SDA

S

Conditia deSTART

1 2 7 8 9ACK

MSB

Adresa SLAVE Bit

R/W

Semnal ACKde la Receptor

1 2 3-8 9ACK

Se repeta daca sunt transferatimai multi octeti

Conditia de STOP

P/S

directie

P

S

Fig. 2.3.


În prezent CAN este un standard ISO. Aria sa de utilizare a depăşit domeniul “automotive”, fiind folosit într-o gamă largă de aplicaţii de control în industrie, precum şi în tehnica medicală, navigaţie şi alte domenii. Firmele producătoare oferă o gamă largă de controlere şi interfeţe care încorporează protocolul CAN, la preţuri scăzute şi disponibile “off the shelf”. Deasemenea există o largă varietate de produse software care oferă proiectanţilor şi operatorilor de întreţinere o gamă largă de aplicaţii de proiectare, monitorizare, analiză şi testare.

Principalele caracteristici ale magistralei CAN sînt următoarele: - Magistrala este descentralizată. Nu există noduri master, orice nod poate transmite

atunci cînd linia este liberă. Căderea unui nod nu va afecta funcţionarea celorlalte din punct de vedere al comunicaţiei.

- Accesul la magistrală este orientat către evenimente. Nu există rate fixe de transfer sau scheduling temporal. Orice nod poate transmite atunci cînd are date noi de comunicat.

- Magistrala funcţionează pe principiul difuzării largi (broadcasting). Nu există adrese de noduri ci fiecare mesaj are un identificator. Un mesaj difuzat este recepţionat de către toate celelalte noduri, care decid pe baza identificatorului dacă mesajul respectiv prezintă interes sau nu.

- Magistrala este rapidă. mesajele sînt scurte (sute de microsecunde), aşa încît latenţa pentru fiecare nod este mică. 2.3.3.2. Magistrala fizică

Mărimea unei reţele CAN este limitată, teoretic, doar de numărul identificatorilor

disponibili. În practică apar restricţii datorate capacităţii driverelor de linie, dimensiunile obişnuite fiind de 32 sau 64 de noduri

Există două implementări posibile: - Basic CAN. Presupune o legătură strînsă între controlerul de CAN şi

microcontrolerul asociat. Acesta din urmă va trata nesajele prin întreruperi hardware. - Full CAN. Dispozitivele conţin un hardware adiţional cu rol de server de mesaje.

Acesta are funcţii în filtrarea şi acceptarea mesajelor, în servirea cererilor simultane. Sarcina microcontrolerului este redusă, nu se mai cer întreruperi.

Fig.2.4.


În Fig.2.4. se prezintă topologia unei reţele CAN. Fiecare nod are la bază un „host”, acesta fiind un microcontroler, senzor sau, în general, un ECU. Acestuia i se ataşează controlerul CAN, care constă în hardwareul specific de comunicaţie şi control al magistralei, şi transceiverul (transmitter/receiver) care conţine electronica de interfaţare la linie.

Magistrala constă din două linii, notate CANH (Can High line) şi CANL (CAN Low line). Cu RT s-au notat rezistenţele terminatoare de linie.

În Fig.2.5. se prezintă un transceiver de CAN. Se observă caracterul diferenţial al transmisiei. Dacă la intrarea driverului semnalul TxD are valoarea 1 logic, ambele tranzistoare vor fi blocate şi cele două linii se vor afla la potenţialul 0,5·Vcc, prin intermediul rezistenţelor de pull up. Dacă se comandă valoare 0 logic, ambele tranzistoare vor fi deschise şi între cele două linii apare o diferenţă de potenţial, ce va fi detectată de receiver.

Starea 0 este numită „dominantă” (cîştigă), iar starea 1 este nunumită “recesivă” (pierde). Terminologia explică faptul că dacă două drivere încearcă, simultan, să obţină controlul asupra liniei, va cîştiga cel care încearcă să tragă linia în starea 0. Acest fapt este folosit pentru arbitrerea magistralei. Transceiverele de mare viteză (1Mbps) sînt diferite de cele de mică viteză (125Kbps). Ultimele sînt tolerante la defecte. Căderea uneia dintre cele două linii, prin întreruperea ei, sau prin scurtcircuitarea la masă sau la Vcc, nu duce la căderea totală a comunicaţiei. Caracterul diferenţial al transmisiei şi filtrele încorporate în receivere duc la un grad scăzul de interferenţă electromagnetică şi o bună imunitate la zgomotul de mod comun (cel care se manifestă identic pe ambele linii, raportat la masă.) În fig.2.6. se prezintă structura unui cadru de date pe magistrala CAN.

Acesta este compus din următoarele cîmpuri: - SOF - Start Of Frame - MESSAGE ID - Identificator de mesaj - CONTROL - Specifică numărul de octeţi de date ce urmează

Fig.2.5.

SOF MESSAGE ID CONTROL DATA CRC ACK EOF

Fig.2.6.


- DATA - Cîmp de date - CRC - Cîmp de control al parităţii - ACK - Acknoledge, trimis de receptor în caz de succes - EOF - End Of Frame

2.4. Circuitul programabil pentru comunicaţii seriale i8251

2.4.1. Caracteristici generale Este un circuit integrat programabil (mai exact spus, configurabil) dezvoltat de firma Intel în cadrul seriei procesorului 8086, cu scopul de a permite interfaţarea prin linii de comunicaţii seriale în standard RS232. Numele generic al circuitului este USART (Universal Syncronous/Asincronous Receiver/Transmitter).

În calculatoarele PC, circuitul a fost folosit pentru a implementa porturile seriale numite generic COM1 şi COM2. Ulterior a fost înlocuit de circuitele 16450 şi 16550, care sînt îmbunătăţiri ale 8251. La nivelul tehnologiei actaule, funcţionalitatea porturilor seriale este integrată complet în chipsetul plăcii de bază dar, aşa cum este caracteristic pentru calculatoarele din seria PC, se asigură compatibilitatea cu primele versiuni.

Circuitul poate funcţiona şi în sisteme bazate pe alte microprocesoare decît 8086. În general, însă, fiecare microprocesor are familia sa de componente auxiliare pentru funcţiile de interfaţare de bază (timer, port paralel, port serial). La microcontrolere aceste funcţii sînt implementate direct în cip.

2.4.2. Modurile de comunicaţie sincron şi asincron Comunicaţia se poate desfăşura sincron sau asincron. Cele două moduri se aseamăna prin aceeea că, în ambele cazuri, datele sînt grupate în caractere şi că este necesară adăugarea, la datele propriu-zise, a unei informaţii de cadrare, care să asigure detecţia corectă a caracterelor la recepţie. Tactul de transmisie/recepţie apare ca semnal distinct (dar nu obligatoriu necesar) doar între modem şi DTE. Pe canalul de comunicaţie se trimit doar datele. Se presupune că la recepţie există un generator de tact care generează aceeaşi frecvenţă ca la emisie. Totuşi, periodic, trebuie refăcută sincronizarea.

În modul asincron, informaţia de cadrare se adaugă fiecărui caracter în parte (Fig.2.2). În regim de repaus, linia se găseşte în stare de tensiune ridicată, numită MARK. Începutul transmisiei unui caracter este indicat prin trecerea liniei în sare de tensiune scăzută, numită SPACE, pe durata unui tact. Acesta este bitul de start. În continuare se transmite caracterul, format din 5..8 biţi, începînd cu bitul cel mai puţin semnificativ. Urmează, opţional, un bit de paritate, apoi se transmit 1, 1½ sau 2 biţi de stop, în care linia se află din nou în starea MARK.

Procesul de emisie este repetat, caracter cu caracter, pînă la transmiterea întregului mesaj. Caracterele se pot succede la intervale de timp oarecare, deoarece receptorul se resincronizează la fiecare caracter.

MARK

SPACE START DATE STOP

PARITATE

Fig.2.2 Structura unui caracter în transmisia serială asincronă


În modul sincron, caracterele se grupează în blocuri, iar informaţia de cadrare se ataşează înaintea fiecărui bloc, sub forma a unul sau două caractere de sincronizare.

În cadrul unui bloc, caracterele se trimis fără pauză între ele.

Transmisia sincronă este mai eficientă decît cea asincronă, dar necesită o decodificare mai complicată. Ea are în schimb posibilităţi mai bune de detecţie şi corecţie a erorilor prin tehnici de codare a blocului de date. De obicei, transmisia sincronă se foloseşte la comunicaţii de date de la maşină la maşină, prin modemuri. Transmisia asincronă este preferată pentru comunicaţia om-maşină, prin legături null-modem între un terminal de date şi un sistem de calcul.

2.4.3. Schema bloc a circuitului Circuitul original 8251 are 28 de pini şi comunică cu microprocesorul printr-o magistrală de date de 8 biţi. Datele primite, cîte 8 biţi în paralel, sînt serializate şi trimise pe linia de comunicaţie. Analog, datele recepţionate serial sînt asamblate în caractere de cîte 8 biţi şi trimise microprocesorului. Schema bloc a circuitului este următoarea:

Bufferul de date asigură comunicaţia bidirecţională, pe magistrala de date a sistemului, între 8251 şi microprocesor.

Logica de comandă stabileşte momentul transferului prin magistrala de date, sensul transferului şi semnificaţia datelor. Toate semnalele vin dinspre microprocesor spre 8251.

CS (chip select) indică faptul ca circuitul este selectat C/D (comenzi/date) indica faptul că pe magistrala de date se trimit comenzi (cuvinte de programare pentru 8251) sau se vehiculează date RD, WR indică sensul transferului (citire sau scriere).

În funcţie de starea acestor semnale, avem următoarele situaţii:

SYNC SYNC DATE

Buffer de date

D0...D7

Logică de comandă

CS C/D RD WR

Comanda modemului

RTS CTS DTR DSR

Bloc de emisie TxD

TxC

Bloc de emisie TxD

TxC

Fig.2.3 Schema bloc a circuitului 8251


CS C/D RD WR 0 0 0 1 microprocesorul citeşte un octet de date din bufferul blocului de

recepţie 0 0 1 0 microprocesorul înscrie un octet de date în bufferul blocului de

transmisie 0 1 0 1 microprocesorul citeşte un cuvînt de stare al 8251 0 1 1 0 microprocesorul trimite un cuvînt de comandă către 8251 1 X X X 8251 nu este selectat

Blocul de comandă a modemului asigură formarea respectiv recepţia semnalelor RTS, CTS, DTR, DSR, prin care DTE comunică cu modemul, conform specificaţiilor interfeţei RS232.

Blocul de transmisie preia octetul din bufferul de date într-un buffer propriu, îl serializează şi îl trimite către modem. TxD este semnalul de date, iar TxC cel de tact.

Blocul de recepţie primeşte datele serial, formează caracterele într.un buffer propriu, apoi le trimite către bufferul de date. RxD este semnalul de date, iar RxC cel de tact.

/* 2.4.4. Programarea circuitului 8251

8251 se "programează" pentru a stabili modul de lucru şi parametrii de operare. Programarea se face o singură dată, la începutul comunicaţiei, după care, intre 8251 şi microprocesor, ve mai vehiculează doar date sau cuvinte de stare ale 8251, pe care microprocesorul le citeşte.

În cele ce urmează nu vom descrie detaliat programarea şi operarea, ci vom da unele informaţii de bază, exclusiv pentru funcţionarea în mod asincron. Programarea se face cu două cuvinte de comandă.

Structura primului cuvînt este următoarea: Biţii 1 şi 0 stabilesc raportul cu care se face divizarea internă a semnalului de ceas. 8251 nu stabileşte el însuşi frecvenţa comunicaţiei. Ea este stabilită prin programarea unui alt circuit, de tip timer programabil, care furnizează tactul de intrare pentru 8251. Deoarece, la frecvenţe mici, este posibil ca timerul să nu poată diviza suficient tactul sistemului, s-a prevăzut acest divizor suplimentar.

0 1- divizare cu 1 1 0 - divizare cu 16 1 1 - divizare cu 64

Dacă acesti biţi au valoare 0 0, atunci semnificaţia este ca funcţionarea nu se face în nod asincron, ci în mod sincron. Desigur, în acest caz, toţi ceilalţi biţi au cu totul alte semnificaţii.

Biţii 3 şi 2 specifică lungimea caracterului astfel:

0 0 - caracter de 5 biţi 0 1 - caracter de 6 biţi 1 0 - caracter de 7 biţi 1 1 - caracter de 8 biţi

Biţii 5 şi 4 specifică modul în care se formează la emisie, respectiv se controlează la recepţie, bitul de paritate.

X 0 - controlul parităţii este dezactivat 1 0 - paritate pară 1 1 - paritate impară

Biţii 7 şi 6 specifică modul în care se face cadrarea. 0 1 - 1 bit de stop 1 0 - 1½ biţi de stop 1 1 - 2 biţi de stop

Al doilea cuvînt de comandă serveşte la activarea/dezactivarea semnalelor de comandă a modemului.


După programare, poate începe operarea care presupune scrierea/citirea de date, precedată de citirea cuvîntului de stare. Cuvîntul de stare al 8251 conţine informaţii de tipul: - există un caracter disponibil în bufferul de recepţie, care trebuie citit - bufferul de transmisie este gol, deci caracterul depus acolo la operaţia de scriere precenentă a fost transmis şi se poate scrie altul. - a fost detectată o eroare de paritate etc.

*/


Cap. 3 Modulaţia în transmisia datelor. Modemul. 3.1 Modulaţia 3.1.1 Noţiunea de modulaţie Prin modulaţie se înţelege operaţia prin care caracteristicile unui semnal, numit semnal modulator se transferă asupra unui semnal purtător. Transmisiile radio-TV sînt toate modulate. În telefonie modulaţia se foloseşte pentru a multiplexa pe un cablu cu lăţime de bandă mare, mai multe canale telefonice, conform ierarhiei analogice. În situaţiile de mai sus, semnalul modulator este analogic, iar cel purtător este sinusoidal şi are o frecvenţă mai mare decît cel modulator.

În primele două paragrafe ale acestui capitol ne vom referi la transmiterea datelor pe liniile telefonice şi vom presupune că semnalul purtător este unul sinusoidal, iar cel modulator unul digital. Modulaţia se poate face asupra unuia sau mai multora dintre cei trei paramentri ai unui semnal sinusoidal, care sînt: amplitudinea, frecvenţa şi faza.

3.1.2 Modulaţia de amplitudine

Dacă semnalul modulator este g(t) iar semnalul purtător are frecvenţa ω0, atunci semnalul modulat va fi:

ttggts 00 cos))(()( ω−=

Dacă g0 ≠ 0 înseamnă că o parte a semnalului purtător se transmite împreună cu semnalul modulat. Schema bloc a unei transmisii/recepţii cu modulaţie de amplitudine este dată în Fig.3.2.

Unde FTJ este un filtru trece jos iar FTB este un filtru trece bandă.

Se poate demonstra că, la modulaţia de amplitudine, spectrul de frecvenţă al semnalului modulator se translatează în semnalul modulat sub forma a două benzi simetrice, în raport cu purtătoarea, aşa cum se vede în Fig.3.3. Semnalul modulator are frecvenţa cuprinsă între ωm şi ωM (Fig3.3.a). Spectrul său de frecvenţă se translatează în cele două benzi

Modulaţia de amplitudine Modulaţia de frecvenţă Modulaţia de fază Fig.3.1

g(t) FTJ FTB modulator canal FTB demodulator FTJ

Fig.3.2 Transmisia cu modulaţie de amplitudine


din Fig.3.3.b, situate simetric în jurul frecvenţei purtătoare, care este ω0. Aşadar, banda de frecvenţă a semnalului modulat este 2ωM, dublul frecvenţei maxime a semnalului modulator.

În schema din Fig.3.2 FTJ are rolul de a limita banda de frecvenţă a semnalului ce se va trimite pe canal, la emisie, iar la recepţie, de a filtra zgomotele. FTJ acţionează asupra semnalului modulator.

FTB se aplică semnalului modulat şi are rolul de a stabili tipul modulaţiei.

Aceasta poate fi: Modulaţie cu bandă laterală dublă. Se transmite semnalul modulat în întregime, inclusiv purtătoarea. Avantaj: demodularea se face extrem de simplu, prin detecţia anvelopei semnalului modulat. Dezavantaj: banda de frecvenţă necesară este mare. Deasemenea energia consumată este mare, deoarece majoritatea ei se află în semnalul purtător. Modulaţie cu bandă laterală unică. FTB lasă să treacă doar una din benzile laterale ale semnalului modulat, suprimînd cealaltă bandă şi purtătoarea. Avantaj: se foloseşte mai bine lăţimea de bandă a canalului. Prin multiplexare se pot transporta pe acelaşi canal de două ori mai multe informaţii. Deasemenea scade foarte mult puterea consumată. Dezavantaj: Necesită filtre de calitate iar demodulatorul este mai complicat, deoarece este necesară refacerea purtătoarei la recepţie. Modulaţia cu bandă laterală reziduală. Deoarece este dificil să se elimine complet o bandă laterală, fără a o afecta deloc pe cealaltă, acest tip de modulaţie admite un rest de bandă laterală la ieşirea din FTB. Practic, frecvenţele joase ale semnalului modulator sînt trimise în ambele benzi laterale iar cele înalte într-una singură.

3.1.3 Modulaţia de frecvenţă Semnalul modulat în frecvenţă ocupă o bandă sensibil mai largă decît în cazul modulaţiei de amplitudine. Se foloseşte în sistemele de comunicaţii de date la care folosirea eficientă a lăţimii de bandă disponibile nu este un factor important, respectiv la transmisii de date cu debit mic. Are ca avantaje faptul că echipamentele sînt mai simple decît la modulaţia de fază şi detecţia se poate face necoerent. Deasemenea, semnalul modulat în frecvenţă este foarte puţin sensibil la perturbaţii, iar puterea transmisă pe canal este constantă.

A

ωm ωM ω A

ω0-ωm ω0- ωM ω0+ ωM ω0+ ωm ω0 ω

Fig.3.3.a

Fig.3.3.b


3.1.4 Modulaţia de fază Acest tip de modulaţie se foloseşte în special pentru semnale binare. Pentru a transmite o informaţie de 1 bit se modifică faza semnalului cu 180º. Faza se poate modifica şi în trepte mai mici, aşa fel încît să avem 4, 8 sau 16 valori distincte. În acest fel o valoare anume a fazei la un moment dat codifică o informaţie de 2, 3 sau 4 biţi. Pentru aceasta, semnalul de intrare în modulator va fi grupat corespunzător în dibiţi, tribiţi, cuadribiţi. Fiecare valoare distinctă a fazei reprezintă un simbol al canalului de comunicaţie. Viteza de schimbare a simbourilor pe canal se măsoară în “baud”. În situaţia de mai sus se poate codifica mai mult de un bit per baud, deci traficul binar este mai mare decît viteza măsurată în bauzi. În tabel se exemplifică codarea prin valoarea fazei.

Nr. de biţi Cod Faza 1 0 0º 1 180º 2 00 0º

01 90º 10 180º

11 270º 3 000 0º 001 45º 010 90º ……………….. 111 315º Demodularea semnalului la receptor trebuie să se facă coerent, în sensul că la demodulator trebuie să existe un semnal identic cu semnalul purtător folosit de modulator, adică de aceeaşi frecvenţă şi sinfazic.

3.1.5 Modulaţia de amplitudine şi fază Este o modulaţie combinată, care are rolul de a mări numărul de biţi ce se pot coda pe un baud. În exemplul din Fig.3.4 există 8 valori distincte ale fazei şi două nivele de amplitudine pe fiecare fază. Valorile posibile pentru fază sînt din 45º în 45º. Se formează o

aşa-numită constelaţie de puncte. Ficărui punct din constelaţie i se va atribui, în acest caz, un cuadribit.

Specific acestui gen de modulaţie este faptul că, dacă la recepţie este identificat greşit un simbol, vom avea o eroare nu de un bit, ci de 4 biţi consecutivi. O metodă de a minimiza efectele acestui dezavantaj este de a folosi codul Gray la atribuirea de cuadribiţi fiecărui punct din constelaţie. Codul Gray este un cod binar care are proprietatea că două simboluri consecutive ale sale diferă cu un singur bit. Dacă se identifică greşit un simbol la demodulare, adică se confundă un punct din

0º

90º 45º

Fig.3.4


constelaţie cu alt punct, cel mai probabil este să fie confundat cu un punct vecin deci, în acest caz, eroarea va fi de un singur bit.

O altă metodă de a evita erorile datorate recunoaşterii greşite a simbolurilor este de a introduce o etapă de codare redundantă înaintea modulării. Aceasă etapă este distinctă în raport cu de tehnicile de codare redundantă care sînt, oricum, aplicate codului binar şi se caracterizează prin aceea că se aplică direct cuadribiţilor. Practic, se adaugă fiecărui cuadribit cîte un bit suplimentar, pe baza unui algoritm de codare anume ales. În mod corespunzător, se dublează numărul punctelor din constelaţie. Va rezulta o redundanţă direct la nivelul simbolurilor canalului, aşa fel încît un simbol recunoscut greşit de către demodulator va putea fi depistat şi corectat de către decodor. Acest procedeu se numeşte modulaţie codată, sau modulaţie Trellis.

3.2. Modemul 3.2.1. Clasificarea modemurilor Modemurile sînt echipamente de tip DCE (Data Communication Equipment). Ele asigură legătura între echipamentul de tip DTE, care poate fi un terminal, un calculator, un server etc. şi canalul de comunicaţie, care este de cele mai multe ori reţeaua publică de telefonie.

Din punctul de vedere al canalului pe care transmitem putem delimita următoarele tipuri de modemuri.

- Modemuri pe linie comutată. Linia comutată este o linie telefonică obişnuită, la care aceesul se obţine prin comutatoarele centralei telefonice, pe durată limitată, prin procedeele specifice de apel şi răspuns.

- Modemuri pe linie închiriată. Linia închiriată aparţine deasemenea companiei de telefonie, dar spre deosebire de linia comutată este pusă la dispoziţa celui care o închiriază în permanenţă şi leagă două puncte fixe.

- Modemuri pe linii dedicate. Linia dedicată este în proprietatea utilizatorului. În funcţie de tipul cablului folosit, poate avea o lungime de pînă la ordinul zecilor de kilometri.

- Modemuri radio. Se folosesc zone în care cablarea nu există, sau ar fi prea scumpă, sau pentru echipamente mobile.

- Modemuri de cablu. Se folosesc în reţele de televiziune prin cablu.

În funcţie de modul de transmisie avem modemuri: - simplex - semiduplex - duplex

În funcţie de locul amplasării în raport cu DTE modemurile pot fi: - Interne. Sînt construite sub forma unei plăci care se amplasează în interiorul

terminalului sau al calculatorului. - Externe. Au carcasă şi sistem de alimentare propriu. Se conectează la terminal

printr-un cablu RS232.


3.2.2. Modemul în banda de bază Acesta este un echipament de tip DCE care transmite semnalul în forma sa originară, adică în banda de bază. Deşi este numit modem, el nu face nici modulare nici demodulare. Ceea ce face este să adapteze terminalul de date la linia de comunicaţie.

La emisie echipamentul transformă semnalul binar originar, codîndu-l conform unui anume standard (vezi cap. 4). După amplificare semnalul este trimis pe linie printr-un transformator de separare şi adaptare. Un alt rol al transformatorului este să permită emisia şi recepţia duplex pe aceeaşi linie.

La recepţie semnalul este preluat de un transformator, amplificat şi trimis unui filtru egalizor. Acesta are rolul de a compensa distorsiunile apărute pe linie. Apoi semnalul este limitat ca nivel pentru a îl aduce din nou în forma de semnal binar. Este posibil ca biţii recepţionaţi să nu aibă exact aceeaşi lungime ca şi cei ce au fost emişi de aceea este nevoie de o resincronizare, prin eşantionarea semnalului la intervale de timp stabilite, apoi se face decodarea. Acest tip de modem nu este standardizat şi este destinat să funcţioneze pe linii telefonice la viteze mici.

O altă funcţie a modemului (care nu este reprezentată în figură) este aceea de a realiza operaţiile specifice apelului telefonic, respectiv ale răspunsului la apel. În cazul modemurilor cu apel automat nu este necesară intervenţia operatorului uman asupra modemului, nici la apel nici la răspuns.

3.2.3. Modemuri inteligente Noţiunea de modem inteligent nu este legată de tipul modulaţiei. Ea se referă la faptul că modemul este prevăzut cu un microprocesor şi cu un software înscris în EPROM, pe baza căruia poate dialoga cu echipamentul DTE. Un astfel de modem nu mai este perfect transparent. El inspectează continuu caracterele primite de la DTE şi recunoaşte un set de comenzi. Aşadar, comenzile se trimit de la DTE la modem prin aceeaşi interfaţă prin care circulă şi datele. Primele modemuri inteligente au fost produse de firma Hayes, de aceea ele se mai numesc şi modemuri compatibile Hayes. Toate comenzile încep cu o secvenţă de atenţionare, formată din caracterele AT. După secvenţa de atenţionare pot urma mai multe comenzi consecutiv. Sintaxa generală a unui şir de comenzi este:

AT comandă [parametru] comandă [parametru] … <CR>

Decodor Limitator Egalizor Amplificator şi trafo de intrare

Linie recepţie Date recepţie

CODOR Amplificator şi trafo de ieşire

Date emisie Linie emisie

Tact emisie Baza de timp

Sincronizare tact de eşantionare

Fig.3.5 Modem în banda de bază


În general parametrii, atunci cînd există, sînt constante binare, de tip on/off. Exemple de comenzi Hayes: Z - iniţializează modemul H - pune telefonul în furcă (H0), respectiv ridică receptorul (H1) D - Cere formarea unui număr de telefon N - Validează/invalidează funcţionarea difuzoarelor (semnalul trimis de modem către telefon se aude sau nu).

3.2.4. Modemuri de cablu Acest tip de modem este destinat comunicaţiilor de date, în special pentru acces la Internet şi la servicii multimedia, prin reţele de difuzare TV prin cablu.

Precum am văzut, principala limitare a modemurilor prezentate anterior este aceea că ele trebuie să funcţioneze în reţeaua publică de telefonie comutată, avînd la dispoziţie o bandă de frecvenţă de doar 3KHz. Reţeaua telefonică este mult prea veche şi, în acelaşi timp, mult prea mare pentru a putea fi reformată radical în ritmul în care se dezvoltă actualmente comunicaţiile de date. Din păcate, nici reţeaua de televiziune prin cablu (CATV) nu a fost concepută pentru comunicaţii de date. Amplificatoarele din reţea funcţionau la început într-un singur sens: de la furnizorul de servicii la abonat. Pentru adaptarea reţelei în scopul folosirii ei pentru furnizarea de servicii Internet este necesară schimbarea trunchiurilor principale de cablu şi a amplificatoarelor.

Modemul de cablu este un echipament mult mai complex decît modemul telefonic. El conţine:

- echipamentul de recepţie/emisie TV, constînd di tuner, demodulator şi modulator

- un dispozitiv denumit generic MAC (Media Access Control device). Acesta acţionează ca o interfaţă între porţiunile hardware şi software ale diferitelor protocoale de reţea. Toate plăcile de reţea pentru calculatoare au un MAC, dar în acest caz sarcinile sînt mai complexe, de aceea, în general, se prevede şi un procesor

- O interfaţă de reţea, către calculator. Spre deosebire de modemurile telefonice, care se conectează la calculator printr-um port RS232, modemul de cablu se conectează printr-un port Ethernet sau USB.

În principiu, banda CATV este de 550MHz, cu spaţiul 50..550MHz destinat transmisiei către abonat, spaţiu împărţit în canale de 6MHz. Modemul conţine un receptor

Cablu TV Tuner Demodulator

Modulator

MAC

Procesor Reţea

Calculator

Fig.3.6 Modemul de cablu


acordabil pe unul dintre aceste canale, pe care poate recepţiona date la viteze de ordinul zecilor de megabiţi pe secundă. Banda inversă, de la abonat la postul principal este cuprinsă între 5 şi 42MHz.

3.3 Modulaţia numerică a semnalelor analogice 3.3.1 Modulaţia PCM Tratăm acest subiect la capitolul dedicat modulaţiei, deşi acest procedeu nu este de fapt o modulaţie decît într-un sens foarte larg al cuvîntului, în fapt fiind o conversie analog numerică.

Între abonatul telefonic şi centrala la care este conectat circulă semnal telefonic în banda de bază, cu frecvenţa limitată la 3400Hz. Între centrale, există linii de comunicaţie cu lăţime mare de bandă, aşa că se pot multiplexa analogic mai multe canale de bază. O soluţie alternativă este aceea de a converti semnalul telefonic vocal în semnal numeric, apoi de a transmite semnalul numeric.

De-a lungul canalului de comunicaţie semnalul se transmite cu pierderi şi este afectat de perturbaţii. Din acest motiv, din loc în loc, se instalează pe canal repetoare. Acestea filtrează semnalul, îl amplifică şi îl trimit mai departe pe canal. Avantajul principal al transmiterii în formă digitală este aceea că, semnalul fiind binar, fiecare repetor reface perfect şi complet semnalul în timp ce, în cazul semnalelor analogice, zgomotul se cumulează.

Modulaţia PCM (Pulse Code Modulation) constă în eşantionarea periodică a semnalului modulator, cuantizarea eşantioanelor prin conversie analog-numerică şi trimiterea eşantioanelor bit cu bit. În plus, după cuantizare se face o compresie (după un procedeu ce se va descrie în paragraful următor). Conform teoriei eşantionării frecvenţa de eşantionare trebuie să fie cel puţin egală cu dublul frecvenţei celei mai mari din semnalul analogic. Considerînd frecenţa maximă la valoarea de 4000Hz, rezultă o frecvenţă de eşantionare de 8000Hz, deci o perioadă de eşantionare de 125 microsecunde. Conversia analog numerică se face pe 12 biţi, care sînt apoi comprimaţi la 8 biţi. Aşadar, schema modulării/demodulării PCM este cea din Fig.3.7.

Trebuie menţionat faptul că, deşi transmisia cu modulaţie PCM nu propagă zgomotul pe canal, totuşi ea nu se face complet fără zgomot. Este vorba aici despre zgomotul inerent de cuantizare, adică despre un zgomot conţinut în semnal încă de la obţinerea sa. Eroarea de cuantizare este de maximum 1 bit. La o cuantizare cu 12 biţi aceasta înseamnă o eroare de 1/4096 din valoarea maximă, ceea ce este foarte bine pentru semnale cu nivel mijlociu şi mare şi satisfăcător pentru nivele mici. Dacă semnalele ar avea tot timpul nivele mari o cuantizare pe 8 biţi ar fi suficient de bună, dar la nivele mici ale semnalului chiar şi o eroare

8 biţi

Semnal analogic

CAN Compresie8 biţi 12 biţi

Paralel/ serie

Canal de comunicaţie

Semnal analogic12 biţi

Serie/ paralel

Expandare CNA

Fig.3.7


mică poate fi semnificativă. O soluţie, mai mult teoretică, a acestei probleme ar fi cuantizarea neuniformă, în care cuanta este mică pentru semnale mici şi mare pentru semnale mari. În practică, din motive tehnologice, este foarte dificil de realizat convertoare analog/numerice şi numeric/analogice cu cuantizare neuniformă. Din acest motiv, caracteristica neliniară pe care o asemenea metodă o presupune se realizează prin tehnicile de comprimare şi expandare.

3.3.2 Legile de compandare μ şi A

Termenul de compandare este o prescurtare pentru comprimare/expandare, văzute ca două operaţii succesive, efectuate conform unei legi prestabilite. Prin comprimare se realizează o caracteristică de transfer neliniară, concomitent cu reducerea numărului de biţi prin care se codează un eşantion de la 12 la 7 (legea μ), respectiv de la 12 la 8 (legea A). Operaţia de expandare este complementară comprimării şi aduce semnalul în parametrii dinamici iniţiali.

Legea μ este un standard de compresie folosit în SUA şi Japonia, dat de formula:

)1log()1log(

μμ

++

=xy

Precum se vede, legea are un caracter logaritmic, fapt normal, deoarece relaţia dintre senzaţia subiectivă de intensitate a unui sunet şi puterea sunetului este una logaritmică. Constanta μ dă gradul de compresie iar valoarea folosită în practică este μ=255.

Legea A este un standard adoptat în Europa în 1962 şi are o caracteristică logaritmică dată prin relaţiile:

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

>+

+

≤=+=

Axpentru

AAx

AxpentruCx

AAx

y1,

ln1)ln(1

1,ln1

unde x este variabila de intrare, y este variabila de ieşire iar A şi C sînt constante. Relaţiile exprimă faptul că pentru valori mici ale semnalului de intrare caracteristica de transfer este liniară (y = Cx), iar pentru valori mai mari devine logaritmică. Atît legea μ cît şi legea A sînt definite, prin relaţiile de mai sus pentru valori ale lui x în intervalul [0...1], iar y ia deasemenea valori în intervalul [0...1] (y(0)=0 şi y(1)=1). În cadranul 3 legile se definesc simetric.

În fapt, considerînd y şi x ca numere întregi, compresia se face de la 12 biţi la 8 biţi (x∈[-2048...2047] şi y∈[-128...127]) adică într-un raport de 16. Se pune condiţia ca la semnale mici, deci în jurul originii sistemului de coordonate xy, panta funcţiei de transfer să fie 16. Atunci:

16Aln1

AC =+

= de unde rezultă prin calcul numeric A=87.6. O imagine aproximativă a

funcţiei de transfer a legii A este dată în Fig.3.8


3.3.3 Multiplexarea semnalelor codate PCM Spre deosebire de semnalele modulate analogic, care se multiplexează în frecvenţă, semnalele codate numeric se multiplexează în timp. Traficul de date se împarte în cadre, fiecare cadru avînd mai multe sloturi. În standardul european, un cadru conţine 32 de sloturi, dintre care unul este folosit pentru sincronizare, iar celelalte 31 conţin fiecare cîte un eşantion cuantizat şi comprimat de 8 biţi. Biţii se transmit serial, cu o frecvenţă standardizată la valoarea:

fbit =2048·103 Hz

de unde rezultă durata unui bit, a unui slot şi a unui cadru

Tbit = 1/fbit = 0.488μs

Tslot = 3.905μs

Tcadru = 0.12ms

Acesta este primul nivel de multiplexare (32 de căi într-un cadru). Multiplexarea în timp continuă, conform ierarhiei numerice, pe încă patru nivele, la fiecare dintre ele crescînd frecvenţa de bit. La ultimul nivel se multiplexează 7680 de căi, la o frecvenţă de bit de 560 MHz.

În standardele SUA, bazate pe legea μ, frecvenţa de bit la primul nivel de multiplexare este:

fbit =1536·103 Hz

iar un cadru are 24 de sloturi. Compresia se face de la 12 biţi la 7 biţi. În final, cu o frecvenţă de bit mai mică, dar cu mai puţini biţi pe slot (7 în loc de 8) şi mai puţine sloturi pe cadru, durata unui cadru este aproximativ aceeaşi ca şi în standardele europene.

x

y

Fig.3.8. Legea A

1/A


Cap. 4 Codarea informaţiei 4.1 Nivelele de codare a informaţiei în comunicaţiile de date În sistemele de comunicaţii de date în care există o sursă de date, un echipament de comunicaţii (un DTE) şi un canal de comunicaţie, schema de codare şi decodare este cea din Fig.4.1.

Codarea sursei, care se mai numeşte şi codare primară, se referă la transformarea simbolurilor folosite de operator (de exemplu litere, cifre şi semne speciale) în coduri binare accesibile echipamentului DTE (de exemplu coduri ASCII).

Codarea redundantă adaugă biţi suplimentari codului iniţial. Scopul operaţiei este ca, prin introducerea redundanţei, să se facă posibilă detecţia (sau chiar corecţia), la recepţie, a unor posibile erori ce pot apare în cursul transmisiei pe canal.

Operaţia de decodare a sursei este, în această schemă, una singură. Ea constă în decodificarea codului redundant, împreună cu validarea sau invalidarea sa.

Codarea canalului se referă la modalitatea prin care înformaţia binară este transformată în simboluri specifice canalului de comunicaţie, simboluri cărora le corespund semnale electrice. De exemplu, în cazul transmisiei analogice prin modem, simbolurile pot fi nivele de frecvenţă, de amplitudine sau puncte dintr-o constelaţie de amplitudini şi faze. În cazul transmisiei digitale simbolurile pot fi impulsuri, nivele de tensiune sau fronturi de tranziţie de la un nivel la altul.

4.2 Codarea primară Într-o primă instanţă, putem clasifica codurile în coduri numerice, respectiv alfanumerice. Codurile numerice sînt folosite pentru a reprezenta numere în sens general, informaţie în stare brută. Cel mai răspîndit este, din motive evidente, codul binar natural, cu variantele sale de reprezentare pentru numere întregi negative, pentru numere reale etc. Un exemplu de cod binar nepoziţional, menţionat la codarea de amplitudine şi fază este codul Gray.

Codurile alfanumerice exprimă prin secvenţe binare un alfabet compus din litere, cifre şi semne speciale. Dăm în continuare exemple de coduri alfanumerice, într-o secvenţă istorică.

Codul Morse este primul cod folosit în telegrafie, anume în telegrafia manuală, avînd ca echipament de emisie un întrerupător, iar ca echipament de recepţie o sonerie. Caracterele sînt reprezentate prin secvenţe de "puncte" (semnale scurte) şi "linii" (semnale lungi). Ex: V = punct punct punct linie (simbol al victoriei). Caracterele mai frecvent folosite au

Sursa Codarea sursei

Codare redundantă

Codarea canalului Canalul

Decodarea canalului

Decodare şi validare Destinaţie

Fig.4.1 Schema de codare şi decodare


reprezentări mai scurte. Lungimea variabilă a fost un avantaj pentru transmisia manuală dar a devenit un dezavantaj în momentul trecerii la telegrafia automată.

Codul Baudot a fost conceput pentru comunicaţii telegrafice prin echipamente de tip telex şi are o lungime de 5 biţi per caracter. Deoarece pe 5 biţi se pot reprezenta doar 32 de caractere, 26 dintre acestea (literele alfabetului englez) au semnificaţie dublă, fiind suprapuse peste cifre şi semnele de punctuaţie. Trecerea de la un set la altul se face cu două caractere speciale: "letter shift" şi "figures shift". Deasemenea, codul Baudot introduce caractere speciale specifice maşinilor de scris, precum "Carriage Return" (întoarcerea carului maşinii de scris la marginea din stînga) şi "Line Feed" (avansul hîrtiei cu un rînd).

Codul EBCDIC (Exteded, Binary Coded Decimal, Interchange Code) este un cod pe 8 biţi şi cuprinde întreg setul de caractere alfanumerice, de punctuaţie şi caractere speciale folosite în comunicaţii, cum ar fi: SYN - sincronizare, EOT - End Of Transmision, ACK - acknoledge. Acest cod a fost creat de compania IBM, în calitatea sa de producător dominant, la acea vreme, pe piaţa de echipamente de calcul mari.

Codul ASCII (American Standard Code for Information Interchange). Spre deosebire de EBCDIC, a fost creat de către un organism de standardizare, nu de o companie. Codul este destinat reprezentării alfabetului în calculatoare şi transmisiilor de date în mod asincron. Conceput iniţial (în mod neinspirat) ca un cod de 7 biţi, setul său a fost extins ulterior la 256 de caractere. Principala caracteristică a codului ASCII este regularitatea sa, ceea ce îl face oarecum inteligibil şi pentru om. Astfel: − Caracterele speciale sînt grupate între valorile 00h şi1Fh. − Trecerea de la litera mare la litera mică se face prin schimbarea unui singur bit (bitul 5:

"A se codează ca 41h iar "a" ca 61h, "B" este 42h etc). − În codurile cifrelor tetrada inferioară a octetului are chiar valoarea cifrei ("0" se codează

ca 30h, "1" ca 31h etc).

4.3 Codarea redundantă Scopul codării redundante este de a introduce biţi suplimentari de informaţie la transmiterea datelor, pe baza cărora, la recepţie, să se poată depista, eventual chiar corecta, un anumit număr de erori ce pot aparea pe canalul de comunicaţie. Codurile cu redundanţă se clasifică în coduri bloc şi coduri nonbloc. În cazul codurilor bloc informaţia redundantă se adaugă fiecărui caracter, sau unui grup de caractere. În cazul codurilor nonbloc redundanţa se adaugă în mod convoluţional. Codurile bloc se folosesc cu precădere în transmisiile asincrone iar cele convoluţionale în transmisiile sincrone.

Formatul Hex-Intel. Este folosit pentru comunicaţii de date între calculatoare. O aplicaţie tipică este aceea în care pe un sistem de dezvoltare cu microprocesor sau microcontroler se încarcă un program ce a fost compilat pe un mediu de dezvoltare rezident pe un PC. În acest format de transmisie fiecare octet de date este despărţit în două tetrade şi fiecare tetradă este convertită în codul ASCII al cifrei hexazecimale care reprezintă valoarea tetradei binare. În continuare, fiecare caracter ASCII este trimis serial asincron, adăugîndu-se un bit de paritate, acesta fiind primul element de codare redundantă. Apoi, la fiecare bloc de 32 de caractere se calculează o sumă de control modulo 256, care se trimite şi ea, ataşată la blocul de date. Formatul Hex-Intel nu se foloseşte doar în faza de transmisie a datelor, ci şi pentru a stoca date binare sub formă de fişiere ASCII. Aceste fişiere, memorate cu extensia „.hex” sînt programe compilate şi linkeditate, pregătite pentru a fi încărcate în sistemul de dezvoltare pe calea comunicaţiei seriale.


Coduri liniare cu control încrucişat. Simbolurile se grupează în blocuri în formă matricială şi se calculează biţi de paritate atît pe orizontală cît şi pe verticală. X X........X Px X X........X Px X X........X Px Pv Pv ......Pv Pv Aici s-au notat cu X biţii de date care formează blocul iniţial, cu Px biţii de paritate pe orizontală şi cu Pv biţii de paritate pe verticală. În acest sistem, dacă apare un singur bit eronat într-un bloc, el poate fi identificat şi corectat, deoarece produce o eroare de paritate pe linia pe care de află şi una pe coloană.

Coduri convoluţionale. Spre deosebire de codurile bloc, la cele convoluţionale simbolurile redundante sînt intercalate continuu printre cele de informaţie. O secvenţă de cod de forma: an-1 an-2..... a1 a0 se poate reprezenta formal sub forma unui polinom de rang n-1: P(x) = an-1xn-1 + an-2 xn-2

.+.... +a1x + a0 unde variabila x are rolul de a preciza poziţia fiecărui bit în secvenţa de cod. Se defineşte un polinom G(x), numit polinom generator. Acesta este o constantă a schemei de codare, cunoscută atît de emiţător cît şi de receptor. Informaţia transmisă pe canal este produsul convoluţional dintre P(x) şi G(x). Acest produs se calculează continuu folosind structuri hardware de tipul registrelor de depalsare. 4.4 Codarea canalului Prin codarea canalului se înţelege transformarea simbolurilor primare ale sursei în simboluri specifice canalului. Aşa cum s-a arătat, la canalele digitale aceste simboluri pot fi nivele de tensiune, fronturi de tranziţie între nivele, sau impulsuri.

Principalul scop al codării canalului este acela de a putea menţine sincronizarea de bit. Din multe motive de ordin tehnologic şi economic semnalul de tact pe baza căruia se generează datele seriale nu este transmis împreună cu datele. Aceasta presupune că frecvenţa de transmisie este fixă şi că la receptor există un generator de tact care furnizează aceeaşi frecvenţă ca la emiţător. Generatoarele de tact cu cristale de cuarţ rezolvă, în principiu, această problemă. Totuşi, dacă se transmite un şir lung de biţi avînd aceeaşi valoare (0 sau 1), este posibil să se piardă sincronizarea.

În continuare se prezintă cîteva metode de codare a datelor la transmisia pe canale digitale.

Metoda NRZ (Non Return to Zero). Aceasta este codarea "naturală", adică bitul 0 se codează printr-un palier scăzut de tensiune, iar bitul 1 printr-un palier ridicat. Numim celulă de bit durata alocată transmiterii unui bit de informaţie. În sistemul NRZ nivelul de tensiune este eşantionat la mijlocul celulei de bit, pentru a deternmina valoarea numerică binară a semnalului. În Fig.4.2 se dă ca exemplu codarea secvenţei binare 101100.

Dezavantajul metodei este că sincronizarea de bit este o problemă dificil de rezolvat.


Metoda RZ (Return to Zero). Bitul 1 se codează prin prezenţa unui impuls în celula de bit, iar bitul 0 prin absenţa impulsului (Fig.4.3).

Avantaj: prezenţa fronturilor la mijlocul celulei de bit face mai uşoară sincronizarea. Dezavantaj: Numărul de tranziţii se dublează faţă de metoda NRZ, deci se dublează şi lăţimea de bandă necesară.

Metoda FM. Este folosită la codarea informaţiei memorate pe discuri magnetice. Particularitatea acestora este că funcţionează la viteză unghiulară constantă, deci la frecvenţă de bit variabilă, crescînd de la marginea discului către centrul acestuia. Metoda FM este un mixaj de impulsuri de tact cu impulsuri de date. Fiecare celulă de bit conţine un impuls de tact în prima jumătate a celulei de bit. Biţii 1 se codează prin prezenţa unui impuls de date în a doua jumătate a celulei de bit, iar biţii 0 prin absenţa acestui impuls (Fig. 4.4). Lăţimea de bandă necesară este de patru ori mai mare decît la metoda NRZ.

Metoda NRZI (Non Return to Zero Inverted). Bitul 1 se codează prin prezenţa unei tranziţii la mijlocul celulei de bit, iar bitul 0 prin absenţa ei (Fig.4.5).

Metoda îmbină avantajele metodelor NRZ şi RZ, anume, frontul este mai uşor de detectat decît palierul, dar lăţimea de bandă nu se dublează.

Fig. 4.4. Codarea FM

0 1 1 1 0 0

Fig.4.3. Codarea RZ

1 10 01 0

Fig. 4.2. Codarea NRZ

0 011 0 1


Metoda AMI (Alternate Mark Inversion). Spre deosebire de metodele prezentate anterior, se folosesc trei nivele de tensiune: pozitiv, zero şi negativ. Bitul 0 este codificat prin absenţa unui impuls în celula de bit, iar bitul 1 prin prezenţa impulsului. Pînă aici, metoda este identică cu RZ dar, spre deosebire de RZ, impulsurile alternează ca nivel de tensiune. Avantajul alternării este că nivelul mediu de tensiune pe canal este constant, ceea ce simplifică situaţia din punctul de vedere al perturbaţiilor legate de deriva de nul pe firul de masă.

Metoda HDB3 (High Density Bit 3). Toate metodele prezentate pînă acum au un dejavantaj major, anume că un şir lung de biţi 0 se traduce prin inactivitate pe canal, ceea ce poate duce la pierderea sincronizării de bit. Metoda HDB3 este o variantă a metodei AMI, în care se introduce convenţia că o secvenţă de patru biţi 0 se codează fie ca 0001 fie ca 1001. Pentru a putea deosebi secvenţele reale 0001 sau 1001 de cele convenţionale, acestea din urmă se transmit cu viol de paritate, adică, pentru un singur impuls, nu se respectă alternanţa nivelelor de tensiune În fig. 4.7 se prezintă codarea secvenţei 0110000 în cele două variante.

1 0 1 1 0 0

Fig.4.6. Codarea AMI

Fig. 4.5. Codarea NRZI

1 0 1 1 0 0

Fig. 4.7. Codarea HDB3

0 1 1 0 0 0 0

0000->0001

0000->1001

Viol de paritate


Metoda Manchester. Este folosită la reţelele de calculatoare de tip Ethernet de 10Mbit/sec. Codul Manchester este un cod bifazic cu tranziţie în mijlocul fiecărei celule de bit. Bitul 1 se codează printr-o tranziţie crescătoare, iar bitul 0 printr-una descrescătoare. Metoda are multiple avantaje: se asigură o activitate continuă pe canal, chiar şi pentru şiruri de 0; detecţia se face pe front, nu pe palier, deci este mai sigură; nivelul mediu de tensiune este cvasiconstant.

Fără a intra în amănunte, menţionăm aici faptul că şi în codarea canalelor digitale există metode de codare redundantă, care dublează codarea redundantă a sursei. De exemplu şirul de biţi este decupat în tetrade, care sînt apoi recodate redundant în secvenţe de 5 biţi şi trimise pe canal.

Fig. 4.8. Codarea Manchester

0 0 11 0 1


Cap. 5. Canale de comunicaţie 5.1. Caracteristici ale canalelor de comunicaţie Canalul este mediul fizic prin care se transmite informaţia între sursă şi receptor. Se pot clasifica în canale cu medii mărginite şi canale cu medii nemărginite.

Mediile mărginite sînt acelea prin care semnalul se propagă ghidat, fără pierderi semnificative prin radiaţie. Ex: diferite tipuri de cabluri de Cu sau Al, diferite tipuri de fibre optice.

Mediile nemărginite se referă, în cazul comunicaţiilor de date, la propagarea undelor radio. În situaţia în care antena unui emiţător radio disipă puterea uniform în toate direcţiile, puterea semnalului la receptor este invers proporţională cu puterea a treia a distanţei (notată R).

3

1R

P ≈

Definim debitul binar al unei căi prin numărul de biţi de informaţie care poate fi transmis într-o secundă. În sens strict, debitul binar reprezintă doar cantitatea de informaţie utilă transmisă. După cum s-a arătat, informaţiei utile i se adaugă, la diferite nivele, informaţie redundantă. Debitul binar se măsoară în [bit/sec].

Se defineşte viteza de modulaţie, vm, ca fiind viteza cu care se schimbă stările circuitului ce transmite simboluri pe canal. Viteza de modulaţie se măsoară în [baud]. Deoarece un circuit poate avea mai mult de două stări rezultă că debitul binar poate fi mai mare decît viteza de modulaţie. Dacă numărul de stări este M şi debitul binar D, atunci

MvD m 2log=

Dacă privim semnalul ca pe o undă, atunci canalele se caracterizează prin lăţimea de bandă (bandwidth). Lăţimea de bandă se calculează ca diferenţa dintre frecvenţa maximă şi cea minimă transmise pe canal. Exemplu: circuitul telefonic primar (în banda de bază) are o lăţime de bandă de 3400Hz – 300Hz = 3100Hz.

Relaţia dintre capacitatea unui canal, reprezentată ca debit binar, şi lăţimea de bandă este dată de legea lui Shannon.

)1(log 2 NPWD +=

unde W este lăţimea de bandă, P puterea semnalului la intrarea în canal şi N puterea zgomotului pe canal. Acest model implică faptul că debitul binar poate fi crescut nelimitat, indiferent de lăţimea de bandă, dacă se asigură un raport semnal zgomot destul de bun. În practică, acest raport nu poate fi crescut nelimitat.

Prin zgomot se înţeleg, în afară de perturbaţiile externe, şi distorsiunile introduse de către canalul însuşi. O altă sursă de zgomot este diafonia, care se manifestă prin trecerea informaţiei de pe un canal pe un alt canal adiacent. Distorsiunile şi diafonia se reduc atît prin măsuri pasive (ecranare, echilibrare) cît şi prin măsuri active (filtre).


5.2. Cabluri conductoare

Cablurile conductoare sînt medii ghidate şi au fost primele tipuri de canale de comunicaţii de date folosite. Cablurile se confecţionează din Cu sau Al. Se prezintă în continuare cîteva tipuri de cabluri conductoare.

5.2.1 Cablul telegrafic În figura 5.1. s-a notat cu T echipamentul emiţător, cu bobina secundară a transformatorului de ieşire, iar cu R, echipamentul de recepţie, cu bobina primară a transformatorului de intrare.

Primele cabluri telegrafice foloseau un fir pentru semnal şi pămîntul pentru masă (fig.a). Deoarece pămîntul nu este un conductor ideal, aceste cabluri erau puternic influenţate de condiţiile de mediu. O soluţie mai bună, deşi mai scumpă, este cablul bifilar (fig.b). Şi în acest caz există o sensibilitate la perturbaţii, în special la cele de mod comun. Perturbaţiile de mod comun sînt acelea care se manifestă identic pe ambele fire. O soluţie îmbunătăţită este aceea a transmisiei echilibrate (fig.c) la care masa se leagă la mijlocul bobinei. În acest fel, semnalul util la recepţie este diferenţa dintre potenţialele celor două linii şi perturbaţiile de mod comun sînt eliminate.

5.2.2 Cablul telefonic. Baza reţelei de distribuţie la abonat a serviciilor telefonice o constituie cablul bifilar torsadat. Prin torsadare se înţelege operaţia de răsucire împreună a celor două fire, cu un pas constant. Cablul bifilar torsadat se poate monta aerian sau subteran. Cablurile aeriene sînt mai ieftine şi mai uşor de întreţinut, dar sînt mai sensibile la condiţiile atmosferice.

Perechile torsadate se pot grupa în cabluri conţinînd între 4 şi 3000 de perechi. Cablurile cu multe perechi se foloseau la legarea centralelor telefonice între ele. În prezent perechea torsadată este încă folosită pentru distribuţia la abonat, în timp ce între centrale se folosesc cabluri coaxiale sau fibre optice. În cazul perechilor torsadate de lungime mare (de ordinul Km), impedanţa cablului devine semnificativă. Această impedanţă nu este pur rezistivă, de aceea atenuarea nu este constantă în banda de bază a canalului, ci creşte odata cu frecvenţa.

a) R T

b) R T

c) R T

Fig.5.1. Cablul telegrafic


5.2.3 Cablul coaxial şi ghidul de undă Lăţimea de bandă a cablului coaxial este mai mare decît a cablului bifilar, putînd să ajungă la 2000 MHz. Cablul este format din:

1 -Miez de cupru, numit şi fir cald

2 - Izolator din material plastic

3 - Tresă formată din fire de cupru împletite, legată la masă

4 - Înveliş de protecţie din material plastic

Cele Mai folosite cabluri coaxiale sînt cele cu impedanţa Z de 50Ω, folosite în reţele locale de calculatoare şi cele cu impedanţa de 75Ω, folosite în televiziune.

Principalul avantaj al cablului coaxial este că are o foarte bună protecţie la perturbaţii externe din categoria radiaţiilor electromagnetice.

La frecvenţe din domeniul microundelor, cablul coaxial devine inutilizabil din cauza dielectricului (2) din material plastic, care induce pierderi mari la aceste frecvenţe. Ghidurile de undă sînt componente metalice de forma unor tuburi cu secţiune dreptunghiulară sau circulară. Într-un ghid, unda se propagă reflectîndu-se de pereţii ghidului. Gama de frecvenţe este 2 GHz ... 110 GHz. Actualmente ghidurile se folosesc doar pe distanţe foarte scurte, între antena de microunde şi etajul de ieşire al transmiţătorului, respectiv etajul de intrare al emiţătorului.

5.2.4 Cablurile STP şi UTP Cablurile STP (Shielded Twisted Pair – Pereche torsadată ecranată) şi UTP (Unshielded Twisted Pair – Pereche torsadată neecranată) se folosesc în special la reţelele de calculatoare.

Cablul STP se produce sub forma a două perechi ecranate fiecare în parte şi introduse într-un înveliş protector. Cablul UTP se produce sub forma a patru perechi într-un înveliş comun. Cablul STP foloseşte ecranul (tresa), legată la masă, pentru a reduce efectele radiaţiei electromagnetice, atît sub forma ei de zgomot extern, cît şi sub forma de interferenţă între cele două perechi. Cablul UTP foloseşte alte tehnici, cum ar fi torsadarea cu pas diferit a fiecăreia din cele 4 perechi sau filtrarea activă la recepţie.

Deşi, aparent, cablul STP are calităţi superioare, cel care s-a impus a fost cablul UTP. Principalele dezavantaje ale cablului STP sînt: este mai scump, mai gros, instalarea este mai dificilă din punct de vedere mecanic şi mai pretenţioasă din punct de vedere electric (o cablare greşită a masei compromite ecranarea), creşte atenuarea pe cablu la frecvenţe înalte.

Din punct de vedere tehnologic cablul UTP se fabrică în trei categorii, funcţie de lăţimea de bandă admisă.

- categoria 3 – 16 MHz bandwidth



1 2 3 4

Fig.5.2. Cablul coaxial


5.3 Transmisia prin unde radio Transmisiile de date avînd ca purtătoare unde radio se fac în domeniul de frecvenţe 3MHz ... 30MHz, numit convenţional “înaltă frecvenţă”. Propagarea undei între emiţător şi receptor se poate face fie direct, prin aşa numita “undă de sol”, fie prin unde care se reflectă în mod repetat în ionosferă şi pe suprafaţa pămîntului.

Undele de sol se propagă pînă la distanţe de zeci sau sute de kilometri, Distanţa fiind cu atît mai mare cu cît lungimea de undă este mai mare. La frecvenţe mari distanţa este mică şi sînt necesare relee de retransmisie. Undele reflectate se pot propaga, prin reflecţii repetate, pînă la distanţe foarte mari, dar calitatea recepţiei depinde foarte mult de starea vremii.

În domeniul frecvenţelor foarte mari şi al microundelor transmisia şi recepţia se fac în linie dreaptă, la vedere, din releu în releu. Avantajele acestui sistem sînt: - necesită o putere mică la emisie - se folosesc echipamente de mici dimensiuni (nu necesită clădiri speciale) - datorită frecvenţei mari, au o lăţime de bandă mare, deci pot transporta multe informaţii Ca dezavantaje menţionăm: - sînt sensibile la obiectele întîlnite în cale (de care se reflectă) şi la condiţiile atmosferice.

5.4 Sateliţi de comunicaţii 5.4.1 Dinamica sateliţilor geostaţionari

Sateliţii de comunicaţie au drept caracteristică faptul că sînt geostaţionari, adică evoluează pe orbită în jurul Pămîntului în aşa fel încît se află tot timpul deasupra aceluiaşi punct de pe suprafaţa sa.

În principiu, trei sateliţi geostaţionari, aflaţi pe orbită ecuatorială, pot acoperi întreaga suprafaţă a Pămîntului pînă la o latitudine de 60° nord-sud.

În Fig.5.3. s-a reprezentat satelitul S aflat pe orbită, cu notaţiile:

R – raza Pămîntului

H – înălţimea orbitei

FC – Forţa centrifugă, datorată mişcării de rotaţie

FG – Forţa centripetă, datorată atracţiei gravitaţionale.

R

S

FC

FG

H

Fig.5.3. Satelit geostationar


Satelitul este în echilibru pe orbită atunci cînd cele două forţe, de sens opus, sînt egale ca modul. Notăm: m – masa satelitului M – masa Pămîntului ω - viteza unghiulară a satelitului pe orbită K – constanta lui Newton )(2 HRmFC += ω

2)( HRmMKFG +

=

Calculăm în continuare condiţiile pentru ca un satelit să se menţină pe orbită la o altitudine foarte mică în raport cu raza pămîntului (ex: satelit de spionaj). Amintim că raza pămîntului este de circa 6300 Km. Aproximăm H = 0 şi egalăm cele două forţe pentru a calcula perioada de revoluţie a satelitului:

KMRT

RKM

TRKM

RmMKRm

3

3

2

32

22 22 ππωω =⇒=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛⇒=⇒=

Înlocuind constantele rezultă T = 84.48 minute şi o viteză liniară pe orbită de circa 28000Km/h.

Pentru o altă rază a orbitei avem relaţia lui Kepler:

22

21

22

21

RR

TT

=

Dacă R1 = R, R2 = R + H şi dacă punem condiţia ca T2 = 24h rezultă H = 35865 Km (pentru comparaţie, aceasta este circa o zecime din distanţa Pămînt – Lună). Viteza liniară a unui satelit geostaţionar este de circa 3Km/sec.

Concluzia acestor calcule este că există o singură orbită geostaţionară, ce aflată în planul ecuatorului, la distanţa calculată mai sus. Distanţa minimă între sateliţii plasaţi pe această orbită este stabilită prin convenţii internaţionale la 80Km.

Orbitele situate pe suprafaţa cvasisferică ce se află la la distanţa H, dar nu sînt ecuatoriale au proprietatea de a fi geosincrone. Aceasta înseamnă că poziţia satelitului nu este absolut fixă, el descriind pe firmament o traiectorie ce are forma cifrei 8.

Pentru sateliţii de joasă înălţime se folosesc orbite polare. Aceştia baleiază întreaga suprafaţă a Pămîntului în fîşii paralele cu meridianele, făcînd, aşa cum s-a arătat o trecere la fiecare cca 90 de minute.

5.4.2 Echipamentele de comunicaţie ale sateliţilor Echipamentul de emisie – recepţie instalat pe un satelit constă din 10-50 de unităţi repetoare numite transpondere. Fiecare dintre ele recepţionează semnal emis de pe Pămînt către satelit şi retransmite acel semnal către Pămînt. Frecvenţa de emisie către Pămînt a unui transponder diferă de frecvenţa de recepţie, pentru a evita interferenţele.

Domeniul de frecvenţe în care operează un sateliţii de comunicaţii este 6 – 25 GHz. Banda tipică a unui transponder este de 500MHz.

Există mai multe metode de a multiplexa căile la nivelul unui transponder:


1. FDMA - Frequency Division Multiple Access (acces multiplu cu multiplexare în frecvenţă)

Presupune că semnalul, de obicei semnal telefonic în modulaţie PCM (deci semnal numeric) modulează la rîndul său mai multe purtătoare de înaltă frecvenţă, pînă la acoperirea întregii benzi de 500MHz a transponderului. În această situaţie fiecare utilizator al satelitului are alocată o bandă fixă de frecvenţe, atît la recepţie cît şi la emisie. Alocarea se face pe toată durata menţinerii comunicaţiei.

2. TDMA - Time Division Multiple Access (acces multiplu cu multiplexare în timp)

În acest caz multiplexarea se face în timp, care se împarte în sloturi cu durata de 12-15μsec. Un utilizator are la dispoziţie întreaga bandă a transponderului, dar numai pe durata slotului său. Din punct de vedere al calităţii transmisiei această metodă este mai bună, deoarece nu mai există interferenţe între căi.

3. DAMA- Demand Assignment Multiple Access (acces multiplu cu alocare la cerere)

Ca şi la metoda TDMA, multiplexarea se face în timp. Diferenţa este că sloturile nu se mai alocă static, ci dinamic, în funcţie de traficul efectiv al fiecărui utilizator la un moment dat. Rezultă o mai bună utilizare a lăţimii de bandă. Gestiunea dinamică a sloturilor disponibile în funcţie de cererile utilizatorilor nu este o operaţiune simplă, dar progresele în domeniul tehnicii de calcul integrate au făcut posibilă implementarea acestui sistem.

5.5 Fibrele optice Ideea de a transmite semnale vocale prin modularea unei purtătoare din banda semnalelor vizibile i-a aparţinut lui Graham Bell în 1880. Modularea se făcea pe un dispozitiv mecanic cu membrană şi oglindă. De abia în anii 1960 progresul tehnologic (apariţia laserului) a făcut posibilă aplicarea tehnică a modulaţiei undelor din banda semnalelor luminoase. În acel moment comunicaţiile prin satelit apăruseră deja.

Principalele avantaje ale comunicaţiilor prin fibră optică în raport cu alte canale sînt: - Unda luminoasă are o frecvenţă foarte mare, deci poate transporta, prin modulaţie o

cantitate foarte mare de informaţie - Fibra optică e ferită de interferenţe şi de perturbaţii externe - Materialele sînt ieftine - Atenuarea este mică (sub 0.5db/Km) aşa încît repetoarele de pe traseu pot fi plasate la

distanţe mari - Transmisiile pe fibră optică nu pot fi interceptate

În acest moment fibrele optice constituie principalul canal de comunicaţie la distanţe mari. Tehnologia de fabricaţie şi amplasare a cablurilor submarine pe bază de fibre optice este bine pusă la punct. Sateliţii se folosesc în principal în zone izolate, acolo unde instalarea cablurilor nu este posibilă sau ar fi prea scumpă

Principiul de funcţionare al fibrei optice este cel al refracţiei unei unde la limita dintre două medii în care acea undă are viteze de propagare diferite. Dacă unghiul de incidenţă este A1 iar cel de refracţie este A2 atunci, conform legii lui Snell:

1

2

2

1

2

1

sinsin

nn

VV

AA

==


unde V1, V2 sînt vitezele de propagare în cele două medii iar n1, n2 indicii de refracţie. În Fig.5.4. linia orizontală reprezintă suprafaţa de separaţie dintre mediile M1 şi M2, iar linia verticală este normala la această suprafaţă. Se prezintă trei situaţii posibile.

În toate cazurile viteza de propagare în mediul 1 este mai mică decît în mediul 2.

a) raza se propagă din mediul 1 în mediul 2 b) unghiul de incidenţă are valoarea unghiului critic. Raza se propagă la limita dintre cele

două medii c) raza se propagă înapoi în mediul 1 (refracţie totală)

În funcţie de valorile indicilor de refracţie în cele două medii, se poate găsi un unghi de incidenţă critic, începînd de la care refracţia este totală.

Din punct de vedere constructiv fibrele optice constau dintr-un miez transparent (mediul 1), un înveliş (mediul 2) faţă de care are loc refracţia şi o teacă protectoare. În interiorul miezului unda se propagă ghidat prin refracţii totale succesive.

Dacă diametrul miezului e mare în raport cu lungimea de undă a luminii, atunci razele luminoase de frecvenţe diferite intră în miez cu unghiuri de incidenţă diferite şi se vor refracta sub unghiuri diferite, deci de un număr diferit de ori de-a lungul fibrei. Rezultă întîrzieri de propagare diferite. Undele ce intră în miez sub diferite unghiuri poartă numele de moduri de propagare sau, simplu, moduri. Aceste fibre optice se numesc fibre multimod.

Dacă diametrul miezului este mic (cel mult de cîteva ori lungimea de undă) atunci de-a lungul fibrei se poate propaga un singur mod (fibră monomod). Avantajul fibrelor multimod este că aceste moduri pot fi modulate cu semnale distincte (analog multiplexării în frecvenţă). Dezavantajul este că între aceste moduri există interferenţe.

Sursele de radiaţie pentru fibre optice sînt diode LED fabricate prin tehnologii speciale (laser LED). La recepţie se folosesc dispozitive de tip fotodiodă sau fototranzistor.

A1A1A1

M2M2 M2

M1 M1 M1

a) b) c)

Fig.5.4. Refracţia în fibre optice

A2 A2

A2


Cap. 6 Sisteme de comunicaţii mobile 6.1 Comunicaţii radio mobile

Abordăm pe scurt această tematică pentru a sublinia asemănările şi diferenţele faţă de telefonia celulară. Primele încercări de comunicaţie fără fir prin staţii radio mobile (aşa numitele “walkie-talkie”), au apărut în SUA în 1946. Ele funcţionează semiduplex şi sînt folosite şi astăzi în aplicaţii civile şi militare. Au avantajul independenţei totale, neavînd nevoie de nici o structură preinstalată.

Sistemele actuale de comunicaţii mobile presupun existenţa mai multor staţii mobile, numite în continuare MS (Mobile Station), grupate în teritoriu în jurul unei staţii fixe, BS (Base Station), care are rol de dispecer. În sistemele mai simple, de exemplu în taximetrie, se alocă o singură frecvenţă atît la emisie cît şi la recepţie, transmisia fiind semiduplex. Semnalul vocal modulează direct frecvenţa purtătoare. Staţiile sînt, în mod normal, “pe recepţie”, iar atunci cînd un utilizator doreşte să emită, el va apăsa un buton şi va fi auzit de toţi receptorii.

Există situaţii cînd această soluţie nu este satisfăcătoare şi se cere ca dispecerul să aibă un rol mai mare. În aceste sisteme, folosite de serviciile de ambulanţă, pompieri, armată, poliţie, există două frecvenţe separate: una pe care MS emite către BS (uplink) şi una pe care MS recepţionează (downlink). În acest fel, dispecerul alege ce mesaje vor fi transmise, sau retransmise, şi cui. Pentru a “adresa” o anume staţie, sau un grup de staţii, BS va emite un grup de "tonuri" de apel. Tehnic vorbind, acest mod este analog cu cel în care un telefon fix formează un număr de apel către centrală. Deosebirea este că, în acest caz, centrala emite numărul şi staţiile iau decizia de a intra sau nu în recepţie. La nivelul MS, echipamentul care discerne adresa de tonuri are şi funcţia de a face reglajul automat al amplificării semnalului emis de BS, în funcţie de condiţiile de mediu. În lipsa unui semnal semnificativ, MS suprimă zgomotul de fond şi intră "în tăcere". În momentul în care este recepţionată o serie de tonuri care corespund acelei MS, aceasta intră din nou în recepţie activă.

6.2 Caracteristicile telefoniei celulare GSM

Tot în SUA a fost dezvoltat conceptul de telefonie celulară, cu administrarea computerizată a frecvenţelor, în anii ’60. Datorită unor dificultăţi de ordin legislativ proiectul a fost întîrziat.

Primele sisteme de telefonie celulară apar în Japonia şi în ţările nordice în anii 1979 – 1980. In 1982 se creează, la nivel european, “Grupul Special Mobil”, avînd rolul de a crea standardele europene de telefonie celulară. În prezent GSM este acronimul de la Global System for Mobile Communication.

Principalele caracteristici tehnice ale telefoniei celulare GSM sînt - banda de frecvenţe pentru uplink: 890 – 915 MHz - banda de frecvenţe pentru downlink: 935 – 960 MHz - lăţimea unui canal: 25 KHz - debitul binar: 13 Kbit/sec

Principalele avantaje ale telefoniei celulare sînt: - mobilitate totală în întreaga Europă


- alocare eficientă a spectrului de frecvenţă, de unde rezultă capacitatea reţelei de a suporta un număr mare de abonaţi

- securitate sporită: posibilitatea de a aloca numere temporare şi de a cripta informaţia

- cost redus pentru terminale datorită producţiei în masă - servicii superioare: compatibilitate ISDN, transmisii de date, fax, mesaje

6.3 Arhitectura de bază a unei reţele celulare

6.3.1 Elemente componente

Specific telefoniei celulare este împărţirea ariei geografice acoperite în celule, fiecare celulă fiind deservită de un echipament propriu. De obicei aria acoperită de o celulă este circulară, dar există şi celule echipate cu antene direcţionale, care dau celulei o formă alungită (de exemplu de-a lungul şoselelor). Se consideră de obicei un pattern hexagonal pe baza căruia se poate modela cel mai bine separarea celulelor, aşa fel încît două celule alăturate să nu folosească aceeaşi frecvenţă.

Dimensiunea unei celule este dată atît de caracteristicile de relief ale zonei acoperite, cît şi de traficul la care este supusă celula. În mediul rural, aria de acoperire este dată în primul rînd de puterea emiţătorului şi de înălţimea antenei. În zonele metropolitane celulele sînt mult mai mici ca suprafaţă, traficul fiind factorul predominant.

Cele trei elemente principale ale sistemului de telefonie celulară sînt a) terminalele mobile (telefoanele) b) celulele, în sensul echipamentelor care deservesc o celulă c) centralele de comutare MSC (Mobile Switching Center)

6.3.2 Terminalul mobil Principalele diferenţe între un terminal mobil de comunicaţii radio şi un terminal

mobil de telefonie celulară (telefon mobil) sînt că:

- Două telefoane mobile nu pot comunica direct între ele oricît de aproape s-ar afla. Terminalul de telefonie mobilă poate comunica doar cu o celulă.

- Transmisia nu este analogică ci este codată digital. Se foloseşte un standard particular GSM, care are un debit binar de 13 Kbit/sec.

IS41 MSC1 MSC2

BTS

BTS

BTS

PSTN sau alte reţele

Fig.6.1 Structura unei reţele celulare


Toţi producătorii de terminale mobile respectă standardele GSM. Diferenţele dintre diferite aparate se referă la gradul de miniaturizare, numărul de butoane, afişaj, design, fiabilitate, preţ.

Tendinţa actuală este de a migra spre terminale de tip “communicator” care, pe lîngă serviciile vocale, oferă servicii de tip fax, transmitere de imagini şi fişiere de calculator, e-mail, Internet, la care se adaugă servicii de tip “organizer” (agendă de lucru).

Deasemenea, din ce în ce mai multe terminale se încadrează în categoria „smartphone”, fiind adevărate calculatoare cu sistem de operare propriu şi folosind limbajul Java pentru dezvoltarea aplicaţiilor.

6.3.3 Celula Acesta are următoarele componente

- BTS (Base Transceiver Station – Staţia de bază de emisie/recepţie) constă din antena şi echipamentul radio de emisie/recepţie care defineşte, în funcţie de puterea sa, aria de cuprindere a celulei. Acest echipament conectează terminalul mobil la centrala MSC.

- BSC (Base Station Controler – Controlerul staţiei de bază). Conţine partea digitală a echipamentului celulei. Această componentă translatează semnalul de voce de 13 Kbit/sec în standardul PCM (64Kbit/sec, descris în cursurile anterioare) şi administrează resursele radio ale BTS.

În funcţie de tipul celulei, rurală sau metropolitană, şi de alte condiţii, BTS se poate afla în aceeaşi construcţie cu BSC sau la distanţă de acesta. În concentrările urbane, cu trafic foarte intens, celulele au dimensiuni foarte mici (sute de metri) şi se pot lega mai multe transceivere la un controler.

Antena serveşte doar pentru legătura între terminale şi BTS. Legătura între BTS şi centrala de comutare se face prin canalele specifice telefoniei, anume:

- circuite analogice pe 2 fire. Situaţia este specifică celulelor foarte mici, care nici nu se leagă la o centrală MSC, ci direct la o linie telefonică comutată din PSTN

- circuite digitale pe cablu de cupru. Este cel mai răspîndit mod de comunicare între celule şi centrale şi se realizează pe lungimi ce pot varia între interiorul unei clădiri şi distanţe de ordinul kilometrilor

- fibra optică, permite legături la distanţe mari, pînă la 40 Km fără a folosi repetoare.

- Microunde O celulă dispune de mai multe canale radio de comunicaţie cu terminalele, fiecare

canal avînd o frecvenţă pentru uplink şi una pentru downlink. Pentru a evita interferenţele, orice două celule adiacente trebuie să folosească frecvenţe diferite. Celulele vor forma grupuri numite “clustere”, pe criteriul că toate celulele din cluster folosesc frecvenţe diferite. Dacă semnalul emis de o celulă nu se propagă în afara clusterului, atunci acea frecvenţă poate fi refolosită.

6.3.4 Centrala de comutare Principalul rol al MSC este de a monitoriza permanent puterea semnalului primit de la fiecare terminal mobil aflat în aria de servicii celulare (de notat faptul ca terminalele sînt active permanent, nu doar pe durata convorbirii). Pe această bază terminalul este asignat în


fiecare moment unei celule, cea mai apropiată. Dacă celula nu poate prelua apelul din cauze tehnice sau de trafic, el este redirecţionat către altă celulă apropiată.

Centrala deţine o bază de date prin care gestionează abonaţii. Elementele acestei baze de date sînt:

- HLR (Home Location Register). Este principala componentă a bazei de date a reţelei celulare. Stochează datele referitoare la toţi abonaţii înregistraţi ca fiind abonaţi locali ai celulei respective.

- VLR (Visitor Location Register). Înregistrează datele acelor abonaţi care traversează celula, dar au altă zonă de domiciliu.

Există şi alte înregistrări în baza de date, ce permit furnizarea de informaţii despre fiecare abonat, urmărirea telefoanelor neomologate sau a celor declarate furate etc.

Din punct de vedere tehnologic MSC este un echipament hard+soft care înregistrează toate apelurile şi tipurile de servicii oferite fiecărui terminal. Pe această bază se centralizează apelurile şi se întocmesc facturile de plată .

Legarea centralelor MSC într-o reţea telefonică globală se face prin diferite mijloace de comunicaţie, dintre care cel mai utilizat rămîne reţeaua publică comutată (PSTN). Pentru realizarea legăturilor bilaterale între două centrale s-a adoptat un standard notat IS-41. Centralele comunică între ele doar în scopuri de semnalizare, adică pentru a urmări terminalele şi a le asigna pe fiecar cîte unei celule. Traficul propriu-zis este direcţionat către un nivel ierarhic superior al reţelelor de comunicaţii, care poate fi PSTN, ISDN sau o altă reţea disponibilă.

6.4 Procesarea apelurilor în reţeaua celulară Pentru stabilirea unei conexiuni telefonice este necesar ca centrala care a preluat un abonat la un moment dat să cunoască poziţia şi datele de identificare ale acestuia, indiferent dacă abonatul este în zona de domiciliu sau este vizitator. Un telefon fix este "personalizat", adică primeşte un număr atunci cînd este legat la centrala locală prin două fire electrice. În cazul telefoanelor mobile această legătură nu mai există, deci trebuie găsite alte metode de a atribui numere de apel.

Mecanismul de securitate al sistemului GSM conţine următoarele elemente - SIM (Subscriber Identity Module) este o plăcuţă cu circuite integrate prin care se

face identificarea în mod unic a unui terminal. Pe cartelă se află un microprocesor, memorii RAM şi EPROM, care implementează diverse proceduri de comunicaţie cu centrala, inclusiv cele care se referă la securizarea datelor prin criptare, la nivelul interfeţei dintre MS şi BTS.

- ESN (Electronic Serial Number) este un cod înscris în terminal la fabricaţie şi care identifică producătorul şi seria aparatului.

- SID (System IDentification number) identifică zona "home" a terminalului, cea în care a fost înregistrat.

Prin urmare, ESN identifică aparatul ca obiect fizic iar SIM se obţine la încheierea unui contract cu un furnizor de servicii GSM, identifică terminalul ca parte a reţelei şi îi atribuie un număr de apel.

Spre deosebire de telefoanele fixe, cele mobile comunică tot timpul cu echipamentul celulei pe a cărei arie de cuprindere se află. Terminalul recunoaşte faptul că se află în zona


proprie deoarece primeşte tot timpul semnale care conţin codul de identificare SID al celulei, pe care îl compară cu cel din memoria sa. În momentul în care un MS părăseşte zona proprie, el continuă să comunice cu echipamentul celulei în care a intrat, şi care îl consideră vizitator. În acest fel, fiecare terminal este urmărit tot timpul.

Dacă un terminal înregistrat în zona A intră în zona B centrala zonei B identifică abonatul după SIM şi verifică dacă a mai fost înregistrat vreodată în zona B. În caz contrar trimite o cerere de identificare către centrala zonei A. După identificare centrala alocă terminalului un număr temporar local. Toate apelurile către terminal vor fi direcţionate prin PSTN către zona B la acest număr.

În cazul apelului către un telefon mobil, de la un telefon standard la sau de la unul mobil, MSC la care este arondat terminalul va primi un apel. Dacă aceasta nu găseşte abonatul în zona “home” atunci va lansa un semnal de căutare care conţine codul SIM al abonatului folosind un canal special de control. Centrala care va identifica prezenţa abonatului pe raza sa de acţiune va selecta celula cu cea mai mare putere pentru acel terminal şi va prelua apelul.

In cazul apelului de pe un telefon mobil către un alt telefon, echipamentul celulei verifică mai întîi dacă telefonul se află în zona "home" sau nu. Printr-o procedură numită "handover" apelul este pasat, pe diferite nivele ierarhice ale reţelei pînă cînd este preluat de centrala "home". Aceasta iniţiază apoi apelul către celălalt aparat.

6.5. Arhitectura sistemului GSM Se prezintă în figură arhitectura sistemului de comunicaţii GSM în formă ierarhizată.

Pe nivelul cel mai înalt, numit şi NSS (Network Switching Subsystem) se află echipamentele însărcinate să gestioneze comutările în reţea. Ele constau din centralele de comutare MSC, fiecare cu baza ei de date, conectate între ele şi conectate la rîndul lor la o reţea de comunicaţii globală, Aceasta poate fi PSTN, ISDN sau altă reţea. Telefonia mobilă nu are o reţea globală proprie, distinctă de celelalte medii de comunicaţii şi dedicată doar comunicaţiilor GSM. Această funcţionalitate de conectare este figurată prin blocul IWF (InterWorking Function).

Următoarele două nivele formează subsistemul staţiilor fixe ale reţelei, BSS (Base Station System). Aici se află echipamentele aferente celululor, anume transceiverele BTS şi controlerele BSC. În fine, pe ultimul nivel se află staţiile mobile MS.

Între nivele se definesc interfeţe standardizate. Interfeţele notate "A", respectiv "A bis" presupun comunicaţii pe canale ghidate, în timp ce interfaţa notată "Air interface", cea dintre staţiile mobile şi cele fixe, este o comunicaţie radio cu date digitale, cu un debit binar de 13 Kbit/sec.


6.6 Evoluţia sistemelor de comunicaţii mobile. În general se acceptă o categorisire a evoluţiei tehnologice a sistemelor de comunicaţii mobile în patru generaţii, notate 1G...4G. Principalele aspecte vizate de evoluţie au fost: - creşterea continuă a debitului binar în transferul de date - oferirea de noi servicii, cu migraţie de la simpla comunicare vocală la schimbul de mesaje şi imagini, către servicii de tip Internet. În continuare trecem în revistă generaţiile succesive. 6.6.1 Generaţia 1G. Prima generaţie de comunicaţii mobile a avut în vedere transmisia analogică a vocii. Canalele de comunicaţie sînt de două tipuri:

- canale vocale, pentru transmiterea vocii; - canale de control, pentru transferul informaţiilor de identificare, pentru semnalizarea

activităţii vocale, cereri de acces la un canal de comunicaţie, informaţii de control (spre exemplu informaţii privind puterea de emisie, informaţii privind calitatea recepţiei etc).

Canalele vocale sînt canale analogice utilizînd modulaţia în frecvenţă FM. Canalele de control sînt canale digitale, utilizînd modulaţia numerică a fazei numită

FSK (Frequency Shift Keying).

Fig.6.2. Arhitectura sistemului de comunicaţii GSM

BTS BTS

"Air" interface

HLR VLR IWF

MSC

PSTN, ISDN sau alte reţele

MSC

"A" interface

BSC BSC

"A bis" interface

MS MS MS MS

NSS

BSS


6.6.2 Generaţia 2G. A doua generaţie renunţă complet la transmisia analogică, canalele vocale fiind codate digital. Au fost elaborate mai multe standarde 2G, dintre care cel mai utilizat este GSM. Acesta a introdus cartela SIM ca element de identificare şi suport de memorare. Deasemenea au fost introduse serviciul de mesaje scurte numit SMS şi serviciul de email. Codarea digitală face posibilă creşterea debitului binar pentru o lăţime a benzii de frecvenţă dată. Deasemenea, scade puterea radio necesară, atît la terminal cît şi la celulă. La nivelul terminalului, aceasta a însemnat, pe de o parte, scăderea dimensiunii acestuia şi creşterea duratei de lucru a bateriei, iar pe de altă parte, scăderea nivelului de radiaţii electromagnetice la care este supus corpul uman. Deasemenea, codarea digitală a făcut posibilă o mult mai bună securizare a comunicaţiilor mobile, prin aceea că: - în sistemul analogic era relativ simplă clonarea unui aparat telefonic, cu folosirea aceluiaşi număr de apel. - codarea digitală face posibilă criptarea datelor; în sistemul analogic o convorbire putea fi „ascultată” prin simpla interceptare a semnalului radio. 6.6.3 Generaţia 2.5G.

Caracteristic generaţiei 2.5 este faptul că foloseşte infrastructura reţelei GSM, dar

transferul datelor se face prin comutarea pachetelor, în locul comutării de circuite. Mesajul (sau fişierul) este împărţit în pachete şi fiecare pachet este trimis către adresa de destinaţie.

Dintre tehnologiile de creştere a debitului de date, prin comutarea de pachete s-au impus tehnologiile:

- GPRS (General Packet Radio Service), care defineşte noi pachete şi noi noduri în reţeaua GSM.

- EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution) care adoptă o variantă îmbunătăţită de modulaţie prin codarea fazei.

6.6.4 Generaţia 3G.

Principalele două familii de tehnologii mobile 3G sînt UMTS (Universal Mobile

Telecommunications System) şi CDMA2000, primul sistem fiind folosit în Europa iar cel de al doilea în SUA. UMTS foloseşte tehnologia de multiplexare în timp numită W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access)

Migrarea de la GSM şi GPRS la UMTS se face cu păstrarea centralelor mobile (MSC) existente. În schimb, echipamentele celulelor (Base Station Controller şi Base Transceiver Station) trebuie înlocuite.

Cîteva dintre serviciile oferite de generaţia de echipamente 3G sînt: transmisie digitală a vocii şi imaginilor, e-mail, cuplarea la Internet, VoIP (Voice over Internet Protocol), efectuarea de tranzacţii bancare.


6.6.5 Generaţia 4G.

Generaţia a patra îşi propune să ofere soluţii stabile şi sigure de comunicaţii mobile de bandă largă, bazate pe IP, pentru calculatoare laptop dotate cu modemuri wireless, pentru terminale de tip smartphone şi alte asemenea echipamente. Aplicaţii precum multimedia streaming sau jocuri cer access constant la Internet cu bandă foarte largă, chiar în zonele mai izolate ale celulelor. Pentru a realiza acest deziderat, în generaţia 4G se folosesc tehnologii noi, precum: - OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Acces) care are performanţe mai bune decît CDMA prin folosirea unor algoritmi noi.

- MIMO (Multiple Input Multiple Output). Acest sistem prevede ca o comunicaţie radio de date între un emiţător şi un receptor să se facă, concomitent, pe mai multe canale şi cu mai multe antene, atît la emisie cît şi la recepţie.


Cap.7 Comunicaţii digitale pe linii telefonice 7.1 Standardul ISDN 7.1.1 Caracteristici şi servicii ISDN (Integrated Service Digital Network – Reţele numerice cu servicii integrate) este o alternativă la serviciile telefonice clasice, care oferă mai multe servicii integrate. Coordonarea internaţională a ISDN se face de către CCITT, acelaşi organism care coordonează şi telefonia. În România serviciul ISDN este oferit de ROMTELECOM.

Principalele caracteristici ale ISDN sînt: - transmisii de date şi voce pe aceeaşi reţea - conexiuni comutate sau permanente - comutare de circuite sau de pachete - facilităţi de control al serviciilor şi de gestiune şi mentenanţă a reţelei - compatibilitate cu standardele ISO pentru reţele

Instalarea şi întreţinerea unui post ISDN sînt asemănătoare cu ale unui post telefonic clasic. Cablul este diferit de cel telefonic şi pentru instalarea sa se plăteşte o taxă. În continuare se plăteşte un abonament lunar şi un supliment care ţine cont de traficul efectiv.

Ca şi GSM, ISDN este un standard european. În SUA el a pătruns cu dificultate iar, în acest moment, în SUA se dezvoltă în special serviciile integrate ce folosesc ca suport reţeaua de televiziune prin cablu.

Serviciile oferite de ISDN sînt următoarele - telefon multifuncţional – permite servicii telefonice cu următoarele facilităţi:

formarea repetată a numărului, dispozitiv de răspuns automat, înregistrarea de mesaje - teleconferinţe - grupuri închise de utilizatori – membrii unui grup pot utiliza reţeaua publică la fel ca

pe una privată, în care apelul din afară nu e acceptat decît prin căi controlate - videotext – are aici sensul de serviciu interactiv cu diverse bănci de date publice. Ex:

cartea de telefon, mersul trenurilor, liste de preţuri, operaţii bancare - teletext – în accepţiunea ISDN este o formă de serviciu poştal alternativă faţă de poşta

clasică sau de serviciile e-mail. - servicii de fax - telemetrie şi alarme

Spre deosebire de seviciul telefonic clasic, ce oferă un canal analogic cu o bandă de cca 4 KHz, transmisia ISDN se face prin următoarele canale:

- canalul A este un canal telefonic analogic cu o lăţime de bandă de 4 KHz - canalul B este un canal digital de 64 Kbit/sec, cu modulaţie PCM, pentru date sau voce - canalul C este un canal digital de 8 sau 16 Kbit/sec pentru date - canalul D este un canal digital de 16 sau 64 Kbit/sec pentru semnalizări 7.1.2 Transportul în reţele ISDN

Centralele ISDN folosesc reţelele de comunicaţie existente pentru a asigura transportul datelor. Structura de transport este cea din figura următoare , unde:


- reţeaua analogică constă din acele canale de transport ale reţelei publice care funcţionează cu multiplexare în frecvenţă şi comutare de linii

- reţeaua digitală constă din acele canale de transport ale reţelei publice care funcţionează cu multiplexare în timp şi comutare de pachete

- reţeaua CCIS (Common Channel Interoffice Signaling) a apărut în 1976 şi se caracterizează prin aceea că este o reţea la care partea de semnalizare este separată de semnalul vocal şi chiar de reţeaua publică cu comutare de linii. Practic semnalizarea se desfăşoară exclusiv printr-un traseu cu comutare de pachete la care abonatul nu are acces.

7.1.3 Configuraţii ISDN la abonat Abonatul casnic Poate avea pînă la 8 terminale de diverse tipuri legate la un terminal

de reţea (network terminal) notat NT1, pe care societatea de transport îl plasează la domiciliul abonatului. NT1 comunică bidirecţional cu terminalele ISDN printr-un “canal de biţi”. NT1 monitorizează terminalele şi rezolvă competiţia dintre ele în cazul unei tentative de acces simultan la centrală.

Abonatul mare (societate comercială) În acest caz la sediul societăţii se instalează un dispozitiv, NT2, numit PBX (Private Branch Exchange). Acesta are funcţia unei centrale locale ISDN, dar poate gestiona un număr limitat de posturi, avînd capacitate mai mică. Terminalele locale se pot apela între ele formînd numere cu puţine cifre.

Reţeaua de telefonie analogică

Reţeaua de telefonie digitală

Reţeaua de telefonie CCIS

Centrală ISDN

Centrală ISDN Terminal Terminal

Telefon ISDN

Terminal ISDN

Alarmă ISDN

Centrală ISDN NT1

canal de biţi T U


Terminalele non-ISDN se pot conecta la centrala locală prin intermediul unui adaptor de terminal TA (Terminal Adaptor).

Reţelele locale de calculatoare se pot conecta la centrala locală printr-un gateway. Gateway este un termen generic ce desemnează un dispozitiv care interfaţează două reţele care lucrează în standarde diferite.

Se pot distinge patru tipuri de conexiuni între diferitele dispozitive ale unei reţele ISDN, notate R, S, T, U.

- punctul U defineşte conexiunea dintre terminalul NT1 şi centrala ISDN

- punctul T defineşte conexiunea dintre terminalul NT1 şi echipamentul abonatului

- punctul S defineşte conexiunea dintre centrala locală PBX şi terminalele ISDN

- punctul R defineşte conexiunea dintre echipamentul de adaptare şi terminalele non-ISDN

Echipamentele NT1 şi NT2 pot fi închiriate sau cumpărate de către abonat. În funcţie de această alegere, ele pot fi distincte sau integrate într-un singur echipament.

7.2 Standardul DSL

7.2.1 Caracteristici şi servicii DSL (Digital Subscriber Line) este un standard care oferă un canal de comunicaţie digital folosind liniile telefonice existente. Dezvoltarea acestei tehnologii a plecat de la constatarea că bucla telefonică locală (subscriber line), adică porţiunea de cablu dintre abonatul telefonic şi centrală, realizată din cablu telefonic bifilar torsadat, poate suporta o bandă de frecvenţe mai mare decît cea pentru care este utilizată în telefonia analogică.

Serviciul telefonic clasic, numit acum POTS (Plain Old Telephone Service) constă, aşa cum am precizat, dintr-o bandă de frecvenţă de cca 4KHz, mai exact 300...3400Hz, folosită pentru transmisia de semnal analogic în banda de bază. Tot ce depăşeşte această bandă este filtrat în centrala telefonică, pentru a se putea face în continuare fie multiplexarea analogică, fie modulaţia PCM. Modificînd echipamentul din centrală, dar păstrînd bucla locală existentă se poate face, cu investiţii minime, un upgrade substanţial la serviciul POTS.

Telefon ISDN

Terminal ISDN

Terminal NON-ISDN TA

NT1Centrala ISDN

NT2 ISDN PBX

Gateway LAN

U TSSS

SR


Frecvenţa maximă la care poate fi utilizată o linie de abonat este de ordinul 1MHz, dar depinde de calitatea şi lungimea acesteia. Avînd în vedere ca se utilizează cablarea existentă, aceşti parametri nu pot fi influenţaţi. Din acest motiv în DSL se face o alocare dinamică a benzii de frecvenţe. In acest scop, spaţiul situat deasupra frecvenţei POTS se împarte în benzi cu lăţimea de cca 4KHz, care se alocă succesiv pînă în momentul în care calitatea transmisiei începe să se deterioreze.

Aceste subbenzi se folosesc fie pentru transportul de la centrală la abonat (downstream), fie de la abonat la centrală (upstream). În funcţie de modul de alocare şi utilizare al acestor subbenzi există mai multe variante de DSL. Cea mai populară dintre ele este ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line), caracterizată prin aceea că: - Coexistă pe aceeaşi linie cu serviciul de telefonie clasic. - Alocă banda digitală în mod asimetric. Plecînd de la constatarea că abonaţii casnici fac mai mult download decît upload, se alocă o bandă mai mare pentru downstream.

Alocarea benzii la ADSL este următoarea: - 0...4KHz – POTS - 26...138KHz – upstream - 138...1100KHz – downstream

7.2.2 Configuraţia unei legături ADSL În figura următoare se prezintă echipamentele implicate într-o configuraţie ADSL.

În centrală, pentru fiecare abonat, în locul filtrului trece-jos de 3400Hz se prevede un echipament numit DSL Access Multiplexer (DSLAM). Acesta preia datele digitale, în principiu dintr-un trunchi rapid de acces la Internet, şi le multiplexează cu canalul telefonic vocal, formînd semnalul complex DSL.

La abonat este necesară separarea canalului vocal de cel de date. Pe ramura vocală se prevede un filtru pasiv de tip trece jos. Este necesar cîte un asemenea filtru pentru fiecare aparat clasic existent la abonat, fie el telefon, fax, modem telefonic sau alt gen de dispozitiv.

Pe ramura digitală se prevede un modem DSL. Acesta face modularea/demodularea semnalului DSL, avînd deasemenea toate funcţiile specifice oricărui modem, care permit

DSL Modem/router

Filtru

PC

PC

Telefon/

Fax

DSLAM

Bucla locală


legarea sa către un echipament de tip DTE, în acest caz un calculator, notat în figură PC. Deoarece, în general, o astfel de configuraţie cuprinde mai multe calculatoare, echipamentul care are funcţia de modem înglobează şi funcţia de router.

7.3 Comparaţie între ISDN şi DSL Cele două tipuri de servicii se aseamănă între ele prin aceea că; - ambele oferă servicii combinate de voce şi de date la abonaţi individuali - ambele folosesc o buclă locală din cablu bifilar torsadat şi sînt sensibile la calitatea şi lungimea liniei

În acelaşi timp între cele două există mai multe diferenţe.

- Din punct de vedere al cablării, DSL foloseşte buclele locale ale PSTN, în timp ce ISDN necesită centrale şi bucle locale specifice.

- Din punctul de vedere al conexiunii, ISDN este, în esenţă, o legătură pe linie comutată, chiar dacă este posibilă şi o legătură permanentă. La DSL conexiunea de date este permanentă (“always on”).

- Din punctul de vedere al vitezei DSL are performanţe superioare, anume 128Kbps...1.5Mbps, faţă de ISDN care are două variante, 64 sau 128Kbps.

- Din punct de vedere al preţului ISDN este în general mai scump, atît datorită cablării speciale, cît şi al tarifului, în cazul unei conexiuni permanente.

- Din punct de vedere al serviciior, DSL oferă în principiu telefonie şi internet abonaţilor casnici. ISDN oferă servicii mai complexe, diferenţiate pentru abonaţii casnici şi societăţi comerciale.

Date post:	30-Dec-2015
Category:	Documents
Upload:	ochiu-mihai
View:	12 times
Download:	0 times

Curs_CD_2011

Documents