Modem đồng bộ và bất đồng bộ

Có thể nói các tần số fmvà fschọn trong loạt 103 thỏa các điều kiện về tính kinh tếHệ số h trong hai dải tần cao và thấp đều bằng 0,67 và cho hai hệ số Bessel Sơ đồ khối một Modem FSK bấ

Modem đồng bộ và bất đồng

bộ

Bởi:

Nguyễn Trung Lập

MỘT SỐ MODEM BẤT ĐỒNG BỘ VÀ ĐỒNG BỘ

7.3.1 Modem bất đồng bộ

Là những modem truyền với vận tốc tương đối thấp Modem bất đồng bộ tiêu biểu là loạt (serie) 103 của hảng Bell Vận tốc truyền của loạt 103 là 300 bps trên kênh điện thoại, điều chế FSK, vận tốc này tương đương với 27 ký tự/s (giả sử mỗi ký tự gồm 7 bit của mã ASCII thêm 1 bit start, 2 bit stop và 1 bit parity) Chuẩn giao tiếp dùng cho các modem này là dòng điện vòng 20 mA hoặc RS-232 đã bàn đến trong chương trước Loạt 103 có thể truyền song công vơi 2 đường dây, như vậy hệ thống dùng phương pháp phân chia tần số cho kênh truyền (FDM) Khoảng tần số từ 300 đến 3000 Hz chia làm hai dải : từ 300 đến 1700 Hz và từ 1700 đến 3000 Hz Phổ tần cho ở (H 7.32)

(H 7.32)

Trong mỗi dải tần đều có tần số mark và space : trong dải tần thấp các tần số đó là 1270

Hz và 1070 Hz và trong dải tần cao là 2225 Hz và 2025 Hz Tần số trung tâm là 1170

Hz và 2125 Hz Khoảng cách tần số mark và space là 200 Hz, vận tốc truyền bít là 300 bps nên băng thông của tín hiệu là 800 Hz Ta thấy :

FFSK1= 1170 Hz và fFSK2= 2125 Hz ; 3 br = 900

Có thể nói các tần số fmvà fschọn trong loạt 103 thỏa các điều kiện về tính kinh tế

Hệ số h trong hai dải tần cao và thấp đều bằng 0,67 và cho hai hệ số Bessel

Sơ đồ khối một Modem FSK (bất đồng bộ)

Trước khi liên lạc người ta phải thỏa thuận với nhau bên nào sẽ phát và thu dải tần nào

- cao hay thấp - Điều này thực hiện bằng cách giả định một bên phát sinh cuộc gọi và

bên kia trả lời Modem của người gọi là originate modem và modem kia là answer modem Thông thường originate modem phát trên băng tần thấp và thu trên băng tần

cao và ngược lại cho answer modem

(H 7.33) cho sơ đồ khối của hệ thống modem 103, bên phát là một thiết bị đầu cuối và bên thu là một máy tính

(H 7.33)

Vận hành của modem và các khối chức năng được mô tả dưới đây :

- Giao tiếp đường dây (Line interface) : phối hợp tổng trở modem và đường dây điện

thoại (thường là 600?) đồng thời biến đổi cân bằng ? không cân bằng Phần tử chính của mạch giao tiếp đường dây là một biến thế gọi là hybrid (H 7.34)

- Bộ song công (Duplexer) : tạo sự ghép nối có tính định hướng và cách ly tín hiệu để

thực hiện đồng thời hai chức năng thu phát (H 7.36) là sơ đồ một bộ song công với mạch giao tiếp đường dây

(H 7.34)

Phần chính của bộ song công là một OPAMP dùng như một mạch khuếch đại vi sai, khuếch đại tín hiệu thu từ bộ lọc thu và ngăn không cho tín hiệu phát đi qua, tín hiệu này được đưa ra mạch ngoài từ mạch lọc phát qua biến thế hybrid để ra đường dây điện thoại

- Bộ lọc thu Rx : như đã nói trên, originate modem sẽ thu tín hiệu ở dải tần cao và

answer modem sẽ thu tín hiệu ở dải tần thấp nên bộ lọc thu ở hai modem phải cho dạng đáp tuyến như đã thấy ở (H 7.35) người ta thường dùng các bộ lọc tích cực dùng OPAMP để tạo một mạch lọc dải thông Mạch lọc thu thường gồm từ 4 tới 7 mạch lọc như ở (H 7.37) để có độ lợi từ 20 đến 30dB

(H 7.35)

- Bộ giải điều chế (Demodulator) : bộ giải điều chế FSK là một mạch tách sóng FM,

có thể dùng kiểu tách sóng phân biệt, nhưng với sự phát triển của công nghệ chế tạo IC người ta thường dùng vòng khóa pha để thực hiện việc giải điều chế (H 7.36) là một mạch giải điều chế dùng vòng khóa pha

(H 7.36)

- Bộ phát hiện mức ngưỡng (Threshold detect) : Đây là một mạch so sánh và cho ở ngã

ra một tín hiệu HIGH hoặc LOW tùy theo mức tín hiệu thu được Khi tín hiệu thu vào

có biên độ quá nhỏ đường RxD sẽ ghim ở mức HIGH và đường CD (Carrier Detect) ở OFF

- Bộ điều chế (Modulator) : (H 7.37)

Mạch FSK cơ bản bao gồm một VCO điều khiển bởi điện thế ứng với bit 1 và 0 của tín hiệu vào Các bit 1 và 0 của dữ liệu điều khiển một khóa điện tử cho phép mạch VCO nối với một trong 2 điện trở bên ngoài Ta được ở ngã ra là các tín hiệu có tần số fshoặc

fmtùy điện trở nối vào mạch là Rshay Rm

(H 7.37)

- Bộ lọc phát Tx : Quyết định băng thông của tín hiệu phát FSK đồng thời giới hạn các

tín hiệu nhiễu và họa tần tạo bởi mạch giải điều chế ở bộ phận thu

Mạch lọc phát còn có nhiệm vụ ghim mức tín hiệu ra không vượt quá -9 dBm là mức công suất cho phép của đường dây điện thoại

- Tín hiệu bắt tay hoặc điều khiển : Khối logic này điều khiển hoạt động của modem

và chuyển trạng thái của modem từ hoặc tới DTE bằng cách dùng các tín hiệu RST, CTS, DTR, DSR và CD như mô tả trong chương trước (các chuẩn giao tiếp)

Trong nhiều trường hợp một thiết bị ở xa có thể yêu cầu truy xuất dữ liệu gốc (data base)

từ một máy tính chủ Người yêu cầu dùng bàn phím để nhập dữ liệu nên chỉ cần vận tốc truyền thấp trong khi máy tính chủ truyền dữ liệu đến đầu cuối có thể truyền với vận tốc cao hơn

Các modem loạt 202 của Bell đáp ứng yêu cầu này : các modem này có vận tốc truyền từ máy tính chủ đến thiết bị đầu cuối (gọi là kênh sơ cấp) là 1200 bps và vận tốc truyền từ thiết bị đầu cuối đến máy tính chủ (gọi là kênh thứ cấp) là 75 bps Cách truyền 2 kênh có

vận tốc khác nhau gọi là cách truyền song công bất đối xứng (Asymetrical full-duplex

communication)

(H 7.38)

(H 7.38) là phổ tần của modem 202, lưu ý là kênh sơ cấp dùng phương pháp điều chế FSK với tần số fm và fs lần lượt là 1200 Hz và 2200 Hz và kênh thứ cấp thì điều chế ASK, tần số sóng mang là 387 Hz

Một ứng dụng điển hình của hệ thống truyền song công bất đối xứng là Videotex Đây

là một dịch vụ mà qua đó người sử dụng (vai trò một thiết bị đầu cuối) có thể truy xuất

dữ liệu từ một cơ sở dữ liệu trung tâm (máy tính chủ) qua mạng điện thoại

Cơ sở dữ liệu của Videotex có thể chứa rất nhiều thông tin khác nhau, thông qua bàn phím người sử dụng có thể đặt một cuộc gọi đến máy tính chủ và yêu cầu những thông tin cần thiết trong Videotex Các lệnh của người sử dụng truyền tới máy tính chủ với vận tốc thấp và các file văn bản, đồ họa gọi chung là các trang Videotex truyền tới nơi yêu cầu với vận tốc cao hơn

Với sự cải tiến thiết bị nhập dữ liệu (bàn phím) vận tốc truyền của kênh thứ cấp có thể cao hơn và modem 202C ra đời thỏa mản yêu cầu này (H 7.39) cho phổ tần của modem 202C

(H 7.39)

Modem 202C chỉ khác với Modem 202 ở cách điều chế kênh thứ cấp là FSK chứ không phải ASK, hai tần số mark và space là 390 Hz và 490 Hz, và vận tốc truyền của kênh này là 150bps

Modem đồng bộ

Một số modem đồng bộ được hảng Bell chế tạo để truyền dữ liệu với vận tốc cao hơn

Như đã nói trên, để truyền vận tốc cao các modem phải điều chế nhiều pha PSK (4 hoặc

8 pha) hoặc kết hợp PSK và ASK để cho 16 pha, gọi là QAM

Bảng 7.5 giới thiệu một số modem đồng bộ

Bảng 7.5 Một số Modem đồng bộ

201B201C208A208B209A

42 dây chuyển mạch4 dây riêng4 dây riêng2 dây chuyển mạch4 dây

4 pha PSK4 pha PSK4 pha PSK8 pha PSK8 pha PSK16pha QAM

2400 bps24002400480048009600

Songcông/ B.song công Đồng bộBán song công đồng bộSong công đồng bộSong công đồng

bộBán song công đồng bộSong công đồng bộ

Sơ đồ khối một modem PSK tiêu biểu

(H 7.40) là sơ đồ khối của một modem dùng kỹ thuật PSK tiêu biểu

(H 7.40)

Phần phát

Mạch định thời phát (transmitter timing): Mạch tạo các xung đồng hồ khác nhau theo

yêu cầu của modem phát Xung đồng hồ chủ có thể được tạo ra từ bên trong mạch hay dẫn xuất từ tín hiệu trên đường SCTE của DTE

Mạch kiểm soát khởi động (Start sequence controller): khi RTS lên cao, mạch này cho

phép truyền sóng mang tương tự qua SW1 Sóng mang này chưa biến điệu vì SW2 chưa được phép Đồng thời, mạch này cũng báo cho mạch tạo mẫu/ngẫu nhiên hóa khởi động

sự truyền chuỗi kiểm soát (training sequence), mạch kiểm soát sẽ cung cấp thời trễ giữa tín hiệu RTS và CTS, kích hoạt SW2 và đưa CTS lên mức cao khi hết thời gian này (khoảng 48,5 ms) Khi RTS xuống thấp, mạch kiểm soát vô hiệu hóa SW1, chấm dứt sóng mang trên đường điện thoại

Mạch tạo mẫu và ngẫu nhiên hóa (pattern generator and scrambler): Mạch tạo mẫu cung

cấp chuỗi xung đặc biệt cho hoạt động kiểm tra đồng bộ (training), và chuỗi bit 1 (bit nghỉ) cho trường hợp sử dụng chế độ sóng mang liên tục Mạch ngẫu nhiên hóa cung cấp chuỗi tín hiệu ngẫu nhiên cho việc phục hồi xung đồng hồ trong PSK

Mạch điều chế pha (Phase modulator): Biến đổi chuỗi dữ liệu nhị phân vào từ DTE

thành sự biến đổi pha tương ứng của sóng mang tương tự

Mạch cân bằng (Compromise equalizer): Điều chỉnh mạch lọc để cung cấp sự cân bằng

cho tín hiệu kênh âm thanh (tạo sự bù trừ về độ lợi và thời trễ do đường dây điện thoại tạo ra)

Mạch khuếch đại hoặc pad (amplifier or pad): đây là mạch khuếch đại có độ lợi thay đổi

được để bảo đảm biên độ tín hiệu phát

T, R, T1, R1: Hai đường Tip và Ring thu phát

Ngã vào và ra của các mạch khuếch đại dùng giao tiếp RS-232C

Phần thu

Mạch tương thích cân bằng (Adaptive equalizer): điều chỉnh đặc tuyến độ lợi và thời trễ

do tổn hao của đường dây

Mạch giám sát tín hiệu (Signal quality monitor): giám sát tín hiệu tương tự nhận được để

điều khiển mạch cân bằng Nếu tín hiệu nhận được xấu, mạch này sẽ báo cho mạch điều khiển khởi động mạch cân bằng (Equalizer startup controller) để retrain mạch tương

Mạch điều khiển khởi động mạch cân bằng (Equalizer startup controller): điều chỉnh

tương thích cân bằng khi nhận được chuỗi training hay khi phẩm chất tín hiệu thu được dưới mức chuẩn

Mạch phục hồi sóng mang (Carrier recovery): Dò ra sự hiện diện của sóng mang thu

được và kiểm soát trạng thái ON/OFF của đường RLSD của RS-232C Mạch này cũng phục hồi sóng mang và khóa pha của tín hiệu dao động nội (PLL) để cung cấp tín hiệu dao động cho mạch giải điều chế

Mạch giải điều chế (Demodulator): Biến đổi sự thay đổi pha của sóng mang nhận được

thành ra dữ liệu nhị phân tương ứng

Mạch phục hồi xung đồng hồ (Clock recovery): Phục hồi tín hiệu đồng hồ phát và tạo ra

các tín hiệu đồng hồ khác theo yêu cầu của máy thu

Mạch giải ngẫu nhiên (Descrambler): Sau khi xung đồng hồ được phục hồi, mạch này

biến đổi tín hiệu ngẫu nhiên thành chuỗi dữ liệu ban đầu

Kết nối modem qua hệ thống điện thoại

Để thực hiện việc truyền dữ liệu qua hệ thống điện thoại thông qua modem, công ty điện thoại có nhiệm vụ tạo sự kết nối sao cho thật thuận lợi cho người sử dụng modem Dưới đây ta xét cách kết nối nhờ mạch truy xuất dữ liệu (Data access arrangement)

Các thiết bị DTE có thể truyền dữ liệu trên đường dây điện thoại nhờ một mạch nối giữa modem và đường dây điện thoại gọi là mạch truy xuất dữ liệu, (H 7.41) là sơ đồ mạch DAA

(H 7.41)

Modem nhận cuộc gọi: Tín hiệu chuông tần số 20 Hz đến được lọc và tích hợp bởi

mạch dò chuông cho đến lúc đủ để kích hoạt mạch DAA bởi điện thế một chiều cấp cho đường RI Modem phản ứng bằng cách đưa chân OH (Off-hook) lên cao Tín hiệu này tác động relay OH (là loại thường hở, NO) cho phép một dòng DC chạy trên mạch điện thoại Tổng đài sẽ nhận ra điều này như trạng thái Off-hook và chấm dứt tín hiệu chuông Lúc này modem đưa đường DA lên ON, điều này tác động lên relay CT (loại thường đóng, NC) làm hở mạch điện trở khiến mạch kiểm soát mức tự động được nối vào mạch và cho phép các đường Tip (T) và Ring (R) nối vào DT (Data Tip) và DR (Data Ring) Lúc này đường CCT cũng lên ON báo cho modem biết hệ thống đã được kết nối và modem chờ nhận tín hiệu Cuộc gọi sẽ chấm dứt khi modem cấp tín hiệu mức thấp cho chân OH làm vô hiệu hóa relay OH và ngắt mạch DC

Modem phát sinh cuộc gọi: Theo một cách tương tự, modem phát sinh cuộc gọi bằng

cách đưa chân OH lên cao để thông mạch DC tới tổng đài Sau khi hoàn tất việc quay số, chân DA lên cao để tác động lên relay CT để thông mạch kết nối modem và hệ thống Modem sẽ bắt đầu truyền tín hiệu khi chân CCT lên mức cao Sau khi phát xong bản tin, modem đưa chân OH xuống thấp để chấm dứt sự kết nối

VÀI MODEM DÙNG MẠCH LSI

Các nhà chế tao IC đã phát triển nhiều linh kiện loại LSI trong đó kết hợp nhiều mạch chức năng của modem trong một vỏ Các chip dùng kỹ thuật NMOS hoặc CMOS có chứa sẵn bộ điều chế, giải điều chế và logic điều khiển cho các modem có tốc độ khác nhau, từ thấp đến trung bình Gần đây có xuất hiện các mạch lọc khóa CMOS gồm cả lọc phát và lọc thu trong một IC

Phần sau đây giới thiệu 2 IC tiêu biểu của Motorola, đó là IC modem số MC 6860 và bộ lọc khóa MC 145440

Modem số MC 6860

Modem 6860 là loại NMOS, trong một vỏ 24 chân gồm các bộ phận: điều chế, giải điều chế, logic điều khiển cần thiết để giao tiếp với UART

6860 truyền dữ liệu với vận tốc 300 bps hoặc 600 bps, dùng kỹ thuật điều chế FSK

6860 hoàn toàn tương thích với tiêu chuẩn song công của Bell 103

(H 7.42) là sơ đồ khối một originate modem Bell 103 dùng MC 6860 giao tiếp với USART 8251A

(H 7.42)

Chân 21 (

, switch hook) xuống thấp đưa 6860 vào mode originate, sẵn sàng nhận tín hiệu mark tần số 2225 Hz từ answer modem 450ms sau khi nhận tín hiệu mark, 6860 bắt đầu phát tần số mark 1270 Hz 750 ms sau khi nhận tín hiệu 2250 Hz đầu tiên, chân CTS xuống thấp và dữ liệu có thể đươc phát hay thu

Ngã vào

(threshold detect), chân số 7 có chức năng tương tự chân CD của RS 232 (phát hiện sóng mang) Nếu mức điện áp sóng mang không đủ mạnh, chân TD lên cao kéo theo CTS lên cao và ngắt sóng mang Tx

Ở ngã ra của bộ phận điều chế là bộ biến đổi D/A, cho ra tín hiêu nấc thang gần sin có rất nhiều hài không mong muốn Bộ lọc phát có nhiệm vụ lọc bỏ các hài này để tránh giao thoa với sóng mang FSK nhận ở phần thu

Ngã vào

(Ring Indicator, chân 19) nối với mạch phát hiện chuông Mức thấp ở chân RI đưa

6860 vào chế độ answer và làm cho ngã ra AP (Answer Phone, chân 4) lên cao, đóng relay chuyển mạch trả lời điện thoại

Chân 15 là ngã ra Mode, cho biết trạng thái của modem: mức cao chỉ mode originate và mức thấp chỉ mode answer Chân này được dùng để điều khiển chuyển mạch bộ lọc thu

và bộ lọc phát

Bô lọc MC 145440

MC 145440 là IC CMOS, 18 chân bao gồm 2 bộ lọc dải thấp và dải cao của Modem Bell 103 và khóa chuyển mạch tự động

Ở mode originate bộ lọc dải cao nối với kênh thu, bộ lọc dải thấp với kênh phát và ngược lại ở mode answer (H 7.43) trình bày sơ đồ khối đơn giản và đáp tuyến hai bộ lọc của

MC 145440

(H 7.43)

Mức logic của ngã vào O/

(Originate/Answer) điều khiển khóa chuyển mạch để chọn mode Ngã vào VLS(Logic Select) dùng chọn mức logic cho tín hiệu số ở ngã vào VLSở cao cho phép mức tín hiệu CMOS và thấp cho phép tín hiệu TTL

Ngã vào ST (Self test) ở cao đặt chip ở chế độ tự kiểm tra vòng

Ngã vào CLK SEL (Clock Select) điều khiển các bộ chia tần số bên trong để cho phép

sử dụng với thạch anh 1 MHz hay 4 MHz tưong ứng với CLK SEL ở thấp hoặc cao

lấy ra từ ngã ra CLK OUT thường để cung cấp cho mach điều chế-giải điều chế như MC 6860

MC 145440 cũng có thêm một OPAMP bên ngoài sử dụng cho mạch song công