MODEM

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MODEM

• Modulator/Demodulator

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El por qué de los MODEMS

• El sistema telefónico análogo sigue siendo la
  principal facilidad utilizada para comunicación
  de datos.
• Los computadores producen pulsos digitales, en
  tanto que el sistema telefónico está diseñado
  para transmitir señales análogas que están dentro
  del espectro auditivo de los seres humanos.
• Se requiere de un dispositivo que convierta
  pulsos de datos digitales generados por los
  computadores a tonos análogos que pueden ser
  transportados por el sistema telefónico.
• Este dispositivo se llama modem (su nombre viene
  de la contracción de las dos principales
  funciones del equipo modulación y demodulación).
  Algunos lo llaman también Data set.

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Conversión de señal realizada por los modems
MODEM
MODEM
Señal Digital
Señal Digital
Señal Análoga
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Partes de un MODEM

• Una fuente de potencia
• Proporciona el voltaje necesario para operar los
  circuitos que conforman el modem.
• Un transmisor
• Convierte los pulsos digitales a una señal
  análoga que puede ser enviada por el sistema
  telefónico.
• Un receptor
• Invierte el proceso de de convertir al convertir
  la señal análoga a señal digital.

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Componentes básicos de un Módem
Request to send
Transmisor
Datos trasmitidos
Codificador de Datos
Scrambler
Modulador y Amplificador
Filtro
Línea telefónica
Reloj Trasmitido.
Reloj para el transmisor
Circuitos de control de Transmisión
Clear to Send
Datos recibidos
Receptor
Decodificador de Datos
Descrambler
Demodulador
Ecualizador
Filtro y Amplificador
Reloj Recibido.
Línea telefónica
Reloj
Detección de Portadora
Sólo Módems Sincrónicos
Data Carrier Detect
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Tipos de MODEMS

• Modo de Trans. simplex, half y full duplex.
• Técnica de trans. asincrónico y sincrónico
• Uso de la línea sub-banda de voz (narrowband),
  voice-grade, wideband y para líneas dedicadas.
• Por su inteligencia (recibe comandos)
• Método de fabricación standalone (externos),
  tarjeta de expansión (interno) y para rack.
• Ecualización Manual y automática
• Capacidad Multipuerto (con Time Division
  Multiplexer)
• Capacidad de seguridad Ninguna, con password,
  lista de números para llamar, lista de números a
  responder (callback security).
• Selección de múltiples velocidades
• Capacidad de voz/datos simultáneos

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Operación de los MODEM

• Ténicas de modulación y ejemplos

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Proceso de modulación

• El proceso de modulación altera las
  características de la señal de la portadora. Pero
  cuando la portadora se modifica mediante un
  proceso de modulación se está colocando
  información sobre la señal. Para señales
  análogas, la portadora es una sinusoidal,
  representada por
• a A sen(2pft f)
• Donde a es el valor instantáneo del voltaje en el
  tiempo t, A la amplitud máxima, f la frecuencia y
  f la fase.
• Las características de la portadora que pueden
  ser alteradas son la amplitud (AM), la frecuencia
  (FM) y el ángulo de fase (fM).

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Frecuency Shift Keying (Bell System 103/113 e
ITU V.21, 300 bps)

• Los modems que operan a 300 bps utilizan FSK. En
  esta técnica la frecuencia de la portadora es
  alternada a una de dos frecuencias, una
  frecuencia representando el espacio (cero lógico)
  y la otra representando una marca (uno lógico).

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Frecuency Shift Keying (Bell System 103/113 e
ITU V.21, 300 bps)
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Phase Shift Keying

• PSK
• Si se quisiera representar un bit (un 1 ó un 0)
  con PSK, quien transmite sólo debe cambiar la
  fase de la señal para representar cada bit que
  entra en el modem. Por ejemplo con un
  deslazamiento de fase de 0o podría representa un
  espacio (cero lógico) y con 180o representaría
  una marca (uno lógico). Esto se llama modulación
  de dos fases

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Bps vs. Baudios

• Cuando se quieren representar más de dos bits con
  PSK (multiples bits con PSK) se debe entender la
  diferencia entre la tasa de transferencia de
  datos y la velocidad con que cambia la señal.
• Bits por segundo es el número de dígitos binarios
  transferidos por segundo.
• Baudio es la rata o tasa de señalización -cambio
  de estado de la señal por segundo (cuantas veces
  cambia la señal en un segundo)-
  (Jean-Maurice-Emile Baudot).
• Por ejemplo, un módem se puede construir para que
  un cambio de señal sea utilizado para representar
  dos bits la rata de baudios es la mitad de los
  bits por segundo (codificación dibit un baudio
  representa dos bits). Cuando un baudio se utilza
  para representar tres bits se denomina
  codificación tribit). La codificación dibit y
  tribit son técnicas de codificación multinivel y
  se implementan utilizando modulación de la fase.

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Parámetros de un circuito de voz

• El ancho de banda es un rango de frecuencias. Por
  ejemplo, un canal de voz está entre 300 Hz y 3300
  Hz, es decir tiene un ancho de banda de 3KHz
• A medida que los datos entran al módem (bps)
  estos se convierten en señales análogas. La
  velocidad con que cambia las señal anánloga del
  modem se conoce como tasa de los baudios.
• En 1928, Nyquist encontró la relación entre el
  ancho de banda y la tasa de los baudios B2W
  (donde B baudios/s, W ancho de banda en Hz).
• En teoría, para un canal de voz la máxima
  cantidad de bits por segundo que se pueden
  transmitir es de 6000 bps. Cómo es que existen
  modems que transfieren 9600 bps , 14400 bps ,
  19200 bps, 28800 bps, 33600 bps y 56000 bps sobre
  un canal de voz? (la respuesta es que se utilizan
  ténicas de modulación combinadas... Una es PSK
  multinivel)

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PSK Multinivel

• Para superar el límite impuesto por Nyquist se
  hace lo siguiente
• Los modems primero agrupan una secuencia de bits,
  examinan la composición de los bits y luego
  implementan un desplazamiento de fase de acuerdo
  al valor de los bits agrupados.
• Esta técnica recibe el nombre de multiple bit,
  Phase-Shift Keying ó multinivel, Phase-Shift
  Keying.
• Códigos de dos bits se denominan dibits y son
  transmitidos en un solo desplazamiento de fase a
  partir de un conjunto de cuatro posibles estados
  de fase. Los códigos de tres bits reciben el
  nombre de tribits y se transmiten en un solo
  desplazamiento de fase de un conjunto de ocho
  posibles estados de fase

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Constelación para ITU V.26, 2400 bps

• El estándar V.26 especifica las características
  para un modem sincrónico a 2400bps sobre una
  línea dedicada de cuatro hilos.
• El dibujo muestra el patrón B

V.26 tiene dos patrones A y B Dibit Cambio de
fase A B 00 0o 45o 01 90o 135o 11 180o 225o 1
0 270o 315o
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Modulador de cuatro fases
Bits en puesto par
Driver
Señales en fase (I) (In-phase)
Separador de bits
Keyer 0o-180o
bits
Oscilador
S
Keyer 0o-180o
90o
Señales desplazadas (Q) (Quadrature)
Driver
Bits en puesto impar
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Constelación para ITU V.27, 4800 bps

• Los modems ITU V.27 acomodan tres bits a la vez,
  codificándolos en uno de ocho posibles ángulos de
  fase

V.27 tribit Cambio de fase 001 0o 000 45o 010 90o
011 135o 111 180o 110 225o 100 270o 101 315o
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Quadrature Amplitude Modulation (QAM)

• QAM es una técnica que combina modulación de fase
  y de amplitud.
• Con esta técnica se pueden colocar cuatro bits en
  cada cambio de señal, operando a 2400 baudios,
  logrando que se puedan transferir 9600 bits por
  segundo.
• La gran mayoría de modems de 9600 bps se adhieren
  al estándar ITU V.29. Este estándar utiliza una
  portadora de 1700 Hz sobre la cual se varía tanto
  la amplitud como la fase, resultando 16 posibles
  combinaciones de ocho ángulos de fase y cuatro
  amplitudes.
• En V.29 el primer bit, de acuerdo con el ángulo
  de fase, permite seleccionar la amplitud. Los
  otros tres bits utilizan el mismo desplazamiento
  de fase usado en V.27.

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Constelación para V.29, 9600 bps
V.29 (Amplitud relativa primer
bit) bit ángulo amplitud 1 0o, 90o, 180o,
270o 5 1 45o,135o, 225o, 315o 3 raiz de 2 0 0o,
90o, 180o, 270o 3 0 45o,135o, 225o, 315o raiz de
2
V.29 (cambio de fase de V.27) tribit Cambio de
fase 001 0o 000 45o 010 90o 011 135o 111 180o 110
225o 100 270o 101 315o
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Trellis Coded Modulation (TCM)

• Originalmente los modems de 14400 bps utilizaban
  QAM (grupos de 6 bits 2400 veces por segundo).
  Pero los puntos que conforman la constelación
  para un modem de 14400 bps QAM están más
  amontonados que los de un modem de 9600 QAM.
  Esto se traduce en que un modem de 14400 QAM es
  más susceptible a fallas en la transmisión y,
  bajo ciertas circunstancias, puede tener un
  desempeño menor que un modem de 9600. Un modem de
  14400 bps sólo podía trabajar sobre circuitos de
  alta calidad.

Bajo ciertas condiciones, un modem de 9600 bps
QAM puede funcionar mejor que uno de 14400 bps
QAM.
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Trellis Coded Modulation (TCM)

• Debido a la suceptibildad de los modems QAM
  convencionales, apareció una nueva generación de
  modems basados en TCM.
• Estos modems toleran dos veces más potencia en
  ruido que los QAM convencionales, permitiendo
  obtener ratas de transmisión hasta de 33.6 Kbps
  sobre la red telefónica convencional.
• Qué es lo que sucede para que los modems QAM
  convencionales de alta velocidad tengan que usar
  circuitos de alta calidad?

• Las variaciones en el circuito de transmisión
  hacen que los puntos se desplacen de su ubicación
  correcta en la constelación de señales. El
  receptor selecciona el valor más cercano del
  sitio donde encontró el punto. Cuando hay mucho
  ruido es altamente factible que el receptor se
  equivoque y seleccione un punto equivocado.
• Para reducir la posibilidad de este tipo de
  errores, TCM emplea un codificador que adiciona
  un bit redundante a cada grupo de bits.

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Trellis Coded Modulation (TCM)
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Codificador de convolución

• Asumiendo que el código de convolución está
  compuesto por la suma módulo 2 de los dos bits de
  datos más recientes, entonces dos bits de salida
  se generarán por cada bit un bit de datos y uno
  de paridad.
• Si se asume que el primer bit que genere el
  codifiacdor es el mismo bit de datos, el segundo
  será la suma módulo 2 del bit de datos actual y
  del anterior.

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Codificador de convolución
Vamos a colocar los bits 0110 en el
codificador Primero entra el 0
Nota dentro del codificador hay dos ceros (00)
y la salida tiene dos ceros 00
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Codificador de convolución
Vamos a colocar los bits 0110 en el
codificador Luego entra el 1
Nota dentro del codificador hay un uno y un cero
(10) y la salida tiene dos unos 11
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Codificador de convolución
Vamos a colocar los bits 0110 en el
codificador Luego entra el 1
Nota dentro del codificador hay dos unos (11) y
la salida tiene un cero y un uno 01
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Codificador de convolución
Vamos a colocar los bits 0110 en el
codificador Finalmente entra el 0
Nota dentro del codificador hay un cero y un uno
(01) y la salida tiene un cero y un uno 01
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Rejilla (trellis)
Observe que si dibujamos un diagrama de estados
donde, cruzamos los bits que están esperando
dentro del codificador con los que se obtienen a
la salida de acuerdo con el bit que entra,
tenemos sólo ciertos posibles caminos para
pasar de un estado a otro.
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Recorrido de codificación de 0110
Ahora dibujemos el camino seguido, en esta
rejilla, por 0110, Se obtiene como salida 01 01
11 00
30
Codificador de convolución

• En MODEMs TCM de 14400, el mapeador de puntos de
  señal utiliza tres bits de codificación para
  seleccionar uno de ocho subconjuntos compuestos
  por 16 puntos originados a partir de los cuatro
  bits de datos. Esto asegura que sólo ciertos
  puntos son válidos. Un MODEM TCM es dos veces
  inmune al ruido comparado con un MODEM QAM.
• V32 es una especificación para modems de 9600 bps
  que utilizan modulación TCM.

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Operación y compatibilidad de los modems

• 300 Bps (Bell system 103/113, ITU V.21)
• 300 a 1800 bps (Bell system 212A, ITU V.22)
• 1200 bps (ITU V.23)
• 1200 bps - 1800 bps (Bell 202)
• 2400 bps (Bell 201B/C, ITU V.26 y V.22 bis)
• 4800 bps (Bell 208, ITU V.27)
• 9600 bps (Bell 209, ITU V.29 y V.32)

• 14400 bps (ITU V.32bis y V.33)
• 19200 bps (ITU vFast, V.34, vFC y V.32 terbo)
• 28800 bps (Rockwell v.FC, ITU v.Fast y V.34)
• 33600 bps (revisión de ITU V.34)
• 56000 bps (ITU V.90)

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Características de MODEMS Bell system
33
Características de MODEMS ITU
34
Handshaking de los modems

• Handshaking es el intercambio de señales de
  control para establecer la comunicación entre dos
  data sets (modems).
• Estas señales son requeridas para iniciar y
  terminar las llamadas
• El tipo de señalización utilizada es
  predeterminada a uno de tres estándares EIA
  RS-232, EIA RS-449 o el ITU V.24

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Referencias

• KADISK, Jules E. EAST, Thomas W.R. Satellite
  Communications Fundamentals. Artech House.
  Boston, London. 2000. Páginas 251-270
• HELD, Gilbert. Data Communications Networkink
  Devices. John Whiley Sons. New York. 1999.
  Páginas 355-504