MODEM

MANUEL OLIVER MORENO

1 INTRODUCCION.

La computadora consiste en un dispositivo digital que funciona al encender y apagar interruptores electrónicos. Las líneas telefónicas, de lo contrario, son dispositivos analógicos que envían señales como una corriente continua. El módem tiene que unir el espacio entre estos dos tipos de dispositivos. Debe enviar los datos digitales de la computadora a través de líneas telefónicas analógicas. Logra esto modulando los datos digitales para convertirlos en una señal analógica; es decir, el módem varía la frecuencia de la señal digital para formar una señal analógica continua. Y cuando el módem recibe señales analógicas a través de la línea telefónica, hace el opuesto: demodula, o quita las frecuencias variadas de, la onda analógica para convertirlas en impulsos digitales. De estas dos funciones, MODulación y DEModulación, surgió el nombre del módem.

Como veremos las características más importantes de un modem son su velocidad y su tasa de error; ambas directamente relacionadas con la naturaleza del medio por donde transmite la información, la línea telefonica, expuesta en numerosas ocasiones a un elevado ruido e interferencias.

2 CARACTERÍSTICAS GENERALES.

2.1 TECNICAS DE MODULACION.

La modulación transforma la señal digital binaria en analógica. La demodulación transforma la señal analógica en digital binaria.

El mensaje de datos (bits), codificado según un alfabto (ASCII, EBCD) que pasa del ETTD al ETCD debe ser trascodificado por este último para acomodarse a la línea de comunicación. A cada símbolo (estados de la señal que representa la información binaria) que se envía por la línea se le llama nivel. Estos no tienen porqué corresponderse uno a uno con cada bit, ni tampoco la decodificación de un símbolo depende sólo de su valor. Pueden asociarse varios bits y decodificarse cada símbolo en función del precedente. Al enviar los bytes, se suele empezar por los bits de mayor peso.

El ETCD emisor recibe el mensaje de datos del ETTD, lo aleatoriza, modula, mientras que el ETCD receptor lo demodula y decodifica.

Los modelos de codificación más usados son los siguientes:

· NRZ: Al 0 y al 1 se les asignan los valores de –a y +a respectivamente (por ejemplo –5v y +5v)

· Bifase o Bifase Diferencial: Al 0 y al 1 se les asignan un par de valores +a-a y –a+a; en la codificación diferencial esta asignación se realiza dependiendo del valor previo (si es 0 será a_i-1-a_i; si es 1 será –a_i-1+a_i).

· Miller: A partir de un código bifase, suprime una de cada dos transiciones.

· Bipolar de orden 1: Asigna al 0 un 0, y el 1 puede ser –1 ó +1 dependiendo de su valor anterior.

· Bipolar de orden 2: Los bits pares e impares se codifican por separado de acuerdo al principio bipolar de orden 1.

· Bipolar de alta densidad: Es un código bipolar que ante secuencias largas de 0´s, envía secuencias de relleno (+1, -1, etc). Son de orden n, donde n es el número de símbolo que reemplaza.

· De Valencia n: Es una señal con n valores de tensión, donde cada valor representa uno o más bits. Si es bivalente (V1, V2) cada tensión representa un bit. Si es cuadrivalente (V1, V2, V3 y V4) cada tensión representa dos bits.

La señal digital se caracteriza por el periodo de bit (T) y por el tiempo entre dos transiciones eléctricas (t). La velocidad de la señal en Bits por segundo (bps) es el inverso de T (1/T), y la velocidad en baudios es el inverso de t (1/t). En una trascodificación bivalente t=T, en una bifase t=T/2 y en una cuadrivalente t=2T. La transcodificación digital pretende enviar el número máximo de bits por estado; compactar la banda de frecuencias de la señal; y facilitar la sincronización, detección de errores, etc.

Como hemos visto, la señal analógica es manipulable en tres variables; la amplitud, la frecuencia y la fase. Cuando enviamos información digital binaria (0 y 1), existirá una correspondencia entre ésta y los valores de la señal analógica. Hay varios modos de transmitir información, actuando sobre los parámetros de la señal analógica.

1. Modulación en amplitud (ASK): Es el método más usado, por ejemplo, en la radio de A.M. (mod. En amplitud). Se utiliza en los modems en combinación con otros de modulación.

2. Modulación en frecuencia (FSK): En este caso, al 0 y al 1 se les asignan unas frecuencias específicas y distintas. Es utilizada por modems de 300 a 4000 baudios.

3. Modulación en Fase (PSK): Distintas diferencias de fase (ángulos), representan los valores de 0 y 1. Este sistema es utilizado por los modems de velocidad de 1200 bps. En este caso, la información es de dos en dos bits, asignándole a cada combinación (00, 01, 10, 11) una diferencia de fase deerminada.

Además de estos modos individuales, se pueden combinar los mismos y aumentar de esta forma el número de bits transmitidos por segundo. En el caso de los modems de 2400 bps, se utiliza de forma combinada con modulación de amplitud y fase, siendo capaz de enviar grupos de 4 bits (0000, 1110, 1111, 0011, etc) en cada estado de la señal modulada (símbolo).

Para aumentar la cantidad de información transmitida por la línea de comunicación se puede:

· Aumentar los estados (valencia) de la señal, de forma que cada estado represente un mayor número de bits. Conlleva el problema de reconocimiento de los estados. La capacidad de una línea está limitada por la relación señal a ruido. En las líneas telefónicas suelen utilizarse 16 estados (4 bits por estado).

· Aumentar el ancho de banda de modulación (estados/segundo), que está limitado por el ancho de banda de la línea. Una línea por lo general permite soportar como velocidad máxima el doble de su ancho de banda.

2.2 SINCRONO – ASINCRONO.

Los sistemas síncronos y asíncronos pueden ser tanto serie como paralelo. La mayoría de los modems, por utilizar la línea telefónica conmutada, emplean un sistema asíncrono de comunicación. En estos sistemas cada dato se envía secuencialmente, precedido por un bit de arranque y después los bits de datos, control de paridad (errores) y finalizando con un bit de stop. El bit de arranque tiene por misión activar en el equipo receptor la lectura de los datos enviados. El bit de stop deja al receptor en un estado de espera. Además del sistema asíncrono está el sistema síncrono, cuya diferencia del anterior radica en que tanto el ordenador emisor como el receptor quedan sincronizados, es decir, sus ciclos de lectura/escritura de datos (bits) son coincidentes. Además los bits son transmitidos en grupos llamados tramas.

Por ejemplo, en un sistema síncrono, donde cada bit se corresponde con un ciclo de reloj, se llama frecuencia de bit al inverso del periodo de la señal de reloj. De esta forma, en una transmisión de serie síncrona, el tiempo de un bit incluido en un caracter es múltiplo entero del periodo de la señal. La sincronización a nivel de bit se realiza reconstituyendo la base de tiempos de la señal a partir de las transiciones (1-0,0-1). A nivel de caracter se utilizan códigos especiales. Para que las transiciones sean frecuentes, el mensaje de datos a enviar se aleatoriza y en recepción se aplica el mismo algoritmo aleatorio para recuperarlo.

En las transmisiones asíncronas cada ‘palabra’ enviada o recibida está constituida por:

· Bit de arranque (Start).

· El dato (byte); de 5 a 8 bits

· Bit de paridad; se utiliza para el control de errores.

· 1 ó 2 bits de stop.

Hay que tener presente que dentro de la palabra, los bits se transmiten de forma síncrona. La sincronización entre emisor y receptor es fundamental para que estos puedan intercambiar información. Esta se produce tanto a nivel de los bits (por coincidencia de la frecuencia nominal de los relojes de emisor y receptor) como a nivel de los caracteres (diferenciar un caracter de otro por la secuencia Start-Stop). De no producirse la sincronización, el receptor obtendría de la señal recibida datos distintos de los realmente enviados.

2.3 SIMPLEX, HALF Y FULL DUPLEX.

En el modo Simplex, la comunicación sólo tiene lugar en una dirección, el receptor solo recibe. En el modo half-duplex la comunicación es secuencial, es decir, cuando un ordenador envía el otro solo recibe (como una conversación humana). El modo full-duplex implica una comunicación simultánea, ambos transmiten y ambos reciben

2.4 PROTECCION CONTRA ERRORES.

En toda transmisión pueden aparecer errores. Se determina la tasa de error por la relación entre el número de bits erróneos y los bits totales. Lo mismo que con los bits puede hacerse para caracteres y bloques. Se denomina error residual al número de bits erróneos no corregidos en relación al total de bits enviados. Las señales emitidas suelen sufrir dos tipos de deformación; atenuación ( en reducción de amplitud); y desfase, siendo ésta última la que más afecta a la transmisión. Otros factores que afectan a la señal son: ruido blanco, impulsivo, ecos, diafonías,...Las distorsiones físicas de la señal las trata el ETCD y los problemas a nivel de bit los trata el ETTD.

A los datos enviados se les asocian bits de control (se le añade redundancia de mensaje). Estos se pueden calcular para cada bloque de datos, o en función de bloques precedentes (recurrentes). Como ejemplos de procedimientos de control de errores se pueden citar:

· Control de paridad por caracter. Consiste en hacer el número de 1´s que aparecen en el dato (byte) par o impar. Puede fijarse la paridad a un valor de 1 (Mark) ó 0 (Space).

· Control de paridad por Matriz de caracteres: Se determina la paridad de filas y columnas, y se envían los bits de control por filas. Permite tanto la detección como la corrección de errores.

· Codigos lineales: El conjunto de todos los bloques de datos posibles y sus respectivos bits de control, forman las palabras del código corrector. Cada palabra de n bits se compone de k bits de datos y n-k bits de control (se llaman códigos k,n). Cada palabra de un código lineal se determina multiplicando el vector de datos por una matriz generatriz. El decodificador determina si la palabra recibida pertenece al código o no (caso de un error).

· Códigos Cíclicos: Son códigos lineales en los que cualquier permutación de un vector pertenece al código. Los elementos del vector se consideran como coeficientes de un polinomio. La codificación/decodificación se realiza gracias a registros de desplazamiento (multiplicación o división del vector de información con el generador). Un polinomio generador CRC-16 (X¹⁶+X¹⁵+X²+1) puede detectar errores en grupos de 16 bits, disminuyendo la tasa de error.

· Códigos Polinómicos: Es un código lineal donde cada palabra del código múltiplo de un polinomio generador. Los bits de control pueden obtener del resto de dividir los bits de información por el polinomio generador.

· Retransmisión con paro y espera (ARQ-ACK): Tras el envío de cada bloque el receptor envía una señal de acuse de recibido correctamente, si los datos llegan dañados, el receptor no transmite nada y al emisor le vence un temporizador reenviando los datos.

· Retransmisión Contínua (ARQ-NAK): En sistemas full-duplex, se envían continuamente bloques hasta que se reciba un acuse negativo. Entonces se detiene el envío, se reenvía el bloque fallido y se continúa la transmisión a partir de él. Cada bloque ha de estar numerado y deben ser almacenado por el receptor.

· Retransmisión Selectiva: En sistemas full-duplex, es similar al anterior pero en el caso de error, solo se reenvía el bloque fallido. Después, continúa la transmisión donde se dejó.

· Entrelazado: Se crea una matriz antes del envío con las palabras del código. Reconstituyendo dicha matriz en la recepción, permite detectar y corregir errores.

Los modems suelen incluir ecualizadores (filtros) para reducir la interferencia entre símbolos (interferencia debida al efecto de otros símbolos adyacentes sobre el que se está recibiendo). Los ecualizadores adaptativos modifican su funcionamiento, de acuerdo a las condiciones de la línea de transmisión. Es fundamental un adecuado muestreo de la señal recibida.

2.5 PROCEDIMIENTO DE ENLACE.

Una vez establecido el circuito de datos entre los ETCD, el intercambio de información entre los ETTD se gestiona a nivel del Enlace. Los ETTD además deben controlar sus respectivos periféricos (discos, impresoras, pantallas, etc).

El enlace se define tanto a nivel físico (conexión con el circuito de datos), como lógico (gestión de la transmisión de información). Además, actúa de interface entre la transmisión y el tratamiento de los datos. Por su configuración podemos establecer distintos tipos de enlace:

· Punto a punto: conecta dos ETTD.

· Multipunto: un mismo enlace es utilizado para conectar varios ETTD (secundarios) con un ETTD (primario). Puede ser centralizado (la estación central decide con quién comunicar) o no centralizado (se va cediendo el control por un orden preestablecido a las estaciones secundarias y se llaman hub polling).

· De Bucle: es un enlace multipunto en el que cada extremo del mismo se conecta al ETTD central.

El intercambio de información del enlace puede ser unidireccional, bidireccional alternativo y bidireccional simultáneo.

Las funciones que desempeña un enlace son:

· Estructuración de los Datos: En una transmisión asíncrona, los bits se organizan en caracteres. En las síncronas lo hacen en tramas.

· Delimitar e identificar los datos: La delimitación de un bloque puede realizarse por caracteres de control o por secuencias especiales de bits. Los bloques suelen numerarse para identificarlos.

· Conocer origen y destino de la información: Caso de enlaces multipunto es necesario conocer a que estación van o de qué estación vienen los datos. Para ello cada estación es identificada por una dirección.

· Control del enlace: gestiona la transferencia de información; utiliza códigos de control o secuencias binarias específicas debiéndose cumplir el principio de transparencia. Se debe supervisar el enlace, detectar los errores, conocer el estado de la conexión, etc.

· Protección contra errores: Detecta y/o corrige los errores que aparezcan.

· Recuperación: Se encarga de recuperar fallos, tanto de los datos como de la comunicación (corte de conexión,etc..).

· Interface con los medios de Transmisión: El enlace debe: adecuarse al medio (equipos y canal) y a la velocidad de transmisión, sincronizar emisor y receptor (en modems síncronos la señal de reloj la proporciona el ETTD; también se utilizan códigos de sincronismo a nivel de bloque). Debe gestionar la conexión entre ETTD y ETCD (por ejemplo, V.24, V.28, V.10, V.25, RS-232, X.21, etc).

· Interface con el tratamiento de los Datos: El enlace debe adecuar los datos a la aplicación en curso.

En una comunicación se establece el enlace; se inicializa, se transfiere la información de forma transparente, y al final se libera.

Cada estación (ETTD) puede estar en dos estados:

· Estado permanente: Se fija desde el inicio de la comunicación y puede ser de primario/comando (dirige la comunicación; se encarga de la gestión del enlace, envía las órdenes; etc) o secundario/tributario (recibe y ejecuta las órdenes, envía respuestas al primario; etc).

· Estado transitorio: es el que puede tener cada estación durante un periodo de tiempo ilimitado. En todo envío, la estación que envía es la maestra y la que recibe la esclava. Si una estación no hace nada está en estado neutro.

2.6 PROCEDIMIENTO DE ENLACE BASADOS EN CARACTERES

La información se envía como caracteres, y el control del enlace se realiza con caracteres de control del código. Se utilizan ciertos artificios para conseguir la transparencia. El alfabeto más utilizado es el ASCII. Se aplica tanto en sistemas síncronos como asíncronos, y en enlaces punto a punto o multipunto centralizado. En la transmisión asíncrona se utiliza paridad par, en la síncrona impar. En un procedimiento BSC los caracteres de control son:

¨ SOH Indica el comienzo de un mensaje de información.

¨ STX Comienzo de texto; también señala el final de un encabezamiento.

¨ ETX Fin de un texto.

¨ EOT Fin de transmisión.

¨ ENQ Pide una respuesta a una estación remota; puede utilizarse también para pedir la identificación de una estación.

¨ ACK Respuesta afirmativa de un receptor a un emisor.

¨ DLE Cambia el significado de los caracteres que le siguen.

¨ NAK respuesta negativa de un receptor a un emisor.

¨ SYN Sincroniza emisor y receptor en transmisiones síncronas.

¨ ETB Fin de bloque de datos.

Un mensaje de información se estructura como:

¨ SOH cabecera.

¨ STX bloque de texto ETB

...........

¨ STX bloque de texto ETX.

La cabecera no la utiliza el enlace, pudiéndose utilizar para numerar los bloques e indicar su contenido, etc. Puede tener cualquier longitud e incluso no estar ausente. La protección contra errores puede realizarse por paridad longitudinal y transversal, por la norma V.41 (código cíclico), etc. Se pueden añadir al comienzo códigos SYN para la sincronización de caracteres.

Para el control del enlace se utilizan los caracteres EOT, ACK, NAK y ENQ junto a secuencias de dirección (caracteres que identifican a cada estación, e incluso pueden añadir ciertos datos sobre ellas). Entre las funciones de control destacan:

· Invitación a emitir: La estación de comando envía ‘EOT prefijo ENQ’.

· Invitación a recibir: La estación de comando envía ‘prefijo ENQ’. Si una estación puede enviar y recibir debe tener dos direcciones distintas, una para cada función. La estación receptora puede aceptar la invitación con ACK, rechazarla con NAK, o no responder.

· Petición de Recepción: Cuando una estación quiere emitir envía un ENQ, la otra responderá como en el caso de una invitación a recibir.

· Petición de respuesta: Con ENQ se pide una respuesta o que se repita la respuesta dada.

· Fin de Trasmisión: Con EOT, si es un enlace punto a punto sin estación de comando, el enlace queda en estado neutro.

· Liberalización del enlace: Sobre red conmutada se utiliza DLE EOT.

· Sincronizar caracteres: Con SYN se sincronizan; este código puede enviarse antes o durante la conexión.

· Procedimientos de recuperación: Determinan el límite de intentos para recuperar un error. Se puede repetir un bloque o una petición de respuesta n-veces, y si no hay solución se corta la conexión.

· Extensión de las funciones de control con DLE: Permite hacer el código transparente. Para ello, se precede los códigos de control con el caracter DLE, incluso él mismo.

· Modo conversacional: En una transferencia de bloques de información entre estaciones, se responde a los bloques con el envío de otro bloque en vez de con un código ACK. El bloque sirve de confirmación y de información para la estación fuente.

2.7 PROCEDIMIENTOS DE ENLACE BASADOS EN BITS

Tanto la información como los códigos de control son secuencias binarias desligándose de un alfabeto concreto. Tiene la ventaja de adecuarse a los distintos requerimientos de un enlace. Entre los procedimientos basados en bits, el más extendido es el HDLC (High Data Link Control), utilizado en sistemas síncronos. Puede trabajar en Full Duplex, es transparente, combina la información de servicio y los datos, etc. Se define por:

· Estructura de trama: Cada trama se compone de:

¨ Delimitador de trama (secuencia binaria que marca el inicio y final de la trama).

¨ Dirección de la estación de destino (8 bits).

¨ Un campo de comando (contiene los comandos de la estación primaria, y las respuestas de la secundaria, 8 ó 16 bits).

¨ La información (contiene los bits de datos; si hay más de 5 bits de 1´s seguidos, se añade un 0 para evitar confusiones con el delimitador de trama)

¨ El control de trama (código polinómico para la detección de errores, 16 bits).

Los bits se transmiten empezando por el de menor peso, aunque para la información no hay norma fija. El campo de control se transmite empezando por el de mayor peso. Entre las tramas se envían delimitadores como relleno.

· Gestión del Enlace: Se utiliza el campo de comandos, de acuerdo a una organización preestablecida, para indicar si se está transmitiendo información, comandos de supervisión del enlace, o comandos extendidos de supervisión. Este campo puede tener 8 ó 16 bits.

En él se indica el número de la trama y el número de la última trama recibida correctamente. Se definen cuatro funciones de comando (listo para recibir, petición de envío/reenvío de una trama y posteriores, estación no preparada, y envío/reenvío de una sola trama).

Cada estación tiene contador para las tramas enviadas y recibidas. Estos ponen a 0 bajo ciertas condiciones (contadores NS y NR). Se pueden crear hasta 32 funciones de supervisión extendida, por ejemplo:

· Modo autónomo (las estaciones secundarias pueden enviar en cualquier momento).

· Modo normal (las estaciones secundarias solo emiten si se lo pide la primaria. Se utiliza un bit del comando para indicar cuando empieza y cuando termina la transferencia de la estación secundaria).

· Liberación del enlace.

· Respuesta afirmativa de la estación secundaria a la primaria.

· Rechazar un comando recibido, etc.