EPUSP — PCS 3645 — Laboratório Digital II Comunicação Serial com Modem (2016) 1 RESUMO O objetivo deste documento é apresentar um elemento básico em equipamentos de transmissão de dados: o MODEM (MOdulador - DEModulador). Os MODEMs têm por função converter dados digitais em sinal modulado, por exemplo, compatível com sinais de áudio, de modo que possam ser enviados através da linha telefônica como se fosse uma comunicação por voz. Os MODEMs podem ser implementados de diversas maneiras, em particular com circuitos integrados LSI (Large Scale Integration). Será analisado aqui o funcionamento do circuito integrado Am7910, um circuito integrado fabricado pela AMD (Advanced Micro Devices). 1. Comunicação e Modem São apresentados, nos itens seguintes, os aspectos importantes relacionados a sistemas de comunicação de dados, necessários à compreensão das aplicações do MODEM. Depois de uma breve introdução de conceitos básicos, apresenta-se mais aprofundadamente os MODEMs. Então, apresentam-se as formas de transmissão assíncrona e síncrona, as técnicas de modulação. Ao final, é mostrado um protocolo de comunicação serial. 1.1. Conceitos Básicos Vários conceitos são apresentados aqui, referentes a aspectos da comunicação de dados e a transmissão de sinais via modem. TRANSMISSÃO DE DADOS: esse termo refere-se à transmissão eletrônica, entre dois pontos distintos, de informações codificadas. Dentre as aplicações mais comuns onde se utiliza a transmissão de dados, destacam-se: sistemas conversacionais de tempo partilhado, sistemas de aquisição de dados, sistemas de controle de processos, etc. BANDA DE UM CANAL: é um parâmetro importante para caracterizar um canal de transmissão, ela define a faixa de frequências que pode ser utilizada em cada canal de comunicação. Geralmente, quanto mais larga a banda de um canal, maior é a velocidade permitida para a transmissão. Essa velocidade usualmente é medida em baud, taxa de símbolos. Em casos particulares, tem-se que 1 baud = 1 bit/seg; em outros casos, um símbolo pode representar um número maior de bits (seção 1.4). As velocidades de transmissão de dados dependem da particular aplicação e podem variar entre dezenas de bits/segundo até milhões de bits/segundo. TRANSMISSÃO DIGITAL: a transmissão digital pode ser usada para sinais digitais ou sinais de voz analógicos codificados. Em ambos os casos, a informação é enviada pelos canais de comunicação como uma cadeia de pulsos. Quando o ruído e a distorção ameaçarem destruir a integridade da cadeia de pulsos, estes são detectados e regenerados. Se o processo de regeneração for repetido adequadamente, o sinal recebido será, então, uma réplica exata do transmitido. Os pulsos transmitidos num canal de comunicação são distorcidos, basicamente, por capacitâncias e indutâncias da linha. Esse fenômeno é tanto mais acentuado quanto mais longa a linha ou maior a taxa de transmissão, o que torna mais difícil a interpretação. ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE TRANSMISSÃO DE DADOS: normalmente, um sistema de transmissão de dados é constituído por uma fonte de dados a serem transmitidos, um transmissor, um canal de transmissão, um receptor e um elemento destinatário dos dados. Muitas vezes o dispositivo utilizado para compatibilizar os dados binários com o canal de transmissão é o MODEM, que transforma o sinal digital em sinal analógico (senoidal) e vice-versa. Estes elementos estão indicados na Figura 1. ENLACE ou CANAL DE COMUNICAÇÃO (ou TRANSMISSÃO): é o caminho para a transmissão de sinais entre dois ou mais pontos. Um canal de comunicação pode ser constituído por fios, fibras ópticas, cabo coaxial ou uma parte específica do espectro de rádio-frequências. O objetivo do canal é transportar informações de um ponto a outro. Todos os canais de transmissão apresentam limitações quanto à sua capacidade de manipular as informações. Essas limitações dependem das suas características físicas e elétricas. Outro dado importante dos meios de comunicação é a sua velocidade de propagação, pois limita os atrasos mínimos na comunicação. Por exemplo, a velocidade de propagação na fibra óptica é de 0,66.c, no par trançado é de 0,585.c, no cabo coaxial (Thick Ethernet) é de 0,77.c (onde c=3x10 8 m/s, representa a velocidade da luz no vácuo). Comunicação Serial com Modem Versão 2016
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EPUSP — PCS 3645 — Laboratório Digital II
Comunicação Serial com Modem (2016) 1
RESUMO
O objetivo deste documento é apresentar um elemento básico em equipamentos de transmissão de dados:
o MODEM (MOdulador - DEModulador). Os MODEMs têm por função converter dados digitais em sinal
modulado, por exemplo, compatível com sinais de áudio, de modo que possam ser enviados através da
linha telefônica como se fosse uma comunicação por voz. Os MODEMs podem ser implementados de
diversas maneiras, em particular com circuitos integrados LSI (Large Scale Integration). Será analisado
aqui o funcionamento do circuito integrado Am7910, um circuito integrado fabricado pela AMD (Advanced
Micro Devices).
1. Comunicação e Modem
São apresentados, nos itens seguintes, os aspectos importantes relacionados a sistemas de comunicação
de dados, necessários à compreensão das aplicações do MODEM. Depois de uma breve introdução de
conceitos básicos, apresenta-se mais aprofundadamente os MODEMs. Então, apresentam-se as formas de
transmissão assíncrona e síncrona, as técnicas de modulação. Ao final, é mostrado um protocolo de
comunicação serial.
1.1. Conceitos Básicos
Vários conceitos são apresentados aqui, referentes a aspectos da comunicação de dados e a transmissão
de sinais via modem.
TRANSMISSÃO DE DADOS: esse termo refere-se à transmissão eletrônica, entre dois pontos distintos,
de informações codificadas. Dentre as aplicações mais comuns onde se utiliza a transmissão de dados,
destacam-se: sistemas conversacionais de tempo partilhado, sistemas de aquisição de dados, sistemas
de controle de processos, etc.
BANDA DE UM CANAL: é um parâmetro importante para caracterizar um canal de transmissão, ela
define a faixa de frequências que pode ser utilizada em cada canal de comunicação. Geralmente, quanto
mais larga a banda de um canal, maior é a velocidade permitida para a transmissão. Essa velocidade
usualmente é medida em baud, taxa de símbolos. Em casos particulares, tem-se que 1 baud = 1 bit/seg;
em outros casos, um símbolo pode representar um número maior de bits (seção 1.4). As velocidades de
transmissão de dados dependem da particular aplicação e podem variar entre dezenas de bits/segundo
até milhões de bits/segundo.
TRANSMISSÃO DIGITAL: a transmissão digital pode ser usada para sinais digitais ou sinais de voz
analógicos codificados. Em ambos os casos, a informação é enviada pelos canais de comunicação como
uma cadeia de pulsos. Quando o ruído e a distorção ameaçarem destruir a integridade da cadeia de
pulsos, estes são detectados e regenerados. Se o processo de regeneração for repetido adequadamente,
o sinal recebido será, então, uma réplica exata do transmitido. Os pulsos transmitidos num canal de
comunicação são distorcidos, basicamente, por capacitâncias e indutâncias da linha. Esse fenômeno é
tanto mais acentuado quanto mais longa a linha ou maior a taxa de transmissão, o que torna mais difícil
a interpretação.
ELEMENTOS DE UM SISTEMA DE TRANSMISSÃO DE DADOS: normalmente, um sistema de
transmissão de dados é constituído por uma fonte de dados a serem transmitidos, um transmissor, um
canal de transmissão, um receptor e um elemento destinatário dos dados. Muitas vezes o dispositivo
utilizado para compatibilizar os dados binários com o canal de transmissão é o MODEM, que transforma
o sinal digital em sinal analógico (senoidal) e vice-versa. Estes elementos estão indicados na Figura 1.
ENLACE ou CANAL DE COMUNICAÇÃO (ou TRANSMISSÃO): é o caminho para a transmissão de sinais
entre dois ou mais pontos. Um canal de comunicação pode ser constituído por fios, fibras ópticas, cabo
coaxial ou uma parte específica do espectro de rádio-frequências. O objetivo do canal é transportar
informações de um ponto a outro. Todos os canais de transmissão apresentam limitações quanto à sua
capacidade de manipular as informações. Essas limitações dependem das suas características físicas e
elétricas. Outro dado importante dos meios de comunicação é a sua velocidade de propagação, pois limita
os atrasos mínimos na comunicação. Por exemplo, a velocidade de propagação na fibra óptica é de 0,66.c,
no par trançado é de 0,585.c, no cabo coaxial (Thick Ethernet) é de 0,77.c (onde c=3x108 m/s, representa
a velocidade da luz no vácuo).
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COMPUTADOR(TRANSMISSOR COMINTERFACE SERIAL)
MODEM MODEM
COMPUTADOR(RECEPTOR COM
INTERFACE SERIAL)
CANAL DE TRANSMISSÃO
Figura 1 – Elementos de um Sistema de Transmissão de Dados.
TIPOS DE CANAIS: as definições apresentadas seguem o padrão do CCITT, um orgão internacional de
padrões em comunicações. Há três tipos de canais, conforme mostrado na Figura 2, ou seja: Simplex,
Half Duplex e Full Duplex.
SIMPLEX: é o canal através do qual só pode haver transmissão de A para B, em uma única direção.
HALF DUPLEX: é o canal através do qual é possível transmissão não simultânea, em ambos os
sentidos (de A para B ou de B para A). É necessário haver alternância (chaveamento) da linha quando
o sentido de transmissão muda, pois se utilizam circuitos de dois fios, ocupando a mesma banda de
frequências tanto para transmissão como para recepção.
FULL DUPLEX: é o canal através do qual é possível a transmissão simultânea nos dois sentidos. Os
circuitos podem ser a quatro fios ou a dois fios. Os circuitos a dois fios podem suportar comunicações
full duplex se o espectro de frequência for dividido para os canais de transmissão e de recepção.
É possível transmitir pulsos em pequenas distâncias usando apenas cabos ou pares de fios e, em alguns
casos, é necessária a colocação de line receivers junto ao receptor. Para distâncias maiores torna-se
necessário utilizar os recursos de transmissão providos pelas empresas concessionárias de serviços de
comunicação (por exemplo: linhas telefônicas comutadas, linhas privadas). Esses recursos são, na sua
maioria, para transmissão analógica (voz). Assim sendo, é necessária a transmissão dos sinais digitais de
forma analógica. Isso é obtido através do uso do MODEM.
Figura 2 – Tipos de Canais de Comunicação.
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1.2. MODEMs
O MODEM (MOdulador-DEModulador) é um dispositivo que converte sinais digitais provenientes de um
computador ou terminal em um sinal de portadora modulada, compatível com o requerido pelos canais de
transmissão de sinais analógicos. A configuração típica de um sistema de transmissão de sinais digitais
requer a existência de um MODEM em cada extremidade do canal, conforme mostrado na Figura 3.
Figura 3 – Transmissão utilizando modem.
Os MODEMs são projetados para aplicações e velocidades específicas. Na Figura 4 é mostrado o diagrama
em blocos de um MODEM. Funcionalmente ele está dividido em duas partes: o modulador e o demodulador.
O modulador aceita sinais digitais e converte os pulsos de tensão em sinais de áudio, analógicos, que são
enviados pelo enlace de transmissão. Na outra extremidade do enlace o demodulador de um segundo
MODEM reconverte esse sinal analógico à sua forma original. Na maioria dos MODEMs o sinal de entrada é
serial e a saída do demodulador é binária e também serial.
Figura 4 – Diagrama de blocos de um modem.
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1.3. Transmissões Assíncrona e Síncrona
As duas formas de transmissão serial são baseadas na existência ou não de um circuito de relógio (clock).
Temos então a transmissão assíncrona e a transmissão síncrona.
TRANSMISSÃO ASSÍNCRONA: dados geralmente são gerados em terminais de baixa velocidade. Em
sistemas assíncronos, os sinais são idênticos aos fornecidos e recebidos por terminais tipo TTY, isto é,
em repouso sempre há um sinal correspondente ao nível lógico UM na linha. Além disso, todo caractere
é envolvido por um bit de Start e um ou dois bits de Stop. A quantidade de bits de informação não
necessariamente é sempre a mesma. Por exemplo, no código BAUDOT são cinco, no código ASCII são
sete mais um de paridade e no EBCDIC são oito bits de informação. O transmissor e o receptor têm que
ter mesma configuração (velocidade, bits de dados, paridade e número de Stop bits) para possibilitar
que o dado seja reconhecido corretamente após a identificação do bit de Start. Na figura 5 é mostrado o
protocolo assíncrono.
Figura 5 – Protocolo Assíncrono.
TRANSMISSÃO SÍNCRONA: na transmissão síncrona, o sincronismo entre transmissor e receptor é
conseguido através de um sinal de "clock" que é gerado internamente no MODEM, ou obtido dos
caracteres recebidos.
Na Figura 6 é mostrado um tipo de protocolo síncrono (síncrono à byte). A transmissão é iniciada por um
caractere de sincronismo (SINC). Os caracteres que seguem ao de sincronismo correspondem aos dados.
O sinal de clock interno ao MODEM é gerado a partir do próprio sinal recebido, através de uma malha de
phase-lock. Cada mensagem geralmente é composta por um caractere de SINC, por 100 a 10.000
caracteres de informação e controle e um caractere de FIM, além de um ou dois caracteres para
verificação de erros. Entre mensagens, na situação de repouso, é transmitido o caractere SINC ou o sinal
correspondente ao nível lógico UM.
Figura 6 – Protocolo Síncrono.
O protocolo assíncrono é normalmente usado quando a taxa de transmissão é baixa ou quando é utilizada
transmissão numa comunicação homem-máquina, enquanto que os protocolos síncronos são utilizados
quando altas velocidades de transmissão são exigidas como, por exemplo, em comunicação máquina-
máquina.
REPOUSO
CARACTERE
DADOS
START BITPARIDADE
2 STOP BITREPOUSO
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1.4. Técnicas de Modulação
Os MODEMs sempre modulam os dados antes de enviá-los através de linhas telefônicas. Dependendo do
tipo de modulação adotada é possível enviar dados em velocidades diferentes, isto é, a técnica de
modulação empregada influencia diretamente na velocidade máxima e na taxa de erros. Os três tipos
principais de modulação utilizados são ASK, FSK e PSK. Na Figura 7 esquematiza-se o princípio usado em
cada tipo de modulação.
ASK – Amplitude Shift keying (modulação de amplitude): nesta técnica, a amplitude da portadora
assume dois valores distintos, um para a transmissão do UM e outro do ZERO.
FSK - Frequency Shift Keying (modulação de frequência): neste sistema de modulação, a frequência
da portadora fA é modulada de forma a produzir fA + f e fA - f , correspondendo, respectivamente ao
UM e ao ZERO. Como são utilizadas linhas telefônicas para a transmissão (faixa de 300 a 3300 Hz),
geralmente a portadora fA é de 1700 Hz e f = 500 Hz.
PSK - Phase Shift Keying (modulação de fase): nesta técnica o sinal sofre inversões de fase, para
assinalar se está sendo transmitido UM ou ZERO. Este tipo de modulação é utilizado em MODEMs de
média velocidade (entre 1200 bps e 4800 bps). Os bits transmitidos sequencialmente podem ser
agrupados em pares ou triplas. Quando agrupado em pares (código dibit), quatro fases são utilizadas
(0, 90, 180, 270) na portadora e a modulação recebe a denominação de modulação 4 PSK ou QPSK.
Quando agrupado em triplas (código tribit), oito fases são utilizadas (0, 45, 90, 135, 180, 225, 270 e
315) na portadora e a modulação recebe a denominação de modulação 8 PSK.
Figura 7 – Tipos de Modulação.
Outro tipo de modulação é o QAM ("Quadrature Amplitude Modulation"), utilizado em MODEMs de alta
velocidade. O QAM codifica múltiplos bits, tipicamente 4 bits sequenciais, e a portadora é alterada em fase
e amplitude segundo o agrupamento de bits.
1.5. Protocolo de Comunicação
Quando fazemos uma ligação telefônica para outra pessoa, seguimos certo protocolo: primeiro, tiramos o
telefone do gancho, esperamos o tom de discagem, discamos um número, recebemos o áudio de que o
telefone está tocando, aguardamos a outra pessoa atender, conversamos e, finalmente, desfazemos a
ligação. Para que dois MODEMs se comuniquem, eles também seguem um certo protocolo.
Para a pastilha Am7910, os sinais envolvidos neste protocolo são os mesmos de uma interface RS232-C e
estão descritos um por um no Capítulo 3, item 3.4 a partir da página 3-5 do manual completo. A tabela I
abaixo mostra os principais sinais usados no protocolo.
Vamos descrever a comunicação de dados entre dois MODEMs A e B. Os sinais do MODEM A serão chamados
de DTR-A, CTS-A e assim por diante, o mesmo valendo para o MODEM B. Toda esta descrição envolve o
caso específico da pastilha Am7910.
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FASE DE CONEXÃO:
1) No início, os sinais DTR-A e DTR-B estão desativados.
2) O usuário do MODEM A chama o usuário do MODEM B, pois a discagem não é automática. Isto significa
que o telefone A está fora do gancho e o telefone B está no gancho.
3) O usuário do MODEM B, ao escutar a campainha tocando, deve avisar ao seu MODEM que ele está
pronto para comunicar e para isso o sinal DTR-B (Data Terminal Ready) é ativado. Este sinal é exclusivo
para o MODEM, não causando variação na linha telefônica.
4) A interface serial conectada ao MODEM B (ver figura 1) ativa o sinal ring. Um tom de resposta de pouca
duração ("beep") é enviado ao MODEM A. Isto corresponde aproximadamente a uma pessoa receber
uma ligação e responder "Alô!". Você pode observar que não se pode enviar dois beeps ao atender o
telefone (o sinal de RING-B pode ser ativado somente uma vez).
5) O usuário do MODEM A, que até este momento não havia ativado o seu MODEM, percebe que o MODEM
B está pronto para receber ao escutar o "beep". O usuário A (ou o computador ligado ao MODEM A)
ativa o sinal DTR-A avisando ao MODEM A de que está pronto para a comunicação.
FASE DE TRANSMISSÃO:
Dados serão transmitidos de A para B.
a) Transmissão de A
6) Para transmitir, a interface serial A faz um pedido para enviar dados pelo modem, ativando o sinal
RTS-A (Request To Send). Isto causa o sinal de Mark ou Space na linha telefônica dependendo do sinal
TD-A (Transmission Data).
7) O MODEM A, após esperar um tempo (espera-se que este tempo seja suficiente que para o MODEM B
possa receber os dados e é determinado pela própria pastilha, localmente), avisa a interface A que ela
pode enviar dados através do sinal CTS-A (Clear To Send).
8) A interface serial A transmite dados através do sinal TD-A.
b) Recepção por B
9) O MODEM B, escutando que existem dados na linha, informa a sua interface serial que dados estão
sendo recebidos (pois uma portadora foi detectada) através do sinal CD-B (Carrier Detected).
10) A interface B recebe os sinais transmitidos pelo sinal RD-B (Received Data).
FINALIZAÇÃO:
11) Após a transmissão dos dados, o sinal de RTS-A (Request To Send) é desativado e os dois MODEMs
continuam ligados, mas sem comunicação.
Tabela I – Sinais usados na comunicação serial.
Sinal Significado Descrição
DTR Data Terminal Ready Informa o modem que o computador está ligado e funcionando.
RTS Request to Send Informa o modem que o computador deseja enviar informações pela linha serial.
CTS Clear to Send Informa o computador que o modem está apto a transmitir dados pela linha serial ou telefônica.
TD Transmit Data Indica o caminho através do qual os dados seriais serão enviados pelo modem.
TC Transmit Carrier Caminho pelo qual o modem é conectado a linha serial.
RC Receive Carrier Caminho pelo qual os sinais da linha serial são recebidos pelo modem.
CD Carrier Detect Indica que uma comunicação foi estabelecida com outro modem e um sinal de portadora foi detectado na linha serial.
RD Receive Data Indica o dado recebido pelo modem.
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1.6. Comunicação Half-Duplex
Apresentamos aqui a primeira das duas formas de comunicação bidirecional no Am7910: o modo half-
duplex. Na seção seguinte descrevemos o modo full-duplex.
No modo Half-Duplex, nesta pastilha em particular, também há dois canais. A princípio, isto parece
contraditório com a teoria exposta acima. A diferença é que em um sentido da comunicação a transmissão
é muito mais rápida (1200 bps) do que no sentido inverso (75 bps). O sentido com maior velocidade é
chamado de “canal principal” e o de menor velocidade, “canal de retorno” (ou back-channel). A figura 8
ilustra a divisão da banda de comunicação para o protocolo CCITT V.23.
Figura 8 – Canais de comunicação do Am7910 no modo V.23 (adaptado do manual).
Podemos explicar o conceito de back-channel fazendo uma analogia com uma conversa entre duas pessoas.
Duas pessoas geralmente conversam no modo half-duplex, ou seja, as duas pessoas não falam ao mesmo
tempo. No entanto, quando o ouvinte quer interromper a outra pessoa, ele diz frases curtas como: "Espere
em pouco!". O back-channel é o canal que dá possibilidade do MODEM ouvinte enviar mensagens enquanto
recebe dados. Os sinais envolvidos na comunicação pelo back-channel são os seguintes: BRTS, BCTS, BCD,
BTD e BRD. Estes sinais funcionam de forma análoga aos sinais RTS, CTS, CD, TD e RD se o MODEM estiver
configurado para utilizar a norma CCITT V.23 (ver tabela 3.3a, página 3-9 do manual do Am7910). A figura
9 abaixo apresenta um fluxograma com a sequência de ativação de sinais para a transmissão de dados no
modo half-duplex.
Figura 9 – Transmissão Half-duplex.
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1.7. Comunicação Full-Duplex
Em uma comunicação "full-duplex" há a possibilidade de dois MODEMs enviarem dados ao mesmo tempo.
Isto é possível através de duas faixas de frequências (canais) diferentes, como mostra a Figura 2.14, na
página 2-6 do manual. Desta forma, enquanto um MODEM envia dados por um canal, o outro deve receber
os dados pelo mesmo canal e vice-versa. Desta forma, os dois MODEMs devem operar em dois modos
diferentes: o modo full duplex originate e o modo full duplex answer especificados na tabela 3.2a da página
3-6 do manual. A Figura 10 abaixo apresenta a divisão da banca de comunicação para os dois canais no
modo V.21 no modem Am7910. No modo full-duplex, a pastilha Am7910 pode transmitir e receber a 300
bps.
Figura 10 – Canais de comunicação do Am7910 no modo V.21 (adaptado do manual).
A figura 11 apresenta o protocolo de comunicação com a sequência de ativação de sinais para a transmissão
e recepção de dados no modo full-duplex. Note que como ambos os sentidos podem trafegar dados, os
fluxogramas mostrados não representam o funcionamento geral do modem, mas uma representação
didática para cada uma das operações (transmissão e recepção de dados).