Introducción a la tecnología de módems (III)

Tercera y última entrega de nuestra serie de posts sobre tecnología de módems analógicos. Hoy vemos los tipos de comunicaciones punto a punto, los bucles, los comandos AT Hayes para configuración y al final un pequeño ‘troubleshoot’

Comunicaciones por línea dedicada

Aunque tenemos asociados los módems analógicos a la conexión de datos a través de la línea telefónica conmutada (RTC) con marcación de un módem remoto, también han sido muy usados para la comunicación mediante líneas dedicadas de baja velocidad tanto en modo síncrono como asíncrono entre terminales de datos como routers, RTUs, nodos de conmutación de paquetes, etc.

Cuando hablamos de una línea dedicada nos referimos o bien a pares de cobre extremo a extremo (con posibles amplificadores y regenerados en puntos intermedios) o bien a canales de fonía dedicados que se digitalizan en puntos intermedios y se transmiten al extremo remoto.

En las comunicaciones por línea dedicada existe una conexión física permanente entre ambos módems. Un extremo debe configurarse como Originador y el otro como Respondedor. La comunicación puede ser:

  • 4 hilos. La transmisión de A a B y la de B a A van por pares diferentes. Permite comunicaciones full dúplex en normas de modulación que ocupen todo el ancho de banda disponible y sin algoritmos de cancelación de eco (V26, V27, V29)
  • 2 hilos. Transmisión y recepción van por el mismo par. Permite comunicaciones full dúplex en normas de modulación que no ocupen todo el ancho de banda disponible (V23, V22bis, V22) o en las que tengan algoritmos de cancelación de eco (V32, V32bis, V34)

Enlaces punto a punto y punto-multipunto

Sobre líneas dedicadas tenemos dos tipos de comunicaciones: punto a punto y punto-multipunto. En la primera tenemos únicamente dos extremos. En la segunda tenemos un extremo maestro que transmite al resto de extremos o esclavos. El esclavo que es preguntado responde al maestro. En función del tipo de modulación y el número de hilos (2 o 4) tendremos dos opciones:

  • Portadora continua: el maestro transmite señal a línea continuamente – Permite comunicaciones Full Dúplex
  • Portadora controlada: el módem transmite señal sólo cuando el ETD lo indica – Permite comunicaciones Half Dúplex. El ETD indica al módem cuando ha de transmitir señal a línea (activando señal RTS). El módem indica al ETD cuando puede empezar a transmitir datos (activando señal CTS). Existe un retardo RTS/CTS destinado a que el módem remoto ‘sincronice’ con la portadora y esté listo para demodular los datos recibidos (‘training’)

Bucles

En los módems disponemos de 2 tipos de bucles: bucle 3 o analógico y bucle 2 o digital.

En el bucle 3 el módem devuelve hacia el ETD los datos recibidos del mismo en vez de modularlos a la línea telefónica.

bucle3 - Introducción a la tecnología de módems (III)En el bucle 2 el módem devuelve hacia la línea telefónica los datos recibidos el módem remoto en vez de entregarlos al ETD local.

bucle2remoto - Introducción a la tecnología de módems (III)Si el bucle se ordena localmente en el módem B tenemos un bucle 2 local o B2L. Si por el contrario el bucle se ordena remotamente desde el módem A tenemos un bucle 2 remoto o B2R.

Los bucles pueden ordenarse a través de los circuitos de control 140 y 141, a través de pulsadores o bien a través de comandos AT Hayes.

Comandos AT Hayes

Se trata de un estándard ‘de facto’ no normalizado por la ITU que Permite controlar prácticamente la totalidad de parámetros del módem. Todos los comandos empiezan todos por la secuencia ‘AT’ para permitir la detección de parámetros de comunicación con el terminal ‘autobauding’ (velocidad y formato de palabra)
Ejemplo:
AT&FE1V0&D2\N3S0?<CR>

Normas de sintaxis

A continuación indicamos algunas normas de sintaxis para la introducción de comandos AT:

  • Varios comandos pueden ir seguidos en la misma línea o secuencia de comandos (hasta un máximo establecido)
  • No son necesarios los espacios entre comandos
  • La mayor parte de comandos van seguidos de un parámetro. Si se omite, se asume valor 0 del parámetro
  • Serán erróneos aquellos comandos que:
    • No incluidos en el conjunto aceptado
    • Con un parámetro fuera de rango
  • Los comandos se procesan y ejecutan en secuencia una vez recibido el carácter CR de retorno de carro o Intro
  • En caso se detectarse un comando erróneo en la secuencia se responderá ERROR. Los comandos anteriores se habrán procesado. Los posteriores se ignorarán.

A continuación incluimos un listado de los principales comandos AT Hayes

comandos at hayes - Introducción a la tecnología de módems (III)comandos at hayes cont - Introducción a la tecnología de módems (III)Cuando introducimos un comando, el módem nos responde con un código de resultado que podemos configurar en modo numérico o alfanumérico. A continuación indicamos algunos de estos códigos.

00  OK                    Comando aceptado y ejecutado por el módem.

01  CONNECT              Establecimiento de la conexión (a 300 u otras velocidades, según ATX).

02  RING                 Tono de timbre (‘ring’) detectado en la línea.

03  NO CARRIER      Portadora no detectada en el intento de una conexión o pérdida durante la misma.

04  ERROR               Error sintáctico en el comando, imposibilidad de ejecución o comando inexistente.

05  CONNECT 1200  Indica conexión establecida  y, según ATW, que la velocidad en la línea o en el ETD es de 1200 bps.

06  NO DIALTONE     Tono de invitación a marcar no detectado. Se envía tras una espera igual al contenido del registro S6, siempre que no se esté haciendo una marcación ciega.

07  BUSY                 Tono de línea ocupada detectado.

08  NO ANSWER      No hay contestación por parte del módem remoto. Se envía tras una espera igual al contenido del registro S7.

09  CONNECT 600    Indica conexión establecida y, según ATW, que la velocidad en la línea o en el ETD es de 600 bps.

10  CONNECT 2400  Indica conexión establecida y, según ATW, que la velocidad en la línea o en el ETD es de 2400 bps.

Finalmente comentaremos que tanto los parámetros de configuración fijados por comandos AT como otros parámetros se almacenan en los llamados registros S. A continuación indicamos el significado de dichos registros.

registros s - Introducción a la tecnología de módems (III)
registros s cont - Introducción a la tecnología de módems (III)Troubleshooting

Para finalizar esta serie de tres posts acerca de módems analógicos queremos finalizar con un pequeño troubleshoot basado en nuestra experiencia.

Verificación del cable serie

Si el módem se conecta a un dispositivo que actúa como terminal o ETD, como por ejemplo, un ordenador, el cable tiene que ser directo o pin a pin. Si por el contrario se conecta a otro módem o equipo que actúa como ETCD entonces el cable tendrá que ser cruzado o ‘null-modem’.

Para algunas aplicaciones bastará cablear 3 señales: Tx, Rx y GND (tierra). En otras será necesario cablear el DTR para que el terminal informe al módem de que está disponible o el RTS/CTS si tenemos control de flujo hardware.

Finalmente si nuestra comunicación en síncrona, tendremos que cablear también las señales de reloj y configurar tanto el ETD como el módem con el tipo de reloj adecuado. Como regla general, un módem se configurará con reloj externo y el otro con reloj esclavo. El primero proporcionará reloj de Tx al ETD local y el módem remoto tomará este reloj para generar el de transmisión suyo (slave) que también entregará a su ETD local.

Verificación de la interfaz de línea

Podemos seguir los pasos descritos a continuación:

  • Comprobar la configuración del módem (RTC, PP2H, PP4H)
  • Comprobar el pinado del cable de línea
  • Comprobar el nivel de transmisión del módem (-10 dBm normalmente) en relación a la atenuación del par o la sensibilidad del equipo de transmisión
  • En enlaces PP comprobar que un extremo está configurado en modo originador y el otro en modo respondedor.
  • La línea analógica debe presentar hacia el módem una impedancia de 600 ohm igual a la que presenta el módem hacia la línea. El nivel medido en línea sin conectar el módem debe ser 6 dB superior al medido una vez conectado el equipo.

Introducción a la tecnología de módems (II)

Segunda entrega de nuestra serie de posts sobre tecnología de módems analógicos. Hoy vemos el interfaz RS232, los formatos de datos entre módem y terminal síncrono y asíncrono y los tipos de control de flujo.

En el pasado post introdujimos algunos conceptos generales sobre la tecnología de módems analógicos, su diagrama de bloques y velocidad de transmisión y modulación.

En el post de hoy veremos el interfaz RS232, los formatos de datos entre módem y terminal síncrono y asíncrono y los tipos de control de flujo.

Interfaz RS232

Cuando hablamos de un interfaz RS232 englobamos dos conceptos. Los niveles eléctricos de las señales en dicho interfaz que vienen determinados por el estándar ITU V.28 y el significado de los diferentes circuitos o señales que viene determinado por el estándar ITU V.24.

V.28 define niveles eléctricos para los dos estados posibles de la señal. un ‘0’ se codifica con un nivel entre -15Vdc y -5Vdc y un ‘1’ con un nivel entre 5Vdc y +15Vdc.

V.24 define el significado de los diferentes circuitos o señales del interfaz RS232 según la siguiente tabla:

V24 - Introducción a la tecnología de módems (II)

Señales de control

Aparte del significado de los diferentes circuitos debemos destacar la penúltima columna ‘Origen’ que nos indica qué elemento terminal (ETD) o módem (ETCD) la origina. Así, cuando hablamos del circuito de transmisión (TD o 103) tiene como origen el ETD. Por tanto, nos referimos a la transmisión de datos del ETD hacia el ETCD.

Null-modem

Cuando conectamos un ETD y un ETCD con un cable serie RS232 utilizamos un cable directo o pin-a-pin, es decir, el pin 2 (DB25) del ETD se conecta al pin 2 (DB25) del ETCD. Este pin es una salida en el lado ETD y una entrada en el lado ETCD.

Cuando conectamos entre sí dos ETDs o dos ETCDs entonces necesitamos un cable ‘null-modem’ donde cruzamos, como mínimo, los pines de transmisión y recepción. Es decir, el pin 2 de un extremo debe ir al pin 3 del otro extremo y viceversa. De esta forma nos aseguramos de conectar la salida de un extremo (pin2, TD) con la entrada del otro extremo (pin 3, RD)

Señales de control

Además de las señales de datos (TD y RD) tenemos las señales de control:

  • DTR – la activa el ETD para indicar su presencia o disponibilidad
  • RTS – la activa el ETD para indicar al ETCD que quiere transmitir datos hacia línea (imprescindible para control de portadora en modulaciones simplex o half dúplex)
  • CTS – la activa el ETCD como respuesta al RTS para indicarle al ETD que ya está listo para recibir los datos a enviar a línea
  • DCD – la activa el ETCD para indicar la recepción de portadora (señal modulada) del módem remoto
  • RI – se activa con cada RING en llamada entrante en modo RTC
  • ALBT, RDLT – circuitos para que el ETD instruya al módem a activar un bucle local o bucle digital remoto (veremos los bucles en el siguiente post)
  • TM – la activa el ETCD para indicar que está en modo bucle

Señales de reloj

En modo síncrono, los datos deben sincronizarse con una señal de reloj que nos indica la velocidad a la que debemos transmitir o recibir el tren de bits del interfaz serie. En el punto siguiente veremos los diferentes tipos de reloj posibles.

Formato de datos entre ETD y ETCD

Los módems analógicos soportan dos tipos de transmisión en función de cómo encapsulemos los datos a transmitir: formato asíncrono y formato síncrono

Formato asíncrono

En este formato la información se agrupa en caracteres o palabras con el siguiente formato

formato asíncrono - Introducción a la tecnología de módems (II)Reposo: estado previo de la línea (nivel alto o ‘1’)

  • START define el principio del carácter (nivel bajo o ‘0’)
  • PARIDAD (Par/Impar/Marca/Espacio) permite detectar un número impar de errores
  • DATOS: tren de datos que puede contener normalmente de 5 a 8 bits y sobre el que se calcula la paridad
  • STOP define el final del carácter y el espacio mínimo entre caracteres (nivel alto o ‘1’)

Formato síncrono

En este caso los bits se transmiten y reciben directamente sin estructura alguna a ritmo de una señal de reloj que determina la velocidad y el instante de muestreo.

sincrono - Introducción a la tecnología de módems (II)En la figura anterior vemos que el instante medio de cada bit coincide con el flanco de subido del reloj mientras que el final de cada bit coincide con el flanco de bajada del reloj. Dicho de otro modo, el transmisor de los datos introduce el bit con el flanco de bajada del reloj mientras que el receptor de los datos debe interpretar el bit recibido con el flanco de subida. Al hacerlo en este instante se asegura de estar en el momento intermedio del pulso de forma que ante distorsión telegráfica o desplazamiento ‘slip’ entre datos y reloj muestrearemos la señal en el punto óptimo con menor probabilidad de error.

En toda transmisión síncrona entre terminal y módem tenemos dos relojes. El reloj de transmisión que sincroniza los datos de transmisión (TD, de ETD a ETCD) y el reloj de recepción que sincroniza los datos en recepción (RC, de ETCD a ETD).

El reloj de recepción es la señal RC o circuito 115 y siempre lo entrega el ETCD ya que se obtiene de la señal demodulada de línea analógica.

Sin embargo en transmisión tenemos dos opciones:

  • reloj interno o TC (114): lo proporciona el ETCD
  • reloj externo o ETC (113): lo proporciona el propio ETD

Si queremos conectar dos ETD o ETCD entre sí para transmitir datos síncronos tendremos que cruzar aparte de los datos también los relojes. Por ejemplo: para conectar dos ETDs, el circuito 113 de cada uno de ellos tendrá que conectarse al circuito 115 del otro extremo. La conexión de dos ETCDs es más compleja ya que como vimos anteriormente el reloj de recepción siempre lo da el propio ETCD y por tanto no podemos cruzarlo con ningún otro circuito en el ETCD remoto. En la práctica, las conexiones síncronas entre módems sólo pueden funcionar cuanto tenemos un único reloj en todo el sistema, es decir, tenemos idéntico reloj para transmisión y recepción de forma que podemos usar el reloj interno de ambos dispositivos ya que son idénticos.

Modos directo y bufferizado

En modo síncrono la velocidad de datos entre el ETD y el ETCD es la misma que entre el ETCD local y el ETCD remoto ya que es el propio reloj el que se transmite, modulado, entre ambos módems.

Sin embargo, en transmisiones asíncronas, podemos tener velocidades distintas. Por ejemplo, podemos tener una velocidad en el puerto serie de nuestro PC de 115200bps y como sabemos no es posible alcanzar esta velocidad de comunicación entre módems.

Si las velocidades son idénticas podemos usar el modo directo en el módem. Si las velocidades son diferentes deberemos usar el modo bufferizado que como su nombre indica consiste en que el módem dispone un buffer para almacenar los datos que recibe del ETD local y otro buffer para almacenar los datos que recibe del ETCD remoto. Como podemos suponer si la velocidad del terminal es superior a la velocidad de comunicación entre ambos módems el primer buffer acabará llenándose. Para evitarlo existen los mecanismos de control de flujo que consisten en que el módem informa al ETD de que su buffer está a punto de llenarse y por tanto debe dejar de transmitirle datos. Es un mecanismo similar en su concepto a las tramas de pausa en Ethernet. Existen básicamente dos mecanismos de control de flujo:

  • control de flujo hardware (RTS/CTS): el módem desactiva la señal CTS y el terminal debe dejar de transmitir datos al módem hasta que éste vuelva a activarla cuando haya vaciado el buffer
  • control de flujo software (XON/XOFF): el módem informa al terminal enviando un carácter XOFF (ASCII 19) que deje de transmitir datos y cuando ha vaciado el buffer envía un carácter XON (ASCII 17) para notificar al ETD que puede volver a enviar datos. Este mecanismo tiene una limitación y es que el flujo de datos no puede contener estas combinaciones ASCII.

Introducción a la tecnología de módems (I)

Presentamos algunos conceptos generales y definiciones (módem, ETD, ETCD), tipos de modulaciones (QAM, TCM, FSK) y diferencias entre velocidades de transmisión y modulación.

Empezamos hoy una serie de posts donde repasaremos algunos conceptos generales sobre los módems analógicos. Estos dispositivos quedan lejos pero no debemos olvidar que hace no muchos años eran el único medio de conexión a Internet en nuestros hogares. Hoy en día únicamente encontramos módems en algunas aplicaciones de tipo industrial tales como lectura remota de contadores o plc o aplicaciones domóticas en zonas sin cobertura GSM.

Algunos conceptos generales

Módem es la contracción de los términos modulador-demodulador. En efecto, un módem es un dispositivo que transforma señales digitales en analógicas (modulación) para poder ser transmitidas a través de canales vocales (300 – 3400 Hz). En recepción hace lo contrario, demodulando las señales analógicas recibidas y convirtiéndolas a digitales. Las señales analógicas de salida de los módems se codificarán G711 a 64K y luego se multiplexarán luego sobre tramas de 2Mbps y se transmitirán sobre enlaces PDH o SDH sobre radio o fibra. Si quieres saber más acerca de la codificación G711 y la digitalización de señales en tramas de 2 Mbps puedes revisar el post Multiplexación por división en el tiempo

ETD: estación terminal de datos. Es el equipo que conectamos al módem para transmitir datos (PC, RTU. sensor, …)

ETCD: estación terminal del circuito de datos. Es el módem en sí.

ITU (International Telecommunications Union): organismo regulador y estandarizador que estandariza todos los protocolos de funcionimento de los módems

Diagrama de bloques de un módem

En la figura siguiente puedes ver un diagrama de bloques genérico de un módem

modem diagrama bloques - Introducción a la tecnología de módems (I)En dicho diagrama vemos tres elementos principales:

  • microntrolador (CPU): es el encargado de ejecutar el microcódigo (firmware) del equipo para que éste funcione. Se complementa con una RAM y una E2ROM o NVRAM para almacenar los parámetros de funcionamiento del equipo cuando éste se apague.
  • Chip modem (datapump): es el circuito integrado que se encarga de modular los datos a transmitir a línea y demodular los datos recibidos a través de dicha línea
  • interfaz de usuario: conjunto de pulsadores, display y leds para informar del estado del equipo y poder realizar ciertas acciones (contestar llamada, colgar llamada, realizar bucles, …)

Además del interfaz con el usuario, el módem presenta el interfaz de línea y el interfaz con el ETD o terminal de datos. El interfaz de línea tiene una impedancia normalizada de 600 ohm y puede ser a 2 hilos (RTC o líneas dedicadas de 2 hilos) o 4 hilos (líneas de dedicadas de 4 hilos). El interfaz con el ETD suele ser un interfaz serie del tipo RS232 o RS485/422 que puede funcionar en modo asíncrono o síncrono.

Velocidad de transmisión y velocidad de modulación

En módems podemos hablar de dos velocidades:

  • Velocidad de transmisión en bits por segundo (bps). Tanto puede hacer referencia entre ETD y ETCD (velocidad de terminal) como entre ETCD’s (en línea). Mide el tiempo que tarda un bit en transmitirse a través de la interfaz V24 o a través de línea telefónica
  • Velocidad de modulación en baudios o símbolos por segundo. Hace referencia al tiempo que dura un símbolo modulado en la línea

(velocidad baudios = ancho de banda)

A mayor número de bits por símbolo, mayor eficiencia espectral (menor ancho de banda) para una misma velocidad de transmisión en bps.

En la siguiente tabla recogemos todas las modulaciones existentes para módem analógico (sin contar V90 o 56KFlex).

Veamos un ejemplo: si modulamos en V32 a 9600 bps, usamos un tipo de modulación QAM-16 (Quadrature Amplitude Modulation). Este esquema nos permite enviar símbolos modulados en un espectro de 16 estados. Cada estado codifica 4 bits (del 0000 al 1111) y por tanto modulamos a una velocidad 4 veces inferior a la velocidad en bits codificados. Por tanto: 9600 bps y 2400 baudios. La velocidad de modulación está limitada por el ancho de banda del canal analógico (300-3400 Hz). Si queremos transmitir más bits en este mismo ancho de banda tenemos que aumentar el número de estados en la modulación (por ejemplo: QAM-256) o bien cambiar el tipo de modulación (TCM Trellis Coded Modulation).

tabla modulaciones - Introducción a la tecnología de módems (I)Todas las modulaciones tienen una frecuencia portadora sobre la que se modula es esquema de modulación: DPSK, QAM o TCM. La excepción son las modulaciones FSK (Frequency Shift Keying) donde usamos una portadora (frecuencia) para transmitir un ‘0’ y otra para transmitir un ‘1’.

En el próximo post hablaremos sobre el interfaz V24 y sus señales, los formatos síncronos y asíncronos y las formas de ajustar  las velocidades de transmisión y modulación entre ellas.