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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).

Comunicação Serial com Modem Versão 2016



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.



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.



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



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.



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.



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.



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).

(a) Transmissão Full-duplex (b) Recepção Full-duplex.

Figura 11 – Protocolo de comunicação no modo full-duplex.



1.8. Modo Loop-Back

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. Contudo antes da conexão destes

modems entre si, é necessário realizar um diagnóstico para verificação do funcionamento do modem. Isto

pode ser realizado com o modo de funcionamento loop-back. O modem Am7910 tem dez modos de

funcionamento loop-back que podem ser usados para os testes. Consulte o manual do circuito integrado.

Quando um modo loop-back é selecionado, os circuitos de processamento de sinais (filtros, etc) tanto do

transmissor como do receptor são ajustados para processar o mesmo canal ou banda de frequências. Esta

configuração permite que a saída analógica TC e a saída analógica RC sejam conectadas para formar um

loop analógico (figura 12). Assim, a verificação do funcionamento correto se dá com a comparação dos

sinais enviados em TD e recebidos em RD.

Figura 12 – Loop-Back Analógico.

Outra alternativa é conectar os sinais digitais TD e RD (ou BTD e BRD) para permitir o teste de um modem

remoto em um loop digital [AMD, 1988]. A figura 13 ilustra a conexão dos sinais. Caso o modem esteja

funcionando de forma correta, um sinal senoidal adequado inserido em RC faz com que o modem reconheça

uma comunicação válida (sinal /CD ativo) e uma forma de onda correspondente em TC (sinal senoidal com

a mesma frequência).

Figura 13 – Loop-Back Digital.

O modo Loop-back deve ser usado para procedimentos de teste em bancada onde o circuito digital que

inclui o modem deve ser testado antes de se conectar com a outra parte do sistema de comunicação.

Assim, o circuito pode enviar e receber dados internamente. Depois da verificação do funcionamento for

bem-sucedido, pode-se prosseguir com a interligação dos sistemas.



2. Interligação de Terminais

Na maioria dos terminais existem, além dos sinais de terra, de transmissão e de recepção de dados, outros

sinais de controle que implementam algum protocolo de comunicação, visando facilitar e padronizar a

interligação de equipamentos. No caso dos terminais seriais existentes no laboratório, estes sinais seguem

as normas EIA-RS-232C.

Na interligação de terminais remotos via MODEMs, estes sinais são utilizados para controlar a comunicação

entre cada par terminal de vídeo/MODEM. Contudo, estes sinais, seguindo a referida norma, não

apresentam níveis elétricos compatíveis com os requeridos pelo MODEM (níveis TTL). Desta maneira, é

necessário o uso de conversores de sinais na interligação terminal/MODEM (figura 14).

Figura 14 – Interligação entre dois terminais de dados através de modems.

Na montagem a ser realizada no Laboratório Digital, não usaremos o protocolo de comunicação serial para

a comunicação entre terminal serial e modem. Assim, interconectaremos apenas os sinais de dados TX e

RX do terminal serial com os sinais TD e RD do modem, através de circuitos de conversão de níveis de

tensão.



3. Conversão de Níveis de Tensão

Como os padrões de nível de tensão para circuitos digitais (TTL ou CMOS) e para o RS-232C são diferentes,

é necessário o uso de circuitos especializados para conversão de níveis de tensão. Por exemplo, o bit 1,

que em um circuito digital tem um nível de tensão típico da ordem de +5V, deve ser convertido para um

sinal MARK que tem tipicamente um nível de tensão de -12V. Da mesma forma, o bit 0 (tensão de 0V)

deve ser convertido para o sinal SPACE (tensão +12V). A figura 15 ilustra a interconexão dos conversores

de tensão na ligação de um terminal serial com um dispositivo digital com circuitos TTL.

Figura 15 – Uso de conversores de tensão.

Vários componentes estão disponíveis no mercado para realizar a conversão de níveis de tensão. Por

exemplo, temos o par 1488/1489 e o MAX232. O componente 1488 é responsável pela conversão de níveis

de tensão TTL para RS-232 e o 1489, de RS-232 para TTL. A Figura 16 apresenta as pinagens destes

componentes.

Figura 16 – Pinagens e esquemas lógicos dos conversores de tensão 1488 e 1489.

Convém observar que o conversor 1488 tem como pinos de alimentação: VCC+, VCC- e GND (tipicamente,

+12V, -12V e 0V, respectivamente). Já o conversor 1489 tem os pinos comuns de alimentação: VCC

(tipicamente +5V) e GND (0V).

1488

Controle

1489



4. BIBLIOGRAFIA

Advanced Micro Devices. Analog and Communications Products Data Book. Sunnyvale,

California, 1983.

Advanced Micro Devices. Modem Technical Manual - Am79101 WORLD-CHIP Autodial

FSK Modem /Am7910 FSK WORLD-CHIP Modem / Am7911 FSK WORLD-CHIP Modem.

Sunnyvale, California, 1988.

FREGNI, E et al. MODEM. Experiências 6 e 7 - Laboratório Digital II, EPUSP, 1987.

ROSCH, W. L. The Modern Modem: Bridge to the On-Line. PC Magazine, May 12, 1987

WEISSBERGER, A. J. Data Communications Handbook. Signetics. EUA, 1977.

Histórico de Revisões F.N.A. e E.T.M. / 2001 (revisão) E.T.M./2004 (revisão) E.T.M./2005 (revisão) E.T.M./2011 (revisão) E.T.M./2013 (revisão) E.T.M./2014 (revisão) E.T.M./2015 (revisão) E.T.M./2016 (revisão)

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