浅谈嵌入式Modem的通信技术

  摘要:由于多媒体技术的快速发展，普通Modem已经不能适应现在的网络数据传输，但在传输较小数据时，嵌入式Modem已得到广泛的应用。在通信时，嵌入式Modem产品能够同普通Modem一样实现数据传输，可以提供并行接口和串行接口，能够提供同步和异步数据传输格式。文章主要就嵌入式Modem的通信技术进行了阐述。

    现今，市面上生产的各种嵌入式Modem可通过公众电话交换网络（PSTN）实现数据的传输功能，包括标准的串行和并行的接口，具有同步和异步的通信数据传输格式，支持多种Modem标准协议——V.90、V.34、V.32bis、V.22bis等，支持V.42、MNP等纠错协议和V.42bis、MNP5等数据压缩协议。

    一、通信技术

    通信是指计算机与计算机或外围设备之间的数据传送。因此，这里的“信”是一种信息，是由数字“1”和“0”构成的具有一定规则并反映确定信息的一个数据或一批数据。数据通信涉及两台设备之间进行传输数据的问题。常用的数据通信方式有并行通信和串行通信两种。当距离较近而且要求传输速率较高时，通常采用并行通信的方式。当设备距离较远时，数据往往以串行方式传输。

    （一）并行通信和串行通信

    并行通信比较简单，可分为不同位数（宽度）的并行通信，如8位并行通信、16位并行通信等等。在并行数据传输中，8位并行通信有8个数据位同时从一个设备传送到另一个设备，发送设备将8个数据位通过8条数据线传送给接收设备。接收设备在收到这些数据后，不需经过任何改变就可以直接使用。并行通信的特点是数据的每位被同时传输出去或接收进来。

    串行通信其数据传输是逐位传输的，因而相同条件下，比并行通信传输速度要慢，但在实际应用中往往选择串行数据传输。因为串行通信发送或接收数据最多只需两根导线，其一用于发送，另一用于接收。根据串行通信的不同工作方式，还可将发送接收线合二为一，成为发送/接收复用线（如半双工）。实现串行数据传输的硬件具有经济性和实用性。

    （二）串行数据传输方式

    在串行数据传输中，每次由源地传到目的地的数据只有一位，与同时传输好几位数据的并行数据传输相比，串行数据传输的传输速度要比并行传输慢。在串行数据传输中，各位逐次从源地送到目的地，这就要求在数据源和数据目的地之间进行同步，将各位、字符和报文区分开来。数据链路将控制实现两站点间的同步，它要求位、字符或报文从一个站点发送到另一个站点时要加上必要的附加信息，这些信息使得接收站和发送站中的硬件时钟得以同步，从而保证由源地发送的信号被目的地正确地识别出来。串行数据通信有两种数据传输方式，即异步串行数据传输和同步串行数据传输。

    异步通信：异步通信所传输的数据格式（也称为串行帧）由1个起始位，5、6、7或8个数据位，1、1.5、2个停止位和1个校验位组成。

    起始位约定为0，空闲位约定为1。

    异步通信的实质是指甲乙通信双方采用独立的时钟，每个数据均以起始位开始，停止位结束，起始位触发A、B双方同步时钟。每个异步串行帧中的1位彼此严格同步，位周期相同。

    异步通信依靠起始位、停止位保持通信同步，对硬件要求较低，实现起来比较简单、灵活。

    同步通信：同步通信所传输的数据格式（也称为同步串帧）是由多个数据构成的，每帧有两个（或一个）同步字符作为起始位以触发同步时钟开始发送或接收数据。空闲位需发送同步字符。

    同步通信依靠同步字符保持通信同步。数据组内数据与数据之间不需要插入同步字符，没有间隙，因而传输速度较快，但要求有准确的时钟来实现收发双方的严格同步，对硬件要求较高，适用于传送成批数据。[!--empirenews.page--]

    二、嵌入式Modem的工作原理

   调制解调器（Modem）由发送、接收、控制、接口、操纵面板及电源等部分组成。数据终端设备以二进制串行信号形式提供发送的数据，经接口转换为内部逻辑电平送入发送部分，经调制电路调制成线路要求的信号向线路发送。接收部分接收来自线路的信号，经滤波、反调制、电平转换后还原成数字信号送入数字终端设备。

    电话线可以使通信的双方在相距几千公里的地方相互通话，是由于每隔一定距离都设有中继放大设备，保证话音清晰。在这些设备上若再配置Modem，则能通电话的地方就可传输数据。一般电话线路的话音带宽在300～3400Hz范围，用它传送数字信号，其信号频率也必须在该范围。常用的调制方法有：频移键控（FSK）、相移键控（PSK、DPSK）、幅度调制（PAM、QAM）、脉冲编码调制（PCM）等。

    Modem通常有三种工作方式：挂机方式、通话方式、联机方式。电话线未接通是挂机方式；双方通过电话进行通话是通话方式；Modem已联通，进行数据传输是联机方式。

    调制解调器通电后，通常先进入挂机方式，通过电话拨号拨通线路后进入通话方式，最后通过Modem的“握手”过程进入联机方式。

    调制解调器与计算机连接是数据电路终端设备DCE（DataCircuitterminatingEquipment）与数据终端设备DTE（Data Terminal Equipment）之间的接口问题。DCE与DTE之间的接口是计算机网络使用上的一个重要问题。

    （一）DTE和DCE

    DTE（DataTerminalEquipment，数据终端设备），是具有一定数据处理能力及发送和接收数据能力的设备。DTE可以是一台计算机或终端，也可以是各种I/O设备。大多数数据处理终端设备的数据传输能力有限，如果将相距很远的两个DTE设备直接连接起来，往往不能进行通信，必须在DTE和传输线路之间加上一个称为数据电路终端设备（DCE，DataCircuit-terminal Equipment）的中间设备。DCE的作用就是在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路的连接。典型的DCE是与模拟电话线路相联接的调制解调器。数字设备通过调制解调器接入电话网络进行通信是利用模拟信号传输数字数据。

    （二）RS-232C串行口

    嵌入式Modem通常都是通过RS-232C串行口信号线与计算机连接。RS-232允许一个发送设备连接到一个接收设备以传送资料；其原始规范的最大传输速度为20Kbps，但事实上，现在的应用早已远超过这个速度范围。RS-232可说是相当简单的一种通信标准，若不使用硬件流控制，则最多只需利用三根信号线，便可做到全双工的传输作业。

    RS-232C串行口信号分为三类：传送信号、联络信号和地线。

    1.传送信号：指TXD（发送数据信号线）和RXD（接收数据信号线）。

    2.联络信号：指RTS、CTS、DTR、DSR、DCD和RI六个信号，各自功能为：

    RTS（请求传送），是PC机向Modem发出的联络信号。

    CTS（清除发送），是Modem向PC机发出的联络信号。

    DTR（数据终端就绪），是PC机向Modem发出的联络信号。

    DSR（数据准备就绪），是Modem向PC机发出的联络信号。它指出本地Modem的工作状态。

    DCD（传送检测），是Modem向PC机发出的状态信号。

    RI（振铃指示），是Modem向PC机发出的状态信号。

    3.地线信号（GND），为相连的主机和Modem提供同一电势参考点。[!--empirenews.page--]

  三、调制和协议标准

    在通信领域中，协议（Protocol）指的是通信双方应遵守的一套共同的技术规则或规范。如果这套规则或规范被较多的用户接受，便可以称为标准（Standard）。

    Modem最基本的功能是调制和解调，近年来已发展出一系列技术标准；此外，现今的Modem产品为提高传输速度，大都还将压缩和纠错技术引入其中。

    （一）标准Modem协议

    调制解调器的基本功能是在计算机提供的二进制数字信号与电话网支持的模拟信号之间进行转换，使计算机可以利用电话网进行远距离的数据通信。调制解调技术的核心就是如何在带宽有限（≤4KHz）的电话信道中提高数字信息的传输速度，这个速度常以比特率,即每秒钟传输的二进制位数（bitspersecond,简写为bps）来衡量。

    最早的调制解调器1958年由AT&T公司推出的Bell103，它采用简单的调频技术FSK（FrequencyShiftKeying），仅提供300bps的传输速度。CCITT根据Bell103颁布了一个类似的技术标准V.21。

    20世纪70年代AT&T的Bell212采用调幅与调相结合的4—DPSK技术,实现了1200bps的传输速度。CCITT的一个类似标准称为V.22。Bell103（V.21）和Bell212（V.22）现在已很少使用，但为了与早期的Modem兼容，不少Modem仍将这两项技术集成在产品中，作为选项。

    20世纪80年代中期CCITTV.22bis标准被大多数Modem厂家采用，它的16-QAM（12个相位角和4个调幅相的正交调制）调制技术实现了2400bps的传输速度。接下来，CCITT又颁布了采用32-TCM（格栅编码调制）技术，可实现9600bps速度的V.32标准。CCITT于1991年颁布了V.32bis标准。V.32bis采用128—TCM调制技术,可以实现最高14400bps的传输速度，并能根据线路质量的变化，退至12000bps、9600bps、7200bps和4800bps等4个速度档进行工作。1993年，CCITT推出V.34标准，可实现28800bps的最高速度，该标准还可按28.8K/2*K/21.6K/19.2K/16.8K/14.4K/12K /9600/7200/4800bps等多个速度档降速工作。

    V.90是ITU-T制定的一个56Kbps数据传输标准。V.90使得调制解调器能够在PSTN上以高达56Kbps的速率接收数据。V.90连接技术使用一条双向通道：上行通道和下行通道。V.90客户端Modem的下行（接收）通道可以达到更高的传输速度56K。V.90标准可支持33.6Kbps的上行速率。

    （二）压缩和纠错技术的协议标准

    为了进一步提高Modem对数据的传输速度，除了上述对调制解调技术的不断改进之外，数据压缩技术也在近年来被引入Modem。纠错技术则是随着压缩技术的采用而被引入的。

    美国Microcom公司纠错和压缩协议常简写为MNP（MicrocomNetworkProtocol），它由一系列独立的纠错和压缩协议组成。其中，MNP1～MNP4和MNP10是纠错协议，MNP5和MNP7是压缩协议。MNP已成为压缩纠错技术的工业标准。

    1988年，CCITT颁布了V.42纠错标准。V.42将MNP4作为它的一个选项。如果两台Modem中的一台支持V.42，另一台支持MNP4，则二者可以自动协商执行MNP4的纠错处理。

    在数据压缩协议方面，MNP5和V.42bis最为流行。CCITT于19*颁布的V.42bis是一种更为有效的压缩协议。

    由于V.42bis具有自动测试功能，可以通过在线测试自动地在压缩模式与透明模式（不作压缩处理）之间进行切换，因此V.42bis的适应性比MNP5要好。

    压缩技术与纠错技术是紧密相关的，如果选择了V.42bis压缩协议，则Modem将自动启用V.42纠错协议；而如果用MNP5压缩，则自然采用MNP纠错。

    四、结语

    嵌入式Modem能够具有传统的Modem的所有功能，利用电话线（PSTN）解决数据传输问题，而且其体积小、可靠性高、灵活方便，非常适合用于通信量不太大的终端设备之间的通信。在配电自动化、远程抄表、税控POS机、银税POS机等方面都有广阔的应用前景，有很大的市场空间。