Главная
Назад
Автор:Яшкардин Владимир
www.softelectro.ru
2010
electron18@softelectro.ru
Bell 202 - интерфейс передачи последовательных двоичных данных методом частотной манипуляции.
Один из первых интерфейсов для передачи последовательных двоичных данных.
Разработан корпорацией Bell System, для дистанционного управления и настройки телекоммуникационного оборудования связи.
Интерфейс допускает акустический разрыв между объектами, которые обменивались информацией.
То есть, обмен информацией может происходить через телефонные трубки положенные накрест друг к другу.
Единица и ноль в этом интерфейсе кодируются различными гармониками звукового диапазона частот.
Так как сигналы находятся в звуковом диапазоне частот, то пропускной способности телефонного канала связи хватает для передачи 1200 бит в секунду.
Метод частотной манипуляции пришел на замену телеграфному способу передачи данных,
который подразумевал кодирование символов временными интервалами, например по коду Морзе.
Александр Белл (Alexander Graham Bell) был учителем в школе для глухих детей в городе Бостоне.
7 марта 1876 года он получил патент на изобретение телефона.
В 1877 году Александр Белл предложил купить свой патент крупнейшей телеграфной компании Western Union Company.
Президент этой компании предложил рассмотреть этот вопрос совету экспертов в области телеграфии.
Эксперты дали заключение, что это изобретение бесполезно в области телекоммуникаций и оно бесперспективно.
Александр Белл решил самостоятельно продвигать своё изобретение.
Примерно через 10 лет, гигант телекоммуникаций Western Union Co., был фактически вытеснен телефонным бизнесом из сферы телекоммуникационных технологий .
Сегодня вы можете увидеть во многих российских городах окошки с надписью Western Union, эта компания которая занимается переводом денег по всему миру,
а когда-то она была международным гигантом телекоммуникаций.
Отсюда можно сделать вывод: мнения экспертов в инновационных технологиях бесполезны!
Компания образованная А.Беллом, которая впоследствии стала называться Bell System, стала основным генератором идей в теории и практики передачи последовательных данных.
Отказ от использования временных сигналов, типа "точка" - "тире", и переход к частотной модуляции передаваемой информации был ещё одним инновационным прорывом.
Первые модемы фирмы Bell System назывались Bell103 и Bell202.
Телефонные сети с этими модемами послужили прообразом современных мировых информационных сетей.
Эти модемы могли работать по существующим тогда телеграфным и телефонным линиям. Интерфейсы, по которым работали эти модемы стали называть по названиям модели модемов.
Имя Александра Белла заслужено попало в названии этих интерфейсов.
Корпорация Bell System получила от правительства США в 1877 году монополию на телефонную систему связи.
Поэтому разработки этой компании, в частности интерфейс Bell202, не стали стандартом обмена последовательными данными,
так как были запатентованным методом обмена данными в телефонных сетях Bell System.
По этой причине международный стандарт ITU-T v.23 (аналог Bell202) был вынужден сдвинуть частоты, которые используются для передачи последовательных данных.
В 1984 году монополия Bell System была ликвидирована и монополия разделилась на несколько крупных корпораций: AT&T Inc., Cincinnati Bell Inc.,
Qwest Communications International Inc., Verizon Communications Inc., Alcatel-Lucent, Avaya Inc., LSI Corporation, Systimax Solutions, Telcordia Tachnologies Inc.,
Bell Canada Enterprises Inc., Nortel Networks Corporation, ITT, NEC, NTT.
Bell System (1876-1984гг.)
Во многих источниках указана компания AT&T (но, она входила в состав Bell System до 1984 года)
Публикация: "Bell System Technical Reference, PUB 41212, Data Sets 202S and 202T Interface Specification, July 1976"
Международные стандарты были вынуждены сдвинуть сетку частот, так как Bell202 был запатентованным методом передачи данных в телефонных сетях Bell System.
ITU-T v.23 (1988г. действующий)
Издатель: TELECOMMUNICATION STANDARDIZATION SECTOR OF ITU
Название: 600/1200-BAUD MODEM STANDARDIZED FOR USE IN THE GENERAL SWITCHED TELEPHONE NETWORK
Старые редакции:
CCIT v.23 (1984г. не действующий)
CCIT v.23 (1980г. не действующий)
CCIT v.23 (1976г. не действующий)
ГОСТ 20855-83 (1983г.)
Издатель: СССР. Государственный комитет по стандартам.
Название:Устройства преобразования сигналов аппаратуры передачи данных для коммутируемых и некоммутируемых каналов тональной частоты
-FSK (Frequency-Shift keying) манипуляция частотным сдвигом
часто называют так :
-AFSK (Audio Frequency-Shift keying) манипуляция звуковым частотным сдвигом
в некоторых источниках модуляцию указывают неправильно:
-DPSK (Differential Phase Shift Keying) - манипуляция разнофазовым сдвигом
При модуляции двоичной последовательности методом FSK, происходит сдвиг частоты передаваемого сигнала с минимальным изменения фазы сигнала (см.рис.1).
При этом амплитуда сигнала при модуляции не изменяется.
Так как используются только две гармонические частоты, то спектр передаваемого сигнала узок (не более 1...2 кГц)
Что позволяет сигналам свободно проходить через коммутированные линии связи на большие расстояния.
Частотная модуляция обладает хорошей помехоустойчивостью, так как не зависит от амплитуды сигнала.
Модем Bell202, назовем его по современному - driver ("драйвер"), может быть активен или не активен.
Когда драйвер активен он постоянно передает в линию связи сигнал с частотой 2200ГЦ, что позволяет другим драйверам понимать - что линия занята и драйвер находится в режиме передачи.
Если на вход драйвера подать двоичную последовательность, то он начнет её модулировать частотным сдвигом (FSK).
Единицы (Mark) модулируются частотой 1200Гц , нули (Space) частотой 2200Гц.
Драйвер перестает выдавать частотный сигнал, когда становится не активным, при этом считается, что он работает в режиме приема данных из линии связи.
В интерфейсе Bell 202 предусмотрено два канала связи, разнесенные по частоте.
Это обеспечивает возможность одновременно вести передачу и прием данных в обоих направлениях по двум проводам.
Прямой канал связи является основным.
Он предназначен для передачи основного потока данных на скорости 1200 bps.
Обратный канал предназначен для подтверждения полученных данных и может принимать данные на скоростях 5 bps или 150 bps.
В Bell202 предусмотрено три режима работы:
1.несимметричный дуплекс 1200/5 bps с частотным разделением каналов
Рис.2 Спектр сигнала в режиме 1200/5 bps
прямой канал :скорость= 1200 bps, Mark=1200 Гц, Space=2200 Гц
обратный канал:скорость=5 bps , Mark= 387 Гц
2.несимметричный дуплекс 1200/150 bps с частотным разделением каналов
Рис.3 Спектр сигнала в режиме 1200/150
прямой канал :скорость= 1200 bps, Mark=1200 Гц, Space=2200 Гц
обратный канал:скорость=150 bps , Mark= 387 Гц, Space=487 Гц
3.полудуплекс 1200 bps
Рис.4 Спектр сигнала в полудуплексном режиме
прямой/обратный канал :скорость= 1200 bps, Mark=1200 Гц, Space=2200 Гц
Интерфейс Bell202 является многоточечным, кроме того он может работать в полудуплексном режиме.
Поэтому может возникнуть ситуация когда в одно время будет работать более одного драйвера Bell202 в режиме передатчика, что приведет к потере данных.
Эта ситуация называется "коллизией".
Чтобы коллизии не возникали в каналах обмена данными необходимо использовать более высокие протоколы, такие как HART и др.
Либо программы, которые напрямую работают с модемом Bell202 и решают проблемы коллизий.
Обычно такие проблемы решаются назначением прав для драйвера: "ведомый" (Slave)или "ведущий"(Master) .
Ведущий драйвер может самостоятельно включать режим передачи данных в линию связи, ведомые драйвера при этом, находятся в режиме приема данных.
Чтобы ведомый драйвер начал передавать данные в линию связи необходимо разрешение от ведущего. Это разрешение ограничено временем, которое называется таймаутом.
Для организации обмена данных и решения проблем с коллизиями в интерфейсе Bell202 предусмотрены сервисные сигналы:
1. Ответный тон, позволяет обнаружить наличие модема в линии связи.
Answer Tone (ответный тон) - 900 Гц
2. Тон программного выключения модема, предназначен для выключения модема.
Soft Turn-off Tone - 2025 Гц
Как писалось выше, интерфейс Bell202 предназначался для работы с телефонными и телеграфными линиями связи.
Монополия Bell System использовала его в своих системах для дистанционного управления оборудованием связи и определения вызывающего номера.
Полоса пропускания для сигнала Bell202 незначительная, поэтому интерфейс может применяться в различных линиях связи:
Аппаратная реализация приемопередатчиков Bell202 основана на использовании частотных модуляторов и демодуляторов.
Рис.6 Функциональная схема модема Bell202
Рассмотрим функциональную схему модема Bell202 показанную на рис.6.
В прямом канале двоичная последовательность от DTE(UART) по RS232 поступает на цифровой частотный синтезатор, который преобразует 1 и 0 в частотные сигналы 1200 и 2200Гц.
Длительность модулированного сигнала при этом равна длительности 0 или 1.
Выбор режима работы задается настройкой синтезатора.
Далее цифровой частотный сигнал (прямоугольной формы) поступает на цифровой полосовой фильтр и цифро-аналоговый преобразователь, в котором сигнал приобретает гармонический(синусоидальный) вид.
Оконечный аналоговый фильтр ограничивает полосу выходного сигнала, избавляя его от высоких гармоник (помехи) образовавшихся при цифровом синтезе.
В обратном канале аналоговый сигнал частотой 387/487Гц поступает на полосовой фильтр, который выделяет информационный сигнал из линии связи и подает его на аналогово-цифровой преобразователь.
АЦП оцифровывает синусоидальный сигнал и через цифровой полосовой фильтр сигнал поступает на демодулятор, с которого он поступает в DTE(UART) по интерфейсу RS232C.
Кроме этого в обратном канале находиться детектор наличия несущей, что позволяет подавать сигнал о начале инициализации обмена данными между DTE(UART) и DCE(модем).
В настоящее время выпускаются интегральные микросхемы, которые полностью или частично выполняют функцию модема с FSK-модуляцией.
Рассмотрим для примера схему RS232C-Bell202 преобразователя выполненную на ИМС AM7911.
Рис.7 Схема FSK-модема на ИМС AM7911
Микросхема AM7911 представляет из себя полнофункциональный FSK-модем Bell202.
Микросхема питается от двухполярного источника ±5в.
На рис.7 представлена стандартная схема включения микросхемы для работы в дуплексном режиме 1200/150bps.
Миниатюрный преобразователь RS232c-Bell202 VIATOR фирмы MACTek с питанием от СОМ-порта компьютера.
Модем работает в полудуплексном режиме 1200bps.
Рис.9 RS232 Interface for HART networks VIATOR from MACTek
Руководство по модему VIATOR Скачать Объем: 46 kb
Как отмечалось в п.3.6 интерфейс Bell202 обладает универсальной способностью работать во многих физических средах, которые используются для передачи данных.
Приведу примеры использования этого интерфейса в настоящее время.
Как указано выше интерфейс Bell202 создавался корпорацией Bell System для дистанционной настройки телекоммуникационного оборудования телефонных сетей.
Bell System владела всеми телефонными сетями США, так как имела монополию на телефонную связь до 1984 года.
В большинстве телефонных сетей всего мира этот интерфейс продолжает использоваться и сегодня.
Например, с его помощью определяю номер вызывающего абонента (т.е. кто вам звонит), эта функция называется Caller_ID.
80-90х годах прошлого века модемы Bell202 активно использовались хакерами для взлома телефонных сетей,
что позволяло им совершать бесплатные звонки, подменять номер вызывающего абонента, а также получать незаконный доступ к информации.
В современных цифровых АТС сделана защита от подобных действий.
Несмотря на это в мире остается достаточное количество старых АТС, которые подвержены "хакингу" с помощью интерфейса Bell202.
В настоящее время для обмена данными через телефонные сети модем Bell202 не используется, он заменен более совершенными модемами,
которые обеспечивают большую скорость обмена, компрессию и коррекцию ошибок с помощью циклического кодирования.
Например, модемы v.92 c импульсно-кодовой модуляцией.
Интерфейс Bell202 является физическим уровнем для международного протокола HART.
Протокол HART был разработан компанией Fisher-Rosemount Systems для дистанционного опроса и настройки своих полевых приборов.
В начале, HART-протокол использовался для настройки приборов КИПиА через подсоединения HART-модема к интерфейсу "токовая петля",
по которой прибор передавал свой основной параметр измерения в аналоговом виде.
На сегодняшний день протоколом HART оснащают практически все интеллектуальные приборы КИПиА и обычно соединяют все приборы КИПиА в единую HART-сеть,
в которой каждый прибор имеет свой адрес, по которому к нему можно обратиться с помощью коммуникатора или программы управления.
Для работы в HART-сети необходим HART-модем.
HART-модем это модем Bell202, а HART-сеть это сеть использующая спецификацию интерфейса Bell-202.
Пример 1: Настройка цифрового термометра по токовой петле 4-20мА.
Имеется цифровой термометр измеряющий температуру от 0 до 100°С, с HART интерфейсом.
Прибор передает значение температуры по токовой петле 4мА=0С°С.....20мА=100°С.
То есть, постоянный ток в токовой петле прямо пропорционален измеряемой температуре.
Измеренная температура отображается на вольтметре, подключенном к токовой петле через сопротивление в 500 Ом.
Рис.10 Настройка прибора по токовой петле.
Для настройки термометра можно в любое место кабеля, по которому передается постоянный ток от 4 до 20 мА подключить HART-коммуникатор.
HART-коммуникатор, это цифровой прибор с встроенным модемом Bell202, предназначенный для настройки КИП приборов оснащенных HART-интерфейсом.
Так как измерительные приборы могут стоять в недоступном месте, например в радиоактивной зоне,
то отсюда видно насколько удобно применение HART-коммуникаторов для настройки этих приборов.
Кроме того Bell202 не требует отдельной линии связи, он может использовать существующие линии связи, например токовую петлю.
Пример 2: Соединение приборов в общую HART-сеть.
В последнее время всё чаще используют соединение приборов КИП в единую HART-сеть, что позволяет вести централизованную настройку и управление приборами.
При этом возникает необходимость в физическом создание HART-сети, обычно она представляет из себя двухпроводную сеть,
с блоком питания и нагрузочным сопротивлением равным выходному импедансу модема.
Рис. 11 Пример создания HART-сети.
Интерфейс Bell 202 применяется в пакетной радиосвязи с протоколом обмена ITU-AX.25 , по нему осуществляется формирование и обработка пакетов информации.
Некоторые наиболее известные применения Bell202 в радиосвязи:
1. Любительская пакетная связь (Amateur Packet Radio)
Международная радиолюбительская сеть AX.25, работающая в диапазоне высоких частот, имеет в своем составе передатчики, приемники,
ретрансляторы и шлюзы для соединения сети AX.25 с глобальной Internet сетью. Для соединения компьютера с трансивером используют модем Bell202
или специально разработанный для любительской радиосвязи BayCom модем.
Рис.12 Пример схемы сети AX.25 на Северном Кавказе. Взято с http://www.hamradio.cmw.ru
2. Автоматическая система сообщения позиции APRS (Automatic Position Reporting System)
Это специальный вариант любительской пакетной радиосвязи.
С помощью этого протокола можно получить информацию о местонахождении объекта или о любых его измеряемых физических параметрах
и при помощи технических устройств передать их на большие расстояния.
Используется для позиционирования объекта на местности (типа GPS).
Например, применяется при полётах на воздушных шарах.
Космический ретранслятор пакетной радиосвязи с FSK(Bell202) модуляцией 1200bps установлен в модуле "Заря" МКС, частота 145.825 MHz, позывной RSOISS-3.
Радиолюбители всего мира могут использовать его для трансляции своих пакетов через МКС.
Так как модем Bell202 предназначен для работы с UART через RS232, то любое ПО, которое может работать с СОМ-портом ПК,
может использоваться для работы с этим интерфейсом.
Например, для просмотра и записи на жесткий диск двоичной информации передаваемой в сетях с FSK модуляцией 1200bps (Bell202) можно воспользоваться сниффером, например Comread v.2.
Рис.14 Запись двоичной информации передаваемой в радио эфире на жесткий диск.