MODEMLER

1. GİRİS

Modem mo (dulateur) ve dem (odulateur) kelimelerinin birleşmesiyle oluşmuştur. Mo bilgi, dem ise işlem anlamına gelmektedir. Genellikle telefon hattı üzerinden sayısal (digital) verilerin transferinde kullanılır. Veri gönderen modem, sayısal veriyi telefon hattıyla uyumlu analog sinyallere dönüştürür, bu isleme modülasyon denir. Veri alan modem ise analog işaretleri tekrardan sayısal veriye çevirir bu işleme de demodülasyon denir. Modem haberleşmede çift bükülmüş bakır  tel kablo kullanır. Telefon hatları, insan sesinin frekans spektrumu olan 300 – 3500Hz’ lik bant ile sınırlı olduğu için modemlerde bu frekans bandını kullanmak zorundadır.

2. MODEMİN TARİHÇESİ

Modemler, 1960’li yıllardan itibaren terminallerin ana bilgisayarlara telefon hattı üzerinden başlanması amacıyla kullanılmaya başlamıştır.

Şekil 2.1: Modemin bağlantı şekli

İlk çıkan modemler 300 bps (bit per second-saniye basına bit sayısı)’lik modemlerdir. Bu  modemler sayısal veriyi telefon hattı üzerinden göndermek için Frequency Shıft Keying (FSK) yani frekans kaymalı anahtarlama tekniği kullanır. Bu metodta her bir biti temsil etmek için  farklı frekanslar kullanılmıştır.

300bps lik modemlerle  iletişim kurulduğunda  kaynak modem 0 için 1070 hertz frekans, 1 (bir) için 1270 hertz frekans kullanır. Bilgisayar modemine cevaplayan modem denir ve 0 (sıfır) için 2025 hertz frekans, 1 (bir) için 2225 hertz frekans kullanarak verileri alır. Çünkü başlangıç ve cevaplayan modemler farklı frekanslar ile iletim yaparlar ve hattı es zamanlı olarak kullanırlar. Buna full-duplex işlem denir. Sadece tek yönlü veri ileten modemlere half-duplex denir ve pek yaygın değildir.

Bit

1

0

kaynak

1270 Hz

1070 Hz

Alıcı

2225 Hz

2025 Hz

Tablo 2.1: Frekans kaymalı anahtarlama tekniğinin kullandığı  frekans değerleri

300 bps’lik  modemin kısıtlamalarını çözmek  için PSK (Phase shift keying) ya da DPSK yani  faz kaymalı anahtarlama tekniği kullanıldı. Bu metodla,  İkili, dörtlü, sekizli ve onaltılı olarak, giriş ikili koda göre modülasyon yapılır. Demodülasyonu ise bunun tam tersidir. Kullanılan taşıyıcı frekansının 1 bitindeki fazının 0 bitindeki fazıyla 180 derece faz farkı olduğu faz terslemesi (yani 180 derece faz kayması) modülasyonudur. Bu metod çoğu zaman iki faz modülasyonu olarak adlandırılır ve bir alıcı tarafından algılanması, iki değişik fazın tanınmasını ve orijinal sayısal dalga şeklinin yeniden üretilmesini gerektirir.

Günümüze kadar kullanılmış modemler;

  • 300 bps – 1960’lardan 1983’lere kadar

  • 1200 bps – 1984 ve 1985 te popülerlik kazandı

  • 2400 bps

  • 9600 bps – 1990 larda ortaya çıktı

  • 28.8 Kbps

  • 33.6 Kbps

  • 56 Kbps - 1998 de standart haline geldi

  • ADSL, teorik olarak saniyede 8 mbit’e varan veri transferi (Mbps)

3. MODEMİN ÇALIŞMA PRENSİBİ

Şekil 3.1: Modemin çalışma prensibi

Genellikle bilgisayar modemleri veri iletiminde asenkron iletişimi kullanırlar. Verileri küçük paketçikler halinde gönderirler. Her bir veri  baytı (8 bit) tek tek  ve ayrı bir paket biçiminde iletilir. Fakat  8 bitlik veri baytından önce başlangıç biti ve sonra da bitiş biti eklenir. Böylece her bir veri baytının iletilmesi için toplam 10 bit kullanılır.

Terminaldeki kullanıcılar tarafından modem aracılığıyla bilgi gönderilmek istendiğinde, kullanıcının klavyeden girmiş olduğu bilgi öncelikle ikilik sisteme çevrilir. İkilik sisteme çevrilen bilgi terminal içindeki UART (Universal asynchronous receiver/trasmitter-evrensel asenkron alıcı/ verici) cihazı ile byte’lar bite çevrilerek terminalin içindeki seri port olarak da bilinen RS-232  portuna gönderilir. Terminalin modemi RS-232 portuna bağlıdır. Bilgi modemin içindeki V-24 arabirim devreleri aracılığıyla RS-232 portundan alınır.

 

Şekil 3.2: Modemin iç yapısı

Dijital bilgi MAFE devrelerine gelir. MAFE devreleri içinde DAC (Digital analog çevirici) ve ADC (Analog dijital çevirici) devreleri bulunur. Bilgisayardan gelen dijital bilgi DAC tarafından analog bilgiye çevrilir (modülasyon). Eğer bilgi ses verileri  ve yoğun matematiksel işlemler içeriyorsa DSP’ler aracılığıyla  modülasyon ve demodulasyon yapılır.

Şekil 3.3: Hibrit ve MAFE yapısı

Hibrit devreleri yardımıyla  gönderilen ve alınan modüleli analog sinyaller birbirinden ayrılır. Hat erişim devreleri modemin dış hat  arabirimi  optik ve galvonik izolasyonunu sağlayarak telefon santrallerine döngü akımının akıtılmasını sağlar. Telefon hatları üzerinden iletilen analog sinyaller karşı tarafın modemi tarafından alınır. Ve aynı işlemlerden geçer. Bu sefer ADC’ler tarafından alınan analog sinyaller bilgisayarın anlayacağı dijital sinyallere çevrilerek RS-232 portu aracılığıyla bilgisayara gönderilir

Şekil 3.4: Tipik Hat Erişim Devresi (Dial-Up)

Haberleşme sırasında sınırlı bant genişliğinden  ve ortam gürültüsünden dolayı hatalar olur. Eşlik  kontrol bilgileri  tarafından  veri bilgisinde bir hata bulunursa  alıcı terminal  kaybolan bilgi paketini  numarasıyla birlikte kaynak terminalden ister.

Şekil 3.5: Örnek hata düzeltme algoritması

Hata düzeltmek için  kullanılan bu pakete parity biti denir. Veri diğer uca ulaştığında ek veriyle karşılaştırılır.   

4. EŞZAMANSIZ VE EŞZAMANLI HABERLEŞME YAPILARI

Modemler bağlantı kurduktan sonra veri iletişimini iki farklı yapıda gerçekleştirirler. Bunlar eşzamansız ve eşzamanlı veri yapılarıdır.

4.1. Eşzamansız (asenkron) Veri Yapısı

Tipik bir PC modemi  eşzamansız bir cihazdır. Verileri küçük paketler halinde gönderir. Alıcı sistem de  verileri paketler halinde alır ve bilgisayarın anlayacağı şekilde birleştirir.

Her bir veri baytı tek tek  iletilir. İlk olarak başlangıç biti gönderilir. Başlangıç biti ardından hata algılamada kullanılan eşlik biti gönderilir.

Şekil 4.1: Eşzamansız veri  yapısı

Bir modemin eşzamansız olarak itlim yapması için alıcı modeme  her verinin başlangıcı ve bitimi belirtilmelidir.

Eşlik biti, hata algılama için kullanılan bir kontrol biti olup çift eşlik, tek eşlik, 1, 0 ve kullanılmama gibi beş değişik seçeneği bulunur. Çerçeve içerisindeki tek sayıda bit değişimlerini algılayabilecek yapıdadır. İletişim sırasında meydana gelecek çift bit değişim hatalarını algılayamaz. Ayrıca, iletişimi gerçekleştiren her iki tarafında aynı yapıda eşlik bitini oluşturması gereklidir.

4.2. Eşzamanlı (senkron) Veri Yapısı

Eşzamanlı modemler genellikle  kiralık hat ortamlarında, terminallerde UNİX tabanlı  hizmet birimleri ile ana bilgisayar arasında  iletişim kurmak için kullanılırlar.

Şekil 4.2: Eşzamanlı veri yapısı

Eşzamanlı veri yapısındaki amaç; taşınan fazlalıkları minimize etmek ve hatayı daha iyi algılayabilmektir. Başlangıç byte’ ından sonra verinin uzunluğu belirtilir. Verinin uzun olması durumunda, zamanlama byte’ ları kullanılır. Hata algılama CRC byte’ ı ile yapılmaktadır. İletişim daha hızlı ve güvenlidir.

5. MODEMİN TEMEL BİLEŞENLERİ

Modemin teml bileşenleri UART, DAC (Digital Analog Çevirici) , ADC (Anaolog Digital Çevirici),  DSP (Digital Sinyal işlemcisi) ve Mikro denetleyici birimidir.Bunları kısaca açıklamak gerekirse;

5.1. Uart

Sistemden gelen  paralel verileri seri verilere çevirir. Gelen seri veriler ise paralel formata dönüştürülür. İletişim esnasında veriler uart üzerinden seri kapıya, oradan da seri arabirim kablosu vasıtasıyla modeme gelir. Modemin bu veriyi iletebilmesi için hat üzerinde karşı modemle bağlantı kurması gerekir. Modemimiz karşı modemi arar ve karşı modem de hatta beklemede ise otomatik olarak cevap verir. Bu cevap hangi hızları, protokolleri desteklediği ve o anda hangi hızda veri iletebileceği üzerindedir.

5.2. DAC (Dijital Analog Çevirici)

İkili dijitlerden (1'ler ve 0' lar ), analog dalga şekillerini yeniden elde eder. Analog şekildeki veri, telefon hattındaki taşıyıcı sinyale bindirilir ve karşı taraftaki modeme ulaştırılır. Karşı modem iletilen verileri ters işleme tabii tutar ve ADC (analog- to dijital converter) vasıtasıyla sayısal hale getirilir.

5.3. ADC (Analog Dijital Çevirici)

Gelen analog voltaj dalga şekillerinden, dijital ikili sayılar sırası üretilir. Ama işin içine ses gibi daha geniş bir işlem girerse ortaya DSP' ler (dijital signal processor) girer.

5.4. DSP (Digital Sinyal İşlemcisi)

Kompleks matematik işlemleri için optimize edilmiş dijital sinyal işlemcisidir. DSP'ler modemlerde büyük önem taşırlar. Verinin iletilmeden önce iletişim için uygun hale getirilmesi ve ses iletişimi için işlem yapar. DSP’ler üzerinde veri aktarımı için chipsetler ve ROM komutları bulunur.

5.5. µC Birimi (Mikrodenetleyici Birimi)

Arabirimlerden terminallere kadar tüm işlemlerin ilgili birimlerden yapılmasını organize eder. Modemden beklen komut (AT) ve fonksiyonları yerine getirir.

6. MODEMLERİN SINIFLANDIRILMASI

Modemler fiziksel özellkileri ve teknoloji bakımından sınıflandırmak gerekirse;

6.1. Fiziksel Özellikleri Bakımından

İkiye ayrılırlar;

1.Dahili Modem

2.Harici Modem

6.1.1. Dahili modemler

Bilgisayara takılan diğer kartlar gibi, kasa içine bir yuvaya takılır. Modem kartının üzerindeki iki çıkıştan biri telefon hattına, diğeri ise telefon hattına takılır. ISA yada PCI yuvalarına takılırlar. Yerleşik uart çipleri bulunur.

6.1.2. Harici modemler

Harici modemler ise, ayrı bir aygıt şeklindedir. Bu nedenle bilgisayara, seri çıkışların birinden ara kablo ile bağlanırlar. Bilgisayarın dışında olduklarından elektriği bilgisayardan almazlar. Bu nedenle adaptörleri vardır. Bağlantı işlemi, telefon hattından modeme ve modemden telefon hattınadır. Yerleşik uart çipleri yoktur. Bilgisayarların seri port uart çipini kullanırlar. Harici modemlerin önünde iletişim sırasında neler olduğunu belirtmek için ışıklı göstergeler bulunur.

 

sembol

açıklama

PWR

Power On ledidir.Modem açık olduğunda yanar

OH

Off-Hook ledidir.Modemin telefon hattını kullandığını gösterir.

AA

Auto –Answer ledidir.Modem arandığında otomatik cevap vermeye hazır.

TXD

Transmit data.Yandığı zaman karşı taraftaki bilgisayara veri yollandığını belirtir.

RXD

Recieve data.Yandığı zaman karşı taraftan gönderilen verilen bilgisayara aktarıldığını belirtir.

CD

Carrier Detect.Yandığı zaman telefon hattının öteki taraftaki bilgisayarla bağlantının hazır olduğunu belirtir.

RTS

Request to Send.Bu led yandığı zaman bilgisayar iletişim için modeme verileri gönderiyor demektir.

Tablo 6.1: Harici modem üzerindeki modem ışıkların anlamı

6.2. Teknolojileri Bakımından

Şekil 6.1: Teknolojileri bakımından modemlerin sınıflandırılması

Tüm modeller Analog ve Digital olmak üzere  iki sınıfta toplanır. Analog modemlerin girişine modüle edilmiş analog sinyaller uygulanır. Modüleli sinyal önce ADC çeviriciler ile  sayısal sinyallere dönüştürüler. Elde edilen sayısal sinyal DSP biriminde demodülasyon işlemine tabi tutularak gönderilen gerçek  sayısal veri elde edilir. Digital modemlerde ise girişe doğrudan sinyal uygulanır. Modülasyon ve demodülasyon gibi işlemler ile analog/sayısal ve sayısal/analog çevirme işlemleri yapılmaz.

6.2.1. Analog  modemler

İki tip analog modem vardır.

6.2.1.1. Donanım (hardware) modemler

Mikro denetleyici, (µC), DSP birimi olan modemler hardware modemlerdir. Eğer bu iki birimden biri yoksa hard (Hardware)  modem değildir. Genel olarak PCL ve ISA  portuna takılan modemler ile harici modemler hardware modemlerdir. Çünkü bu modemlerin çoğunda hem DSP hem denetçi var; bu yüzden bunlar hard modemdir. Ama hepsinde olacak diye bir şart yoktur. Harici veya ISA modemde de denetçi veya DSP yoksa soft (yazılım) sınıfına girebilir.

Hard modemlerde bulunan temel bileşenler; uart devresi, mikro denetleyici, (µC), DSP birimi, çevirici (AFE) ve direk erişim birimi (DAA) temel bloklarını içerir.

6.2.1.2. Yazılım destekli (software) modemler

 

Şekil 6.2: Soft modem blok diyagramı (DSP veya denetleyicisi yok) ve resmi

Modemin üzerinde bulunan bazı donanım bileşenlerinin yaptığı işleri, yazılım yoluyla işlemciye yaptıran modemlere software modem denir. İlk etapta "denetçi" yonganın yaptığı işlemler yazılım bağlantıları yoluyla işlemciye yaptırılmaya başlandı ve denetleyicisiz (controllerless) olarak adlandırılan denetçi yonga taşımayan modemler piyasaya çıktı. Daha sonra modemin kalbi sayılan DSP ünitesinin görevini birkaç yazılım katmanı sayesinde işlemciye aktarıldı. Mikro denetleyici ve DSP birimi olmayan modemlere soft modem denir.

6.2.1.2.1. HCF (Host  controlled family)

Conexant eski adıyla Rockwell tarafından ortaya çıkarılmış bir modem türüdür. HCF, Türkçesiyle ana işlem birimi tarafından denetlenen   modemdir. Normal şartlarda olması gereken mikrodenetleyici entegresinin  yaptığı görevleri işlemciye yaptıran modem ailesine verilen genel isimdir. Modemin kalbi sayılan DSP ünitesini yine üzerinde barındırıyor.

6.2.1.2.2. HSP (Host signal processing) veya HSF (Host signal family)

HSP ve HSF modemler arasındaki fark iki farklı üreticinin belirlediği iki farklı isimdir. PCTel tarafından ortaya çıkarılan HSP modemler ile Rockwell tarafından ortaya çıkarılan HSF modemler arasında belirgin bir fark bulunmamaktadır. HSP, modemin en önemli parçalarından DSP (digital signal processing) ünitesinin yaptığı işleri  yazılımla bilgisayarın mikroişlemcisine yaptıran modemlerdir. Üzerinde mikro denetleyici entegresini barındırırlar.

6.2.1.2.3. Riser card soft (AMR) modem

Anakart üzerindeki özel genişleme yuvalarına takılırlar. Üzerinde PCI kontrol işlem birimi  yerine AC-link kontrolü vardır.

 

Şekil 6.3: Amr modem blok diyagramı ve resmi

6.2.2. Digital (Sayısal)  Modemler

300-3400 hz arası ses bandında haberleşme sağlamak üzere kurulu bulunan bakır iletkenli telefon şebekesini, veri iletişimi sağlamak üzeri kullanmaya imkan veren bir teknolojidir. Sayısal modem teknolojisi XDSL olarak isimlendirilir.

Erişim şebekesinin veri iletişimi için kullanımı ses bandındaki modemler ile başlamıştır. Ancak daha sonra gelişen kodlama tekniğine bağlı olarak erişim şebekesinde veri iletiminin sayısal olarak yapılması için sayısal modemler geliştirilmiştir. XDSL (Digital Subscriber Line) kısaltması, genel olarak sayısal abone hattı demektir. Aboneye  verilen data hızına bağlı olarak x yerine değişik harfler kullanılarak çeşitli tiplerin tanımlamaları yapılır.

Günümüzde en çok sayısal modem teknolojileri arasında ADSL sistemler kullanılmaktadır.

6.2.2.1. ADSL (Asymmetric digital subscriber line) sistemler

Şekil 6.4: ADSL blok diyagramı

Türkçesi Asimetrik Sayısal Abone Hattıdır. ADSL, mevcut telefonlar için kullanılan bakır teller üzerinden santrallerden aboneye doğru 8Mb/s ve aboneden santrale doğru 640 Kb/s veri hızında veri, ses ve görüntü iletişimini aynı anda sağlayabilen bir modem teknolojisidir.

ADSL ile internete ve uzak ağlara, normal telefon hattını kullanarak yüksek hızlarda bağlanabilir. ADSL, geniş bant erişimi sağladığından dünyada internet kullanıcıları tarafından yaygın olarak kullanılmaktadır. ADSL’de telefon hattı üzerinde kapasiteyi daha verimli kullanmak amacıyla sayısal kodlama teknikleri kullanılır.

Asimetrik kelimesi ise veri alım (download) ve veri gönderim (upload) hızlarının birbirinden farklı olduğunu göstermektedir. Asimetrik yapısı nedeniyle internet ya da benzer veri kaynaklarına ulaşıp tek yönde veri aktarımı yapmak isteyen müşteriler için en elverişli uygulamadır. Aynı hat üzerinde aynı anda telefon, ses ve data, Internet haberleşmesi sağlamaktadır.

ADSL teknolojisi ile telefonu meşgul etmeden sürekli (24 saat) internet bağlantısı sağlanır. ADSL ile ülkemizde 128/32, 256/64, 512/128 ve 1024/256 lık 4 paket halinde sunulmaktadır.

Erişim için herhangi bir çağrı numarası çevrilmesine ihtiyaç bulunmamakta bağlantı daima bilgileri göndermeye hazır bulunmaktadır.

6.2.2.1.1. ADSL’in çalışma prensibi

ADSL sisteminde, bilinen bakır kablolama alt yapısı kullanılır. Telefon hattının her ucuna bir ADSL modem eklenerek 3 bilgi kanalı oluşturulur: Alış (download), gönderiş (upload) ve POTS (Plain Old Telephone Service – Düz Eski Telefon Hizmeti) olarak adlandırılan geleneksel telefon servis kanalı, POTS kanalı, ADSL ortamı üzerinden ses iletimi için kullanılır. ADSL sistemleri veri ve POTS sinyallerini hem abone ünitesinde hem de santral girişinde ayırır. Böylece internete bağlı iken aynı anda telefon konuşması yapılabilmesi sağlanmış olur.

Telefon hattının 24000 hertz ile 1100000 hertz arasındaki bant genişliği, 4000 hertz’lik bölümlere ayrılmıştır ve her bir bölüme bir sanal modem atanmıştır. Bu 249 sanal modemin her biri kendine ayrılan bant bölümü kullanarak iletim yapar ve bu sanal modemlerin hızlarının toplamı o hattın toplam hızı demektir. Normal telefon görüşmelerinizi yaparken yada faks çekerken kullanılan frekans aralığı  0 kHZ ile 4 kHz arasında değişir. ADSL data iletimi için 4 kHz ile 1100 kHz aralığını kullanır. Farklı frekans aralıkları kullanıldığı için internete bağlıyken aynı anda telefon görüşmelerinizi de yapabilirsiniz.

Telefon görüşmelerinin ve data iletiminin birbirinden ayrılabilmesi için splitter (ayraç ) denen bir ayırıcıya ihtiyaç vardır. Bu tür aynı hattan birden fazla servisin değişik frekanslarda taşınmasına   Broadband  çözümler denir.

    Şekil 6.5: Splitter (ayırıcı)

Şekil 6.6: ADSL modem ile telefonu birlikte kullanmak

Geleneksel modemler, bilgisayardan gelen sayısal sinyalleri analog sinyallere, telefon hattından gelen analog sinyalleri de sayısal sinyallere çevirir. ADSL’in de içinde yer aldığı DSL teknolojisi, sayısal verinin analog forma ve tekrar geriye çevrilmeyeceğini varsayan bir teknolojidir. DSL modemleri sinyalleri çevirmez bunun yerine verileri sayısal olarak yollar ve alır. Sinyalleri çevirmeye gerek kalmadığından veriler normal modemlerden çok daha hızlı iletilir. ADSL bağlantı, hat uzunluğu, kullanılan bakır kablonun çapı ve kullanılan modemin tipine bağlı olarak 8 Mbps’a kadar download (şebekeden kullanıcıya), 1 Mbps’a kadar da upload (kullanıcıdan şebekeye) veri hızlarına olanak verir

6.2.2.1.2. ADSL’in  avantajları

  • Yeni bir alt yapıya gerek duymaksızın mevcut telefon hattı üzerinden yüksek hızda iletişim sağlar.

  • Tek telefon hattı üzerinden aynı anda internet ve ses/faks özelliği vardır. Kullanıcı tarafındaki cihaz maliyetinin düşüktür ve kurulumu kolaydır.

  • DSL bağlantı üzerinden birden fazla bilgisayar bağlanabilir.

  • Internet üzerinden eş zamanlı ses ve görüntü aktarımı yapılır.

  • Alternatif hız seçenekleri vardır.

  • Servis ve kullanıcı tanımlamalarında, kullanıcının isteğine göre statik veya dinamik IP ataması yapılabilir.

     

Hazırlayan

 Saniye CANDAŞ

Kaynaklar

Topaloğlu, Nurettin, X86 tabanlı Mikroişlemci Mimarisi ve Assemly  Dili,Ankara,2004

Hoşgören, Mehmet, Karakaya, Mahmut, Donanım Mimarisi, İstanbul 2005

 http://www.elektrotekno.com

http://www.howstuffworks.com