11.1  Comunicación por módem

§1  Antecedentes

Cuando surgió la necesidad de conectar ordenadores a larga distancia [1], en la mayoría de los casos la única alternativa viable era (sigue siendo) utilizar los tendidos telefónicos tradicionales;  esta red ya estaba disponible, y prácticamente en todos los hogares y oficinas hay al menos una conexión RTB (Red Telefónica Básica).  Así pues, la solución de utilizar la RTB para las comunicaciones digitales entre ordenadores venía por si sola.  Sin embargo, la utilización de estas líneas requería ciertas adaptaciones, dado que estaban diseñadas para comunicación de audio (señales analógicas) y no eran ni remotamente adecuadas para las comunicaciones digitales.

Nota:  Ya existían antecedentes de comunicación digital (no analógica) en telefonía y telegrafía;  El antiguo teleimpresor Baudot ya utilizaba un código digital sobre líneas de larga distancia [1a].

§2  La red telefónica conmutada

Como hemos indicado, la red telefónica que utilizamos normalmente en nuestras conversaciones, está diseñada para transmitir voz en lo que se denomina calidad telefónica básica;  para esto se requiere un ancho de banda relativamente modesto; basta un rango de frecuencias de 500 a 1000 Hz.  Aunque la red telefónica puede transmitir razonablemente bien entre 300 y 3300 Hz [2], sin embargo, está restringido el uso continuo de tonos por encima de 2.400 Hz, denominados tonos de señalización, ya que en esta zona se sitúan determinadas frecuencias utilizadas por el propio sistema telefónico (por ejemplo los tonos de marcado) [3].

Aunque la red telefónica estaba diseñada para transmitir señales analógicas (voz humana), a partir de la década de los 60 comenzó una paulatina "digitalización".  El tráfico entre centrales comenzó a realizarse digitalmente (sistemas MIC -Modulación por Impulsos Codificados-). Un poco más tarde, a mediados de los 80, las propias centrales, que inicialmente eran analógicas con circuitos de conmutación basados en relés, se hicieron digitales, utilizando circuitos de conmutación de estado sólido [4].

Nota:  Aunque el propio teléfono y el denominado bucle de abonado (par de hilos de cobre entre el teléfono del abonado y la central telefónica) siguen siendo analógicos, el camino seguido hasta la central del otro interlocutor es totalmente digital.  En la central de origen, el sonido es digitalizado y multiplexado [5]  junto con otras muchas señales, hasta la central de destino. Una vez allí, la señal es desmultiplexada y convertida de nuevo en señal analógica antes de ser entregada al bucle de abonado del otro interlocutor.

§3  El módem, principios básicos

Nota:  La mayoría de los conceptos que se exponen en este capítulo relativos al módem son también aplicables a los dispositivos FAX.  De hecho, los fax comunican por mediación de un módem incluido en su interior.   A su vez, la mayoría de los módems actuales tienen también la capacidad FAX (unidades FAX-modem).

Puesto que el ancho de banda (2.400 Hz) de la RTC no es ni remotamente adecuada para enviar directamente las señales digitales de un ordenador (el modestísimo IBM PC original funcionaba a 4.77 MHz), se recurrió a una triple medida para enviar estas señales a través de la red telefónica:

1. Utilizar una transmisión serie asíncrona bidireccional ( 2.5a) que utiliza la norma RS-232 (ver nota ).

2. Codificar los dos estados de las señales binarias en forma de dos señales analógicas; para esto se utilizan dos tonos (audibles).  Estas señales si pueden ser enviadas por la red telefónica (como cualquier otro sonido).  Al llegar a su destino los tonos deben ser traducidos de nuevo a señales digitales.

3. Los bits de información (representados por tonos) deben ser enviados a una velocidad suficientemente lenta como para que los cambios (de tono) puedan ser asumidos por las líneas telefónicas.  Esta velocidad oscila entre unos 300 bps y 56 Kbps.

4. A su vez, desde el lado de la salida telefónica, los módems deben ajustarse a las normas impuestas por las compañías suministradoras de este servicio;  en el apartado H11.1b se tratan estos estándares.

La conversión de señales digitales en tonos se realiza mediante un generador de tono (un sintetizador de sonido muy simplificado).  Este proceso es denominado modulación, en referencia a que se modula una señal de alta frecuencia para que el resultado sea una señal de baja frecuencia.  Por su parte, la conversión de tonos en señales digitales se denomina demodulación.  Por extensión, los elementos que realizan dichas funciones se denominan también modulador y demodulador, y el dispositivo completo módem (acrónimo de modulador-demodulador).

Una de las características de los módems actuales es su habilidad de marcar el número con el que se establecerá comunicación, por lo que el generador de tono es realmente un generador multifrecuencia DTMF ("Dual Tone MultiFrequency"), ya que además de los tonos de datos debe ser capaz de generar los de marcado [8].

Las comunicaciones actuales son bidireccionales en la modalidad full-duplex.  Para esto cada módem utiliza tonos distintos de los usados por el interlocutor.  El cuadro adjunto muestra los dos pares de tonos correspondientes a una conexión según el estándar Bell (USA) a 300 baudios y los valores lógicos "0"/"1" correspondientes.

En lo sucesivo consideramos que se trata de módems duplex con auto respuesta (no tienen necesidad de cambiar de estado transmisor/receptor), y que la comunicación es full-duplex, ya que las otras formas son obsoletas.

§3.1  Protocolo de conexión

Evidentemente, los interlocutores deben estar de acuerdo en el par de tonos que utilizará cada uno (lo que uno envía es recibido por el otro); estos valores y otros que definen el detalle de la comunicación, son tratados en la negociación previa a la conexión propiamente dicha.  Esta negociación sigue un protocolo muy preciso;  el módem que genera la llamada utilizará el par de tonos correspondientes a su condición de iniciador ("caller"), y envía un "1" = marca (su tono más alto) [6].  Cuando el otro módem recibe este tono continuo, responde con dos acciones:

• Se pone a su vez a la escucha, enviando también una marca en el tono correspondiente al receptor.
• Pone su señal DCD (Data Carrier Detect) en estado alto, para señalar esta circunstancia a su UART.

Cuando ambos módems reciben los tonos esperados se ha establecido la conexión y puede comenzar la transmisión propiamente dicha.

Es frecuente que durante la fase de conexión, el módem que inicia la llamada tenga conectado el altavoz con la línea de salida, lo que permite oír el proceso, incluyendo los tonos de llamada.  Cuando finalmente se recibe la señal de marca del otro módem y se ha establecido comunicación, el altavoz es desconectado, quedando en silencio, y se enciende el indicador luminoso marcado CD (Carrier detect).

En los sistemas mordernos el protocolo de conexión no termina con la primera comunicación; los interlocutores pueden renegociar las condiciones de comunicación (velocidad de la transmisión) con el fin de ajustarla a los valores más altos compatibles con sus velocidades máximas y con una relación señal/ruido aceptable.

§3.2  Modos de operación

El módem es un dispositivo programable, en el sentido de que puede adaptarse a diversas modalidades de transmisión;  tanto la velocidad como los bits de datos, paridad, etc.  Para esto disponen de dos modos o estados de operación; el de control y el de comunicación.  En el primer caso el módem recibe señales que actúan como órdenes para configurar las características de transmisión o realizar determinadas tareas; en el segundo las señales son enviadas a la línea telefónica.

El juego de órdenes ("Command set") utilizado en el modo de control muy variado.  En los comienzos, los módem eran equipos especiales instalados por las compañías telefónicas a los escasos usuarios que los necesitaban con el nombre de terminales de datos, cuya programación era específica de cada fabricante.  Cuando a principios de los 80 comenzaron a fabricarse módems de propósito general para conectar a mini ordenadores, la compañía norteamericana Hayes dotó a sus modelos de un juego de órdenes que pronto se hizo muy popular, convirtiéndose en un estándar "de facto".  Actualmente todos los módems utilizan un núcleo "Compatible Hayes" en su juego de órdenes [9].

Nota:  En realidad la aserción "Hayes compatible" es un tanto ambigua, dado que la compañía Hayes fabricó diversos modelos.  En rigor esta compatibilidad debe significar que el módem acepta por lo menos los comandos del primer modelo Smartmodem™ 300 de Hayes.

§4  La cadena de comunicación

Recuerde que un módem es un dispositivo de comunicaciones que actúa como pasarela entre una UART y la línea telefónica (figura 2).  La comunicación en el interior del módem es serial, y al llegar a la UART es transformada a un formato paralelo compatible con el bus del sistema (las comunicaciones serie se han dibujado en azul, y las paralelo en rojo).

Nota:  Para mayor claridad, en la figura se ha representado la UART separada del ordenador (PC). En realidad puede estar incluida en el chipset de la placa base; en una tarjeta independiente, o en el propio módem (caso de ser interno).  El recuadro PC simboliza el bus paralelo de la placa-base.

Cada tramo de la cadena tiene sus propias características:

§4.1  PC = UART:

Es una comunicación paralela digital; podemos suponer que los caracteres son de 8 bits.  Esta comunicación se realiza a la velocidad del bus del PC;  puesto que en cada ciclo se transmite un byte, la velocidad en bytes por segundo (Bps) se corresponde con la velocidad de reloj del bus.

§4.2  UART = Módem :

La UART tiene dos caras:  Por un lado dispone de una comunicación paralela síncrona con el bus del PC. Por el lado del módem esta comunicación es serie y generalmente asíncrona (precisamente una de las funciones de la UART es esta conversión serie ↔ paralelo).

Es interesante observar que la UART recibe del bus un conjunto de 8 bits por carácter, pero la comunicación con el módem se realiza según un diseño de marcos ("Frames") estandarizados.  Por ejemplo:  una transmisión 8N1 supone un marco de 10 bits compuesto de un bit de inicio, 8 bits de datos y un bit de parada (no existe bit de paridad).

Esta velocidad depende del chip integrado en la UART ( Puertos serie), son frecuentes velocidades desde 4.800 hasta 115.200 bits por segundo (bps).

§4.3  Módem = Módem:

Este tramo representa la red telefónica.  En su interior la comunicación utiliza señales analógicas (tonos) en formato serie (generalmente asíncrona) según un diseño de marco ("Frame") estandarizado.  Hemos visto que una transmisión 8N1 supone un marco de 10 bits compuesto de un bit de inicio, 8 bits de datos y un bit de parada, con lo que una conexión modem a modem operando a 2400 bps transporta en realidad 1920 bits de datos por segundo, el resto son "Housekeeping bits".  Además de esto, si el módem utiliza compresión de datos es más que posible que no exista una correspondencia 1:1 entre los bytes recibidos de la UART y los "Frames" enviados a la línea telefónica.

La velocidad dependerá de las características del enlace telefónico y de los módems involucrados.  Son frecuentes velocidades desde 300 a 56 Kbps.

§5  Tipos de módem

Existen dos tipos de módems:  Internos y externos;  los instalados en tarjetas PC-CARD, utilizados principalmente en sistemas portátiles, pueden considerarse internos, ya que cuentan con su propia UART y se conectan directamente a una extensión del bus.  En las figuras siguientes se muestran los esquemas de bloque de ambos tipos.

Los módems internos se montan en una tarjeta o están integrados en la propia placa-base; esto último es lo normal en portátiles y en placas modernas; su alimentación se realiza a través de las líneas de fuerza del bus.  Los módems externos tienen su fuente de alimentación independiente, y se conectan directamente con una salida de puerto serie del ordenador.  Como puede verse, la diferencia básica entre ambos tipos es que los primeros tienen su propia UART ( 2.5a) que se encarga de las comunicaciones serie.  Los módems externos utilizan una UART instalada en el PC con la que se comunican mediante el conector del puerto serie (generalmente un DB9 o un DB225) utilizando un subset del protocolo RS-232.

 

Cualquiera que sea el tipo de módem utilizado, las señales exteriores se reciben en un conector RJ-11, desde el que pasan a la interfaz, que tiene la misión de aislar y adaptar las señales telefónicas a los niveles de la electrónica interna.  La actuación está gobernada por un controlador, que se encarga de establecer las características de la comunicación y de conmutar entre el estado de control y el de comunicación.

El controlador está apoyado por cierta cantidad de memoria no volátil, NVRAM, en la que se guarda la configuración por defecto y otros datos en lo que podríamos llamar la BIOS del módem.

§6  Indicadores de estado

Los módems externos disponen de una serie de luces indicadoras de estatus;  su número y disposición varían con el modelo y fabricante, pero generalmente utilizan algunas de las siguientes:

• AA   Autorespuesta ("Auto Answer").  Señala que el módem está preparado para responder automáticamente cualquier llamada exterior.  Esta característica es vital para determinados servicios, por ejemplo módems de servidores Web.

• CD   Detección de portadora ("Carrier Detect").  Señala que el módem está recibiendo una señal de inicio de transmisión (marca) desde un módem remoto;  indica que se ha establecido una conexión y puede apagarse momentáneamente cuando alguno de los módems quita esta señal.

• HS   Alta velocidad ("High Speed").  Señala que el módem está operando a su velocidad máxima.

• MR   Preparado ("Módem Ready").  Señala que el módem está conectado y listo para operar.

• OH   Descolgado ("Off Hook").  Señala que el módem ha tomado control de la línea telefónica, ha "descolgado" para establecer una comunicación o responder a una llamada [7].

• RD   Recepción de datos ("Receiving Data"),  señalado a veces como Rx, indica la recepción de datos, generalmente un led de color amarillo o ámbar que titila durante la recepción.

• SD   Envío de datos ("Send Data"), señalado a veces como Tx.

Los módems internos carecen de estos indicadores o tienen solo uno o dos de ellos.

§7  Webografía

• Análisis de algunos problemas con los módems:    http://clickthru.online.com/

  Inicio.

---

[1]   En muchos casos no es necesario que haya una larga distancia para tener que acudir a "Telefónica", basta que sea necesario cruzar una calle.  Con la ley en la mano, en España es ilegal tender un cable desde una casa a la de enfrente.  Las "Telecomunicaciones" son celosamente controladas por los organismos competentes y más celosamente aún por nuestra inefable "Compañía Telefónica".

[1a]  El primer mensaje telegráfico de larga distancia transmitidos en Estados Unidos fue enviado el 24 de Mayo de 1.844 utilizando el famoso código Morse; su contenido ha pasado a la historia: "What hath God wrought".

[2]  Recordemos que el rango de frecuencias audibles se extiende entre 20 y 20.000 Hz ( E10.1), y que 3.000 Hz es precisamente el ancho de banda "oficial" de la red telefónica USA (entre 300 y 3.300 Hz).

[3]  La marcación puede hacerse por "tonos" o por "pulsos"; este último es el sistema primitivo y está prácticamente en desuso, aunque sigue siendo utilizado por algunos modelos de teléfono antiguos (hasta fecha reciente algunos modelos de teléfono venían con un conmutador que permitía seleccionar la modalidad de marcado).  El sistema de tonos, popularizado a partir de la "digitalización" de las centrales telefónicas tradicionales (eran analógicas), utiliza tonos para señalar a la central el número marcado y otras características. Por ejemplo, la pulsación de las teclas * y #.

[4]  Las fechas se refieren a la evolución de la red telefónica en España.

[5]  El multiplexado consiste en enviar por un único canal de comunicación (un hilo conductor, una fibra óptica o una onda de radio) información de diversos canales individuales (por ejemplo, señales de audio).  Para esto se requiere que la capacidad del canal único supere a los canales individuales.  La información de los canales individuales es troceada en paquetes que son enviados sucesivamente pero no de forma contigua por el canal único.  En el extremo receptor se invierte el proceso (demultiplexado). Se separan los paquetes de cada canal y se agrupan, de forma que se reconstruye el mensaje original.

[6]  El hecho de que sea precisamente un "1" (marca), deriva de los antecedentes telegráficos, cuando una línea estaba desocupada se enviaba esta señal ( 2.5a).

[7]  Actualmente muchas placas base disponen de posibilidad de hibernación o estado suspendido en los periodos que el sistema no tiene actividad.  El sistema puede ser "despertado" por diversos eventos, uno de ellos la recepción de una señal por el módem.  Es lo que se llama WOR ("Wake On Ring"); también porque se detecte actividad en una interfaz de red (WOL "Wake On LAN").

[8]  Los módems primitivos no eran capaces de realizar el marcado, de modo que un operador debía marcar el número y conectar el módem manualmente; generalmente también debía desconectar la línea cuando terminaba la comunicación.

[9]  Ver al respecto:  "The AT Command Set Reference-History"    http://nemesis.lonestar.org/