11.1  Comunicaci�n por m�dem

�1  Antecedentes

Cuando surgi� la necesidad de conectar ordenadores a larga distancia [1], en la mayor�a de los casos la �nica alternativa viable era (sigue siendo) utilizar los tendidos telef�nicos tradicionales;  esta red ya estaba disponible, y pr�cticamente en todos los hogares y oficinas hay al menos una conexi�n RTB (Red Telef�nica B�sica).  As� pues, la soluci�n de utilizar la RTB para las comunicaciones digitales entre ordenadores ven�a por si sola.  Sin embargo, la utilizaci�n de estas l�neas requer�a ciertas adaptaciones, dado que estaban dise�adas para comunicaci�n de audio (se�ales anal�gicas) y no eran ni remotamente adecuadas para las comunicaciones digitales.

Nota:  Ya exist�an antecedentes de comunicaci�n digital (no anal�gica) en telefon�a y telegraf�a;  El antiguo teleimpresor Baudot ya utilizaba un c�digo digital sobre l�neas de larga distancia [1a].

�2  La red telef�nica conmutada

Como hemos indicado, la red telef�nica que utilizamos normalmente en nuestras conversaciones, est� dise�ada para transmitir voz en lo que se denomina calidad telef�nica b�sica;  para esto se requiere un ancho de banda relativamente modesto; basta un rango de frecuencias de 500 a 1000 Hz.  Aunque la red telef�nica puede transmitir razonablemente bien entre 300 y 3300 Hz [2], sin embargo, est� restringido el uso continuo de tonos por encima de 2.400 Hz, denominados tonos de se�alizaci�n, ya que en esta zona se sit�an determinadas frecuencias utilizadas por el propio sistema telef�nico (por ejemplo los tonos de marcado) [3].

Aunque la red telef�nica estaba dise�ada para transmitir se�ales anal�gicas (voz humana), a partir de la d�cada de los 60 comenz� una paulatina "digitalizaci�n".  El tr�fico entre centrales comenz� a realizarse digitalmente (sistemas MIC -Modulaci�n por Impulsos Codificados-). Un poco m�s tarde, a mediados de los 80, las propias centrales, que inicialmente eran anal�gicas con circuitos de conmutaci�n basados en rel�s, se hicieron digitales, utilizando circuitos de conmutaci�n de estado s�lido [4].

Nota:  Aunque el propio tel�fono y el denominado bucle de abonado (par de hilos de cobre entre el tel�fono del abonado y la central telef�nica) siguen siendo anal�gicos, 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 se�ales, hasta la central de destino. Una vez all�, la se�al es desmultiplexada y convertida de nuevo en se�al anal�gica antes de ser entregada al bucle de abonado del otro interlocutor.

�3  El m�dem, principios b�sicos

Nota:  La mayor�a de los conceptos que se exponen en este cap�tulo relativos al m�dem son tambi�n aplicables a los dispositivos FAX.  De hecho, los fax comunican por mediaci�n de un m�dem incluido en su interior.   A su vez, la mayor�a de los m�dems actuales tienen tambi�n 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 se�ales digitales de un ordenador (el modest�simo IBM PC original funcionaba a 4.77 MHz), se recurri� a una triple medida para enviar estas se�ales a trav�s de la red telef�nica:

1. Utilizar una transmisi�n serie as�ncrona bidireccional ( 2.5a) que utiliza la norma RS-232 (ver nota ).

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

3. Los bits de informaci�n (representados por tonos) deben ser enviados a una velocidad suficientemente lenta como para que los cambios (de tono) puedan ser asumidos por las l�neas telef�nicas.  Esta velocidad oscila entre unos 300 bps y 56 Kbps.

4. A su vez, desde el lado de la salida telef�nica, los m�dems deben ajustarse a las normas impuestas por las compa��as suministradoras de este servicio;  en el apartado H11.1b se tratan estos est�ndares.

La conversi�n de se�ales digitales en tonos se realiza mediante un generador de tono (un sintetizador de sonido muy simplificado).  Este proceso es denominado modulaci�n, en referencia a que se modula una se�al de alta frecuencia para que el resultado sea una se�al de baja frecuencia.  Por su parte, la conversi�n de tonos en se�ales digitales se denomina demodulaci�n.  Por extensi�n, los elementos que realizan dichas funciones se denominan tambi�n modulador y demodulador, y el dispositivo completo m�dem (acr�nimo de modulador-demodulador).

Una de las caracter�sticas de los m�dems actuales es su habilidad de marcar el n�mero con el que se establecer� comunicaci�n, por lo que el generador de tono es realmente un generador multifrecuencia DTMF ("Dual Tone MultiFrequency"), ya que adem�s 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 m�dem utiliza tonos distintos de los usados por el interlocutor.  El cuadro adjunto muestra los dos pares de tonos correspondientes a una conexi�n seg�n el est�ndar Bell (USA) a 300 baudios y los valores l�gicos "0"/"1" correspondientes.

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

�3.1  Protocolo de conexi�n

Evidentemente, los interlocutores deben estar de acuerdo en el par de tonos que utilizar� cada uno (lo que uno env�a es recibido por el otro); estos valores y otros que definen el detalle de la comunicaci�n, son tratados en la negociaci�n previa a la conexi�n propiamente dicha.  Esta negociaci�n sigue un protocolo muy preciso;  el m�dem que genera la llamada utilizar� el par de tonos correspondientes a su condici�n de iniciador ("caller"), y env�a un "1" = marca (su tono m�s alto) [6].  Cuando el otro m�dem recibe este tono continuo, responde con dos acciones:

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

Cuando ambos m�dems reciben los tonos esperados se ha establecido la conexi�n y puede comenzar la transmisi�n propiamente dicha.

Es frecuente que durante la fase de conexi�n, el m�dem que inicia la llamada tenga conectado el altavoz con la l�nea de salida, lo que permite o�r el proceso, incluyendo los tonos de llamada.  Cuando finalmente se recibe la se�al de marca del otro m�dem y se ha establecido comunicaci�n, el altavoz es desconectado, quedando en silencio, y se enciende el indicador luminoso marcado CD (Carrier detect).

En los sistemas mordernos el protocolo de conexi�n no termina con la primera comunicaci�n; los interlocutores pueden renegociar las condiciones de comunicaci�n (velocidad de la transmisi�n) con el fin de ajustarla a los valores m�s altos compatibles con sus velocidades m�ximas y con una relaci�n se�al/ruido aceptable.

�3.2  Modos de operaci�n

El m�dem es un dispositivo programable, en el sentido de que puede adaptarse a diversas modalidades de transmisi�n;  tanto la velocidad como los bits de datos, paridad, etc.  Para esto disponen de dos modos o estados de operaci�n; el de control y el de comunicaci�n.  En el primer caso el m�dem recibe se�ales que act�an como �rdenes para configurar las caracter�sticas de transmisi�n o realizar determinadas tareas; en el segundo las se�ales son enviadas a la l�nea telef�nica.

El juego de �rdenes ("Command set") utilizado en el modo de control muy variado.  En los comienzos, los m�dem eran equipos especiales instalados por las compa��as telef�nicas a los escasos usuarios que los necesitaban con el nombre de terminales de datos, cuya programaci�n era espec�fica de cada fabricante.  Cuando a principios de los 80 comenzaron a fabricarse m�dems de prop�sito general para conectar a mini ordenadores, la compa��a norteamericana Hayes dot� a sus modelos de un juego de �rdenes que pronto se hizo muy popular, convirti�ndose en un est�ndar "de facto".  Actualmente todos los m�dems utilizan un n�cleo "Compatible Hayes" en su juego de �rdenes [9].

Nota:  En realidad la aserci�n "Hayes compatible" es un tanto ambigua, dado que la compa��a Hayes fabric� diversos modelos.  En rigor esta compatibilidad debe significar que el m�dem acepta por lo menos los comandos del primer modelo Smartmodem™ 300 de Hayes.

�4  La cadena de comunicaci�n

Recuerde que un m�dem es un dispositivo de comunicaciones que act�a como pasarela entre una UART y la l�nea telef�nica (figura 2).  La comunicaci�n en el interior del m�dem 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 m�dem (caso de ser interno).  El recuadro PC simboliza el bus paralelo de la placa-base.

Cada tramo de la cadena tiene sus propias caracter�sticas:

�4.1  PC = UART:

Es una comunicaci�n paralela digital; podemos suponer que los caracteres son de 8 bits.  Esta comunicaci�n 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 = M�dem :

La UART tiene dos caras:  Por un lado dispone de una comunicaci�n paralela s�ncrona con el bus del PC. Por el lado del m�dem esta comunicaci�n es serie y generalmente as�ncrona (precisamente una de las funciones de la UART es esta conversi�n serie ↔ paralelo).

Es interesante observar que la UART recibe del bus un conjunto de 8 bits por car�cter, pero la comunicaci�n con el m�dem se realiza seg�n un dise�o de marcos ("Frames") estandarizados.  Por ejemplo:  una transmisi�n 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  M�dem = M�dem:

Este tramo representa la red telef�nica.  En su interior la comunicaci�n utiliza se�ales anal�gicas (tonos) en formato serie (generalmente as�ncrona) seg�n un dise�o de marco ("Frame") estandarizado.  Hemos visto que una transmisi�n 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 conexi�n modem a modem operando a 2400 bps transporta en realidad 1920 bits de datos por segundo, el resto son "Housekeeping bits".  Adem�s de esto, si el m�dem utiliza compresi�n de datos es m�s que posible que no exista una correspondencia 1:1 entre los bytes recibidos de la UART y los "Frames" enviados a la l�nea telef�nica.

La velocidad depender� de las caracter�sticas del enlace telef�nico y de los m�dems involucrados.  Son frecuentes velocidades desde 300 a 56 Kbps.

�5  Tipos de m�dem

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

Los m�dems internos se montan en una tarjeta o est�n integrados en la propia placa-base; esto �ltimo es lo normal en port�tiles y en placas modernas; su alimentaci�n se realiza a trav�s de las l�neas de fuerza del bus.  Los m�dems externos tienen su fuente de alimentaci�n independiente, y se conectan directamente con una salida de puerto serie del ordenador.  Como puede verse, la diferencia b�sica entre ambos tipos es que los primeros tienen su propia UART ( 2.5a) que se encarga de las comunicaciones serie.  Los m�dems 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 m�dem utilizado, las se�ales exteriores se reciben en un conector RJ-11, desde el que pasan a la interfaz, que tiene la misi�n de aislar y adaptar las se�ales telef�nicas a los niveles de la electr�nica interna.  La actuaci�n est� gobernada por un controlador, que se encarga de establecer las caracter�sticas de la comunicaci�n y de conmutar entre el estado de control y el de comunicaci�n.

El controlador est� apoyado por cierta cantidad de memoria no vol�til, NVRAM, en la que se guarda la configuraci�n por defecto y otros datos en lo que podr�amos llamar la BIOS del m�dem.

�6  Indicadores de estado

Los m�dems externos disponen de una serie de luces indicadoras de estatus;  su n�mero y disposici�n var�an con el modelo y fabricante, pero generalmente utilizan algunas de las siguientes:

• AA   Autorespuesta ("Auto Answer").  Se�ala que el m�dem est� preparado para responder autom�ticamente cualquier llamada exterior.  Esta caracter�stica es vital para determinados servicios, por ejemplo m�dems de servidores Web.

• CD   Detecci�n de portadora ("Carrier Detect").  Se�ala que el m�dem est� recibiendo una se�al de inicio de transmisi�n (marca) desde un m�dem remoto;  indica que se ha establecido una conexi�n y puede apagarse moment�neamente cuando alguno de los m�dems quita esta se�al.

• HS   Alta velocidad ("High Speed").  Se�ala que el m�dem est� operando a su velocidad m�xima.

• MR   Preparado ("M�dem Ready").  Se�ala que el m�dem est� conectado y listo para operar.

• OH   Descolgado ("Off Hook").  Se�ala que el m�dem ha tomado control de la l�nea telef�nica, ha "descolgado" para establecer una comunicaci�n o responder a una llamada [7].

• RD   Recepci�n de datos ("Receiving Data"),  se�alado a veces como Rx, indica la recepci�n de datos, generalmente un led de color amarillo o �mbar que titila durante la recepci�n.

• SD   Env�o de datos ("Send Data"), se�alado a veces como Tx.

Los m�dems internos carecen de estos indicadores o tienen solo uno o dos de ellos.

�7  Webograf�a

• An�lisis de algunos problemas con los m�dems:    http://clickthru.online.com/

  Inicio.

---

[1]   En muchos casos no es necesario que haya una larga distancia para tener que acudir a "Telef�nica", basta que sea necesario cruzar una calle.  Con la ley en la mano, en Espa�a es ilegal tender un cable desde una casa a la de enfrente.  Las "Telecomunicaciones" son celosamente controladas por los organismos competentes y m�s celosamente a�n por nuestra inefable "Compa��a Telef�nica".

[1a]  El primer mensaje telegr�fico de larga distancia transmitidos en Estados Unidos fue enviado el 24 de Mayo de 1.844 utilizando el famoso c�digo 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 telef�nica USA (entre 300 y 3.300 Hz).

[3]  La marcaci�n puede hacerse por "tonos" o por "pulsos"; este �ltimo es el sistema primitivo y est� pr�cticamente en desuso, aunque sigue siendo utilizado por algunos modelos de tel�fono antiguos (hasta fecha reciente algunos modelos de tel�fono ven�an con un conmutador que permit�a seleccionar la modalidad de marcado).  El sistema de tonos, popularizado a partir de la "digitalizaci�n" de las centrales telef�nicas tradicionales (eran anal�gicas), utiliza tonos para se�alar a la central el n�mero marcado y otras caracter�sticas. Por ejemplo, la pulsaci�n de las teclas * y #.

[4]  Las fechas se refieren a la evoluci�n de la red telef�nica en Espa�a.

[5]  El multiplexado consiste en enviar por un �nico canal de comunicaci�n (un hilo conductor, una fibra �ptica o una onda de radio) informaci�n de diversos canales individuales (por ejemplo, se�ales de audio).  Para esto se requiere que la capacidad del canal �nico supere a los canales individuales.  La informaci�n de los canales individuales es troceada en paquetes que son enviados sucesivamente pero no de forma contigua por el canal �nico.  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 telegr�ficos, cuando una l�nea estaba desocupada se enviaba esta se�al ( 2.5a).

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

[8]  Los m�dems primitivos no eran capaces de realizar el marcado, de modo que un operador deb�a marcar el n�mero y conectar el m�dem manualmente; generalmente tambi�n deb�a desconectar la l�nea cuando terminaba la comunicaci�n.

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