MODEM FONICI E IN BANDA BASE
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MODEM FONICI E IN BANDA BASE |
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È il dispositivo periferico che consente il collegamento seriale tra due computer remoti o tra un computer e un terminale utilizzando come linea di comunicazione quella telefonica. Col termine MODEM si intende la fusione delle parole MODulatore DEModulatore. Tale dispositivo, infatti, assolve principalmente il compito di trasformare il segnale digitale proveniente da un dispositivo DTE (Data Terminal Equipement) come, ad esempio, l’uscita seriale di un computer o la tastiera di un dispositivo terminale, in un segnale analogico con frequenze contenute in un canale telefonico che, come si sa, va da 300Hz a 3400Hz.
Il modem, quindi, svolge l’operazione di adattamento del segnale digitale alla linea telefonica attraverso una conversione digitale analogica.
Tra la linea telefonica e il dispositivo DTE ricevitore deve essere connesso un altro modem che svolge il compito opposto a quello inserito nel lato trasmettitore: trasforma il segnale analogico proveniente dalla linea telefonica in segnale digitale perfettamente identico a quello inviato dal DTE trasmettitore.
Ciascun modem, ovviamente, presenta al suo interno due canali distinti: il canale modulatore utilizzato nella trasmissione e il canale demodulatore utilizzato nella ricezione.
Oltre a questi fondamentali compiti, il modem svolge altre operazioni, pur importanti, per realizzare una corretta ed efficiente trasmissione.
I modem possono essere classificati nelle seguenti categorie:
· modem fonici;
· modem a larga banda;
· modem in banda base.
I primi hanno le caratteristiche precedentemente descritte: la larghezza di banda pari ad un canale telefonico limita la velocità di trasmissione a 56Kbps (bit per secondo) nei modem conformi alla raccomandazione V.34 dell’ ITU-T e a 300bps nei vecchi modem conformi alla raccomandazione V.21 dell’ ITU-T.
I modem a larga banda utilizzano il gruppo primario che va da 60KHz a 108KHz costituito da 12 canali telefonici: (108-60)/4 = 12.
Ciò consente velocità di trasmissione più elevate come, ad esempio, nei modem conformi alle raccomandazioni V.35, V.36 (48000bps) e V.37 (144000bps).
In fig.13 si mostra lo schema a blocchi semplificato di un modem in banda fonica e a larga banda.
Fig. 13. - Schema a blocchi di un modem in banda fonica e a larga banda.
I modem in banda base si utilizzano nei collegamenti a breve distanza che non superino alcuni Km.
Il segnale digitale transita direttamente nella linea su un doppino telefonico che collega direttamente i due utenti (rete telefonica dedicata) dopo aver subito solo una conversione di codice per meglio adattarsi alla linea. Tali modem, pertanto, non realizzano la modulazione e demodulazione analogica ma solo una conversione di codice.
I modem in banda base risultano più semplici rispetto a quelli fonici e consentono una trasmissione più veloce fino a 72000bps.
In fig.14 si mostra lo schema a blocchi semplificato di un modem in banda base.
Fig. 14. - Schema a blocchi di un modem in banda base.
I modem possono scambiare dati tra di loro in tre modalità:
· Simplex
· Half duplex
· Full duplex
Nel primo caso, i dati transitano solo dal trasmettitore al ricevitore. Questa modalità di funzionamento non è, al giorno d'oggi, più utilizzata per l’impossibilità di avere un riscontro sulla correttezza della trasmissione (fig.15).
Fig. 15. - Collegamento simplex.
La trasmissione half-duplex, un tempo molto utilizzata, consente la trasmissione bidirezionale ma in momenti diversi (fig.16). Quando un dispositivo trasmette l’altro riceve e viceversa.
Fig. 16. - Collegamento half-duplex.
La trasmissione full-duplex, infine, consente la trasmissione bidirezionale simultanea permettendo ai dati di viaggiare su canali fisici distinti (il modem si collega alla linea telefonica con quattro fili) o su un solo canale fisico (a due fili) avvalendosi, però, della tecnica della multiplazione al fine di evitare collisioni. È la tecnica di comunicazione più veloce perchè consente un più razionale utilizzo del tempo a disposizione (fig.17).
Fig. 17. - Collegamento full-duplex.
La modulazione consiste nella modifica dello spettro di frequenza del segnale digitale in tutti i tipi di modem e nella traslazione della banda di frequenza nei modem fonici e a larga banda.
La traslazione dello spettro si ottiene modulando un’onda sinusoidale a frequenza fissa detta portante con il segnale digitale da trasmettere.
Sono possibili varie tecniche di modulazione:
· modulazione di frequenza FSK (Frequency Shift Keying);
· modulazione di fase PSK (Phase Shift Keying);
· modulazione di ampiezza ASK (Amplitude Shift Keying);
· modulazione QAM (Quadrature Amplitude Modulation).
Nella modulazione di frequenza, come è noto, si utilizzano due frequenze differenti per rappresentare i simboli digitali 0 e 1. È utilizzata nei modem conformi alle normative del ITU-T V.21 e V.23. Poiché questi sono modem lenti tale tecnica non è più utilizzata.
Nella modulazione di fase si associa una diversa fase dell’onda portante ad un gruppo di bit. Generando, ad esempio, quattro sfasamenti distinti ( 45°, 135°, 225°, 315°) si associano due bit a ciascuno sfasamento ottenendo, così, un raddoppio della velocità di trasmissione in bps. È impiegata per modem a media velocità.
Molto usata è, in realtà, la modulazione di fase differenziale DPSK.
Nella modulazione di ampiezza si associano alla portante due ampiezze differenti : una per rappresentare lo 0 e l’altra per rappresentare l’1. Nella modulazione ASK denominata OOK (On Off Keyng) l’assenza di portante si associa a 0 e la presenza di portante ad 1. La modulazione OOK non trova applicazione nei modem.
Trova molta applicazione, invece, la modulazione mista di fase e di ampiezza denominata modulazione QAM (Quadrature Amplitude Modulation) nei modem a velocità superiore a 4800bps.
Un gruppo di n bit da trasmettere modula la portante in modo da ottenere un segnale sinusoidale di opportuna ampiezza e fase. La velocità di trasmissione (in bps) è n volte più grande della rapidità di modulazione (in baud).
Questa modulazione consente di distanziare maggiormente gli stati significativi nel diagramma di modulazione per cui presenta bassa sensibilità ai disturbi di linea.
Nei modem in banda base non si trasmettono i dati digitali così come sono ma si utilizza un convertitore di codice.
Infatti, in presenza di una lunga sequenza di 0 o di 1, gli eventuali circuiti traslatori presenti in linea sopprimono la componente continua dell’informazione rischiando di rendere incomprensibile l’informazione digitale. Inoltre, risulta difficoltoso estrarre il segnale di sincronismo.
Si ricorre, quindi, all’utilizzo di particolari codici come il codice bifase o Manchester, il codice bifase differenziale e il codice di Miller noto anche come codice a modulazione di ritardo.
In fig.18 si mostra lo schema a blocchi di un modem in banda fonica che, sostanzialmente, si ispira a quello esaminato in fig.13.
Fig. 18. - Schema a blocchi di un modem fonico.
Il modulatore trasforma gli impulsi elettrici digitali in una forma d’onda analogica in grado di essere trasmessa su linea telefonica.
Il demodulatore svolge il compito inverso: trasforma il segnale analogico della rete telefonica in un segnale digitale interpretabile dal sistema di elaborazione.
L’amplificatore serve a conferire il corretto livello di tensione da inviare in linea o al demodulatore.
Il filtro passa-banda permette di limitare la banda passante del segnale a quella vocale telefonica (300-3400Hz).
I circuiti di interfaccia consentono l’adattamento elettrico delle linee digitali a quelle del modem e gestiscono la comunicazione. Uno degli standard più utilizzati è quello americano RS-232 corrispondente alle raccomandazioni dell’ ITU-T V.24/V.28.
Il blocco denominato controlli contiene i circuiti di scrambler e descrambler molto utili nei modem sincroni per l’estrazione degli impulsi di clock dai dati ricevuti e i circuiti di equalizzazione per compensare le distorsioni lineari in ampiezza e in fase in corrispondenza delle varie armoniche del segnale.
Nei paragrafi successivi saranno esaminati i circuiti fondamentali contenuti nel blocco controlli.
I modem sincroni funzionanti in ricezione sono in grado di ricavare gli impulsi di sincronismo dal segnale d'uscita del filtro passa-banda grazie all’utilizzo di un rivelatore di zero.
In presenza di una lunga sequenza di zero o di uno si avrebbe difficoltà ad estrarre il clock che, ricordiamo, deve essere perfettamente accordato in frequenza e in fase con quello del trasmettitore.
Un altro inconveniente generato dalla presenza di una lunga sequenza di bit costanti è la distribuzione della potenza in bassa frequenza.
L’inserimento di un circuito scrambler (rimescolatore) nello stadio di trasmissione, consente la generazione di sequenze di bit pseudo-casuali, quindi una frequente alternanza di zero ed uno anche in presenza di dati in trasmissione costituiti da bit costanti.
Ciò facilita il recupero dei segnali di clock da parte del modem ricevitore ed inoltre produce una distribuzione uniforme sulla banda telefonica del contenuto energetico del segnale utile per eliminare le interferenze fra canali telefonici adiacenti presenti sulla stessa linea di comunicazione.
È necessario che nel modem ricevitore sia presente un circuito descrambler in grado di compiere l’operazione opposta allo scrambler in modo da ricostruire fedelmente i dati inviati dal DTE trasmettitore affinché le informazioni ricevute possano essere correttamente interpretate.
In fig.19 si mostra lo schema logico di uno scrambler normale. Esso è costituito da un registro a scorrimento a 7 bit, impiegato come generatore di sequenze pseudocasuali a 127 stati (27-1=127), poiché utilizza uno XOR comandato dalle uscite Q1 e Q7 del registro.
La linea Y, denominata uscita dati, va applicata al circuito modulatore.
L’uscita Y1 è applicata all’ingresso seriale del registro.
L’ingresso dati proviene dal DTE trasmettitore.
Il circuito descrambler è assolutamente identico allo scrambler.
Per un corretto collegamento i clock dello scrambler e del descrambler devono essere sincronizzati fra di loro ed i registri devono partire da una stessa configurazione.
Nelle precedenti ipotesi e supponendo di indicare con B la linea d'uscita del descrambler, nel caso di una corretta trasmissione in linea, si ha :
Y1 = Q1 Å Q7 (segnale generato dallo scrambler e dal descrambler);
Y = A Å Y1 ( segnale digitale da trasmettere in linea dallo scrambler);
B = Y Å Y1 = A Å Y1 Å Y1 = A (segnale digitale convertito dal descrambler)
poichè : Y1 Å Y1 = 0 e: A Å 0 = A.
Lo scrambler autosincronizzante mostrato in fig.20 migliora le prestazioni dello scrambler normale perché le sequenze pseudo-casuali generate dal registro a scorrimento dipendono dai bit di ingresso.
Fig. 20. - Scrambler autosincronizzante.
Il descrambler, in tal caso, può recuperare eventuali perdite di sincronismo senza dover far ripartire il registro a scorrimento dello scrambler dalla configurazione iniziale.
Un eventuale bit errato introdotto nella linea provoca nel descrambler un numero multiplo di errori in quanto tale bit errato influenza la sequenza generata.
Se la sequenza pseudo-casuale generata su Y1 dai precedenti circuiti assume livelli opposti a quelli presenti sulla linea A si ha:
Y = Y1 Å A = 0
In tal caso l’uscita dello scrambler non presenta transizioni vanificando, così, la motivazione del suo utilizzo.
In fig.21 si mostra lo schema logico di uno scrambler/descrambler autosincronizzante modificato proposto dall’ ITU-T nella raccomandazione V.27.
Lo schema di fig.21 è relativo sia allo scrambler che al descrambler in funzione della posizione del deviatore di ingresso.
Il circuito consta di un registro a scorrimento a 12 bit, di un divisore di frequenza per 64 e di un flip flop di tipo D.
Il divisore di frequenza genera onde quadre che per 32 periodi di clock sono al livello basso e per altrettanti al livello alto.
La linea di reset, attiva sul livello alto, è comandata da una logica combinatoria che dipende dai bit 9 e 12 del registro e dall’uscita Q del flip-flop.
Durante il funzionamento normale l’ingresso dati del registro e i bit 9 e 12 sono tali da rendere variabile la linea reset che obbliga l’uscita Q del flip flop D a livello 0.
Nel caso di lunghe sequenze di bit 0 oppure di 1 all’ingresso del registro la linea di reset è al livello basso.
Quando, però, l’uscita Q del divisore di frequenza diventa 1, al successivo impulso di clock l’uscita Q del flip flop commuta ad 1 e ciò provoca la commutazione del bit di entrata del registro e il reset sia del flip flop che del divisore di frequenza.
Tutto ciò consente l’interruzione della sequenza costante nei dati inviati allo scrambler.
Fig. 21. - Scrambler/descrambler autosincronizzante proposto dal ITU-T nella raccomandazione V.27.
Le caratteristiche trasmissive della linea non devono provocare distorsioni di fase e di ampiezza affinché il segnale in ricezione si possa ricostruire correttamente.
In pratica il segnale subisce attenuazione e ritardo di gruppo non costante alle varie armoniche.
Per eliminare o, quanto meno, ridurre questi inconvenienti, si utilizzano nei MODEM dei dispositivi noti come equalizzatori in grado di far rientrare i valori del segnale all’interno di “maschere” definite dal ITU-T.
Si descrivono due tipi di equalizzatori:
statistico;
automatico o adattativo.
Le caratteristiche di ampiezza e di fase dell’equalizzatore statistico sono tali da compensare parzialmente le distorsioni introdotte dalla linea telefonica. È utilizzato nei modem a bassa velocità funzionanti sulla rete telefonica commutata RC, poiché le caratteristiche della linea variano.
In fig.22 si mostrano le risposte in frequenza del ritardo di gruppo e dell’attenuazione della linea in a), dell’equalizzatore statistico in b) e la caratteristica risultante in c).
Fig. 22. - Risposte in frequenza del ritardo di gruppo e dell’attenuazione:
a) della linea ; b) dell’equalizzatore statistico ; c) caratteristica risultante.
Esaminando la fig.22c) si nota che l’equalizzatore ha reso costanti l’attenuazione e il ritardo di gruppo nella banda fonica compensando, così, l’effetto distorcente della linea.
Poiché le caratteristiche della linea telefonica commutata variano col tempo, l’equalizzatore riesce a compensarle in modo più o meno efficace. Le caratteristiche di tale equalizzatore sono state imposte considerando la media di quelle della linea telefonica da cui il nome.
L’equalizzatore automatico o adattativo è in grado di adattare le proprie caratteristiche in modo da compensare continuamente le distorsioni della linea.
All’inizio della trasmissione viene realizzata una taratura automatica consistente nell’invio di una sequenza campione che permette all’equalizzatore di rilevare le caratteristiche della linea.
Il segnale distorto è concepito come la somma tra il segnale ideale ed una serie di echi ritardati di un tempo pari alla durata di un bit. Per annullare gli effetti della distorsione si sommano, al segnale, componenti di eco di segno opposto in modo da realizzare così una equalizzazione di fase e di ampiezza.
Si mostra in fig.23 l’effetto della equalizzazione con una componente di eco in anticipo e in ritardo.
Fig. 23. - Equalizzazione di un impulso distorto.
Nell’esempio si nota la presenza della distorsione, anche se in misura inferiore, due tempi di bit prima e dopo l’impulso equalizzato. Per annullare anche queste componenti si aggiungono numerose componenti di eco opportunamente attenuati in ampiezza.
Il dispositivo è costituito da 2n linee di ritardo, da 2n+1 circuiti moltiplicatori per una costante K che può assumere valori tra -1, +1 e da un sommatore come in fig.24.
Il segnale entra nelle celle di ritardo con un ritmo pari alla velocità in bit/sec.
Dopo un certo tempo sono presenti nelle celle 2n simboli di cui il centrale è quello da rilevare. Il valore dell’impulso si può definire con la seguente formula:
Vo(t) = S Ki ·Vi(t-i·t) i = -n,....+n
Fig. 24. - Equalizzatore automatico a filtri trasversali.
I modem ad elevata velocità sono molto sensibili ai disturbi e alle distorsioni della linea. Infatti nella modulazione QAM si utilizzano molto più di due livelli di segnale: la distanza tra due livelli adiacenti è esigua e l’introduzione di un rumore può facilmente portare alla decodifica di un dato errato.
È importante, quindi, che i modem adottino provvedimenti per il controllo e la correzione degli errori.
I protocolli utilizzati sono quelli della serie MNP o dell’ITU-T per la rilevazione e correzione degli errori e funzionano sullo stesso principio: i dati trasmessi sono suddivisi in pacchetti che contengono informazioni supplementari (ridondanza) che dipendono dai dati stessi. Ad esempio, nel controllo di checksum si sommano i byte dei dati e si assume come controllo il byte meno significativo della somma. Il ricevitore ricalcola la somma e confronta il checksum ottenuto con quello ricevuto: se sono diversi viene richiesta la ritrasmissione del pacchetto.
La frequente ritrasmissione si manifesta all’utente con una bassa produttività.
In tabella 2 si elencano le caratteristiche di trasmissione supportate dai protocolli proprietari MNP (Microcom Networking Protocol) e da quello standardizzato V.42.
La negoziazione consiste nella capacità di stabilire col modem remoto la dimensione di un pacchetto in fase di inizializzazione e la lunghezza dello stesso durante la trasmissione in funzione della numerosità degli errori rilevati. Questo metodo prende il nome di fallback.
Il protocollo V.42 (ITU-T del 1989) risponde agli standard del modello ISO/OSI ed usa la tecnica LAPM (Link Access Procedures for Modems) oppure MNP 2-3-4 e 10.
Le principali caratteristiche della tecnica LAPM, basato sul protocollo di secondo livello orientato al bit HDLC (High Data Link Control), sono:
· collegamento a modem della serie V privi della correzione automatica degli errori e aventi convertitori asincrono/sincrono;
· correzione degli errori attraverso la ritrasmissione automatica dei dati;
· controllo ciclico di ridondanza per la rivelazione degli errori;
· i dati asincroni start-stop provenienti dal DTE sono convertiti in sincroni per la trasmissione in rete telefonica.
Tab. 2
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PROTOCOLLO |
SINCRONISMO |
COLLEGAMENTO |
NEGOZIAZIONE |
STANDARD ISO |
|
MNP1 |
ASINCRONO |
HALF-DUPLEX |
NO |
NO |
|
MNP2 |
ASINCRONO |
FULL-DUPLEX |
NO |
NO |
|
MNP3 |
SINCRONO |
FULL-DUPLEX |
NO |
NO |
|
MNP4 |
SINCRONO |
FULL-DUPLEX |
SI |
NO |
|
V.42 |
SINCRONO |
FULL-DUPLEX |
SI |
SI |
Per aumentare la velocità di trasmissione i modem moderni utilizzano tecniche di compressione dati. Ciò è possibile sfruttando le caratteristiche di ripetizione e di diversa frequenza di occorrenza di un dato di testo o grafico.
Nel caso di messaggi testuali si adotta il seguente principio: si utilizzano meno di 8 bit per i caratteri più frequenti e fino a 11 bit per quelli meno frequenti. Ciò consente una notevole compressione del testo da trasmettere.
Nella trasmissione di immagini il principio è diverso: nel caso di zone con pixel dello stesso colore, si può eliminare la ripetizione sostituendo la sequenza di byte uguali con una stringa costituita da un carattere di escape che consente il riconoscimento, dal dato ripetuto e dal numero di ripetizioni.
Lo standard ITU-Y per la compressione dei dati è il V.42bis (anno 1990) usa la tecnica BTLZ ( British Telecom Lempel-Ziv). Esso integra lo standard proprietario MNP5, utilizza le due tecniche precedentemente descritte e consente un rapporto massimo teorico di compressione di 4:1.
Ovviamente anche il modem remoto deve supportare tale standard affinché la compressione dei dati possa essere effettuata.
Per realizzare tale tecnica la velocità di trasmissione tra DTE e DCE (tra computer e modem) deve, teoricamente, essere quadrupla di quella in linea tra modem e modem.
Se, ad esempio, si utilizza un modem che trasmette secondo lo standard V.34 a 28800bps, la porta seriale del computer deve essere settata alla velocità pari a:
28800 x 4 = 115200bps
Se l’UART inserito nella porta seriale è il vecchio 8251 tale velocità non è supportata e se si esegue la ricezione dati ben presto si ottiene il sovraccarico (overrun) di dati che non si riescono a smaltire nella tratta modem-porta seriale. Se l’UART è il moderno 16550 la massima velocità permessa è 115200bps.
Il protocollo V.42bis definisce due modi di operazioni:
· compresso
· trasparente
Nel modo compresso le stringhe di caratteri subiscono la compressione descritta. Se il file è già compresso (.ZIP o .GIF per immagini e disegni) il modem si predispone automaticamente nel funzionamento trasparente che consiste nel non eseguire alcuna compressione.
Il modem può trovarsi in uno dei seguenti cinque stati:
· stato di attesa (idle);
· stato di collegamento (dialing);
· stato di scambio dei segnali di controllo (handshake);
· stato in linea (online);
· stato di comando in linea (online command).
In fig.25 si mostrano le possibili transizioni da uno stato all’altro.
Fig. 25. - Possibili stati del modem e relative transizioni.
Nello stato di attesa il modem non comunica con nessun altro modem ed è pronto ad accettare comandi. Il modem si porta in tale stato quando lo si alimenta.
Nello stato di collegamento il modem può trovarsi in attesa di un tono di collegamento, può inviare segnali di collegamento, può essere in pausa o in altre operazioni di collegamento. Il modem entra in tale stato dopo l’esecuzione di un comando D (dial) di collegamento.
Nello stato di scambio dei segnali di controllo il modem può inviare una risposta di tono, può essere in attesa di una risposta di tono o scambiare segnali di controllo (handshake) con un altro modem. Il modem entra nello stato di handshake quando avviene una delle seguenti condizioni:
completamento del processo di collegamento;
modem in autorisposta;
transizione OFF-ON della linea DTR dell’interfaccia RS-232 quando il comando &M3 è in esecuzione (funzionamento modo sincrono 3);
all’accensione nel caso in cui il collegamento è in linea dedicata (si scavalca lo stato di collegamento).
Nello stato in linea il modem trasmette e riceve i dati con un modem remoto. Il modem può entrare nello stato in linea dallo stato di scambio dei segnali di controllo o dallo stato comando in linea.
Nello stato comando in linea il modem mantiene il collegamento col modem remoto ma elabora segnali e comandi col DTE.
I modem possono essere interni o esterni.
I primi si inseriscono in una slot di espansione del personal computer e, pertanto, non si interfacciano direttamente con alcuna porta seriale. Essi sono configurati in fabbrica su COM4 ed utilizzano la linea di interrupt IRQ3. Queste due scelte risultano corrette per la maggior parte dei casi. Se COM4 è utilizzata da un altro dispositivo è possibile selezionare la porta seriale attraverso dei ponticelli inseriti sulla scheda seguendo le indicazioni del costruttore.
I modem esterni, solitamente, presentano nella parte posteriore:
un connettore a 25 poli femmina che dovrà essere collegato, tramite un cavo, all’interfaccia seriale RS-232 del computer che si presenta, a sua volta con un connettore maschio a 25 o a 9 poli;
un connettore di alimentazione a 12Vac;
un connettore RJ11, contrassegnato con LINE, da collegare alla presa telefonica;
un altro connettore RJ11, contrassegnato con PHONE, a cui collegare un eventuale telefono.
Sul pannello frontale, oltre all’interruttore di accensione, il modem presenta una serie di LED che indicano lo stato di funzionamento del dispositivo (tabella 3).
Nei moderni modem esterni, l’interfaccia al computer avviene attraverso la porta USB (Universal Serial Bus) notevolmente più veloce della classica RS-232 in via di obsolescenza.
Tab. 3
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NOME |
SIGNIFICATO |
FUNZIONE |
|
MR |
Modem Ready |
Acceso quando il modem è alimentato |
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TR |
Terminal Ready |
Acceso quando il segnale DTR è attivo |
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SD |
Send Data |
Acceso quando il modem trasmette ad un modem remoto |
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RD |
Receive Data |
Acceso quando il modem riceve da un modem remoto |
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OH |
Off Hook |
Acceso quando il modem è sganciato |
|
CD |
Carrier Detection |
Acceso quando il modem rileva la portante remota |
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AA |
Auto Answer |
Acceso quando è abilitata la risposta automatica |
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EC |
Error Correction |
Acceso quando il modem sta effettuando la correzione degli errori |
a cura del prof. Giuseppe Spalierno, docente di Elettronica - ultima versione febbraio 2005