Információ átvitel problémái Kábelismereti alapok

Az előadások a következő témára: "Információ átvitel problémái Kábelismereti alapok"— Előadás másolata:

1 Információ átvitel problémái Kábelismereti alapok
Készítette: Sörlei József 1 1

2 Fourier-sor Bármely periodikus függvény felbontható meghatározott amplitúdójú, frekvenciájú és fázisú szinuszfüggvények összegére Alapharmonikus Felharmonikusok (az alapharmonikus frekvenciájának egész számú többszöröse) Sávszélesség (a felső és alsó határfrekvenciák különbsége) Határfrekvencia: amelyen a jel nagysága 0,7-szeresére, azaz 3 dB-lel csökken 2 2

3 Kapcsolás (négyszögjel spektruma)
3 3

4 Időfüggvény: 50 % kitöltési tényezőjű négyszögjel
4 4

5 Spektrumanalizátor 5 5

6 A spektrum kinagyítva 6 6

7 A spektrum számítva és a képe
7 7

8 Négyszögjel előállítása fourier-összetevőiből

9 Reflexió, hullámimpedancia, hosszegységre jutó késleltetési idő és csillapítás, adatátviteli sebesség Reflexió = visszaverődés Távvezetéknél akkor tapasztaljuk, ha a vezeték hossza többszöröse a hullámhossznak Szinuszos forrásparaméterű generátor esetén: λ=c/f c – A szigetelőanyagban a fény terjedési sebessége Elhanyagolható a visszaverődés, ha a vezeték rövidebb, mint amekkora utat megtesz a hullám a felfutási, ill. a lefutási idő alatt.

10 Reflexiós tényező Feszültséggenerátor estén: Áramgenerátor esetén:
Nincs reflexió a kimeneten, ha fennáll a hullámillesztés: A terhelő impedancia egyenlő a belső impedanciával Zt=Zb Reflexiós tényező az impedanciákkal:

11 Szimmetrikus kétpóluspár (távvezeték) elosztott paraméterű helyettesítése:

12 Hullámimpedancia Szimmetrikus kétpóluspár hullámimpedanciája:
Ideális vezeték hullámimpedanciája a hullámellenállás, ami frekvenciafüggetlen: (L és C a méterenkénti induktivitás ill. kapacitás)

13 Pupinozás Valós és frekvenciafüggetlen a távvezeték hullámimpedanciája (hullámellenállás) akkor is, ha Ez úgy teljesíthető, ha szakaszonként pupintekercset kötnek sorba a vezetékkel

14 Futási idő (vezeték késleltetési ideje): τ=l/c
Egyszerű összekötő vezetéknél τ≈5 ns/m Ha a feszültségugrás ideje, illetve a jelváltozás maximális sebességéből számítható idő (τ=1/ω) rövidebb, mint a vezeték késleltetési idejének kétszerese (Δtu<2τ), akkor a generátor áramát a belső ellenállásának és a vezeték hullámimpedanciájának az eredője szabja meg. I2τ= ΔU/(Zb+Z0) A zavarfeszültség: Uzavar=ΔU*Z0/(Zb+Z0) A zavarfeszültség a szomszédos vezetéken (áthallás): Uzavar=(ΔU*Z0/2)/(Zb+Z0/2+Zcsatoló)

15 Illesztett lezárás A generátor belső impedanciája, a vezeték hullámimpedanciája és a terhelő impedancia megegyeznek egymással

16 Négyszög vizsgálójellel mérhetjük
Késleltetési idő: Négyszög vizsgálójellel mérhetjük A kapacitástól, a szigetelőanyag permittivitásától függ. A szigetelőanyag fajtáján kívül a lyukacsos szerkezettel csökkenthető Csillapítás: 20lgUki/Ube [dB] A kábel okozta veszteség az ohmos, a dielektromos és a sugárzási veszteségből tevődik össze. A veszteséget a skin-hatás is befolyásolja. Azonos méretek és anyag esetén a tömör huzalú koaxkábel kisebb csillapítású és késleltetésű, mint a sodrott központi huzalú, de merevebb.

17 Adatátviteli sebesség
Digitális rendszerek adatátviteli sebessége az időegység alatt átvitt bitek számával jellemezhető. Mértékegysége: bit/s Megadható az 1 másodperc alatt bekövetkezõ változások száma is (jelzési sebesség). Mértékegysége: baud baud= log2 P [bit/s], P=kódolásban használt jelek száma Ha az adatátvitelhez 4 szintet használunk (pl.: +3 V, +1 V, - 1 V, -3 V), akkor a baud számértéke fele a bit/s –ben megadottnak

18 Egyéb zavarok Kisfrekvenciás zavarok: A táp vagy a jelvezetéken keresztül jut be a rendszerbe -Ucc és GND közé 1 … 10 μF tantál csepp-kondenzátor vagy 0,1 μF kerámia kondenzátor kell. Külső zavarok: Árnyékolt vezeték (mindkét végén az árnyékolást földelni kell), ill. földelt ferromágneses búra szükséges. Ez alulátersztő szűrőként véd a nagyfrekvenciás zavaroktól, de a hasznos jelhez közeli frekvenciájú és kisfrekvenciás zavaroktól nem óv meg. Ilyenkor nagyobb jelszint hatásos.

19 Zavararány javítása A bemenetre hiszterézises Schmitt-triggert tenni
A kimeneti feszültséget nyitott kollektoros meghajtóval, vagy külön tranzisztoros meghajtó áramkörrel megnövelni. A jelvezetéket a földvezetékkel egymáshoz közel vezetni (minden jelvezetékhez külön [sodrott] földvezeték) Az impulzusfrekvencia periódusideje ne legyen egyenlő a futási idő kétszeresével

20 Szkin-hatás Ha a vezetőn átfolyó áram időben változik, akkor a vezető körül kialakult mágneses tér is változik. A változó mágneses tér olyan feszültséget indukál a vezetőben, ami ellentétes irányú a vezérlő árammal. A kétféle áram eredője a vezető keresztmetszete mentén változik mégpedig úgy, hogy a vezető belseje felé haladva csökken és a vezető pereme felé haladva nő. A jelenség az ún. felületi hatás (szkin-effektus) és az elnevezés arra utal, hogy a frekvencia növekedésével az áram egyre inkább kiszorul a vezető belsejéből a vezető felszínére.

21 Az áram eloszlása a vezető keresztmetszete mentén szinuszos feszültságváltozásnál hengeres vezető esetében Behatolási mélység: Az a távolság, amelynél az áramerősség e-ed részére csökken I d x

22 A huzal határfrekvenciája
Az a frekvencia, amelyen a behatolási mélység éppen a vezeték középvonalát éri el A határkörfrekvencia:

23 Litze-huzal Nagyfrekvenciás alkalmazásoknál a szkin-hatás csökkentése érdekében litze-huzalt használnak. A litze-huzalok vékony zománcszigetelésű vezető erekből – elemi szálakból –összesodrott huzalkötegek. Az ilyen huzalkötegben sokkal nagyobb lesz a nagyfrekvenciás áram intenzitása, mint az egyeres vezetékben. Az elemi szálak átmérője néhány század-, néhány tizedmilliméter nagyságrendű, és az összesodrott elemi szálak száma néhánytól néhány százig terjed. Gyártanak ún. „szabályos” litze-huzalokat is, ezek elemi érszámát úgy választják meg, hogy az eredő keresztmetszet befoglaló formája szabályos hatszög legyen. Az ilyen huzalokat a sokerű kábelek céljára használják. Nagyfrekvenciás tekercsek készítéséhez gyakran használnak selyemszigetelésű zománchuzalokat mind tömör, mind litze-szerkezetű vezető érrel. A selyemszigetelés célja az, hogy a menetek és a sorok egymástól távolabb kerüljenek, és így a köztük létrejövő kapacitások kisebbek legyenek.

24 Árnyékolás Az elektronikus zajok és a szórt elektromágneses terek vezetékekre gyakorolt hatása csökkenthető, amennyiben árnyékolt vezetékeket használunk. Az egyszerű árnyékolt huzal egyszálas vagy több szálból összetekert belső érből, szigetelésből és az azt körülvevő fémszövetből áll. A fémszövetet újabb műanyag-bevonat takarja. Az áramkörökben a külső árnyékoló fémszövetet földpotenciálra kapcsolják. Kisebb tömegű és hajlékonyabb árnyékolt vezetékek készíthetők az újabban kidolgozott fémezett szövetek alkalmazásával. Ezeket a vezetékeket úgy állítják elő, hogy poliamid hordozószövetet vékony rétegben rézzel vagy ezüsttel vonnak be, majd az így vezetővé tett szövetre hagyományos galvanizálással tetszőleges fémréteget (réz, ezüst, arany, nikkel, stb.) visznek fel.

25 Vezetékméretezés A generátort a fogyasztóval összekötő vezeték is rendelkezik ellenállással (Rv). Ezért a vezetékben hőteljesítmény keletkezik, ami a vezetéket melegíti. A vezeték hossza és anyaga általában adott, ezért csak a keresztmetszetét kell annak megfelelően méretezni, hogy mekkora veszteséget engedhetünk meg. Az energiaszállító vezetékeket feszültségesésre méretezik. Általánosan elfogadott, hogy a vezetéken eső feszültség a fogyasztón eső feszültségnek 2…5 %-a lehet. Világítás céljára alkalmazott vezetékeknél pl. ragaszkodnak a 2%-hoz!

26 Vezetékméretezés A tekercsek esetében a vezetékeket melegedésre méretezik, mert az egymás melletti menetekben keletkező hű nehezebben tud eltávozni, mint az egyetlen szálból álló vezeték esetén. A méretezésnél célszerű az áramsűrűséggel számolni. A tekercseket általában 2,5 A/mm2 áramsűrűségre méretezik, ha azonban ventillátoros hűtést alkalmaznak, a A/mm2 értéktartomány is megengedett.

27 Túláram, túláramvédelmi eszközök
Túláram: a névlegesnél nagyobb áram. Két fajtája van: Túlterhelés: a névlegesnél kicsit nagyobb áram. Tartós fennállása túlmelegedést okoz. Zárlati áram: A névleges áram sokszorosa

28 Túláramvédő eszközök Olvadóbiztosítók (túlterhelés és zárlat ellen);
Termikus kioldók (túlterhelés ellen); ikerfémes vagy termisztoros szilárdtestrelé Kismegszakítók (túlterhelés és zárlat ellen); termikus és mágneses kioldó szervük is van Áramvédő kapcsolók (hibaáram TT és TN rendszerekben)

29 Túláramvédők jellemzői
Névleges áram: tartósan folyhat rajta Határáram: végtelen hosszú idő alatt old ki (1,1…1.45)*In Kioldási jelleggörbe Kioldási idő: a túláram fellépésétől a kioldásig eltelt idő Névleges megszakítóképesség: a legnagyobb áram, amit még képes megszakítani Megengedett legnagyobb feszültség

30 Kismeghszakítók kioldási jelleggörbéje
B - vezetékek és kábelvédelem lakóépületeknél; világítás, dugalj C – nagy bekapcsolási áramú berendezések; lámpacsoportok, motorok D – igen nagy bekapcsolási áramú berendezések; hegesztőtrnszformátor, motor

31 Vezetékvédő kismegszakítók kioldási tulajdonságai

32 Olvadóbiztosítók FF-nagyon gyors, F-gyors, N-normál, T-lomha
Kombinált-lomha és gyors karakterisztika túlterhelés és zárlat elleni védelemhez Üvegcsöves, Diazed, késes Olvadószál anyaga: réz, ezüst, konstantán, manganin, nikkel

33 Áramvédő kapcsoló (FI-relé) A védővezetőn folyó hibaáram működteti, érintésvédelmi szerepet tölt be

34 Túlfeszültségvédelem

35 Adatátvitel. Multiplexelés
Hálózati struktúrák: Hoszt (gazdagép): Azok a számítógépek, amelyeket egy számítógépes rendszerben összekötünk. Ezeket a gépeket kommunikációs alhálózatok kötik össze, amelyek feladata üzenetek továbbítása. Az alhálózatok az átvitelt biztosító vonalakból, csatornákból (szokták még áramkörnek, vagy trönknek nevezni) és a kapcsolóelemekből [IMP (Interface Message Processor) azaz interfész üzenet feldolgozókból állnak (pl. hálózati kártya és a programja, routerek, hálózati átjárók).

36 Vezetékes és vezeték nélküli összeköttetés
Megkülönböztetünk fizikailag összekötött (bounded) és nem összekötött (unbounded) kapcsolatokat. Összekötött az elektromos jelvezetékek, az optikai kábel Nem összekötött a rádióhullám, (mikrohullámú) illetve az infravörös illetve lézeres összeköttetés. A fizikailag nem összekötött rendszerek mozgékonyak, könnyen áthelyezhetők, a hosszú kábelcsatornák helyett elég egy két antennaoszlopot kialakítani, de mivel a jel a széles környezetben terjed, az adatbiztonságra fokozottan kell ügyelni a lehallgatás könnyebb kivitelezhetősége miatt. A vezetékes rendszerek lehallgatás ellen védettebbek, kisebb távolságokon olcsóbbak lehetnek a telepítési költségei, de a kapcsolódó eszközök sokkal nehezebben helyezhetők át.

37 Pont-pont összeköttetés A két kommunikációs végpontot pl
Pont-pont összeköttetés A két kommunikációs végpontot pl. egy kábellel kötik össze, és az üzenetek (más néven csomagok, packetek) ) ezen a kábelen keresztül haladnak. Amikor egy vevő megkapja a csomagot és az nem neki szól, akkor azt továbbadja egy következő pont-pont összeköttetésen keresztül. Ezért az ilyen típusú hálózatokat más néven szokták két pont közötti (point-to-point), vagy tárol és továbbít (store-and-forward) összeköttetésnek nevezni

38 Multipont összeköttetés Egy kommunikációs csatorna van, és ezen osztozik az összes hálózatba kapcsolt számítógép. A küldött csomagokat a hálózat minden állomása veszi, (ami nehezíti az adatvédelmet) és azt, hogy a csomag kinek szól, a csomagban elhelyezett címinformáció hordozza

39 Adatátvitel topológiája
Szimplex átvitel esetén a csatornán áramló információ csak egy irányú lehet, mindig van adó és van vevő a rendszerben, ezek szerepet nem cserélnek. Ilyen kommunikáció a szokásos rádió vagy TV adás (nem tudunk visszabeszélni...) Fél duplex átvitel esetén a csatornán az információáramlás már kétirányú, felváltva történik úgy, hogy egyszerre mindig csak az egyik irány foglalja el a csatornát. Ilyen átvitel valósul meg nagyon sok rádiós kapcsolatban (pl. CB rádió) Duplex átvitel esetén egyidejű két irányban történő átvitel valósul meg, hasonlóan az emberi beszélgetéshez (pl. telefon)

40 Vonalak megosztása Multiplexelés: Egy adatvonalat előre meghatározott, rögzített módszer szerint osztunk fel elemi adatcsatornákra. Minden bemenő elemi csatornához egy kimenő csatorna is tartozik. Ezek a frekvenciaosztásos és az időosztásos multiplexelési módszerek, illetve ezek kombinációja. Üzenet és csomagkapcsolási módszerek: az átviendő információt kisebb adagokra bontunk. A vonalon egymás után történik ezek átvitele, majd a darabokból az összerakásuk. Ez az ADÓ és a VEVŐ számára folyamatos összeköttetés látszatát kelti (pl. internet) Vonalkapcsolás: az adatvezetékeket nem egy ADÓ-hoz és egy VEVŐ-höz rendeljük, hanem a kommunikáció szükséglete szerint kapják meg a felek. A kapcsolat a kommunikáció részeként jön létre, és a kommunikáció befejezésekor szűnik meg (pl. telefon)

41 Multiplexelés frekvenciaosztással
FDM - Frequency-Division Multiplexing: elsősorban a távbeszélő-hálózatok vivőfrekvenciás rendszereinek szélessávú fővonalait használják. A széles frekvenciasávban időben is egyszerre haladnak a különböző vivőfrekvenciákra ültetett jelek. Az adó oldalon a csatornák jeleit egy-egy vivőfrekvenciára ültetik (a vivőfrekvenciát a jelekkel modulálják), ezeket összegzik, az összegzett jelet átviszik a vevő oldalra, és ott ezeket szűrőkkel választják szét. Az egyes elemi vivőfrekvencia-tartományok között elválasztó frekvenciarésre van szükség, mivel a különböző jeleket szétválasztó szűrők meredeksége véges. A frekvenciarések jelentősen csökkentik a fővonal sávszélességének kihasználhatóságát.

42 Multiplexelés szinkron időosztással
STDM - Synchronous Time-Division Multiplexing A nagyobb sávszélességű adatvonalat időben osztják fel több, elemi adatcsatornára. Minden elemi adatcsatorna egy-egy időszeletet kap. A fővonal két végén elhelyezkedő vonali multiplexerek előre meghatározott időben, periodikusan, egymással szinkronban működve összekapcsolják egy-egy rövid időre — néha egyetlen bit, legtöbbször egyetlen karakter vagy bájt, esetleg néhány bájt átviteli idejére — az összetartozó be-, illetve kifutó vonalakat. Szükség van arra, hogy a vonal két végén elhelyezett multiplexerek szinkronizmusát biztosító periodikus jeleket is elhelyezzük az információ-egységek között. Ezek a szinkronjelek csökkentik a fővonal kihasználhatóságát.

43 Fizikailag nem összekötött rendszerek
Az elektromágneses jelek átvitelét és érzékelését antennák végzik. A sugárzásnak két módja van: Irányított Mindenirányú (irányítatlan) Irányított esetben az antenna fókuszált elektromágneses sugarat bocsát ki, a vevő antennát pontosan kell pozícionálni. Mindenirányú sugárzás sok antennával vehető. A nagyobb frekvenciájú jelek jobban fókuszálhatók. Három frekvencia-tartomány jöhet szóba vezeték nélküli átvitelre: GHz (mikrohullámú átvitel) (irányított) 30 MHz - 1 GHz (rádiófrekvencia) (mindenirányú) 3·1011 ¸ 2·1014 Hz (infravörös)

44 A műhold geostacionárius pályán kering
A vezeték nélküli átvitel módjai: Műholdas mikrohullámú átvitel Földi mikrohullámú átvitel Rádiósugárzás Infravörös átvitel Az átviendő adattal modulált mikrohullámú sugarat a földi állomásról a műholdra továbbítják. A műhold vevő-továbbító egységét transponder-nek nevezik. Egy-egy műhold több transponder-rel rendelkezik, amelyek más-más frekvencia-tartományban dolgoznak. Egy-egy csatorna sávszélessége 500 MHz körül van. Multiplexeléssel sok nagysebességű digitális adatcsatorna jelei továbbíthatók. A Földre visszasugárzott sugár a fókuszálástól függően nagyobb vagy kisebb területen vehető A műhold geostacionárius pályán kering

45 Műholdas mikrohullámú átvitel
Földi állomás Antenna Föld Uplink Downlink

46 Földi (Terrestrial) mikrohullámú átvitel
Olyan földi állomások közötti átvitelre használják, amikor lehetetlen vagy túl költséges vezetékes átviteli közeg kiépítése. A földi mikrohullámú állomásoknak egymás látósugarában kell lenniük. Az elektromágneses sugarak sokkal több zavaró hatásnak vannak kitéve, mint a műholdas átvitel esetén. Az áthidalható távolság mintegy 50 km.

47 Az átvinni kívánt információ és az átviteli csatorna típusa
Digitális adat átvitele digitális csatornán: Alapsávú átvitelnek nevezik. A bináris információ a feszültség, az áram vagy a fény intenzitás meghatározott értékéhez (érték tartományhoz), vagy ezek megváltozásához van kötve. Moduláció nem szükséges, de a hatékony átvitel és a biztonságos érzékelés érdekében sokféle kódolási technikát használnak (Manchester, 4B5B, stb.) Analóg jel átvitele analóg csatornán: Beszéd átvitele analóg telefonhálózaton, vagy televízió műsor sugárzás. Analóg jel átvitele digitális csatornán: Jellemző alkalmazás beszéd átvitele digitális telefonhálózaton (ISDN). Az analóg jelet meghatározott időközönként mintavételezik, kvantálják, majd digitális csatornán továbbítják. A vétel helyén a digitális jelből visszaállítják az analóg jelet.

48 Amplitúdómoduláció Modulációs mélység:m=Um/Uv
Amplitúdómodulált jel három, különböző frekvenciájú komponensből áll: Uv amplitúdójú, ωv körfrekvenciájú szinuszjelből (ez maga a vivő), ½ Um amplitúdójú, ωv - ωm körfrekvenciájú szinuszjelből (ez az alsó oldalfrekvencia), ½ Um amplitúdójú, ωv + ωm körfrekvenciájú szinuszjelből (ez a felső oldalfrekvencia).

49 Frekvenciamoduláció Modulációs index: m=Df/fm (löket/moduláló frekvencia) Löket: maximális amplitúdóhoz tartozó frekvenciaváltozás A moduláló jel frekvenciája meghatározza, hogy milyen időközönként változik a modulált jel frekvenciája

50 Fázismoduláció Ha a moduláló jel pillanatértékével arányosan a vivő fázisát változtatjuk meg, fázismodulációról beszélünk. A fázislöket (ΔΦ) a moduláló jel maximális értékéhez tartozó fázisszög változás (radiánban kifejezve). Matematikai módszerekkel kimutatható, hogy a fázismoduláció és a frekvenciamoduláció „rokonságban” vannak egymással, és fm frekvenciájú, szinuszos moduláló jel esetén a ΔΦ fázislöketű fázismodulált jel azonos a Δf = fm ΔΦ frekvencialöketű frekvenciamodulált jellel. Ezért a fázismodulált jel időképe, spektruma, sávszélessége az egyenértékű frekvenciamodulált jelével azonos. Ez esetben a modulációs index (m) megegyezik a fázislökettel: m = ΔΦ

51 Impulzusmodulációk PAM: impulzus amplitúdó moduláció
PWM: impulzus szélesség moduláció PPM: impulzus fázis moduláció Számosság modulált impulzusok

52 Az átviteltechnikában az alábbi fő szempontokat is figyelembe kell venni:
A vonali jelnek ne legyen DC tartalma Az órajel kinyerhető legyen, ne legyen sok „0” egymás után a vonalon Ennek megfelelően nem kétszintű PAM-ot használnak hanem AMI (Alternate Mark Inversion) álháromállapotú kódokat. Az értékkészlet: -1, 0, +1. A vonalon a bipoláris szabálynak megfelelően minden „1” impulzus előjelét ellenkezőre váltják. Így a DC nulla lesz.

53 Digitális jel átvitele analóg jellel Vivős modulációs rendszerek

54 4 állapotú fázis-moduláció

55 16 állapotú amplitúdó és fázis-moduláció

56 Bármelyik adó nullára leviszi a vonalat, ezért a domináns bit a nulla.
A busz rendszerek kialakítása, üzenetfogadás és küldés Egyvezetékes adatátviteli rendszer Bármelyik adó nullára leviszi a vonalat, ezért a domináns bit a nulla. Arbitráció (verseny) esetén a recesszív (H) bitet adó észreveszi, ha nem jelenik meg a saját jele a vonalon, és kiszáll a versenyből Forrás: X-Meditor

57 Két vezetékes CAN-busz
TX0 TX1 adók a kb. 2,5 V potenciálú vonalakat 1-1 V feszültséggel 0 ill. H irányba elmozdítják domináns bit adásakor (0)

58 A zavaró hatások kiküszöbölése kétvezetékes adatátviteli rendszerrel
Forrás: LITO-TECHNIK

59 A CAN adatbusz rendszerek üzenetformátuma
Forrás: V A G

60 A Startmező (a startbit domináns bit) Azonosító mező: az adó azonosítója (pl. motor fordulatszám jel) – arbitráció: verseny az adásért. A prioritást az azonosító mező kódja határozza meg. Aki előbb ad recesszív bitet, az kiesik a versenyből (észleli, hogy nem jelent meg a vonalon) – allokáció: adásidők kiosztása Üzenetfajták – adatkérelmi RTR bit Adatküldő üzenetkeret – RTR=0 Adatkérő üzenetkeret –RTR=1 Ellenőrző mező: Az adat byte-ok számát adja meg (adatkérésnél nincs adatmező) CRC: Ciklikus Redundancia Controll Nyugtázás Üzenet vége