Dr. Ajtonyi István - Ipari kommunikációs rendszerek I.

AJTONYI ISTVÁN

IPARI KOMMUNIKÁCIÓS RENDSZEREK I. Alcím: Kommunikációs technológiák és ipari rendszerek Készült az MLR-RET projekt és a hazai PLC forgalmazók támogatásával Kiemelt támogató: SIEMENS Zrt. A könyv tartozéka: 1 db. SIEMENS DVD/CD

A sorozat eddig megjelent kötetei: PLC AKADÉMIA sorozat

•

PLC ÉS SCADA-HMI RENDSZEREK I.

Alcím: PLC programozás az IEC 61131-3 szabvány szerint

Megjelent: 2007. október •

PLC ÉS SCADA-HMI RENDSZEREK II. & IPARI KOMMUNIKÁCIÓS RENDSZEREK II.

Megjelent: 2008. május • PLC ÉS SCADA-HMI RENDSZEREK III. Alcím: Technológiai illesztés és ipari alkalmazás

Megjelent: 2008. október

AUT-INFO Kft. Miskolc, 2008. december

WWW.AUT-INFO.HU

Írta és szerkesztette: Dr. AJTONYI ISTVÁN a műszaki tudomány kandidátusa

Társszerzők: • • • •

Dr. Jónap Károly (ME-AKKI) -10, 11. fejezet Schubert József (ME-AKKI) -10, 11. fejezet Vranka Péter (ME-AKKI) -10, 11. fejezet Trohák Attila (PhD hallgató) - 8. fejezet

Lektorálta: Dr. ORMOS LÁSZLÓ főiskolai tanár (PhD) A kiadásért felelős: az AUT-INFO Kft. ügyvezető igazgatója Példányszám: 200 db. Szövegszerkesztés, tördelés: Jancsurák Sándorné Borítóterv: Varga Attila K. Készítette: Budai Nyomdaipari Kereskedelmi és Szolgáltató Kft. 3530 Miskolc, Meggyesalja u. 38 Telefon: 46/416-226 ISSN szám: 1789-5456 ISBN szám: 978-963-06-5813-3

ELŐSZÓ A SOROZATHOZ Az Ethernet hálózat ötletét Dr. Robert M. Metcalfe 1976-ban publikálta a National Computer Conference rendezvényen. Azóta az egész világot bejárta az 1. ábra szerinti rajz.

1. ábra: Az Ethernet első rajza A rendszer alapját a Hawai Egyetem kutatóinak korábbi fejlesztése, az ALOHA hálózat adta, amely a különböző szigetek egyetemi épületeit rádiókapcsolattal kötötte össze. Eredetileg ezt a hálózatot nevezték Ethernet-nek, mivel egy olyan hálózatról(net) volt szó, melynek átviteli közege az „éter” (ether) volt. Az Ethernet hálózat elsőként irodai hálózatként terjedt el és vált világméretűvé, miközben mára emberek milliárdjainak életét változtatta meg. Az így indult kommunikáció-technológiai forradalom nem hagyta érintetlenül az ipari informatikát sem. Sőt szinte teljes mértékben megváltoztatta az ipari tevékenységgel kapcsolatos méréstechnikai, irányítástechnikai struktúrákat. Az ipari kommunikációval szembeni követelmények természetesen sokkal keményebbek, mint az irodai hálózatok esetén. A sok gyártó miatt nagy számú megoldás került alkalmazásra, de mára a kép tisztulóban van. A gyártásautomatizálás és a folyamatirányítás terén is az ún. ipari Ethernet ill. ennek szigorúbb specifikációjú változata a valós idejű Ethernet (Real-time Ethernet-RTE) válik egyre népszerűbbé, miközben átformálja a teljes automatizálási eszköz platformot. És közben elterjedőben van a vezeték nélküli kommunikáció is. A vezeték nélküli adatátvitel főként az érzékelők szintjén van elterjedőben és vet fel számos vételbiztonsági és adatbiztonsági kérdést. Az előzőekből következik, hogy az ipari kommunikáció mára egy igen dinamikusan fejlődő új tudományterületté nőtte ki magát. Ezen új tudományterület átfogó ismereteinek összefoglalására vállalkozott az Ipari automatizálási és informatikai könyvsorozaton belül az IPARI KOMMUNIKÁCIÓS AKADÉMIA keretében megjelenő könyvsorozat. E sorozat három kötetre van tervezve. Ezek: •

Ipari kommunikációs rendszerek I. kötet Ez a kötet kommunikációtechnikai alapismereteket és néhány rendszert ismertet.

•

Ipari kommunikációs rendszerek II. kötet A PLC-s rendszerekben használatos gyári típusokat ismerteti. Megjelent: 2008. 05. 15.

3

•

Ipari kommunikációs rendszerek III. kötet, melynek alcíme: Ipari Ethernet alapú ill. vezeték nélküli kommunikáció és automatizálás. Tervezett megjelenés: 2009. II. félév.

A sorozat könyveinek anyaga kifejezetten az ipari alkalmazási igényekhez igazodik. A könyvek megjelenéséhez nagymértékben hozzájárultak a szerkesztő/szerzőnek a Miskolci Egyetem Mechatronikai és Logisztikai Regionális Tudáscentruma által nyújtott kutatási lehetőségek, valamint a támogató cégek megbízásai keretében e tárgyban végzett alap, alkalmazott ill. vállalati kutatások eredményei. Természetesen a könyvsorozat anyaga szorosan kapcsolódik a PLC AKADÉMIA sorozat keretében megjelent kötetekhez, úgymint: •

PLC és HMI-SCADA RENDSZEREK I. Alcím: PLC programozás az IEC 61131-3 szabvány szerint Megjelent: 2007. október

•

PLC és HMI-SCADA RENDSZEREK II. Alcím: Ipari kommunikáció rendszerek II. Megjelent: 2008. május 15.

•

PLC és HMI-SCADA RENDSZEREK III. Alcím: Technológiai illesztés és ipari alkalmazás Megjelent: 2008. november

A szerkesztő ezúton köszöni valamennyi társszerzőnek, támogató cégeknek a szakmai és anyagi támogatását és kéri ennek folytatását a jövőben is. Ugyanitt reményét fejezi ki, hogy a szerző, szerkesztő stáb megfelelő egészségben és kollegális légkörben teljesíteni tudja a kitűzött célt, és be fogja fejezni e gigantikus vállalkozást. Miskolc, 2008. október

Prof. Dr. Ajtonyi István egyetemi tanár

4

1. Bevezetés az I. Kötethez Tisztelt Olvasó! Ezen könyv az ELŐSZÓ-ban vázolt könyvsorozat első kötete. A könyv célkitűzése egyrészről a kommunikációs rendszerek szakszerű és hatékony alkalmazásához szükséges informatikai, kódolástechnikai, hálózat elméleti ismeretek átfogó ismertetése, másrészt néhány, már az iparban alkalmazott kommunikációs rendszer ismertetése. A 2. fejezet a kommunikációs rendszerek alapvető informatikai ismereteit adja közre az információ szerzéstől az információ továbbításáig. Bemutatja a kommunikációs rendszerekben használt kódolási eljárásokat, mint redundancia csökkentés, tömörítés, stb. A 3. fejezetben az információ hordozó jelek átviteltechnikai ismereteinek leírását találjuk. A fejezet részletesen tárgyalja az alapsávi jelátvitelnél használt vonali vagy jelkódolási módszereket, amelyek ismerete elengedhetetlenül szükséges az ipari kommunikációs rendszerek telepítéséhez, üzemeltetéséhez és karbantartásához. A 4. fejezetet a szerkesztő az ipari kommunikációs rendszerek biztonságos működése szempontjából kiemelt fontossággal bíró hibavédelmi kódolási módszerek ismertetésének szenteli. Külön csoportban tárgyalja a hibafelfedő (hibadetektáló) kódolást és kódtípusokat, valamint a hibajavító kódolást és kódtípusokat. Tekintettel a CRC kódolás jelentőségére és fontosságára, hazai vonatkozásban egyedülálló részletességgel, példákkal illusztráltan tárgyalja azt. A fejezet befejező részében néhány további hibafelfedő és javító kódot is ismertet érintőlegesen. Az 5. fejezetben a fizikai (átviteli) közegek kerülnek tárgyalásra, különös tekintettel a csavart érpár, a koaxiális kábel és az optikai kábel alkalmazási ismereteinek előtérbe helyezésével. Könnyen belátható, hogy az átviteli közegek ismerete nélkül a hálózat tervezés, kiépítés, karbantartás nem lehetséges. Az ipari kommunikációs rendszerek tulajdonképpen helyi hálózatok (LAN-ok). Ezért szükséges a hálózati topológiák, a protokollok, az átviteli közeghozzáférési technikák részletes ismertetése. Ezen tudásanyag összefoglalása található a 6. fejezetben. A 7. fejezetben a modemekkel és multiplexerekkel kapcsolatos gyakorlati ismeretek találhatóak. A 8. fejezet az USB kommunikációt ismerteti. Bemutatását azért tartjuk fontosnak, mert az USB alapú kommunikáció egyre nagyobb teret kap az ipari (főleg laboratóriumi) alkalmazásokban is. Említettük, hogy az ipari kommunikációs rendszerekkel szembeni követelmények sokkal szigorúbbak, mint a más kommunikációs rendszerekkel szembeniek. Ezért a 9. fejezet bevezetést ad a továbbiakban tárgyalandó konkrét ipari kommunikációs rendszerek ismertetéséhez. A 10. fejezetben – amely a legnagyobb terjedelmű – a DCS ipari alkalmazásokban elterjedt Foundation Fieldbus kommunikációs rendszer hazai viszonylatban egyedülállóan részletes leírása található, a rendszer leírás, alkalmazás, tervezés mellett beüzemelési, tesztelési ismeretek közreadásával. A 11. fejezetet a szerkesztő és a szerzők a HART kommunikáció ismereteinek átadására készítették. a 12. fejezetben a járműiparban legnépszerűbb CAN busz ismeretei kerültek igen részletes ismertetésre annak figyelembevételével, hogy a következő fejezetben a CAN kommunikációra épülő rendszerek is megalapozásra kerüljenek.

5

A 13. fejezet a CAN busszal rokon DeviceNet és ControlNet hálózatok ismereteit taglalja. A terepi automatizálás egyik speciális területe a létesítmény automatizálás. Ennek legelterjedtebb kommunikációs rendszere az EIB, melynek összefoglaló ismereteit a 14. fejezetben találjuk. Ezúton köszönöm Dr. Jónap Károly, Dr. Vranka Péter, Subert József (mindhárman MEAKKI) szerzői segítségét, akik a 10. ill. 11. fejezet megírásában közreműködtek és számos kutatási eredmény megjelenítésével nagymértékben hozzájárultak a könyv gyakorlati alkalmazhatóságának javításához. Külön köszönet illeti Dr. Ormos Lászlót a lektori tevékenység végzéséért és igen alapos, sok hibát felfedő munkájáért. Hasonlóképpen köszönöm Dr. Fegyverneki Sándornak a 2. és 4. fejezet készítéséhez adott tanácsait. Ugyanitt köszönöm Trohák Attila PhD hallgatónak a könyv megírása során nyújtott segítségét és a kapcsolódó gyakorlat orientált részletek elkészítését. Végül, de nem utolsó sorban őszintén köszönöm Jancsurák Sándorné fáradságot nem kímélő munkáját a szöveg szerkesztése és az ábrák megrajzolása terén. Ugyanitt köszönöm a könyv megjelenését alapítványi támogatással elősegítő cégek hozzájárulását. A könyvvel kapcsolatos érdemi észrevételéket és visszajelzéseket az [email protected] vagy az [email protected] e-mail címre kérem. Miskolc, 2008. október Dr. Ajtonyi István egyetemi tanár (ME)

6

2. BEVEZETÉS AZ INFORMÁCIÓ- ÉS KÓDOLÁSELMÉLETBE Az ipari informatikai és kommunikációs rendszerek megismeréséhez elengedhetetlenül szükséges az információ- és kódoláselmélet legfontosabb összefüggéseinek megismerése. Ebben a fejezet-ben ezen ismereteket foglaltuk össze. A közölt ismeretanyag Dr. habil Tóth Mihály INFORMÁCIÓ- ÉS KÓDOLÁSELMÉLET c. jegyzet anyagának részbeni felhasználásával készült a szerző hozzájárulásával. Az információ-elméletet a legtágabb értelemben vett hírközlés általános elméletének részeként dolgozták ki. Az elmélet kidolgozása több kutató nevéhez fűződik. Az általános elmélet kidolgozójának Norbert Wienert szokták tekinteni, de az elmélet alapjai Ludvig Eduard Boltzmann fizikus munkájáig (1894) és Szilárd Leó 1925-ben közzétett, a fizikai információ észlelésével kapcsolatos elméleti munkájáig vezethetők vissza. Mindezen előzmények után mindazt, amit ma információelméletnek nevezünk, Claude Eiwood Shannon-nak egy 1948-ban a Bell Laboratórium (ma: Lucent Technologies) közleményében megjelent munkája indította el. Shannon a második világháború alatt a Bell Laboratóriumban üzenetek kódolásának, titkosításának és megfejtésének a módszereivel foglalkozott és itt írta meg “A kommunikáció hírközlés matematikai elmélete” c. fent említett cikkét. Wiener korábbi javaslata alapján dolgozta ki Shannon a diszkrét információ ún. entrópikus elméletét és vezette be ezzel közvetlen összefüggésben a (zajos) csatornán való információátvitelre vonatkozó tételeit, valamint a kódolás-elmélet alapvető felismeréseit. Az információelméleti entrópiát máig is Shannon-Wiener féle entrópia-fogalomnak nevezik. Shannon, nagy elődeitől némileg eltérően mérnöki szemlélettel közelítette az információelmélet alapproblémáit. A legáltalánosabb értelemben vett információközlés (vagy kommunikáció) nemcsak az embertől emberig valamilyen módon eljuttatott információra, hanem eszköz és ember (pl. egy műszer által az emberrel közölt információ), vagy eszköz és eszköz közötti információközlésre is kiterjed. 2.1. Információelmélet A következőkben az információelmélet alapjait ismertetjük. 2.1.1. Az információ fogalma Hétköznapi értelemben az információhoz mindig valamilyen jelentéstartalmat rendelünk hozzá, azaz az információ tartalma szubjektív. A hírközlő rendszer számára az információ megjelenési formája a fontos, a tartalma, jelentése viszont nem. Az információ keletkezési helyét az információ forrásának, azaz információforrásnak nevezzük. Ha természetes forrásról van szó, akkor annak a vizsgálatára valamilyen matematikai modellt alkotunk. Többféle modell ismeretes. A továbbiakban az egyik legegyszerűbb modellt, az ún. diszkrét valószínűségi modellt alkalmazzuk. Az információ mennyiségi mértékének meghatározásakor a forrás egyes kimeneteleit egymástól független eseményeknek tekintjük, azaz a forrás emlékezet nélküli, így a jeleket egymástól függetlenül bocsátja ki, (de ez egy erős leegyszerűsítés). A (diszkrét) információ mennyiségi mértékének a meghatározásakor a forrás egyes eseményeit egymástól független eseményeknek tekintjük. Erre azért van szükség, mert az egyes eseményekhez véges valószínűségeket rendelünk hozzá és az egymást követő (független!) eseményekre alkalmazzuk majd a valószínűségek szorzási szabályát (Bayes tétele), amely csakis független eseményekre igaz.

7

2.1.2. A folytonos és a diszkrét információ Valamilyen fizikai folyamatról, jelenségről, állapotról méréssel szerzett információ alapvetően kétféle lehet: folytonos (analóg), vagy számjegyes (digitális). A folytonos jel mind időben, mind nagyságának eloszlásában (amplitúdójában) folytonos, azaz egy meghatározott tartományban bármilyen értéket felvehet. A gyakorlatban az időbeli folytonossággal kapcsolatban korlátozást jelent, hogy a jel változási (vagy észlelési) sebessége mindig korlátozott. Az ilyen korlátozott frekvenciatartományú jelek az általuk hordozott információ teljes megőrzésével időben diszkrét jelekké alakíthatóak. Shannon erre vonatkozóan állította fel az ún. mintavételi törvényét, amelynek egyik lényeges megállapítása az, hogy ha egy folytonos jel frekvenciaspektruma felülről határos, azaz egy fmax frekvenciánál magasabb frekvenciájú komponenseket már nem tartalmaz, akkor egy fs ≥ 2 fmax frekvenciájú időben diszkrét mintasorozatból az eredeti, folytonos jel maradéktalanul visszaállítható, tehát a mintasorozat tartalmaz minden információt, ami a mintavételezés előtti jelben megvolt. A mondott időbeli átalakítás után a jelek amplitúdó eloszlása még mindig folytonos, de a gyakorlatban mindig véges érzékelési pontosság miatt az ún. kvantálási eljárással az amplitúdó eloszlás is diszkrétté tehető. A korszerű A/D átalakítók (ADC-k) mind a mintavételezési, mind a kvantálási feladatot ellátják. 2.1.3. A diszkrét információ, mint választási lehetőség Egy 3 dekádos kijelzésű műszeren megjelenő számjegyes információ 000…999 értéket mutathat. A műszer az információforrás, amelynek szimbólumkészlete a 000…999-ig terjedő számok. Ez a szimbólumkészlet véges számú elemet tartalmazó halmaz. Egészen biztosan vannak benne elemek, tehát nem üres halmaz, azaz a forrás szimbólumkészlete véges, nem üres halmaz, és egy szimbólum közlése felfogható úgy is, hogy ebből a halmazból kiválasztunk egy elemet, s azt továbbítjuk, mint információt. Az ilyen véges szimbólumkészlettel rendelkező információforrást véges diszkrét forrásnak nevezik. Vizsgáljuk meg a lottósorsolás esetét. Milyen szimbólumkészletből választják ki az ötös lottó első nyerőszámát és hány elemű ez a szimbólumkészlet? Válasz: az 1-től 90-ig terjedő természetes számok készletéből, tehát a szimbólumkészlet 90 elemből áll. 2.1.4. A szimbólumkészlethez rendelt valószínűségi modell Adjon hírt egy véges, diszkrét E eseményrendszer, azaz

E1; E2; E3; … … Ek;… … En; eseményeinek bekövetkeztéről egy n elemű véges szimbólumkészlet x1; x2; x3; … … xk;… … xn; amelynek minden egyes xk eleméhez meghatározható egy-egy pk előfordulási valószínűség: p1; p2; p3; … … pk;… … pn; úgy, hogy ezek egyike sem nulla, azaz pk > 0 minden egyes pk-ra, azaz nem lehet zérusvalószínűségű esemény és n

∑p k =1

8

k

= 1,

(2-1)

ami azt jelenti, hogy egészen biztos, hogy amikor egy szimbólumot választani kell, akkor azt az adott szimbólumkészlet elemei közül választjuk ki. A pk = 1 valószínűségű esemény elvileg megengedett, de akkor - a fenti szumma miatt - e biztos eseményen kívül nem is fordulhat elő más esemény a rendszerben.

2.1.5. Az információ mennyiség mértéke Említettük, hogy diszkrét forrás esetén egy-egy szimbólum által hordozott információ mennyisége valamilyen módon függ az adott szimbólum kiválasztásának valószínűségétől a (2-2) szerint. I k = f (p k ) ,

(2-2)

ahol Ik a k-dik szimbólum által hordozott egyedi információ mértéke. Úgy is fogalmazhatjuk, hogy ez a k-dik (Ek) esemény bekövetkezéséről szóló hír információtartalma. Spekulatív úton arra következtethetünk, hogy minél meglepőbb egy esemény, annál értékesebb az arról szóló hír. Ezt úgy is megfogalmazhatjuk, hogy minél kisebb egy esemény bekövetkezési valószínűsége, annál nagyobb az arról szóló hír információtartalma, - vagy más néven - hírértéke. Vagyis az információtartalomnak nagyobbnak kell lennie, ha az esemény valószínűsége kisebb, és kisebb kell legyen az esemény hírértéke, ha a bekövetkezésének nagy a valószínűsége. Vesd össze: nem az a hír, ha a postást megharapja a kutya, hanem amikor a postás harapja meg a kutyát. Egy hír információtartalma tehát annak az eseménynek a bekövetkezési valószínűsége reciprokától függ, amely eseményről az adott hír tudósít. Diszkrét forrás esetén egy pk valószínűségű forrásszimbólum kiválasztásának egyedi információtartalma:

I k = −log ap k .

(2-3)

Megjegyzések • •

• •

A negatív előjel azért szükséges, mert a valószínűségek a reciprok képzés miatt 1-nél kisebb számok, amelyek logaritmusa negatív szám. Éppen az összefüggésben szereplő mínuszjel miatt lesz az egyedi információ értéke mindig pozitív. A logaritmusfüggvény folytonos és monoton függvénye az argumentumának. Így az információ mennyisége is folytonos függvénye az esemény valószínűségének. Minél kisebb az esemény valószínűsége, annál nagyobb a hozzárendelhető információ mértéke. Nullavalószínűségű esemény – többek között – azért sem fordulhat elő a diszkrét forráshoz rendelt valószínűségi tartományban, mert a zérus logaritmusa nem értelmezhető. Mivel a biztos esemény valószínűsége 1, és 1 akármilyen alapú logaritmusa 0, ezért a biztos esemény információtartalma nulla. Ez egybevág azzal a korábbi megfontolásunkkal, hogy egy esemény hírértéke annál kisebb, minél biztosabb annak a bekövetkezése, és fordítva.

Mint a következőkben látni fogjuk, nagyon kézenfekvő választás, hogy egységnyinek tekintjük azt a hírt, amely két, egyenlően valószínű esemény közötti választásról (alternatíváról) értesít bennünket.

9

2.1.6. Az információ mennyiségi mérőszáma és egységei Az információ mennyiségi egységének számértéke attól függ, hogy milyen alapú logaritmussal számolunk. • 10-es alapú esetén: - log10 pk, az egység: hartley (2-4) • 2-es alapú esetén: - log2 pk, az egység: bit (2-5) • a természetes logaritmus alapú (e) esetén: - 1n pk, az egység: nat (2-6) Mivel ugyanannak a számnak a különböző alapú logaritmusai csak egy-egy szorzófaktorban különböznek, azért a fenti egységek között az alábbi váltószámok érvényesek:

(Tehát 1 bit = 0,301 Hartley és így tovább.) Gyakorlatilag az esetek túlnyomó többségében a bit egységet használjuk, amelynek nagyon kézenfekvő jelentése az alábbi:

1 bit információt hordoz egy elemi döntés (fej vagy írás, alternatíva), azaz két, 50-50%-os valószínűségű esemény bekövetkezéséről szóló hír. Ha egy bináris pozícióban (vagy helyi értéken) két szimbólumnak (0 vagy 1; H vagy L; stb.) azonos az előfordulási valószínűsége, akkor az a hír, hogy a két lehetőség közül végül is melyik következett be; az a hír éppen 1 bit információt hordoz. Tehát a bit, mint bináris számjegy információtartalma éppen 1 bit. Megjegyezzük, hogy ha egy logikai áramkörnek ún. three state, azaz háromállapotú kimenete van, akkor is 1 bit az információtartalma annak a hírnek, hogy a két meghatározott (magas vagy alacsony) logikai szint közül melyik következett be. A harmadik („lebegő”) logikai állapot ilyenkor azt jelenti, hogy nem történt logikai információt hordozó esemény. Ezért lehetséges az ilyen áramköröket a kétállapotú Boole algebrai modellekkel kezelni. Más a helyzet akkor, ha egy kétkarú mérleggel összehasonlító mérést végzünk. Ennek a mérésnek ugyanis háromféle eredménye lehet:

• • •

vagy a baloldali serpenyőbe helyezett tömeg a nehezebb, vagy a jobboldali serpenyőbe helyezett tömeg a nehezebb, vagy egyforma a két tömeg.

Ha egy adott esetben mindhárom mérési eredmény azonos valószínűséggel fordulhat elő, akkor egy ilyen mérés eredményéről szóló hír információtartalma:

I = log2 3 = 1,585 bit. Ugyanez vonatkozik a digitális komparátor kimenetén megjelenő adatokra is (< , = , >).

2.1.7. Az információelméleti entrópia A hírközlési feladat esetén a hírek szekvenciális közlése tömegjelenség, azaz nagyon nagy sorozatokról beszélhetünk, így jól alkalmazhatóak a valószínűségszámítás határértékhez kötődő fogalmai. Ha p1, p2,…,pn a forráshoz kötődő eloszlás és az egyedi információmennyiségek - log2p1,…, - log2pn, akkor a

10

n

H(X ) = ∑ − p i log 2p i

(2-7)

i =1

mennyiség éppen az egyedi információmennyiség várható értéke (az átlag határértéke - nagy számok törvénye). Ezt a mennyiséget információelméleti entrópiának nevezik. Az adott esetben ez a jelforráshoz tartozó ún. forrás-entrópia. Mivel definíciója szerint az információelméleti entrópia adott szimbólumkészlet egyes elemeinek átlagos információmennyiségét jelenti, ezért egysége a bit/szimbólum, bit/jel, bit/betű, stb., aszerint, hogy szimbólumkészletre, jelkészletre, vagy a forrás ábécéjére vonatkoztatjuk. Természetesen ha a bit egység helyett nat-ot, vagy hartley-t használunk, akkor az entrópiát is eszerint kell megadni. Az egyes eseményekhez tartozó valószínűségek diszkrét eseményrendszer (következésképp diszkrét valószínűségi modell) esetén is bármilyen értéket felvehetnek 0 és 1 között. A valószínűségek tehát diszkrét modell esetén is folytonosan változhatnak ebben a tartományban. Ebből következik, hogy az entrópia a valószínűségek folytonos függvénye. Foglaljuk össze a fentiek alapján az entrópia függvény tulajdonságait.

a, Folytonosság A H( p1 ; p2 ; …; pn ) függvény folytonos minden pk változójában. A folytonosság más szóval azt jelenti, hogy ha bármelyik valószínűség csak egy egészen kicsit változik, akkor az entrópia is csak egészen kicsivel változik meg. Ezt szemlélteti a 2.1. ábra, amelyen a bináris forrás (0,1) entrópiáját rajzoltuk meg.

2.1. ábra: Bináris forrás entrópia függvénye

b, Szimmetria Az entrópia függvény minden pk változójában szimmetrikus. Ez más szóval azt jelenti, hogy a valószínűségek felcserélhetőek anélkül, hogy az entrópia megváltozna. (Pl. az i-edik és a j-edik eseményekhez tartozó valószínűségek felcserélhetőek anélkül, hogy az entrópia megváltozna). Az entrópia kiszámításakor nem magukkal az eseményekkel, hanem csak a valószínűségekkel számolunk, s ezek sorrendje is közömbös.

11

c, Szélsőérték (maximum) tulajdonság Az entrópia függvénynek akkor van maximuma, amikor a diszkrét modell valószínűségei mind egyenlők egymással, azaz valamennyi pk = 1/n. Minél inkább egyformán valószínűek egy eseményrendszer egyes eseményei, annál kevésbé „tippelhetjük meg” egy esemény kimenetelét, annál nagyobb az esemény bekövetkezésének a bizonytalansága és annál nagyobb az eseményrendszer entrópiája. Lásd a 2.1. ábrán az entrópia értéke akkor a legnagyobb (H = 1), amikor a bekövetkezési valószínűség p = 0,5. Ilyen értelemben mondhatjuk azt, hogy az információelméleti entrópia a bizonytalanság mértéke. Furcsa, de úgy is mondhatjuk, hogy az entrópia azt mutatja meg, hogy mennyire nem tudjuk, hogy mi a kérdéses esemény kimenetele, s annak a bekövetkezéséről szóló hír éppen ezt a „nem tudást” szünteti meg, vagyis éppen annyi információt közöl, amennyi ennek a „nem tudásnak” a mértéke.

d, Additivitás Az eseményhalmaz egyes eseményeinek csoportosításával a bizonytalanság nem változik. Az entrópia függvény felsorolt négy tulajdonságát apriori axiómáknak is lehet tekinteni, amelyekből levezethető, hogy milyen analitikus függvény-formula elégíti ki ezeket az axiómákat. Az információelmélet éppen azért fejlődhetett, mert olyan egyszerű alapfogalomra épül, mint Shannon és Wiener formulája: n

H (X ) = ∑ - pk log 2p k ,

(2-8)

k =1

ahol - mint láttuk - az összegezést a véges, diszkrét forrás szimbólumkészletének (X) valamennyi (azaz összesen n) elemének valószínűségeire el kell végezni és a kapott számérték a logaritmus alapszámának megválasztásától függ. Itt a képletben 2-es alapú logaritmust adtunk meg (log2), amit a továbbiakban, az egyszerűbb írásmód kedvéért ld-vel jelölünk majd.

2.1.8. A jelforrás hatásfoka, a redundancia az illesztő kódolás Egy jelforrás különböző mennyiségű információt ad, amikor jelkészlete különböző szimbólumait bocsátja ki: a kis gyakoriságú betűk esetén az átlagosnál nagyobb információt, de ritkán, a nagy valószínűségű jeleknél az átlagosnál jóval kisebb információt, de gyakran. Mindent összevetve az előbbiekben láttuk, hogy a betűnkénti átlagos információmennyiség akkor lenne a legnagyobb, ha a jelforrás szimbólumkészlete minden szimbólumának ugyanakkora lenne a kibocsátási valószínűsége. Tehát n darab szimbólum esetén ez az érték:

Hmax = ld n.

(2-9)

Ez lenne a jelforrás által optimális esetben kiadható jelenkénti maximális információmennyiség. A gyakorlatban azonban rendszerint nem ez az optimum határozza meg a forrás-ábécé eloszlását, hanem más szempontok, amelyek következtében a szimbólumok relatív gyakoriságai különbözőek és ezért az egy szimbólumra vonatkoztatott átlagos információmennyiség [H(X)] is kisebb vagy egyenlő, mint a fenti optimum:

H(X) ≤ Hmax.

(2-10)

A forrás hatásfokát ily módon az

e=

12

H H max

(2-11)

hányados határozza meg, amit szokás százalékban is megadni. Megjegyezzük, hogy ez a hatásfok fogalom csak az emlékezetnélküli, azaz az egymás utáni jeleket függetlenül kibocsátó forrásra igaz. Igen fontos fogalom az, hogy relatíve mennyi az az információmennyiség, amit az adott forrás „nem használ ki”. Másképpen megfogalmazva: igaz ugyan, hogy adott esetben a forrás entrópia maximuma Hmax bit/szimbólum lehetne, de ehelyett átlagosan csak H < Hmax bit/szimbólum információt szállít a forrás. A ki nem használt információtöbbletet redundanciának (R) nevezzük: R = H max - H (2-12) Ha ezt a „ki nem használt többletet” vonatkoztatjuk a maximális entrópiára, megkapjuk az ún. relatív redundanciát: H -H H R rel = max = 1H max H max (2-13) A redundancia objektív, számértékkel jellemezhető mérték, amit gyakran %-ban adnak meg. A redundancia azt az „információtöbbletet” jelenti, amit a forrás nem használ ki.

.

Példaként említjük, hogy amennyiben egy bináris 4 bites információforrás a maximális 16 szimbólumot előállítja (0…F), akkor a redundancia R = 0. Amennyiben ez az információforrás csak az NBCD kódú szimbólumokat (0…9) állítja elő, akkor a redundancia R = H max - H = ld16 - ld10 = 4 - ld10 (Lásd 2.2.4.1). 2.2. Kódolás Kódolásról akkor beszélünk, amikor az információt egyik megjelenési formájából céltudatosan egy másik megjelenési formájába visszük át információtartalmának változatlanul hagyásával. Megjegyezzük, hogy bizonyos esetekben az információvesztés megengedhető (pl. veszteséges képtömörítés). A kódolás célját illetően többféle funkciójú kódolást alkalmaznak.

A kódolás fő típusai

Forráskódolás (pl. Gray kód)

Vonali kódolás (pl. Manchester kód)

Hibavédelmi kódolás

Titkosítás (kriptográfia) (pl. RSA algoritmus)

Illesztő kódolás (pl. tömörítés)

Hibafelfedő kódolás (pl. paritásellenőrzés, CRC)

Hibajavító kódolás (pl. Hamming kód)

Az egyes kódolási eljárások alkalmazásának célja • •

Forráskódolás: az információforrás jelkészletének előállítása. Illesztő kódolás: a forráskód redundanciájának csökkentése.

13

• •

Hibavédemi kódolás: az adatátvitel során főként a csatornán fellépő zajok okozta adat hibákat eredményező átviteli hibák feltárása, ill. javítása. Titkosítás: az átvitt információ jogtalan hozzáférésének megakadályozása.

A kommunikációs rendszerekben valamennyi fenti kódolást alkalmazzák, ezért ezekre visszatérünk. A továbbiakban a forráskódolással foglalkozunk. 2.2.1. Forráskódolás Az információforrás jelkészletének, ill. az abból egy egyértelmű leképezéssel előállítható forráskódnak akkora a redundanciája, amekkorát a forrás statisztikai szerkezete meghatároz. Ha a gazdaságos információtovábbítás kedvéért ennél kevésbé redundáns, sőt a lehető legkisebb redundanciával rendelkező ún. csatornakódot szeretnénk előállítani az információt továbbító csatorna számára, akkor ezt egy ún. illesztő kódolóval lehet megoldani. Az itt elmondottakat szemlélteti a következő blokkvázlat (2.2. ábra).

2.2. ábra: Forráskód és csatornakód értelmezése Itt úgy ábrázoltuk az információforrást, mint ami közvetlenül kódolt információt (forráskódot) bocsát ki. Feltételeztük ugyanis, hogy forrásszimbólumhoz a forráskód hozzárendelése már az információforráson belül megtörténik. Shannon is és mások is kidolgoztak eljárásokat arra, hogy hogyan lehet ismert statisztikai szerkezetű forráskódhoz olyan csatornakódot szerkeszteni, amelynek minimális (vagy, ha elérhető, akkor éppenséggel nulla) a redundanciája. Ezt az eljárást illesztő kódolásnak nevezik. 2.2.2. A forráskód és a csatornakód A redundancia fogalmának bevezetésekor láttuk, hogy a redundanciát nem szabad károsnak tekinteni, mert segít a zajos környezet miatt elveszett információ visszaállításában. Gyakorlati szempontból az volt Shannon elméletének egyik legfontosabb következménye, hogy megmutatta, hogy a csatornazaj hatásainak „kivédése” céljából nem célszerű arra a redundanciára támaszkodnunk, amellyel többé-kevésbé minden információforrás rendelkezik. Ugyanis az a gazdaságos, ha éppen olyan fajta redundanciát választunk, amelyik az adott csatorna zajhatásainak a semlegesítésére a leginkább alkalmas. A forrásinformációhoz „hozzákevert” redundáns információ megválasztásában tehát a közvetítő csatornának meghatározó szerepe kell, hogy legyen, s egyáltalán nem biztos, hogy egy véletlenszerűen kiválasztott forrás redundanciája éppen ilyen lesz. Ezért Shannon azt javasolta, hogy először egy ún. illesztő-kódolóval, el kell távolítani a forrás redundanciáját vagy, ha ez nem lehetséges, akkor az elérhető legkisebbre kell azt csökkenteni, majd egy ún. csatornakódolóval az adott csatorna tulajdonságainak megfelelően tervezett olyan célszerű redundanciát létrehozni, amely kezelni tudja az adott csatorna zaj-problémáit. Ezt a 2.3. ábra szemlélteti, amelyen a hírközlési modellnek csak a forrás-oldali részét rajzoltuk le, meg a csatornát, amit természetesen nem valami elkülöníthető zajforrás táplál.

2.3. ábra: Forráskód és csatornakód értelmezése

14

2.2.3. Csatornakapacitás A csatornán műszaki értelemben az információ átvitelére használt fizikai közeget (pl. vezeték, üvegszál, stb.) értjük. A csatornakapacitás az a maximális információmennyiség, amit a csatorna továbbítani képes. A csatornakapacitás zajmentes csatorna esetén: C = max[H(X)],

(2-14)

ahol H(X) a redundancia mentes adó-oldali információt jelenti. A fenti összefüggésből látható, hogy Shannon a csatornakapacitás fogalmát elvonatkoztatta a csatorna fizikai adottságaitól. Zajos csatorna esetén a fenti érték csökken. Ha egy pillanatra eltekintünk attól, hogy a csatornakódolóval újabb, célszerű redundanciát akarunk hozzáadni a forrás-információhoz, akkor a modellünk a következő lesz (2.4. ábra).

2.4. ábra: Redundanciamentes átvitel Fontos, hogy nem azért rajzoltuk be a „csatorna” elnevezésű blokkot, mert annak fizikai lényegét akartuk ezzel szemléltetni, hanem azért, hogy valamilyen módon jelezni tudjuk, miszerint oka van annak, hogy a vevő nem feltétlenül azt az információt észleli, amit az adó kibocsátott. Ezt a modellt annak szemléltetésére rajzoltuk meg, hogy a csatornakapacitás definíciójakor tulajdonképpen a redundanciamentes forrásentrópia és a vevőhöz megérkező információ H(X|Y) viszonyáról van szó, tehát a C = max[H(X) – H(X|Y)].

(2-15)

2.2.4. Forráskód típusok Az információt előállító forrás egy esemény bekövetkeztéről egy szimbólum kibocsátásával ad hírt. Gyakran eleve valamilyen kódolt formában történik ennek az információnak a kibocsátása (2.5. ábra).

2.5. ábra: Az információforrás és a forráskódoló kapcsolata A forráskódot az információforrás jellegének, természetének, vagy az adott alkalmazásnak leginkább megfelelően szokták megválasztani. 2.2.4.1. Numerikus források kimeneti kódjai A digitális (és legtöbbször bináris) mérés és jelfeldolgozás esetén a műszerek kimenő jelei tulajdonképpen decimális karakterek, de binárisan vannak kódolva. A decimális számjegyek bináris kódolásához négy bit több mint elegendő, de három bit kevés lenne. A négybites bináris kombinációkból összesen 16 féle létezik. Az ún. binárisan kódolt decimális (BCD) rendszerek ebből a 16 féle kombinációból választanak ki tizet és rendelik hozzá a decimális számjegyeket. A redundáns kód miatt többféle hozzárendelés is lehetséges. Ezek közül mutatunk be néhányat a következő táblázatban. 15

index

bináris kombináció

Súlyozott kódok (a hozzárendelt decimális számjegyek) NBCD 2,4,2,1 8,4,(-2),(-1)) 0 0 0 1 1 2 2 3 3 -

0 1 2 3

0000 0001 0010 0011

4 5 6 7

0100 0101 0110 0111

4 5 6 7

4 -

8 9 10 11

1000 1001 1010 1011

8 9 -

5

12 13 14 15

1100 1101 1110 1111

-

6 7 8 9

nem súlyozott kód

3 többletes 0

4 1 3 2 2 3 1 4 Az önkomplementálás tükröző vonala 8 5 7 6 6 7 5 8

9

9 -

Ezeket közös néven binárisan kódolt decimális kódrendszereknek, röviden BCD kódoknak nevezzük. A táblázatnak a decimális hozzárendeléseket tartalmazó (utolsó négy) oszlopa közül az első háromban un. súlyozott BCD kódok vannak, amelyeknél a négybites kódszó (=tetrád) mindegyik bináris helyéhez valamilyen helyiérték van hozzárendelve. Az első az un. NBCD (=Normál/Natural BCD) kód, amelynél ezek a helyiértékek rendre 8,4,2 és 1 súlyozásúak, ahogyan a bináris számoknál is előfordulnak. A második oszlopban az ún. Aiken kód egy változata van feltüntetve, amelynél a helyiértékekhez rendelt súlyok rendre 2,4, ismét 2 és végül 1. Az ismétlődő 2-es súlyok miatt a decimális jegyek hozzárendelésének többféle variációja is lehetséges. Az itt megadott hozzárendelést úgy konstruálták meg, hogy ha egy decimális jegyhez tartozó tetrádban a jegyeket komplementáljuk (az 1-esek helyett 0-kat írunk és fordítva) akkor éppen a decimális szám 9-es komplemenséhez tartozó kódot kapjuk meg. Az ilyen tulajdonságú kódot önkomplementáló BCD kódnak nevezik és elsősorban a korai számítógépekbe épített decimális aritmetikáknál volt jelentőségük. A hozzárendelések harmadik oszlopában egy érdekes súlyozott kód van, amelynek a két utolsó helyiértékéhez negatív súlyok tartoznak. Ez is önkomplementáló kód és ennek is többféle hozzárendelése lehetséges az adott súlyozás mellett is. Az utolsó oszlopban egy nem súlyozott BCD kódot, az ún. 3 többletes (three excess) kódot tüntettük fel. Ez is önkomplementáló kód. Mind a négy megadott BCD kód redundáns, mert a 16 lehetséges tetrád közül csak tizet használ a kódszókészletben. A „maradék” hat kombinációt vagy nem értelmezik az adott alkalmazásban, vagy más - pl. előjel - információkat, hibajelzést stb. rendelnek hozzájuk. A BCD kódok közül meg kell még említeni egy gyakran használt ötbites kódot is, az ún. kettő az ötből kódot. Az ötbites bináris kódszavak közül a kombinatorika szabályai szerint öt alatt a kettő (=10) olyan kombináció választható ki, amelyben 2-2 db 1-es fordul elő. Ehhez a 10 kombinációhoz tetszőleges sorrendben hozzárendelhető a 10 decimális számjegy és ez is egy BCD kód lesz. Megjegyezzük, hogy a mérés- és irányítástechnikában gyakran használatos A/D konverterek rendszerint bináris vagy NBCD forráskódban szolgáltatják az eredményt.

16

2.2.4.2. Pozíció-kódolás Lineáris elmozdulások, vagy szögpozíció érzékelése és kódolása gyakran előforduló feladat. Ennek egyik módja egy sötét és átlátszó csíkokkal ellátott sáv átvilágítása és az áthaladó, vagy nem áthaladó fény érzékelése. Az elmozdulási irány egyidejű inkrementális érzékelése mellett oda- vagy visszafelé számlálni kell az érzékelőből nyert impulzusokat, s így (valamilyen kezdeti, referencia-pozícióra vonatkoztatva) meghatározható az aktuális szög- vagy elmozdulás-pozíció. Ez a fajta megoldás nem is tartozik a kódolás körébe. Más a helyzet, ha a mindenkori pozíciót abszolút értékben (azaz nem számlálással) kell meghatározni. Vizsgáljuk meg pl. azt, amikor egyetlen decimális jegyet pl. NBCD kóddal ellátott ilyen átvilágításos módszerrel kell érzékelni. (Az elv ugyanaz, akár lineáris elmozdulás, akár szögpozíció érzékeléséről van szó.) Az egyetlen decimális számjegyhez tartozó pozícióérzékelő transzparens csík egy része sávonként egy-egy fényérzékelővel és a 2.5. ábrán fel nem tüntetett leolvasó-fénysávval.

2.5. ábra: NBCD kódolású kódléc leolvasása Jól látható, hogy az egyszerű NBCD kód alkalmazásakor egy decimális jegyhez tartozó sávon több olyan szomszédos leolvasási pozíció is található, amelyek közötti átmenetkor több fényérzékelőnek kell(ene) pontosan egyszerre jelet váltania. Ilyen a példaként berajzolt „a” és „b” pozíció is, ahol ezen az egyetlen BCD sávon négy érzékelőnek kellene egyszerre jelet váltania, ami gyakorlatilag több okból sem kivitelezhető. Ezért pozíció-érzékelésnél szívesen alkalmaznak olyan kódokat, amelyek két szomszédos pozíción csak egyetlen bitben különböznek. (Ezek a kódok nem csak BCD kódok lehetnek.) Ilyenek az ún. Gray kódok. Példaként megadunk egy egyátmenetű kóddal szerkesztett BCD kódsávot a 2.6. ábrán.

2.6. ábra: Egyátmenetű kódolású kódléc leolvasása A páros dekádok a páratlanok tükörképei azért, hogy a következő (szomszédos) tizedesjegy úgy változhasson a dekádváltáskor, hogy az egész leolvasóvonal mentén csak egyetlen érzékelő jelváltása következzék be. Ugyanilyen tulajdonságú egyátmenetű kód többféle fekete-fehér mezőkiosztással is szerkeszthető. 2.2.4.3. Karakter kódok Számos információforrás (pl. billentyűzet) ún. karakter kódot állít elő. Ilyen kód pl. az ASCII kód.

17

2.2.4.4. Analóg jelek forráskódolása Az analóg jelek forráskódolásához a jelet digitalizálni szükséges. A jel digitalizálását analóg/digitális átalakítóval (ADC) végzik. Az ADC-k a jel digitalizálása során mintavételezési és kvantálási műveletet végeznek. Az ADC-k legfontosabb műszaki paraméterei: mintavételezési frekvencia, felbontás, konvertálási idő. a, Mintavételezés Mintavételezés során az analóg jelből időben és amplitudóban diszkrét jelsorozatot kapunk. Mintavételezésnél beszélhetünk ideális és valóságos mintavételezésről. Az ideális mintavételezést szemlélteti a 2.7. ábra.

2.7. ábra: Folytonos jel és mintavételezés utáni mintái Matematikailag a mintavételezést leírhatjuk Dirac deltával való szorzással: ∞

∞

n = −∞

n = −∞

∑ f (nT) = ∑ f (t )δ(t − nT)

(2-16)

A minták sorozata Dirac delta sorozattal való szorzással állítható elő, ahol

• • • •

f(t) = az analóg jel időfüggvénye, t = mintavételezési periódus idő, n = a mintavételek száma, δ = Dirac delta.

A mintavételezési frekvencia meghatározása a folytonos jel visszaállítása szempontjából fontos. A Shannon féle mintavételezési tétel szerint, amennyiben a jel nem tartalmaz Bnél magasabb frekvenciájú összetevőket, akkor a jel visszaállítható legalább 2B frekvenciával történő mintavételezés révén. A visszaállítás feltétele a B sávra alkalmazott aluláteresztő szűrő. Valóságos mintavételezés esetén a Dirac mintavétel helyett a mintákkal arányos amplitudójú impulzusokat állítunk elő. b, Kvantálás, kódolás Az analóg/digitális átalakítás másik művelete az amplitúdó diszkrét értékekre kerekítése, a kvantálás. Amennyiben a dinamikatartományt egyenletes lépésközökkel osztjuk fel, lineáris kvantálásról beszélünk. Gyakori a nemlineáris kvantálás is. Az unipoláris jel kvantálási műveletét szemlélteti a 2.8. ábra ideális esetben 3 bites (8 értékű) kvantálás esetén.

18

2.8. ábra: Az unipoláris jel kvantálási művelete

Kvantálás után a kvantálási szintek jelölésével kódoljuk a mintákat. Bipoláris analóg jel kvantálását a 2.9. ábra illusztrálja.

2.9. ábra: Bipoláris jel kvantálása Az A/D konverterekben lejátszódó mintavételezés és kvantálás műveletét jól szemlélteti a 2.10. ábra.

2.10. ábra: Diszkretizálás időben és amplitudóban 19

A mintavételezés információvesztést jelent, mivel az y(t) és yd(t) jelek közötti kapcsolat nem kölcsönösen egyértelmű. Az információvesztés mértéke a mintavételezési frekvencia növelésével csökkenthető. Az ipari mérés- és irányítástechnikában többnyire 8…12 bites ADC-ket használnak. A kvantálásra példaként vizsgáljuk meg a 8 ill. 10 bites felbontású ADC esetén fellépő értékeket 0…+ 10 V közötti jel konvertálása kapcsán. ADC 8 bites 10 bites

Végérték 28 = 256 210 = 1024

Felbontás 10V/256 = 39,1 mV 10V/1024 = 9,76 mV

A kvantált amplitúdókat többnyire binárisan kódolják, de más kódolás is használatos (pl. NBCD). Az ipari gyakorlatban előforduló analóg jelekből ADC-vel előállított digitális információ, mint forráskód többnyire minimális redundanciát tartalmaz, ezért tömörítést nem alkalmaznak. Más a helyzet azonban ugyanezen jelek „történeti archiválásánál”, ahol egy mérési eredménysorozat nagyszámú információt hordoz, így igen nagy tárkapacitást igényelne, ezért ún. trendképzésen alapuló adattömörítést alkalmaznak például a SCADA rendszerekben. Pldaként említjük, hogy a telefon minőségű PCM kódolásnál 8 bites, nem lineáris kvantálást és 8 KHz-es mintavételezést, míg a CD minőségű zenét 16 bites ADC-vel végzik 44,1 KHz-es mintavételezési frekvenciával.

2.3. Az illesztő kódolás Az információelméleti részben elmondottakból kitűnik, hogy az információ „természetes” forrása általában nem mentes a redundanciától, de láttuk azt is, hogy a redundancia hasznos lehet a jobb érthetőség elősegítésében, az átvitel során keletkező hibák felfedezésében és kijavításában. Redundanciára tehát sok esetben szükség van, de naivitás lenne azt hinni, hogy az információforrás „természetes” redundanciája (mint amilyen pl. egy természetes nyelv esetén az egyes hangzók statisztikai megoszlásából, gyakoriságából származó redundancia) a hibák felismerése és javítása szempontjából a legkedvezőbb. Ezért szükség van olyan eljárásra, amely a forrás a priori redundanciáját minimálisra (optimális esetben nullára) csökkenti. Ezt az eljárást a céljától függően illesztő kódolásnak vagy - más esetekben - tömörítésnek nevezzük. Ha az információt valamilyen csatorna optimális kihasználásával úgy szándékozunk továbbítani, hogy az információ a hibavédelem szempontjainak leginkább megfelelő redundanciával rendelkezzék, akkor az illesztő kódolást követően szükség van még egy ún. hibavédelmi kódolásra is. Ezt gyakran csatornakódolásnak nevezik. Blokkvázlaton ez a következőképp néz ki (2.11. ábra).

2.11. ábra: Illesztő kódoló, hibavédelmi kódoló és tömörítő rendszertechnikája

20

Az illesztő kódoló és a tömörítő szerepe nagyon hasonló. Mégis indokolt ezeket külön-külön tárgyalni, mert az illesztő kódoló esetében csak minimalizálni, vagy ideális esetben, nullára csökkenteni akarjuk a redundanciát, a tömörítés esetében pedig nemcsak erről lehet szó, hanem esetenként megengedünk valamennyi információvesztést is. Látni fogjuk azonban, hogy sok tömörítési eljárás megegyezik azokkal, amelyeket az illesztő kódolás kapcsán bemutatunk. Fontos, hogy az illesztő kódolás mindig tömörítést is jelent - legalább is a veszteség nélküli tömörítések esetén - és lényegében mindig illesztő kódolásról van szó. A teljesség kedvéért meg kell jegyezni, hogy az illesztő kódolással (vagy a tömörítéssel) előállított információt sok esetben még egy „kezelésnek” vetik alá, amikor is titkosítják, azaz igyekeznek megakadályozni, hogy a címzetten kívül bárki más képes legyen kibogozni annak a tartalmát. Az illesztő kódolás alapötletét Shannon fogalmazta meg, s egy munkatársával együtt eljárást is dolgoztak ki arra, hogy hogyan lehet olyan változó szóhosszúságú (bináris) kódot szerkeszteni, amely lényegesen csökkenti a forráskód redundanciáját. Ezt az eljárást nevezik Shannon-Fano féle kódolásnak. A Shannon-Fano kódolás azonban nem minden esetben vezet optimális eredményre, ezért később Huffmann tökéletesítette az eljárást úgy, hogy a Shannon-Fano féle alapelveket változatlanul hagyta, de az övékénél jobban működő algoritmust dolgozott ki. Ezt a Huffman kód néven ismert eljárást - ill. továbbfejlesztett változatait - alkalmazza ma is sok tömörítési módszer. A továbbiakban a Huffman algoritmust mutatjuk be.

2.3.1. A Huffman algoritmus Az illesztő kódolásra többféle eljárás is létezik. A következőkben bemutatott eljárást Huffman 1952-ben közölte. Lényegében a Shannon-Fano féle eljárás egy finomított, és pontosabban algoritmizálható formájáról van szó, amelynek talán a legfőbb érdeme az, hogy olyan változó szóhosszúságú bináris kódot ad, amely garantáltan a legrövidebb átlagos szóhosszúságot adja. A kiindulás egy táblázat, amelyben a forrásszimbólumok valószínűségeit a legkisebb valószínűségektől kiindulva vizsgáljuk. Először összeadjuk a két legkisebb valószínűséget (s a hozzájuk tartozó szimbólumokat is), majd újra csökkenő sorrendbe rendezzük az immár összevonást is tartalmazó valószínűségeket, s ezt az eljárást folytatjuk mindaddig, amíg 1-et nem kapunk.

Példa Legyen egy üzenet négy eleme: A, X, Y, S. Ezen szimbólumok előfordulási valószínűsége: A:0,2, X:0,1, Y:0,4, Z:0,3. Csoportosítsuk a szimbólumokat az előfordulási valószínűségek szerint csökkenő sorrendbe (2.12. ábra)!

2.12. ábra: A kiindulási csoportosítás

21

Adjuk össze a két legalacsonyabb valószínűségi értéket és hozzunk létre egy új csomópontot, majd ismételjük ezt a lépést addig, amíg az 1,0 valószínűségi csomópontot el nem érjük a 2.13. ábra szerint.

2.13. ábra: A Huffman fa Végezzük el a Huffman kódolást. Y=0 Z = 10 A = 110 X = 111 Állapítsuk meg a tömörítés mértékét az egyes karakterek ASCII kódjához viszonyítva 1000 szimbólum esetén: 0,4 x 1000 szimbólum * 1 bit/ szimbólum = 400 (az Y karakterhez) 0,3 x 1000 szimbólum * 2 bit/ szimbólum = 600 (a Z karakterhez) 0,2 x 1000 szimbólum * 3 bit/ szimbólum = 600 (az A karakterhez) 0,1 x 1000 szimbólum * 3 bit/ szimbólum = 300 (az X karakterhez). Összesen 1900 bit. Ugyanez ASCII kódban: 1000 szimbólum * 7 bit/szimbólum = 7000 bit. A tömörítés mértéke: 7000/1900 = 3,68.

2.3.2. A Huffman kódolás néhány alkalmazása A következőkben leírt néhány alkalmazási példa korántsem meríti ki a Huffman-kódok valamennyi alkalmazását. Már csak azért sem, mert a Huffman-kódokat sokszor használják más kódolási technikákkal együtt.

2.3.2.1. Szövegtömörítés A Huffman-féle kódolásnak természetes alkalmazási területe a szövegtömörítés. Ne felejtsük el, hogy a betűstatisztika csak akkor tekinthető stacionáriusnak, ha a forrás nyelve nem változik, mert más-más nyelvekhez más-más betűgyakoriság-statisztika tartozik. Egy angol regényszöveg statisztikája különbözni fog egy egyébként angol szavakat tartalmazó

22

program-forrásnyelv statisztikájától. Egy múlt századi elbeszélő költemény (pl. a Toldi) betűstatisztikája is különbözik egy mai magyar újságszövegétől. Csaknem minden szövegben találhatók gyakran előforduló betűcsoportok. Ha a szöveg egyes betűinek gyakoriságai helyett az ilyen betűcsoportokat felsoroljuk egy listában, sorszámozzuk, és ha a betűcsoport előfordul a szövegben, akkor csak a sorszámát közvetítjük, s azt is kódolva, akkor az eddigiekhez képest jelentős további nyereséget érhetünk el a tömörítésnél. Tipikusan ilyen gyakran előforduló betűcsoportokat tartalmazó szövegek pl. egy adott programnyelv programjai, vagy ilyenek pl. egyes nyilvántartások amelyekben pl. a „neve”, a „hallgató azonosítója”, a „diákigazolvány száma” stb. szavak gyakran előfordulnak. Ilyen esetekben egy ún. sztatikus szótárat lehet készíteni ezekből a szavakból vagy kifejezésekből és a szótár minden egyes tételéhez egy-egy sorszámot rendelve csak a sorszámot kell tárolni (vagy kódolni). A mondott példákra (programnyelv, nyilvántartás) könnyű ilyen betűcsoportokat, szavakat vagy kifejezéseket kigyűjteni. Egy általános lingvisztikai nyelv esetében sokkal nehezebb dolgunk van, s valamilyen módszerrel ki kell gyűjteni az egyáltalán előforduló n-betűs (n>1) csoportokat és azok gyakoriságát, méghozzá elég nagy, reprezentatív szövegmintából. Minél hosszabb (több betűs) csoportokra terjed ki a vizsgálat, annál nagyobb a számításigénye és annál több tétel lesz a megszerkesztendő sztatikus szótárban is. Ezért általános lingvisztikai szövegeknél sokszor megelégszenek az egyáltalán előforduló n=2 betűs csoportok és azok gyakoriságainak megállapításával. Az ilyen kétbetűs csoportot diagramnak nevezik, az ilyeneket alkalmazó kódolást pedig diagram kódnak. A következő egyszerű példán szemléltetjük egy ilyen diagram kódolás lényegét.

Példa Adott egy ötbetűs X= {A, B, C, D, R} ábécé. Ha ehhez fix szóhosszúságú kódot használunk, akkor 3 bites kódra van szükség, de az meg redundáns lesz, mert a lehetséges 23 = 8 kombinációból hármat nem használtunk fel. Használjuk fel a „megmaradt” 3 kódszót három diagram kódolására. Legyen így a kódtábla a következő:

Legyen a kódolni kívánt szó: ABRACADABRA! A kódoló beolvassa az első két karaktert (AB) és megnézi, hogy van-e ilyen diagram a táblázatban. Az adott példánál van és a hozzárendelt kódszó: 101. Ezután ismét beolvas két karaktert (RA) és megnézi, hogy ez a diagram előfordul-e a kódtáblában. Nem fordul elő, tehát csak az első betűjéhez (R) tartozó kódot adja ki, ami most: 100. Ezután veszi az R betű utáni diagramot (AC), amely ismét előfordul a kódtáblában és a hozzárendelt kódszó: 110. Az eljárást folytatva a következő 7 * 3 =21 bites sorozatot kapjuk: 101 100 110 111 101 100 000 Ha az adott ábécé mindegyik betűjéhez rendeltünk volna egy-egy hárombites kódszót, akkor a 11 betűs szóhoz kapott bitsorozat 11 * 3 = 33 bites lenne. A tömörítési arány tehát most 33/21 23

= 1,57-szeres és ehhez pusztán az adott kódolásnál úgyis meglévő redundanciát használtuk ki, de figyelembe vettünk három, a kódolandó szövegben gyakori diagrammát is. Ezért az alkalmazott diszkrét valószínűségi modell most nem független eseményekkel számol. Az adott példánál a dekódolás is egyszerű, mert mind az egyes betűkhöz, mind a diagrammákhoz ugyanolyan hosszú (3 bites) kódszavakat rendeltünk, tehát a dekódolást is hárombites csoportonként kell elvégezni. Az elv változó szóhosszúságú kódolásnál is alkalmazható.

A szövegtömörítési technikák célja az adatátviteli idő vagy a tárkapacitás csökkentése. A gyakorlatban az alábbi szabványosított szövegtömörítési technikákat alkalmazzák: • • •

MNP5 MNP7 ZIP.

a, MNP5 Az MNP5 eljárás kétféle módszert használ:

• •

futáshossz kódolás adaptív gyakoriság kódolás.

A továbbiakban a fakszimile átvitelnél használt futáshossz kódolást ismertetjük.

2.3.2.2. Fakszimile-kódolás Egy átlagos távmásolat (fax) képe meglehetősen sok redundáns információt tartalmaz. A teljes szöveg ill. képtartalom továbbítása azon túl, hogy hosszú időt vesz igénybe, fölöslegesen foglalja a távközlési csatornát, és többletköltséget ró a felhasználóra. A digitális távmásolókra előírás a redundancia csökkentő kódolás alkalmazása. Az átviteltechnikában használatos CCITT szabványhoz sokféle javaslatot nyújtottak be, amelyek a különféle dokumentumtípusokra (gépelt szöveg, rajz, ábra) más-más tömörítési arányt adnak. Ezek közül eddig az egydimenziós futamhossz kódolást, (módosított Huffman-kód = MH-kód) és a kétdimenziós, függőleges referenciakódolást (módosított Read-kód = MR-kód) szabványosították.

Egydimenziós kódolás (MH-kód) A digitális távmásolók a továbbítandó dokumentum letapogatási sorait képpontokra bontják (1728 képelem/215 milliméter) és mindegyikről egyedileg eldöntik, hogy fehér-e, vagy fekete. A kódolás az adott sorban egymás után következő azonos színű képpontok, az ún. futamhosszak leírásával történik. A vonalszakaszok hosszát képelemek számában adják meg és ezekhez egy-egy kódszót rendelnek.

A Huffman-kód további alkalmazásai: • •

24

képtömörítés, audió fájlok tömörítése.

3. ADATÁTVITELI ÉS KOMMUNIKÁCIÓTECHNIKAI ISMERETEK Az ipari kommunikációs rendszerek megismeréséhez elengedhetetlen fontossággal bírnak az adatátvitellel kapcsolatos ismeretek. Ebben a fejezetben ezen tudnivalókat foglaltuk össze. Minden adatkommunikációs rendszernek minimum 3 eleme van: • • •

adatforrás (source of data), amely lehet távadó (transmitter) vagy egy vonali meghajtó (line driver), amely a megfelelő formába konvertálja és továbbítja az információt az átviteli (kommunikációs) vonalon a vevőhöz, információvevő (receiver), amely fogadja a vett jelet és előállítja az adatot, kommunikációs vonal (communication link), más néven csatorna, amely biztosítja a jel továbbítását. Ez lehet elektromos vezeték, optikai kábel, rádióhullám, satelit vonal, stb.

A sikeres kommunikáció feltétele, hogy a küldött információ eljusson az adóból a vevőbe, valamint az adó és a vevő megértsék egymást és az esetleges kommunikációs hiba felfedésre kerüljön. Az egymás megértéséhez szükséges követelmények: • • • • • •

a használt jel típusának ismerete, a logikai „1” ill. „0” definiálása, a szimbólumok által képviselt kódrendszer ismerete, a szinkronizáció az adó és a vevő között, az adatfolyam ellenőrzése, az átviteli hibák detektálása.

Az információ feldolgozása a CPU-ban párhuzamos, továbbítása a vonalon soros formában előnyös. Ezért a két CPU (PLC, PC, stb.) közötti soros adatátvitelnél meg kell oldani az adatok párhuzamos/soros átalakítását, az adatok és az üzenet szinkronizálását, majd az adatok soros/párhuzamos visszaalakítását, valamint az egyes bitek/bájtok értelmezését, ill. az átvitel ellenőrzését. Soros adatátvitel esetén az adatok bitenként, a kiegészítő, ellenőrző jelekkel együtt, időben egymás után rendszerint egy átviteli csatornán (vezetéken, érpáron) kerülnek továbbításra. Az információt villamos adatreprezentálás esetén a feszültség vagy az áram szintje, ill. jelátmenete képviselheti. A 3.1. ábra szerinti soros adatátvitelnél a „0” szintet 0 V, az „1” szintet + 6 V képviseli, amely minimum egy bitideig tart. A soros átvitelnek számos jellemzője és szabványa van (RS-232, RS-485 stb.), amelyre a későbbiekben visszatérünk (16. fejezet).

3.1. ábra: Soros adatátviteli formátum A soros adatátvitel kidolgozásához és programozásához az átviteli sebesség, a fizikai jellemzők, a kódolási eljárások, a szinkronizálás módja és az átvitel szabályrendszere (protokoll) ismerete szükséges. 3.1. Az adatátvitel elméleti alapjai Az információt úgy lehet a fizikai közegen továbbítani, hogy valamilyen fizikai jellemzőt, például feszültséget vagy áramerősséget megváltoztatunk rajta. Ha a feszültség vagy az áram25

erősség változását egy egyváltozós időfüggvénnyel, f(t)-vel írjuk le, akkor modellezni tudjuk a jelek viselkedését, és így lehetőség nyílik a jelek matematikai eszközökkel történő elemzésére. Tekintettel arra, hogy az alapsávi adatátviteli módon (ld. részletesen a 3.2.3.1. pontban) kommunikáló rendszerek periodikus impulzus jeleket továbbítanak, ezért a viszonyok leírására a Fourier analízis használható. 3.1.1. Fourier analízis Ismeretes, hogy a Fourier tétel szerint bármely T periódusidővel rendelkező, periodikus g(t) függvény előállítható szinuszos és koszinuszos tagok (általában végtelen) összegeként a (3-1) összefüggésnek megfelelően.

g(t ) =

∞ ∞ 1 c + ∑ a n sin (2πnft )∑ b n cos(2πnft ), 2 n =1 n =1

(3-1)

ahol f = 1/T az alapfrekvencia, an és bn pedig az n-edik harmonikus (tag) szinuszos, illetve koszinuszos amplitúdója. Ezt a felbontást Fourier-sornak nevezzük. A Fourier-sor alapján az eredeti függvény visszaállítható, azaz a T periódusidő és az amplitúdók ismeretében az eredeti időfüggvény meghatározható a (3-1) összefüggés alapján. Egy időkorlátos adatjel (az összes valódi jel ilyen) tárgyalásakor azt feltételezzük, hogy a teljes jelalak örökké ismétlődő (azaz a T és 2T közötti intervallumbeli viselkedés ugyanaz, mint a 0 és T közötti intervallumban). Az an amplitúdót bármilyen g(t) függvényhez ki tudjuk számolni, ha a (3-1) egyenlet mindkét oldalát megszorozzuk sin (2πkft ) -vel, majd az így kapott kifejezést integráljuk 0 és T között. Mivel 0

T

∫ sin (2πkft )sin (2πnft )dt =  T/2 0

ha k ≠ n , ha k = n

(3-2)

ezért az összegnek csak egyetlen tagja marad: an. A bn-es kifejezések összege kiesik. Hasonlóan, ha a (3-1) egyenlet mindkét oldalát cos(2πkft ) -vel szorozzuk meg, majd 0 és T között integrálunk, akkor megkapjuk bn-t. Ha viszont az egyenlet mindkét oldalát egyből integráljuk, akkor megkaphatjuk a c-t. Az előbb említett műveletek végrehajtása után a következőket kapjuk (3-3): T

an =

2 g (t )sin (2πnft )dt T ∫0

T

bn =

2 g (t ) cos(2πnft )dt T ∫0

T

c=

2 g (t ) dt . T ∫0

(3-3)

Példaként tételezzük fel, hogy egy 8 bites (bájt) formában kódolt ASCII „b” karaktert akarunk elküldeni. A továbbítandó bitminta a 01100010. A 3.2. a, ábra bal oldalán azt láthatjuk, hogy az adó kimenetén hogyan változik a feszültség értéke. A jel Fourier-sora az alábbi együtthatókat tartalmazza: an =

1   n  n   n  n cos π  − cos 3π  + cos 6π  − cos 7π  πn   4   4   4  4

(3-4)

bn =

1   n  n   n  n sin  3π  − sin  π  + sin  7π  − sin  6π   πn   4   4   4  4

(3-5)

c=

26

3 4

(3-6)

Amplitudó négyzetes középértéke

10 1 1 0 0 0 1 0

0

Idő

T

0.50 0.25 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 1213 14 15

Harmonikusok száma a,

1

1 harmonikus 0

b,

1

1

2 harmonikus 0

c,

1 2

1

4 harmonikus 0

d,

1 2 3 4

1

8 harmonikus 0

Idő

e,

1 2 3 4 5 6 7 8

Harmonikusok száma 3.2. ábra: Digitális jel és Fourier-együtthatóinak négyzetes középértéke (a), Az eredeti jel sorozatos közelítése (b)-(e) A 3.2. a, ábra jobb oldalán az első néhány harmonikus amplitúdójának négyzetes középértékét, azaz a 2n + b 2n -et láthatjuk. Ezek az értékek azért érdekesek, mert négyzetösszegük arányos az adott frekvencián továbbított energiával. Nincs olyan adatátviteli eszköz, amely a jeleket energiaveszteség nélkül tudná továbbítani. Ha a Fourier-sor összes tagja azonos mértékben csillapodna, akkor az elküldött jelnek csak az amplitúdója csökkenne le, de a jelalak nem torzulna (tehát ugyanolyan szép négyszögletű hullámalak lenne, mint amilyet a 3.2. a, ábrán láthatunk). Sajnos a valós átviteli közegek a Fourier-sor egyes tagjait különböző mértékben csillapítják, így a jelalak mindig torzul. Általában 0 és egy bizonyos fc frekvencia között a komponensek lényegében csillapítás nélkül terjednek, míg e felett az fc vágási frekvencia felett a komponensek erősen csillapodnak. Azt a frekvenciatartományt, amelyen belül a csillapítás mértéke nem túl nagy, sávszélességnek (bandwidth) nevezzük. A gyakorlatban a csillapítás megváltozása nem igazán éles, ezért a sávszélesség 0-tól addig a frekvenciáig tart, amelynél a jel teljesítménye az eredeti jel teljesítményének felére (3 dB) csökken.

27

3.1.2. Sávszélesség

A jelátvivő csatorna egyik fontos mértékegysége a sávszélesség (B), ami a csatornán átvitt legmagasabb és legalacsonyabb frekvencia különbsége, azaz B = fmax – fmin [Hertz].

(3-7)

A sávszélesség az átviteli közeg fizikai tulajdonsága és általában a közeg felépítésétől, vastagságától és hosszúságától függ. Egyes esetekben egy szűrőt is beépítenek az áramkörbe, hogy korlátozzák az egyes felhasználók rendelkezésére álló sávszélességet. Most vizsgáljuk meg, hogy nézne ki a 3.2. a, ábrán látható jelalak, ha a sávszélesség olyan kicsi lenne, hogy csak a legalacsonyabb frekvenciákat lehetne továbbítani (vagyis a jelalak időfüggvényét a (3-2) összeg első néhány tagjával közelítenénk). A 3.2. b, ábrán az a jelalak látható, amelyet akkor kapnánk, ha a csatorna csak az első harmonikust (az alapharmonikust) továbbítaná. A 3.2. c, … e, ábrákon a továbbított jel spektruma és visszaállítás után jelalakja látható a nagyobb sávszélességű csatornák esetén. A 3.3. a, ábrán a telefonvonal sávszélességét láthatjuk. A 3 dB-es alsó határfrekvencia 300 Hz, a felső 3400 Hz, így 3 dB-es a sávszélesség 3100 Hz. A csatorna sávszélessége nagymértékben meghatározza az adatátviteli sebességet és a jeltorzulást. A sávszélesség és az adatátviteli sebesség kapcsolatát a következő pontban ismertetjük. A sávszélesség és a jeltorzulás kapcsolatát illetően az előző pontban láttuk, hogy egy adatot reprezentáló digitális (kétértékű) jelsorozat a Fourier analízis szerint számtalan frekvencia komponenset tartalmaz. A csatorna viszont csak a sávszélesség által meghatározott frekvencia komponenseket képes átvinni. Ebből következik, hogy a digitális jelek átviteléhez a nagy sávszélességű csatorna előnyös. A 3.3. b, ábrán összehasonlításul egy digitális jel átviteli közelítő jelalakját mutatjuk be B = 1200 Hz-es ill. B = 4000 Hz-es sávszélességű csatornán. A 3.2.3.1. pontban a részletes Fourier analízist is bemutatjuk. 0

1

0

0

1

1200 Hz sávszélességű jel

4000 Hz sávszélességű jel

3.3. a, ábra: A csatorna sávszélesség

3.3. b, ábra: Digitális jel közelítő jelalakja B = 1200 Hz (a) ill. B = 4000 Hz (b) csatornán

3.1.3. Adatátviteli sebesség (Baud rate)

Az adatátviteli sebességet az időegységenként átvitt bitek számával adják meg, mértékegysége a bit/s, b/s vagy bps. Az adatátviteli sebesség mértékegységéül korábban (és részben ma is) a baud-ot használták, amely a másodpercenkénti jelátmenetek számát jelenti. Amennyiben a jelátmenetek száma megegyezik az átvitt bitek számával, akkor a bps megegyezik a baud értékkel (pl. bináris kódolás esetén.) Mivel napjainkban az átvitel hatékonyságának növelése érdekében egyre gyakrabban az ún. n-áris kódolást használják, ahol egy átmenet több bit információt is hordoz, az átviteli sebességet bps-ben adják meg, mert ilyen esetben ez fejezi ki a helyes értéket.

28

Gyakran a bruttó, ill. nettó adatátviteli sebesség fogalmával is találkozhatunk. A bruttó adatátviteli sebesség a hasznos adatokon túl az adminisztrációs adatokat is figyelembe veszi, míg a nettó átviteli sebesség csak a hasznos adatok átvitelére vonatkozik és értéke a kódolástól függően az előzőtől 10-30 %-kal kisebb. Az adatátviteli sebesség nagymértékben függ a csatorna sávszélességétől (B), valamint a csatorna zajától. Nyquist tétele szerint, ha egy tetszőleges jelet egy B sávszélességű aluláteresztő szűrőn bocsátunk át, akkor a szűrt jelből másodpercenként pontosan 2B minta alapján a jel helyreállítható. Másodpercenként 2B-nél több mintát nem érdemes venni a jelből, mivel a szűrő kiszűrné a magasabb frekvenciájú komponenseket. Ha a jelnek V számú különböző szintje van, akkor a Nyquist tétele alapján a csatorna maximális adatátviteli sebessége C: C = 2 B log2 V [bps].

(3-8)

Bináris alapjelek esetén V = 2, így C = 2B

(3-9)

Például egy zajmentes 3 kHz sávszélességű csatornán bináris jelek esetén (V = 2) a maximális átviteli adatsebesség 6000 bps = 6 Kbps. A PSTN telefonhálózat közelítőleg 3 kHz sávszélességű. Ezt a tételt Shannon a zajos csatorna (pl. termikus zaj) esetére dolgozta át. Shannon tétele szerint egy zajos csatorna maximális átviteli sebessége (C): C = B log2 (1 + S/N) [bps],

(3-10)

ahol B a csatorna sávszélessége, S a hasznos jel teljesítménye, N pedig a zaj teljesítménye. Az S/N kifejezés tulajdonképpen a csatorna jel/zaj viszonya. A jel/zaj viszonyt rendszerint decibel-ben szokás megadni, ami a 10 log10 · S/N értéknek felel meg. Például, ha S/N = 10, akkor ez 10 dB-nek, ha S/N = 100, akkor 20 dB-nek felel meg. Ez a telefon beszédátviteli csatornán (B = 3000 Hz) 30 dB-es jel/zaj viszony mellett max. 30 000 bps-t jelent, mivel 3000 ⋅ log2 (1 + S/N) = 3000 ⋅ log2 100110 ⋅≈ 3000 ⋅ 10 ≈⋅ 30 000 bps ≈ 3 Kbps. Megjegyezzük, hogy az S/N hányadost gyakran az SNR (Sign-Noise Ratio - jel zaj arány) betűkkel jelölik. Ily módon a (3-10) szerinti egyenlet: C = B * log2 (1 + SNR) [b/s].

(3-11)

Példa

Határozzuk meg annak a csatornának a maximális átviteli sebességét, amelyik a 3 MHz és 4 MHz közötti frekvenciát viszi át, és az SNR = 24 dB. Megoldás

B = 4 MHz – 3 MHz = 1 MHz SNR dB = 24 dB = 10 log10 (SNR) SNR = 251 Ez alapján: C = B * log2 ( 1 + 251) = 106 ∗ log2 (1 + 251) ≈ 106 x 8 = 8 Mbps. Milyen V érték mellett képes ezt az átviteli sebességet biztosítani a csatorna? C = 2 B log2 V 8 x 106 = 2 x 106 x log2 V 4 = log2 V ⇒ V = 16 29

Az SNR fogalom kapcsán hangsúlyozni kell, hogy az átviteltechnikában e helyett az Eb/No hányadost használják. Az Eb a bitenkénti energia, az No pedig a zaj sűrűség Hz-ben. Ez azért előnyösebb, mert közvetlen kapcsolatba hozható az átviteli sebességgel, mivel Eb = S * Tb, ahol S a jel teljesítmény, a Tb a bitidő. Az adatsebesség (data rate): R = 1/Tb. Eb S / R = . [dB] No No

(3-12)

Jellemző adatátviteli sebességek és alkalmazások:

∼ 1 Kbit/s ∼ 10-100 Kbit/s ∼ 1 Mbit/s …10 Mbit/s ∼ 100 Mbit/s …1Gbit/s

pl. PC-perifériák (nyomtató), pl. irányítástechnikai hálózatok (PROFIBUS), pl. alapsávú LAN (PC-hálózatok), pl. széles sávú LAN (képátvitel, gyors Ethernet).

Megjegyezzük, hogy gyakran karakter/sec-ben adják meg az adatátviteli sebességet. 3.1.4. A dzsitter (jitter) A dzsitter a digitális átvitelnél fellépő időzítések eltolódása. Elméleti megfontolások esetén szinte mindig egy T periódus idő szerinti ismétlődésnél ugyanazt a T intervallumot tételezzük fel. A gyakorlatban ezek az időzítések (pl. a csatorna zajok - nem azonos komparálási szintek, stb. miatt), eltérnek az ideális T periódus időtől és ez hibás jelfeldolgozáshoz vezethet. 3.2. Fizikai jellemzők

A soros adatátvitel fizikai jellemzői az átviteli közegek (fizikai közeg), az átviteli módok és az adatátvitel iránya. 3.2.1. Átviteli közegek

Az átviteli közeg, más szóval fizikai közeg funkciója, hogy a soros (esetleg párhuzamos) bitfolyam átszállítási feltételét biztosítsa az adótól a vevőig, vagyis egyik géptől a másikig. A soros adatátvitel vezetékes vagy vezeték nélküli átviteli közegen keresztül lehetséges. A vezetékes átvitel fizikai közege lehet elektromos kábel, ill. fénykábel. A különböző átviteli közegeket a Fizikai közegek c. fejezetben (5.) tárgyaljuk. 3.2.2. Az adatátvitel iránya

Az adatátvitel további jellemzője az egy időben történő átvitel iránya. Így megkülönböztetünk szimplex, fél duplex és duplex átvitelt. Szimplex átvitel esetén az adatáramlás egyirányú (3.4. ábra.) Félduplex (half duplex) átvitelnél az adattovábbítás mindkét irányban lehetséges, de egy időben csak az egyik irányban (3.5. ábra.) Duplex (full duplex) üzemmódban, egy időben mindkét irányban lehet adatokat továbbítani (3.6. ábra.) A félduplex üzemmódhoz 2-, a duplex üzemmódhoz 4-vezetékes kapcsolatra van szükség alapsávi átvitel és villamos jel esetén. Szélessávú átvitelnél duplex üzemmódhoz két csatorna (vivőfrekvencia) szükséges, ami egy vezetékpáron is lehetséges.

3.4. ábra. A szimplex (egyirányú) átvitel sémája 30

3.5. ábra: A félduplex (Half duplex) átvitel sémája

3.6. ábra: A duplex (Full duplex) átvitel sémája 3.2.3. Adatátviteli módok

Két egymástól jól elkülönülő adatátviteli mód használatos: az alapsávú ill. a szélessávú átviteli mód. Az alapsávú átviteli mód a digitális jelátviteli, a széles sávú átviteli mód az analóg jelátviteli eljárásokat használja. 3.2.3.1. Alapsávú átvitel és a TDM Alapsávú átvitel esetén az adatjeleket diszkrét elektromos, ill. fényimpulzusok formájában viszik át. Az ilyen átvitelnél az adó az adatimpulzusokat közvetlenül a kommunikációs csatornán át továbbítja, a vevő pedig ezeket detektálja. Szinte valamennyi vezetékes ipari kommunikációs rendszer alapsávú átvitelt használ. Az adatimpulzusok a kommunikációs csatornán áthaladva jel-torzulást szenvednek. Ezen jeltorzulás nagy mértékben függ a csatorna sávszélességétől. Mivel alapsávú átvitelnél a digitális jelek közvetlenül kerülnek az átvivő csatornára, ezért az átviteli tulajdonság meghatározásához a digitális adatot reprezentáló bitsorozat frekvencia komponenseit Fourier analízissel lehet meghatározni. A periodikus digitális jelek ugyanis a Fourier analízisnek megfelelően szinuszos és koszinuszos jelek összegére bonthatók (lásd 3.1. pontban).

Legyen a periodikus digitális jel időfüggvénye a 3.7. ábra szerinti.

3.7. ábra: Egy periodikus digitális jel időfüggvénye A Fourier analízis segítségével a fenti digitális jel időfüggvénye a következő tagok összegére bontható: Abban az esetben, ha d = T/2, azaz az információ az 10101010…bitsorozat, akkor 2 f bps sebességű átvitelnél a jelalak f frekvenciájú négyszögjel sorozatot jelent (3.8. ábra), melynek 31

2A

cos (2πft )

•

első felharmonikusa:

•

második felharmonikusa: −

•

harmadik felharmonikusa:

π

2A cos (2π 3 ft ) 3π

2A cos (2π 5 ft ). 5π

3.8. ábra: Az 10101010 bitsorozat első három felharmonikusa Az 10101010 bitsorozat spektruma a 3.9. ábra szerinti.

3.9. ábra: Az 10000 periodicitású bitsorozat spektruma

32

(3-13)

A csatornán átviendő bináris adatok ritkán mutatnak az előzőhöz hasonló periodicitást. Ennek illusztrálására tekintsük az 10000 periodikusan ismétlődő jelsorozatot (3.10. ábra). Ha az átviteli sebesség 2000 bps, tehát az ismétlődési frekvencia 400 Hz (2000/5=400, ahol 5 a bitek periodicitása), akkor a különböző sávszélességű csatornán átvitt jelalakokat a 3.10. ábra szemlélteti.

3.10. ábra: Az 100002 periodicitású jelsorozat átvitele különböző sávszélességű csatornán Természetesen az adatokból képzett bináris jelsorozatok (üzenetek) az adatok állandó változása miatt nem tekinthetők periodikus jelsorozatnak, ezért a felharmonikusok száma tovább nő, azaz a spektrum egyvonalas elrendezésből folytonos spektrummá alakul át. Az alapsávú átvitelnél az adott sávszélességű csatornán tehát a jeltorzulás egyik összetevője a csatorna véges sávszélességéből következő felharmonikus vesztés miatt lép fel. További jeltorzulást eredményez a csatorna csillapítása, továbbá a csatornán a jel terjedési ideje (futási idő), a jelre szuperponálódó külső és belső zajok és az esetleges jelátlapolódások. Jelátlapolódásnak nevezzük az egymás után következő elemi jelek egymásra hatását. Alapsávú átvitelnél a jeltorzulások jelismétlővel (repeater) küszöbölhetők ki. A jelismétlő (digitális) 33

visszaállítja az eredeti jel/zaj viszonyt. A jelismétlőben az alábbi 3 féle jeldetektálási módszer egyikét használják. a, Mintavételező detektálás

Ez esetben a detektor bemenetére érkező, a fenti okokból torzult jelből az átviteli sebességhez igazodó időpontokban mintát vesznek és a mintavételezett jelből az eredeti jelet visszaállítják a 3.11. ábra szerint.

3.11. ábra: Mintavételező detektálás alapsávú átvitelnél b, Küszöb típusú detektálás

Ennél a jeldetektálásnál egy küszöb feszültség feletti jeleket „1”-ként, az alatti jeleket „0”ként detektálják mintavételező impulzusok nélkül.

34

c, Integráló típusú detektálás

Ilyen detektálás esetén a detektorban az átviteli sebességhez igazodó szinkron impulzusok közötti idő-intervallumban integrálják a bejövő jelet, majd jelformálással az eredeti jelalakra formálják rendszerint egy bitidőnyi időkésleltetéssel. A módszer előnye, hogy a zérus várható értékű sztochasztikus zavaró jelek integráló hatásnak köszönhetően eltűnnek, gyengülnek és gyakorlatilag nem okoznak detektálási hibát. A repeatereket a kommunikációs rendszer tervezőjének megfelelő távolságokban kell beiktatni a csatorna sávszélességétől, csillapításától és a külső zajoktól függően. Időosztásos átvitel (TDM)

Az alapsávú átviteli módnál a csatorna kapacitását egy időben egyetlen adatjel továbbítására használják. Az alapsávú átviteli módot használó csatornán több eszköz is osztozhat az időosztásos vezérlés segítségével. Az időosztásos (Time-Division Multiplexing, TDM) eljárás esetén a kommunikációs eszközök felváltva adnak úgy, hogy egy időben csak egy eszköz ad. A különböző eszközöktől származó adatok az átviteli csatornán egymást követik. A TDM elvét és felépítését szemlélteti a 3.12. ábra. Az 1, 2, 3, 4 alapsávi jelet szolgáltató adatforrást a multiplexer időben eltolva kapcsolja a csatornára, majd a szinkronizáltan működő vevő oldali demultiplexer ismét külön csatornára bontja.

3.12. ábra: A TDM elve és felépítése A TDM átvitelnél a több adatfolyam bitjeinek időmultiplex összefogására háromféle besorolás használatos a, bitenkénti besorolás, b, kódszavankénti vagy karakterenkénti besorolás, c, keretenkénti besorolás. Ezt szemlélteti a 3.13. ábra.

35

Besorolandó jelfolyam

t

1 Forrás

t

t 2

Bit szerinti besorolás

Forrás

t 3

a,

Forrás

Kódszó

t

1 Forrás

Kódszó

t

2 Forrás

Kódszó

Kódszó

t

Kódszavankénti (karakterenkénti) besorolás

3

b,

Forrás

1. Keret t 1 Forrás

2. Keret t

2 Forrás

3. Keret t

Keretenkénti) besorolás

3 Forrás

c,

3.13. ábra: Háromféle besorolású TDM átvitel 3.2.3.2. Széles sávú átvitel és az FDM

A széles sávú átviteli módra az analóg jelátvitel a jellemző, amelynél folytonos jeleket alkalmaznak. A jelek elektromos vagy elektromágneses vivőhullámok segítségével haladnak át az átviteli közegen. A vivőhullámú jelet rendszerint az alábbi jellemzőkkel adják meg: amplitúdó, frekvencia, fázis. Széles sávú átvitelnél az adatjelet egy szinuszos hordozójelre (vivő) ültetik rá, mégpedig úgy, hogy a vivőhullám három jellemzőjének valamelyikét az adatjelnek megfelelően változtatják, azaz modulálják. Eszerint amplitúdómodulációról (AM), frekvenciamodulációról (FM), ill. fázismodulációról (PM) beszélünk.

36

A kétértékű jelekből álló adatot, vagy az analóg jelből digitalizálás (ADC) révén előállított ugyancsak kétértékű adatot a modulált jel két lehetséges formája közötti billentyűzéssel (Shift Key - SK) továbbítjuk, ezért ASK-ról, FSK-ról vagy PSK-ról beszélünk (3.14. ábra). 1

a .

0 .5

-

bináris adat

-

ASK

-

PSK

-

FSK

0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 0

1

b .

0 -1 1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 0

1

c .

0 -1

1

d .

0 -1

3.14. ábra: Bináris modulációk bemutatása: alapsávi jel a, ASK b, PSK c, FSK d, Az egyes moduláció típusok jelkiosztását a 3.1. Táblázatban foglaltuk össze. 3.1. Táblázat: Szinuszos vivőjű bináris modulációk egy jelkiosztása Modulációs mód Amplitúdó billentyűzés ASK) Fázis billentyűzés (PSK) Frekvencia billentyűzés (FSK)

„0” 0 - Acosωct Acos(ωc-ωd)t

„1” Acosωct Acosωct Acos(ωc+ωd)t

a, ASK Bináris amplitúdó billentyűzés (ASK) esetén a modulált jel amplitúdója két értéket vehet fel, az egyik a bináris „0”-t, a másik az „1”-et képviseli. A moduláló jeltől függően kapcsolgatunk a két amplitúdó között (ASK). Az egyik lehetséges amplitúdó a nulla, vagyis ki-be kapcsoljuk a vivőt (3.14. b, ábra). Megjegyezzük, hogy az átvitel biztonsága szempontjából jobb megoldás, amikor a „0”-t „a1”, az „1”-t „a2” amplitudójú vivő képviseli, mivel így a vonalszakadás detektálható (3.15. a, ábra). Amplitudómoduláció esetén a szinuszos jel frekvenciája állandó.

3.15. ábra: Az „a1” ill. „a2” amplitúdójú ASK jelalakja b, FSK

Bináris frekvenciabillentyűzés (FSK) esetén a két lehetséges frekvenciát a vivő frekvenciájának módosításával állíthatjuk elő (FSK, 3.14. d, ábra). FSK-t használnak pl. a HART kommunikáció (ld. 11. fejezetben) esetén. A CCITT. V21 és a Bell 103 típusú FSK modemek szabványos frekvenciáit szemlélteti a 3.2. Táblázat. 37

3.2. Táblázat: Szinuszos vivőjű bináris modulációk egy jelkiosztása Specifikáció CCITT. V.21 Bell 103

Jel („1”) 1270 Hz 980 Hz

Szünet („0”) 1070 Hz 1180 Hz

Válasz jel („1”) 2225 Hz 1650 Hz

Válasz szünet („0”) 2025 Hz 1850 Hz

c, PSK

Kétértékű fázisbillentyűzéskor (PSK) a vivőhöz viszonyítva kétféle fáziskülönbség képviseli a bináris számjegyeket. Leggyakrabban nulla illetve π a két fáziskülönbség. Ekkor a vivő jelenti az egyik jelet, a vivő mínusz egyszerese a másikat (PSK, 3.14. c, ábra). d, QPSK

A PSK további változata a QPSK, amely a következő fázis értékeket használja: 0o, 90o, 180o, 270o. A mindenkori fázis érték egy referencia jelhez történő hasonlítás révén kerül megállapításra. Ezt szemlélteti a 3.16. ábra az ún. dibitekkel.

3.16. ábra: QPSK dibitek és jelalakok e, DPSK

Fontos megemlíteni, hogy fázisbillentyűzés esetén nemcsak a vivőhöz viszonyíthatjuk a fázist, hanem az előző bitidőben vett jel fázisa is szolgálhat referencia fázisként. Ez a differenciális fázisbillentyűzés (DPSK), amit a 3.18. ábra szemléltet. Nagy előnye ennek a megoldásnak, hogy a vevőoldalon nincs szükség fázishelyesen előállított vivőre. A DPSK esetén a dibit-eket az alábbiak szerint definiálják: Dibit 00 01 10 11

Fázisugrás 0o 90o 180o 270o

A DPSK-t és a dibiteket szemlélteti a 3.17. ábra.

38

3.17. ábra: A DPSK és a dibitek Összehasonlítva a bináris modulációs eljárásokat megállapítható, hogy az FSK áltálában nagyobb sávszélességet igényel, mint két társa. Kimutatható, hogy azonos zajviszonyok mellett a PSK feleakkora jelteljesítmény mellett tud az ASK-val megegyező hibavalószínűséget biztosítani. Szélessávú átvitel esetén spektrális hatékonyságról szokás beszélni, amely megadja, hogy a felhasznált sávszélesség egy Hz-én hány bitet tudnak továbbítani másodpercenként. Ennek egysége a bps/Hz. Analóg átvitel esetén a fizikai jelátvivő közegtől függően a jel csillapítást szenved. Ezt megfelelő távolságban elhelyezett erősítőkkel kompenzálják (analóg repeater). Mivel az erősítő a jellel együtt a zajokat is erősíti, így a megfelelő jel/zaj viszony biztosítása a távolság növekedésével egyre nehezebb. Frekvencia osztásos átvitel (FDM)

Analóg átvitelnél gyakran több részre, csatornákra osztják a fizikai közeg által rendelkezésre álló sávszélességet. Ebben az esetben a frekvencia multiplexnek (Frequency Division Multiplexing, FDM) nevezett eljárással több átvitel valósítható meg egyszerre a különböző csatornákon (vivőfrekvencián) keresztül. A eljárás régóta használatos a távközléstechnikában. Az FDM adó és vevő felépítését szemlélteti a 3.18. ábra. Az 1, 2, 3 analóg jeleket a vivő 1, vivő 2, vivő 3 frekvenciára ültetve egy összegző áramkörrel a vonalra vagy az antennára vezetik. A vevőkben a közös jeleket oszcillátorokkal és szűrőkkel leválasztva visszaállítják az 1, 2, 3 csatornák jeleit.

3.18. ábra: Az FDM elve és felépítése

39

Széles sávú átvitelnél a csatornákat gyakran eltérő módon használják ki, például egyes csatornákon csak adatokat, másokon jeleket (videojel) visznek át egyidejűleg, vagy az állomás egy csatornát adásra, egy másik csatornát vételre használ. Megjegyezzük, hogy a modemek, a TDM, FDM multiplexerek felépítésére visszatérünk. 3.3. Vonali kódolás (jelkódolás)

A digitális berendezések (pl. számítógép, mikroprocesszor, PLC) a továbbítandó hasznos információt először mindig unipoláris bináris jelfolyamként állítják elő. Ez a bináris jelfolyam közel sem tekinthető optimálisnak a fizikai eszközön (csatornán) történő átvitel szempontjából. Ezért van szükség ún. vonali kódolásra. A vonali kódolás során az információ forrás bináris értékeit az alapsávú digitális átvitelhez legalkalmasabb vonali impulzus sorozattá alakítjuk át. Ezt az illesztést a vonali kódok megfelelő megválasztásával és az adóimpulzus alkalmas kialakításával érhetjük el. A vonali vagy jelkódolás megválasztásánál az átviteli közeg tulajdonságaihoz (pl. rendelkezésre álló sávszélesség, elérhető jel/zaj viszony, igényelt energia, stb.) kell illeszteni az átvitelt. Az átviteli közeg vonali kódjaival szemben támasztott követelmények: a, a vonali impulzus sorozatból valamilyen önidőzítési módszerrel az időzítőjel, ill. bitszinkron jel előállítható legyen, hogy az ADÓ és VEVŐ közötti szinkronizáció ezen váltások segítségével, minden külön eszköz, külön vonal nélkül legyen megvalósítható, b, a vonali jelsorozat teljesítmény-spektrumának lehetőleg ne legyen egyenáramú komponense, mivel a magas DC szintű jelek jobban gyengülnek, így az átviteli távolság csökken, c, a vonali átvitel lehetőleg bitsorozat-független legyen, d, a kábelek jobb kihasználása érdekében az a vonali kódolás előnyös, ahol a nagy energiájú komponensek frekvenciája kisebb, mivel így kisebb az áthallás és hosszabb szakaszon is kisebb a veszteség, így az erősítők vagy repeaterek között nagyobb lehet a távolság, e, a vonali kódolásnak elegendő redundanciával kell rendelkeznie az egyszerű hibafelfedés és a kisebb bithiba arány elérése céljából, f, a kódolt jel spektrumának a felső határa minél alacsonyabban legyen, g, ha lehetséges, a kódolás csökkentse a szükséges impulzusátvitel sebességét, h, a jelek ne legyenek polarizáltak, így kétvezetékes átvitelnél közömbös lehet a bekötés. A fenti igények részben egymásnak is ellentmondóak, ezért nincs is olyan kód, amely minden szempontból optimális lenne. Ennek megfelelően igen nagyszámú vonali kódolási eljárás ismeretes. A rendkívül sokféle kódot több szempont szerint csoportosíthatjuk. Az egyik csoportosítás az átalakítás utáni jelsorozat jelszintjei alapján az alábbi: a, Kétértékű vonali kódolás, melynek során a bejövő kétértékű jelfolyamatból egy ugyancsak kétértékű (unipoláris, poláris vagy bipoláris) jelfolyamot állítanak elő. b, Pszeudoternális kódolás, melynek során a bejövő kétértékű kódból háromértékű mintákból álló jelfolyamot állítanak elő. c, Ternáris kódolás, melynek során a bináris jelfolyamból m bitből álló blokkokat alakítanak át háromértékű (ternáris) jelsorozattá. Ez esetben kihasználják a háromállapotú jelek nagyobb információ tartalmát. d, Háromnál több szintű kódok. Megjegyezzük, hogy a vonali kódoláson többnyire a kód impulzusának jelalak módosítását értik, ezért nevezik jelkódolásnak is. Ez azonban nem kizárólagos, mert van olyan megoldás is, ahol valódi kódátalakítást is végeznek, pl. 4 B/5 B kódolás.

40

Fentiek szemléltetésére (a, b) a leggyakrabban használt unipoláris és a poláris kódolást mutatjuk be. Unipoláris kódolás esetén a 0 ill. 1 értéket azonos polaritású feszültség képviseli (pl. + 5 V, 0 V), míg poláris esetben a 0 ill. 1 értéket más-más polaritású feszültség (pl. + 5 V, - 5 V) reprezentálja. Az unipoláris és poláris jeleket attól függően, hogy az egy bitidőnyi jel időtartamán belül visszatérnek-e a 0 jelértékre vagy sem, nullára visszatérő (RZ - Return to Zero), illetve nullára nem visszatérő (NRZ) típusú jeleknek nevezzük, melyek a 3.19.ábrán láthatóak.

3.19. ábra: NRZ ill. RZ jelek alakjai unipoláris és bipoláris jelek esetén NRZ kódolás esetén ha egy bit 1-es, akkor a feszültség teljes bit idő alatt H szintű, ha 0-s, akkor L szintű. Két vagy több egymás utáni 1-es bit esetén a feszültség megszakítás nélkül Hban marad a megfelelő ideig, az egyesek között nem tér vissza 0-ra. Nem túl jó megoldás, mert: magas egyenfeszültség összetevője van (U/2), nagy sávszélességet igényel 0 Hz-től (ha csak csupa 1-est vagy csupa 0-át tartalmaz a sorozat) az adatátviteli sebesség feléig (ha sorozat: 10101010…) Az NRZ típusú kódolás esetén a vevőnek saját időzítéssel kell rendelkeznie és fontos, hogy a bitidő közepén történjen a mintavételezés. A vevő ehhez rendszerint 16-szoros mintavételi frekvenciát használ. E kódolás hátránya, hogy egyenfeszültségű összetevőt tartalmaz, ezért transzformátoros csatolásnál nem használható. A másik hátránya, hogy ha túl sok 1-es vagy 0 következik egymás után, akkor a vevő kieshet az időzítésből ill. a szinkronból (lásd RS 232 kódolás, CAN kódolás, USB kódolás). Ilyenkor az ún. bitbeültetést kell alkalmazni. RZ - Return to Zero - nullára visszatérő jelkódolás esetén a nulla a „nyugalmi állapot”, 1 bitnél a bitidő felében a + U (unipoláris eset), a második felében pedig a jel visszatér a 0-ra.

A poláris RZ kódolásnak minden bitidőben van jelátmenete, ami szinkronizáláshoz előnyös. Létezik a poláris NRZ ill. RZ vonali kódolásnak egy olyan változata is, amelynél az egymás után következő 1-ek polaritása megcserélődik. Itt jegyezzük meg, hogy a bipoláris kódolás értelmezése az irodalomban nem egyértelmű. Egyik értelmezés szerint bipolárisnak tekintik az olyan kódolást, ahol a „0”, ill. „1” jelek különböző polaritásúak (ld. eddig poláris). Másik értelmezés szerint bipolárisnak tekintik a kódolást, ha az „1” jel értéke a kódon belül két polaritású (bipoláris). Fentiek tisztázása céljából a 3.3. Táblázatban összefoglaltuk az RZ ill. NRZ vonali kódolás hatféle változatát és jellemzőit.

41

3.3. Táblázat Kódolás

•

Unipoláris NRZ (UNRZ) 1

1 1

1 1 0

0

0

•

+

•

0V

•

• •

Unipoláris RZ (URZ) 0

1

1

1

0

1

1

• +

•

0V

•

Poláris NRZ (PNRZ) 0 1 1

1

0

1

0 0

+1

•

0

•

-1

•

Poláris RZ (PRZ) 0

+1 0

•

1

1

0

1

0

0

1

• •

-1

•

Bipoláris NRZ (BNRZ) 0 1 0 1 1 0 1 1 0

•

+

•

0V

Jellemzés a vevőnek saját időzítéssel kell rendelkeznie és „eltalálni” az impulzus közepét, a vevő 4, 8 vagy 16-szoros mintavételezési frekvenciát használ, transzformátoros csatolással nem vihető át, a túl sok azonos jel (1 vagy 0) esetén a vevő kieshet a szinkronból, ami ellen pl. bitbeültetéssel védekeznek. a jel minden 1-es után visszatér a 0-hoz, a jel mintavételezése könnyebb, mert minden 1-es után van átmenet, amely szinkronizálja a vevőt, transzformátoros csatolás nem használható az egyenfeszültségű összetevő miatt, nem használható olyan esetben, amikor a jel és a táplálás közös vezetékpáron történik. a „0” ill. „1” jel különböző polaritású, de az „1”-ek ill. „0”-ák mindig azonos polaritásúak (ezért poláris), transzformátoros csatolás nem használható, az „1” ill. „0” jelek detektálása könynyebb a vevőben az ellentétes polaritások miatt.

az „1”-es minden bit átvitele után viszszatér a „0”-hoz, nem igényel saját időzítő forrást a vevőben, mivel minden biten van átmenet, transzformátoros csatolás használható.

az „1” jelet felváltva ellentétes polaritású jel reprezentálja, egyenfeszültségű komponenst nem tartalmaz, nem igényel saját időzítést a vevőben.

-

Bipoláris RZ (BRZ) 1

1

1

0

1

0

1

• •

0V

• •

-

•

+

42

0

az „1” jel mindig visszatér a 0-hoz, de az egymás után következő „1”-es jelek különböző polaritásúak, nincs egyenáramú komponens, ezért a transzformátoros csatolás megengedett, az adat és a táplálás közös vezetékpáron lehetséges.

Megjegyezzük, hogy a transzformátoros csatolás lehetősége például a mágneses adatrögzítésnél fontos szempont. A fentieken túlmenően még további bipoláris kódolási technikák is léteznek. Az információ tartalmának megfelelően az adatjelek többféle módon rendelhetők össze. Ez az összerendelés bináris adathordozók esetén az alábbi módokon történhet. a, Információ állapothoz adatjel állapotot rendelünk. Ez látható a 3.20. ábrán, ahol az információt ak, az adatjelet bk-val jelöltük.

3.20. ábra: Információ állapot-adatjel állapot összerendelés Ilyen típusú például az RS-232 szerinti kódolás (NRZ). b, Differenciális összerendelés

Ennél a jelkódolási eljárásnál az információhoz jelváltást rendelünk hozzá. A 3.21. ábrán az „1” adatbithez jelváltás, míg a „0” adatbithez annak hiánya van hozzárendelve.

3.21. ábra: Differenciális adat-jel összerendelés (a), előállítás (b) Az ábrából látható, hogy az adatjel valamelyik értékét a megfelelő információ és a megelőző állapot modulo 2-es összegével (antivalencia viszonyával) kapjuk meg. A 3.21. b, ábra ennek gyakorlati megvalósítási vázlatát szemlélteti. c, Információváltáshoz jel állapotot rendelünk a 3.22. ábrának megfelelően.

43

3.22. ábra: Az információváltáshoz rendelt jelállapot elve és a realizálás vázlata Az ábra szerint az 1111…1 információhoz és a 0000…0 információhoz egyaránt a jel „0” állapota van hozzárendelve. Az adatban bekövetkező 0 → 1 ill. 1 → 0 információváltáshoz (ak és ak-1) pedig a jel „1”-es állapota tartozik. Az ábrán a realizálás sémája is látható. A kommunikációs rendszerekben a leggyakoribb jel-kódolási eljárások:

• • • •

RS-232C kódolás (NRZ), nullára komplementáló differenciális kódolás (NRZI), Manchester-kódolás, differenciális Manchester-kódolás.

A fentieken túlmenően további jelkódolási módszereket alkalmaznak, amelyeket röviden bemutatunk a 3.3.5. pontban. 3.3.1. RS-232 kódolás (NRZ) RS-232 kódolás: lassú adatátvitelre leggyakrabban közönséges távközlési csatornát használnak, amelyet az RS 232 szabványban definiáltak, és amit az Electronic Industry Association (EIA) publikált. Az RS 232 átvitelnél az 1 bitértéknek az egy bitperiódusig tartó negatív feszültségszint felel meg, a 0 bitértéknek a pozitív feszültségszint (3.23. ábra). E kódolási mód (NRZ-L) előnye az egyszerűség, de hátránya, hogy sok egymás utáni azonos bitérték (0 vagy 1) esetén a bitidők elcsúszása, a szinkronizálási időzítési hibája hibás dekódolást okozhat.

3.23. ábra: RS-232 kódolás (NRZ) Megjegyezzük, hogy a fenti NRZ kódon kívül további NRZ kódok is léteznek: NRZ-M, NRZ-S (ld. a 3.29. ábrán).

44

3.3.2. NRZI kódolás (NRZI) Nullára komplementáló differenciális kódolás (NRZI): sok nagy bonyolultságú (nagy teljesítményű) vonalvezérlő eljárás, mint amilyen az IBM SDLC (Synchronous Data Link Control) eljárás, gyakran használ az előzőtől sokkal összetettebb kódolási módot. A nullára komplementáló differenciális kódolásban (NRZI) a bitperiódusban egy pozitív vagy negatív feszültség polaritás váltása megfelel az „1” bitértéknek. Ha nincs a bitperiódus ideje alatt polaritásváltás, akkor az „0” bitértéket jelent (3.24. ábra - NRZI). Az ábrán összehasonlításul további jelkódolókat is feltüntettünk. a,

b, c,

d,

e, f,

3.24. ábra: Nullára komplementáló differenciális kódolás (NRZI) (b) és további jelkódok Az NRZI kódolás előnye, hogy jobb a jel/zaj viszony, mivel biztonságosabban lehet detektálni a polaritásváltást, mint a feszültségszintet. 3.3.3. Manchester-kódolás

Szinkronizálási szempontból sok lokális hálózati megvalósításban kívánatos, hogy a pozitívból negatívba való átmenet és a negatívból pozitívba való polaritás váltás előre látható szabályossággal kövesse egymást. A Manchester-kódolás szabálya a következő: „1” bitértéknek felel meg, amikor a bitidő feléig a feszültségszint negatív és a bitidő felétől pozitív, és „0” bitértéket jelent, amikor a bitidő feléig a feszültségszint pozitív, és a bitidő felétől negatív, így a Manchester-kódolás esetén minden bitperiódusban polaritás váltás történik (3.25. ábra).

3.25. ábra: A Manchester kód elemei Egy bináris jelsorozat Manchester kódolását szemlélteti a 3.26. a, ábra.

45

Bináris kód

0

1

1

1

0

0

+V 0V a,

-V

0

1

1

1

0

0

+V 0 b,

-V

3.26. ábra: Bináris kódolás, Manchester-kódolás (a), differenciális Manchester-kódolás (b) Manchester-kódolás esetén azok a bitidők, amelyekben a jel vagy pozitív, vagy negatív marad egy teljes bitperiódus idejére, jelezhetik a blokk kezdetét, vagy a blokk végét. Manchester kód generálását szemlélteti antivalencia (XOR) elemmel a 3.27. ábra. Az ábra szerint a CLK jel és a bináris adatjel antivalencia kapcsolatával a Manchester kód előálltható.

CLK XOR

M

Adat

3.27. ábra: Manchester kód generálása az órajel és az adatjel antivalencia kapcsolatával A Manchester-kódolást pl. a koaxiális ill. a csavart érpárt alkalmazó CSMA/CD közegelérésű busz típusú LAN-oknál használják pl. (Ethernet). 3.3.4. Differenciális Manchester-kódolás

A Manchester-kódolás másik formáját, amit differenciális Manchester-kódolásnak nevezünk, jó néhány lokális hálózat felhasznál. Ennél a kódolásnál is, mint a hagyományos Manchester-kódolásnál, minden bitperiódusban polaritás váltás történik. Azonban a változás jellege függ attól, milyen értékű volt az előző bit: „0”, vagy „1”. A bitérték „1” értéket fog felvenni, ha nem változik a polaritás az előző bitperiódus végén, de változik a bitperiódus közepén, és „0” bitértéket azonosít, ha a bitperiódusnak mind az elején, mind a közepén polaritás váltás történik. Ezzel a kódolással a pozitív feszültségszintről negatív feszültségszintre történő átmenet 0 bitértéket is és 1 bitértéket is jelenthet, az előző bitperiódus végének állapotától függően. A bit értékét az határozza meg, hogy ilyenkor van-e polaritás váltás, vagy nincs. Ha a bitidő elején nincs polaritás váltás, az „1”, ha van, akkor „0” bitértéket jelez (3.27. b, ábra). A differenciális Manchester kódolást az IEEE 802.5 jelzésű token ring LAN-okhoz specifikálták árnyékolt sodrott érpárú kábelhez. 46

Az ipari kommunikációs hálózatokban leggyakrabban a Manchester kódolás valamelyikét alkalmazzák. Mindkét kódolás előnye, hogy minden biten átmenetet produkál, így a szinkronizáció előnyösen megoldható. Egyetlen hátrányuk, hogy a bitfelezés miatt dupla frekvencia igényt támasztanak az átviteli rendszerrel szemben (3.28. ábra). Emiatt pl. a CAN busznál nem ezt a kódolást használják. 5 bit = 5 µs 1

1

1

1

1

NRZI

1 bit = 1 jelelem = 1 µs

Manchester

1 bit = 1 µS

1 jelelem = 0.5 µs

3.28. ábra: A Manchester kód a bitfelezés miatt duplázza a frekvenciát 3.3.5. További vonali jelkódok

Az eddigiek kiegészítéseként említjük, hogy az impulzus kód moduláció (PCM) hullámformái az alábbi négy csoportba sorolhatók:

• • • •

NRZ RZ fáziskódolású többszintű bináris.

Ezek változatait a 3.29. ábrán láthatjuk. Az NRZ-ről már volt szó, de ennek is lehetnek további típusai:

• • •

NRZ-L - az L jelentése: az L szinthez, NRZ-M - az M jelentése: az M (mark) szinthez, NRZ-S - az S jelentése: az S (space) szinthez.

47

3.29. ábra: PCM jelalakok Az NRZ-L - (az L szinthez visszatérő) igen gyakran használt kódolás, amelynél az „1” ill. „0” szinteket más-más feszültség reprezentálja. Az NRZ-M kódolásnál az 1-et (mark) a jelszint változás jelenti. Ez tulajdonképpen differenciális kódolás. Emiatt az NRZ-M-et leginkább a mágneses adatrögzítésnél használják. Az NRZ-S kódolásnál a logikai 1-et a változás hiánya, a „0”-át a jelváltás reprezentálja. Az RZ hullámforma változatai: unipoláris RZ, bipoláris RZ és RZ-AMI. Ezek a kódok az alapsávi átvitelnél és a mágneses adatrögzítésnél használatosak. Az unipoláris RZ-nél az „1”-et egy fél bitidőnyi impulzus jelenti, a „0”-át pedig az impulzus hiánya. A bipoláris RZ jelkódolásnál az „1”-et és a „0”-át egy-egy ellentétes polaritású, fél bitidőnyi impulzus reprezentálja, így minden bit intervallumban van jelátmenet. Az RZ-AMI (AMI for alternate mark intervision) kódolást a telefontechnikában használják. Ennél a kódolásnál az „1”-eseket felváltva ellentétes polaritású impulzusok, a „0”-át az impulzusok hiánya reprezentálja. A fáziskódolású PCM jelek négy változata:

48

•

Bi – φ L

(kétfázisú szint az L-hez - ld. Manchester kód),

•

Bi – φ M

(kétfázisú a mark-hoz),

•

Bi – φ S

(kétfázisú a space-hez),

•

idő moduláció vagy Miller kód.

Alkalmaznak háromszintű kódolást is. Ezt szemlélteti a dicode NRZ és a dicode RZ a 3.29. ábrán. A különböző jelkódolási módszerek alkalmazási területeinek meghatározásához az alábbi jellemzőket célszerű figyelembe venni. a, DC komponens

Az egyenáramú komponens figyelembevétele a mágneses adatrögzítésnél vagy a transzformátoros csatolásnál fontos, mivel ezeknél az igen alacsony frekvenciájú komponensek elvesznek. b, Önszinkronozás

Ez a digitális kommunikációs rendszerek esetén különös jelentőséggel bír a vevő bitszinkronozása miatt (lásd Manchester kód). c, Hibadetektálás

Némely kódtípus (pl. a „duobinary”) adathiba detektáló tulajdonsággal bír. d, Sávszélesség kihasználás

A többszintű kódok növelik a sávszélesség kihasználását, tehát adott átviteli sebesség kisebb sávszélesség mellett is elérhető. Ugyanakkor a többszintű kódok dekódolása nehézkesebb. e, Zaj védettség

A PCM kódok zajimmunitása különböző. Például az NRZ a zajvédettség szempontjából előnyösebb, mint az RZ. Néhány alapsávú és szélessávú kódolási módszer elméleti bithiba arány (BER) értékét mutatja a 3.30. ábra a jel/zaj viszony (Eb/No) függvényében. Látható, hogy az NRZ jelkódolás esetén a 3 dB-el kisebb jel/zaj viszony szükséges ugyanazon BER eléréséhez.

3.30. ábra: Jelkódolási módszerek BER értékeinek összehasonlítása a jel/zaj viszony függvényében

49

Hasonlítsuk össze az unipoláris NRZ (NRZL) kódot (RS-232) és az AMI kódot. Az adatátvitel legegyszerűbb módja közvetlenül az unipoláris bináris jelfolyam lenne, mivel említettük, hogy ezt állítja elő szinte minden digitális berendezés. Ennek legfőbb hibája, hogy egyenáramú komponenst tartalmaz, valamint ha az átvitt kódszóban egymás után több azonos bit (0 vagy 1) van, akkor a vevőben szinkronizálási és időzítési hiba miatt hibás dekódolás léphet fel. Ezt gyakran ún. bitbeszúrással (bitbeültetéssel) küszöbölik ki (pl. USB, CAN rendszer). Másik megoldás a fenti hátrányok kiküszöbölésére az AMI kód alkalmazása. Ennek lényege, hogy a bitfolyamban az 1-esek polaritását folyton változtatják és áttérnek az RZ típusú 50 %-os kitöltésű impulzusokra (3.31. ábra). 1

0

T

T

1

1

1

0

0

1 1

0

1

t

a,

t

b,

3.31. ábra: Az UNRZ (a) és az AMI kód (b) Ily módon az egyenáramú komponens teljesen megszűnik és az 1-esek monoton sorozata is megoldódik, de a 0-ákból álló sorozat problémája továbbra is megmarad. Ezt a problémát az ún. BnZS ill. HDBn kódok küszöbölik ki. Ezzel kapcsolatosan az irodalomra utalunk. További előnye, hogy kedvezően alakítja a spektrumot. Az eddigiekben a vonali kódoláshoz csak a jelek alakjának módosítását használtuk. Ugyanakkor a vonali kódolásnál az információ átkódolásának használatával is találkozhatunk. Erre példaként a 100 Mbps-os FDDI technikánál (Fiber Distributed Data Interface) használt 4B/5B vonali kódolást mutatjuk be. A kód a 4 bites bináris kódszavakat 5 bites kóddá konvertálja. Egyes kódelemeket vezérlési célra használ. Azzal, hogy a 4 bites kódból 5 bites kódot állít elő, az átvitel hatékonyságát 80 %-ra csökkenti. Az eredeti 100 Mbps adatátviteli sebességet 125 Mbps jelátviteli sebességgel lehet elérni. A 4B/5B kódban legalább két 1-es van minden kódszóban (3.4. Táblázat). Az így előállított kódot ezután NRZI jelkódolással viszik a vonalra. Megjegyezzük, hogy kidolgozták a kód változatát sodrott érpárra is! (MLT-3) pl. a 100 BASE-Ethernet hálózathoz.

50

3.4. Táblázat Általános funkció Vonali állapot szimbólumok

Kód csoport

Jelentés

00000 11111 00100

QUIET IDLE HALT

11000 10001

Az első SD pár A második SD pár

01101

Adat Stream lezárás

Határoló kezdet (SD)

Határoló vége (ED)

Adat szimbólumok

HEX 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F

11110 01001 10100 10101 01010 01011 01110 01111 10010 10011 10110 10111 11010 11011 11100 11101

BINÁRIS 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111

Vezérlő bájtok

00111 11001

Logikai „0” (Reset) Logikai „1” (Set)

Érvénytelen kódelemek

00001* 00010* 00011 00101 00110 01000* 01100 10000*

3.4. Szinkronizálás

Két digitális eszköz közötti kommunikációnál azon időtartam ismeretére van szükség, amelynek segítségével azonosítani lehet minden elküldött jelet. Ezt az időtartamot bitperiódusnak vagy bitidőnek nevezik. Az adó és vevő szinkronizált működéséhez egyrészt a bitidő ismerete, másrészt a bitidők kezdeti értéke szükséges. Digitális adatátvitelnél a szinkronizálás három különböző szintjét különböztetjük meg. a, Bit szinkronizálás

A vevő egységnek tudnia kell, hogy egy vett bit mettől meddig tart. A vevő ezen időközöknek csupán egy meghatározott szakaszán (a közepén) vesz mintát a bitből. A bitszinkronizálást sok esetben az adatátviteli berendezésben (modemben) végzik el. A berendezés megállapítja a „bit-ek fázisát” és útmutatást ad az adatfeldolgozó eszköznek, hogy mikor kell mintát venni. Fontos előre bocsátani, hogy mindig a vevőt szinkronizáljuk az adóhoz.

51

b, Karakter szinkronizálás

A vevő egységnek tudnia kell, hogy mely bitek a karakter alkotóelemei. Például aszinkron átvitelnél a START ill. STOP bitek határolók. c, Üzenet szinkronizálás (blokkszinkronizálás)

A vevő egységnek tudnia kell, mely karakterek alkotnak egy keretet, rekordot, file-t aszerint, hogy az üzenetet milyen hierarchikus formában alakították ki. Egy hibátlanul elküldött adatsorozatról a vevőnek fel kell ismernie az adatsorozatot, és azonosítani kell az egyes bitekhez tartozó jelrészleteket. Ehhez kétféle eljárás ismert: az aszinkron, ill. szinkron eljárás. 3.4.1. Aszinkron átvitel Aszinkron átvitel esetén a karaktereket START- ill. STOP-bitek határolják, ezért START/STOP átvitelnek is nevezik. Általában minden karakter 10-11 bitből tevődik össze (3.32. ábra).

• • • •

1 START-bit; 8 adatbit (ASCII kód esetén, de ez eltérő is lehet, pl. a telexkód 5 bites); paritásbit; 1-2 STOP-bit.

3.32. ábra: Aszinkron átvitel LSB, Least Significant Bit (legkisebb helyiértékű bit), MSB, Most Significant Bit (legnagyobb helyiértékű bit)

A telegram kód egy startbittel kezdődik, ez jelöli a kód kezdetét. Ezt követi nyolc biten az információ, majd egy paritásbit. A kód végét a stopbit jelzi, melynek hossza 2 bitidőig növelhető. Az aszinkron adatátviteli eljárásoknál a startbit és a stopbit határolja az egyes kódokat. A telegramkód tehát 8 adatbit esetén összesen 11 bitből áll. Ez a viszony fontos, az átvitel hatékonyságára utaló mennyiség. A START/STOP bitek miatt aszinkron átviteli jelsorozat eléggé redundáns, mivel információtartalom szempontjából felesleges biteket tartalmaz. Ugyanakkor a vevőoldalon nincs szinkronizálva a vétel és emiatt a nagyobb sebességű (> 9600 bps) átvitel nem biztonságos. Az aszinkron soros átvitel szabványos átviteli sebességei: 110, 300, 600, 1200, 2400, 9600, 19200 bps. (Lásd RS-232). Aszinkron átvitel esetén tehát karakterszinkronizáció történik a karaktert megelőző START-, ill. követő STOP-bitek révén. Példaként az „F” karakter ASCIIkódjának aszinkron átvitelét mutatjuk be a 3.33. ábrán.

3.33. ábra: Az „F” karakter ASCII kódja (RS-232) 52

Az átvitel jóságát jellemző adat: egy karakter átvitele min. 10 bitet igényel, így 10 bit szükséges egy 7 bites adat átviteléhez, tehát az átvitel jósága 70 %. Aszinkron átvitel esetén az adó és a vevő között nincs szinkronizálás, ezért egymástól függetlenül működnek. Az adóból az üzenetek között véletlenszerű hosszúságú szünetek vannak (3.34. ábra). 1. üzenet

3. üzenet

2. üzenet

Szünet

Szünet

Szünet

Szünet

Változó idejű szünetek az üzenetek között

3.34. ábra: Aszinkron átvitelű üzenetek az adó kimenetén A vevő a bitsebesség 16-szorosának megfelelő frekvenciával mintavételezi a bejövő jeleket és meghatározza a START jel közepét. Ezután ehhez viszonyítva hasonló módon állapítja meg az adatbitek közepét is (3.35. ábra). Jel Start bit

Adatok

Szünet

Vevő órajel (szinkronizálva a 16-szoros vett vett bitsebességhez 16 mintavé tellel azonosítja a bitidőt

3.35. ábra: Az aszinkron vevőben a START bit azonosítása Az egyes bitek meghatározása alapján egy karakter azonosítását szemlélteti a 3.36. ábra. Aszinkron adatkeret Adatfolyam Bit periódus Várakozó Jel állapot (1)

1

A start bit közepe

2 3

4

5

6

7

8

Stop bit Visszatérés a várakozó állapotba

A vevő mintavételezése

Adat bitek 12345678 Vett adatok 1 0 1 1 0 1 0 1

3.36. ábra: Karakter azonosítás a vevőben aszinkron átvitel esetén Az adóban az adatok párhuzamos/soros (adó) ill. a vevőben a soros/párhuzamos átalakítását, továbbá a START, STOP, ill. PARITY bitek kezelését rendszerint a mikroprocesszor alapú CPU-hoz csatlakozó UART egység végzi a 3.37. ábra szerint.

53

3.37. ábra: CPU és UART csatlakoztatása Adáskor az UART az alábbi funkciókat végzi:

• • • • • • • •

beállítja az átviteli sebességet (baud értéket), átveszi a párhuzamos bájtot a processzortól, generál egy start bitet, a párhuzamos adatbiteket sorossá alakítja, meghatározza a paritás bit értékét, előállítja a stop bitet (1 vagy 2 bitidővel), jelzi a mikroprocesszor felé, hogy kész egy újabb karakter átvételére, koordinálja a kézfogásos átvitelt a CLK jel által ütemezve.

Az UART rendelkezik egy transmit (TX) kivezetéssel az adáshoz és egy RX kivezetéssel a vételhez. Az átvitel történhet fél duplex vagy duplex üzemben. Adásnál a CPU egy I/O írási művelettel adja át a bájtot az UART I/O címére. A bitek egy léptető regiszterbe kerülnek. A kiegészítő bitek (START, paritás, STOP) az UART inicializálása révén kerülnek beállításra és a párhuzamos adatbitekhez adódnak. A soros kiléptetés a beállított baud (bps) értéktől függ. Az UART adónkénti sémája a 3.38. ábra szerinti.

3.38. ábra: UART funkciói adáskor Vétel esetén az UART:

• • • • • 54

beállítja a baud értéket a vevőben, felismeri a start bitet, beolvassa sorosan az adatbiteket, beolvassa a paritásbitet, felismeri a stop bitet,

• • •

a bitsoros adatokat bit-párhuzamos bájttá alakítja és átadja további feldolgozásra a processzornak, koordinálja a kézfogásos átvitelt, ellenőrzi az adathibákat és a flag-eket.

Vételnél az UART folyamatosan figyeli az RX soros vonalat és várakozik a START bitre. Amikor a bit-sebességnek (baud) megfelelő sebességű START-bit megérkezett az RX vonalon a sikeresen detektált bitek a vételi léptető regiszterébe kerülnek. A teljes keret beolvasása után a járulékos bitek leválasztódnak és az adatbájt a FIFO (Firts In First Out) bufferbe kerül. Ekkor az RX RDY (vétel kész flag) a státusz regiszterben 1-be állítódik és az adatbájt a párhuzamos adatsínen a processzorba kerül egy I/OR művelet révén (3.39. ábra).

3.39. ábra: Az UART funkciói vételkor Tipikus UART vételi hibák:

• • • •

Receiver overrun: a bájtok gyorsabban érkeznek, mint ahogyan a beolvasás történik. Parity error: paritás hiba. Framing error: a keretet nem tudja azonosítani. Break error: a START bitet hosszabbnak detektálja.

Az egyes hibákat a hiba-logikai egység jelzi és a státusz regiszter tárolja. A vevő időzítése igen fontos a biztonságos vétel miatt. A biztonságos átvitelhez a mester frekvenciát magasabbra választják a baud rate-től (rendszerint 16 x). A 3.40. ábra azt szemlélteti, milyen hibás detektálást vált ki a túl gyors ill. a túl lassú időzítés a vevőben.

55

3.40. ábra: Hibás detektálás az időzítés miatt A már említett vételi hiba minimalizálását és az üzenetbitek azonosítását szemlélteti a 3.41. ábra a START bit 16 részre osztásával.

3.41. ábra: Hibaminimalizálás 16-os órajel faktorral A korábbi UART-ok (soros portok, mint pl. a 8251minden karakter vételekor vagy adásakor megszakítást kértek a CPU-tól. Ez alacsony átviteli sebességnél kielégítő megoldást nyújt, de nagyobb sebességnél „lebéníthatja” a processzor működését. Ezért először az átvitelhez a gyorsabb PC buszt, majd pedig a bufferelt soros portot alkalmazzák. Ez 16 bájtos buffer esetén 1/16-ra csökkenti a megszakításkérések számát, de alkalmaznak 1000 bájtos bufferelt UART-ot is. Példaként a 16550 típusú UART-ot említjük, amely egy nagy sebességű UART 16 bájtos FIFO-val. A 16550 típusú UART 1…115 Kbaud sebességtartományra van tervezve. A számítógép gyártók járulékos COM portja tartalmazza a 16550 típusú UART-ot. A FIFO RAM-os UART hatékonyabban támogatja a multi-taszkos feldolgozást, mint a 8251 típus. Adás idején a COM port egy megszakításkérés hatására feltölti az UART bufferét (16 bájt). Amíg az egy bájtos UART 19200 bps esetén 1920 darab megszakítással viszi át a bájtokat, vagyis 1920 megszakítást kér a CPU-tól (egy bájt átvitele ~ 10 bitet jelent aszinkron átvitelnél, ld. előbb) - addig ugyanilyen sebességnél a 16550 típusú UART 1920/16 = 120 megszakítással teszi ugyanazt. Így a CPU sokkal hatékonyabb működésre képes. 3.4.2. Szinkron adatátvitel Szinkron átvitelnél a redundancia alacsonyabb, de a kapcsolódó hardver bonyolultabb. Az alkalmazható adatátviteli sebesség magasabb, mint aszinkron átvitelnél. Tipikusak a 4800 bps feletti értékek. Szinkron átvitelnél igen előnyös a Manchester-kódolás, amely minden adatbithez jelváltozást rendel (bitszinkronizálás), így a vevőnek egyszerű a szinkront fenntartania. 56

Szinkron adatátvitelnél az egymást követő jelek ütemezetten, szinkronizáltan követik egymást. Az adatok átvitele blokkos formában történik, amelyeket blokkszinkronizáló bitekkel egészítenek ki. Ezt a formát keretnek (frame) nevezik. A 3.42. ábrán a keret két tipikus formája látható: a karakteres, ill. a bináris adattovábbítás blokkja.

Az átvitel egyik formája a karakterorientált protokoll (Character Oriented Protocol, COP), amely főként a szöveges információ átvitele esetén előnyös, de adatok továbbítására körülményes. Adatok átviteléhez a bitorientált protokollt (Bit Oriented Protocol, BOP) használják. Ilyen például a HDLC (High-level Data Link Protocol). A COP és a BOP felépítését szemlélteti a 3.42. ábra.

3.42. ábra: Karakterorientált (a) és bitorientált (b) protokoll A szinkron átviteli rendszerekben a vevő szinkronizálja magát az adóhoz a kereten belüli adatváltások (jelváltások) felhasználásával. Az üzenet keretek nagyszámú karaktert tartalmazhatnak. Egy tipikus szinkron keret formátum:

Preambulum

Preambulum: SFD: Destination (Cél): Source (Forrás): Length (Hosz): Data (Adat): FCS:

SFD

Cél

Forrás

Hossz

Adat

FCS

1 vagy több bájt, amely biztosítja a vevőnek a szinkronizálást. (Start of Frame Delimter) keret kezdet. a küldött üzenetkeret célhely címe. az üzenet küldő címe. az adatmezőben található bájtok száma. az aktuális üzenet. keretellenőrzés a hiba felfedéshez.

3.5. Protokoll

A kommunikációban részt vevő eszközök között átvitt információ (keret, üzenet) vezérlőinformációból (bitek, ill. bájtok), hasznos információból és adatellenőrző információból áll. Az információ feldolgozó egységnek a vett adatok feldolgozásához ismernie kell az egyes bitek, ill. bájtok funkcióit. Az átvitt üzenetek (telegramok) felépítésének szabályait és értelmezési módját protokollnak nevezik. A pont-pont összeköttetés, ill. a hálózati kommunikáció protokolljai a vezérlőinformációban térnek el egymástól (lásd később).

57

A telegram egy keretbe foglalt üzenet, amely keret rendszerint három részből áll: a fejrészből (header), az adattestből (data unit), az adatellenőrző részből (trailer). Fejrész (header) kezdőpont-határoló cím(ek) vezérlőinformáció

Adattest (data unit) nettó hasznos adatok

Adatellenőrző rész (trailer) információ ellenőrző

Az ún. forrás/cél típusú átviteli keretnél a header tartalmazza a célcímet (annak a résztvevőnek a címét, amelynek az üzenet szól), a forrás címet, ahonnét az információ származik és a vezérlőinformációt. A vezérlőinformáció tartalmazhatja például a telegram hosszát és/vagy a telegram típusát. Az adattestben (Data Unit) lévő információk ettől a vezérlőinformációtól függően eltérő hosszúságúak lehetnek, ill. mást és mást jelenthetnek. A Data Unit tartalmazza az üzenetet. Az üzenet hossza telegramtípusonként fix, vagy a fejrészben lévő hosszadattal megadott módon változó. A trailer ellenőrző információt tartalmaz. A küldő a megelőző telegramelemekből egy adott algoritmus szerint kiszámít egy értéket (ellenőrző kódot pl. CRC), és ezt írja be a trailerbe. A vevő a vett telegramelemekből ugyanazon algoritmus alapján maga is kiszámítja az ellenőrző kódot, és ezt összehasonlítja a küldőtől kapottal. Az ellenőrző információ képzését a következő fejezetben ismertetjük.

58

4. HIBAVÉDELMI KÓDOLÁS Adatátvitel során a vevőben három okból keletkezhet hiba: a csatornán fellépő zaj okozta adat meghibásodás, szinkronozási meghibásodás, valamint szándékos támadás miatt. Az adat meghibásodás ellen hibavédelmi kódolással, a szinkronozási hiba ellen speciális vonali kódolással, a szándékos támadás ellen titkosítással lehet védekezni. A 2. fejezetben rámutattunk arra, hogy a forráskód redundanciáját minimális szinten célszerű tartani. Ugyanakkor az átviteli csatornán bekövetkező zajok okozta hibák felfedése és javítása célirányos redundancia növelés révén lehetséges. Az ilyen hibavédelmi kódolást csatornakódolásnak is szokás nevezni. A hibavédelmi kódolás elméletének alapjait R.W. Hamming rakta le 1950-ben. Azóta az elmélet igen gyorsan fejlődött és erősen kapcsolódik algebrai, ill. matematikai fogalmakhoz és módszerekhez. Ezért elég nehéz közérthetően, ugyanakkor algebrailag korrekten leírni a hibavédelmi kódolási elveket és módszereket. A hibavédelmi eljárások csoportosítása: Hibavédelem Hibafelfedés (hibadetektálás) pl.: - paritáselemes - CRC kód

hibajavítás Hibadetektálás + üzenet ismétlés pl.: ARQ

Hibavédelmi kódolás (EC, FEC) blokk kódok

konvolúciós kódok, stb.

Ebben a fejezetben a hibafelfedés és javítás leggyakoribb módszereit a mérnöki alkalmazás igényeit szem előtt tartva mutatjuk be. A fejezet célkitűzésének megfelelően foglalkozunk a vezetékes, a vezeték nélküli kommunikáció esetén, valamint az információ tárolás során használatos hiba felfedési, ill. javítási módszerekkel, de több esetben a részleteket illetően az irodalomra utalunk. 4.1. A hibával kapcsolatos fogalmak A hibavédelmi módszerek tárgyalásához elengedhetetlen néhány hibával kapcsolatos fogalom tisztázása. 4.1.1. A hiba keletkezése Digitális átvitel esetén hibáról akkor beszélünk, amikor a küldött bit a vevőben ellentétes értékű bitként jelenik meg, tehát a küldött „1”-ből a vevőben „0” lesz vagy fordítva. Zajos csatorna esetén hiba keletkezhet az üzenetben. Például vezetékes átvitel esetén induktív vagy kapacitív csatolás révén zaj kerül az adatátviteli vezetékre (csatornára) a vezeték közelében elhelyezett villamos motor be/kikapcsolása (vagy működése) esetén. A vezeték nélküli átvitel esetén (pl. rádiós összeköttetés) az éteren áthaladó, az információt hordozó elektromágneses hullámok külső elektromágneses hullámok hatására sérülhetnek. Lényegében hasonló természetű hibajelenség az információtároló közeg (pl. floppy disc (diszk) vagy CD track) sérülése is. A keletkezett hibák az érintett bitek számától függően két csoportba sorolhatók: Átviteli hibák bithiba

hibacsomó (burst).

59

A hiba természete az információ továbbítás bitidejének és a hibát okozó zaj idejének arányától függ. Egyes hiba, azaz bithiba keletkezését és időviszonyait szemlélteti a 4.1. ábra. Az ábrából látható, hogy a zaj időtartama az adott adatátviteli sebesség esetén nem nagyobb, mint egy bitidő.

4.1. ábra: Bithiba keletkezése Hibacsomó (burst) keletkezését és időviszonyait szemlélteti a 4.2. ábra. Ez esetben a zaj időtartama hosszabb az adott átviteli sebességhez tartozó bitidőnél, ezért több bit hibásodik meg.

4.2. ábra: Hibacsomó (burst) keletkezése Néhány átviteli közegre (pl. rádiós átvitel) jellemző, hogy a hibák - az őket előidéző fizikai folyamatok természete miatt - jóval gyakrabban fordulnak elő csoportosan, azaz hibacsomókban, mint egyesével, azaz bithibaként. A zajos csatorna véletlen és csomós hibákat generálhat az átvitt digitális jelsorozatban. Ugyanakkor látni kell, hogy az átviteli sebesség változtatásával a jelölt időarányok felborulhatnak és pl. az egyes hibából hibacsomó válhat az adatsebesség növelésével. A hibacsomók hibátlan biteket is tartalmazhatnak. Hibacsomónak azt a leghosszabb jelsorozatot nevezzük, amelynek első és utolsó eleme hibás és a jelsorozaton belül a hibák közötti hibátlan elemek száma kevesebb egy megadott korlátnál. A hibacsomó hossza a hibacsomót alkotó hibátlan és hibás elemi jelek száma. 4.1.2. A bithiba arány (BER) Az átviteli csatorna zajosságára vonatkozó, egyik leggyakrabban használt paraméter a bithiba arány (Bit Error Ratio, röv: BER). A BER a meghibásodott bitek számát adja meg az összes átvitt bithez viszonyítva:

BER =

meghibásodott bitek száma . összes átvitt bitek száma

(4-1)

A bithiba arányt többnyire 10 negatív hatványával fejezik ki, pl. 3 ⋅ 10−5 , ami azt jelenti, hogy 100 000 bit átvitelekor 3 bit hibásodik meg. Egy átviteli csatorna várható bithiba arányát rendszerint bithiba valószínűségként adják meg. Ugyanaz a bithiba arány az információ jellegétől függően ítélhető meg. A beszéd ill. 60

szöveg átvitel esetén a 10−9 BER elfogadható, míg adatátvitel esetén a 10−6...10−9 BER ajánlatos. A hibaarányok és hibacsomók kis mértékben a napszaktól, az alkalmazott átviteli szinttől, a távolságtól, az üzenethossztól is függenek. Példaként a távbeszélő hálózat jellemző adatait adjuk meg a 4.1. Táblázatban (hibavédelem nélkül). 4.1. Táblázat Átviteli sebesség 600 bps

1200 bps

2400 bps

4800 bps

9600 bps

Bithiba arány

2 ⋅ 10−6 5 ⋅ 10−6 1 ⋅ 10−5 10−4...10−5 10−3...10−4

Hiba típus

bithiba

36 %

2-8 számú hibacsomó

34 %

8-nál több hibacsomó

36 %

Mivel az üzenetekben a bitek rendszerint karakterekbe vagy blokkokba vannak csoportosítva, ezért gyakran karakter-, ill. blokkhiba arányról is beszélhetünk. Ez természetesen összefüggésben van a bithiba-aránnyal, de függ a karakterek, ill. blokkok hosszától, valamint a hibák megjelenésének eloszlásától. 4.1.3. A hibák eloszlása

A csatorna átviteli tulajdonságait rendszerint méréssel határozzák meg. A csatorna átviteli tulajdonságainak meghatározásához egyrészt mérni kell a bithiba-arányt, a blokkhiba arányt adott blokkhossz mellett, másrészt ismerni kell a hiba csomósodás jelenségének statisztikáját. Tételezzük fel, hogy a hibák függetlenek egymástól. Egy hiba fellépésének valószínűsége legyen p. Annak valószínűsége, hogy n elemi jelből k darab hibás: n n −k p k =  p k (1 − p ) , k  

(4-2)

azaz binomiális eloszlást kapunk. Mivel p = 10 −3 ÷ 10 −5 között van, és n-et igen nagyra választhatjuk, közelíthetünk Poisson eloszlással. A gyakorlati mérések azt mutatják, hogy egy hiba hatása csomósodás szempontjából további néhány elemi jelig (2…10) érezteti hatását. A kiválasztandó hibakorlátozó kód szempontjából lényeges a hibacsomók hosszának eloszlása, ahol a hibacsomó hossza alatt értjük a hibacsomót alkotó jó és hibás bitek számát. Egy ilyen hibacsomó hossz eloszlási statisztikát szemléltet a 4.3. ábra. % 100 80 60

Hibacsomó hossz eloszlás

40 20 10 8

6 4 2

1

X 1 2 3 4 5

10

15

20

4.3. ábra: Hibacsomó hossz eloszlás

61

Az ábra megadja az X-szel egyenlő vagy annál hosszabb hibacsomók előfordulási gyakoriságát. Látható, hogy a példában 12 % valóban hibacsomó, 88 % pedig egyedülálló bithiba. 4.2. A hibavédelmi kódolás alapjai

A hibavédelmi mód meghatározásához szükség van e kódolás alapjainak megismerésére. 4.2.1. A hibavédelmi kódok csoportosítása

A hibajelző kódok (szokásos elnevezések még: hibadetektáló kódok, hibafelfedő kódok) az adatátvitelnél történt hiba (hibák) jelzésére, azaz felfedésére, detektálására alkalmasak a vevőben, de nem alkalmasak a hiba (hibák) helyének meghatározására, ill. javítására. A hibadetektáló kódok fontos jellemzője, hogy hány darab és milyen típusú hibát képes felfedni (pl. egyes hiba, páros hiba, kereszthiba, hibacsomó, stb.). A hibajavító kódok a kód adottságaitól függő számú hiba felfedésére és az eredeti üzenet visszaállítására, azaz hibajavításra képesek. A hibajavító kódoláshoz nagyobb redundancia szükséges, mint a hibadetektáláshoz. Ez rontja az átvitel hatékonyságát, amin az időegység alatt átvitt hasznos bitek számát értjük. Több átviteli hiba esetén vegyes rendszer is használatos, amikor például két hibát lehet automatikusan javítani és további három hibát lehet jelezni. 4.2.2. A hibavédelmi kódolás jelentősége

A hibavédelmi kódolással elérhető BER javulást szemlélteti a 4.4. ábra a jel/zaj viszony függvényében.

4.4. ábra: A hibavédelmi kóddal ellátott és kódolatlan átvitel összehasonlítása Az Eb/N0 az átlagos jelteljesítmény és az átlagos zajteljesítmény arányának (S/N vagy SNR) normalizált változata, amelyet az átviteltechnikában igen gyakran alkalmaznak. A kódolatlan és a hibavédelmi kóddal ellátott átvitel esetén ugyanazon jel/zaj viszony mellett ~ 100-szoros BER javulás érhető el. Másként fogalmazva: ugyanaz a bithiba-arány hibavédelmi kódolás esetén ~ 5 dB-lel kisebb jel/zaj viszony mellett elérhető. Utóbbi értéket kódolási erősítésnek (coding gain) nevezik. A elnevezés arra utal, hogy a hibavédelmi kódolás ugyanazt a hatást éri el, mintha a jel/zaj viszonyt növelnénk a jel erősítése révén. Az ábrán a 10-6 hibavalószínűség kódolatlan esetben 14 dB, kódolt esetben 9 dB jel/zaj viszony mellett érhető el, tehát a kódolási erősítés: 5 dB. A hibavédelmi kódolás alkalmazása műszakilag mindenképpen előnyösebb, ugyanakkor gazdasági vonzata a nagyobb költségigény az alábbiak miatt:

62

a, A hibavédelmi kódolás járulékos egységeket (kódoló, dekódoló) igényel. b, A hibavédelmi kódoláshoz nagyobb mértékű redundanciára van szükség, ami a kódolatlannal azonos átviteli sebesség eléréséhez magasabb átviteli sebességet, következésképpen nagyobb sávszélességet igényel a csatornától. c, A hibavédelmi kóddal ellátott átvitel az adóban teljesítménycsökkentést (kisebb jel/zaj viszony) eredményez ugyanazon BER esetén. A minimális adóteljesítmény mellett elérhető BER értékű átvitel néhány esetben (pl. űrtávközlés) különös jelentőséggel bír. 4.2.3. A hibavédelmi kód kiválasztásának szempontjai

A hibavédelmi kódolás az eredeti információ redundanciáján alapul, így a tényleges információátviteli hatékonyságot (közvetve a sebességet) csökkenti. Meg kell tehát vizsgálni, hogy mely tényezők befolyásolják a megkövetelt hibaarány mellett a redundancia szempontjából optimális kód kiválasztását. Ezen tényezők egyike, hogy a csatorna egy, ill. kétirányú átvitelt biztosít-e. Amennyiben lehetséges, mindig célszerű kétirányú átvitellel rendelkező csatornát választani, mert ez esetben elegendő hibajelző kódot alkalmazni, ugyanis az ellentétes irányú csatornán vissza lehet jelezni vagy küldeni a vett információt a forráshoz ellenőrzés céljából (visszatükrözés - ARQ). A hibajelző kód kisebb redundanciát igényel azonos hibaarányhoz, mint a hibajavító kód. A hibajelző kód a kapcsolódó üzenetismétléssel hibajavításra alkalmas (ld. később), ugyanakkor az üzenetismétlés rontja az átvitel hatékonyságát. A másik figyelembe veendő szempont a csatorna hibaeloszlásának ismerete, amely lehetővé teszi a megfelelő (optimális) hibavédelmi kód alkalmazását (pl. hibacsomót jelző kód). A harmadik szempont az üzenet optimális blokkhosszának meghatározása, amely a hiba eloszlástól, az alkalmazott hibajelző kódtól és az üzenetismétlés rendszerétől függően kb. 200...2000 elemi jel között van. További szempont lehet, hogy a forráskódot szolgáltató adó rendelkezik-e az üzenetismétléshez szükséges képességgel (pl. a CD olvasásnál üzenetismétlésre nincs lehetőség). Bizonyos esetekben az is mérlegelendő, hogy rendelkezünk-e a forráskód elemeinek gyakoriságára vonatkozó statisztikával. 4.2.4. A kód Hamming-súlya

A továbbiakban feltételezzük, hogy az üzenetforrás szimbólumai azonos valószínűségűek és a forrás, valamint a csatorna egyaránt bináris. A forrás egyes kódszavait kódvektoroknak tekintjük. Megjegyezzük, hogy a kommunikáció során azonos hosszúságú kódszavakat használnak, amelyekből ún. blokk-kódok állíthatók elő. Egy X kódszó (vagy X vektor) Hamming-súlyán a kódszó (vektor) nem zérus elemeinek számát értjük és W(X)-szel jelöljük. Példa: X = (1011) → W(X) = 3 Y = (0110) → W(Y) = 2 4.2.5. A kód Hamming-távolsága

Az üzenet hibafelfedési és javítási lehetőségét az üzenetek kódszavaiban rejlő eltérések nagymértékben meghatározzák. Ezért van szükség a Hamming-távolság fogalmának bevezetésére. Két kódszó (vektor) közötti Hamming-távolságon azon elemek számát értjük, amelyeknél a két kódszó (vektor) eltér egymástól. Az előző két kódszó (X; Y) közötti Hamming-távolság: d(X,Y) = 3. Két kódszó Hamming-távolsága (d) tehát a két kódszó eltérő bitjeinek számát jelenti, ahol a d azt adja meg, hogy a két kódszó hány helyiértéken tér el. 63

Pl.: A: 10110010 B: 00101010

: 10011000. Ahhoz, hogy az A ill. B kódszavak eltérő bitpozícióinak számát meghatározzuk az A∀B -t, azaz az A ill. B kódszavak antivalenciáját - (EXOR függvényét) képeztük bitenként. Az eredményben az 1-esek száma (azaz az eredmény vektor súlya) jelenti a Hamming-távolságot: d = 3. Általánosságban elmondható, hogy a hibavédelemhez, tehát az adatvédelemhez, először minimálisra kell csökkenteni a forráskód redundanciáját illesztő kódolás vagy tömörítés révén, majd a hibavédelemre legmegfelelőbb redundáns bitekkel kell kiegészíteni a forráskódot. A Hamming-távolság másik megközelítése: ha két kódszó Hamming-távolsága d, akkor d darab egyes bithiba kell ahhoz, hogy az egyik kódszót (pl. A) a másikba (B) vigye. A kódszó készlet Hamming-távolságán azt a legkisebb d-t értjük, amely a kódszó készlet tetszőleges két kódszava között előfordul, azaz a kódszavak közötti távolság minimuma. Példa: Kódszavak: A = (101101) B = (011101) C = (110001) D = (000011)

Hamming-távolságok:

d(A,B) = 2 d(A,C) = 3 d(A,D) = 4

d(B,C) = 3 d(B,C) = 4 d(C,D) = 3,

tehát a négy kódszóból álló kódkészlet Hamming-távolsága: d = 2. Információ átvitelnél egy adatkeret rendszerint m adatbitből (ez az üzenet) és r redundáns vagy ellenőrző bitből áll. Legyen a teljes hossz n (azaz n = m + r). A szakirodalomban (m, n) kódoknak is nevezik. Az n bites, adat- és ellenőrző biteket tartalmazó egységre gyakran kódszóként (code-word) hivatkozunk. A legtöbb adatátviteli alkalmazásban mind a 2n lehetséges adatüzenet legális, de az ellenőrző bitek kiszámítási módja miatt nem fordul elő mind a 2n lehetséges kódszó. Megadva az ellenőrző bitek kiszámításának módját, meg lehet alkotni a legális kódszavak teljes listáját, és ebből a listából ki lehet keresni azt a két kódszót, melyeknek legkisebb a Hamming-távolsága. Ez a távolság a teljes kód Hamming-távolsága. Az, hogy egy kód hibadetektáló vagy hibajavító tulajdonságú-e, a kód Hammingtávolságától függ. A hibajelző kódok jóságának megítéléséhez az alábbi jellemzők használatosak. Kiinduló adatok: • • •

a csatorna hibavalószínűsége: p n elemű kódszóban i hiba valószínűsége: pi(1-p)n-i ugyanezen szóban i hiba különböző kombinációban jöhet létre, ahol

•

n elemű szó helyes vételének valószínűsége (1-p)n, hibás vételének valószínűsége: ph= 1-(1-p)n

64

•

a jelezhető hibás szó valószínűsége: pjh

•

a nem jelezhető hibás szó valószínűsége: pnjh

•

a három utóbbi mennyiség közötti összefüggés: ph = pjh + pnjh

•

a kód hibajelző képessége: K j =

•

a javulás: J =

•

az utóbbi két mennyiség közötti összefüggés: K j = 1 −

p jh ph

ph p njh 1 1 . , ill. J = 1− Kj J

4.3. Hibafelfedő kódolás (ED, EDC – Error Detection Codes) Egy kódvektorból (kódszavakból) álló S halmaz X1, X2, X3 elemei láthatóak a 4.5. ábrán. Az S halmazon belüli X vektorokra ható meghibásodások okozhatnak olyan X’ vektorokat, amelyek az S-en belülre, ill. az S-en kívülre esnek. Az S-en kívüli X’ vektor nem eleme az S-nek, ezért gyakran nemkódszónak nevezzük. Az ilyen hiba detektálható hiba (ld. az ábrán az X2→ X4). Ha a meghibásodás révén létrejövő X’ eleme az S-nek, azaz egy kódszó, akkor ez a hiba nem detektálható. U

S

X1

Meghibásodás

X3

Meg

hibás od

ás

X2

X4

Kódszavak:

X 1 , X 2 , X 3 Detektálható hiba: X 2

Nemkódszavak: X 4

X4

Nem detektálható hiba: X 1

X3

4.5. ábra: A hibadetektálhatóság szemléltetése Példa: X1 = (101101) X2 = (110101)

X3 = (111101) X4 = (110100).

Látható, hogy X1-ből egy bithiba esetén X3 kódszó képződik, amely ugyancsak eleme az Snek, tehát a hiba nem detektálható. Az X2-ből egy bithiba esetén keletkezhet az X3 vagy az X4. Ha az X’ = X2, → X3, akkor a hiba nem detektálható, de ha X’ = X2, → X4, akkor detektálható, mert X4 nem eleme az S halmaznak, azaz nemkódszó. Azt, hogy a fellépő hiba egy nemkódszót eredményezzen, mesterségesen, a redundancia növelésével tudatosan elérhetjük hibadetektáló kód alkalmazásával. A hibadetektáló kód az U kódvektorok olyan S halmaza, amely kód úgy jön létre, hogy az S halmaz meghibásodott elemei a hibadetektáló kód hatására a halmazon kívülre esnek. Általánosságban elmondható, hogy a hibaelhárításhoz, tehát az adatvédelemhez, először minimálisra kell csökkenteni a forráskód redundanciáját illesztés vagy tömörítés révén, majd a hibavédelemre legmegfelelőbb redundáns bitekkel kell kiegészíteni a forráskódot. A hibadetektáláshoz tehát szükség van egy megfelelően kiválasztott hibadetektáló kódra, egy kódolóra az adóban és egy dekódolóra a vevőben. A hibadetektáló kódolás vázlata a 4.6. ábra szerinti.

65

Jelző/javító kódoló

Digitális forrás

Modulátor

Átviteli csatorna Felhasználó

Dekódoló

Zaj

Demodulátor

4.6. ábra: A hibadetektálás blokkvázlata A dekódoló értelmezi a hibadetektáló kódban lévő információt, különbséget tesz a kódszavak és a nemkódszavak között. A dekódoló a hibadetektáló funkció megvalósításával hiba esetén közli a rendszer további elemeivel, hogy a vett kódszó nemkódszó. Ha a dekódoló felépítése és a kód lehetőséget ad arra, hogy a dekódoló egy nemkódszót az eredeti kódszóval helyettesítse, akkor hibajavítás történik. Egy kód hibafelfedő képessége a Hamming-távolsággal meghatározható.

A hibafelfedés szükséges feltétele: d ≥ 2.

(4-3)

Más szóval: a hibafelfedés szükséges feltétele, hogy a Hamming-távolság egynél nagyobb legyen. Ha ugyanis a két küldött kódszó között a d = 1, akkor egy hiba a másik érvényes kódszót is eredményezheti. Pl.: A: 100

B: 101. A két kódszó között d(A,B) = 1. Ha A kódszó (100) küldésekor a hiba az eltérő bitpozícióban történik, akkor az a B-t eredményezi (101). A hiba azért nem fedhető fel, mert az 101 az a B kódszó, tehát a vevő dekódolója nem tudja eldönteni, hogy az A kódszót hibásan kapta-e, és a B kódszót kapta-e hibátlanul, mert az 101 adat az előbbiek alapján kódszó, eleme S halmaznak. Általánosságban elmondható, hogy t számú hiba felfedéséhez

d=t+1

(4-4)

Hamming-távolságú kódszó készletre van szükség.

Maximálisan t = d - 1 hiba fedhető fel.

(4-5)

A gyakorlatban többféle hibafelfedő kódot alkalmaznak, mint amilyen pl. a paritáselemes kód, vagy a CRC kód.

4.3.1. Paritáselemes kódolás Hibafelfedést legegyszerűbben ún. paritáselemes kódolással lehet elérni oly módon, hogy a kódszó készlet valamennyi elemét kódszavanként egy redundáns, ún. paritás bittel látjuk el, amely a kódszó 1-eit ill. 0-áit párosra vagy páratlanra egészíti ki. Az egyszerű (d = 2) paritáselemes kódok kódszavanként egy ill. páratlan számú hiba jelzésére alkalmasak, de páros számú hiba felfedésére alkalmatlanok. Páros számú hiba lehet azonos típusú (pl. 00 → 11 vagy 11 → 00), illetve ún. kereszthiba (01 → 10 vagy 10 → 01). Egyik hibatípus sem változtatja meg a kódszó páratlan vagy páros jellegét, ezért a hiba nem fedhető fel ezzel a módszerrel.

A paritáselemes kód lehet: • páros 1-es, • páros 0-ás, • páratlan 1-es, vagy • páratlan 0-ás kiegészítésű. 66

A járulékos (redundáns) bitet rendszerint paritásbitnek nevezik. Tételezzük fel, hogy csak egy bites információt akarunk továbbítani:

A= (0) vagy B = (1). A két kódszó között d(A,B) = 1, tehát hibafelfedés nem lehetséges, mivel a hiba a másik érvényes kódszót eredményezi. Lássuk el páros 1-es paritás bittel a két kódszót:

A = (0 0) B = (1 1). Így a két kódszó között d(A,B) = 2, tehát 1 hibát fel lehet fedni, mert ez esetben a vevőben 01 vagy 10 jelenik meg. Ezt a hibát viszont nem tudjuk javítani, mert nem ismerjük a hiba helyét. Az egyes kódszavak vektortérben is ábrázolhatók a 4.7. ábra szerint.

4.7. ábra: Kódszavak vektoros értelmezése A kódszavak vektoros értelmezése és ábrázolása lehetővé teszi a hibafelfedés és javítás végzéséhez a vektorműveletek alkalmazását. A kódszavak algebrai ellenőrzése a vektorterek merőlegességének vizsgálatán alapul, amit a merőleges tér paritásmátrixának bázisvektoraival való skalárszorzással lehet végrehajtani.

Paritás ellenőrzéssel bármely kód ellátható. Példaként lássuk el páros 1-es paritás bittel az NBCD kódot. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

8 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1

4 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0

2 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0

1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

P 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0

Az ilyen párosság ellenőrzéssel ellátott BCD kódok továbbításához párhuzamos átvitelnél öt vezetékre van szükség. A relatív redundancia tehát Rrel =

5 − ld10 5

= 0,336.

A hibafelfedést tehát a redundancia növelésével értük el. TTL rendszerben a paritásbit előállítása, ill. ellenőrzése az SN 74180 típusú bővíthető 8 bites áramkörrel könnyen elvégezhető. A paritásos ellenőrzést igen gyakran alkalmazzák, mert így tetszőleges kódtípus felruházható hibafelfedő képességgel. Paritás hibajelzéssel megvalósított párhuzamos kódátvitel vázlatát mutatja a 4.8. ábra. A paritás generátor figyeli az adó 67

kimeneteit és előállítja a paritásbitet, amivel kiegészíti az átküldendő jelet. A vevő oldalon a paritás vizsgáló figyeli a vett kódszót, és ha nem megfelelő számú 1-est észlelt, akkor jelzést ad.

4.8. ábra: Paritás ellenőrzéses átvitel párhuzamos csatornán A paritásbit előállítása és ellenőrzése ugyanolyan áramkörrel végezhető el. A 8 bites generátor ill. checker belső logikáját szemlélteti a 4.9. ábra. Az áramkör páros, ill. páratlan paritásra beállítható.

4.9. ábra: Paritás generátor és ellenőrző logikai felépítése

Soros adatátvitel esetén használatos 8 bites soros üzemű paritás generátor felépítését szemlélteti a 4.10. ábra.

4.10. ábra: Soros üzemű paritás generátor Az ábrán a modulo 2 számláló tulajdonképpen egy T flip-flop, amely T = 0 – esetén tárol, T = 1 esetén komplementál. A kapcsolás működése: az órajel egyrészt a két léptető regisztert, másrészt a 8. bitet kapuzó számlálót és a T flip-flopot lépteti. A T flip-flop bemenetére kerülnek a forrás kód bitjei, így a flip-flop minden 1-es bitre komplementál, 0-s bit esetén nem 68

változik. A hetedik bit beérkezése után a T flip-flop tartalmát a 8. impulzus után a számláló 8 bites léptetőregiszter 8. bitjébe kapuzza.

Példa Lássuk el az A = 1010100 ill. a B = 1000111 kódszavakat páros 1-es paritásbittel a 4.10. ábra szerinti áramkörrel. A 2o - 0 21 - 0 22 - 1 23 - 0 24 - 1 25 - 0 26 - 1

T flip-flop 0 0 1 1 0 0 1 paritásbit

B 1 1 1 0 0 0 1

T flip-flop 1 0 1 1 1 1 0 paritásbit

Megjegyezzük, hogy a kétdimenziós (sor-oszlop) paritásellenőrzés hibajavításra is alkalmas (ld.4.5.3) pontban.

A paritáselemes hibadetektáló kód hibaanalízise A k elemű és 1 helyiértékkel k + 1 helyiértékűre kiegészített d = 2 Hamming-távolságú páros 1-es paritású kód hibaanalízise páratlan számú (1, 3, 5…) hiba esetére. A jelezhető hibás szavak valószínűsége: (-)

ahol n = k + 1. Ha a kis valószínűségi tagokat elhanyagoljuk, akkor és mivel, ha p elég kicsi és ekkor

A kód jelzőképessége K j értéke n növekedésével csökken.

A kód redundanciája Az ilyen kódokat csak nagyon kis hibavalószínűségű csatorna esetén célszerű alkalmazni, pl. számítógépen belüli információátvitel esetén a tárolókban, vagy rövid távolságú soros átvitel esetén, mint pl. RS 232.

69

Nézzünk egy számszerű példát az ötelemű távíró kódra. A hatodik elem a paritáselem. A kód redundanciája R = 1/6. Ha pl. p = 10-3, akkor ph = 1- (1-p)6 = 6 ·10-3, pjh = 5,97 ·10-3 és pnjh = 3 ·10-5. A javulás J = 200-szoros. A jelzőképesség Kj=0,995.

4.3.2. Aránykódok Aránykódnak nevezzük azon kódokat, amelyeknek minden kódszava azonos számú 1-et tartalmaz (természetesen ugyanakkor azonos számú 0-át), azaz amelyeknek a kódszavaiban az 1-ek és a 0-ák aránya állandó. Amennyiben minden lehetséges kombinációt felhasználunk, könnyen belátható, hogy az ilyen felépítésű kódok minimális távolsága d = 2. Ezek a kódok nagyobb hibavédelmet nyújtanak, mint az egyszerű paritáselemes kódok. Az aránykódok bármilyen számú hibát jeleznek, kivéve az ún. kereszt-, vagy transzpozíciós hibákat, azaz azon eseteket, amikor ugyanannyi 1-ből lesz 0, mint ahány 0-ból 1. Nyilvánvalóan a kereszthibák mindig páros számúak (egy kereszthiba két hiba). Azonban ezen hibák valószínűsége kicsi. Egy tipikus aránykód pl. a 7 elemű, három 1-et és négy 0-át tartalmazó kód, vagy más néven a ”7-ből 3” kód. Néhány kódszó a következő táblázatban található. Helyiérték:

Kódszavak:

1 1 0 0 0

2 0 0 1 1

3 1 1 0 0

4 1 0 1 0

5 0 1 0 1

6 0 1 0 0

7 0 0 1 1

A lehetséges kódkombinációk száma A redundancia Egyszerűen számítható ki a nem jelezhető hibás szavak valószínűsége, ha tekintetbe vesszük, hogy a dupla kereszthiba előfordulásának valószínűsége kicsi, tehát csak egyes kereszthiba lehetőségét számítjuk ki. A három 1-es közül valamelyik meghibásodásának valószínűsége a négy 0-ás közül valamelyik meghibásodásának valószínűsége így Innen a kód által elérhető javulás (-)

Ha pl.

, akkor

,

, J = 585-szörös,

Az aránykódok egyszerűbb hibafelfedő áramkört igényelnek. Ezek alapvető jellemzője, hogy az egyes kódszavakban szereplő egyesek és nullák aránya állandó. A leggyakrabban használt aránykód a 7-4-2-1-0 súlyozású ún. „5-ből 2” kód. A biquinary kód 9-re oly módon komplemens, hogy a bi és a quinér részeket fordítva kell leírni. A gyakoribb aránykódok táblázatait a 4.11. ábrán adtuk meg.

70

4.11. ábra: Arány kódok

A paritásbites vagy az aránykódú védelem egy-egy hiba felfedését biztosítja. Ez a feltétel, miszerint a csatornán csak egy hiba keletkezik, egyáltalán nem, vagy csak korlátozott esetben garantálható, ezért ezen védelmi megoldásokat csak olyan esetekben használják, ahol pl. kis távolságú és lassú az átvitel (pl. RS-232), a CPU és a félvezető memóriák közötti adatcserénél vagy speciális hardver kialakítású átvitelnél (pl. ASI). Az ipari kommunikációs rendszerekben a polinomok osztására visszavezetett CRC algoritmust alkalmazzák, amelynek nagyságrendekkel jobb a hibafelfedő tulajdonsága (ld.4.3.4. pontban). 4.3.3. Korrelációs kód A hibajelző kódok hatásosságának növelése történhet mind a redundancia növelésével, mind a kód elemei közti meghatározott összefüggések bevezetésével. Erre példa a következő ún. korrelációs kód. Előállítása a következő: az információ minden eleméhez hozzárendelünk két elemet úgy, hogy az 1-hez 10-et és a 0-hoz 01-et: Információ Kódszó

1 1

0 0

0

1 1

1

1 0

1

0 0

0

Ilyen módon a korrelációs kód redundanciája független n-től és értéke R =

1

1 . 2

A kód felépítéséből következik, hogy a minimális távolság d =2, ti. két elsődleges kódszóhoz, amelyek között a távolság d = 1, két olyan korrelációs kódszó tartozik, amelyek között d = 2. A kód magas hibavédelme onnan következik, hogy a nem jelezhető hibák valószínűsége kicsi. 71

Csak egymás mellett lévő – az elsődleges elemhez tartozó – két elemen létrejövő transzpozíciós hibák nem fedhetők fel. Ilyen hibák valószínűsége (ha a korrelációs kód 2n elemű) (-)

mivel az n elsődleges elemből i-t féleképpen lehet kiválasztani, és annak valószínűsége, hogy a kiválasztott i elsődleges elemhez tartozó 2i kódelem – sem nem több, sem nem kevesebb - meghibásodik, Rövid kódszó esetén és kis csatorna-hibavalószínűség mellett elegendő az első taggal számolni. Pl. ha n = 5 és p = 10-3, akkor , J = 2.10-3-szoros. Ezt a kódot mágneses háttértárak esetén szokás alkalmazni.

, a javulás

4.3.4. Ciklikus kódok Magas hibajelző képességű, hibacsomót is jelző (bizonyos feltételek esetén javító) kódok a ciklikus és a rekurrens kódok. A ciklikus kódok elméletében egy n elemű kód minden a0, a1,…an-1 eleméhez egy a0 + a1x + a…an-1 x n-1 n-1-ed fokszámú polinomot rendelünk. A ciklikus kód matematikai alapja a modulo polinom algebra. Legismertebb típusa a CRC kódolás. 4.3.4.1. Ciklikus redundancia kód (Cyclic Redundancy Check, CRC) A hibajelző ill. hibajavító kódokat két fő csoportba lehet sorolni: a blokk-kódok ill. a konvoluciós kódok csoportjába. Mindkettőre jellemző, hogy redundáns paritásbiteket csatolnak az üzenet bitjeihez. A blokk kódok egy további alcsoportját a lineáris kódok alkotják, amelyekbe a ciklikus kódok is beletartoznak. A blokk-kódok fix hosszúságú kódszavakból vagy vektorokból állnak. A kódszó hosszán vektor elemeinek a számát értik. Egy n bites kódn k szó lehetséges kombinációinak száma 2 , amelyből m = 2 alkotja a kód ún. vektorterét. Az ilyen kódokat (n, k) kódoknak nevezzük, ahol k < n. Az adatvédelmi módszerek közül a legbiztonságosabb védelmet a CRC kód biztosítja. Szinte valamennyi terepi hálózat ezt a védelmi módot alkalmazza.

a, A CRC algoritmus A ciklikus kódok a lineáris kódok halmazába tartoznak. A ciklikus kód olyan tulajdonságú paritás ellenőrző kód, amelynél a kódszó ciklikus eltolásával szintén egy kódszót kapunk. A ciklikus kódok matematikai felépítése világos, egyértelmű, egyszerű. Kódolása és dekódolása lineáris visszacsatolt regiszterrel hardver vagy szoftver úton könnyen és viszonylag gyorsan elvégezhető. Kiváló hibafelfedési (esetleg javítási) tulajdonsága miatt a ciklikus kódot igen gyakran használják a soros adatátvitel során az átvitel ellenőrzésére CRC formájában (Cyclic Redundancy Check). A ciklikus (n, k) kód tehát olyan lineáris blokk-kód, amely n bit hosszúságú és k bit információs bitet tartalmaz, továbbá rendelkezik azzal a tulajdonsággal, hogy bármely kódszavának ciklikus eltolása is érvényes kódszót alkot. A ciklikus kódok leírásánál az n komponensű vektor elemei n - 1-gyel kezdődnek:

C = Cn-1, Cn-2, ........... C2, C1, Co. A C-t egy hellyel balra forgatva az L(C)-t kapjuk:

L (C) = (Cn-2, Cn-3, ............C2, C1, Co, Cn-1). A ciklikus kódszó koefficiensei (Cn-1, Cn-2...) felhasználhatók egy kódszó polinom előállítására: 72

C (X ) = C Xn- 1 + C Xn - 2 ... + C X + Co n- 1 1 n-2 Például a C = 1001011 kódszó koefficienseiből a

(4-9)

C (X) = 1 • X6 + 0 • X5 + 0 • X4 + 1 • X3 + 0 • X2 + 0 • X2 + 1 • X1 + 1 • X0, azaz C (X) = X6 + X3 + X + 1 polinom képezhető. A továbbiak megértéséhez a modulo 2 algebra szabályainak ismerete nélkülözhetetlen. A modulo 2 algebrában a műveletvégzés általában hasonló az euklidesziben ismerthez, de az egyes helyiértékek között átvitel nem képződik, így az összeadás és a kivonás megegyezik.

Szabályok:

0 + 0 = 1 + 1 = 1 – 1 = 0, 1 + 0 = 0 + 1 = 0 – 1 = 1 – 0 = 1, áthozat nincs! 0•1=1•0=0•0=0 szorzás 1•1=1

A modulo 2 algebra szerinti összeadó (ill. kivonó) tulajdonképpen egy antivalencia elemből áll. Ezért némely irodalomban az összeadás + jele helyett az antivalencia ∀ vagy ⊕ jelet használják. A polinom fokszámát a legnagyobb kitevőjű tag kitevője határozza meg. Az osztás művelete arra ad választ, hogy hányszor lehetséges a modulo 2 algebra szabályai szerinti kivonási művelettel csökkenteni az osztandót. A modulo 2 aritmetikában az osztás eredményét a maradék szolgáltatja. A kivonás akkor végezhető el, ha a kisebbítendő fokszáma nagyobb vagy egyenlő a kivonandó fokszámával. A ciklikus kódok hibafelfedésre történő alkalmazása a kódszavak által képviselt polinomok matematikai tulajdonságaiban rejlik. E szerint egy (n, k) bináris ciklikus kódban csakis egy r = n - k minimális fokszámú nem zérus kód-polinom (G(X)) létezik. Minden kód-polinom a G(X)-nek többszöröse. Ha tehát egy kód-polinomot (pl. P(X)) elosztunk a G(X)-szel, akkor a hányados az A(X) és a maradék a B(X):

P(X)=A(X)G(X) + B(X), ahol az A(X), azaz a hányados egy polinom, és a B(X), azaz a maradék kisebb fokszámú polinom, mint a G(X). A G(X)-et generátor polinomnak nevezik, amelynek kulcsszerepe van a ciklikus redundancia kódoláson alapuló hibafelfedésnél. Példaként tekintsük a Hamming kód, 7 3 mint (7,4) ciklikus kód ellenőrzéséhez a P(X) = X + 1 polinom osztását a G(X) = X + X + 1 generátor polinommal (f3 (X)).

Az X7+1 polinom generátor polinomjai: f1 f1 (X) f2 (X) f3 (X) f1(X) • f2(X) f1(X) • f3(X) f2(X) • f3(X)

G(X) X+1 X3+X2+1 X3+X+1 X4+X3+X2+1 X4+X2+ X+1 X6+X5+X4+X2+X+1

(n, k) kód (7, 6) (7, 4) (7, 4) (7, 3) (7, 3) (7, 1)

X7 + 1 = f1(X) • f2(X) • f3(X)

73

A P(X)/G(X) azaz (X7 + 1) / (X3 + X + 1) osztás elvégzése:

A CRC ellenőrző bitek képzése 1. lépés: az m információs bittel rendelkező n bit hosszúságú kódszót, amelyben az m információs bitet n - m = r darab 0 követi, a modulo 2 osztás szabályai szerint elosztják egy n - m + 1 = r + 1 bit hosszúságú osztóval, az ún. generátor polinommal. Figyeljük meg, hogy az m információs bit után írt r darab 0 tulajdonképpen az m információs bittel rendelkező kódszór nak 2 -rel történő szorzatát eredményezi. n

n - m = r darab 0

m információs bit

2. lépés: az n - m + 1 bit hosszúságú generátor polinommal történő osztás után képződő maradékot az n - m = r számú 0 helyére írják, és az így képzett kódszót átviszik (átküldik) a vevőhöz. n bit hosszúságú átvitt kódszó

CRC kód (n - m = r bit)

m információs bit

Az így átvitt n bit hosszúságú kódszó a modulo 2 osztás szabályai szerint maradék nélkül osztható a generátor polinommal.

4.3.4.1/1. Példa

74

7

6

5

2

•

Kódszó: 11010101

→

P(X) = X + X + X + X + 1

•

Osztó: 1001

→

G(X) = X + 1

3

A CRC bitek előállítása az adóban 3

1. lépés: Állapítsuk meg az r értékét! Mivel az osztó G(X)=X + 1, azaz 1001 négy bites, ezért az r = 4 – 1 = 3. 2. lépés: Végezzük el az osztást és állapítsuk meg a maradékot. 11010101000 1001 1000 1001 1101 1001 1000 1001 000100

Kiegészítő bitek száma: r = 4 - 1 = 3

maradék

3. lépés: írjuk a maradékot a 3 db 0 helyére és állapítsuk meg az átviendő kódszót: 11010101

100

Küldött kódszó (T(X))

CRC

4. lépés: vizsgáljuk meg a vett kódszót a CRC szabályai szerint, azaz osszuk el 1001-gyel: 11010101100 1001 CRC 1000 1001 1101 1001 1001 1001 000

Nincs maradék, tehát az átvitel igen nagy valószínűséggel hibátlan.

4.3.4.1/2. Példa Üzenet: 1101011011 (m = 10 információs bit). Generátor polinom: 10011 (5 bit). Az üzenet r = 5 – 1 = 4 darab 0 bit hozzáfűzése után: 11010110110000.

75

m

CRC

Továbbított keret T(X): 11010110111110 A példában tehát m = 10 információs bithez r = 4 db 0-át, (ill. CRC bitet) ragasztunk, mivel az osztó 5 bites (r + 1 = 5), így az átvitt (T(X)) kódszó n = 14 bites.

b, A CRC ellenőrzés matematikai igazolása 1. lépés: Amikor a P(X)-et kiegészítjük r darab 0-val, akkor tulajdonképpen a P(X)-et megszorozzuk Xr-rel, azaz P(X) ⋅ Xr (lásd balra léptetés). 2. lépés: Amikor az előző eredményünket (azaz a P(X) ⋅ Xr) elosztjuk a generátor polinommal (G(X)-szel), akkor P (X ) ⋅ Xr R (X ) egyenletet kapjuk, ahol Q(X) az eredmény, az R(X) a maradék, = Q (X ) + G (X ) G (X ) amelyik tört kifejezés.

3. lépés: Amikor az 1-es lépésben leírt r darab 0 helyére a maradékot írjuk, akkor hozzáadjuk a P(X) ⋅ Xr-hez a maradékot. Az elküldött kódszó (T(X)) tehát: T(X) = P(X) ⋅ Xr + R(X). A CRC ellenőrzés a vevőben

76

4. lépés: Hibadetektálásnál a vevő a T(X)-et elosztja az általa is ismert G(X)-szel. Ha a vett kódszó T(X) akkor a T(X)-et G(X)-szel elosztva

hányados A modulo 2 szabályai szerint: ezért T(X)/G(X) = Q(X), azaz a T(X) maradék nélkül osztható G(X)-szel. Ha az átvitelnél hiba fordul elő, akkor a hiba is reprezentálható egy E(X) polinommal. Pl. ha az eredeti üzenet negyedik bitje 0-ról 1-re és a 7-ik bitje 1-ről 0-ra változik:

P(X) = 1010001101 ⊕ E(X) = 0010010000 ↓ ↓ 1000011101 A vevő bemenetére tehát a T(X) + E(X) kerül, amely csak akkor osztható maradék nélkül a G(X)-szel, ha E(X) is osztható vele. Csak akkor lesz felfedhetetlen a hiba, ha a hibaminta véletlenül, de éppen összeesik a generátor polinom mintájával. Ez is csak bizonyos valószínűséggel fordul elő. Az alkalmazott távközlő vonalakon lévő zajok és zaj-statisztikák (hiba minták) ismeretében úgy kell megválasztani a generátor polinomot, hogy felfedhetetlen hibák ne legyenek, illetve csak megengedett valószínűséggel. A továbbiakban összefoglaljuk a CRC kóddal elérhető hibadetektálási valószínűségeket.

c, A CRC kód hiba analízise 1, Egy hibás bit Abban az esetben, ha az adat üzenet, vagy blokk, amelyet polinom kóddal védünk, csak egy hibával rendelkezik, akkor E(X) = Xi alakban írható. Természetesen 0 < i < k. A generátor polinomot (G(X)) ezért úgy kell megválasztani, hogy legalább két tagból álljon, akkor xi nem osztható vele. A detektálás valószínűsége: 100 %, tehát minden egybites hiba felfedésre kerül.

2, Kettős bit hiba Ha az adatblokkban egymás mellett kettő bit hibásodott meg, azaz E(X) = Xi + Xj, ahol i < k és j < k. Ha i < j, akkor E(X) = Xi (1 + Xj-i) nem lehet osztható G(X)-szel. A három tagból álló generátor polinom megoldja ezt a feladatot. A felfedés valószínűsége 100 %.

3, Páratlan számú hiba Abban az esetben, ha az adatblokk páratlan számú hibát tartalmaz, bizonyítható, hogy nem osztható (X + 1)-gyel. Tehát, ha olyan generátor polinomot választunk, amely (X + 1)-et (esetleg még általánosságban (Xi + 1)-et) tartalmaz tényezőként, a hiba 100 %-osan felfedhető. 77

Magyarázat: Ha páratlan számú bit hibás, E(X) páratlan számú tagot tartalmaz (pl. X5 + X2 + 1, de pl. az X2 + 1 nem ilyen). Elég érdekes, hogy nincs olyan páratlan tagot tartalmazó polinom, amely osztható lenne X + 1-gyel, a modulo 2-es rendszerben. G(X)-et úgy megválasztva, hogy osztható legyen X + 1-gyel, az összes páratlan számú invertált bitet tartalmazó hibát felismerhetjük. Hogy belássuk azt, hogy nincs olyan páratlan számú tagot tartalmazó polinom, amely osztható X + 1-gyel, tételezzük fel, hogy E(X) páratlan számú tagot tartalmaz, és osztható X + 1-gyel. Alakítsuk E(X)-et szorzattá: E(X) = (X + 1)Q(X). Most értékeljük ki az E(1) = (1 + 1)Q(1) egyenletet. Mivel 1 + 1 = 0 (modulo 2), E(1)-nek is 0-nak kell lennie. Ha E(X) páratlan számú tagból áll, X helyébe egyet helyettesítve mindig 1-et kapunk. Ezért nincs olyan páratlan számú tagból álló polinom, amely osztható X + 1-gyel.

4, Hibacsomók A hibacsomók egy adatblokkon belüli hibás csoportot (van köztük jó bit is) jelentenek. b hosszúságú a hibacsomó, ha az első és az utolsó hibás bitek között b-2 számú bit van. Pl.

E(X)→0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0, akkor b=7

az E(X) szorzatként is felírható: E(X) = Xi ⋅ E1(X), ahol i < k. A fenti példában E(X) = X10 + X8 + X5 + X4 = X4 ⋅ (X6 + X4 + X+1). Mivel X1 nem osztható G(X)-szel, azt kell biztosítani, hogy E1(X) se legyen osztható. Ezt olyan generátor polinommal tudjuk biztosítani, mely több tagból áll, mint az E1(X). (E1(X) b számú tagból állhat maximálisan). Egy r-ed fokú polinom pedig r + 1 tagból áll. Tehát b < r + 1 esetben minden hiba felfedhető, a detektálás valószínűsége 100 %. Azonban a hibacsomók hossza véletlenszerűen változhat, és bizonyos esetekben meghaladhatja az r + 1 értéket. Ha b = r + 1, akkor előfordul, hogy az E1(X) éppen osztható G(X)-szel és ilyenkor nem fedhető fel hiba. Minél több tagból áll a generátor polinom (G(X)), annál kisebb a megegyezés valószínűsége. Bizonyítható, hogy a felfedés valószínűsége

b = r + 1 esetben b > r + 1 esetben Az elméleti úton számított értékeket kísérleti mérésekkel igazolták. A hatásos védelem tehát a hibák jellemzőinek helyes meghatározásán alapul. Fentieket az alábbiak szerint foglalhatjuk össze. Egy (n, k) ciklikus kód az összes egyszeres és páratlan számú hibát garantáltan felfedi, ezen felül valamennyi olyan többszörös hibát jelzi, amely (n - k) vagy kevesebb szomszédos bitpozíciót érint. Hibafelfedés csak akkor nem történik, ha a többszörös átviteli hiba során a T(X) úgy változik meg, hogy a megváltozott T(X) is maradék nélkül osztható G(X)-szel. Ennek elkerülésére minél magasabb fokszámú generátor polinomot célszerű használni.

78

Átvitel-technikai szabványok által javasolt generátor polinomok:

• G (X ) = X16 + X12 + X5 + 1 • G (X ) = X16 + X15 + X 2 + 1

← CRC - CCITT

• G (X ) = X12 + X11 + X 3 + X 2 + X + 1

← CRC - 12

← CRC - 16

• G (X ) = X 32 + X 26 + X 23 + X 22 + X16 + X12 +   ← CRC − 32 + X11 + X10 + X8 + X7 + X5 + X4 + X 2 + X + 1  CRC 16 esetén a hibadetektálási hatékonyság: • • • • • •

egy bithiba a keretben: 100 %, két bithiba a keretben: 100 %, páratlan számú bithiba a keretben: 100 %, ha a hiba csomó rövidebb, mint 16 bit: 100 %, ha a hiba csomó éppen 16 bit: 99,9969 %, valamennyi más hibacsomó esetén: 99,99849 %.

d, CRC kód generáló és ellenőrző áramköri megoldások A CRC kód előállítására és ellenőrzésére a következő megoldásokat használják: • léptetőregiszteres módszer (hardver módszer), • memóriakímélő, de lassú (szoftver módszer), • sok memóriát igénylő, gyors módszer (szoftver módszer). A CRC kód generálása ill. ellenőrzése (azaz a G(X) polinommal való osztás) elvégezhető a 4.12. ábra szerinti általános visszacsatolt regiszterrel. ...

g1

g0

P(X)

C0

gr-2

C1

...

gr

gr-1

Cr-2

Cr-1

4.12. ábra: CRC kód ellenőrző áramkör Az ábrán lévő négyzetek a léptetőregiszter elemei (pl. JK vagy D flip-flopok), az ⊕ jel a modulo 2 szerinti összeadás ill. kivonás jele, azaz exlusive OR kapu. A körök a generátor polinom együtthatóit jelentik, amelyek 0 vagy 1 értékűek, azaz szakadás vagy rövidzár. A CRC-CCITT szerinti CRC ellenőrzés léptetőregiszteres felépítését szemlélteti a 4.13. ábra.

4.13. ábra: CRC-CCITT ellenőrző áramkör 79

Tekintettel a CRC kódú hibafelfedés fontosságára, a módszert egy következő példán egészen a léptetőregiszteres elemzésig bemutatjuk.

4.3.4.1/3. Példa

P(X) = X9 + X7 + X 3 + X 2 + 1 ;

m=9

G(X) = X5 + X4 + X 2 + 1

r=5

;

.

Határozzuk meg a CRC biteket és ellenőrizzük a vett kódszót!

1. lépés

P(X) ⋅ X5 = X14 + X12 + X8 + X7 + X5 . Ez megfelel: 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 bitsorozatnak.

2. lépés Elvégezve a polinomok osztását a következő eredményt kapjuk: Q(X) = X9 + X8 + X6 + X4 + X 2 + X R(X) = X 3 + X 2 + X, azaz 0 1 1 1 0 3. lépés 14 + X12 + X8 + X7 + X5 + X 3 + X 2 + X T(X) = X    

 

R(X) X5 ⋅ P(X) A továbbított adatblokk tehát: 0 111 0 Küldött üzenet T(X): 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 ,  

 

adatbitek hibavédő bitek (CRC bitek)

azaz a továbbított üzenet maradék nélkül osztható a G(X) polinommal, amennyiben hiba nincs jelen. A vevő berendezés a vett üzenet polinomot osztja az általa is ismert generátor polinommal (G(X)) és a maradékot vizsgálja. A példában vázolt P(X) kódszóhoz a léptetőregiszteres CRC kódgenerálást (és ellenőrzést) szemlélteti a 4.14. ábra.

4.14. ábra: A példabeli CRC kódgeneráló áramkör A bitfolyamon a CRC kód generálását a 4.3. Táblázatban foglaltuk össze.

80

4.3. Táblázat

Kezdeti tartalom 1. lépés 2. lépés 3. lépés 4. lépés 5. lépés 6. lépés 7. lépés 8. lépés 9. lépés 10. lépés 11. lépés 12. lépés 13. lépés 14. lépés 15. lépés

A 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0

B 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1

C 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1

D 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1

E 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0

Bemeneti bitek

1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0

A továbbítandó üzenet

5 db zérus

A maradék, melyet a blokk végén, mint hibavédő üzenetet továbbítunk (CRC bitek). A bejövő 10 adatbit és a generátor polinom fokszáma (r = 5) meghatározza a lépések számát, melyet óra jellel vezérlünk. A 15. lépésben a léptető regiszterekből a hibavédő (CRC) bitek kiolvashatók. Természetesen a CRC ellenőrzés betű karakterek esetén is alkalmazható. Ilyenkor az egyes karakterek ASCII kódja szerinti bitsorozat felel meg a P(X) polinomnak. 4.3.4.1/4. Példa

A CRC algoritmust realizáló léptetőregiszteres megoldásban a 2-vel való osztási műveletet a helyiértéktolás révén a léptető regiszter, míg a kivonást az antivalencia (EXOR) kapuk realizálják. Ezt a 4.15. ábrán tanulmányozhatjuk, ahol P(X) = X + X3 G(X) = 1 + X2 + X3 P(X) ⋅ X3 = X4 + X6.

Így a beérkező kódszó: LSB0000101MSB.

81

+

+

0000101 0

0

000010 0

1

00001 0

0

0000 1

1

000 1

1

00 0

1

0 1

0 1

0 0 0 0 0 0 0

0

0

0 0

0 1

0 0

1 1

1 1

0 1

1 0

0 0 1 1 0 1 0

0 0

A regiszter tartalma Visszacsatolt érték

Lépések 0 1

0

2

1

3

1

4

0

5

1

6 7

Az éppen a regiszterben lévő együtthatók ill. a visszacsatolt értékek az osztásban a pontozott vonalak között láthatók.

(0 + 0 + 0 + 0 + X

4

+ 0 + X 6 ) : (1 + X 2 + X 3 ) = X 3 + X 2 + 0 + X 0

X +0+ X5 + X 6 X3 + X4 + X5 X 2 +0+ X 4 + X5 X2 + X3 +0 0+0+0+0 0+ X2 + X3 1+ 0 + X 2 + X 3 1+ 0 + 0 3

4.15. ábra: A példabeli CRC kód generálás A SCADA rendszerekben a 4.16. ábra szerinti algoritmusú CRC ellenőrzést használják.

4.16. ábra: A SCADA rendszerekhez használatos CRC ellenőrzési algoritmus Az eddigiekben azt mutattuk be, hogy a megfelelő léptetőregiszteres kódoló áramkör flipflopjaiban a léptetés befejeztével megjelenik a maradék. A CRC kóddal ellátott küldendő információ (T(X)) előállításához a kapcsolást úgy kell módosítani, hogy először a T(X) érvényes bitjei (k → m darab) jussanak ki a csatornára, majd ehhez a flip-flopokban lévő CRC ellenőrző bitek (r darab) csatlakozzanak. A 4.17.a, ábrán egy ilyen megoldás elvi vázlata látható. A bejövő információ m darab léptető impulzus hatására egyrészt közvetlenül kijut a kimenetre a kapcsoló 1-es állásában, majd a kapcsoló átkapcsolása után a flip-flopok tartalma, azaz a CRC bitek kapcsolódnak a kimenetre.

82

1. Kapcsoló

...

g1

p0

+

p1

g2

G(X)

+

p2

Gn-k-1

...

+

+

Pn-k-1

Kimenet

n – k léptető regiszter

T(X)

P(X) a,

1. Kapcsoló

1

2

1 állás: k - információ elem 2 állás: n-k - redundáns elem +

+

2

b,

T(X) Ki

P(X) Be 1.

4.17. ábra: A T(X) előállítása léptető regiszterrel A 4.17.b, ábrán látható logika a G(X) = X3 + X2 + 1 generátor polinommal történő osztást végez. Természetesen a mechanikus kapcsolók csak szimbolikusak a megértés könnyítése céljából. Egyébként elektronikus kapcsolók (kapuk). Figyeljük meg, hogy a kapcsoló 1-es állásában működik a visszacsatoló ág (G(X)), a 2-es állásban viszont nem. A CRC kódoló és dekódoló együttes bemutatását szolgálja a 4.18. ábra, amelyen a G(X) = X4 + X3 + X2 +1 generátor polinommal működő osztóáramkörös CRC ellenőrzés látható. Soros bemenet

&

Visszacsatolás engedélyezés

&

1

Soros kimenet

&

Törlés 1

Hiba

4.18. ábra: CRC kódoló és dekódoló felépítése A kódolási eljárás a következő.

1. Töröljük a léptető regisztert. 2. A visszacsatolás engedélyező vezetéket 1-re kapcsoljuk, majd m számú információ bitet a regiszterbe és így a kimenetre kapcsolunk. 3. A visszacsatolás engedélyező vezetéket 0-ra kapcsolva az r számú ellenőrző bit megjelenik a kimeneten. A dekódolási eljáráshoz töröljük a regisztert, majd az egész vektort (T(X)) a visszacsatolás engedélyezés 1-re kapcsolásával beléptetjük. Az utolsó bit beléptetése után, ha a regisztertar83

talom nem zérus, VAGY kapu hibát jelez. Ilyen felépítésű a Fairchild 9401-es LSI áramkör. A léptetőregiszteres megoldás előnye az egyszerű, gyors működés. Hátránya viszont, hogy csupa 0 bemenő jel esetén (pl. zárlat, szakadás) a regiszter tartalma 0 lesz, és nem jelzi a hibát. A MODBUS protokoll az alábbi szoftveres CRC generálást, ill. ellenőrzést használja.

/****** * CRC (RTU), vagy LRC (ASCII) képzése * átadott paraméterek: * adat: a továbbítandó vagy vett csomag bináris tartalma * lng : a csomag hossza (bájtban) * visszatérési érték: * CRC (16 biten) ha az átvitel RTU, ill. LRC (8 biten) ha az átvitel ASCII ******/ static int cr c(adat,lng) char* adat; int lng; { int i,j,jelzo; unsigned int check; unsigned char *ch; if(modbus_mod = = MODBUS_RTU){ /* crc képzés */ check=0xffff; ch=(unsigned char*)✓ for(i=0; i < lng; i++){ *ch=*ch ^ *(adat+i); for(j=0; j < 8; j++){ jelzo=check & 0x0001; check=check >> 1; if(jelzo){ check=check ^ 0xa001; } } } return(check); } else if(modbus_mod == MODBUS_ASCII){ /* lrc képzése */ check=0; for(i=0; i < lng; i++){ check=check+*(adat+i); } check=-check & 0x00ff; return(check); } } A CRC adatvédelem tehát csak hibafelfedést végez, ezért hibajavítás csak üzenetismétléssel (ld. ARQ) vagy járulékos áramkörrel érhető el.

A CRC hibafelfedő áramkör működési időviszonyainak meghatározásához figyelembe kell venni, hogy a CRC ellenőrzést minden üzenetkeret küldése és vétele esetén el kell végezni. Ha pl. egy üzenetkeret 10 bájtból áll, akkor 10 Kbps átviteli sebesség 10 ⋅ 000 / 10 × 8 = 104 / 80 = 103 / 8 = 125 keret/sec átviteli sebességnek felel meg. Ez azt jelenti, hogy 1 sec-onként 125-ször kell a CRC ellenőrzést elvégezni, azaz 1/125 = 8 msec-onként. 1 Mbps-os átviteli sebesség esetén ez az érték 80 µs, míg 1 Gps esetén 80 ns. Tehát az átviteli sebesség növelése a CRC algoritmus sebesség növelését is igényli, és szoros összefüggésben van a kerethosszúsággal.

84

4.3.4.2. További ciklikus kódok

A ciklikus kódok hibajavító tulajdonsággal is felruházhatók, mint pl. a Hamming kód. Ezen kódokat a Hibajavító kódolás c. alfejezetben tárgyaljuk. Itt csak megjegyezzük, hogy a CRC algoritmust realizáló áramkört egy - megfelelően tervezett - kombinációs áramkör beépítésével hibajavításra is alkalmassá tehetjük a 4.19. ábra szerint. Közbenső tároló (késleltető)

Be

+

+

+ Kombinációs áramkör

Ki

+

4.19. ábra: Hibajavításra alkalmas CRC ellenőrzés A hiba korrigálását a következő elv alapján végezhetjük: a korrigálható hibák esetén a kapott maradék különböző hibák esetén különböző. Ennek ismeretében egy kombinációs hálózat segítségével (pl. ROM memória) a vett vektor a regiszterből való kiléptetéskor a megfelelő helyiértékeken kijavítható. Az ábrán a felső léptető regiszter csak késleltető funkciót lát el. 4.4. Hibajavítás

Adatátvitel esetén az átviteli hiba javítását két módszerrel oldhatjuk meg. a, Megfelelő redundancia beépítésével bíró hibajavító kódok (EC vagy FEC) alkalmazásával, a hiba felfedése lehetővé teszi automatikus javításukat. Ez a módszer főleg akkor alkalmazott, ha csak szimplex összeköttetés áll rendelkezésre vagy üzenet ismétlésére nincs mód (pl. CD olvasás). Az alkalmazott redundáns bitek azonban az információ átviteli sebességet és a hatékonyságot nagymértékben lecsökkentik. b, Hibafelfedés és automatikus üzenet ismétlés együttes alkalmazásával (ARQ). Ezt a 4.4.2. pontban ismertetjük. 4.4.1. Hibajavító kódolás (EC vagy ECC)

Az átviteli hiba javítása további redundancia növeléssel érhető el. A hibajavítás szükséges feltétele, hogy a kódszavak között a Hamming-távolság d≥3

(4-10)

legyen. A hibajavítás kódvektoros értelmezését szemlélteti a 4.20. ábra a szükséges (d = 3) Hamming-távolság feltüntetésével.

4.20. ábra: A hibajavítás kódvektoros szemléltetése

85

Ha kódszavanként c számú hibát akarunk javítani, akkor ehhez d = 2c + 1

(4-11)

számú Hamming-távolság szükséges a kódszavak között.

Ha például egy átviteli csatornáról tudjuk, hogy 3-nál több hiba nem lép fel, akkor ennek automatikus javításához d = 2 ⋅ 3 + 1 = 7 távolságot kell biztosítani valamennyi kódszó között. Egyik példaként vegyük az alábbi négy kódszóból álló készletet: A: 0000000000 B: 0000011111 C: 1111100000 D: 1111111111

Ennek a kódnak a Hamming-távolsága d = 5, ami azt jelenti, hogy c = (5-1)/2 = 2 hibát képes javítani vagy t = d – 1 = 4 hibát képes jelezni. Ha a 0000000111 kódszó érkezik, akkor a vevő tudja, hogy két hiba esetén eredetileg a 0000011111-et küldték. Azonban ha három bithiba lépett fel, akkor a küldött kódszó 0000000000 volt és hibásan 0000011111-re lesz javítva. A Hamming-távolság alapján a javítható hibák száma:

c=

d −1 . 2

(4-12)

Másik példaként vegyük azt az egyszerű feladatot, mely szerint csak egy bitet („0” vagy „1”) akarunk továbbítani, és lássuk el automatikus hibavédelemmel. Ehhez növeljük meg a Hamming-távolságot a két kódszó között d = 3-ra, tehát: A: 000 B: 111. Az üzenetek közötti Hamming-távolság tehát d(A,B) = 3. Az eddigi ismereteink szerint lehetőség volna d - 1 = 2 hiba felfedésére. Ehelyett lehetőség kínálkozik 1 hiba javítására. Ha ugyanis garantáltan csak egy hiba keletkezik, akkor az A üzenetből ai, ill. a B üzenetből bi lesz, (ahol i = 1,2,3). Amennyiben olyan dekódoló áramkört készítünk, amely az a-kat A-nak, a b-ket B-nek veszi, akkor ez az áramkör 1 hibát ki tud javítani (4.21. ábra).

4.21. ábra: A hibajavítás szemléltetése háromdimenziós térben A hibajavítás másik megfogalmazásához tegyük fel, hogy egy kód minimális Hammingtávolsága d = 2c + 1. Ha bármely c vagy annál kisebb súlyú hiba az X kódszót úgy változtatja meg, hogy abból egy X’ hibás szó, más szóval: nemkódszó lesz, akkor ez az X’ továbbra is Xnek tekinthető, tehát javítható, mivel nincs a X’höz X-nél közelebb eső kódszó. A 4.22. ábrán c = 2 esetén megadtuk egy kód változásainak egy részletét. A c vagy annál nagyobb súlyú hiba olyan nemkódszót eredményez, amely már közelebb esik egy másik kódszóhoz, és így a

86

„javítás” helytelen kódszót eredményez. Erre is láthatunk egy példát 3 súlyú hiba esetére a 4.22. ábrán. Javítható kétszeres hiba (C=2)

0000000

0100100

0000100 Javítható egyszeres hiba (C=1)

0110100 0110110

Detektálható háromszoros hiba (C=3)

0110111

4.22. ábra: Egy d = 5 távolságú kettős hibát detektáló kód (részlet) A 4.22. ábrán a meghibásodást szaggatott , a javítás eredményét folytonos vonallal jelöltük. A kódszavak közötti Hamming-távolság ismeretében megadható az egyidejűleg felfedhető hibák (t) és javítható hibák (c) száma

dmin ≥ t + c + 1.

(4-13)

Példaként dmin = 7 esetén az alábbi lehetőség van hibafelfedésre és javításra. Felfedhető hibák száma (t) 3 4 5 6

Javítható hibák száma (c) 3 2 1 0

Amikor a fenti esetben 3 hiba képződik, akkor mindhármat lehet detektálni és javítani egyaránt. Amikor viszont öt hiba generálódik, akkor valamennyit lehet detektálni, de közülük csak 1-et lehet korrigálni. Amennyiben 6 hibát akarunk detektálni, akkor nincs lehetőség egyetlen hiba javítására sem. Ha a hibajavító kódok minimális távolsága d = 2c + t + 1, akkor ez c számú hibát javítani és további t számú hibát jelezni képes. A 4.23. ábrán egy olyan kódrészletet mutatunk be c = 1 és t = 2 esetén, ahol egy t adott kódszótól c távolságon belüli nemkódszó keletkezik, akkor a javítás elvégezhető és az az eredeti kódszót eredményezi. Az olyan esetekben, amikor a kódszótól számított távolság nagyobb mint c, de a c + t értéken belül van, akkor a kódolás a hibákat jelzi, de ha a keletkező nemkódszavak kódszótól mért távolsága meghaladja a c + t értéket, akkor a „javítás” eredményeként már helytelen kódszó keletkezik (3.23. ábra). 0100100

0000100 Javítható egyszeres hiba 0000000

0110100

Detektálható Detektálható kétszeres háromszoros hiba hiba

0110111

Helytelenül javított négyszeres hiba 0110110

4.23. ábra: Egy d = 5 Hamming-távolságú egyszeres hibát javító és háromszoros hibát detektáló kódrészlet 87

Ezek után foglaljuk össze a hibafelfedés és hibajavítás alkalmazásának tételeit. 1. Ha egy kódot csak hibajelzésre használunk, annak szükséges és elégséges feltétele, hogy bármilyen kombinációjú t vagy kevesebb hibát jelezzen az, hogy a kódszavak közötti minimális Hamming-távolság d = t + 1 legyen. A tétel igen könnyen belátható (4.24.a, ábra). 2. Ha csak hibajavításra használunk egy kódot, annak szükséges és elégséges feltétele, hogy bármilyen kombinációjú, c számú vagy annál kevesebb hibát javítson az, hogy a minimális távolság két kódszó között d = 2c + 1 legyen (4.24.b, ábra). 3. Ha hibajavításra és hibajelzésre használunk egy kódot, annak szükséges és elégséges feltétele, hogy bármilyen kombinációjú, c számú vagy annál kevesebb hibát javítson, és ugyanakkor jelezze a t számú vagy annál kevesebb - de c-nél nagyobb (t > c) - hibájú bármely kombinációt az, hogy a minimális Hamming-távolság d = t + c + 1 legyen. (4.24.c, ábra). Grafikusan - a Hamming-távolságot geometriainak ábrázolva - könnyen megjegyezhetők, illetve beláthatók a tételek. 4. Amennyiben a c nem eleme a t-nek, azaz különböző hibákat akarunk javítani (c) ill. jelezni (t), akkor ehhez

d =2c+t+1 értékű Hamming-távolságra van szükség a d, ábra szerint. d=t+1

t

1

Vett szó (jelezhető)

a,

d = 2c + 1

c

1

d/2

c

Vett szó (javítható)

Közvetített kódszó

b,

Vett szó (javítható)

Bármely másik, a közvetített kódszóhoz legközelebbi kódszó

Vett szó (jelezhető)

d=c+t+1

c t Javítási tartomány

1

Jelzési tartomány c,

d=2c+t+1

c

c

1

t

d,

4.24. ábra: A hibadetektálás és javítás szemléltetése

88

4.4.1.1. Hamming-kód Ha egy kód n elemből áll és egy hibát akarunk javítani, akkor a kód felépítésének olyannak kell lennie, hogy a nem kódszóhoz tartozó paritás vektor közvetlenül jelezze, hogy melyik elem hibás. Ez esetben ugyanis a javítás abból áll, hogy a jelölt helyen lévő bitet ellentétesre változtatjuk. Mivel a kód n elemből áll, a paritás vektor legalább n + 1 különböző értéket kell, hogy felvehessen, mivel n különböző helyiértéken lehet egy hiba és a paritásvektornak azt is kell mutatnia, ha nincs hiba..

A kód felépítése: m - információs bit k - ellenőrző (paritás bit) n = m + k. A paritás eleme(k) száma:

2m ≥ n+1,

(4-14)

m ≥ ld(n + 1).

(4-15)

vagyis: Az információ elemek száma (n = m + k helyettesítésével)

k ≤ 2m - 1-m,

(4-16)

k ≤ n – ld (n + 1).

(4-17)

ill. az m = n - k helyettesítésével Fentiekből a következő táblázat adódik. n m k

1 0 1

2 0 2

3 1 2

4 1 3

5 2 3

6 3 3

7 4 3

8 4 4

9 5 4

10 6 4

… … …

15 11 4

Célszerű a minimális redundanciájú (a nyíllal jelölt) kódokat választani, ami megfelel az előző képletben az egyenlőség alkalmazásának. Egy ilyen kódot akkor nevezünk Hamming kódnak, ha a paritásvektor, mint bináris szám éppen a hibás elem helyét mutatja. A Hamming kódnál tehát úgy választjuk meg az ellenőrző biteket, hogy a 2o, 21, 22…2k-1 helyen legyenek. Ebből az is következik, hogy a többi helyiértéken állnak az információs bitek. Fentiek illusztrálására a Hamming-féle (7, 4) hibajavító kóddal ellátott adatátviteli rendszer felépítését és működését ismertetjük a 4.25. ábra felhasználásával.

4.25. ábra: A Hamming hibajavító kód alkalmazása párhuzamos átvitel esetén

Az áramkör az egy dekádos NBCD kódú számok átvitelekor 1 hiba javítására alkalmas. A Hamming-kód táblázata: •

Információs vezetékek (m): W, X, Y, Z. 89

•

Ellenőrző vezetékek (k) : A1, A2, A4. 1 0

2 0

A1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

A

0 1 0 1 1 0 1 0 1 0

3 8 W

2

0 1 1 0 0 1 1 0 1 0

4 0

A4

0 0 0 0 0 0 0 0 1 1

0 1 1 0 1 0 0 1 0 1

5 4 X

6 2 Y

7 1 Z

0 0 0 0 1 1 1 1 0 0

0 0 1 1 0 0 1 1 0 0

0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

Az ellenőrző bitek 3 négyes csoportban vannak az információs bitekhez rendelve az alábbiak szerint. Az A1 paritás bit a 20t tartalmazó, az A 2 a 21 -t, az A 4 pedig a 2 2 -t tartalmazó vezetékek párosság ellenőrzését végzi. 1

A1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0

3 W

5 X

7 Z

A

2

8 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1

4 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0

1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0

2

3 W

6 Y

7 Z

8 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1

2 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0

1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

4

A4 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1

5 X

6 Y

7 Z

4 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0

2 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0

1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1

A hibajavító áramkör sematikus rajza a 3.26. ábra szerinti felépítésű. A hiba felfedését a 3 szimmetrikus áramkör végzi. Az E , E , E pontokon megjelenő hiba kombináció a hibás 1

2

4

vezeték számának bináris megfelelőjét mutatja, így dekódolással a hibahely meghatározható. Természetesen csak az információs vezetéken fellépett hibát kell javítani. A korrigálást ANTIVALENCIA elemmel, mint vezérelt inverterrel végezhetjük el.

90

4.26. ábra: A Hamming kód automatikus hibajavító logikája Példaként tételezzük fel, hogy a vevő áramkör bemenetére az 1

2

A1

A

1

1

3 W

2

4

A4

0

0

5 X

6 Y

7 Z

0

1

0

kombináció érkezik. Az E1 kimeneten megjelenő érték 1, mert A1

W

X

Z

1

0

0

0

→ páratlan, emiatt E1 = 1.

Az E 2 kimeneten megjelenő érték 2 A

2

1

3 W

6 Y

7 Z

0

1

0

→ páros → E 2 = 0.

Az E 4 vezetéken megjelenő érték 4

A 0

4

5 X

6 Y

7 Z

0

1

0

→ páratlan → E 4 = 1.

91

Tehát a hiba helye az E4 E2 E1= 1012 bináris kódú, azaz az 5-ös (X) vezeték. A korrekció: X∀ X = 0∀1 = 1 .

A Hamming kódolás általánosságban az alábbi eljárással végezhető el. A kódszó bitjeit balról jobbra, 1-gyel kezdődően megszámozzuk. Azok a bitek, melyek sorszáma 2 egész számú hatványai (pl. 1,2,4,8,16 stb.), lesznek az ellenőrző bitek (k). A maradék bithelyeket (3,5,6,7,9 stb.) az üzenet bitjeivel (m) töltjük ki. Mindegyik ellenőrző bit a bitek valamilyen csoportjának (beleértve önmagát is) a paritását állítja be párosra (vagy páratlanra). Egy-egy bit számos paritásszámítási csoportba tartozhat. Ahhoz hogy megállapítsuk, hogy az i-e-dik pozícióban lévő adatbit melyik ellenőrző bit kiszámításában vesz részt, írjuk fel i-t 2 hatványainak összegeként. Például 11 = 1 + 2 + 8 és 29 = 1 + 4 + 8 + 16. Egy bitet azok a paritásbitek ellenőriznek, amelyek sorszáma szerepel az így képzett összeg tagjai között (pl. a 11. bitet az 1., 2. és a 8. bit ellenőrzi). A Hamming-kódok csak egybites hibákat tudnak javítani.

4.4.1.2. Inverz (ismétléses) kód Ez a kód hibajavításra is alkalmazható, azonban nem rendelkezik olyan algebrai struktúrával, mint pl. a ciklikus kódok. Alapja az elsődleges kódszó ismétlése. Amennyiben az információs elemek száma m, a kódszó 2m elemből fog állni, amelyek közül az első m megegyezik az információelemekkel, a további m pedig ellenőrző elem. Ezek előállítása a következőképpen történik. Ha az információs elemek között páratlan számú 1 van, akkor az ellenőrző elemek az információelemek ismétlései. Ha az információs elemek között páros számú 1 van, akkor az ellenőrző elemek az információs elemeket invertálva ismétlik, azaz 1 helyett 0 és 0 helyett 1 szerepel. Pl. az elterjedt 5 információelemes kód esetén: Elsődleges kódszó Inverz kódszó

10110 10110 10110

10100 10100 01011

Bebizonyítható, ha m ≥ 4, akkor a minimális Hamming-távolság d = 4. Tehát vételnél vagy hármas hibát jelezhetünk, (természetesen esetleg többet is, de nem minden kombinációban), vagy egyes hibát javíthatunk, és kettőst jelezhetünk. Mindkét esetben a dekódolási eljárás a következő. Az információs elemek 1-einek párosságát megvizsgáljuk, majd páronként összehasonlítjuk a megfelelő információelemet az ellenőrző elemmel. Ha a vett szó hibátlan, akkor az 1-ek párosságának megfelelően az összehasonlított párok közül a példában vagy 5 vagy, 0 egyezik. Tévedés csak minimális négyes hiba esetén lehetséges, és akkor is úgy, hogy két hiba az információs elemekben, két hiba pedig a megfelelő ellenőrző elemekben van. Ha a vett szóban egy hiba van, ez vagy az információs részben, vagy az ellenőrző részben található, és ez eldönthető a következő táblázat szerint. Összehasonlított párok közül az egyformák 4 4 1 1

Információ 1-einek párossága

páros páratlan páros páratlan

Információ elemek egy hiba hibátlan hibátlan egy hiba

Ellenőrző elemek hibátlan egy hiba egy hiba hibátlan

Tehát az információ visszanyerhető, azaz a hiba javítható.

Kettős hiba esetén az eddigiektől eltérő vizsgálati (dekódolási) eredmény adódik, tehát a hiba jelezhető. Hármas hiba esetén - bizonyos kombinációk mellett - az előbbi táblázat eredményeit kaphatjuk, és ekkor a javított kódszó nem fog az eredetinek megfelelni. Ilyen kombináció az,

92

amikor a három hiba közül kettő az információs, illetve ellenőrző rész ugyanazon (egymásnak megfelelő) helyén van.

4.4.1.3. Kétdimenziós paritásos ellenőrzés Egy hiba javítását blokkrendszerű adatátvitel esetén a sor- és oszlop paritás ellenőrzésével is elvégezhetjük. Ha az adó kódszavait szisztematikusan egymás alá írva képzeljük el (blokk-kód), akkor egy-egy paritás bitet minden sorhoz és minden oszlophoz rendelhetünk (4.27. a, b, ábra). Ily módon egyetlen hiba a hibás sor és oszlop metszéspontjában van. Így tudjuk a hiba helyét, tehát értékcserével (0 → 1 vagy 1 → 0) a hiba javítható. A módszer 1 hiba javítására alkalmas. A kommunikációtechnikában az eljárást VRC/LRC módszerként ismerik (ld. 4.5.3. pontban).

a,

b, 4.27. ábra: Hibajavítás sor- és oszlop paritással

A kétdimenziós kód általános alakja a 4.28. ábra szerinti.

Információs bitek

Sorellenőrzések

Oszlop ellenőrzések

Ellenőrzés ellenőrzések

4.28. ábra: A kétdimenziós kód általános alakja

4.4.1.4. BCH kódok A BCH kódok a ciklikus kódok családjába tartoznak a Hamming kódhoz hasonlóan. Amíg azonban a Hamming-kódok csak 1 hibát képesek javítani, addig a BCH kódok több hibát képesek javítani. Főleg véletlen hibák javítására használatosak.

93

A BCH kódok jellemzői: • • • • •

n - a teljes kódszó hossz, k - az információs bitek száma, m - a redundáns bitek száma, c - a kód által javítható hiba, G(X) - generátor polinom.

Bármely m és c értékekre létezik egy n = 2m - 1 (ahol m = 3,4…) hosszúságú BCH kód, amely minden c vagy kevesebb hibakombinációt ki tud javítani. Néhány n, k, c, dmin értéket és a hozzátartozó generátor polinomot a 4.1. Táblázatban adtuk meg. 4.1. Táblázat n 7 15 31 127 255

k 4 11 6 8 21

dmin 3 3 15 63 111

c 1 1 7 31 55

Generátor polinom x3 + x + 1 = 1011 = 138 x6 + x5 + x4 + x3 +x +1 = 1778 313365047 ld. irodalom ld. irodalom

A táblázat első sorában (7, 4, 1) a Hamming-kódra ismerünk. Látható, hogy a BCH kódok redundanciája a c függvényében növekszik. A BCH kódok esetén a jel/zaj viszony és a BER a 4.29. ábra szerint becsülhető. Az ábrán a, a kódolatlan, b, a (7, 4 Hamming), c, (15, 7), d, (31, 16) típusú BCH kód esetén fellépő BER értékeket mutatja. Látható, hogy 10-5 BER értékhez a, esetén 9,5 dB, d, esetén 7,2 dB tartozik. Figyeljük meg a 4.1. Táblázatban, hogyan teljesül az alábbi két feltétel:

dmin ≥ 2 c + 1 k ≥ n - m * c.

4.29. ábra: BCH kódolás esetén a jel/zaj viszonyok és a BER alkalmazása

4.4.1.5. Konvolúciós (rekurrens) kódok Az eddig tárgyalt kódok blokk-kódok voltak, amelyeket az jellemez, hogy az elsődleges információt időrendi sorrendben k jelelemből álló részekre osztottuk, és ezeket a részeket külön-külön átkódoltuk n elemű kódba. A blokk-kód előállításának általános elve: a k informá94

ció egyidejűleg (párhuzamosan) belép egy tárolót nem tartalmazó logikai áramkörbe, és onnan kilép egyidejűleg n kódelem, ahogyan ez a 4.30. ábrán látható. Az ábrán aji az i időpontban belépő k elem bji az i időpontban kilépő n elem. a1i

b1i

a2 i

b2i

a ji

b ji

aki

bni

4.30 ábra: A blokk kódok előállítása A lineáris blokk-kódokat két egész számmal (adatbitek száma, ill. a kódszó összes bitjeinek száma), valamint a generátor polinommal lehet jellemezni. Ha a fenti kódoló áramkör tárolót is tartalmaz, a kilépő kód rekurrens (konvolúciós) lesz, mert pl. az i időpontban kilépő kódelemek kiszámításához a kódoló figyelembe veheti az i-1, i-2 stb. időpontokban érkezett információelemeket is. Itt tehát kódszóról nem beszélhetünk, az információ feldolgozása folyamatosan megy végbe. A konvolúciós kódok három egész számmal jellemezhetők: n, k, K. Az n és a k értékét leginkább a k/n arányként adják meg. Ennek értelmezéséhez tekintsük a 4.31.a, ábrát, ahol a konvolúciós kód előállításainak sémáját láthatjuk. 1

2

3

K

Be

1

+

2

+

3

+

+

n

Ki

4.31.a, ábra: Konvolúciós kód előállítása A konvolúciós kódolás folyamatát az alábbi szemléletes példával illusztráljuk. A konvolúciós kódolás folyamatát legegyszerűbben úgy képzelhetjük el, mintha az üzenetet alkotó szimbólumfolyam felett egy ablakot tolnánk, és az ablakban éppen látható szimbólumokhoz valamilyen egyszerű szabály alapján képeznénk a kimeneti szimbólumokat (4.31.b, ábra). Az ablakban látható szimbólumok számát kényszertávolságnak vagy kényszerhossznak (K) nevezzük. Egy-egy kimeneti szimbólumot tehát több üzenet szimbólum információját foglalja magában. A kód generálása után az ablakot – képzeletben – úgy toljuk tovább, hogy a korábban már figyelembe vett üzenetszimbólumok közül néhány ismét benne legyen. Így egy-egy üzenetszimbólum több kimeneti szimbólumba kódolódik bele, vagyis az üzenetszimbólumok információját több szimbólum hordozza, és így az átvitel során megsérült szimbólumok – bizonyos korlátokon belül – a kód más szimbólumainak felhasználásával javíthatók.

95

kényszerhossz üzenet idő

kód

4.31.b, ábra: A konvolúciós kód képzésének elve A konvolúciós kódokat, ill. kódolókat három paraméterrel: a kimenőbitek számával (n), a bemenőbitek számával (k) és a már említett kényszerhosszal (K) jellemezzük. Gyakran előforduló paraméter még a kódarány, mely k és n hányadosa. A k/n arány az adatinformáció egy bitjéhez tartozó kódolt bitek arányát fejezi ki. Pl. a k/n = 1/2 azt jelenti, hogy az információ minden bitje a kimeneten két bittel kódolva jelenik meg. A K a regiszter bitjeinek számát jelenti, amit gyakran kényszertávolságnak vagy hosszúságnak neveznek. A 4.31.a, ábra szerinti konvolúciós kódoló n darab modulo 2 összeadót tartalmaz és K fokozatú léptető regisztert tartalmaz. A kapcsoló a léptető regiszter egyegy léptetése között végig megy az n darab konstanson.

A konvolúciós kódok redundanciája:

R=

n −1 , n

(4-18)

ami meglehetősen nagy érték, n = 2 esetén is 1/2. A konvolúciós kódolású hibavédelemmel és modulátorral/demodulátorral ellátott digitális kommunikációs rendszer felépítése a 4.32. ábrán látható. Az ábrán az információforrásból kilépő m1, m2,…mi bitsorozat lép be a konvolúciós kódoló egységbe, amely kimenetén egy konvolúciós kódsorozatot állít elő (U = G(m)). A vevőben a demodulátor egy Z = Z1, Z2…Zi bitsorozatot juttat a konvolúciós dekódoló bemenetére, amely visszaállítja a forrás által küldött m1, m2…mi bitsorozatot (hibamentes esetben). Információ forrás

Konvolúciós kódoló

m = m1 , m2 ,...mi ...

Bemeneti sorrend

Információ előállítás

Modulátor

( )

U =G m

= U1 , U 2 ,...U i ... Kódszó sorrend

Konvolúciós dekódoló

m = m1 , m2 ,...mi ...

Csatorna

Demodulátor

Z = Z1, Z2 ,...Zi ...

4.32. ábra: Konvolúciós adatvédelemmel ellátott digitális átvitel

96

Megjegyezzük, hogy a dekódoló felépítése bonyolultabb, mint a kódolóé, mivel a dekódolónak kell a hibákat korrigálni.

Példa A 4.33. ábrán egy n = 2, k = 1 konvolúciós kódoló felépítését láthatjuk hárombites léptetőregiszterrel (K = 3). A kimeneten generálandó kétféle jelsorozathoz n = 2 darab modulo 2 öszszeadóra van szükség. Mivel minden regiszter állapothoz két kimeneti bit tartozik (u1, u2), a k/n érték 1/2. +

+

u1

Első kódszimbólum

u2

Második kódszimbólum

4.33. ábra: Konvolúciós kódoló: k/n = 1/2, K =3 Az m = 101 bitsorozathoz tartozó konvolúciós kód előállítását szemlélteti a 4.34. ábra a t1…t6 időpillanatban fellépő léptetőjel állapotaiban. Mivel a konvolúciós kódoló minden bemeneti bitből n = 2 kimeneti bitsorozatot állít elő, így K = 3 esetén 3 * 2 = 6 darab 2 bites kódsorozat lesz.

97

M = 101

Kódoló

Idő

Kódoló +

t1

1

0

U Kimenet

u1 0

u1

u2

1

1

1

0

0

0

1

0

1

1

0

0

u2 +

+

t2

0

1

u1 0

u2 +

+

t3

1

0

u1 1

u2 +

+

t4

0

1

u1 0

u2 1

+

+

t5

0

0

u1 1

u2 +

+

t6

0

0

u1 0

u2 +

Kimeneti sorrend: 11 10 00 10 11

4.34. ábra: Kimeneti sorrend A konvolúciós kódolás állapotai leginkább ún. „faáramkörös” ábrázolásban tekinthetők át. Ennek mérete eléggé kiterjedt lehet, ezért a struktúra síkbeli összenyomásával ún. rácsdiagramon (trellis diagram) ábrázolják. A dekódolást ún. Viterbi dekódolóval oldják meg.

98

A CRC kódolásnál bevezetett generátor polinomokkal a konvolúciós kódolás is leírható.

A konvolúciós kódok alkalmazásának legtipikusabb példája a GSM átvitelnél használt beszédkódolás, ahol egy speciális prediktív forráskódolást használnak. Először a beszédet 20 ms-os blokkokra osztják. Egy blokk 260 bitet tartalmaz. Az első 182 bit azon információt tartalmazza, amelyek a „fontosabb bitek”. Ezek meghibásodása (1A, 1B osztály) érthetőségi problémát okozna, ezért ezt a 182 bitet jobban kell védeni. A két első osztály közül az 1A a fontosabb bitek blokkja. A fennmaradó 78 bitet kevésbé kell védeni (2. osztály). Az első 50 bitet CRC védelemmel látják el hibafelfedés céljából, melynek generátor mátrixa G = X3 + X + 1. (4.35. ábra).

Beszéd kódoló kimenet

50

132

78

1A osztály

1B osztály

2-es osztály

CRC

1A osztály

Paritás

1B osztály

Farok bitek

3

4

Konvolúciós kódoló

Kódolva

378

2-es osztály

78

4.35. ábra: Konvolúciós kód alkalmazása a GSM átvitelnél Ha a CRC ellenőrzés a vevőben hibát jelez, akkor az egész keret el lesz dobva. Ha nem, akkor 4 db „0”-ás „farok” bittel kiegészítve a keret és a 189 bit egy konvolúciós kódolóba kerül. A 4 db 0-s farok bit a kódoló alaphelyzetbe hozását segíti. A konvolúciós kódoló generátor polinomjai:

g1(X) = 1+X3+X4 g2(X) = 1+X+X3+X4. A kódoló kimenetén megjelenő 378 bithez hozzáadják a 2. osztályú 78 adatbitet és összesen 456 bites keret kerül továbbításra. A vevőben az így kódolt 378 bitet egy 10 állapotú Viterbi dekóder alakítja vissza és javítja. Egy 456 bites keret átviteli ideje 20 ms, az adatsebesség 22,8 Kbps/csatorna. Megjegyezzük, hogy a Jupiter és a Saturnus bolygók megfigyelésére fellőtt Voyager űrszonda és a földi állomás közötti kommunikációnál is felhasználásra került a konvolúciós kódolás egy másik, a Reed-Solomon kóddal kombináltan. Harmadik példaként a digitális televíziózást említjük, ahol a DVB-T szabvány ugyancsak használ konvolúciós kódolást.

99

4.4.1.6. Reed-Solomon (R-S) kódok A Reed-Solomon kódok nem bináris ciklikus kódok, amelyekre érvényesek a következő öszszefüggések:

0 < k < n < 2m + 2, ahol k az adatszimbólumok száma, n a kódszimbólumok összes száma, m bit a szekvenciák száma (m: pozitív egész és nagyobb, mint 2). Egy R-S(n, k) kódra megadható

(n, k) = (2m – 1, 2m -1-2c), ahol c a szimbólumhiba javítóképesség. A nem bináris kódokra is definiálható a d távolság a Hamming-távolság analógiájára. Itt a két kódszó közötti különbség úgy van definiálva, mint azon szimbólumok száma, amelyben a szekvenciák különböznek:

dmin = n – k + 1.

(4-19)

Az R-S kód hibajavító képessége:

c=

dmin - 1 n − k = . 2 2

(4-20)

Az R-S kódolás részleteinek leírása nem áll módunkban, csak a kódolási szisztéma vázlatos bemutatását adjuk meg. A kódolandó üzenetet (m(X)) egy k állapotú léptető regiszterbe léptetjük, majd egy n bites paritás polinommal (P(X)) megszorozzuk a CRC kódolásnál leírt módon ((n-k) jobbra léptetés). Végül a generátor polinommal (G(X)) elosztjuk.

Xn-km(X) = Q(X)G(X) + P(X), ahol Q(X) a maradék. Az így eredményezett kódszó U(X):

U(X) = P(X) + Xn-km(X). Az R-S kódolás jellegzetessége, hogy mind a Q(X), mind a P(X) ellátható együtthatókkal (α). Például: G(X) = α3 + α1X + α0X2 + α3X3 + X4

P(X) = α0 + α2X + α4X2 + α6X3. A kimeneti kódszó polinom például, a következő lehet:

U(X) = α0 + α2X + α4X2 + α6X3 + α1X4 + α3X5 + α5X6. 4.4.1.7. Kaszkád kódok A bemutatott kódok külön-külön előforduló más-más hiba típus korrigálására alkalmasak. Együttesen előforduló más-más hibatípus korrigálásához a különböző kódok együttes (kaszkád) alkalmazása nyújt lehetőséget. A kaszkád kód előállítása a következők szerint történik. Vegyünk egy C1(n1, k1) és egy C2(N2, K2) kódot, amelyből az alábbi módon generálhatunk szisztematikus kaszkád (az angol nyelvű irodalomban concatenated), (n1N2, k1K2) paraméterű kód kódszavait. A k1K2 hosszú üzenetet osszuk fel K2, egyenként k1 hosszú részszegmensre. A C1 kód egy k1 hosszú üzenetszegmenst egy üzenetkarakternek vesz (C2 nembináris kód), és K2 ilyen karakter alkot számára egy üzenetszegmenst, amelyből N2 karakter hosszúságú kódszót képez N2 - K2 paritáskarakter üzenethez való illesztésével. A C2-beli kódszó elkészül100

te után a kódszó mindegyik koordinátáját a C1 kód kódolja újra, k1 hosszúságú üzenetként értelmezi, és n1 - k1 paritásbittel (ha C1 bináris kód) kiegészíti. Így kapjuk az n1 - N2 hosszú kódszót, ami a kaszkád-kód adott k1 K2 hosszúságú üzenethez tartozó kódszava. A C1 kódot belső, a C2 kódot külső kódnak is nevezik. A kód az elnevezését onnan kapta, hogy a külső kód kódolójának és a belső kód kódolójának a kaszkádba kötése képezi (legalábbis a fenti elvi kódszó konstrukció lépéseit követve) a generált (kaszkád-) kód kódolóját. A dekódolás során először a C1 kódszavakat dekódoljuk, majd értelemszerűen, a C1 kódszavai paritásszegmensének törlése után a C2 kódszó dekódolását végezzük el (4.36. ábra).

Adat be

Külső kódoló

Belső kódoló

Kódoló

C s a t o r n a

Belső kódoló

Külső kódoló

Adat ki

(Kaszkád kód)

Dekódoló

4.36. ábra: Kaszkád kódolás blokkvázlata A két kód elemeinek összerendelését az angol irodalomban külön feltüntetik egy csatoló egységgel. A leggyakrabban többnyire valamilyen konvolúciós kódot használnak belső kódként és Reed-Solomon kódot külső kódként. A kaszkád kódok igen alkalmasak az együttes csomós és véletlen hibák javítására. A hibacsomókat a Reed-Solomon kód, a véletlen hibákat a konvolúciós kód javítja. A kaszkád kódok alkalmazásának egyik legtipikusabb példája az audio CD rendszerbeni alkalmazás. A CD lemezen történő hangrögzítést 1979-ben a Philips Corp. és a Sony Corp. szabadalmaztatta. A műanyag diszk 120 mm átmérőjű és a digitalizált hanginformáció tárolására szolgál. Az analóg hangjel 44,1 Kminta/sec mintavételezéssel kerül digitalizálásra max. 20 MHz-ig. Valamennyi mintavétel digitalizálása 16 bites ADC-vel történik. Az elérhető dinamikai tartomány 96 dB, a harmonikus torzítás mértéke 0,005 %. A lejátszási idő ∼ 70 perc, a tárolt információ ∼ 1010 bit. A CD-n történő adattárolás (és adatátvitel) esetén az alábbi hibákkal kell számolni:

• •

a CD lemezen előforduló gyártási hibák (légbuborék a műanyag lemezen, anyaghiba a lemezen, gyártási mechanikai pontatlanság, stb.), külső szennyeződések, ujjlenyomat, sérülés (karcolás) a lemezen.

Fenti hibák a leolvasáskor főként hibacsomók formájában, illetve véletlenszerű hibaként jelentkeznek. A HIFI hangtechnikai követelmények eléréséhez speciális kaszkád kódot használnak a jelzett hibák korrigálására, amit kereszt csatolású Reed-Solomon kódnak (CIRC) neveznek.

A hibavédelemmel kapcsolatos igények: • •

maximális korrigálható hibacsomó-hossz: ≈ 4000 bit (ami 2,5 mm track hossz a lemezen), maximális interpolálható hibacsomó-hossz = 12000 bit (∼ 8 mm).

A CIRC rendszer hibakorrekciós algoritmusának filozófiája az alábbi. 1. A dekóder gondoskodik a hiba korrigálásáról. 2. Ha a hiba mérete meghaladja a dekóder hibakorrekciós képességét, akkor törli a korrekciót és interpolációt végez két szomszédos mintavétel között.

101

3. Ha az interpolációs képesség sem elegendő a hiba korrigálásához, akkor a dekódoló lehalkítja, vagy elnémítja a rendszert a hiba idejére. A CIRC kódoló és dekódoló funkcionális felépítése a 4.37. ábra szerinti. Kódoló bemenet

Dekódoló kimenet

∆ átszerkesztő (késleltetés)

∆ visszaszerkesztő (késleltetés)

kódoló

C2

D* átszerkesztő

C1 kódoló

D átszerkesztő

C2 dekódoló

D* visszaszerkesztő

C1 dekódoló

D visszaszerkesztő

4.37. ábra: A CIRC kódoló és dekódoló felépítése A CIRC kódoló 5 kódolási lépésben állítja elő a CD lemezre történő információ előállítását. 1. lépés: a páros számú mintavételek és a páratlan számú mintavételek különválasztása (LL, RR) a 4.38. a, ábrának megfelelően, ami 6 x 4 = 24 bájtot igényel. Egy keret 6 mintavételt tartalmaz. A páros és páratlan mintavételek különválasztása az interpolációhoz szükséges. 2. lépés: négy Reed-Solomon kódolású paritás bájt hozzáadódik a korábbi 24 bájthoz, így a teljes keret n = 28 bájt. A C2 kódoló (külső kódoló) tehát egy (28, 24)-es ReedSolomon kódot állít elő. 3. lépés: a D egység valamennyi bájton különböző idejű késleltetést hajt végre. A C2 és a D által végzett műveletek a hibacsomók felfedéséhez és javításához szükségesek, amelyeket a C1 dekódoló nem tud javítani. 4. lépés: újabb négy R-S paritás bájtot ad hozzá a k = 28 bájtos csatolt kerethez, melynek eredményeként n = 32 bájtos keret jön létre. Ez tehát egy (32,28) típusú R-S belső kód. 5. lépés: célja a keret páros bájtjainak összekapcsolása a következő keret páratlan bájtjaival. Ennek eredményeként két egymást követő bájt a diszken két különböző kódszóba kerül. A 4. és az 5. lépés eredményeként kerülnek korrigálásra a véletlen hibák ill. detektálásra a hosszabb hibacsomók.

A belső és külső (n, k) R-S kódok [(32, 28) ill. (28, 24)] mindegyike négy paritás bájtot használ.

102

6 mintavételezési pár (24 szimbólum vagy bájt)

Keret idő = 6 mintavételezési periódus

a,

∆ átszerkesztés (1 bájtnyi késleltetéssel)

L L RR L L RR L L RR L L RR L L RR L L RR

...

A nem korrigálható, de detektálható bájt hibák és a kapcsolódó mintavételek Közötti interpolációkhoz

Egy kódszó (28 szimbólum) b, C 2 kódoló

A hibacsomók javítása, amit a C1 dekódoló nem tud javítani Paritás bájtok

...

c, D* átszerkesztő

Egy kódszó (32 szimbólum) d, C1 kódoló

A véletlen hibák javítása és a hosszú hibacsomók jelzése Paritás bájtok

...

e, D átszerkesztő

4.38. ábra: A CD kódolási folyamata A CD lemez kezelésénél tehát olyan kaszkádkódolást használnak, amelynél a külső és a belső kód egyaránt a Reed-Solomon (R-S) kód. A CD dekódolójának blokkvázlatát a 4.39. ábrán láthatjuk. D visszaszerkesztő (késleltetés)

C1

Dekódoló

C2 Dekóder

D

∆ Visszaszerkesztő

B01

D *1 D *2 ∆

Bi1 Bi 2

D * Átszerkesztő

Flag jel vonal

∆

D

C2

C1 D *27 Bi 32

B024

D

4.39. ábra: A CD dekódoló felépítése

103

A dekódolás lépései a következők 1. lépés: késleltetéses visszaszerkesztés A D visszaszerkesztő bemenetére érkezik a B2…B32 kódolt keret. Az egység 1 bájtnyi késleltetést eszközöl a bemenő kódszón. Csak a páros számú bájtok vannak késleltetve. Így a páros bájtok keresztkapcsolatba kerülnek a következő keret páratlan bájtjaival.

2. lépés: C1 dekódolás A D visszaszerkesztő és a C1 dekódoló együttesen hivatott korrigálni a 32 bájtos blokkon belüli egy bájtos hibát és detektálni a nagyobb hibacsomókat. Ha nagyobb hibát észlel, akkor a C1 dekódoló változatlanul átadja és beállítja a törlés flag-et.

3. lépés: Késleltetés A C1 dekódoló kimenetén megjelenő szimbólumok a különböző hosszúságú D · (1…27) késleltető vonalaira kerülnek.

4. lépés: C2 dekódolás A C2 dekódoló hivatott korrigálni azokat a hibacsomókat, amelyeket a C1 dekódoló nem tudott javítani. Amennyiben a C2 dekódoló nem tudja dekódolni a hibacsomót, akkor a 24 bájtos kódszót átadja a ∆ visszaszerkesztőnek és aktiválja a törlés flag-et, és a B1…B24 vonalak tartalma törlődik.

5. lépés: ∆ visszaszerkesztés A korrigálatlan, de detektált hibák esetén ez az egység végzi az interpolációt két szomszédos mintavétel között. Másik alkalmazási példaként az Uranus és Saturnus bolygó megfigyelését végző Voyager űrszonda esetén használt kaszkádkódolást említjük. A külső kódoló R-S kódolást alkalmazott, a belső kódoló pedig konvolúciós kódot (1/2, K = 7). A kaszkádkódolással BER = 10-6 értéket értek el 2,53 dB-es jel/zaj viszony mellett, 2 Mbps átviteli sebesség esetén. A Mary szondánál turbo kódokat alkalmaznak.

4.4.1.8. Turbo kódok A turbo kódok rendszerint konvolúciós kódokból felépített kódok. Az egyes komponens kódok között párhuzamos adat átrendezés történik. Egy ilyen kódolót szemléltet a 4.40. ábra.

104

uk

(d k )

+

ak

Átszerkesztő (késleltetés)

d 'k

ak −1

ak − 2

Konvolúciós kódoló (rekurzív)

+ (u1k )

+

ak

ak −1

ak − 2

(uk ) Konvolúciós kódoló (rekurzív)

+ (u2k )

4.40. ábra: Párhuzamos kapcsolatú, két kód komponensű turbo-kódoló Az ábra szerinti kódolóba bevezetett kódszavak súlyától függő mintákat generál a turbo kód generátor. Az ábrán két azonos felépítésű konvolúciós kódoló állítja elő a kimenő bitsorozatot. A két kódoló bemenetére késleltetéses átszerkesztéssel eltolt bitsorozat kerül. A turbo kódokat például a mágneslemezes tárolók hibakorrekciójánál vagy a fadinges vezeték nélküli kommunikáció esetén használják.

4.4.1.9. A hibajavításhoz használt kódok ajánlása A következőkben a hibatípusokhoz megadjuk az ajánlott hibajavító kódokat (4.7. Táblázat). 4.7. Táblázat Hiba jellege Véletlen egyes hiba Véletlen többszörös hiba Hibacsomók

Hibacsomó és véletlen hiba

Ajánlott hibajavító kód Hamming kód, sor-oszlop paritásbites kód BCH kód • Reed-Solomon kód • Fire-kód • konvolúciós kódok, turbo kódok, • kaszkád kódok

A hibajavítással kapcsolatos további információkat illetően a vonatkozó irodalomra utalunk.

4.4.2. Hibajavítás hibafelfedés és automatikus üzenet ismétlés révén (ARQ) Duplex, vagy félduplex összeköttetéseknél a hibafelfedés és automatikus ismétlés hatásosan csökkenti a hibaarányt. Az ismételt bitek száma, valamint az átviteli csatorna kétszeri irányváltásával járó időkiesés olyan hatású, mintha több redundancia lenne beépítve, mint ami a hibafelfedéshez éppen szükséges. Ezért nagyobb sebességeknél, ahol az irányváltási idő nagyszámú bit átvitelét tenné lehetővé, az előbbi megoldás jobb hatásfokot biztosít. A hibás bitek miatt ismételt eredeti információ mennyisége szempontjából a különböző rendszerek többféle előnnyel és hátránnyal rendelkeznek.

105

a, STOP-AND-WAIT - ismétlés A 4.41.a, ábrán látható eljárás fél duplex átvitelt igényel. Az átvitel során a küldő átküld egy adategységet (karakter, szó, keret, stb.) Hibamentes átvitelnél az ACK jel megérkezése után küldi a következő adategységet. Ha a vevő hibát észlel, azt a NAK üzenettel jelzi a küldő felé, amire az a hibás üzenetet újra elküldi. Az ábrán a 3. üzenet érkezett a vevőhöz hibásan, ezért ezt ismétli a küldő. A módszer hibája, hogy nagyon lelassítja az átvitelt.

b, Folyamatos ARQ Ennél a módszernél az adó folyamatosan küldi az adategységeket és a vevő folyamatosan küldi a nyugtázó információt minden adategységhez. Ehhez teljes duplex átvitel szükséges, továbbá a küldőnek ismernie kell, hogy NAK (negatív) visszajelzés esetén honnan kezdje az ismétlést. A 4.41. b, ábrán 4. adategységenként van ismétlés.

c, Folyamatos ARQ szelektív ismétléssel Ez az eljárás hasonlít az előzőhöz és ugyancsak teljes duplex átvitelt igényel. Az adó itt is folyamatosan küldi az adategységeket és a vevő ugyancsak folyamatosan küldi a nyugtázásokat. Hibás átvitel jelzésekor viszont csak a hibás adategység kerül ismétlésre. A 4.41.c, ábrán a 4-es és a 11-es adategység kerül ismétlésre. Az a, megoldás a legegyszerűbb, legolcsóbb és a leglassúbb. A b, és c, megoldás gyorsabb, de költségesebb a teljes duplex átvitel miatt.

Megjegyzés A hibajavító kódokat csak ritkán alkalmazzák adatátvitelhez: például akkor, ha a csatorna egyirányú, így az adatok újraküldése nem kérhető (pl. tárak, CD-k olvasása). Sokkal gyakrabban részesítik előnyben a hibajelző kód és az adat újraküldésének kombinációját. Egyszerű példaként vegyünk egy csatornát, amelyen a hibák izoláltak, és a hibaarány 10-6. Legyen a blokkméret 1000 bit. Az 1000 bites blokkok hibajavításának biztosításához 10 ellenőrző bit szükséges; egy megabit adathoz 10 000 ellenőrző bit kell. Ahhoz, hogy csupán jelezzünk egy egybites hibát, egy paritásbit elegendő blokkonként: 1000 blokkonként egy többletblokkot (1001 bit) kell továbbítani. A hibajelzés és az adatújraküldés összes többletköltsége 2001 bit egy megabitnyi adatra, szemben a Hamming-kód 10 000 bitjével.

4.5. A vezetékes átvitelnél használt hibavédelmi (adatvédelmi) módszerek Az adatvédelmi/hibavédelmi módszerek közül fontosak: • • • • •

keresztparitás (Vertical Redundancy Check, VRC), hosszparitás (Longitudinal Redundancy Check, LRC), kombinált paritás (VRC/LRC), aritmetikai ellenőrzés (arithmetic checksum - ACS), ciklikus redundanciakód (Cyclic Redundancy Check, CRC).

Az LRC, a VRC, a VRC/LRC és az ACS típusú adatvédelmi módszerek az ún. blokkkódolású módszerek (BCC) közé tartoznak.

4.5.1. Keresztparitásos ellenőrzés (VRC) Az átvitt adatok védelmének legismertebb módja a keresztparitás. Ez lehet páros vagy páratlan paritás. Mindkét esetben az adatbiteket egy paritásbittel egészítjük ki. Az adatbitekben és a paritásbitben lévő 1-esek számának páros paritás esetén párosnak, páratlan paritás esetén páratlannak kell lennie. Ha tehát páros paritás használata esetén az adatbitek közül három bit 1-es, akkor a paritásbitbe 1-est kell írni, hogy a paritás (az egyesek száma) páros legyen (4.42. ábra). Ilyen védelmet alkalmaznak növelt hardver biztonságú kommunikáció esetén: Pl.: RS-232, ASI. 106

4.42. ábra: Keresztparitásos ellenőrzés (VRC)

4.5.2. Hosszparitásos ellenőrzés (LRC) A hosszparitást a keresztparitáshoz hasonlóan képezzük. Ugyanúgy megkülönböztetjük a páros és a páratlan hosszparitást. A hosszparitást azonban a keresztparitással szemben nem egyetlen kódszóra, hanem több telegramkód azonos helyiértékű bitjeire képezzük. Így anynyi paritásbitet kapunk, ahány adatbit van, és ezeket a paritásbiteket egyetlen ellenőrző kódba foglaljuk össze, amit blokkellenőrző kódnak (Framed Check Sequence, FCS) neveznek (4.43. ábra). A XOR művelet az egymás fölötti azonos pozíciójú bitek paritásbitgenerálására utal. 4.43. ábra: Hosszparitásos ellenőrzés (LRC)

107

4.5.3. Kombinált paritásos ellenőrzés (VRC/LRC) A fentebb leírt két eljárás (VRC/LRC vagy VLRC) kombinálása a kombinált paritás. Ennek során mindkét módszert egyidejűleg alkalmazzuk, azaz minden egyes kódra kiszámítunk egy paritásbitet és kiszámítunk egy paritáskódot a teljes blokkra is (4.44. ábra). Hibás átvitel esetén, amennyiben egy hiba történt, a sor-oszlop keresztpont adja a hiba helyét. Az eljárás egy hiba javítására alkalmas.

4.44. ábra: Kombinált paritásos ellenőrzés (VRC/LRC)

VLRC alapú hibavédelmi példa páros paritás ellenőrzéssel (4.8. Táblázat) 4.8. Táblázat Küldött üzenet MSB LSB PB A 1000001 0 B 1000010 0 Z 1111010 1 Ellenőrzés (LRC) 1111001 1 (shecksum) Ellenőrzés (LRC) a vevőben (checksum)

Jelölések:

Két bithiba egy sorban 1000001 0 1000100 0 1111010 1 1111001 1

nem egyező

Vett üzenet Két bithiba két sorban 1000001 0 1000100 0 1111100 1 1111001 1

1111111 1 (hiba felfedve)

egyező

1111001 1 (hiba nincs felfedve)

MSB - legmagasabb helyiértékű bit LSB - legalacsonyabb helyiértékű bit PB - paritás bit (páros)

4.5.4. Aritmetikai ellenőrzés (ACS) Az aritmetikai checksum (ACS) a VRC/LRC kibővítése, melynek során a karakterek összege képződik a blokkban (oszlopban). Az aritmetikai ellenőrzésnek jobb a hibafelfedő képessége, mint a VRC/LRC módszeré. Az aritmetikai checksum 25 karakteres blokkig 1 bájtos, 50 karakteres blokkig 2 bájtos.

Példa: az aritmetikai checksum alkalmazására (4.9. Táblázat) 4.9. Táblázat Küldött üzenet MSB LSB PB A 1000001 B 1000010 Z 1111010 Aritmetikai 1111101 checksum Aritmetikai checksum a vevőben (ACS)

108

Vett üzenet Két bithiba egy sorban Két bithiba két sorban 1000001 1000001 1000100 1000100 1111010 1111100 1111101 1111101

Egy bithiba két sorban 1000000 1000011 1111010 1111101

1111111 (hiba felfedve)

1111101 (hiba nincs felfedve)

0000001 (hiba felfedve)

További két összehasonlító példa VRC/LRC típusú blokk ellenőrzés (BCC) páros paritással (4.10. Táblázat) 4.10. Táblázat Küldött üzenet Üzenet c 11000011 f 01100110 y 11111001 u 01010101 BCC 00001001 00001001 BCC a vevő által számítva

Két bithiba egy sorban 11000011 01100110 11100001 01010101 00001001 00010001 (hiba felfedve)

Vett üzenet Két bithiba két sorban 11000011 01100110 11100001 01001101 00001001 00001001 (hiba nincs felfedve)

Aritmetikai ellenőrzés (ACS) (4.11. Táblázat) 4.11. Táblázat Küldött üzenet Üzenet

c f y u BCC

1000011 1100110 1111001 1010101 101110111

BCC a vevő által számítva

Vett üzenet Két bithiba egy sorban Két bithiba két sorban Egy bithiba két sorban 1000011 1000011 1000010 1100110 1100110 1100111 1100001 1100001 1111001 1010101 1001101 1010101 101110111 101110111 101110111 101011111 101010111 101110111 (hiba felfedve) (hiba felfedve) (hiba nincs felfedve)

4.5.5. CRC ellenőrzés A telekommunikációs és ipari kommunikációs rendszerekben leggyakrabban alkalmazott hibadetektálási ellenőrzési kód a CRC ellenőrzés, amelyet a 4.3.4.1. pontban részletesen ismertettünk.

109

5. ÁTVITELI (FIZIKAI) KÖZEGEK Az adatkommunikációs rendszerekben az adatot reprezentáló jel (pl. áram, feszültség, fény) az adótól (transmitter) a fizikai közegen (jelátvivő közegen) át jut el a vevőhöz (receiver). A fizikai közeg vezetékes átvitel esetén a vezeték, amely villamos rendszerben a kábel, optikai átvitel esetén az optikai kábel, vezeték nélküli átvitel esetén pedig az elektromágneses hullám. A kommunikációs rendszerekben a fizikai réteg elnevezésű szoftver definiálja a hálózatok mechanikai, elektromos és időzítési interfészeit. Az adatjelek a fizikai réteg által vezérelt illesztő hardverről (pl. transceiver) kerülnek a fizikai közegre, pl. a vezetékre. A fizikai közegek csoportosítása Fizikai (átviteli) közeg vezetékes elektromos sodrott érpár

vezeték nélküli optikai

rádiós

mikrohullámú

egyéb

koaxiális kábel

Ebben a fejezetben a különböző jelátvivő közegek átviteli jellemzőit és alkalmazási ismereteit foglaljuk össze. 5.1. Elektromos kábelek A vezetékek ellenállással (R), induktivitással (L) és kapacitással (C) rendelkeznek. A távvezetékek ún. elosztott paraméterű hálózatok. A kábelek ohmos ellenállása függ a vezető keresztmetszetétől (q), a vezető anyagi minőségétől: a fajlagos ellenállástól (δ) (pl. réz, alumínium stb.) és a vezeték hosszától (l) az ismert összefüggés szerint:

R=

δ. 1 q .

A nagyobb keresztmetszetű kábel kisebb ellenállású, ezért áram hatására kisebb feszültség esik rajta és kevésbé melegszik, mint a kisebb keresztmetszetű. A vezeték ellenállása főként egyenáramú vagy alacsony frekvenciájú jelek esetén meghatározó jellemzője a kábelnek. Nagyfrekvenciás jelátvitel esetén a vezetékek közötti kapacitás és az induktivitás szerepe válik meghatározóvá. A kommunikációs kábelek elosztott paramétereit ábrázolja az 5.1. ábra.

5.1. ábra: Elektromos kábel, mint elosztott paraméterű hálózat A kábelek elosztott paramétereit, tekintettel azok fizikai jellegére, a hosszegységre vonatkoztatott egységekben adják meg. Pl.: 0,15 ohm/m, vagy 1 µH/m vagy 2pF/m. Fontos hangsúlyozni, hogy az elosztott paraméterek koncentrált paraméterekkel nem modellezhetők, ezért az 5.1. ábra csak a jelenség megértését célozza.

110

A kábelek kapacitív (C) és induktív (L) jellemzői az alábbiaktól függenek: • • • •

a kábel kialakításától, anyagától, az árnyékolás jellemzőitől, a kábelen belüli vezetékek számától, a szigetelőanyagtól.

A jelátvitelre leggyakrabban használatos vezetékek: sodrott érpár, koaxiális kábel, fénykábel. Mindegyiknek megvan a maga előnye és hátránya alapján kialakult alkalmazási területe a sávszélesség, a késleltetés, a költség, a telepítés, valamint a karbantartás nehézségétől függően. 5.1.1. Hullámimpedancia (Zo) A soros adatátvitelnél használatos nagyfrekvenciás jelátvitel szempontjából az elektromos vezeték hullámellenállásának ismerete elengedhetetlenül fontos. Ennek meghatározása a következő. Nagyfrekvenciás jeleknél a nem túl hosszú vezetékek ohmos ellenállását elhanyagolhatjuk, így a vezeték induktivitásának energiája megegyezik a kapacitás energiájával, vagyis 1 2 1 L'i = C'u 2 . (5-1) 2 2 Ezt az egyenletet u/i-re megoldva ellenállást, azaz ohm mértékegységű eredményt kapunk. Ezt az ellenállást hullámimpedanciának (vagy hullámellenállásnak) nevezzük és Zo-val jelöljük, ahol Zo a hullámimpedancia, L’ az egységnyi hosszú vezeték induktivitása, C’ az egységnyi hosszú vezeték kapacitása. A hullámimpedencia meghatározása: Zo =

L' . C'

(5-2)

A jelátvitelre használatos vezetékek hullámimpedanciája 50…300 ohm közötti. Az állóhullámmentes jelátvitelhez a nagyfrekvenciás vezetékeket a hullámellenállással azonos értékű ohmos ellenállással kell lezárni. Ezt illesztett lezárásnak nevezzük. Reflexiómentes jelátvitelhez illesztett lezárásra van szükség. Minél inkább eltér a lezáró impedancia a hullámimpedanciától, annál nagyobb a reflexiók amplitúdója és fázisa miatti jeltorzulás. A hullámimpedanciát az angol irodalomban characteristic impedance-nak, azaz karakterisztikus impedanciának nevezik. A hullámimpedanciával történő vonal lezárást szemlélteti az 5.2. ábra. Kábel Hullám impedancia

Bemeneti impedancia

Zi

Z0

ZL

Z0 = ZL

5.2. ábra: A hullámimpedancia értelmezése és a lezárás 5.1.2. Csillapítás A vezetéken haladó jel amplitúdója egyrészt csökken a haladás irányában a kábel ohmos ellenállása miatt, másrészt torzul a vezeték elosztott induktivitása és kapacitása miatt. Egy kábel csillapítását rendszerint dB/km-ben adják meg. Az 5.3. ábra a digitális jel csillapítását

111

és torzítását szemlélteti 1d ill. 2d távolságban, ahol az 1d ill. 2d az egyszeres ill. kétszeres távolságra utal. 0

1

1

0

1

0

0

1

Küldött jel Idő

0

1

1

0

1

0

0

1 A jelalak 1d távolságban

Idő

0 A jelalak 2d távolságban

Idő

5.3. ábra: Jelalak változás a távolság függvényében A vezetéken létrejövő csillapítás és jeltorzulás meghatározza az alkalmazható kommunikációs csatorna hosszát. Amennyiben a kábelen a jel olyan csillapítást és jeltorzulást szenved, hogy a vevő már nem tudja korrekten felismerni, akkor jelregenerálást kell eszközölni. Analóg (szinuszos) hordozójel esetén (lásd szélessávú átvitel) csak egyetlen frekvencia komponens van, tehát a jel csak csillapítást szenved. Ilyenkor erősítőt (amelyet gyakran analóg repeater-nek hívnak) kell alkalmazni (5.4. a, ábra). Az erősítő azonban nem csak a hasznos jelet, hanem a zajt is felerősíti, tehát a jel/zaj viszonyt nem javítja. Transmitter Távadó

Receiver Vevő

Repeater Ismétlő (erősítő)

5.4. a, ábra: Analóg jelismétlő alkalmazása Digitális átvitel (lásd alapsávi átvitel) esetén nagy sávszélességű csatornát kell használni az impulzus élének nagyfrekvenciás komponensei miatt. Digitális jeltovábbítás esetén a csillapítás és a jeltorzulás kiküszöbölésére digitális repeatert kell alkalmazni az 5.4. b, ábra szerint. Line receiver Vonali vevő

Digital repeater Digitális ismétlő

Line driver Vonali meghajtó

Channel Csatorna

Torzult vett jel

Channel Csatorna

Regenerált jel

5.4. b, ábra: Digitális jelismétlő alkalmazása 112

5.1.3. Zaj A kommunikációs rendszerekben az átviteli csatornán többféle zaj léphet fel, amelyek mindegyike károsan hat a hasznos jelre. Ezek: • • • • • •

termikus zajok, intermodulációs zajok, áthallások, impulzus zajok, elektromágneses zajok, tápegység zajok.

A termikus zajok az elektronok hőmérséklettől függő mozgásából adódnak. Ilyen zajok egyrészt az elektronikus eszközökben, másrészt a vezetékekben egyaránt képződnek. A termikus zaj mértéke: No = kT(W/Hz), ahol: No = a zaj teljesítmény sűrűsége W/Hz-ben, K = a Boltzmann állandó (1,3803 x 10-23 J/K), T = a hőmérséklet oK-ban. Intermodulációs zajok akkor keletkeznek, amikor ugyanazon átviteli vonalon különböző frekvenciájú jelek osztoznak. Ilyenkor a rendszerben lévő nemlinearitások miatt a frekvenciák összege (f1 + f2) is felléphet, ami intermodulációs zajt eredményez. Áthallás az egymással kapacitív vagy induktív kapcsolatban lévő kábelekben (sodrott érpár vagy koaxiális kábel) ill. vezeték nélküli átvitelnél pl. rossz antenna beállítás esetén léphet fel. Az áthallást a következő pontban részletezzük. Impulzus zajok rendszerint valamilyen eszköz be-/kikapcsolása esetén lépnek fel. Az elektromágneses zajok sugárzás útján a kommunikációs rendszerbe jutó zajok. Ezt többnyire EMC-nek (elektromágneses összeférhetetlenség) nevezik. A tápegységből ill. oszcillátorból érkező zajok, rendszerint frekvenciatípusú zajok. Megemlítjük, hogy a fenti zajok többnyire együttesen fordulnak elő és módosítják a hasznos jel alakját. Ennek illusztrálására bemutatjuk a digitális alapsávi átvitel során fellépő jelalakot az adóban és a vevőben. Ebből látható a dekódolás nehézsége. Az 5.5. ábrán a fellépő zajok két bit hibás dekódolását eredményezik.

113

5.5. ábra: Zaj hatása az átvitelre Az átviteli csatorna jel/zaj viszonyán (Sign to Noise Ratio – SNR) az SNR = 10 * log10 S/N

(5-3)

értéket értjük, ahol S a jel teljesítménye (Watt), N a zaj teljesítménye (Watt) és az eredmény dB-ben adódik. A jó minőségű átvitel feltétele a magas jel/zaj viszony. A jel/zaj viszony a Shannon-Hartley törvény szerint korlátozza az átviteli sebességet: C = B log2 (1 + S/N) bps,

(5-4)

ahol: C = adatátviteli sebesség bps-ben, B = a csatorna sávszélessége [Hz], S = a jel teljesítménye [W], N = a zaj teljesítménye [W]. A digitális repeater a kimenetén visszaállítja az eredeti jel/zaj viszonyt. 5.1.4. Áthallás Az egymás mellett futó elektromos adatátviteli vezetékeken haladó jelek az elektromágneses indukció jelensége miatt hatással vannak egymásra, más szóval az egyik érpáron haladó teljesítmény egy része a másik érpárban teljesítményt indukál. Ez a jelenség az áthallás (crosstalk), amit az 5.6. ábra szemléltet.

114

A zavaró jel teljesítménye Pd

Z Elektromágneses indukció

Z P Az áthallott jel teljesítménye

5.6. ábra: Közel-végi áthallás (NEXT) Az áthallás különösen az árnyékolatlan csavart érpár (UTP) esetén bír kiemelt jelentőséggel. Az átviteltechnikában többféle áthallás mérést dolgoztak ki, amelyekre jellemző, hogy az áthallás hol és hogyan jelentkezik. Főbb áthallás típusok Közel-végi áthallás (Near-end crosstalk - NEXT) a szomszédos érpárban áthallás miatt keletkező jel dB-ben. A NEXT-et rendszerint a zavarforráshoz közeli kábel végén mérik. Az átviteli frekvencia növelésével a közel-végi áthallás értéke is nő. Távol-végi áthallás: (Far-end crosstalk - FEXT) a NEXT-hez hasonló természetű, de a zavar forrástól távolabb eső kábel végen mérik. A FEXT értéke kisebb mint a NEXT-é, mert az indukálódó zavaró jel is csökken a kábel mentén a jelforrástól távolodva. A csillapítás és az áthallás együttes jellemzésére az alábbi két méréssel meghatározható jellemzőt használják. • •

A távol-végi áthallás (dB) és a csillapítás (dB) különbségén alapuló mérés (Equallevel for-end crosstalk - ELFEXT), amely fontos jellemzője a távvezetéknek. Csillapítási és áthallási arány (Attenuation-to-crosstalk ratio – ACR), amely tulajdonképpen a csillapítás és a közel-végi áthallás arányát jelenti. Az ACR jobban jellemzi a kábelt, mint a NEXT vagy a csillapítás külön-külön.

A fenti áthallási jellemzők két vezetékpár között voltak értelmezve. Több eres kábel esetén valamennyi kábelen haladó jel hat a másik kábelre. Ezen áthallás jellemzésére a Power Sum NEXT (PSNEXT) ill. a Power Sum FEXT (PSFEXT) szolgál. A PSNEXT (dB) hat vezeték (3 pár) közötti áthallás összegét jelenti. Közel-végi ill. távol végi (PSFEXT) értelmezése az 5.7. ábra szerinti. Így jellemzik a négy pár vezetéket használó kábeleket (pl. Gigabites Ethernet).

115

PSNEXT ezen áthallott jelek összege

PSFEXT ezen áthallott jelek összege

5.7. ábra: A PSNEXT és PSFEXT értelmezése A villamos jelet alkalmazó adatátviteli rendszerekben kétféle kábeltípust alkalmaznak: • •

sodrott (csavart) érpárú kábel (röviden: csavart érpár), koaxiális kábel.

5.1.5. Sodrott érpár (twisted pair) A sodrott (csavart) érpár (twisted pair) két szigetelt és összecsavart rézhuzalból áll, amelyek 1-2 mm átmérőjűek. A két eret a kettő közötti elektromágneses kölcsönhatás csökkentése céljából sodorják spirálisan egymás köré. Ez megakadályozza a két vezeték antennakénti működését is, ugyanis a lezáratlan egyenes vezeték nagyfrekvencián antennaként viselkedik. A sodrott érpárt korábban a távbeszélőrendszerekben használták, ma pedig az ipari kommunikációs rendszerekben is tömegesen alkalmazzák. A sodrott érpár szimmetrikus átvitel esetén használatos. A sodrott érpár készülhet: • •

árnyékolt (STP) és árnyékolatlan (UTP) kivitelben.

Az árnyékolt sodrott érpár angol elnevezése: STP (Shielded Twisted Pair), míg az árnyékolatlan csavart érpáré: UTP (Unshielded…). A csavart érpár mind analóg (ld. telefon), mind digitális jelátvitelre alkalmas. A vezeték sávszélessége a vastagságától és az áthidalt távolságtól függ. A napjainkban használatos sodrott érpárral néhány km távolságon belül max. néhány Mbps átviteli sebesség érhető el. A kétféle UTP sodrott érpárú kábelt az 5.8. ábra szemlélteti.

5.8. ábra: 3-as kategóriájú UTP (a) és 5-ös kategóriájú UTP (b) sodrott kábel Full duplex átvitelhez 2 pár sodrott érpárt (4 vezetéket) használnak, amelyek egyetlen közös kábelt alkotnak. A csavart érpár kapacitása meglehetősen alacsony: 40…160 pF/m. Az érpár vezetékein ellentétes irányú áram folyik (5.9. ábra), így külső induktív csatolás útján a kábelre jutó zajok kompenzálódnak.

116

TX

RX

5.9. ábra: A sodrott érpáron folyó áram Az árnyékolt sodrott érpárú kábel árnyékolásán kialakuló és záródó mágneses mezőt szemlélteti az 5.10. ábra. Mivel az áramok megegyező értékűek és ellentétes irányúak, így a mágneses mezők is semlegesítik egymást. A vezetékek csavarása csökkenti a vezetékpárok közötti áthallást, az elektromágneses interferenciát (EMI), a rádiófrekvenciás (RFE) és az induktív csatolású zajok hatását is. Mágneses mező

Szigetelő

A vezetőbe kifolyó áram

Vezető

A vezetőbe befolyó áram

5.10. ábra: Árnyékolt csavart érpár mágneses mezeje A kommunikációs technológiában használt csavart érpárú kábelek hullámimpedanciája 100-200 ohm közötti értékű. A szigetelés rendszerint PVC vagy polietilén alapú. A kábelen alacsony feszültségű és kis áramú jelek haladnak. A szigetelésnek minél vékonyabbnak kell lennie a vezetékek közötti kapacitás csökkentése céljából. A csavart érpár csillapítása frekvenciafüggő. Az EIA-568 szabvány az UTP kábeleket hét kategóriába sorolja: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

kategóriás UTP: alacsony adatsebesség és beszéd (telefon kábel), kategóriás UTP: ISDN adatátvitel (max. 4 Mbps-ig), kategóriás UTP: LAN adatsebesség 16 Mbps, pl. Ethernet, kategóriás UTP: kibővített távolságú LAN, 16 Mbps, pl. IBM token ring, kategóriás UTP: növelt sebességű LAN 100 Mbps-ig, pl. 100 Base/TX, kategóriás UTP: 250 Mhz-es LAN, pl. gigabit Ethernet, kategóriás STP: 1,2 GHz-es LAN.

Az 5.11. ábrán az IEEE 802.3 ab. szabvány szerinti árnyékolt sodrott érpárú kábelen fellépő viszonyokat mutatjuk be. A felső ábrán az egyedi érpárokon történik a 100 Mbps sebességű átvitel (4 érpár van). Az alsó ábrán a 4 érpár együtt biztosítja a Gbps sebességet.

117

5.11. ábra: A 100 Base-TX és az 1000 Base-T szabványú STP kábelen történő átvitel Összehasonlításul 3 ill. 5 kategóriás UTP ill. a 150 ohmos STP csillapítás és közelvégi áthallási adatait adjuk meg az 5.1. Táblázatban. 5.1. Táblázat Frekvencia (MHz) 1 4 16 25 100 300

3.kat. UTP 2,6 5,6 13,1 -

Csillapítás (dB/100 m) 5.kat. 150 ohm-os UTP UTP 2,0 1,1 4,1 2,2 8,2 4,4 10,4 6,2 22,0 12,3 21,4

3.kat. UTP 41 32 23 -

NEXT (dB) 5.kat. 150 ohm-os UTP UTP 62 58 53 58 44 50,4 41 47,5 32 38,5 31,3

A táblázatban figyelemre méltó az 5. kategóriájú és a 3. kategóriájú UTP összehasonlítása. Az 5. kategóriájú UTP sokkal előnyösebb a csillapítás szempontjából. Ennél egy csavarási hossz 0,6 - 0,85 cm, míg a 3-as kategóriánál 7,5 - 10 cm. Ezért ez 5-ös kategóriájú UTP drágább. Néhány, a sodrott érpár csatlakoztatásához használt csatlakozó típus: • • • • • •

DB-9, DB-15, DB-25, DB-37, DB-50, Amphenol (24 láb), Centronics (36 láb), RJ-11 (4 eres), RJ-12 (6 eres), RJ-45 (8 eres).

A DB-9 (a, ábra) az RJ-45 (b, ábra) és a módosított RJ-45 (c, ábra) csatlakozók kialakítását az 5.12. ábrán láthatjuk.

a,

118

b,

c, 5.12. ábra: Csatlakozó típusok sodrott érpárhoz A sodrott érpár előnyei: • • • •

a csavart érpárra az eszközök könnyen csatlakoztathatók, installálása könnyű, az STP-nek igen jó a zajvédettsége, az UTP viszonylag olcsó, szimmetrikus átvitelhez ajánlott.

A sodrott érpár hátrányai: • • • •

az STP viszonylag drága és nehezebb dolgozni vele, az UTP érzékenyebb a külső zajokra, mint a koaxiális kábel vagy az optikai kábel, kisebb a sávszélessége, mint a koaxiális kábelé. A sodrott érpárú kábel szerelési, árnyékolási és földelési kérdéseire az 5.1.9-ben viszszatérünk.

5.1.6. Koaxiális kábel 5.1.6.1. Felépítés A koaxiális kábel (coaxial cable) közepén tömör rézhuzalból áll, amit szigetelőanyag vesz körül, és ezt átöleli egy árnyékolóköpeny, ami lehet fonott huzalháló (harisnya), vagy szilárd, fémes anyag (fólia). Az árnyékolóköpenyt műanyag szigetelőből készült védőburkolat borítja az 5.13. ábra szerint.

5.13. ábra: A koaxiális kábel felépítése

119

A koaxiális kábel két azonos tengelyű (co-axial) fémvezetőből és a köztük lévő szigetelőrétegből áll. Ez az elrendezés tulajdonképpen egy kondenzátort alkot. Ezen túl a vezeték elképzelhető igen nagy sugarú tekercs meneteként, tehát induktivitása is van. Továbbá a fémes vezetők egyenáramú ellenállással, a szigetelőréteg pedig vezetőképességgel rendelkeznek. Ezek alapján megrajzolható egy koaxiális kábel helyettesítő képe (5.14. ábra).

Jelszint

Jelszint

90 dBµV

80 dBµV 70 dBµV

60 dBµV 30 dBµV

Frekvencia

30 dBµV Frekvencia

5.14. ábra: Koaxiális kábel helyettesítő képe és frekvenciafüggése Magasabb frekvenciák felé az induktivitások impedanciája növekszik, a kapacitásoké csökken. A helyettesítő képet elemezve látható, hogy a kábel aluláteresztő szűrőként viselkedik, a magasabb frekvenciákon nagyobb a csillapítása. Egy másik hatás is befolyásolja a kábel frekvenciaátvitelét. Egy fémvezetőben folyó váltakozó áram olyan mágneses teret kelt, ami a vezetésben résztvevő töltéshordozókat kiszorítja a fém belsejéből a felszínre. Ez esetben az áramvezetés nem a vezető teljes keresztmetszetén, hanem csak a felszín közelében, bizonyos behatolási mélységben történik. A jelenség neve skin-hatás (skin: bőr). A skin-hatás a frekvencia növekedésével erősödik, réz vezető esetén, a kábeltelevíziós frekvenciákon már jelentős. A skin-hatás nagyságát a δ behatolási mélység jellemzi, amely megadja, hogy az adott vezetőben a felülettől mekkora mélységig történik az áramvezetés. Kétfajta koaxiális kábel használatos. Az egyik a Zo = 50 Ω-os kábel, amelyet elsősorban a digitális átvitelhez használnak. 1 km-es távolságon belül 100 Mbps - 1 Gbps átviteli sebesség is elérhető. Nagyobb távolságoknál az átviteli sebesség csökken. A másik típusú koaxiális kábel a Zo = 75 Ω-os, amelyet főként az analóg átvitelnél használják, ezért szélessávú (broadband) koaxiális kábelnek nevezik. Ezt a kábeltípust például a kábeltelevíziós technikánál alkalmazzák, mivel ez a kábel 300 - 450 MHz sávszélességet biztosít és 100 km-es távolság áthidalására is alkalmas. A koaxiális kábel aszimmetrikus jelátvitel esetén használható, és kevésbé érzékeny az elektromos zavarokra és az áthallásra, mint a sodrott érpár. Hátránya a nagyobb fektetési költség. A legújabb koaxiális kábelek sávszélessége közel 1 GHz. A koaxiális kábeleket a kábeltelevíziózásban (kombinálva az Internet szolgáltatással), a nagyvárosi hálózatokban és az ipari kommunikációs rendszerekben egyaránt alkalmazzák. Csatlakoztatásához speciális csatlakozóra van szükség. A koaxiális kábel elemeinek méretét és a hullámimpedancia közötti összefüggést szemlélteti az 5.15. ábra.

120

(5-6) 5.15. ábra: A koaxiális kábel alkotóinak jellemzői A kábeleknek fontos adata a reflexiós csillapítás (RL, Return Loss), ami az elemre kapcsolt és az arról visszaverődő jel teljesítményének aránya az (5-7) összefüggés szerint: RL = 20 * lg

U haladó U visszavert

(5-7)

A logaritmus után álló arányt reflexiós együtthatónak nevezik és százalékban adják meg. Az árnyékolás (fólia vagy köpeny) többnyire alumínium anyagból készül és védi a rézvezetőt az elektrosztatikus és a rádiófrekvenciás zajoktól korrekt földelés esetén, de kevésbé védi az elektromágneses interferenciától (EMI). 5.1.6.2. Kábeltípusok Felépítésük és szerepük szerint a koaxiális kábelek törzs(trönk) vagy bekötő- és leágazó (drop) kábelek lehetnek. A belső vezető drop-kábelek esetén tömör réz vagy rézbevonatú acél, törzskábelek esetén a költségek csökkentése érdekében tömör alumíniumból vagy acélból készül, amit - a skin hatás miatt - a jobb vezetőképesség érdekében rézzel vonnak be. A kábelek dielektrikuma ma már többnyire habosított polietilén. A habosítás során az olvadáspontja fölé melegített polietilénbe vagy megfelelő kémiai anyagot kevernek, ami kölcsönhatásba lép a polietilénnel, miközben nitrogéngáz képződik és a képződő gáz buborékjai felhabosítják az anyagot, vagy cseppfolyós nitrogént fecskendeznek a forró polietilénbe, ami gyorsan visszaalakul gázzá és buborékokat hoz létre. A habosítással a dielektrikumban zárt gázcellák keletkeznek, ennek köszönhetően csökken a veszteség és nő a terjedési sebesség. Törzskábelek esetén az árnyékolás anyaga tömör alumínium - vagy rézcső (5.16. ábra), ami varrat nélküli (seamless) vagy hegesztett (welded) lehet.

5.16. ábra: Törzskábel szerkezete 121

A varrat nélküli csövet sajtolással készítik. A gyártási folyamat egyszerű, de hátránya, hogy nem lehet tetszőlegesen hosszú (kb. 700 m-nél hosszabb) kábeleket gyártani. A hegesztett árnyékolás esetén két, folyamatosan a megfelelő alakra hajlított lemez készül, amelyeket a két határvonal mentén összehegesztenek. Az eljárással tetszőleges hosszúságú kábel készíthető. A dropkábelek árnyékolása alumínium fólia és szövet, ami a nagyobb fedettség érdekében több (2-4) rétegből áll (5.17. ábra).

5.17. ábra: Dropkábel árnyékolása (a) kétrétegű (dual-shield), (b) háromrétegű (tri-shield), (c) négyrétegű (quadrashield) Újabban a vastagabb kábelek árnyékolását is rugalmas alumíniumötvözetből készítik. A habosított dielektrikumot túlnyomással préselik a kábelbe, a rugalmas fólia alá. Az így kialakított kábel előnye, hogy ha mechanikai hatás következtében deformálódik, utána képes önmagától visszaállni az eredeti alakjára. Néhány kábeltípusnál a külső köpeny alatt olyan speciális folyékony vegyület található, amely levegővel érintkezve megszilárdul. Ez a vegyület a köpeny repedése esetén kitölti a sérülést, így megakadályozza, hogy a nedvesség bejusson a kábelbe. A koaxiális kábeleket légkábel kivitelben is készítik. A légkábeleket tartószállal (messenger) is ellátják, és a kábelköpeny a tartószálat is körülveszi (5.18. ábra), így a felfüggesztéseknél a köpenyt le kell fejteni a tartószálról.

5.18. ábra: Tartószálas dropkábel szerkezete A koaxiális kábel hőtágulási együtthatója nagyobb, mint az acél tartószálé. Ezért légkábeles hálózaton minden rögzítésnél dilatációs hurkot kell hagyni, hogy a téli-nyári hőmérsékletváltozás hatására fellépő hosszváltozás miatt a koaxiális kábel ne szakadjon ki a csatlakozóból. 5.1.6.3. Csatlakozók Műszerek és előfizetői készülékek csatlakoztatására használatosak a BNC (5.19. ábra) és az IEC csatlakozók (5.20. ábra).

122

5.19. ábra: BNC csatlakozó

5.20. ábra: IEC female (anya) és male (apa) csatlakozó A megfelelő csatlakozószereléshez kábelkés (5.21. ábra) és roppantó fogó (5.22. ábra) szükséges. A kábelkéssel körkörös mozdulatokkal megfelelő méretre lehet vágni a dielektrikumot, az árnyékolást és a külső védőréteget. A roppantó fogót az adott csatlakozótípus gyártójánál kell beszerezni. Feladata a csatlakozó megfelelő mechanikai és elektromos rögzítése a kábelhez.

5.21. ábra: Kábelkés RG kábelekhez

5.22. ábra: Roppantófogó RG kábelekhez

Koaxiális kábelajánlások Típus RG-8 RG-58 RG-59 RG-2

Alkalmazás 10 Base-5 10 Base-2 CATV ARCnet

Hullámimpedancia (Ω) 50 50 75 93

A koaxiális kábel előnyei: • • •

széleskörű felhasználás a nagy sávszélesség miatt (hang, adat, video), a kábelt relatíve (az optikaihoz képest) könnyű telepíteni, sokkal olcsóbb, mint az optikai kábel.

Hátrányai: • • •

nehezebb vele dolgozni, mint a csavart érpárral, a csatlakozók költségesek, a telepítés költségesebb, mint csavart érpár esetén.

Tipikus koaxiális kábel hibák: • •

a csatlakozókon történő kábelforrasztáskor gyakran fordul elő zárlat vagy szakadás, a különböző hullámimpedanciájú koaxiális kábelhez nem mindig a megfelelő csatlakozót használják, 123

• •

az árnyékoló fólia vagy harisnya sérülése, csatlakozások nem szakszerű kidolgozása.

Az átviteli jellemzők összehasonlítása céljából megadjuk a csavart érpár, a koaxiális kábel és az optikai kábel jellemzőit, melyeket az 5.2. Táblázatban foglaltuk össze. 5.2. Táblázat Kábel típus

Csavart érpár Koaxiális kábel Optikai kábel

Frekvencia tartomány 0 – 10 MHz 0 – 500 HMz 180 – 370 THz

Tipikus csillapítás

Tipikus késleltetési idő

3 dB/km (1 kHz) 7 dB/km (10 MHz) 0,2-0,5 dB/km

5 µs/km 4 µs/km 5 µs/km

Repeater távolság 2 km 1 - 8 km 40 km

5.1.7. Elektromos zajok és interferenciák az adatátviteli hálózaton Az elektromos kábelek alkalmazásának legnagyobb nehézsége a kábelen keletkező zajok, amelyek nagymértékben befolyásolják az adatátvitel minőségét. Elektromos zajok generálódhatnak a rendszeren belülről és kívülről. A zajok típusait lásd az 5.1.3. pontban! A zajok csökkentésének főbb módszerei: • • •

árnyékolások használata a jelvezetékeken, a zajforrás és a jelvezeték közötti távolság növelése, az árnyékolások helyes földelése.

Ismeretes, hogy a jel és a zaj közötti viszonyt a jel/zaj viszony fejezi ki (SNR - Sign to Noise Ratio). SNR = 10 ∗ log10 S/N [dB]. Pl.: • •

20 dB-es jel/zaj viszony rossz, mert az S/N = 100. 60 dB-es jel/zaj viszony jó, mert az S/N = 106.

Említettük, hogy a kommunikációs technikában az átviteli vonal minőségét a BER (Bit Error Rate = bit hiba arány) közvetlenebbül jellemzi. Pl.: 10-6 BER azt jelenti, hogy 1 millió bit átvitelekor csak 1 bit lesz hibás. A 10-12 BER igen kiváló átvitelnek számít. Ipari kommunikációban a 10-6 BER minimálisan elfogadható. A BER és SNR közötti kapcsolatot szemlélteti az 5.23. ábra. Eszerint megfelelő minőségű átvitelhez (pl. 10-7 BER, legalább 20 dB-es jel/zaj viszony szükséges, ami 100-szoros jel/zaj arányt jelent.

5.23. ábra:A BER és SNR közötti kapcsolat 124

Frekvencia spektrum alapján a zajok 3 nagy csoportba sorolhatók: • • •

szélessávú zajok, impulzus zajok, frekvencia típusú zajok.

5.1.7.1. Szélessávú zajok A szélessávú zajok sokféle frekvenciájú és amplitúdójú összetevőt tartalmaznak. A szélessávú zajok időtartománybeli viselkedését az 5.24. ábra, míg frekvencia spektrumát az 5.25. ábra mutatja.

5.24. ábra: Szélessávú zaj az időtartományban

5.25. ábra: Szélessávú zaj a frekvenciatartományban A szélessávú zajok gyakran okoznak bit-hibát az adatátvitelben, amikor a zaj amplitúdója elegendően nagy a jel értékéhez képest, azaz a jel/zaj viszony kicsi. Ilyenkor a vevő nem tudja megkülönböztetni a jelet a zajtól, és hibásan veszi a jelet. A paritás-bites vagy a blokk karakter ellenőrzés (BCC) alkalmas az ilyen hibák feltárására (lásd 4. fejezet). 5.1.7.2. Impulzus zajok Impulzus zajnak a 10 ms - 20 ms közötti idejű zajokat tekintjük. Ilyet szemléltet az idő tartományban az 5.26. ábra. Az impulzus zaj frekvencia tartománybeli viselkedését az 5.27. ábra szemlélteti.

125

5.26. ábra: Impulzus zaj az időtartományban

5.27. ábra: Impulzus zaj a frekvenciatartományban

Az impulzus zaj széles frekvencia tartományban hat és amplitúdója a frekvenciával csökken. Impulzus zajt okoz, pl. egy motor bekapcsolása, vagy egy nagy áramú mágneskapcsoló be/ki kapcsolása, stb. Az impulzus zajok rendszerint több bit vagy karakter, (burst hiba), esetleg keret meghibásodását, elvesztését eredményezhetik. Az impulzus zajok okozta átviteli hibák leghatékonyabban CRC kódolással fedhetők fel. Az impulzus zajok hatása az impulzus alakjától (négyszög, háromszög, trapéz,) is függ. 5.1.7.3. Frekvencia típusú zajok A frekvencia típusú zajok egy konstans frekvenciával jellemezhetők, de a zaj amplitúdója változó lehet. A frekvencia típusú zaj időbeni szemléltetését az 5.28. ábrán, a frekvenciatartománybeli viselkedését az 5.29. ábrán láthatjuk.

5.28. ábra: Frekvencia típusú zaj az időtartományban

5.29. ábra: Frekvencia típusú zaj a frekvenciatartományban

A frekvencia típusú zajok forrása leggyakrabban a hálózati tápegység, (ezért van az ábrán az 50 Hz), de ilyen zajok oszcillátorokból is származhatnak. A frekvencia típusú zaj hatását leggyakrabban megfelelően méretezett szűrőkkel csökkenthetjük. További tipikus elektromos zajforrások: • • •

126

villamos motorok (bekapcsolás, működés, kikapcsolás), fluoreszkáló fénycsövek, nagyfeszültségű eszközök elektromos hibái.

5.1.8. Elektromos zajok csatolási módszerei Zajhatás keletkezéséhez az adatátviteli rendszerekben három feltételre van szükség: • • •

zajforrás, a zajforrás jelének becsatolása a rendszerbe, az áramkör érzékenysége a zajra.

Elektromos zajok csatolásai: • • • •

közös impedancia csatolás, elektrosztatikus csatolás, mágneses vagy induktív csatolás, rádiófrekvenciás csatolás.

5.1.8.1. Közös impedancia csatolás Közös impedancia csatolásról akkor beszélünk, amikor két vagy több elektromos/elektronikus áramkörben közös vezeték ill. ellenállás található (5.30. ábra).

5.30. ábra: A közös impedancia csatolás Ilyenkor az egyik jeladó árama átfolyik a közös ellenálláson, és egy hibafeszültséget hoz létre a másik áramkörben. Védekezés: a közös vezetékek (ellenállások) kiiktatása. Példa: duplex átvitel esetén az 5.31. ábrának megfelelően a közös vezeték ill. ellenállás kiiktatása.

5.31. ábra: Közös impedancia csatolás kiküszöbölése 127

5.1.8.2. Elektrosztatikus vagy kapacitív csatolás Ilyen csatolás esetén a becsatolt jel (zaj) arányos a zajforrás és a jelvezeték közötti kapacitással. A becsatolt zaj nagysága a zajforrás feszültségváltozásaitól függ. A kapacitív csatolást szemlélteti az 5.32. ábra.

5.32. ábra: Elektrosztatikus vagy kapacitív csatolás Az ábrán a zajfeszültség a C1, C2 szórt kapacitásokon keresztül van a kommunikációs vezetékre csatolva. A zajfeszültség nagysága: • • • •

fordítottan arányos a zajforrás távolságával, egyenesen arányos a jelvezeték hosszával, egyenesen arányos a zajfeszültség amplitúdójával, egyenesen arányos a zajfeszültség frekvenciájával.

Az elektrosztatikus csatolás csökkentésének módszeréül használatos: • • • •

a jelvezetékek árnyékolása, a zajforrás elszeparálása, a zajfeszültség amplitúdójának, ha lehetséges, a frekvenciájának is a csökkentése, a csavart jelvezetékek alkalmazása (pl. sodrott érpár).

Az 5.33. ábra szemlélteti az elektrosztatikus árnyékolás szerepét. Az ábrán a C1, C2 kapacitív csatolása révén a zajfeszültség az árnyékoláson képződik. Ha a jelvezeték és az árnyékolás egy ponton van földelve, akkor a csatolás minimális értékű. Ezért az árnyékolást kis ellenállású anyagból (pl. réz, alumínium) kell kialakítani. Ha a kábel kapacitás viszonyai megfelelőek (C3 és C4 ∼ 100-szor kisebb, mint C1 vagy C2), akkor egy jó árnyékolású kábel esetén 35 dB-es zajcsökkentés érhető el.

128

5.33. ábra: Elektrosztatikus árnyékolás Az elektrosztatikus árnyékolást csak egy ponton szabad földelni. Egynél több pontú földelés esetén a földelési pontok között kiegyenlítő áramok folyhatnak, ami újabb zajt generálhat. 5.1.8.3. Mágneses vagy induktív csatolás A mágneses csatolás függ: • • • • •

a zajforrás árama időbeli megváltozásának (di/dt) nagyságától, a zajforrás frekvenciájától, a jelvezetékek által körülzárt területtől, amelyen keresztül a zajforrás árama által létrehozott fluxuskör záródik, a jelvezetékek és a zajforrás közötti kölcsönös induktivitástól, a zajforrás és a jelvezetékek közötti távolságtól (fordítottan).

A mágneses csatolás hatását az 5.34. ábra szemlélteti.

5.34. ábra: A mágneses csatolás A mágneses csatolás kiküszöbölésének leghatékonyabb módszere a csavart érpárú kábel alkalmazása (5.35. ábra) és/vagy mágneses árnyékolás alkalmazása.

129

5.35. ábra: A mágneses csatolás hatása csavart érpár esetén Csavart érpár esetén a csavarásokban elemi ellentétes polaritású feszültségek indukálódnak, amelyek összegződve kompenzálódnak, azaz kioltják, csökkentik egymás hatását. A jelvezetékek mágneses árnyékolása esetén a viszonyok az 5.36. ábra szerint alakulnak.

Fém árnyékolás, nem szükséges földelni! 5.36. ábra: Mágneses csatolás kiküszöbölés csavart érpár és mágneses árnyékolás alkalmazásával A zajforrás árama által keltett fluxus (∅2) az árnyékoláson záródik, és örvényáramot hoz létre a mágneses árnyékolásban. Az örvényáramok ellentétes mágneses fluxust (∅1) idéznek elő. Így az eredő fluxus kisebb értékű lesz (∅2 - ∅1). A mágneses árnyékolásnál nem követelmény a földelés. Rendszerint nagy permeabilitású acélból készítik az árnyékolást. 5.1.8.4. Rádiófrekvenciás csatolás A rádiófrekvenciás csatolás esetén a zajforrás az elektromágneses sugárzás. Ilyenkor a zajfeszültség elektrosztatikus és induktív csatolás révén jut a kommunikációs vezetékre. Az elektromágneses sugárzást csökkenteni kell, ha a térerő meghaladja az 1 V/m értéket. A térerő az alábbi formula alapján számítható: 0,173 P Térerõ @ (5-8) D ahol: a térerő V/m-ben, a P teljesítmény KW-ban, a D távolság km-ben értendő. A rádiófrekvenciás zavarok ellen két módszerrel védekeznek: • • 130

elektromágneses árnyékolással, a zajfeszültség kapacitív úton történő csökkentésével (a földhöz képest).

5.1.9. Árnyékolás, földelés Említettük, hogy a megbízható átvitel, azaz a megfelelő BER eléréséhez igen fontos a kellő jel/zaj viszony, így a megfelelő árnyékolás és földelés kialakítása. A villamos berendezésekben általában háromféle „föld” pontot különböztetünk meg, amelyek: a, Egy-egy áramkör rendszer közös pontja, pl. a NYÁK lemezen lévő áramkörök közös pontja (áramköri közös pont). b, Egy-egy berendezés sasszéjának közös pontja. Az a,-ban leírt áramköri közös pontot rendszerint egy-egy 100 ohm/0,5 W-os ellenállással csatlakoztatják a sasszéhoz. c, A harmadik „föld”, amelyik valóban ohmos kapcsolatban van a föld potenciáljával. A jó földelési rendszernek az áramkörök közös vonatkoztatási pontjának kialakítása mellett fontos célja az elektromos zajok minimalizálása. Ezért kis belső ellenállású földelési hálózatra van szükség a közös impedancia csatolás elkerülésére. Az árnyékolt sodrott érpár azért előnyös, mert az árnyékolás főként a kapacitív, a csavarás pedig a mágneses csatolást csökkenti. Elsőként vizsgáljuk meg egy árnyékolatlan csavart érpárra ható, induktív és kapacitív csatolás esetén fellépő viszonyokat. Egy árnyékolatlan csavart érpáron ható kapacitív ill. induktív (mágneses) külső csatolás helyettesítő képe látható az 5.37. ábrán. A kapacitív csatolást egy-egy Ic áramgenerátor, az induktív csatolást minden csavarásnál megjelenő ellentétes polaritású feszültséggenerátor (Vc) helyettesíti.

5.37. ábra: Csavart érpár kapacitív és induktív csatolásának helyettesítő képe A csavarás hatékonysága a vezeték impedanciájától, a méterenkénti csavarások számától (min. 40 csavarás/m) és a táplálás szimmetrikus vagy aszimmetrikus voltától függ. Aszimmetrikus generátor és/vagy impedancia esetén a kapacitív csatolás hatása érvényesül. Szimmetrikus táplálás a zajvédettség szempontjából előnyösebb. Általában elmondható, hogy 10 MHz alatt az egypontos földelési rendszer az optimális. Árnyékolt sodrott érpár árnyékolásának helyes földelésére három megoldást szemléltet az 5.38. ábra.

131

5.38. ábra: Árnyékolt sodrott érpár földelése Az a, ábrán a kábel végére csatlakozó áramkör bemenete földelve van és a meghajtó áramkör kimenete nincs földelve. Ajánlás: a kábel árnyékolását is ezen a ponton kell földelni. A b, ábrán a vonali meghajtó áramkör kimenete földelven van, a vevő áramkör bemenete viszont nincs. Ajánlás: a kábel árnyékolását a meghajtó fokozat felőli végen kell földelni a meghajtó fokozatéval azonos ponton. Mindkét megoldásnál figyelembe veendő, hogy a kábel nem földelt végén az árnyékolás és a vezetékek közötti szórt kapacitás szerepe a frekvencia növelésével növekszik. A c, ábrán mind a vonali meghajtó kimenete, mind a vevő áramkör bemenete földelt. Ilyenkor lehetséges az árnyékolás mindkét végét földelni, de számolni kell a két földpotenciál közötti különbségből származó kiegyenlítő árammal. Ezért mondják a telepítéssel foglalkozó szakemberek, hogy nem ajánlatos mindkét végén földelni az árnyékolást. Hasonló megoldás ajánlott a koaxiális kábel esetén is, főként, ha a zaj frekvenciája kisebb, mint 1 MHz. A két megoldást a sodrott érpárra és a koaxiális kábelre a hasonlóság miatt egymás mellett mutatjuk be az 5.39. ábrán.

5.39. ábra: Árnyékolt sodrott érpár és koaxiális kábel árnyékolásának földelése A nagyfrekvenciás zavarok miatt az árnyékolt kábelek csatlakozóinak földelése is különös jelentőséggel bír. Az 5.40. ábrán három megoldást mutatunk be példaként. Az a, ábrán a kábel árnyékolása egyáltalán nincs csatlakoztatva a csatlakozó föld pontjához. Ez a megoldás nem ajánlott. A b, ábrán a kábel árnyékolása össze van földelve a csatlakozó föld pontjával. Ez egy fokkal jobb megoldás, de a csatlakozónál a vezetékek árnyékolása nem megoldott, 132

ezért zavar érzékeny. A c, ábrán látható megoldásban a csatlakozó kialakítása árnyékolást biztosít. Amennyiben a kábel árnyékoló köpenye árnyékoló gyűrűvel csatlakozik a kábel árnyékolásához, ez a megoldás tekinthető a legelőnyösebbnek.

5.40. ábra: Árnyékolt kábel csatlakozó kialakítás Koaxiális kábel csatlakozójának ajánlott kialakítását szemlélteti az 5.41. ábra alacsony frekvenciás (< 1 MHz) (a) ill. nagyfrekvenciás (> 10 MHz) esetén. A nagyfrekvenciára ajánlott megoldásban itt is láthatjuk a 360o-os fémgyűrű alkalmazását, amely a földelt sasszé mindkét oldalához csatlakozik. Külső védő burkolat Árnyékolás Központi réz vezeték

Földelt sasséhoz

Áthatolható gyűrű

360o-os gyűrű

5.41. ábra: Koaxiális kábelvég ill. csatlakozás kialakítása alacsony frekvencián (a) és magas frekvencián (b) A kapacitív árnyékolást csak egy ponton kell földelni (5.42. a, ábra). 133

A mágneses árnyékolást, amely mágnesezhető fémből készül, vagy egyik végén sem, vagy mindkét végén ajánlott földelni. A mindkét végén földelt mágneses árnyékolást mutatja az 5.42. b, ábra. VN

LS

RS

VN

IS

VN

f c = 2π ⋅ R S / LS

5.42. ábra: Mágneses árnyékolásnál fellépő kiegyenlítő áram (a) és az árnyékolás hatékonysága (b) A b, ábrán a generátor is és a terhelés is földelve van. A két földpotenciál különbség és az árnyékoláson indukálódó zajfeszültség miatt folyó Is áram átfolyik az árnyékolás teljes hoszszában és Vn feszültséget indukál a koaxiális kábel réz vezetékében. Ezt az indukált feszültséget a fc frekvencia felett az árnyékolás konstans értéken tartja, míg árnyékolatlan vezeték esetén a Vn feszültség a frekvenciával arányosan nő. A koaxiális kábelnél azért kell külön foglalkozni a mágneses árnyékolással, mert itt nincsenek csavarások, mint a sodrott érpárnál, amely főként az induktív csatolás ellen hat. 5.2. Optikai kábel (fiber optic cable) A fényvezető eszközöket felhasználhatják információ továbbítására, ha a fénysugarakat adatjelekkel modulálják. A fényvezető szálas adatátviteli rendszer három fő egységből áll: a fényforrásból, az átviteli közegből (fénykábelből, üvegszálból) és a fényérzékelő detektorból. A fényforrás a villamos jelet fényimpulzussá alakítja („1” - fényimpulzus megléte, „0” - fényimpulzus hiánya). A fényimpulzusok az üvegszálon keresztül a detektorra kerülnek, amely a fényimpulzusokat villamos „1” ill. „0” jelekké alakítja. A gyakorlatban a fenti egyszerű megoldástól sokkal összetettebb átviteli módszereket is alkalmaznak. 134

5.2.1. Az optikai jelátvitel fizikai alapjai Optikai jelátvitelnél az információt a látható fény frekvenciatartományába eső elektromágneses hullám hordozza. Az egyenes vonalban terjedő fényhullámokat terjedésük során háromféle hatás éri: • • •

fénytörés, fényvisszaverődés, fényelhajlás (szóródás).

5.2.1.1. Fénytörés Amikor egy közegben terjedő fénysugár egy másik közeg határára érkezik, akkor irányát megváltoztatja. A közeg fényvezető tulajdonságát a törésmutató jellemzi, ami a vákuumbeli fénysebesség és az adott közegben mért fénysebesség aránya:

C vákuum (5-9) , Vközeg C vákuum a fény terjedési sebessége vákuumban ahol n a törésmutató (viszonyszám); (~ 300 000 km/s) és Vközeg a fény terjedési sebessége a vizsgált közegben (km/s). Például az üveg törésmutatója nüveg = 1,5; a vízé n víz = 1,33. n=

Két közeg határán a törési szöget a Schnell-féle a törési törvény adja meg. A Schnelltörvény szerint a beesési és a törési szög szinuszai úgy aránylanak egymáshoz, mint az adott közegekben mért fénysebességek:

siná v1 n 2 = = sinâ v 2 n 1

(5-10)

Ha a fény optikailag sűrűbb közegből ritkább közegbe lép, a törési szög ( β ) nagyobb lesz a beesési szögnél (α). A 90o-os törési szöghöz tartozó beesési szöget határszögnek (αh) nevezik (5.43. b, ábra). Ha a fény a határszögnél nagyobb szögben esik a két közeget elválasztó felületre, akkor teljes egészében visszaverődik ( β = α). Tükrökről való visszaverődéskor mindig fellép veszteség, ezzel ellentétben a közeghatárról való teljes visszaverődés veszteségmentes. A fényvezető szálban történő visszaverődések miatt az optikai jel teljesítménye nem csökken. α < αh

α = αh

β

α

α > αh

β α

α

α

5.43. ábra: Fény törése optikailag ritkább (kisebb törésmutatójú) közeg határán (a) a határszögnél kisebb beesési szög esetén a fény kilép a közegből; (b) határszög esetén α = α h a fénysugár a határfelület mentén halad tovább; (c) a határszögnél nagyobb beesési szög esetén a fény teljes mértékben visszaverődik

135

A fénytörés jelenségét szemlélteti az 5.44. ábra, amikor a sugár a magasabb törésmutatójú (optikailag sűrűbb) (n1) anyagból az alacsonyabb törésmutatójú (n2) (optikailag ritkább) anyagba lép át. Beeső sugár

Visszavert sugár

α

n1

Felület

n1 > n 2

n2

β

β>α

Megtört sugár

5.44. ábra: Fénytörés n1 → n2 átlépésnél (n1 > n2) Ilyen esetben a törési szög (β) nagyobb lesz a beesési szögnél (α). Kisebb törésmutatójú (optikailag ritkább) anyagból nagyobb törésmutatójú anyagba (optikailag sűrűbb) anyagba történő átlépéskor fellépő fénytörést szemlélteti az 5.45. ábra. Ilyenkor a törési szög kisebb lesz a beesési szögnél. Beeső sugár

Visszavert sugár

α

n2

Felület

n1

β n 2

β Megtört sugár

5.45. ábra: Fénytörés n2 → n1 átlépésnél (n1 > n2) Néhány anyag törésmutatója: Anyag Vákuum Levegő Víz Üveg Gyémánt

Törésmutató (n) 1,0000 1,0002 1,333 1,452…1,655 (típustól függően) 2,421

Az optikai kábel esetén a fényvezető szálba vezetett fénysugár beesési szögének növelésével el lehet jutni a határszögig ill. a visszaverődésig (5.46. ábra).

136

n1 > n 2

Megtört sugár Megtört sugár

n1

+DWiU

n2

α

αh

β

αh = Határszög

Megtört sugár

α = Beesési szög β = Visszaesési szög 5.46. ábra. A fénysugár irányváltoztatása a beesési szögtől függően A fényvezető szálban létrejövő visszaverődést belső visszaverődésnek nevezik. A határszög n a Schnell-féle törési törvényből β = 90o helyettesítéssel kiszámítható: α h = arcsin 2 . A han1 társzög ismeretében meg lehet határozni azt a max. szöget, amelyet a fényvezető szálba belépő fénysugár bezárhat a szál hossztengelyével. Ez az ún. numerikus apertúra (NA), amely fontos jellemző a különböző optikai eszközök illesztésénél (5.47. ábra) és értéke levezethető a törési törvényből. Ha a levegő törésmutatóját n0 = 1 értéknek vesszük (azaz jó közelítéssel feltételezzük, hogy levegőben a fénysebesség azonos a vákuumbeli fénysebességgel), akkor

NA = n12 - n 22 .

(5-11) Köpeny

n1

NA

Mag

n2

n0

5.47. ábra. Numerikus apertúra Példaként határozzuk meg az NA, valamint a határszög (αh) értékét arra az esetre, ha az üvegszál törésmutatója 1,17, a burkolaté pedig 1,45. n1 = 1,47 n2 = 1,45.

α h = arcsin

1,45 = 80,5o 1,47

(1,47

)

NA =

2

− 1,452 = 0,2417 .

Az NA = sin α összefüggésből az NA-hoz tartozó szög: α = arcsin 0,2417 = 13,98o.

137

Ha két azonos átmérőjű, de különböző NA értékű optikai szálba vezetjük a fényt, akkor a nagyobb NA értékű szálba több fényenergia kerül a fényforrásból, mint a kisebb NA-jú szálba. Ezt szemlélteti az 5.48. ábra.

Burkolat n 2

o 11.5

Üvegszál n1

D1

NA = 0,2 D1 = D2

30

o

Burkolat n 2 Üvegszál n1

D2

NA = 0,5

5.48. ábra: Azonos átmérőjű, különböző NA értékű szálakba belépő fénysugarak Két azonos NA értékű, de különböző átmérőjű optikai szálba fényt vezetve a nagyobb átmérőjű szálba több fényenergia kerül a fényforrásból, mint a kisebb átmérőjű szálba (5.49. ábra). Burkolat

n2

aa

Üvegszál n1

D1

Kisebb átmérõjû üvegszál

D1 N 2

Reflektrált sugár

5.52. ábra: A fénysugár útját károsan befolyásoló jelenségek

139

A fénytörés és a fényvisszaverődés tehát két különböző törésmutatójú közeg határán lép fel. Ha viszont a fénysugár útjába pontszerű akadály kerül, akkor a fény az akadályozó anyagtól függően elnyelődhet, elhajolhat, vagy szóródhat.

5.2.2. Egy- és többmódusú szálak

Egy fényvezető szálban több különböző hullámhosszú fénysugarat is továbbíthatunk. Ezeket módusoknak nevezzük. Ha az üvegszál átmérőjét néhány hullámhossznyira lecsökkentjük (8 - 10 µm átmérő), akkor a fény visszaverődés nélkül, egyenes vonalban terjed a vezetéken (5.53. c, ábra). Az ilyen üvegszálat egymódusú szálnak nevezik, amely üvegszálak 1-10 Gbps sebességű átvitelt biztosítanak ~ 30 km távolságon belül. A fényvezetős átviteli összeköttetés sávszélességét a szál diszperziója határolja. A diszperziót általában a szálban terjedő fényimpulzus szélesedésével mérik. Egymódusú üzemmódban a diszperziót főképpen a szál anyaga törésmutatójának hullámhosszfüggése okozza. Az impulzus diszperziója a hullámhossz és a fényforrás spektrumszélességétől függ. Egy 0,85 µm közepes hullámhosszú fényforrás esetén, az egymódusú szálak 80 ps impulzusszélesedést mutatnak km-enként a szálhosszúság függvényében és nanométerenként a fényhullámhossz függvényében. Az 1,27 µm hullámhossztartományban az egymódusú szálak diszperzió minimumot mutatnak, amely az 1,3 és 1,4 µm hullámhossztartományba tolódik a szál geometriai diszperziója következtében. Az egymódusú szál diszperziója minimális és ezért a legnagyobb az átviteli sávszélessége. Több módus továbbítása esetén többmódusú szálról beszélünk. Több módus esetén az egyes fénysugarak által megtett út különbözik. Egy összetett spektrumú jel komponensei a szál végén fázisban eltolva jelennek meg (módusdiszperzió), a jel szétkenődik (5.53. a, b, ábra). Belépő fényimpulzus

Kilépő fényimpulzus

a,

b,

c,

5.53. ábra: Impulzus átvitel egy- és többmódusú szál esetén

140

A jelenséget gyakran kromatikus diszperziónak (a színek szétszóródásának) is nevezik. A módus diszperzió miatt az egymás utáni impulzusok átlapolódhatnak, ami a detektálásnál hibát okozhat az 5.54. ábra szerint. n2 n1

Bemenő impulzusok

Kijövő impulzusok

5.54. ábra: Módus diszperzió és jelátlapolódás A módus diszperzió (D) az alábbi összefüggés alapján határozható meg: D=

(D

2 o

)

− Di ,

(5-12)

ahol Do = a kimenő impulzus szélessége nsec-ban, D1 = a belépő impulzus szélessége nsec-ban. A módus diszperzió az NA növelésével növekszik, következésképpen az optikai szál sávszélessége az NA növelésével csökken. A törésmutatók arányának és a kilométerenkénti impulzushossznak az összefüggését szemlélteti az 5.55. ábra.

Az átviteli sebesség és a km-enkénti impulzushossz növekedés kapcsolatát mutatja az 5.56. ábra. n1 n2

1 Gbit/s

1.012 1.010

100 Mbit/s

1.008

Átviteli sebesség

A törésmutatók 1.006 aránya

10 Mbit/s

1.004 1.002 10

10

20

30

40

50

60

70

20

30

40

50

60

70

80

Pulzus diszperzió ns/km

80

Pulzus diszperzió ns/km

5.55 ábra: Impulzushossz növekedés és a törésmutatók arányának kapcsolata

5.56. ábra: Impulzushossz és az adatsebesség közötti összefüggés

Egy optikai szálban a lehetséges módusok száma (M) a szál átmérőjétől (d), a fénysugár hullámhosszától (λ), a beesési szögtől (α) és az NA-tól függ az (5-13) összefüggés szerint: M=

[

]

0,5 α ∗ d(NA ) . λ 2

(5-13)

Példaként a módusok számának a szál átmérőtől való függését szemlélteti az 5.57. ábra.

141

10000 1000 Módusok száma

100 10 1

1

10

100 Szál átmérő µm

5.57. ábra: A módusok száma a szál átmérőtől függően A diszperzió csökkenthető, ha a két közeg között a törésmutató nem ugrásszerűen, hanem folyamatosan változik (gradiens- vagy folyamatos indexű szál). Ilyenkor a hosszabb úton haladó fénysugarak a kisebb törésmutatójú közegben gyorsabban haladnak, az átvitt jelek kevésbé tolódnak el egymástól (5.58. ábra).

50 µm

125 µm

Törésmutató eloszlás

50 µm

125 µm

a,

8 µm

125 µm

b,

c,

5.58. ábra: Egy- és többmódusú szálak törésmutató eloszlása (a) lépcsős törésmutató profilú, többmódusú; (b) gradiens törésmutató profilú, többmódusú; (c) egymódusú Az egymódusú szálon kívül ezek a lépcsős törésmutatójú (stepindexű) sokmódusú és a gradiens törésmutatójú (gradiens indexű) sokmódusú szálak használatosak. Míg az egymódusú szálak magátmérője a 2…8 µm nagyság között van, a stepindexű sokmódusú szál az 50 µm nagyságrendjébe esik. Nagyszámú módus terjedhet az ilyen szálban. Szokásosan a szál végén a fényforrás sok módust gerjeszt, majd móduskonverzió áll elő a szál mentén a szál hajlásainak következtében. A módusok különböző csoportsebessége az átvitt fényimpulzus számottevő szélesedését hozza magával úgy, hogy a sávszélesség ∗ hosszúság a 10…100 MHz ∗ km nagyságrendben van. A kis sávszélességű optikai összeköttetések esetén a sokmódusú szálaknak az egymódusú szállal összehasonlítva két előnyük van a nagyobb magátmérő következtében. Először, a sokmódusú szál megengedi a nem koherens fényforrások használatát, amelyek 142

csak igen kis hatásfokkal volnának az egymódusú szálba csatolhatók. Másodszor a sokmódusú szál kisebb tűrési követelményeket támaszt a szálak csatlakozóival szemben. A gradiens szál nem stepindexszerű, hanem parabolikus törésmutató-profilváltozást mutat a szál tengelyében lévő maximummal. A gradiens szál szintén nagyszámú módust tesz lehetővé. A stepindexű sokmódusú szállal összehasonlítva előnye a csekély módusdiszperzió. Ez a törésmutató-profil alkalmas választásával érhető el, ami a különféle módusok csoportfutásiidő különbségét a legkisebbé teszi. A gradienses sokmódusú szálaknak ez a tulajdonsága könnyen megérthető a geometriai optika alapján. A stepindexű szálban a fénysugár útja egyenes a magon belül és teljesen visszaverődik a mag-köpeny határfelületén. Mivel a fénysebesség állandó a magon belül, a szál tengelyét nagyobb szögben metsző sugaraknak kisebb sebesség összetevőjük van a tengely irányában. A gradiensszálban a fénysugarak görbült utat követnek. A szál tengelyéhez közel haladó sugaraknak rövidebb az útjuk, azonban ezek nagyobb törésmutatójú és ezért kisebb csoportsebességű tartományban haladva egyenlítik ki a rövidebb úthosszat. A gradiens szálaknál parabolikus törésmutatójú profilt használnak. A legkisebb diszperziót adó hatványkitevő a szál anyagától függ. A többmódusú átvitel előnye, hogy egyszerűbb és olcsóbb eszközök kellenek hozzá (adók, csatlakozók), a módusdiszperzió miatt viszont csak kisebb távolságok hidalhatók át. A többmódusú szálak belső fényvezetőjének átmérője 50 vagy 62,5 µm. Hosszabb távolságokon, így a kábeltelevíziós technikában is egymódusú szálakat használnak. Ezek belső fényvezetőjének átmérője 9 µm. A precízebb csatlakozók és az alkalmazott lézeradók miatt ez a technológia jóval drágább. Mindkét esetben a köpeny átmérője 125 µm, a szálat körülvevő védőréteg átmérője 250 µm. Az optikai kábelek igen nagy sávszélességet biztosítanak. Tipikus sávszélesség értéket szemléltet az 5.59. ábra. 0 -3 Relatív teljesítményszint (dB)

-250 MHz

+250 MHz

Fo

Frekvencia (Hz)

2.3 x 1014

5.59. ábra: Optikai kábel sávszélessége 5.2.3. Az optikai kábel felépítése

A fényvezető kábel a fonott árnyékolástól eltekintve hasonlít a koaxiális kábelre. Az 5.60. ábra mindkét nézetben mutat egy fényvezető szálat.

143

Üvegszál (mag) Elől nézet Köpeny

Burkolat

Oldal nézet

Mag n2 = 1.49

Köpeny Burkolat n1 = 1.46

λ = 850 nm Látható fény

50 µm átmérő

125 µm átmérő

250 µm átmérő

Nylon fólia (opcionális)

5.60. ábra: Optikai szál felépítése Középen található az üvegmag, amiben a fény terjed. Többmódusú szál esetén a mag 50 mikron átmérőjű, azaz körülbelül olyan vastag, mint egy emberi hajszál. Egymódusú szál esetén a mag 8-10 mikron átmérőjű. Az üvegmagot olyan üvegköpeny veszi körül, amelynek a törésmutatója kisebb, mint a magé, így a fénysugár a magon belül marad. A szálat kívülről műanyag védőburkolattal látják el a köpeny védelme érdekében. A fényvezető kábelben általában több szálat fognak össze, és azokat egy műanyag csőbe helyezve védik a külső behatásoktól. A szárazföldi fénykábeleket általában egy méter mélyre fektetik, ahol gyakran okoznak kárt a markológépek és a rágcsálók. A tengeri kábeleket a partok közelében vízi eke segítségével beszántják a tengerfenék alá, míg a mélyebb vizekben egyszerűen csak leengedik a kábeleket a tengerfenékre. A fényvezető szál készülhet szilárd vagy laza burkolattal a különböző környezeti igényekhez igazodva az 5.61. ábra szerint.

5.61. ábra. Szilárd (a) és laza (b) burkolatú fényvezető szál felépítése és méretei Az optikai kábelek 1-192 szálból állhat. A szálak lehetnek szigeteletlenek, ill. egyesével vagy csoportosan szigeteltek. A szálakat színekkel különböztetik meg. Amennyiben a kábelben több szálcsoport van, ezeket csőnek (pászmának) nevezzük és az egyes pászmák különböző színűek. A behúzásnál fellépő húzó igénybevétel miatt a kábel közepén behúzószálat alkalmaznak (5.62. ábra) vagy két műanyag védőréteg között elhelyezett üvegszál fonattal tehermentesítik a fényvezető szálakat. Hagyományos, acél tartószálas kábelek is kaphatók. Fokozott védelem esetére (közvetlen földbe fektetés, rágcsáló elleni védelem) acél védőfóliával ellátott kábel használható. A légkábelek acélsodrony tartószállal vannak felszerelve. Kaphatók

144

teljesen fémmentes kábelek is. Ezeket nem kell földelni, és akár nagyfeszültségű oszlopsorra is felszerelhetők.

5.62. ábra: Sokszálas optikai kábelek szerkezete (Pirelli) a) 8 x 12-es fémmentes, behúzószálas kábel; (b) 6 x 8-as fémmentes légkábel Különböző szerkezetű optikai kábelek fotóit láthatjuk az 5.63. ábrán.

5.63. ábra: Különböző szerkezetű optikai kábelek 5.2.4. Az optikai szál csillapítása 5.2.4.1. A csillapítás és a hullámhossz kapcsolata

A fényvezető szál többnyire üvegből készül. Az üveg csillapítása a bevezetett fény hullámhosszától függ (5.64. ábra). Az optikai átvitel azokon a hullámhosszokon zajlik, ahol a szál csillapítása a legkisebb: 850 nm, 1310 nm (S sáv), 1550 nm (C sáv) és 1625 nm (L sáv). Ezek a hullámok már az emberi szem számára láthatatlanok. Ez veszélyt jelent az optikai hálózaton dolgozóknak, mivel az átvitel során néhány mW teljesítményű lézerfényt használnak, ami a szembe kerülve károsodást okoz. Ezért optikai hálózaton végzett munka során mindig úgy kell eljárni, mintha az összes szálon jel lenne. A szálvégbe tilos belenézni, ezért minden csatlakozást bontás után azonnal kupakkal le kell zárni.

5.64. ábra: Optikai szál csillapítása a hullámhossz függvényében 145

5.2.4.2. A csillapítás okai

A csillapítás oka, hogy a szálban lévő szennyeződéseknél és gyártás közben keletkező inhomogenitásokban a törésmutató értéke megváltozik. Ezért az ide érkező fény szóródik, ill. egy része elnyelődhet, visszaverődhet (5.65. ábra). A következőkben áttekintjük a csillapítás fontosabb okait. Elnyelés

Visszaverődés

Szóródás

5.65. ábra. Optikai szál csillapítása: elnyelődés, szóródás, visszaverődés 5.2.4.3. Anyagszerkezeti veszteségek

•

•

Elnyelődés (abszorpció). A szálban haladó foton az üveg valamely szennyező atomjának vagy az adalékanyag valamely atomjának ütközik. Bizonyos hullámhosszokon a hidroxilionok (OH) okoznak nagyobb csillapítást (a csillapítási diagramon az 1400 nm körüli kiemelkedés). Ez esetekben az ütköző foton energiája az ütközésben résztvevő atom vagy ion energiáját növeli. Szóródás: bármilyen anyagszerkezeti inhomogenitáson a fotonok egy része szóródik. Jelentős a rácsszerkezet inhomogenitása miatt fellépő Rayleigh-szóródás (A), amely a hul1 lámhossz növekedésével az A ~ 4 összefüggés szerint gyorsan csökken (5.64. ábra). λ

5.2.4.4. Mechanikai veszteségek a, Microbending: a szálban lévő mikroszkopikus hajlatokról a fény egy része visszaverődik, vagy kilép a magból (5.66. ábra).

5.66. ábra: A microbending által okozott veszteség b, Macrobending: az optikai szálnál fokozottan figyelembe kell venni a gyártó által előírt min. hajlítási sugarat. Ha a szál sugara ennél kisebb, a fénysugár a határszögnél kisebb szögben érkezik a két közeget elválasztó felületre és kilép a magból (5.67. ábra).

146

αh

n1 n2

α n = határszög

5.67. ábra: A macrobending által okozott veszteség c, Illesztési pontatlanságok:

• • • • • •

elliptikus mag, nem koncentrikus magok, eltérő numerikus apertúrák, porszemek a szálvégek között, légrés a szálvégek között, rosszul levágott szálvégek.

Illesztési pontatlanságból származó veszteségeket szemléltet az 5.68. ábra. Az a, ábrán azonos NA-jú, de különböző átmérőjű szálak esetén fellépő viszonyokat tanulmányozhatjuk. A b, ábrán azonos átmérőjű és különböző NA-jú szálak illesztésénél fellépő veszteségek vannak szemléltetve.

5.68. ábra: Illesztési pontatlanságból származó veszteségek azonos NA-jú és különböző átmérőjű (a) ill. különböző NA-jú és azonos átmérőjű (b) szálak esetén A veszteség mértéke:

a, esetben: - 20 lg (d1/d2), ha d1 > d2, b, esetben: - 20 lg (NA1/NA2), ha NA1 > NA2.

147

Az optikai szálon a veszteségek miatt a kimenő teljesítmény közel exponenciálisan csökken a távolság függvényében az 5.69. ábra szerint. 1.0

0.5

0.25 0.125 0.0625 0.03125 L

3L

2L

4L

5L

Távolság

5.69. ábra: Az optikai szál csillapítása a távolság függvényében 5.2.5. Optikai kötések

Az optikai kábelvégek, csatlakoztatások kialakítása speciális szerszámokat és szakértelmet igényel. A fényvezető szálakat háromféleképpen lehet összeilleszteni. A legegyszerűbb módszer az e célra gyártott csatlakozók alkalmazása. A csatlakozók ~ 20 % veszteséget okoznak. Példaként az 5.70. ábrán az SC csatlakozót a, az ST csatlakozót b, és az FDDI csatlakozót c, tekinthetjük meg.

a,

b,

148

c, 5.70. ábra: SC csatlakozó (a), ST csatlakozó (b) FDDI csatlakozó (c) A második lehetőség, amikor a szálakat meghatározott szögben elnyessük, összecsiszoljuk, majd az elnyesett végeket speciális szorítóval összefogjuk. A pontosabb illesztést műszeres méréssel érhetjük el. Ez az illesztési mód ~ 10 % veszteséget okoz. A harmadik lehetőség a két szál összehegesztése. Az optikai szálakat fúziós hegesztéssel kötik össze. A hegesztés előfeltétele, hogy a hegesztendő felületek merőlegesek, tiszták és törésmentesek legyenek. Ilyen felület speciális száltörő (szálvágó) szerszámmal lehet készíteni. Az elkészített kötések a hálózatban optikai kötődobozba, az állomásokon optikai fogadószekrénybe kerülnek. Ezekben minden cső külön tálcára vezethető ki. A tálcákon minden szálat külön vájatban lehet elhelyezni és mechanikailag rögzíteni (5.71. ábra).

5.71. ábra: Optikai fogadószekrény A fogadószekrényben az optikai kábelek hajlításánál az előírt minimális sugarat minden esetben be kell tartani! 149

5.2.6. Optikai adók és vevők Optikai adóként LED-eket, félvezető vagy szilárdtest lézereket alkalmaznak. Ezek rövid, funkcionális jellemzése:

• •

LED: alacsony átviteli sebesség, többmódusú átvitel, viszonylag kis távolság, hosszú élettartam, alacsony hőmérséklet érzékenység, olcsó. Félvezető lézer: magas adatátviteli sebesség, egy - vagy többmódusú átvitel, nagy átviteli távolság, rövid élettartam, drága.

A lézerfény intenzitása széles tartományban arányos a gerjesztéssel, így a fény modulálása egyszerűen megoldható. Optikai vevőként fotódiódát, PIN fotódiódát vagy lavina fotódiódát alkalmaznak. 5.2.7. Optikai hálózatok

Az optikai átviteli rendszerek az 1980-as évektől rohamosan fejlődtek és fejlődnek. Kezdetben a nagy távolságú pont-pont közötti kommunikáció, később a végpontokon használt optikai multiplexerek/demultiplexerek révén a több pont - több pont közötti adatátvitel terjedt el. Optikai átvitel esetén a hullámhossz szerinti osztásos (Wave Division Multiplexing WDM) technikát használják, amely tulajdonképpen FDM eljárás. A WDM-nél az egyes csatornákat a hullámhosszal jelölik. Az egyes hullámhosszak szeparálva vannak egymástól egy-egy nem használt frekvencia (hullámhossz) tartománnyal. Ugyanakkor használatos az alapsávi átvitelnél már megismert időosztásos (TDM) multiplexelési módszer is. A TDM egy-egy csatornára biztosított idejét time-slot-nak (időrésnek) hívják. A kétféle multiplexelési módszert illusztrálja az 5.72. ábra.

Idő Idő slot csatornák

1 Csatorna

2 Csatorna

3 Csatorna

4 Csatorna

...stb.

Sávszélesség

4 Csatorna

3 Csatorna

2 Csatorna

WDM:

1 Csatorna

Sávszélesség

TDM:

Idő Hullámhossz csatornák

5.72. ábra: WDM (a) és TDM (b) illusztráció A legkorszerűbb eszközökben a WDM és a TDM módszert kombináltan alkalmazzák. Ennek időbeni és sávszélesség szerinti kiosztását szemlélteti az 5.73. ábra.

150

Slot 4

λ1

Slot 1 Slot 2 Slot 3 Slot 4

λ2

Sávszélesség

Slot 1 Slot 2 Slot 3

Slot 1 Slot 2 Slot 3 Slot 4 λ 3

Slot 1 Slot 2 Slot 3

Slot 4 λ4

Idő

5.73. ábra: Kombinált WDM és TDM 5.3. Vezeték nélküli átvitel

Vezeték nélküli átvitel esetén az átviteli közeg az elektromágneses hullám. Az elektromágneses hullám másodpercenkénti rezgésszámát frekvenciának (f) nevezzük, amelynek egysége a Hertz (Hz). Két egymás utáni hullámcsúcs (vagy hullámvölgy) közötti távolságát hullámhossznak (λ) hívjuk. Egy elektronikus készülékben keltett elektromágneses hullámot antenna segítségével lehet a térben szétszórni az elektromágneses hullám frekvenciájától (hullámhoszszától) függően. A vákuumban az elektromágneses hullám a frekvenciájától függetlenül fénysebességgel (c) terjed. Rézben és üvegszálban ez a sebesség 2/3-ára csökken. A c, a λ és az f között az alábbi összefüggés áll fenn (Einstein): λ f = c.

(5-14)

Ez azt jelenti például, hogy 1 MHz-es hullám hullámhossza ~ 300 m, ill. az 1 cm-es hullámhosszú hullám 30 GHz frekvenciájú. Az elektromágneses hullámok spektrumát az 5.74. ábrán tüntettük fel.

5.74. ábra. Az elektromágneses spektrum és felhasználása a távközlésben Az elektromágneses hullámmal továbbítható információ mennyisége a sávszélességtől függ. A legtöbb átvitel keskeny frekvenciasávot használ (vagyis ∆f/f +  A 6.52. ábra mutatja a csúszóablak felépítését. U=

(6-11)

A nyugtázásig tárolt keretek

A küldendő keretek ablaka (adás ablak )

A már elküldött keretek

...

0

1

2

3

4

5

6

7

0

1

2

3

4

5

6

7

...

Keret Utolsó nyugUtolsó A keret mozgás iránya Az ablak erre bővül a sorrend szám tázott keret átvitt keret küldés során nyugtázó jel (ACK) vételekor a, Küldés

A nyugtázásig tárolt keretek

Vétel ablak, amely keretek akceptánadók

A már vett keretek

...

0

1

2

3

4

5

6

7

0

1

2

3

Utolsó nyugUtolsó Az ablak mozgása tázott keret vett keret vétel során b, Vétel

4

5

7

...

Az ablak erre bővül az ACK jel küldésekor

6.52. ábra: A csúszóablak felépítése 202

6

Példaként a csúszóablakos kapcsolatvezérlési algoritmust a 6.53. ábrán mutatjuk be.

6.53. ábra: A csúszóablak mozgása átvitel során A példában az ablak méret hét keret. Kezdetben a forrás és a cél ugyanazon hét keretet tekinti ablaknak. Ezután átvitelre kerül az első három keret (F0, F1, F2) nyugtázás nélkül. Ezután a vevő nyugtázza az első 3 keretet. Ennek hatására az ablak jobbra csúszik és kiegészül 7 keretre az adóban és a vevőben egyaránt. Az átvitel a következő keretek átvitelével és az ablak csúszásával folytatódik. Az eddig leírtak a hibátlan átvitelre vonatkoznak.

6.5.3. Hibaszabályozás a csúszóablakos algoritmusokban Hiba esetén szükséges javításküldés jelentős időt és sávszélességet igényelhet, ezért lényeges a javításküldés szabályozása, amit hibaszabályozásnak (error control) neveznek. A hibaszabályozásban alkalmazott alapeljárások a következők:

• • •

pozitív vagy negatív nyugták (Positive/Negative ACKnowledgement, ACK/NACK vagy NAK) alkalmazása, amellyel visszacsatolást biztosítanak az adónak, időtúllépés (timeout), amely akkor lép működésbe, ha egy meghatározott ideig nem érkezik meg a csomag vagy a nyugta, sorszámozás (sequence numbering): segítségével megállapítható a keretvesztés.

a, Megáll és vár típusú ARQ A fenti alapeljárásokat használják az önműködő újraküldés-kérés (Automatic Retransmission/Repeat reQuest, ARQ) nevű hibajavító eljárásban. Ennek során a keret hibamentes vételekor ACK-t küld vissza a vevő, hiba észlelésekor vagy időtúllépés (időzítő lejártáig nem érkezett csomag) esetén NACK-t. Az adó NACK vagy adó oldali időtúllépés (az időzítő lejártáig nem érkezett nyugta) hatására újraküldi a csomagot.

203

Az ARQ-t együtt alkalmazzák a megáll - és - vár áramlásszabályozási algoritmussal (6.5.2.1). ARQ esetén a hasznosításra felírható:

U=

tk 1 = , N r (2t t + t k ) N r (2α + 1)

(6-12)

ahol tk a keretküldési idő, tt a terjedési idő, Nr az újraküldések száma, α terjedési és a keretküldési idő hányadosa. A megáll - és vár típusú ARQ időzítését szemlélteti a 6.54. ábra. A

Keret átviteli idő

B

0.

Terjedési idő

ke

ret

ACK

1.

ke

1

ACK nyugtázási idő

ret

0 ACK

0.

ke

ret

∗

Időtúllépés intervallum 0. keret elveszett, Ezért újraküldve

0.

ke

ret

ACK

1.

ke

1

ret

0 ACK

Időtúllépés intervallum ACK0 elveszett, ezért 1. keret újraküldve 1.

ke

ret

0 ACK

B nyugtázza (ismételten) Az 1. keretet

6.54. ábra: Megáll és vár típusú ARQ Nagy terjedési idők nagy holt időt okoznak, vagyis az eredő átviteli sebesség lecsökkenését eredményezi az, ha az adónak meg kell várni a nyugtát, amíg az újabb adásba kezdhet. Ilyenkor az elektronikában jól ismert csővezeték (pipeline) módszert alkalmazzák, aminek eredményeképpen a keretek, mint egy csőben, folyamatosan követik egymást. Ez viszont azzal jár, hogy ha egy, a folyam közepén lévő keretet a vevő nem fogad el, akkor kérdéses lesz az azt követő (egyébként jó) keretek felhasználása is. Így az egyszerű megáll - és - vár algoritmuson túllépve felmerül a javítócsomag-kiválasztásának feladata, amelyre két megoldás született, az ún. n-visszalépés és a válogató ismétlés.

b, N-visszalépéses (GBN) hibaszabályozás Az n-visszalépés (Go-Back-N, GBN) eljárásnál a vevő a hiba után érkező összes keretet eldobja. Ilyenkor az adó adásablaka megtelik, és a meghibásodott kerethez tartozó időzítő lejárta után elkezdi újraküldeni a hibás keretet és az utána következő kereteket. Belátható, hogy nagy hibaaránynál ezzel a módszerrel az átvitel hatékonysága jelentősen leromlik. A GBN időzítését mutatja a 6.55. ábra.

204

A 6.55. ábrából látható, hogy az újraküldött keretek Nr száma:

N, ha N ≤ 2α + 1 . Nr =  2α + 1, ha N > 2α + 1

(6-13)

c, Válogató ismétlés (SR) A válogató ismétlés (Selective Repeat, SR) más néven válogató elutasítás (selective reject) lényege, hogy szemben a GBN-nel, a vevő a hibás keretet követő összes keretet tárolja, de nem küld NACK-et (az addig helyesen vett keretekre küld ACK-et). Az adó a hibás kerethez tartozó időzítő lejártakor észleli a hibát és újraküldi a hibás keretet, de az utána következőket nem, hanem a hibás keret küldése után folyatja a keretek küldést ott, ahol abbahagyta a hibás keret újraküldése miatt. Amikor a vevő helyesen megkapja az újraküldött keretet, akkor a kapcsolati rétege átadja az újraküldöttet és minden utána következő, helyesen vett keretet a hálózati rétegének, majd a legnagyobb sorszámú, helyesen vett keretet nyugtázza ACK-kal az adó felé. A kétféle csúszóablakos ARQ protokollt szemlélteti a 6.56. ábra.

205

6.56. ábra: Csúszóablakos ARQ protokollok

6.6. Az IEEE 802.X szabványok áttekintése A fontosabb IEEE 802 szabványok •

IEEE 802.3. CSMA/CD

Tulajdonképpen az Ethernet hálózattal kapcsolatos ismereteket, előírásokat és ajánlásokat tartalmazza.

További változatok: IEEE 802.3.u - 100 Mbps vagy gyors Ethernet, IEEE 802.3.z - 1000 Mbps vagy „Gigabit” Ethernet.

•

IEEE 802.4. Token Bus

A General Motors fejlesztette ki a gyártásautomatizálási protokolhoz (Manufacturing Automation Protocol - MAP). Az átviteli közeg rendszerint szélessávú koaxiális kábel és az átviteli sebesség 1…10 Mbps.

• 206

IEEE 802.5. Token Ring

A szabványt az IBM token ring LAN alapján ratifikálták. A fizikai közeg árnyékolatlan csavart érpár (UTP), koaxiális kábel vagy száloptika. A maximális átviteli sebesség 100 Mbps. A 802.5.u változat a redundáns gyűrűt tartalmazó LAN, amely az egyik gyűrű szakadása esetén is kommunikáció képes.

• • • • • • • • • • •

IEEE 802.6. Metropoliton Area Networks (MAN) IEEE 802.7. Szélessávú LAN IEEE 802.8. Fényvezetős hálózatok (optikai LAN) IEEE 802.9. Integrált beszéd és adat LAN IEEE 802.10. Biztonsági LAN-ok IEEE 802.11. Vezeték nélküli LAN-ok IEEE 802.11. - 2,4 GHz-es sáv, 1…2 Mbps IEEE 802.11.b - 2,4 GHz-es sáv, 11 Mbps IEEE 802.11.a - 5,7 GHz-es sáv, 54 Mbps IEEE 802.15. Személyi hálózatok IEEE 802.16. Szélessávú vezeték nélküli hálózatok

6.7. Hálózati protokoll Hálózati kommunikáció esetén a kommunikációprotokoll a szabályok gyűjteménye, amely a következő főbb funkciókat látja el. • • • •

• • • •

Keretezés (framing): meghatározza, hogy melyik bitcsoport jelent egy karaktert és mely karaktercsoport tartozik az üzenethez. Hibakezelés (error control): hibaérzékelés-paritás (parity), VRC vagy CRC segítségével a hibátlan üzenet elfogadása. Sorrendvezérlés (sequence control): üzenetek számozása a megkettőzés vagy az elvesztés elkerülése érdekében. Átlátszóság (transparency): az előbbi funkciókat megvalósító vezérlőkarakterekkel megegyező bitelrendezésű információ átvitele anélkül, hogy ezeket a vevőállomás vezérlőkarakterként értelmezné. Vonalvezérlés (line control): fél duplex vagy többpontos összeköttetés esetén annak a meghatározása, hogy melyik állomás adjon, és melyik vegyen. Speciális esetek (special cases): eldönti, hogy mi történjen, ha nincs elküldhető adat. Időtúllépés vezérlése (timeout control): eldönti, hogy mi történjen, ha az üzenetfolyam megszakad. Indításvezérlés (startup control): az üzemen kívül lévő rendszerben az átviteli folyamat megindítása.

6.8. A hálózatok összekapcsolásának elemei Az egyes hálózatokat többféleképpen össze lehet kapcsolni, melyek révén bonyolult rendszerek alakíthatók ki. Az összekapcsoláshoz zavartalan adatforgalmat megvalósító elemekre, eszközökre van szükség. Ilyenek: a jelismétlő, a hálózati híd, az útválasztó (forgalomirányító) és az átjáró. Az összekötés módszereit annak alapján különböztetjük meg, hogy az OSImodell rétegprotokolljai azonosak-e az összekapcsolt hálózatokban (6.4. Táblázat).

207

6.4. Táblázat: Hálózati összekötő típusai és az OSI-rétegek kapcsolata

A hálózatok összekapcsolására szolgáló elemeket szemlélteti a 6.57. ábra az OSI modell rétegeihez kapcsolódóan.

6.57. ábra: Hálózati összeköttetés jellemzői

6.8.1. Jelismétlők (repeater-ek) A jelismétlőket (Repeater) nem eltérő hálózatok összekötésére, hanem hálózati szegmensek összekapcsolásához használják a vezetéken (ill. csatornán) fellépő jelcsillapodás és jeltorzulás kiküszöbölésére nagyobb (több állomást kezelő) hálózatok létrehozása céljából. A jelismétlő feladata, hogy az üzenetet fogadja, majd az eredeti jelszintet helyreállítva, regenerálva újraadja. A hálózati specifikációban a távolságtól és az állomások számától függően írják elő repeater-ek használatát, de az egymás után kötött jelismétlők számát is korlátozzák. Jelismétlőket főként busztopológiájú hálózatokhoz használnak. Gyűrűtopológiájú hálózat működése során minden állomás jelismétlő is, ezért külön repeater-ekre nincs szükség. Jelismétlők alkalmazásánál mindkét hálózati szegmensnek ugyanolyan típusúnak kell lennie. Minden rétegszinten ugyanazon protokollokat kell használni. A jelismétlők alkalmazását az egyes ipari kommunikációs rendszerek tárgyalásánál részletesen bemutatjuk. 6.8.2. Hálózati híd (bridge) A hálózati híd (Bridge) közbeiktatásával fizikailag eltérő hálózatokat is össze lehet kapcsolni. Ez az összeköttetés-típus az üzeneteket egy kis időre a hálózati hídban tárolja, és utána átküldi a másik hálózatba. Látható, hogy hálózati hídkapcsolat esetén az összeköttetésnél a hálózatok fizikai réteg szinten különböző protokollokat alkalmaznak, de az adatkapcsolati rétegen ugyanazt. Például a CSMA/CD széles sávú, koaxiális kábelen keresztüli átviteli hálózatot össze lehet kapcsolni hálózati híddal egy CSMA/CD alapsávú, sodrott érpáros átviteli hálózattal (6.58. ábra).

208

6.58. ábra: Hálózati hídkapcsolat OSI-modellel A hálózati híd funkcióját rendszerint megfelelően konfigurált és szoftverrel ellátott számítógép vagy cél-firmware látja el. Hálózati átjárók (zsilipek - gateway) biztosítják a legnagyobb rugalmasságot a hálózati összeköttetésben, mivel két teljesen eltérő hálózat összekapcsolására alkalmasak. Eltérő hálózati architektúrák esetén a protokollok különbözhetnek bármely vagy valamennyi rétegen. Az átjáró feladata a két architektúra közötti összes átalakítás elvégzése: üzenetformátum, cím- és protokoll átalakítás (pl. PROFIBUS/ASI átjáró). A hálózati átjáróra példaként a PROFIBUS DP/ASI átjáró alkalmazását láthatjuk a 6.59. ábrán. PROFIBUS DP

(PROFIBUS protokoll PROFIBUS DP eszközök

DP/ASI átjáró ASI

(ASI protokoll)

ASI eszközök

6.59. ábra: PROFIBUS DP/ASI gateway, mint protokollillesztő

6.8.3. Útvonalválasztók (router) Az útvonalválasztó (forgalomirányító) (Router) a híddal szemben saját címmel rendelkezik, funkciójában a hálózati hídhoz hasonlít. Az útvonalválasztó funkcióit az OSI-modellen a hálózati réteg működteti. A router átviszi az üzeneteket két azonos hálózati réteg protokollal (pl. TCP/IP), de nem szükséges azonos fizikai vagy adatkapcsolati réteg protokoll. A routerek el vannak látva egy-egy címmel és az üzenetcsomag útvonala ezen címek révén jelölhető ki. Amikor az üzenetcsomag megérkezik a megcímzett router egyik oldalára, akkor (ha szükséges, a router átalakítja az adatkapcsolati protokollt) tovább küldi a következő nodehoz az útvonalon. A 6.60. ábra szemlélteti a routerek alkalmazását a címek feltüntetésével.

209

B

Router 2

Repeater

Router 1

A

6.60. ábra: Routerek (és repeater) alkalmazása Az ábrából látható, hogy a 16.0 hálózati szegmensből a 13-as résztvevői a 2-es ill. 1-es routeren keresztül érhetők el.

6.8.4. Hub-ok A hub-ok a hosztok fizikai csillag topológiájú összekapcsolására használatosak. A hub-ok felépítését a csillag topológia kapcsán bemutattuk. Az Ethernet hálózatnál használt 3 állomást összekötő hub-os megoldást mutat a 6.61. ábra. Az állomások két pár csavart érpárral csatlakoznak a hub portjaira.

6.61. ábra: Hub-bal kialakított csillag topológia További alkalmazásokra az Ethernet hálózatok kapcsán visszatérünk.

6.8.5. Kapcsolók (switch-ek) A switchek tulajdonképpen kapcsolt hub-ok, amelyek a protokoll címinformációjában megadott portra kapcsolják az üzenetet. Egy switch tehát úgy működik, mint egy több portos hálózati híd. Egy 8 portos Ethernet switch kapcsolási útjait szemlélteti a 6.62. ábra.

210

6.62. ábra: 8 portos Ethernet switch Az ábra azt a pillanatot szemlélteti, amikor az 1 & 7, a 2 & 6, a 3 & 5, 4 & 8, portok vannak összekapcsolva. Az összekapcsolási állapot az üzenetkeret kiértékelése alapján jön létre. Példaként a 7-es hoszt küld egy csomagot a switch felé, az meghatározza a célhely címet és öszszekapcsolja az 1-es porttal. Ez a kapcsolat az üzenetkeret vagy csomag átviteléig fennmarad. A switch-ek a teljes duplex átvitelt is támogatják. Az egy switch portjára kötött szegmenseken belül az egyes LAN-ok közötti átvitelek közvetlenül lebonyolíthatók. A switch-ek alkalmazásának előnye a különböző LAN-ok összekapcsolása úgy, hogy azok megtartják a teljes sávszélességüket (6.63. ábra).

6.63. ábra: Switch alkalmazása a három LAN hálózat és a szerver összekapcsolására Switch-eket az Ethernet ill. ipari Ethernet (kapcsolt Ethernet) hálózatokban alkalmaznak nagy számban. A busz típusú hálózaton (a), a hub beiktatásával kialakított hálózaton (b) és a kapcsolt hálózaton (c) folyó kommunikációt hasonlítja össze a 6.64. ábra.

a,

211

b,

c, 6.64. ábra: LAN hub-ok és switchek működésének összehasonlítása Az a, ábra egy hagyományos 10 Mbps LAN hálózati részleteket mutat, amint a B hoszt üzenetet küld a buszra. A kiadott információ mindkét irányban halad a buszon. Az egyes eszközök maximum a busz sebességével kommunikálhatnak. A b, ábrán egy csillag hálózat van kialakítva. Erre az jellemző, hogy csak egy állomás tud adni egy időben, így a LAN kapacitása 10 Mbps. Az ábrán éppen a B hoszt ad 10 Mbps sebességgel az éppen összekötött másik hosztnak. A c, ábrán a 4 hoszt egy 4 portos switch-en keresztül van összekötve. Ennél a megoldásnál két-két összekapcsolt állomás tud kommunikálni egymással (A & B ill. C & D) egy időben így a kapacitás 20 Mbps. Többnyire az ún. „tárol, majd továbbküld” (store-and-forward switch) típusú hálózati kapcsolót alkalmazzák, amely a portra érkező keretet egy rövid ideig (a cím kiértékeléséig) tárolja, majd a cím kiértékelés után kapcsolja az adatutat (portot) és továbbküldi a tárolt keretet.

212

7. MODEMEK ÉS MULTIPLEXEREK Az ipari kommunikációs rendszerekben számos különféle modemet alkalmaznak. Ebben a fejezetben a teljesség igénye nélkül bemutatunk néhányat. 7.1. Modemek A hagyományos kommunikációs rendszerek (mint a telefon, rádió, stb.) nem tudják átvinni a digitális jelet közvetlen formában, hanem csak megfelelő átalakítás révén. Ennek oka, hogy a digitális jelnek egyenáramú ill. az átmeneteknél nagyfrekvenciás komponensei vannak, emiatt az alacsony sávszélességű csatorna nem alkalmas az átvitelre. Ezért a digitális jellel szinuszos vivőt modulálnak, illetve a modulált szinuszos jelből digitális jelet állítanak elő. Ezeket az átalakító eszközöket modemeknek hívják. Egy ilyen átviteli rendszer sémája látható a 7.1. ábrán. Digitális jel

Digitális jel Modem

Analóg jel

Modem

DCE

DCE

Számítógép

Számítógép

7.1. ábra: Modemes adatátvitel két eszköz között

Teljesítmény (dB)

A telefonvonal sávszélessége a 7.2. ábra szerinti.

3 dB

300

3400 Frekvencia (Hz)

7.2. ábra: A telefonvonal sávszélessége Eszerint az átviteli sáv: 300 - 3400 Hz. A moduláció nélküli digitális jel a telefon vezetéken a 7.3. ábra szerinti jelalakokat eredményezi.

7.3. ábra: Közvetlen digitális jelátvitel a telefonvonalon

213

Az átviteltechnikában használatos moduláció típusokat (ASK, FSK, PSK) a 3. fejezetben bemutattuk. A modemek működéséhez nélkülözhetetlen soros átviteli szabványokat a 16. fejezetben (2. kötet) részletesen ismertetjük. Ezért az ismétlések elkerülése céljából, ebben a fejezetben a modemek felépítését és működését mutatjuk be. Az imént felsorolt modulációs típusokon (modemeken) túlmenően többféle további modem típust alkalmaznak, mint pl. szórt spektrumú modemek, OFDM modemek, a PLT (Power Line Communication), azaz a 230 Vos hálózaton történő átvitelhez, vagy a különböző kódolással kombinált modemek, GSM modemek. Mivel ezek további rendszertechnikai ismerteket igényelnek, ezért ebben a fejezetben nem tárgyaljuk. A modemek kétféle módban működnek: • •

félduplex, teljesen duplex üzemmódban.

Természetesen a teljesen duplex működés kétszer hatékonyabb, mint a félduplex, mert az adatok mindkét irányban haladhatnak egy időben. A szinkronizálást illetően a modemek • •

aszinkron ill. szinkron módon

működhetnek. Aszinkron üzemben minden karakter start és stop bittel van elválasztva. Aszinkron üzemben a vevőt a start jel szinkronizálja. A karakter vétele után a vevő várakozik a következő start jelre (7.4. ábra). Aszinkron átvitelnél rendszerint csak karakterszinkronizálást végeznek, bitszinkronizálást nem.

Idő

START bit 1 0 1 0 1 0 1 0

STOP bit

7.4. ábra: Aszinkron átvitel Szinkron átvitelnél a keret valamennyi bitje folyamatosan kerül elküldésre egy bit streamben. Az üzenet első néhány bájtja tartalmazza a szinkronizálásra vonatkozó adatokat. A vevő saját órájának szinkronizálását rendszerint az alkalmazott kód átmenetei (ld. Manchester kód) végzik (7.5. ábra). Szinkron átvitelnél keretszinkronizálás és bitszinkronizálás történik. Célhely címek (2 vagy 6 byte)

Bevezetés

SFD

Hossz indikátor

Forrás címek (2 vagy 6 byte)

Pad (Optional)

Adat byte-ok

7.5. ábra: Keretszinkronizálás szinkron átvitelnél

214

CRC ellenőrzés

A nagy különbség a szinkron ill. aszinkron kommunikáció között abban rejlik, hogy a szinkron átvitelhez saját időzítő jelre van szükség. A szinkron modem kimenetek egy négyszög hullám jelet adnak ki az RS-232 DB-25-ös csatlakozójának 15-ös lábára. Ezt a lábat időzítő lábnak hívják. Ennek a négyszögjelnek a frekvenciája a beállított átviteli sebességnek felel meg. A személyi számítógép vagy a PLC, mint DTE szinkronizálja az adatátvitelt a 2-es lábról a modemhez. 7.1.1. Modemek felépítése A modemek egy adó és egy vevő részből épülnek fel. A modem adó részei: • • • • •

adat kódoló, scrambler, modulátor, erősítő, szűrő.

Egy telefon modem felépítését szemlélteti a 7.6. ábra. Adat vivő detektálás

Vétel Adat

CTS

Vevő clock

RTS (küldés Küldött kérés) adat Adat kódoló

Adat dekódoló

Átvitel forrás clock

Scrambler

Scrambler

Modu-látor

Demodulátor

Forrás clock

EQ

Adat vivő detektálás

Szűrő és erősítő

Átvitel vezérlés késleltetés

Erősítő

Szűrő

Vevő áramkör

Telefon vonal

Adó áramkör

Telefon vonal

7.6. ábra: A telefon modem felépítése Az adat kódoló (Data Encoder) állítja elő a küldendő bit stream-et. Az adatkódoló a használt modulációs technikától függ. A scrambler a szinkron működést támogatja. Ez módosítja a bit folyamatban lévő 1-ket és 0ákat úgy, hogy azok a szinkronizáláskor ne okozzanak hibát, ugyanis az 1-ek vagy a 0-ák hosszú egymás utáni sorozata szinkronizálási hibát okozhat (ld. bitbeültetés). A modulátor a bitfolyamból a modulációnak megfelelő szinuszos, modulált jelfolyamot állít elő.

215

Az erősítő feladata az átviteli vonaltól függő jelszint biztosítása. A modem vevő részének egységei: • • • • •

szűrő és erősítő, kiegyenlítő (EQ), demodulátor, descrambler, adat dekódoló.

A szűrő és kiegyenlítő (EQ) szerepe a jel szűrése és a kívánt szintű erősítése. A kiegyenlítő minimalizálja az átvitt jel különböző komponenseinek időzítése közötti különbséget. Ezt az adást végző modem jele alapján határozza meg, mivel a vevő modem ismeri a modem karakterisztikáját. A demodulátor visszaalakítja az analóg jelet digitális adatbitekké. A descrambler itt is szinkronizálást végez. Figyeli az adatbitek sorozatát és érvényteleníti a scrambler által beültetett érvénytelen 1-eket vagy 0-ákat. A modemes átvitelnél további ún. „korrekciós egységeket” alkalmaznak az átvitel jóságának növelésére. Ilyen egységek: a, jelminőség detektor, b, adatsebesség detektor. a, Jelminőség detektor Ha a modemen a vett adatok hibás vételének valószínűsége a vett jel minősége alapján nagy, akkor jelminőség detektor a modem megfelelő lábát (CG) OFF állásba viszi. b, Adatsebesség detektor Ha a jelminőség detektor azt jelzi, hogy a vett jel minősége nem megfelelő, tehát a CG láb OFF állásban van, akkor a terminál az adatsebesség detektora révén csökkentheti, vagy növelheti az adatsebességet az alábbiak szerint: • •

ha ON, ha OFF,

nagyobb átviteli sebesség, kisebb átviteli sebesség.

A modemek lehetnek nem intelligens ill. intelligens kivitelűek. A nem intelligens modemek a PC-től ill. PLC-től függenek és csak azokat a feladatokat valósítják meg, amelyeket pl. a telefon átvitel igényel. A smart modemek egy egy-kártyás (egy chipes) mikrovezérlőt is tartalmaznak. Ez képviteli a beépített intelligenciát. Így megvalósíthatják az automatikus tárcsázást vagy az átviteli sebesség meghatározását. Egy intelligens modemnek 3 működési állapota van: a, on-line állapot, b, parancs állapot, c, egyéb állapot. a,

On-line állapotban a smart modem úgy viselkedik, mint egy hagyományos modem adatátvitelkor.

b,

Parancs állapotról akkor beszélünk, amikor a modem nem on-line állapotban van és az RS-232 adatokat parancsként értelmezi. A modem rendszerint tápfeszültség bekapcsolás

216

után kerül "parancs" állapotba. c,

Ez az állapot akkor lép fel, amikor a modem DTR lába tiltva van. Ilyenkor nem nyugtáz parancsokat, hanem pl. tárcsázást végez. A smart modemeknél nem használnak DIP kapcsolókat a paraméterek beállításához, mert ezek a szoftverben kerülnek elhelyezésre.

7.1.2. Rádiós modemek A rádiós modemek a digitális "0" ill. "1" biteket rádiófrekvenciás jellé alakítva vezeték nélküli átvitelre (adás ill. vétel) alkalmasak. A modern rádiós modemek a 400...900 MHz-es sávban működnek. A rádiós modemekkel történő átvitelt a 7.7. ábra szemlélteti.

RS-232 Modem

Modem

Rádió Adó/Vevő

Rádió Adó/Vevő

7.7. ábra: Adatátvitel rádiós modemmel A rádiós modemes átvitelnél alkalmaznak pont-pont közötti, továbbá üzenetszórásos pontmultipont átvitelt ill. hálózati átvitelt is. Hálózati üzemmódban szükség van egy hálózat menedzselő egységre, amely irányítja a címzést és a hibadetektálást. A mester/szolga rendszerben a mester "polling" üzemmódban lekérdezi az összes szolga egységet. A peer-to-peer hálózatok esetén a CSMA/CD ütközésdetektálást alkalmazó eljárást használják. Gyakran egy hálózati modemet watch-dog-ként használnak, amely periódikusan lekérdezi a hálózat valamennyi modemjét és ellenőrzi azok működését. A rádiós modemek bemenete rendszerint RS232, RS-422, RS-485, fénykábel stb. szabvány szerinti. A működési sebesség max. 9600 bps. A rádiós modem buffer memóriájában min. 32 Kbájt adat helyezhető el. Az adatfolyam vezérlése történhet hardver és szoftver úton. Tipikus modulációs technika az FSK (1200...4800 bps). A rádiós modem sémája a 7.8. ábra szerinti.

7.8. ábra: Rádiós modem felépítése

217

A 7.8. ábra szerint a rádiós modem RS-232-es interfészen csatlakozik a digitális berendezéshez (PC, PLC, stb.). Az ábrából jól látható, hogy az adással kapcsolatosan három, a vétellel kapcsolatosan ugyancsak három vonalra van szükség. A rádiós modemes kommunikáció időzítését szemlélteti két terminál között a 7.9. ábra.

7.9. ábra: A rádiós modemes átvitel időzítése Az adatátvitel az RTS jel aktiválása után, a CTS jel által meghatározott késleltetéssel indul. A vevő terminál CTS jelének aktiválása jelzi az átvitel megindítását. Az átvitel végén a PTT aktív marad, amíg a vevő oldal detektálja a hasznos adatok megszűntét. Ezután a vivő jel megszűnik. A rádiós modemeket két üzemmódban szokás használni: • •

pont-pont, pont-multipont.

Pont-pont üzemmódban működhet folytonos RF módban, amikor egy minimális idő van az adatátvitelben és nem folytonos módban. A pont-multipont rendszerben egy időben a mester egy modemmel kommunikál. Ilyenkor a rendszerben szükség lehet adatregenerálásra és repeater-re a jel szóródása és a dzsitter miatt. Ezt szemlélteti a 7.10. ábra.

218

7.10. ábra: Jelregenerálás egy közbülső rádióval A rádió modemek működéséhez konfigurálni kell az alábbiakat: • • • • • •

adási ill. vételi csatorna frekvencia, adat sebesség és formátum, adat sebesség, karakter méret, paritás bit típusa, stop bitek száma az RS-232 esetén, a rádiófrekvenciás jel minimális jelszintje, felügyeleti adatcsatorna mérete, (rendszerint 32 bit az adatfolyam ellenőrzéshez), átvitel kezdet késleltetése, adatküldés előtti energia feléledési és stabilizálási idő.

7.1.3. Modemek tesztelése A modemek tesztelésénél két módszert használnak: • •

önteszt, visszacsatolásos teszt.

Önteszt esetén az RS-232-es vonalat és a kommunikációs vonalat megszakítják az adó és a vevő modem között. Az adó egy belső adatgenerátorról kap egy keretnyi adatot és az összekötött vevő modemre juttatja. A vevő modem veszi a küldött "adatot" és összehasonlítja a letárolt adattal, amelyik megegyezik az adóban elhelyezett kódgenerátoréval. Hiba esetén jelzi az eltérést. A másik tesztelési módszer a visszacsatolásos teszt, amelynek négy formája van: • • • •

helyi digitális kör, amely a terminál (PC) és az RS-232 vonalat teszteli, helyi analóg kör, amely a modem modulátor és demodulátor egységét teszteli, távoli analóg kör, amely a csatlakozó kábel és a helyi modem közötti átvitelt teszteli, távoli digitális kör, amely a helyi és a távoli modem közötti kapcsolatot teszteli.

219

Modem kiválasztási szempontok: • • • • • • • •

adatsebesség, aszinkron/szinkron jelleg (ez rendszerint egy DIP kapcsolóval átváltható), átviteli módok: full duplex/half duplex, modulációs technika: ASK, FSK, PSK, stb., adattömörítés típusa, hibakorrekció: CRC, MNP, adatfolyam vezérlés: XON/XOFF, ENQ/ACK, RTS/CTS, önteszt funkció.

7.2. Multiplexerek A multiplexerek lehetővé teszik, hogy egy csatornán több üzenetforrás üzenetét átvihessük. Kétféle multiplexelési technika használatos: • •

a frekvencia osztásos multiplexelési technika (FDM). az időosztásos multiplexelési technika (TDM).

7.2.1. FDM multiplexelés Frekvenciaosztásos multiplexelés (FDM) esetén egy vonalon (pl. vezetékpár) több átviteli csatornát alakítanak ki más-más sávszélességet felhasználva. Az FDM feltétele, hogy a vonal sávszélessége nagyobb legyen, mint az egyes csatornák sávszélességének összege. FDM-et igen gyakran használnak a rádió/TV adásnál, a távbeszélőtechnikában, a telemetriában, stb. A 7.11. ábrán egy 25 kHz-es sávszélességű csatornán 5 db. 4 kHz-es sávszélességű átvitel megoldása látható FDM-mel. A példa öt telefon hangcsatorna FDM multiplexelését szemlélteti.

7.11. ábra: FDM átvitel szemléltetés A vevőben a vett jelet egy helyi oszcillátor jelével keverik csatornánként egy közbenső frekvenciára (7.12. ábra).

220

7.12. ábra: FDM jel előállítása és dekódolása 7.2.2. Időosztásos multiplexelés (TDM) Az időosztásos multiplexelés révén több adatforrás adatát időben elosztva lehet továbbítani egyetlen fizikai csatornán (7.13. ábra). A TDM technikát alapsávi átvitelnél alkalmazzák. 1

1

Kommunikációs vonal

2

2

3

3

4

4

1 2 3 4 DEKÓDER

MSB LSB SZÁMLÁLÓ

ÓRA

1 2 3 4 DEKÓDER

MSB

SZINKRONIZÁLÓ JEL

LSB SZÁMLÁLÓ

7.13. ábra: TDM átvitel elve Az egyes csatornák átkapcsolását úgy kell megoldani, hogy bitveszteség (adatvesztés) ne lépjen fel. A TDM felső határát a kommunikációs médium (csatorna) sávszélessége határozza meg, mivel a bitsebesség növeléséhez a csatornával szemben igényelt frekvencia követelmény is nő. Egy gyakorlati példa: MODBUS PLUS bridge/multiplexer. Ez kommunikációs kapcsolatot biztosít a MODBUS alapú eszközök és a MODBUS PLUS hálózat között (7.14. ábra).

221

7.14. ábra: MODBUS kommunikáció Megjegyezzük, hogy a MODBUS kommunikációs rendszer ismertetését a 17. fejezetben (2. kötet találjuk).

222

8. USB KOMMUNIKÁCIÓ 8.1. Bevezetés Az USB (Universal Serial Bus) nyitott buszarchitektúrát a számítógép és a számítógép alkatrészek gyártói fejlesztették ki azért, hogy egy könnyen kezelhető buszra felfűzhessék a perifériákat, úgymint billentyűzetet, egeret, soros portot, párhuzamos portot stb. Ezzel a sok csatlakozó helyett elegendő egyet elhelyezni a PC vagy laptop felületén. A kereskedelemben számos USB felületű PC-periféria kapható. Az új számítógép generációk elterjedésével az általuk támogatott USB (Universal Serial Bus) interfész egyre nagyobb szerephez jut az ipari vezérlések területén is. Sok ipari fejlesztőmérnök, aki korábban ISA buszos és más párhuzamos felülettel oldotta meg rendszerének PC-hez csatlakozását, az ISA busz fokozatos eltűnésével válaszút elé kerül. A PCI busz használata nagyobb sávszélességet kínál, de ez a legtöbb esetben szükségtelen és megvalósítása bonyolultabb és drágább. Az új lehetőség az USB port használata. A Microsoft az Intel és a NEC fejlesztette ki az univerzális soros busz (USB) első verzióját. A cél az IBM PC input/output eszközeinek (printer, egér, billentyűzet, mikrofon, stb.) rugalmas illesztése volt. Az USB az adatgyűjtő (DAQ) rendszerek csatlakoztatására is alkalmas laboratóriumi körülmények között. Ebben a fejezetben az USB felületű kommunikációt ismertetjük. 8.2. USB specifikáció Noha történelmileg az USB portot főleg PC perifériák csatlakoztatására dolgozták ki, napjainkban az ipari vezérlések nagy hányada PC-bázisú, ezért az USB előnyös megoldás az ipari elektronikáknál is. Kis helyigénye, a perifériák felfűzhetősége, a hot-Swap (feszültség alatti csatlakoztatás) technológiája kényelmes lokális csatlakozási megoldást kínál, figyelembe véve a maximálisan 5 m meghajtható távolságot. Az USB kapcsolat nem nagy távolságú átvitelre készült, hanem ahogy a neve is mutatja, busz. Az egyes elektronikákat fel lehet fűzni erre a buszra és kommunikálhatnak egymással, illetve számítógépekkel, legfeljebb 12 Mbit/s sebességgel. Az USB specifikáció 4 egymásra épülő felületet definiál, melyek a kliens szoftver, hoszt kontroller meghajtó (driver), a hoszt kontroller és az USB eszköz (8.1. ábra).

8.1. ábra: Az USB felületei

223

A kliens szoftvert a PC-s operációs rendszerek Win98/Win2000 már tartalmazzák. A következő két réteg specifikációja megtalálható az OpenHCI (Open Host Controller Interface Specification for USB) dokumentumban, amely szabadon elérhető Interneten is a www.usb.org honlapon. Erre általában az IC gyártók kész vagy félkész megoldást is ajánlanak eszközeikhez. A legalsó réteg maga az USB vezérlő integrált áramkör (chip). A jelenlegi PC-s operációs rendszerek Win98/Win2000 rendelkeznek USB driver szoftverrel, ami nagy terhet vesz le a fejlesztők válláról. Az üzenetkeretek CRC védelemmel vannak ellátva. Az USB csatlakozón ki van vezetve az 5 V-os tápfeszültség is, amely max. 500 mArel terhelhető. Másik nagy előny a csatlakozó szabványosítása, illetve az eddigi perifériacsatlakoztatásokból nagyon hiányzó tápellátás biztosítása a buszon keresztül. Ennek teljesítménye behatárolt, de max. 500 mA sok vezérlési feladat megoldására elég a busz interfész ellátásán kívül is. A Microchip új 8 bites OTP mikrokontroller családja beépítve tartalmazza az Universal Serial Bus 1.1 kis sebességű interfészét. A vezérlők érdekessége a különös szoftveres elkülönítési mechanizmus, amely megengedi, hogy egy periféria eltávolítsa saját magát a rendszerből, miközben fizikailag még mindig csatlakoztatva van. Ez a tulajdonság segíti a hibakeresést, és lehetővé teszi a rendszer újra konfigurálását anélkül, hogy a felfűzött perifériák kábelkapcsolatait megbontanánk. Alacsony sebességű verzió esetén a max. kábelhossz ∼ 3 m, nagy sebességű verzió esetén ∼ 5 m. Az USB kábelhosszt nem lehet repeaterekkel növelni. Az USB csatlakoztatás a PC-hez a 8.2. ábra szerint történik.

Soros Port (Serial Port) Külső HUB (External HUB)

Grafikus Port (Graphics Port)

Párhuzamos Port (Parallel Port)

Adatgyűjtő Eszköz (Data Acquistion Device)

8.2. ábra: Az USB eszközök csatlakoztatása PC-hez

224

Hálózati Illesztő (LAN Interface)

Az USB kommunikáció elemei: • • • • • • • • •

HUB-ok, külső hub-ok, „A” csatlakozó, „B” csatlakozó, alacsony sebességű kábel, nagy sebességű kábel, USB eszközök (egér, nyomtató, stb.), USB szoftver meghajtó, eszköz meghajtó.

Az USB eszközöknek intelligens eszközöknek kell lenniük. Amíg korábban a PC-hez csatlakoztatható eszközök száma az RS-232 ill. RS-422 felületen csak néhány eszközre korlátozódott, addig az USB rendszer egyidejűleg max. 127 eszköz PC-hez való csatlakoztatását teszi lehetővé. Alacsony sebességű eszközök: klaviatúra, egér, joystick. Ezeket az eszközöket alacsony frekvenciával lehet mintavételezni. Nagy sebességű eszközök: nyomtatók, CD-ROM-ok, hangszórók, stb. Amikor a nagy sebességű USB van megcímezve az USB porton, akkor az alacsony sebességű kommunikáció le van tiltva. Amikor pl. egy mikrofon van csatlakoztatva egy audio rendszerben, a lassú eszközöknek várniuk kell a kommunikációra. A hoszt hub vezérlő dönti el, hogy melyik perifériának kell várnia és mennyit. 8.3. Az USB topológia Az USB piramis topológiát használ (8.3. ábra), amely mindig egy hoszt hub-bal indul. A hoszt hub rendszerint két USB portot tartalmaz. Ezek a portok alapvetően párhuzamosan vannak egymással kapcsolva. Valamennyi port 4 lábú csatlakozóval rendelkezik, amelyekből kettő a tápfeszültséghez, kettő pedig a kommunikációhoz van rendelve.

8.3. ábra: Az USB piramis topológiája

225

Az USB egy mester-szolga jellegű, félduplex működésű kommunikációs busz az IBM PC perifériáinak és hub-oknak az illesztéséhez. Az alacsony sebességű változat 1,5 Mbps, a nagy sebességű 12 Mbps sebességű. A PC-ben elhelyezett USB meghajtók 1 ms-os időkeretben küldik az információt. Egy keretben egy vagy több csomag is elhelyezhető. 8.3.1. A hoszt hub A hoszt hub vezérlője végzi a párhuzamos/soros ill. a soros/párhuzamos átalakítást a PCI busz és az USB csatlakozók között. A hoszt vezérlő állítja be a sebességet, amellyel az USB működik. A hoszt hub felépítése a 8.4. ábra szerinti.

8.4. ábra: A hoszt hub blokkdiagramja A hoszt hub funkciói: • • • • • • • • • • • •

inicializálás és konfiguráció, a portok engedélyezése és tiltása, az eszközök sebességének felismerése, a csatlakoztatott eszközök felismerése, információ átadás a felhasználói szoftverből, egy csomag ill. egy keret előállítása, az információ keret kiadása a buszra, várakozás a válaszra, a válasz felismerése, hiba korrekció, az eszköz szétkapcsolásának felismerése, a port használata repeater-ként.

Tipikus USB konfigurációs és a kapcsolódó HUB kialakítást szemlélteti a 8.5. ábra.

226

Tipikus USB architektúra konfiguráció (

HUB/funkció (HUB/Function)

HUB/funkció (HUB/Function)

Billentyűzet (Keyboard)

Digitális toll (Pen)

Funkció

HUB/funkció (HUB/Function)

Monitor (Display)

Számítógép (Computer)

Egér (Mouse)

Hangszóró (Speaker)

Mikrofon (Microphone)

Funkció

Funkció )

Funkció

Telefon (Telephone)

Funkció

HUB

Funkció

8.5. ábra: USB konfiguráció és HUB funkciók 8.3.2. Külső hub A külső hub-ok a csatlakoztatható eszközök számának növelésére használatosak. A külső hub-ok rendszerint négy USB felülettel rendelkeznek. A külső hub egy kétirányú repeater a hoszt hub és az USB eszköz között. Külső hub alkalmazását szemlélteti a 8.6. ábra. PCI busz

USB Hoszt Vezérlő (USB Host Controller)

Hoszt HUB (Host HUB)

Külső HUB (External HUB)

HUB

Eszköz (Device)

Eszköz (Device)

Eszköz (Device)

Eszköz (Device)

Eszköz (Device)

Összetett USB Eszköz (Compound USB Device)

8.6. ábra: Külső hub alkalmazása

227

8.3.3. Hoszt hub vezérlő (kontroller) A hoszt hub vezérlő hardvere és szoftvere vezérli valamennyi tranzakciót. A hardver fizikai kapcsolatot létesít a PCI busz és az USB csatlakozó között. Ez határozza meg a sebességet és az adatáramlás irányát mindkét port között. A hoszt kontroller a hoszt hub szoftverrel együtt vezérli az összes tranzakciót, meghatározza a keret tartalmát, az eszköz prioritást. A hoszt hub szoftver meghajtó felépítése a 8.7. ábra szerinti. PCI busz (PCI bus)

Hoszt Vezérlő (Host Controller)

Port 0

Állapot (Status)

Port 1

8.7. ábra: A hoszt hub vezérlő

228

USB hoszt HUB / Vezérlő

USB host HUB / Controller

Konfiguráció (Configuration)

A hoszt hub vezérlő kommunikációs rétegeit és a rétegek közötti adatváltásokat szemlélteti a 8.8. ábra. HOSZT (HOST)

PERIFÉRIA (PHERIPHERAL)

Interfész Kezelő Kliens Szoftver (Client Software Manages Interface)

Logikai kommunikációs folyam (Logical Communication Flow)

Eszközöket Kezelő USB Rendszer Szoftver (USB System Software Manages Devices)

Logikai kommunikációs folyam (Logical Communication Flow)

Funkció Interfész gyűjtemény (Function A Collection of Interface)

USB Logikai Eszköz Végpontok gyűjteménye (USB Logical Device A Collection of Endpoints)

Hoszt vezérlő/SIE USB Busz Interfész (USB Bus Interface Host Controller/SIE)

Periféria Vezérlő/SIE USB Busz Interfész (USB Bus Interface Peripheral Controller/SIE)

USB Port

USB Port

8.8. ábra: A hoszt hub vezérlő kommunikációs rétegei 8.3.4. USB szoftver meghajtó Az USB szoftver meghajtó feladata az USB buszon lévő interfészek (USB eszközök, eszköz meghajtók, hoszt hub-ok) kezelése. Amikor az USB szoftver meghajtó vesz egy kérést a PCben lévő eszköz meghajtóról az eszköz címzésére, akkor koordinálja a kérést a PC-ben lévő alkalmazási szoftver más eszközeinek kéréseivel. Az USB szoftver meghajtó a hoszt hub vezérlő meghajtója által meghatározott prioritás szerint tölti be a saját csomagját a keretbe. Az USB szoftver driver az információt az USB eszköztől kapja az eszköz konfigurációja alapján. 8.3.5. Eszköz meghajtók Minden USB felületű eszközhöz az eszköz meghajtó szoftvert be kell tölteni a PC operációs rendszerébe. Ez egy szoftver interfész a külső USB eszköz és az alkalmazási szoftver, az USB szoftver meghajtó és a hoszt hub vezérlő meghajtó között. Az eszköz meghajtó van felhasználva a kommunikáció sebességének, a prioritásnak, az eszköz funkciójának, a csomag méretének meghatározására az adatátvitelhez. 8.4. A kommunikáció folyamata Az USB egy mester/szolga, fél duplex, időzített kommunikációs rendszer. Ez azt jelenti, hogy a perifériák nem tudnak kommunikációt kezdeményezni az USB buszon. A master (vagy hoszt) hub vezérli a tranzakciót, az kezdeményezi a kommunikációt. Az időzítés azt jelenti, hogy az összes keret továbbítására 1 ms időtartam van biztosítva. A hoszt hub meghajtó, együttműködve az USB szoftver meghajtóval, meghatározza a csomag méretét és azt, hogy mennyi idő áll rendelkezésre az eszköznek egy keret elhelyezésére. Ha a felhasználói szoftver

229

akar küldeni vagy venni az eszköztől(nek), akkor kezdeményez egy átvitelt az eszköz meghajtón keresztül. Az USB meghajtó szoftver a kezdeményezéskérést a memóriában helyezi el az eszköz meghajtóról jövő más kérésekkel együtt. Ilyenkor együtt dolgozik az USB meghajtó, a hoszt hub meghajtó és a hoszt hub vezérlő az 1 ms-os keret összeállításában. Ezután a hoszt vezérlő elküldi az adatokat sorosan a hoszt hub portra. Valamennyi USB portra kapcsolt eszköz „hallja” (veszi) az információt (kivéve az alacsony sebességű átvitelnél, polling üzemben). Ha szükséges, a hoszt vár a válaszra. Az IN csomag felépítése a 8.9. ábrán látható. Típus mező (Type Field) lsb

1

Nincs jel (Idle)

0

0

Ellenőrző mező (Check Field) msb

1

lsb

0

1

1

msb

1

Eszköz címe (Device Address)

Végpont címe (EndPoint Address)

CRC

Cím 0. … Cím 6. EndP 0 … FindP 3 CRC 0 … CRC 4 (Addr 0 … Addr 6)

Szinkronizáció (Sync)

EOP

8.9. ábra: Az IN keret felépítése Az IN csomagnak (olvasás az eszközről) négy típusa, az OUT csomagnak (adatküldés az eszközre) három típusa van, például az egér és a klaviatúra mintavételezése (IN csomag), de nem túl gyakran. Példaként egy USB csomagot szemléltet a 8.10. ábra. Egy 1 msec-os keret több csomagot is tartalmazhat. 8 bit azonosító

1023 bit adat

16 bit CRC

8.10. ábra: Egy USB csomag Az USB meghajtó szoftver ütemezi az eszközök kezelését. A válaszban háromszintű hibakorrekció használatos. A preambulum csomag a mintavételezés előtt van elküldve. Az alacsony sebességű eszközök le vannak tiltva, amíg azok veszik a preambulumot. Amikor engedélyezve vannak, akkor hallják a felhívást és a választ. Egy időben csak egy eszközt lehet mintavételezni és ez az eszköz fog válaszolni. Másrészt vannak olyan eszközök, amelyeket nem lehet polling üzemben lekezelni. Ilyenek a mikrofonok (IN csomag), hangszórók (OUT csomag) CD-ROM-ok (IN és OUT csomag). Ezekhez az eszközökhöz az átviteli arány igen fontos. Ezért ezek az eszközök nagy sebességű átvitelt igényelnek, és ezek csomagjai teszik ki a keret ~ 90 %-át. Ezeknél a vevő eszköz nem küld választ. Az átvitel tehát egyirányú (szimplex) adatátvitel. Ilyenkor a hibakorrekció funkció ki van kapcsolva. 8.5. A fizikai réteg Az USB fizikai szintje bipoláris jeleket használ, melyek feszültsége ± 3 V. Ez nagyon hasonlít az RS-232-höz. Ez a hasonlóság a feszültség szinten igaz, de a kábelezésben nem.

230

8.5.1. USB kábelezés Csatlakozó pont 1 2 3 4

Jel típus Vcc - Adat + Adat GND

Kábel szín Piros Fehér Zöld Fekete

8.5.2. Csatlakozó Az USB csatlakozón két vezeték szolgál az adatátvitelre, kettő pedig a táplálásra. A csatlakozón a tápcsatlakozók hosszabbak, mint az adatcsatlakozók. Ezt azt jelenti, hogy a táplálás már „él” a kommunikáció előtt. Ugyanakkor az eszköz lecsatlakozásakor a kommunikáció előbb szakad meg, mint a táplálás. Ez előnyös a káros visszahatások szempontjából. Két típusú csatlakozó van: A és B. Az „A” típusú csatlakozó használatos a hoszt portokhoz, a külső hub-okhoz és az eszközökhöz. A „B” típus kisebb, mint az „A”. A hub-ok és az eszközökön csatlakozó hüvelyek vannak, míg a kábeleken csatlakozó dugók. Az USB tehát kétféle csatlakozót használ: „A” ill. „B” típusút. Ennek oka, hogy a csatlakoztatandó eszközök egy része beépített kábellel rendelkezik, mások pedig nem (8.11. ábra).

8.11. ábra: „A” ill. „B” típusú USB csatlakozók 8.5.3. Kábelek Az USB speciális kábeleket használ: alacsony sebességű és nagy sebességű kábeleket. Mindkét kábeltípushoz használható az „A” csatlakozó, de a nagysebességű eszközök B típusú csatlakozót használnak. A kétféle sebességű átviteli frekvencia, különböző kábelt igényel. A külső hub-ok mindig nagysebességű eszközök, de mindkét kábel használatát megengedik. A hub-on lévő portok detektálni képesek a sebességet. Ha a D + vonalon (+ 3,0…+ 3,6 VDC) van, akkor az eszköz nagy sebességű. Ha a D-vonal feszültsége magasabb, mint az eszköz feszültsége, az alacsony sebességű eszközt jelent. Az alacsony sebességű kábel árnyékolatlan, nem csavart kábel. Hossza max. 3 m. Ez jelenti az összes hoszt hub-tól a külső hub-ig és a külső hub-tól az eszközig tartó távolságot. A nagysebességű kábel rendszerint árnyékolt, csavart érpár, a max. kábelhossz 5 m. A kommunikációs rendszerekben a közös föld rendszerint csak egy helyen van csatlakoztatva a sasszéhoz. A kétféle kábeltípust a 8.12. ábra szemlélteti.

231

Alacsony sebességű USB kábel (Low Speed USB Cable)

Differenciál Jel Érpár / 28 AWG - nem sodrott és nem árnyékolt / (Differential Signal Pair) / 28 AWG - untwisted and unshielded / Táp érpár (Power Pair) / 20-28 AWG /

Nagy sebességű USB kábel (High Speed USB Cable)

Differenciál Jel Érpár / 28 AWG - sodrott és árnyékolt / (Differential Signal Pair) / 28 AWG - twisted and shielded / Táp érpár (Power Pair) / 20-28 AWG /

8.12. ábra: Alacsony ill. magas sebességű USB kábel A teljesítmény vezetékpár 100…500 mA-re van méretezve a külső eszköz + 5 V-os táplálásához. Minden port a hub-on juttatja ezt a teljesítményt az eszközhöz, ha a hub engedélyezte. Valamennyi hub képes eldönteni, hogy a port a csatlakozóról kapja a táplálást. Ha egy külső hub-nak saját energiaellátása van, amelyet a busz biztosít, akkor portonként 100 mA-t azt oszt szét. USB jelek Amikor az eszközt csatlakoztatjuk a hub-ra, a hub-on lévő port közvetlenül detektálja az eszköz sebességét. Ha a D+ vonal pozitívba megy, akkor a port tudja, hogy az egy nagy sebességű eszköz. Ha a D- vonal megy pozitívba, akkor ez egy alacsony sebességű eszköz. Ha mindkét vonal (D+, D-) 0,8 V alatti több mint 2,5 ms ideig, akkor a hub tudja, hogy az eszköz csatlakoztatása megszakadt. Ha a feszültség valamelyik vonalon 2 V körüli több mint 2,5 ms-ig, akkor a port tudja, hogy az eszköz most van csatlakoztatás alatt (8.13. ábra).

232

+3,0 Vdc … +3,6 Vdc

1,5 kW

+5 Vdc Teljes/Alacsony Sebességű USB Adó-Vevő (Full/Low Speed USB Transceiver)

D+

D+

USB kábel (USB cable)

D-

D-

Teljes Sebességű USB Adó-Vevő (Full Speed USB Transceiver)

GND HUB vagy Eszköz (HUB or Device) 15 kW 15 kW

+3,0 Vdc … +3,6 Vdc 1,5 kW

+5 Vdc Teljes/Alacsony Sebességű USB Adó-Vevő (Full/Low Speed USB Transceiver)

D+

D+

USB kábel (USB cable)

D-

D-

Teljes Sebességű USB Adó-Vevő (Full Speed USB Transceiver)

GND

Csak Eszköz (Device only) 15 kW 15 kW

8.13. ábra: USB kábel kialakítás és a jelek Az alacsony sebességű eszköz esetén a bénítás alatt a D + vonal 0V, a D – vonal pozitív feszültségű. A nagysebességű eszköznél bénított állapotban a D + pozitív és a D - 0V értékű. Kommunikáció esetén a pozitív feszültség a „0” jelet, a negatív feszültség az „1” jelet (negatív) jelenti. Az USB rendszer NRZI kódolást használ (8.14. ábra). Soros Adat (Row Data)

Szinkronizáció (Sync Pattern)

Adat csomag (Packet Data) Beékelt Bit (Stuffed Bit)

Bit-beékelt Adat (Bit Stuffed Data)

Adat csomag (Packet Data)

Szinkronizáció (Sync Pattern) 6 db 1-es (Six Ones)

NRZI-vel kódolt Adat (NRZI Encoded Data)

Nincs jel (Idle) Szinkronizáció (Sync Pattern)

Adat csomag (Packet Data)

8.14. ábra: NRZI kódolás és bitbeültetés

233

Feszültség értékek: • • • •

max. feszültség átvitelkor: + 3,6 VDC, min. feszültség átvitelkor: + 2,8 VDC, min. feszültség az átmenet érzékeléséhez: +/- 0,2 VDC, tipikus vonali feszültség +/- 3 VDC.

Az NRZI kódolásnál „1”-et az jelenti, ha nincs jelváltás, „0”-át pedig a jelváltás jelenti. Eszerint a „0” jeleket lehet használni a vevő szinkronizálására, de az „1”-eket nem, mivel ilyenkor nincs átmenet. Sok egymás utáni „1”-es adatbit esetén a vevő kieshet a szinkronból. Ezt ún. bitbeültetéssel (bit beékeléssel, beszúrással) küszöbölik ki. Ha 6 vagy több 1-es van az adatban, akkor beültetnek egy 0-át, tehát generálnak egy átmenetet a szinkronizáláshoz. Ha a vevő hat 1-est vesz egy sorban, akkor tudja, hogy a következő 0 érvénytelen. 8.5.4. Tápfeszültség szétosztás Néhány eszköz működéséhez (egér, klaviatúra) tápfeszültségre van szükség. Ezt az USB csatlakozóról kapják. A hub-ot kell képessé tenni arra, hogy a 100…500 mA-t tudja biztosítani a porton. Ha egy külső hub 4 porttal bír az 500 mA-t szétosztja a portok között, tehát: 4 x 100 mA = 400 mA áramot. Ha a külső hub saját táplálású, annak is el kell látnia a portokat. 8.6. Adatkapcsolati réteg (Data Link Layer) A data link réteg által koordinált tevékenységek: • • • • • • • •

adatokat gyűjt a PCI buszról az eszköz meghajtók révén, feldolgozza az adatokat, meghatározza és feldolgozza a különböző átviteli típusokat, kiszámítja és ellenőrzi a hibákat a csomagban és a keretben, elhelyezi a különböző csomagokat az 1 ms-os keretben, ellenőrzi a kerethatároló indítását, átküldi a csomagokat a fizikai szintre, veszi a csomagokat a fizikai szintről.

Az USB data link hw/sw funkcióit a 8.15. ábra szemlélteti.

234

Egér (Mouse)

Billentyűzet (Keyboard)

Busz mgmt (Bus mgmt)

Rx Vonal (Rx Line)

Tx Vonal (Tx Line)

Rx Hang (Rx Voice)

SOF

Tx Hang (Tx Voice)

Sztereó Hang (Stereo Audio)

Nagy mennyiségű adatátvitel (Bulk Transfers)

8.15. ábra: Az USB data link hw/sw funkciói 8.6.1. Átviteli típusok Az USB négy különböző átvitel típust használ, melyek: • • • •

megszakításos átvitel, izokrón átvitel, vezérelt átvitel, nagy mennyiségű adat (bulk) átvitele.

Az alacsony sebességű eszközök nem támogatják a „bulk” és az „isochronons” (izokrón) átvitelt. A megszakításos átvitel a hagyományos IRQ vonalak felhasználásával történik. Főként a billentyűzet és a különböző adatgyűjtők (DAQ). esetén alkalmaznak megszakításos átvitelt. Izokrón átvitelt használnak, ha az eszköz írása vagy olvasása egy meghatározott frekvenciával kell, hogy történjen (pl. mikrofon, hangszóró). Az átvitel lehet aszinkron, vagy szinkron, vagy eszköz specifikus, az eszköztől függően. Ennél az átvitel típusnál nem kritikus az átvitel minősége, ezért hibakorrekciót sem alkalmaznak. Az alacsony sebességű eszközök nem használhatják ezt az átvitel típust. A maximális adatmennyiség, amit el lehet helyezni egy csomagban 1023 bájt. Az izokrón átvitelt szemlélteti a 8.16. ábra.

235

Alkalmazói szoftver (Application Software)

USB Hangszóró Eszköz Meghajtó (USB Speaker Device Driver)

USB CD Eszköz Meghajtó (Device Driver)

USB Hoszt Szoftver (USB Host Software)

Hoszt Vezérlő (Host Controller)

Izokrón Cső (Isochronous Pipe)

CD

Izokrón Cső (Isochronous Pipe)

Hangszóró (Speaker)

8.16. ábra: Izokrón átvitel (azonos frekvenciájú) Vezérelt átvitelt specifikus kérések és információ átvitelnél használnak specifikus eszközök esetén. Ezt az átvitel típust használják az eszközök konfigurálása és inicializálása idején. Ilyenkor a kérések és válaszok átvitele igen kritikus, ezért használják ezt az üzemmódot. Ennél az átvitelnél a hibafelfedés és ellenőrzés nagyon nagy fontossággal bír. Ezt az átvitelt valamennyi eszköz általában egyszer (vagy csak néhányszor) használja. Bulk átvitelt használnak a nagy adatblokkok átvitelére, ha az átvitel nem időkritikus és az átvitel minősége is fontos. Ilyen átvitelt használ pl. az írható CD, DVD vagy a nyomtató. Használhatnak kézfogásos átvitelt is. Teljes hibaellenőrzést alkalmaz. Bulk átviteli példát mutat a 8.17. ábra.

236

Alkalmazói szoftver (Application Software)

USB Nyomtató Eszköz Meghajtó (USB Printer Device Driver)

USB CD-olvasó Eszköz Meghajtó (USB CD Reader Device Driver)

USB Hoszt Szoftver (USB Host Software)

Hoszt Vezérlő (Host Controller) Nagy mennyiségű adatátvitelre alkalmas Cső (Bulk Pipe)

Nagy mennyiségű adatátvitelre alkalmas Cső (Bulk Pipe)

CD-olvasó (CD reader)

Nyomtató (Printer)

8.17. ábra: Nagy adatmennyiségek esetén használt bulk átviteli mód 8.6.2. Csomagok és keretek Az USB több csomagos keretformátumot alkalmaz. Egy keret egy tranzakciót jelent. Az USB keret három részből áll: • • •

a token csomag, az adat csomag, kézfogásos rész (csomag vége).

Minden keret egy token csomaggal indul. Ezek tartalmazzák a szinkronizáló biteket, a csomagazonosítót, és a csomag típusát. A token csomag tartalmaz más kisebb csomagokat is (8.18. ábra).

Sziknronizációs folyam (Synchronization Sequence)

Csomag azonosító (Packet ID)

Csomag-specifikus információ (Packet-Specific Information)

CRC bitek (CRC bits)

EOP

Csomag (Packet)

8.18. ábra: USB csomagok felépítése

237

Négy típusú token csomag van: • • • •

keret csomag indító (START), a beviteli csomag (in), a kiviteli csomag (out), se-tup csomag.

A keret csomag start jelzi a csomag kezdetét, azaz megmondja a vevőnek, hogy kezdődik az 1 ms-os keret. Az ’in” csomag esetén az adatátvitel az eszköztől a PC-be történik, míg „out” csomag esetén fordítva. A se-tup csomagot használják, amikor az eszközök vagy hub-ok a kezdeti információt (beállítást) kérik. Az információ a hub-oknak vagy az eszközöknek szól. Az alacsony sebességű átvitelnél használnak egy speciális csomagot, amit preambulum csomagnak hívnak. Ez egy rövidebb csomag, mint a nagysebességű keret és max. 64 bájt adatot tartalmaz kézfogásos átvitellel. Ennek csak 3 csomagváltozata van: beviteli csomag, kiviteli csomag és setup csomag. Valamennyi csomag végén - kivéve az izokrón kereteket - van egy hiba korrekciós csomag. A nagysebességű keretek 16 bites CRC-t, míg az alacsony sebességű keretek 5 bit CRC kódot használnak, mert itt kisebb a csomag. Ha az eszköz vagy hoszt hub észreveszi, hogy vége a keretnek, akkor elvégzi a CRC ellenőrzést. Ha a CRC ellenőrzés nem jelez hibát, akkor jelzi, hogy vége az üzenetnek. Ha a CRC nem korrekt, és az időkorláton belül van, akkor a vevő várakozik. Ha az időkorlát letelik, akkor a vevő jelzi, hogy a keret nem korrekt. Az EOP (End of Packet) jelalakot mutatja a 8.19. ábra. 3,6 Vdc

VOH (max)

VSS

EOP szélesség

8.19. ábra: Az EOP jelalakja 8.7. Felhasználói réteg (Application layer/(users layer) Ezt a réteget két alrétegre lehet osztani: egyrészt az operációs rendszer szintjére, másrészt a felhasználói szoftver szintjére (8.20. ábra).

238

Alkalmazás (Application)

Eszköz Szoftver (Device Software)

Operációs Rendszer (Operating System)

Konfigurációs Szoftver (Configuration Software)

USB Meghajtó (USB Driver)

Konfigurációs Szoftver (Configuration Software)

USB Hoszt Vezérlő Meghajtó (USB Host Controller Driver)

USB Eszköz (USB Driver)

USB Eszköz (USB Driver)

USB Eszköz (USB Driver)

USB Eszköz (USB Driver)

USB Eszköz (USB Driver)

8.20. ábra: Az USB felhasználói szint Az operációs rendszer alkalmazási alrétege az alábbi funkciókat tartalmazza: • parancsok, • szoftver meghajtók, • hub konfigurálás, • sávszélesség áthelyezés. Az eszköz alkalmazási alréteg az alábbi funkciókat tartalmazza: • parancsok, • eszköz meghajtók, • eszköz konfiguráció. 8.8. Irányítástechnikai alkalmazások A mérés- és irányítástechnikai alkalmazásokhoz a National Instruments cég fejlesztett különböző modulokat, amelyek révén kétállapotú eszközök be/kivitele, analóg jelalak bevitele USB felületen megvalósítható.

239

9. IPARI KOMMUNIKÁCIÓS RENDSZEREK TÖRTÉNETE ÉS FEJLŐDÉSE Az ipari kommunikációs rendszerek fejlesztése a 70-es évek elején kezdődött először párhuzamos adatátvitelre alapozva a mikroelektronika, szoftver technológia, valamint az ipari informatikai és irányítástechnikai igényekhez igazodva. Az ipari zsargonban gyakran terepi busz (terepbusz) ill. fildbusz elnevezés alatt - nem teljesen helyesen - ipari kommunikációs rendszert értenek. Szokásos elnevezések még: ipari LAN-ok, irányítástechnikai hálózatok, stb. Az irányítástechnika kommunikációs hálózatainak előnyei: • • • • • •

jelentősen kisebb kábelköltségek, kisebb méretű kapcsolószekrények, kisebb mennyiségű járulékos, hagyományos technika (pl. sorozatkapcsok), kisebb telepítési és ráfordítási költségek (bérköltségek), kisebb szervizköltségek; - nagyobb üzembiztonság és teljesítmény, rugalmas módosítási lehetőség.

Mi a fildbusz? Erre a kérdésre az IEC 61158-as szabványban az alábbi definíciót találjuk. „A fildbusz egy digitális, soros multidrop jellegű adatbusz az ipari irányítási és műszerezési feladatokhoz, mint pl. a távadók, beavatkozók és helyi kontrollerek közötti kommunikáció biztonságos lebonyolításához”. A Foundation Fieldbus kidolgozói bővítették a fildbusz fogalomkörét. „A fildbusz egy digitális, kétirányú, multidrop jellegű kommunikációs vonal az intelligens mérő és irányító eszközökhöz, amely LAN hálózatként szolgál a folyamatirányítás, a terepi I/O eszközök és a nagy sebességű gyártásautomatizálási alkalmazásokhoz”. Ez a megfogalmazás már utal az alkalmazásokra. Tekintettel arra, hogy időközben számos különböző típusú, stuktúrájú ipari kommunikációs rendszer került kidolgozásra, ezért az utóbbi definíciótól konkrétabb megfogalmazás nehezen képzelhető el. Az ipari kommunikációs rendszer fejlődését a 9.1. ábra szemlélteti az egyes alkalmazások (épületautomatizálás, ipari folyamatirányítás, járműipar, műszerezés), továbbá a mikroprocesszor-technikai háttér és az informatikai fejlődés kapcsolatrendszerében. Számítástudomány Mikroprocesszorok Épületautomatizálás Gyártásautomatizálás és folyamatirányítás Járműautomatizálás Interfészek, műszerezés, PCB buszok

ARPANET

Ethernet ISO/OSIInternet MAP

WWW

MMS

80486 Pentium BacNet EIB Cebus X10 Batbus LON FF PROWAY ISA SPSO Modbus ControlNet IEC61158 FIP P-NET ARCNET SDS EN50254 Profibus IEC61784 ASI PDV-Bus Bdbus Interbus EN50170 EN50325 Hart Seccos DeviceNet ARINC MIL 1553 CAN SwiftNet PC M-Bus HP-IL IEE488 CAMAC Meas Bus RS485 GPIB C4004

C8080

C8086

80836

Előfeldolgozás Saját és nyitott szabványok 1970

1980

1990

9.1. ábra: A fildbuszok fejlődése

240

Nemzetközi szabványok 2000

Az ábrából kiderül, hogy az ún. nyitott rendszerek, és a nemzetközi szabványosítás hozta meg a mai rugalmas alkalmazási lehetőséget. 9.1. Gyártóspecifikus buszrendszerek Az ipari hálózatok fejlesztésében a PLC gyártó cégek jártak az élen. A 80-as években a gyártók arra törekedtek, hogy PLC-jüket saját hálózattal lássák el. Néhány gyártó buszrendszerét a 9.1. Táblázatban adtuk meg. 9.1. Táblázat: Gyártóspecifikus PLC-hálózatok

Előnyük a PLC-vel való szoros integráltság. Hátrányuk a más rendszerekkel való inkompatibilitás. Ezért napjainkban szinte kizárólag a nemzetközileg szabványosított kommunikációs rendszerek használatosak. 9.2. A szabványosítás lépései A fildbusz koncepció kidolgozásában olyan nemzeti és nemzetközi kutatócsoportok vettek részt, mint például a Amerikai Elektronikai Társaság (ISA), a Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság (IEC), a PROFIBUS (Német Nemzeti Szabványügyi Szervezet), a FIP (Francia Nemzeti Szabványügyi Szervezet), másrészt számos, speciális gyártó és szállító cég. Ezek a csoportok alkotják az IEC/ISA SP50 Fieldbus Comittee tagságát. A terepi kommunikáció fejlesztésében és terjesztésében érdekelt gyártó cégek, az Egyesült Államokban és Európában, különböző alapítványokat hoztak létre (Foundation Fieldbus, a PROFIBUS, a FIP, a CAN, Interbus-S, stb.), amelyeken keresztül érvényesítették a szabványosítási törekvéseket. A terepi kommunikációs rendszerek szabványosítása történetének legfontosabb momentumait a 9.2. Táblázatban foglaltuk össze. 9.2. Táblázat: Fieldbus szabványosítás története az IEC 61158 viszonylatában Periódus 1985-1990

1990-1994 1995-1998

1999-2000 2000-2002

A szabvány kidolgozásának állapota Igények bejelentése

Főbb események Az IEC fildbusz projekt indítása, a különböző nemzeti szabványok kiválasztása, a német PROFIBUSZ és a francia FIP a fő jelöltek. Az első kísérletek a két szabvány kombinálására. Német- francia „fildbusz háború” Kísérlet a WorldFIP ISP-n alapuló általános specifikációjára. A szabványosítás elakadása Az amerikai FF fejlesztés válaszul az európai CENELEC szabványokra. A FF magában foglal számos nemzetközi szabvány részletet. Kompromisszum A 8 típusú (féle) specifikáció kerül a szabványba. A piac számára alkalmas módosítások A szabványt több típussal adták meg, a szükséges profilokidolgozása kat az IEC 61784 szabványban rögzítették.

241

A CENELEC Fieldbus Szabvány megjelenésének időpontját és a nemzetközi IEC 61158 szabvány kapcsolatát, valamint a széles körben ismert elnevezéseket szemlélteti a 9.3. Táblázat. 9.3. Táblázat: A CENELEC Fieldbus Standards és annak kapcsolata az IEC IS 61158-al CENELEC szabvány rész EN 50170-1 (July 1996) EN 50170-2 (July 1996) EN 50170-3 (July 1996) EN 50170-AI (Apr. 2000) EN 50170-A2 (Apr. 2000) EN 50170-A3 (Aug. 2000) EN 50254-2 (Oct. 1998) EN 50254-3 (Oct. 1998) EN 50254-4 (Oct. 1998) EN 50325-2 (Jan. 2000) EN 50325-3 (Apr. 2000) EN 50325-4 (July. 2000) EN 50295-2 (Dec. 1998)

Az IEC szabványbeli megfelelő IS 61158 type 4 IS 61158 type 1/3/10 IS 61158 type 1/7 IS 61158 type 1/9 IS 61158 type 1/3 IS 61158 type 2 IS 61158 type 8 IS 61158 type 3 IS 61158 type 7 IS 62026-3 (2000) IS 62026-5 (2000)

IS 62026-2 (2000)

Széles körben ismert elnevezés P-Net Profibus WorldFIP Foudnation Fieldbus Profibus-PA ControlNet Interbus Profibus-DP (Monomaster) WorldFIP (FIPIO) DeviceNet SDS CANOpen AS-Interface

A nemzetközi versengés kompromisszumát jelentő IEC 61158 számú Fieldbus for Industrial Control Systems szabvány struktúrája a 9.4. Táblázatban található. 9.4. Táblázat: Az IEC 61158 számú „Fieldbus for Industrial Control Systems” struktúrája Szabványrész IEC 61158-1 IEC 61158-2 IEC 61158-3 IEC 61158-4 IEC 61158-5 IEC 61158-6 IEC 61158-7 IEC 61158-8

Tartalom Bevezetés Phl: fizikai réteg DLL: adatkapcsolati réteg szolgáltatások

DLL: adatkapcsolati réteg protokollok AL: Alkalmazói réteg szolgáltatások AL: Alkalmazói réteg protokollok Hálózat menedzsment Alkalmazási tesztelés

A tartalom jelentése Csak technikai riport 8 típusú adatátvitel 8 típus 8 típus 10 típus 10 típus Komplett ellenőrzés szükségessége A tesztelés kidolgozása

A leginkább elterjedt ipari kommunikációs rendszerek alkalmazási és főbb műszaki jellemzőit a 9.5. Táblázat foglalja össze.

242

9.5. Táblázat: A szabvány különböző profiljainak műszaki jellemzői és alkalmazási területei Profil

Név

Ipar

Speciális adottságok

Adatfeldolgozás

Busz címzés

CPF-1/1

FF (H1)

Folyamatirányítás

Funkcióblokkok

Decentralizált

CPF-1/2

FF (HSE)

Funkcióblokkok

Decentralizált

CPF-1/3

FF (H2)

Folyamatirányítás, gyártásautomatizálás Gyártásautomatizálás

Előállítófelhasználó CSMA/CD

Funkcióblokkok

Decentralizált

CPF-2/1

ControlNet

Gyártásautomatizálás

CPF-2/2

EtherNet/IP

Gyártásautomatizálás

CPF-3/1

Profibus-DP

Gyártásautomatizálás (folyamatirányítás)

Gyártásautomatizá- Decentralizált lási alkalmazásokhoz optimalizálva Gyártásautomatizá- Centralizált lási alkalmazásokhoz optimalizálva Optimalizálva a Centralizált kihelyezett I/O-khoz

CPF-3/2

Profibus-PA

Folyamatirányítás

CPF-3/2

Profibus-PA

Folyamatirányítás

CPF-3/3

Profinet

Gyártásautomatizálás

CPF-4/1

P-Net RS485

Gyártásautomatizálás

CPF-4/2

P-Net RS232

CPF-5/1

CPF-5/2 CPF-6/1

A szegmensenkénti buszrésztvevők száma Max. 32 Max. 30

Előállítófelhasználó Előállítófelhasználó

Max. 32

Előállítófelhasználó

Max. 30

Max. 99

A folyamatirányítási célra optimalizálva A folyamatirányítási célra optimalizálva Osztott automatizálási object-ek Multinet kialakíthatóság

Centralizált

MesterMax. 32 szolga token passing hozzáféréssel Max. 32

Centralizált

Max. 32

Épületautomatizálás

Multinet kialakíthatóság

Centralizált

WorldFIP

Gyártásautomatizálás

Osztott real-time adatbázis

Centralizált

Interbus

Gyártásautomatizálás

Optimalizálva a kihelyezett I/O-khoz

CPF-6/2

Interbus TCP/IP

Gyártásautomatizálás

Optimalizálva a kihelyezett I/O-khoz

Centralizált

CPF-6/3

Interbus Subset

Gyártásautomatizálás

Centralizált

CPF-7/1

Swiftnet transport Swiftnet full stack

Légi közlekedés

Optimalizálva a kihelyezett I/O-khoz Optimalizálva a légi közlekedéshez Optimalizálva a légi közlekedéshez

CPF-7/2

Légi közlekedés

Decentralizált

Centralizált

Decentralizált Centralizált

Decentralizált

Előállítófelhasználó Mesterszolga token passing hozzáféréssel Mesterszolga token passing hozzáféréssel Előállítófelhasználó

Max. 30

Egy mester, szinkronizált shift regiszterrel Egy mester, szinkronizált shift regiszterrel Alrendszer

Max. 256

Előállítófelhasználó

Max. 1024

Max. 32

Max. 32

Max. 256

Max. 256

Az IEC 61158 sz. szabvány szerinti profilok és protokollok a 9.6. Táblázat szerint kerültek elfogadásra.

243

9.6. Táblázat: Az IEC 64784-1 és IEC 61158 szabvány szerinti profilok és protokollok

CPF-1/1 CPF-1/2

IEC 61158 protokollok fizikai DLL AL Type 1 Type 1 Type 9 Ethernet TCP/UDP/IP Type 5

CPF-1/3 CPF-2/1 CPF-2/2 CPF-3/1 CPF-3/2 CPF-3/3 CPF-4/1 CPF-4/2 CPF-5/1 CPF-5/2

Type 1 Type 2 Ethernet Type 3 Type 1 Ethernet Type 4 Type 4 Type 1 Type 1

Type 1 Type 2 TCP/UDP/IP Type 3 Type 3 TCP/UDP/IP Type 4 Type 4 Type 7 Type 7

CPF-5/3 CPF-6/3 CPF-6/2

Type 1 Type 8 Type 8 Type 8 Type 6 Type 6

Type 7 Type 8 Type 8 Type 8 Type 6 Type 6

IEC 64784 profil

CPF-7/1 CPF-7/2

CENELEC szabvány

Elnevezés

EN 50170-AI (Apr.2000) -

Foundation Fieldbus (H1) Foundation Fieldbus (HSE) Type 9 EN 50170-AI (Apr.2000) Foundation Fieldbus (H2) Type 2 EN 50170-A3 (Aug.2000) ControlNet Type 2 EtherNet/IP Type 3 EN 50254-3 (Oct.1998) Profibus-DP Type 3 EN 50170-A2 (Oct.1998) Profibus-PA Type 10 ProfiNet Type 4 EN 50170-1 (July 1996) P-Net RS-485 Type 4 EN 50170-1 (July 1996) P-Net RS-232 Type 7 EN 50170-3 (July 1996) WorldFIP (MPS, MCS) Type 7 EN 50170-3 (July 1996) WorldFIP (MPS, MCS), SubMMS Type 7 EN 50170-3 (July 1996) WorldFIP (MPS) Type 8 EN 50254-2 (Oct.1998) Interbus Type 8 EN 50254-2 (Oct.1998) Interbus TCP/IP Type 8 EN 50254-2 (Oct.1998) Interbus subset Swiftnet transport Type 6 Swiftnet full stack

A jelenleg leghasználatosabb fildbusz rendszereket az alábbiakban vázlatosan felsoroljuk. Sensoplex A Hans Turck cég által kifejlesztett, és 1995-ben bevezetett, kétállapotú jelek kezelésére alkalmas, gépipari és normál, illetve gyújtószikramentes változatban, a vegyiparban és az olajiparban használatos kommunikációs rendszer. Interbus S A Phoenix Contact által kifejlesztett, 1984-ben bevezetett, DIN 19258, illetve EN 50.254 számú szabvány gépipari és feldolgozóipari alkalmazásokra készült rendszer. Részletes leírást lásd a 20. fejezetben (2. kötet). ASi

Actuator Sensor Interface Az AS-I Consortium által 1993-ban bevezetett, az érzékelők és beavatkozó egységek öszszekapcsolására alkalmas, egyszerű felépítésű protokoll. Részletes leírást lásd a 19. fejezetben (2. kötet).

PROFIBUS DP

PROcess FIeld BUS Distributed Peripheral

A német kormány által létrehozott fejlesztési társulat által finanszírozott, a Siemens cég által erőteljesen preferált, 1994-ben bevezetett, az egyik legelterjedtebben alkalmazott szabványos kommunikáció. Részletes leírást lásd a 18. fejezetben (2. kötet). CAN Controller Area Network A Can in Automation szervezet által 1995-ben bevezetett, gépipari, autóipari, és hadiipari területen elterjedt hálózati kommunikációs rendszer.

244

ControlNet

Control Network

Az Allen-Bradley cég által kidolgozott, és 1996-ban bevezetett kommunikációs rendszer, amelynek a legtipikusabb jellemzője, hogy a kommunikációs válaszidő a többi rendszertől eltérően rendkívül kicsi (< 0,5 ms). Device Net Az Allen-Bradley cég által 1994-ben bevezetett, ISO 11898 &11519 számmal ellátott, elsősorban Egyesült Államokban használt terepi kommunikációs rendszer. SDS

Smart Data System A Honeywell cég által fejlesztett, és 1994-ben bevezetett, gyakorlatilag az érzékelők összekapcsolására, kommunikációjára használt rendszer.

Ethernet A Xerox cég által kifejlesztett, 1976-ban publikált, a legrégebben bevezetett, irodai alkalmazásban a legelterjedtebb, az ipari kommunikáció területén egyre gyakrabban használt hálózati szabvány. WorldFIP

World Factory Instrumentation Protocol

A WorldFIP által 1988-ban bevezetett, terepi kommunikációra kifejlesztett, alapvetően gépipari, illetve közlekedési területen használatos kommunikációs rendszer. HART High Addressable Remote Transducer A Fisher Rosemount cég által kifejlesztett és bevezetett, 4-20 mA analóg áramjelet és digitális jelet együttesen használó rendszer. Az analóg és a digitális világ közötti átmenetként megjelenő kommunikációs rendszer a teljesen digitális elven működő terepi buszok „előfutárának” tekinthető. IEC/ISA SP50 Az ISA és a Fieldbus Foundation szervezetek által létrehozott, 1996-ban megjelentetett rendszer gyakorlatilag az egységes fildbusz szabvány első megjelenése. PROFIBUS PA

PROcess FIeldBUS Process Automation

Az erőteljesen Siemens támogatású, hivatalosan 1995-ben bevezetett, a PROFIBUS család folyamatirányításra kifejlesztett rendszere az egyik legelterjedtebb folyamatirányítási protokoll. Részletes leírást lásd a 18. fejezetben (2. kötet). FF

Foundation Fieldbus A Fieldbus Foundation alapítvány által 1995-ben szabványosított, leginkább folyamatirányítási célra használt kommunikációs rendszer, amely a többi rendszertől eltérően önálló szabályozási stratégiával rendelkezik.

MODBUS

MODicon BUS

A Modicon cég által, eredetileg PLC-k és hozzákapcsolható eszközök részére kifejlesztett Master - Slave struktúrájú, válaszjel típusú protokoll. A vegyiparban és az olajipari automatizálás területén elterjedten használt kommunikáció.

245

9.3. Az ipari kommunikációs rendszerekkel szembeni követelmények A folyamatirányító rendszerek feladataiból adódóan az információtovábbítási követelmények eltérnek az ügyviteli, irodai célú hálózatokétól. Az ilyen rendszerekben ún. terepi buszrendszereket (field buses) alkalmaznak. A terepi buszrendszerek követelményei: • • • •

pontosan kiszámítható, viszonylag rövid válaszidőkre van szükség a valós idejű működés céljából, ezért a véletlenszerű buszhozzáférési módok nem használhatók, nagyfokú zavarvédettséget kell biztosítani mostoha ipari körülmények között is, amit speciális kábelezéssel és alacsonyabb adatátviteli sebességgel érnek el, az adatforgalmat közepes, ill. rövid adatblokkok átvitelére kell optimalizálni, igen nagyfokú rendelkezésre állást kell biztosítani.

A kommunikációs rendszerek kialakítására vonatkozó követelmények: Flexibilitás és modularitás: a fildbusz installáció rugalmasan bővíthető legyen, Konfigurálhatóság: a hálózat parametrizálás és konfigurálás révén legyen illeszthető a terepi eszközökhöz (és viszont), Karbantarthatóság: az eszközök ellenőrzése, karbantartása lehetőleg a hálózaton keresztül legyen eszközölhető, Decentralizálhatóság: a hálózat alkalmas legyen elosztott folyamatirányító rendszer létrehozására. További követelmény, hogy az egyes gyártók eszközei közötti együttműködést - interoperabilitás - biztosítsák. 9.4. Kommunikációs koncepciók Már a 6. fejezetben említettük, hogy az ipari kommunikációs rendszerek a hétrétegű ISO-OSI modellnek csak rendszerint három rétegét alkalmazzák a 9.2. ábrának megfelelően. Teljes OSI

Redukált fildbusz

Application Presentation Sesson Transport Network Data Link Physical

Application

IEC 61158 szerinti Application

Data Link Physical

Data Link

Physical

9.2. ábra: Kommunikációs koncepciók Az ábrából kitűnik, hogy egyes fildbuszok az adatkapcsolati rétegbe integráltan hálózati funkciókat is ellátnak. Azon fildbuszok, amelyek kifejezetten irányítástechnikai orientációjúak (pl. PROFIBUS, Foundation Fieldbusz) az alkalmazási réteg fölött ún. „user” réteget definiálnak, amelyek nem a kommunikációs funkciót, hanem az automatizálási funkciót biztosítják (pl. funkcióblokkok, platformok). 9.5. Kommunikációs paradigmák Az ipari kommunikációs rendszerekben a különböző típusú szolgáltatásokhoz többnyire háromféle kommunikációs paradigmát alkalmaznak.

246

Ezek: • • •

kliens - szerver modell, előállító - felhasználó modell, közlő - előfizető modell.

Az egyes modellek sajátosságait a 9.7. Táblázat foglalja össze. 9.7. Táblázat: A kommunikációs paradigmák sajátosságai Client-Server Modell (Client-Server Model)

Kommunikációs kapcsolat Kommunikáció típus Mester-szolga kapcsolat Kommunikációs szolgáltatás Alkalmazási osztályok

Peer to peer (pont-pont) kapcsolat Kapcsolat orientált Monomaster, multimaster (egymesteres, többmesteres) Visszajelzéses, visszajelzés nélküli, nyugtázott Paraméter átvitel, ciklikus kommunikáció

Előállító-felhasználó modell Producer-Consumer Model Broadcast (üzenetszórás)

Multicast

Kapcsolat nélküli

Kapcsolat nélküli

Közlő-előfizető modell Publisher-subscriber Model

Multimaster (többmesteres) Multimaster (többmesteres)

Visszajelzés nélküli, nyugtázott Eseménykezelés, alarmok, hibák, szinkronizálás

Visszajelzés nélküli, nyugtázott Állapot változások, esemény orientált jelforrások, (pl. switch-ek)

A táblázatból kitűnik, hogy az esemény alapú kommunikáció legelőnyösebben az előállítófelhasználó típusú modellel oldható meg. Lehetőséget biztosít igen rövid reakcióidejű események feldolgozására. Általában az előállító-felhasználó típusú modell a többmesteres (multimaster) rendszerekben használatos. A közlő-előfizető modell nagyon hasonló mechanizmust használ, a különbség a multicast kapcsolatban van. Az előfizetők a node-ok azon csoportja, amelyek hallgatják az információforrásként funkcionáló közlőket. Kapcsolat kiépítés nélküli mechanizmusokat alkalmaznak. Ilyenkor a kommunikációs hibák felfedhetők a 2es rétegben. Ez a kétféle modell az alábbi rendszerekben használatos: CAN, CANopen, DeviceNet, ControlNet, EIB. A kliens-szerver modell kapcsolat orientált átvitelt alkalmaz a hálózat két node-ja között. A kommunikáció átvitelhez különböző szolgáltatási primitívek tartoznak, mint pl. kérés, válasz, megerősítés). Ez a modell alkalmazható mono- és multimaster rendszerekhez (CSMA, token alapú rendszerek és polling rendszerek). A modell alkalmazhat ciklikus idejű (pl. mérési adatok gyűjtése) és aciklikus adat átvitelt (pl. paraméter átadás). Ilyen modellt alkalmaz a PROFIBUS, Interbus, P-Net, As-i. 9.6. Üzenetek azonosítása Az üzenetek azonosítási módszere alapján a terepi buszok forrás/cél jellegű hálózatok (Source/Destination Networks) és előállító/felhasználó jellegű hálózatok (Producer/Costumer Networks) csoportjába sorolhatók. A forrás/cél jellegű hálózatok az üzeneteket a címük, míg az előállító/felhasználó szerintiek a tartalmuk alapján azonosítják. 9.6.1. Forrás/cél jellegű hálózatok jellemzése Előnyei: a diagnosztika, az explicit és I/O üzenetek továbbítása és az átviteli teljesítmény. Diagnosztika: a hálózatok kényelmes lehetőséget biztosítanak az eszközök diagnosztizálására. Eszköz-hibakeresés, a hibakód kiolvasása, adattábla-felújítás mind lényeges feladatok, amelyeket úgy kell elvégezni, hogy ne befolyásolják a valós idejű I/O vezérlőadatokat, amelyeket más eszközök cserélnek ki egymás között. Az explicit és I/O üzenetek nagyon sokrétűek, adatmezők protokollinformációval és utasítással az elvégzendő szolgáltatáshoz. Explicit üzenetek szolgálnak programok letöltésére és kiol247

vasására, eszközkonfigurációk módosítására, adatgyűjtésre, trendre és diagnosztikai funkciókra. Ezen üzenettípusok nagyon változók mind méretben, mind frekvenciában. Az I/O üzenetek implicit természetűek. Az adatmező csupán valós idejű I/O vezérlő-adatot tartalmaz. Az adat jelentése előre meghatározott, így az eszköz adatfeldolgozási ideje minimális. A forrás/cél típusú hálózatoknál különálló hálózatokat használnak a két üzenettípus nagyon különböző követelményeinek kielégítésére. Az Allen-Bradley DH + /RIO és a Siemens Profibus FMS és a Profibus DP a példák ezen szituációk megoldására. Átviteli teljesítmény: végső soron az alkalmazás megkövetelt átviteli teljesítménye határozza meg, hogy milyen hálózati modell szükséges. Az átviteli teljesítmény azt a sebességet jelenti, amivel a bemeneti adat eljut minden olyan leágazáshoz, ahol szükség van rá, és a kapott kimeneti adat eljut a megfelelő eszközökhöz. A pontos meghatározáshoz szükséges az átviteli sebesség, a protokollhatékonyság és a hálózati modell vagy az átvitel módja. A Baud sebességet használják leggyakrabban a teljesítőképesség mérésére, de a mai hálózatoknál ez a legmegtévesztőbb, és a legkevésbé fontos a három jellemző közül. A csomagban lévő adatbájtok aránya az összes bájthoz viszonyítva adja a protokoll hatékonyságát. Ez nem annyira fontos, mint a használt átviteli mód (hálózati modell). Ma számos fejlesztésű hálózat áll rendelkezésre: Data Highway Plus, Remote I/O, Profibus FMS, Profibus DP, Interbus-S, ASI, Modbus Plus, GeniusLan, Lonworks. Ezen há-lózati opciók mindegyike forrás/cél típusú hálózati modell (9.3. ábra). Ezt a modellt használják, pl. a Master/Slave és Peer to Peer (egyenrangú) hálózatok is.

9.3. ábra: Forrás/cél típusú hálózati adatmodell A Master/Slave modell megvalósításában a forrásmező általában hiányzik, hiszen a rendszerben egy mester van, így ő a forrás, és minden válasz hozzá fut be. Ez a modell egyszerre kizárólag két eszköz közötti kommunikációt képes biztosítani. Tipikus alkalmazási területe a valós idejű vezérlőadatok cseréje (I/O messaging). A közvetlen (Peer to Peer) hálózat több rugalmasságot nyújt a felhasználóknak, hiszen a legtöbb ilyen hálózat explicit üzeneteket használ. A PC alapú programozás, a vezérlők és az MMI (MMI, Man-Machine Interface) ember-gép interfészeszközök konfigurálása is explicit üzeneteket igényelnek. Az explicit üzenetek nem időkritikusak. Látható, hogy a forrás/cél típusú hálózatok többször küldik el ugyanazt az információt, ha több eszköznek is arra van szüksége. Így hosszú ideig ugyanannak az adatnak a továbbításával terhelik a hálózatot. Olyan hálózatok esetén, ahol nagy az adatforgalom és több eszköz kapcsolódik össze, ez a modell nem előnyös. Ezért dolgozták ki az előállító/felhasználó típusú hálózatot, amelyben az üzeneteket a tartalmuk azonosítja (9.4. ábra). Ha az eszköz adatot igényel, az felismeri annak azonosítóját és elveszi magának.

9.4. ábra: Előállító/felhasználó típusú hálózati adatmodell

248

9.6.2. Előállító/felhasználó típusú hálózatok jellemzése Ez a modell az azonos idejű felhasználás lehetőségét nyújtja a felhasználóknak. A tartalmával azonosított egyetlen forrásból származó adatot több eszköz egyidejűleg felhasznál-hatja. Az eszközök pontosabban szinkronizálhatók, hatásosabb a sávszélesség felhasználása. Az adatforrásnak csak egyszer kell az információt előállítania. Új eszközök csatlakoztathatók a hálózathoz anélkül, hogy növelnék a forgalmat a vezetéken. Az egyidejű felhasználás nem lehetséges a forrás/cél típusú hálózatokban. Producer/Consumer (előállító/felhasználó) típusú multicast rendszer (azonos idejű felhasználás) látható a 9.5. ábrán.

9.5. ábra: Előállító/felhasználó típusú multicast rendszer (azonos idejű felhasználás) Az előállító/felhasználó modell két új hatásos I/O triggerelést tesz lehetővé a hagyományos lekérdezés mellett. Az I/O adatokat egyidejűleg olvassa mindkét vezérlő és a HMI eszköz is. Az 1. vezérlősebesség beállító információja eljut mindhárom hajtáshoz és a HMI eszközökhöz is. Az ilyen hálózatok esetén az adatokat az azonosító révén lehet megkülönböztetni. Ez feltételezi, hogy a hálózat elemei rendelkeznek azon intelligenciával, amelynek révén képesek eldönteni, hogy az éppen a sínen lévő információra szükségük van-e. Az ilyen címzési módot tartalom szerinti címzésnek nevezzük. Az előállító/felhasználó típusú hálózatok előnye, hogy valamennyi adattípus továbbítására, egyetlen buszra van szükség, továbbá az azonosító révén lehetőség van az adatok prioritása szerinti buszhozzáférésre. Ez a valós idejű működés feltételeit javítja. Ugyanakkor hátrányként említendő, hogy az eszközök nem címezhetők, ami a beüzemelést, hibakeresést nehezíti. E hálózati csoportba tartozik például a CAN, és részben a Foundation Fieldbus, stb. A bemeneti adatok előállítása két módon történhet. Állapotváltozásos (eseménybázisú) adat-előállítás. A csomópontok csak akkor hoznak létre adatot, ha az adat változik. Nincs hálózatlekérdezési cikluskésleltetés: az adat egyidejűleg továbbítódik minden felhasználóhoz, ha az változik. Ciklikusan egy működésjel áll elő, hogy a felhasználó meg tudja különböztetni azt az eszközt, amely nem változtatta állapotát. Az állapotváltozás jelzése nagymértékben csökkenti a hálózat forgalmát és a csomópontok terhelését. Ciklikus (időalapú) adat-előállítás. A ciklikus adat-előállítást azon eszközök végzik, amelyek a felhasználó által definiált ismétlődési sebességgel állítanak elő adatokat. Az adatfrissítés az eszköznek és az alkalmazásnak megfelelő sebességű. Például egy érzékelő jelének mintavételezése és adatszolgáltatása pontos időintervallumonként történhet, ami jobban megfelel a PID-szabályozásnak. Az előzőek alapján beláthatók az előállító/felhasználó hálózati modell előnyei. Ezt a modellt alkalmazzák a ControlNet és DeviceNet elnevezésű Allen-Bradley hálózatok, továbbá a Foundation Fieldbus és a CAN bus is. A legismertebb ipari kommunikációs hálózatok az automatizálási hierarchia különböző szintjén helyezkednek el, melyet a 9.6. ábra mutat. 249

FF

Profibus PA

IEC/SP5

HAR

WorldFI

Etherne SDS

DeviceNet

AS-

Sensoplex

érzékelés

CA

ControlNet

Profibus DP

Interbus S

Automatizálás szintje

Felhasználási terület Folyamatokhoz kötődő rendszerek

Diszkrét elemekhez kötődő rendszerek

9.6. ábra: Kommunikációs hálózatok és az automatizálási szintek kapcsolata Az ábrán bemutatott terepi kommunikációs rendszerek az érzékelő szinten működő rendszerektől - pl. AS-i: Actuator Sensor Interface - a vállalati informatikai rendszerek legelterjedtebb hálózatáig, az Ethernet hálózatig terjednek. 9.7. Irányítástechnikai hierarchiák Az irányítástechnikában bizonyos rendszerbonyolultság felett a többszintű információ feldolgozás terjedt el. Kétszintű automatizálási hierarchiát szemléltet a 9.7. ábra. Ez a két szint a folyamatirányítási szint (a terepen) és a folyamat információs szint (a központban).

Menedzsment Marketing, Tervezés Adat szerver Üzleti adatok

Folyamat információs szint

Statisztikák

Vállalati hálózat Minőség szabályozás

Felügyelet

Folyamat irányítási szint (real-time)

Paraméterek

Ethernet (Fieldbus) Fieldbus (Ethernet)

PLC

Folyamat adatfigyelés Folyamat vizualizálás

Mérések, érzékelők, beavatkozók, szabályozók

9.7. ábra: Kétszintű automatizálási hierarchia bemutatása 250

Napjainkban minimálisan háromszintű rendszert alkalmaznak. Ezeknél az alsó két szinten valós idejű adatfeldolgozás történik. Alsó szinten (eszköz szint - Device Level) történik az érzékelők jelének valós idejű feldolgozása, ill. a beavatkozók jelének kiadása. Ezzel a funkcióval kapcsolatos információk átvitelére az érzékelő, beavatkozó terepi buszokat használják. Ezen hálózatokra a nagy megbízhatóság, a valós idejű működést támogató determinisztikus viselkedés és a viszonylag kis adatmennyiségek továbbítása a jellemző. Tipikus érzékelő/beavatkozó jellegű terepi buszok: AS-i, INTERBUS-S, DeviceNet. Az érzékelő/beavatkozó jellegű terepi hálózatok átformálják a PLC-k, a szabályozók hardverstruktúráját, mivel az érzékelők és beavatkozók központi kábelezését a terepi hálózat veszi át. Emiatt elmarad a PLC nagyszámú I/O modulegysége és funkcióját az alkalmazott terepi kommunikációt biztosító interfész (hw. + sw.) veszi át (9.8. ábra).

9.8. ábra: Hagyományos (a), ill. busz jellegű I/O kezelés (b) Középső szinten (automatizálási szint - Control Level) a PLC-k, CNC-k, digitális szabályozók stb. közötti kommunikáció zajlik, szintén terepi buszrendszeren. Ezen hálózatokra a nagy megbízhatóság, a valós idejű működést támogató determinisztikus viselkedés és a közepes adatmennyiségek továbbítása a jellemző. Tipikus control jellegű terepi buszok: PROFIBUS, Foundation Fieldbus, ControlNet, ipari Ethernet. Felső szinten (információs szint - Management Level) a tervezéssel, a termeléssel, gyártással kapcsolatos információfeldolgozás folyik, amihez a munkaállomások, számítógépek, stb. közötti nagy mennyiségű információ gyors és nagy távolságú átvitelére alkalmas ethernet hálózatot használnak. Ezen a szinten a valós idejű feldolgozás igénye általában nem merül fel. A gyártók által gyártott terepi kommunikációs rendszerek egy része egyértelműen besorolható a fenti kategóriákba, de vannak olyanok, amelyek az alsó ill. középső szinten egyaránt alkalmazhatók, és vannak olyanok, amelyek nem sorolhatók a fenti kategóriákba. Ugyanakkor terjednek a többszintű hierarchiák is. Ilyenre mutat példát a 9.9. ábra, amelyen a hálózat típusokat és a protokoll hierarchiákat is feltüntettük.

251

Protokoll hierarchia

Hálózat típus Vállalati szint

Globális hálózatok

Gyári szint

WAN

Műhely szint

MAP

LAN Cella vezérlő

Cella szint

PLC

Folyamat szint Terepi szint (sensor level)

TOP

CNC

Érzékelők, beavatkozók

Terepi hálózatok

Mini-MAP Fieldbus

Érzékelő/beavatkozó hálózatok

9.9. ábra: Többszintű irányítási modell a hálózat típusok és a protokoll hierarchia feltüntetésével Ez a modell főként a gyártásautomatizálás területén használatos. 9.8. Ipari hálózatok csoportosítása Az ipari hálózatok sok szempont szerint csoportosíthatóak. A következőkben a teljesség igénye nélkül bemutatunk néhányat ezek közül. a, Aszerint, hogy a hálózati szolgáltatás csak kommunikációra vagy e mellett automatizálási funkcióra is használatos megkülönböztetünk • •

csak kommunikációs szolgáltatást nyújtó hálózatok (MODBUS, EIB, HART, AS-i), kommunikációs és automatizálási szolgáltatást nyújtó hálózatok (PROFIBUS, Foundation Fieldbus, PROFInet).

b, Aszerint, hogy a hálózat alkalmas-e Ex-es műszerezésre, megkülönböztetünk: • •

Ex-es térben műszerezésre alkalmas hálózatokat (PROFIBUS PA, Foundation Fieldbus H1), Ex-es térben nem használható hálózatot (PROFIBUS DP, MODBUS, AS-i).

c, Aszerint, hogy az emelt szintű funkcionális biztonságot kielégítő (SIL 3) adatátvitelt biztosít-e a hálózat, megkülönböztetünk: • •

biztonsági átvitelt ill. buszokat (PROFIsafe, ASI-safe, INTERBUS Safety, SAFETY bus), biztonsági átvitelt nem nyújtó hálózatok (MODBUS, EIB).

Az alkalmazásokat illetően az alábbi csoportosításokat eszközölhetjük: • • • •

folyamatirányítás (folytonos és batch folyamatokhoz főként a Foundation Fieldbus ill. PROFIBUS PA), gyártásautomatizálás (PROFIBUS DP, Interbus, stb.), épületautomatizálás (EIB), járműautomatizálás (CAN).

A továbbiakban a hazai iparban bevezetett és alkalmazott fontosabb terepi kommunikációs rendszereket ismertetjük.

252

Ajtonyi I. (1) - Jónap K. (2) - Subert J. (2) - Vranka P. (2) 10. A FOUNDATION FIELDBUS A Foundation Fieldbus az ún. DCS rendszerekben a leggyakrabban használt irányítástechnikai célú ipari kommunikációs rendszer. 10.1. Bevezetés A Foundation Fieldbus (FF) mintegy 150 irányítástechnikai vállalat 1996. évi alapítványa által definiált terepi buszt jelenti. Kifejlesztése során alapvető szempont volt egy olyan egységes rendszer definiálása, amelyben problémamentesen összekapcsolhatók a különböző gyártók termékei. A Foundation Fieldbus széles körű támogatottságát garantálja, hogy a kialakításában részt vállaló mintegy 150 cég a világ folyamatirányítási piacának 80 %-át mondhatja magáénak. A résztvevő vállalatok maguk alakítják ki a saját termékük illesztéséhez szükséges interfészeket. A Foundation Fieldbus, továbbiakban FF, mint az összes többi terepi kommunikációs hálózat, alkalmas kétirányú kommunikációra, sokelemes intelligens terepi eszközök (távadók, beavatkozók, szabályozók) összekapcsolására, elosztott irányítási feladatok ellátására, távvezérelt be-, kimeneti eszközök lekezelésére, vagyis röviden: a FF folyamatirányítási feladatok ellátására létrehozott lokális hálózat. A terepi kommunikációs rendszer neve a Foundation Fieldbus, míg a szakmai szervezet neve Fieldbus Foundation. A Fieldbus Foundation szervezet feladata a műszerezési és folyamatirányítási feladatokhoz tartozó minősítések elvégzése (az új rendszerek és elemek minősítése), az ismeretterjesztés (az új kutatási és vizsgálati eredmények terjesztése, szakmai továbbképzés biztosítása), és nem utolsósorban a területhez tartozó szervezési és egyéb feladatok koordinálása. A FF kidolgozásának célkitűzései: • • • • • • • •

elosztott, a terepi szinten megvalósuló irányítás megvalósítása, együttműködés a különböző gyártók eszközei között, egyszerű rendszer integráció, igen hatékony kommunikációs rendszer, beépített diagnosztika, irányítástechnikai feladatokra optimalizált rendszer, intelligens (smart) I/O eszközökből felépíthető rendszer, Rb-s terekben történő hálózat kialakítására legyen közvetetten alkalmas.

A FF tehát nem egyszerűen egy kommunikációs technika, hanem egyben a folyamatirányító rendszerek (DCS) kialakítására alkalmas rendszer. A FF abban különbözik a többi terepi kommunikációs hálózattól, hogy a rendszer eszközeiben (érzékelők, beavatkozók) irányítási algoritmusok (pl. PI, PID, kaszkád) futtatására alkalmas hardverek és szoftverek állnak rendelkezésre, míg a többi terepi hálózati eszközök nem tartalmaznak ilyen funkciókat. (1) - Miskolci Egyetem, Automatizálási Tanszék (2) - Miskolci Egyetem, Alkalmazott Kémiai Kutató Intézet (AKKI)

253

A Foundation Fieldbus úgy valósítja meg az elosztott adatfeldolgozást, hogy minden eszköz magában hordozza a vele kapcsolatos adatfeldolgozási műveletekhez szükséges processzorteljesítményt és memóriát, így a rendszer bővítése egyszerűen az új eszköz csatlakoztatásából áll. A központi egységek feladata csak az emberi kezelőfelület biztosítása (HMI), és a magas szintű folyamatirányítás (pl. költségoptimalizáló szabályozás vagy receptura kezelés) koordinálása. A feladatok szétosztása kevesebb műszertermi erőforrást igényel. A Foundation Fieldbus intelligens (smart) egységekre épül, ahol a vezérlési, szabályozási algoritmusok elosztottan, közvetlenül az I/O eszközökön futnak és a központi egységek feladata az osztottan folyó feldolgozás irányítása és szervezése. A Foundation Fieldbus a második generációs DCS rendszerek kialakítását támogatja. A FF nyílt protokoll, vagyis a Fieldbus Foundation által minősített gyártók mindegyike fejleszthet a FF rendszerben működni képes eszközökhöz szoftvert, és ezek az eszközök képesek együttműködni egy adott rendszerben más gyártók eszközeivel. Ezt a képességet nevezzük gyártó-függetlenségnek (interoperability). A FF kommunikációs hálózat jelenleg két különböző sebességű rendszert definiál: • •

H1 - a 31,25 kbps sebességgel működő hálózat, HSE - High Speed Ethernet, 100 Mbps sebességgel működő gerinchálózat.

Mivel a FF-t szinte kizárólag a folyamatirányításban alkalmazzák, ezért a FF elsajátításához alapos irányítástechnikai ismeretekre van szükség. Bevezetésként az alábbi ábrán egy Foundation Fieldbus-ra épülő DCS rendszer sémáját mutatjuk be. A rendszer alkalmas a folyamat tervezésére, a folyamat irányítására, a karbantartás menedzselésére és a termelés irányítására.

10.1. ábra: FF rendszertechnikája

254

10.2. FF kommunikáció 10.2.1. Kommunikációs modell A FF a többi ipari kommunikációs hálózathoz hasonlóan az ISO-OSI modell három rétegét használja: a fizikai, az adatkapcsolati és az alkalmazói réteget. Az alkalmazói réteg két alrétegre osztható. Az e feletti 8. réteget felhasználói (user) rétegnek hívják. Ennek szerepe nem a kommunikációhoz, hanem a felhasználói feladatokhoz kapcsolódik. A user rétegben találhatóak például a funkcióblokkok (lásd később). Szokás a fizikai rétegen kívüli rétegeket kommunikációs blokknak (communication stack) vagy halmaznak nevezni (10.2. ábra).

10.2. ábra: FF és az OSI modell összehasonlítása A 10.2.sz. ábrából kitűnik, hogy a FF a 3…6 OSI réteget nem használja. A FF egyszerűsített rétegmodelljét szemlélteti a 10.3. ábra a menedzselési funkciók feltüntetésével. Felhasználói alkalmazás

Felhasználói alkalmazás

Alkalmazói alréteg-1 Fieldbus üzenetek Alkalmazói alréteg-2 Fieldbus hozzáférés Kommunikációs halmaz

Menedzselési feladatok

Nem használt

Adatkapcsolati réteg Fizikai réteg

Fizikai réteg

10.3. ábra: Foundation Fieldbus rétegek

255

Alkalmazói réteg

A user application réteg nincs definiálva az OSI modellben. A felhasználótól érkező adatok az egyes szinteken a 10.4. ábra szerint módosítva jutnak el a fizikai rétegre a FF protokoll szerinti formában.

10.4. ábra: A FF réteg funkciói a protokollokkal A felhasználói alkalmazásból érkező adatok (UD - User Data) az alkalmazó rétegben a Fildbusz üzenetek (Fieldbus Message Specification) alrétegen kerülnek kódolásra (UED-User Encoded Data). Ezek a kódolt adatok az üzenethez tartozó protokoll vezérlő információkkal együtt (FMS PCI - Fieldbus Message Specification Protokoll Control Information) kerülnek az alkalmazói réteg másik alrétegéhez (FMS PDU - FMS Protocol Data Unit). Ez az adat csomag az adatkapcsolati réteghez (Data Link Layer) a réteg protokollal (FAS PCI - Fieldbus Access Sublayer Protocol Control Information) kiegészülve jut. Ez az adatcsomag az adatkapcsolati rétegen a keretellenőrzéssel (FCS - Frame Check Sequence) és DLL információkkal (DLL PCI) kiegészülve jelenik meg. A fizikai rétegen a FF protokoll további rétegeivel kiegészülve (P - Preamble, START, END) jut ki a keret a megfelelő jelszinten a kábelre (10.6. ill. 10.7. ábra). A FF rendszerekben lezajló feldolgozási folyamatot jól szemlélteti a Fieldbus Foundation által létrehozott Technical Steering Committee - TSC kiadványában megjelent architektúra (10.5. ábra), amely a hálózati és rendszer menedzselési feladatok architektúrája.

256

SMK

AP1

APK

Hálózat menedzselés

DD FBO

FB AP SMIB

OD

OD

NMIB

Fidbusz üzenetszolgáltatások (FMS) Csatlakozás nélküli és csatlakoztatás orientált szolgáltatások Közeghozzáférés és fizikai réteg (MAC, PHY)

10.5. ábra: Foundation Fieldbus architektúra Az ábrán szereplő blokkok jelentése az alábbi: AP SMK FB AP DD NMIB NMA OD SMIB MAC FMS FBO

Application Process System Management Kernel Function Block Application Processes Device Descriptions Network Management Information Base Network Management Agent Object Dictionaries System Management Information Base Medium Acces Protocol Fieldbus Message System Function Block Objects

Alkalmazások leírása Rendszer menedzselő kernel Funkcióblokkok Elemleíró adatállomány Hálózat menedzselési információk Hálózat menedzselés Objektumok Rendszer menedzselési információk Közeghozzáférési protokoll Fildbusz üzenetek Funkcióblokk objektumok

A blokkvázlatból is látható, hogy a FF rendszernek szabványosított, gondosan „kimunkált” részegységei működnek együtt. A funkcióblokkok felépítése és alkalmazhatósága azonban alapvetően meghatározza az irányítási folyamatot. Ezzel a területtel a 10.3. pontban foglalkozunk. 10.2.2. A FF fizikai H1 rétege A FF H1 (alacsony sebességű: 31, 25 kbps) az alábbi fizikai rétegeket használja: • •

IEC 61158-2 szerint (ua. mint PROFIBUS PA - lásd II. kötet, 18. fejezet), helyettesítő képe a 10.6. a, ábrán, míg a jelalakok a b, ábrán láthatók. IEC 818 (31,25 kbps) az optikai kábelekhez.

Egy 32 V üresjárási kapocsfeszültségű és I = 250 mA rövidzárási árammal jellemzett FF szegmenset szemléltet a 10.6. c, ábra. Ebből szemléletesen kitűnik, hogy a FF-on a terepi eszközök 2 vezetéken, sodrott árnyékolt érpáron villamos szempontból párhuzamosan vannak kapcsolva, ezért az egyes eszközöknek - mint fogyasztóknak a felvett áramai összeadódnak. A c, ábrából az is kitűnik, hogy a H1 fizikai közegével váltakozó áramú lezárást (R,C) alkalmaznak a vezeték mindkét végén.

257

a,

b,

c,

10.6. ábra: A FF helyettesítő képe (a), jelalakok (b) és egy konkrét kialakítás (c) A FF eszközök fogyasztása viszonylag magas, meghaladja a 10 mA-t. Ennek két oka van: a, zavarvédettség: az ipari környezetben történő alkalmazás miatt nagy EM és RF zavarvédettséget kell biztosítani. Ehhez alacsony impedanciára és nagy jelszintekre van szükség, b, a kommunikáció, amely az áram moduláció elvén alapszik.

10.7. ábra: FF feszültségviszonyai

258

A FF IEC 61158-2 szerinti fizikai réteg esetén az információátvitel és a táplálás a közös kéteres vezetéken történik. A FF eszközön és a hálózaton fellépő feszültségviszonyokat szemlélteti a 10.7. ábra a 31,25 kbps-os buszon. A tápegységnél igen fontos, hogy nagyfrekvenciásan áramgenerátoros jellegről van szó. Ezt azért kell hangsúlyozni, mert ha feszültséggenerátorral (pl. egy akkumulátor) táplálnánk, a távadó hiába modulálná áramfelvételét, a busz feszültsége fix maradna, a többi eszköz semmi jelet nem látna. A FF megtáplálására ezért FF kompatibilis tápellátást kell használni! A FF-os távadók jellemző minimális üzemi kapocsfeszültsége 9V. A busz tervezésekor mindig számítani kell az egyes távadókig eljutó feszültséget. A számításnál figyelembe kell venni az alkalmazott tápegység paramétereit, a kábel fajlagos ellenállását és hosszát, a buszra kötött eszközök max. áramfelvételét. A FF ajánlása szerint az eszközök 15...20 mApp modulációt alkalmaznak, eszerint - a lezáró impedanciákat figyelembe véve - a buszon 0.75...1 Vpp nagyságú jelek keletkeznek. Ezek után érthető, miért olyan magas (min. 10 mA) egy FF távadó áramfelvétele. Ha a nyugalmi áramfelvétel alacsonyabb lenne, az eszköz képtelen lenne a szükséges amplitudójú jelet generálni. Vonali vagy jelkódolás A Foundation Fieldbus kommunikáció a fizikai rétegen kétfázisú Manchester kódot használ. A bevezető karakterek (Preamble) logikai 1, és logikai 0 jelekből állnak (10101010). Az indítójel (start) speciális karakterekkel egészül ki, ahol nem az órajel periódus közepén jelenik meg a jel felfutás és lefutás, hanem annak kezdetekor és végén – ezek az ún. N + és N – (Non Data + és Non Data -) jelek, így a Start jel az 1N+N–10N–N+0 jelsorozatból áll össze. Keretlezárásra az End jelű karakterlánc szolgál (1N+N–N+N-101). Fentieket szemléltetik a 10.8. ill. 10.9. ábrák.

10.8. ábra: Adatok kódolása a FF busznál

10.9. ábra: A Preamble, a START és az END bájtok kódolása a FF busznál

A vonalon megjelenő jelalakot szemlélteti a 10.10. ábra.

10.10. ábra: FF busz jelei

259

10.2.3. FF adatkapcsolati réteg (DLL - Data Link Layer) Ez a réteg végzi az adatok átvitelének vezérlését és az egyes eszközök címzését. A FF rendszerben a kommunikáció időzítését az ún. aktív kapcsolatütemező (LAS - Link Active Scheduler) végzi. A DLL determinisztikus, centralizált buszütemezővel (LAS) irányítja a hozzáférést a fildbuszhoz. 10.2.3.1. A LAS szerepe A DLL specifikáció három eszköztípust határoz meg, melyek: • • •

alapeszközök (Basic Device), amelyek nem lehetnek aktív kapcsolatütemezők (azaz LAS-ok), de képesek kommunikálni a rendszerben, kapcsolatvezérlő (Link Master) eszköz(ök), amelyek aktív kapcsolatütemezővé (LAS) válhat(nak) és így a kommunikációt kezdeményezi(k). A többes szám a tartalék LAS-ra vonatkozik, egy időben természetesen egy LAS funkcionál, hidak (bridges), amelyekkel különböző sebességű pl. H1, HSE fildbusz-szegmens összekapcsolható, így nagyobb hálózatok hozhatók létre.

Egy alapeszközökből, mester eszközökből (az egyik a LAS) álló FF busz szegmens látható a 10.11. ábrán.

10.11. ábra: FF busz szegmens eszközei Alapeszköz bármelyik eszköz lehet, amelyik képes kommunikálni a rendszerben. A kapcsolatvezérlő, azaz a Link Master kezdeményezi a kommunikációt. Nem történhet eszközcímzés LAS ütemezés nélkül. A FF rendszerben az adatkapcsolati rétegen a következő címkiosztások lehetnek: • 0-15 belső funkciókhoz fenntartott címek, • 16-247 a rendszerben funkcionáló eszközök címtartománya, • 248-251 a FF hálózatra kötött, de nem inicializált eszközök címe, • 251-255 fenntartott címtartomány. A DLL az adat transzfer mechanizmust az üzenet fontossága szerint vezérli. A DLL 3 szintű prioritást értelmez: sürgős (urgent), normál és nem időkritikus (time available). A maximális adatméret függ a prioritástól az alábbi táblázat szerint. Prioritás Sürgős Normál Nem időkritikus

Max. adatméret 64 bájt 128 bájt 256 bájt

A DLL címzési mező három összetevőből áll: • szegmens (link), • résztvevő (node) és a • választó (selector). Ezt szemlélteti a 10.12. ábra. 260

10.12. ábra: A DLL címzési mező A DLL keretformátuma a 10.13.sz. ábra szerinti.

10.13. ábra: A DLL keretformátuma A FF rendszer kétféle kommunikációt használ: • •

ütemezett (scheduled) kommunikáció, nem ütemezett (unscheduled) kommunikáció.

a, Ütemezett kommunikáció: az aktív kapcsolatütemező (LAS) osztja szét az adattovábbítási időt, így a ciklikusan leolvasásra kerülő valamennyi eszköz adatpufferjének tartalma továbbítódik. Amikor elérkezik az az időpont, hogy egy eszköz puffertárának tartalmát továbbítani kell, a LAS egy adatkérő (Compel Data, CD) üzenetet az eszköznek. A CD vételekor az eszköz a puffertárában lévő adatokat kiadja, vagy közli a fildbuszra csatlakozó összes eszköz felé (broadcast kommunikáció). Az ütemezett kommunikációnak a legmagasabb a prioritása, tehát ezek az adatok kerülnek először kiadásra, és a következő ütemező ciklus kezdetéig tartó maradék idő szolgál a nem ütemezett kommunikáció lefolytatására. Az ütemezett kommunikációt szemlélteti a 10.14.a, ábra.

10.14.a, ábra: Az ütemezett adatváltás A 10.14. ábrán a LAS kiküld egy CD (Compel Data) adatkérő jelet az egyik résztvevőnek (a), amely broadcast jelleggel (Publisher) küldi az adatokat a hallgatók (Subscriber) felé. Azokat az eszközöket, amelyek konfigurálásuk alapján fogadják az adatokat, előfizetőknek nevezik. Az ütemezett adattovábbítást jellemzően arra használjuk, hogy a fildbuszra csatlakozó eszközök között rendszeresen és ciklikusan továbbítsuk az adatokat (pl. a folyamatváltozó mért értékeinek lekérdezése). Részletesebben mutatja az ütemezett adatváltás lebonyolítását a 10.14.b, ábra.

261

10.14.b, ábra: Az ütemezett adatváltás részletes szemléltetése A szigorúan ütemezendő feladatok: • • •

bemenetek olvasása, szabályozó algoritmusok végrehajtása, kimenetek írása.

b, Nem ütemezett kommunikáció: a fildbuszra csatlakozó összes eszköznek lehetősége van arra, hogy az ütemezett üzenetek továbbításai közötti időszakokban nem ütemezett üzeneteket küldjenek. A LAS egy vezérjel-továbbítási (pass token, PT) üzenet kiadásával engedélyezi azt, hogy egy eszköz használja a fildbuszt. Amikor az eszköz megkapja a vezérjelet, addig továbbíthatja az üzeneteit, amíg be nem fejezte, vagy amíg le nem telik a maximális vezérjeltartási idő. Üzenet küldhető egyetlen pontnak vagy több pontnak (multicast). Nem ütemezett kommunikáció történik pl. amikor egy adatkiírás történik a megadott eszközre vagy amikor a központi számítógép adatot kér egy távadóról. A nem ütemezett adat transzfert szemlélteti a 10.15. ábra.

10.15.a, ábra: A nem ütemezett adat transzfer

262

A 10.15.a, ábra szerint a LAS kapcsolatütemező az ütemezett adattranszfer lebonyolítása után úgy biztosítja a nem ütemezett adattranszfert, hogy kiad egy PT (Pass Token) üzenetet az x című eszközre. Ez után az x eszköz megküldi az üzenetet a FF-on a z eszközhöz. A nem ütemezett kommunikáció részletes bemutatása látható a 10.15.b, ábrán.

10.15.b, ábra: Nem ütemezett kommunikáció részletezése 10.2.3.2. Az aktív kapcsolatütemező működése Az aktív kapcsolatütemező (LAS) működése az élő lista (Live List) karbantartásából, a CD-ütemezésből (adatkérés-ütemezés, lásd előbb), a vezérjel-továbbításából és a LASredundancia kezeléséből áll. a, Élő lista karbantartása A vezérjelre (PT) megfelelően reagáló valamennyi eszköz listáját nevezik élő listának (Live list). A fildbuszra bármikor új eszközöket csatlakoztathatnak az új eszköz listába vételéhez. A LAS időnként kiküld keresőjeleket (Probe Note, PN) azokra a címekre, amelyek nem szerepelnek az élő listában. Amennyiben az eszköz jelen van az adott címen, s veszi a keresőjelet, akkor azonnal válaszol egy válaszjellel (Probe Response, PR). Ha az eszköz válaszjelet küld, akkor a LAS hozzáírja az eszközt az élő listához, s ezt azzal jelzi, hogy az eszközöknek kiküld egy eszközbeállítási (Node Activation, NA) üzenetet. Amikor az élő listában szereplő valamennyi eszköznek kiküldte a vezérjelet, a ciklus befejezése után a LAS-nak legalább egy címet meg kell néznie. Az eszköz addig az élő listában marad, amíg megfelelően reagál a LAS által kiküldött vezérjelekre. A LAS akkor távolít el egy eszközt az élő listából, ha az eszköz egymás után háromszor nem használja a vezérjelet, vagy azonnal visszaküldi azt a LAS-nak. Amikor az élő listába bekerül, vagy onnan kikerül egy eszköz, akkor a LAS az összes eszközt értesíti az élő listában bekövetkezett változásokról. Ezzel minden eszköznek lesz az aktuális élő listáról másolata. A maradék időben megoldható, tehát nem ütemezett feladatok: • •

paraméterek fogadása felső szintről, paraméterek feladása felső szintre, 263

•

önadminisztráció (lásd később).

b, Adatkapcsolati időszinkronizálás LAS időnként kiküld egy időszinkronizáló (Time Distribution, TD) üzenetet a fildbuszra, hogy valamennyi eszközben azonos legyen a rendszeridő. Ez azért fontos, mert mind a fildbuszon végbemenő ütemezett kommunikációk, mind a felhasználói alkalmazásban a funkcióblokkok ütemezett végrehajtásának ez az alapja. c, Vezérjel-továbbítás LAS az élő listában szereplő valamennyi eszköznek kiküld egy vezérjel-továbbító (Pass Token, PT) üzenetet (lásd 10.15. ábra). Az eszköz akkor továbbíthat nem ütemezett üzeneteket, amikor megkapja ezt a vezérjelet. d, LAS-redundancia Egy fildbusznak több kapcsolatvezérlője (LAS) is lehet, de egy szegmensnek csak egy. Amennyiben az aktuális LAS meghibásodik, akkor a tartalék kapcsolatvezérlő (Backup LAS) veszi át az ütemező szerepet, és a fildbusz tovább működik, így a fildbusz a LAS kiesése esetén is üzemképes marad. A LAS a 10.16. ábra szerinti algoritmus szerint működik.

10.16. ábra: A LAS algoritmus A LAS ütemezés és a token passing technika együttes alkalmazásának köszönhető, hogy csak egyetlen eszköz kommunikálhat a hálózaton. A teljes periódusidőre bevezetett makrociklus fogalom a feladat végrehajtáshoz kijelölt időt jelöli (10.17. ábra). Az irányítástechnikai feladatok elvégzésének hatékonysága szempontjából a makrociklus idejének „beosztása” azért nagyon fontos, mert ezzel a jellemzővel lehet megadni a szabályozási algoritmus végrehajtási sebességét.

264

Blokk végrehajtási idő

Kommunikáció

Nem ütemezett kommunikációra fordítható idő

DO

DI AI PID

AO Makrociklus

10.17. ábra: Makrociklus a FF rendszerben (ütemezett és nem ütemezett kommunikáció) 10.2.4. A FF alkalmazói réteg Az alkalmazói réteg egyszerű adatokat és nagyon jól kidolgozott objektumokat definiál. A FF alkalmazói réteg két alréteget tartalmaz (lásd 10.3. ábra). Ezek: • az üzenet specifikálását végző alréteg (FMS) és a • hozzáférést biztosító alréteg (FAS). 10.2.4.1. FAS alréteg A FAS alrétegben a kapcsolatok egyszerűsítése céljából egy virtuális kommunikációs rendszert (VCR) hoztak létre. A VCR (Virtual Communication Relationship) az ütemezett és a nem ütemezett kommunikációs szolgáltatásokat tartalmazza. A VCR révén leegyszerűsíthető az adatkapcsolati rétegre (LAS) jutó információküldés. A mérési és irányítási feladatokhoz négy különböző kommunikáció típus van kifejlesztve FF rendszerben. Ezek: • • • •

kliens - szerver kommunikáció (QUB), közlő (szolgáltató) - előfizető kommunikáció (BNU), jelentésterjesztő kommunikáció (QUU), rendszer menedzselési kommunikáció.

A közlő (szolgáltató) - előfizető kommunikáció a legmagasabb prioritású. A négyféle kommunikáció típus lebonyolítását a következőkben részletesen ismertetjük. a, Kliens/szerver kommunikáció (VCR) Amikor egy eszköz vezérjelet (PT) kap a LAS-tól, akkor üzenetkérést küldhet a fildbuszra csatlakozó valamelyik másik eszköznek. Az üzenetkérő eszközt kliensnek, a kérést fogadó eszközt szervernek nevezik. A szerver akkor küldi el a válaszát, amikor a LAS-tól megkapja a vezér-jelet (PT). A kliens/szerver VCR típusú kommunikációt használják a kezelő által kezdeményezett kérések továbbítására (alapérték-változtatás, hangolási paraméterek

265

elérése és megváltoztatása, alarm-nyugtázás, eszközinformációk feltöltése és letöltése). A kliens/szerver kommunikáció (VCR) tehát az eszközök nem ciklikus olvasására, írására továbbá konfiguráció letöltésére szolgáló kommunikáció (10.18. ábra).

Adatgyűjtő

Adatforrás

10.18. ábra: Kliens-szerver kommunikáció és ütemezése

b, Közlő/előfizető kommunikáció (VCR) A közlő/előfizető VCR típust egy eszköz felől több eszköz felé irányuló pufferelt kommunikációra használják (10.19. ábra). Amikor egy eszközhöz adatkérés (CD) érkezik, az eszköz kiadja, vagy közli üzenetét a fildbuszra csatlakozó összes eszközzel. Előfizetőknek nevezzük azokat az eszközöket, amelyek venni kívánják a közölt üzenetet. A közlő egységet szokás még kiadónak (Publisher) vagy szolgáltatónak is nevezni (lásd 10.19. ábra).

266

Előfizető

Kiadó Előfizető

Előfizető

Előfizető

10.19. ábra: Közlő-előfizető kommunikáció A CD a LAS-ban ütemezhető, de az előfizetők nem ütemezett módon is küldhetnek adatkérő üzenetet. A VCR paramétere határozza meg, melyik módszert használjuk. A közlő/előfizető VCR típus segítségével a terepi eszközök ciklikusan és ütemezett módon közzéteszik a felhasználói alkalmazás funkcióblokk-bemenetét és kimeneteit (például technológiai változó, azaz a mért érték (PV) és a primer kimenet, (OUT) a fildbuszon). A közlő/előfizető típusú kommunikációt gyakran BNU (Buffered Network-triggered Unidirectional) típusú kommunikációnak nevezik. c, Jelentésterjesztő kommunikáció (VCR) Ez a kommunikáció típus jelentések küldésére van tervezve egynél több eszköz számára. Ezt a kommunikációtípust gyakran QUU (Quened User-triggered Unidirectional) típusú kommunikációnak nevezik (10.20. ábra). Ez a kommunikációs mód az eszközök paramétereinek nem ciklikus olvasására és írására, ill. konfiguráció letöltésére szolgál. Szokásos elnevezése még: riport szétosztó VCR.

267

Adatgyűjtő

Adatforrás

10.20. ábra: Jelentésterjesztő kommunikáció (riport szétosztó VCR) Amikor egy eseményjelentési vagy trendjelentési képességgel rendelkező eszköz a LAS-tól megkapja a vezérjelet (PT), akkor üzenetét elküldi a virtuális kommunikációs kapcsolatához (VCR) rendelt csoportcímre. A jelentést minden olyan eszköz megkapja, amelyet úgy konfiguráltak, hogy figyeljen az adott VCR-re. A jelentésterjesztő VCR típust a fildbuszra csatlakozó eszközök tipikusan arra használják, hogy alarmjelzéseket küldenek a kezelőpultoknak. d, Rendszermenedzselési kommunikáció (VCR) Ez a kommunikáció a rendszerirányítási feladatokra lett kifejlesztve. A rendszer menedzser egység beállíthatja, vagy törölheti a PD tag-et vagy egy eszköz címet. A kommunikáció két részből áll. Először a rendszer menedzser a LAS kezdeményezésére lekérdezi az eszközöket, majd ugyancsak a LAS kezdeményezésére az eszközök megküldik válaszukat a rendszer menedzsernek. Ehhez a kommunikációhoz speciális protokoll használatos (10.21. ábra).

268

10.21. ábra: Rendszer menedzselési kommunikáció 10.2.4.2. Fieldbus Message Specification (FMS) Az FMS teszi lehetővé a felhasználói alkalmazások számára, hogy szabványos üzenetformátum szerint üzeneteket küldjenek a buszon lévő bármely más résztvevőnek (10.22. ábra).

10.22. ábra: Két eszköz közötti kommunikáció a FF rendszerben

269

Egy adott eszközben a FF alkalmazói rétegen áthaladó, szabványos formátumú üzeneteknek, (OD - Object Dictionary - objektumkészlet) a helyét az indexek adják meg a 10.23. ábra szerint.

10.23. ábra: Objektum leírások a FF rendszerben Ilyen szabványos adatformátumokat definiáló objektumok lehetnek Boole függvények, adatsztringek, lebegőpontos változók, stb. 10.2.5. Virtuális terepi eszközök Az alkalmazói réteg specialitása a virtuális terepi eszköz (Virtual Field Device - VFD), amely egy adott eszköznek az objektumait tartalmazza. A VFD-n keresztül az eszköz távolról elérhető. Egy-egy eszköz legalább két VFD-vel rendelkezik. Az egyik a rendszermenedzselési információkat (System Management - SM), a másik a hálózat irányítási információkat (Network Management - NM) tartalmazza. Utóbbi VFD (ill. további VFD-k) biztosítja a funkcióblokkok alkalmazásának lehetőségét (10.24. ábra).

270

10.24. ábra: A VFD-k rendszertechnikája 10.2.6. FMS kommunikációs szolgáltatások Az FMS a következő kommunikációs szolgáltatásokat biztosítja. a, Változó címzése Egy adatként tárolt változót más alkalmazás is írhat vagy olvashat. Fel lehet használni jelentésekhez és lehet definiálni ill. törölni a változók listáját (10.25. ábra).

10.25. ábra: Változó kezelésével kapcsolatos szolgáltatás b, Esemény menedzselés Ez a kommunikáció típus használatos a rendkívüli események, hibák, riasztások kezeléséhez. Egy-egy esemény kezelését lehet engedélyezni, tiltani vagy nyugtázni (10.26. ábra).

271

10.26. ábra: Esemény kezelés c, Tartomány menedzselés A tartomány egy folytonos memória terület, amely program terület vagy adat terület lehet. Egy kliens letölthet (download) adatokat területről, vagy felküldhet (upload) erre a területre az FMS szolgáltatásán keresztül (10.27. ábra).

10.27. ábra: Memória tartomány szolgáltatások d, Program hívás A programhívással, programfutással kapcsolatos szolgáltatások (10.28. ábra).

10.28. ábra: Program hívással, futással kapcsolatos szolgáltatások e, Üzenet formátum Az FMS üzenetek szintakszisát egy formális szintaxis leíró nyelv (ASN1) definiálja. Egy olvasás kérés szintaxisát mutatja a 10.29. ábra.

272

10.29. ábra: Olvasáskérés szintaxisa 10.2.7. Hálózat- és rendszermenedzselés A FF rendszerben külön réteget nem képező, de az egyes rétegekkel szoros kapcsolatban álló egység a hálózat illetve a rendszer irányítási feladatokat látja el. Ezt a 10.30. ábra szemlélteti.

10.30. ábra: A hálózat és rendszer menedzselési funkció kapcsolata a rétegekhez A felügyelet vonatkozik a rendszerre és a hálózatra egyaránt. A virtuális terepi eszközök (Virtual Field Device – VFD) biztosítják a hálózati menedzselési információs bázishoz (System Management Information Base – SMIB) való hozzáférést. Az NMIB (Network Management Information Base) adatbázisnak az adatai tartalmazzák a virtuális kommunikációs kapcsolatokat (Virtual Communication Relationship - VCR), a dinamikus változókat, a

273

rendszer ütemező táblázatait, a rendszerórát. Az SMIB adatai tartalmazzák az elemcímet, a tervjelet, és nem utolsósorban a táblázatokat a feladat végrehajtás számára. A user rétegnek a felhasználó szempontjából legfontosabb részei a funkcióblokkok. A bevezetőben említettük, hogy a FF több mint kommunikációs rendszer, inkább nevezhető irányítástechnikai orientáltságú kommunikációs rendszernek. Ezt a tulajdonságát a user application rétegben elhelyezett funkcióblokkokkal érte el. A terepen végrehajtható folyamatirányításban a kommunikációs rendszerek alapját képező felhasználói blokkok jelentették a legnagyobb újdonságot. A Foundation Fieldbus kommunikációs rendszer megjelenésének és alkalmazásának egyik legnagyobb újdonsága a funkcióblokkoknak a terepi eszközökbe történő letöltése, vagyis ez által a folyamatirányítás területén is megvalósult a feladatok és az erőforrások teljes elosztottsága. 10.3. A Foundation Fieldbus irányítástechnikai elemzése 10.3.1. A Foundation Fieldbus felhasználói blokkjai A FF irányító rendszer tervezésének legfontosabb elemei a felhasználói blokkok, angol nevükön User Application Blocks. A FF felhasználói blokkok három csoportba sorolhatók: a, erőforrás blokk (resource block), amelyből a távadóban egy és csak egy darab lehet, b, jelátalakító blokkok (transducer blocks), c, adatfeldolgozási blokkok (function blocks). Az adatfeldolgozó funkcióblokkok általános érvényűek, de a gyártómű és a távadó (jelátalakító) blokkok az adott eszközre jellemző, vagyis műszerspecifikus blokkok. A 10.31. ábrán látható a TT-101 tervjelű hőmérséklet távadó mindhárom bloktípusa, ahol a blokkok ugyanazzal a tervjellel kerültek elnevezésre (a távadó blokknál azért használunk „alszámot”, mert az eszköz több távadó blokkot is tartalmazhat). TT-101 távadó

Távadó blokkok

TT 101

Erőforrás blokk Funkcióblokkok

TT 101_1

AI 101

TT 101_2

PID 101

10.31. ábra: Foundation Fieldbus blokkstruktúra A felhasználói blokkok a User Application rétegben helyezkednek el (10.32. ábra).

274

10.32. ábra: A FF felhasználói blokkjai a, Erőforrásblokkok (gyártómű blokkok - resource blocks) Az erőforrásblokk a fildbuszra csatlakozó eszköz jellemzőit írja le (eszköz neve, gyártója, gyártási száma, stb.). Ezért gyakran gyártómű blokknak nevezik. Minden eszközben csak egy erőforrásblokk van. Ezen a blokkon keresztül lehet biztosítani a diagnosztikai programok használatát. Az erőforrásblokkokat az előbbiekre való tekintettel a felhasználó nem tudja módosítani. Ennek a blokknak igen nagy szerepe van a szervizelés, karbantartás során, mivel ez teszi lehetővé, hogy egy másik gyártó terméke is kapcsolódhasson egy adott erőforrásblokkhoz. b, Jelátalakító blokkok (távadó blokkok - transducer blocks) A jelátalakító blokkok leválasztják a funkcióblokkokat az érzékelő- vagy a beavatkozó hardver leolvasásához szükséges helyi bemeneti/kimeneti funkciókról. Tartalmazzák az érzékelő típusa, méréstartománya vagy a kalibrálás dátum adatait. Rendszerint minden bemeneti vagy kimeneti funkcióblokkhoz egy jelátalakító blokk tartozik. Ezek a blokkok juttatják ki a beavatkozó (pl. szelep) pozícionáló egységébe (hardver) a feldolgozott kimeneti információt. A távadó blokk (transducer block) a virtuális funkcióblokkokat köti össze a valódi rendszerrel, vagyis ezen, illetve ezeken keresztül biztosítható az egységnek a kommunikációs rendszerre történő csatlakoztatása. Ezek a blokkok „olvassák” be a távadó fizikai jelét, illetve „írják” a beavatkozó hardverjébe a megfelelő információt

PID

AO

TR

DAC

ADC

10.33. ábra: Távadó blokkok kapcsolata a fizikai elemmel A 10.33. ábrán egy szabályozó szelep funkcióblokkjai, és a fizikai elemmel, a szeleppel, illetve a pozicionálóval kapcsolatot tartó távadó blokkok láthatók (PID - algoritmus blokk, AO -

275

analóg kimeneti blokk, TRD - távadó blokk, ADC - analóg digitális jelátalakító, DAC - digitális analóg jelátalakító). A szelep esetében is több funkcióblokk található az eszközben (pl. a pozicionáló hőmérsékletének mérésére szolgáló távadó), de ehhez hasonlóan más távadókban is nagyszámú funkcióblokk található. A következő járulékos elemek vannak definiálva a távadó blokkokhoz. A trendelemek (Trend Objects) teszik lehetővé a funkcióblokk paramétereinek helyi trendképzését, amihez hozzáférhetnek a központi számítógépek és más eszközök. A figyelmeztető elemek (Alert Objects) lehetővé teszik az alarmok és események jelzését a fildbuszon. A látványelemek (View Objects) a blokkparaméterek halmazainak előre meghatározott csoportjai, amelyek felhasználhatók az ember/gép kapcsolatban. A funkcióblokk-specifikáció minden blokktípushoz négy képet definiál. Ezek: VIEW_1: Dinamikus működés, VIEW_2: Statikus működés, VIEW_3: Valamennyi dinamikusan változó információ, VIEW_4: Egyéb statikus (konfigurálási és karbantartási) információ. A FF távadó blokkjának funkcióit szemlélteti a 10.34. ábra.

10.34. ábra: A távadó blokk megjelenítési funkciói A FF eszköz definiálás a VFD Object Dictionary (OD) révén a 10.35. ábra szerint történik.

276

10.35. ábra: A FF eszköz definiálás c, Funkcióblokkok (Function Bloks) A funkcióblokkok (FB) határozzák meg az ezekkel megvalósított folyamatirányító rendszer viselkedését. A funkció-blokkok bemeneti és kimeneti paraméterei összekapcsolhatók. Az egyes funkcióblokkok végrehajtása pontosan ütemezett. Minden FF busz művelet több funkcióblokkot tartalmazhat. Az egyre nagyobb számban megjelenő funkcióblokkokat a fildbusz szervezet (Fieldbus Foundation) csoportokba sorolta, így az elsőként megjelenő (FF-891 - Function Block Application Process) szabványban a legfontosabb funkcióblokkokat definiálták. Ezt követően több új szabvány jelent meg (FF-892, FF-893 és FF-894), amelyben megtalálhatók a legújabban szabványosított blokkok. Különösen fontosak ezek a szabványok abból a szempontból, hogy a már bevezetett, de a jövőben egyre jobban elterjedő HSE rendszerekben a felhasználók ugyanezeket a funkcióblokkokat alkalmazhatják.

277

A Foundation Fieldbus az FF-891 szerint az alapvető szabályozási műveletekhez 10 szabványos funkcióblokkot definiál: Funkcióblokkok neve Analóg bemenet Analóg kimenet Erősítés Szabályozóválasztó Diszkrét bemenet Diszkrét kimenet Kézi töltő Arányos/differenciáló Arányos/integráló/differenciáló Arány

Jele AI AO B CS DI DO ML PD PID RA

A speciális szabályozásokhoz további 19 szabályozási funkcióblokkot definiál az FF-892 szabvány. Így egy teljes szabályozókör felépíthető pl. a Foundation Fieldbus-ra kapcsolt egyetlen távadóval és egy szabályozószeleppel, amint az a 10.36. ábrán látható. Az ábrából látható, hogy a smart mérőeszközbe az analóg input (AI), a beavatkozó eszközben (szelep) a szabályozási algoritmust realizáló PID blokk és az analóg kimeneti (AO) blokk azonos számmal van feltüntetve.

10.36. ábra: Egy hurkos szabályozókör felépítése a FF rendszerben A FF funkcióblokkjainak általános felépítését a 10.37. ábra mutatja.

278

10.37. ábra: A FF funkcióblokkjának általános felépítése A blokkok bemenetére kerülnek azok a bemeneti paraméterek, amelyek például az eszköz érzékelőjéhez kapcsolódhatnak, vagy érkezhetnek más egységtől, és ezek a bemeneti adattárolóhoz kapcsolódnak. A tároló biztosítja, hogy a blokk végrehajtásának ideje alatt a bemeneti jellemző értéke ne változzon meg. A blokkban lévő jelfeldolgozó algoritmus által generált kimeneti jel a kimeneti tárolón keresztül érhető el. Minden funkcióblokk rendelkezik belső jelfeldolgozó algoritmussal, és ezek az eszköz feladatától függően egészen eltérőek is lehetnek. Egy távadóban lévő analóg bemeneti modul (AI) egy hőmérséklet távadó, vagy egy nyomástávadó esetében egészen különböző lehet, de a szabályozási algoritmust végrehajtó PID funkció akár ugyanaz lehet a két eszközben. 10.3.2. A FF rendszerirányítás (System management) A funkcióblokkok egy pontosan definiált időzítés és ütemezés szerint kerülnek végrehajtásra. Ezt az ütemezést az eszköz konfigurálásának megfelelően a Network and System Management végzi. Ezt szemlélteti a 10.38. ábra.

279

Funkcióblokk alkalmazás

10.38. ábra: A funkcióblokkok végrehajtása 10.3.3. Funkcióblokk ütemezés

A FF rendszerben a funkcióblokkok ütemezését a LAS (Link Active Scheduler) végzi. Egyegy funkció feldolgozása a makrociklus szerint hajtódik végre. Egy szabályozási kör esetén az időzítések például az alábbiak szerint alakulnak: • • • •

az AI funkcióblokk indítása az ütemezés kezdetére, a LAS ütemezése szerint az AI információ megjelenik a FF-on 20 időegység múlva, a PID funkcióblokk ütemezése 30 időegység elteltével, Az AO funkcióblokk ütemezése a kimenetre 50 időegység elteltével.

Ezt szemlélteti a 10.39. ábra.

280

10.39. ábra: FF fildbusz makrociklus A FF funkcióblokkjainak ütemezését mutatja a 10.40. ábra a PID szabályozási kör funkcióinak feltüntetésével.

281

Alkalmazás (Application)

AO

PID

AI

Kommunikáció feletti blokk kapcsolat (Block Link over Communication) Blokk végrehajtás (Block Execution)

1. Eszköz (Device 1)

Belső blokk kapcsolat (Internal Block Link)

AI

2. Eszköz (Device 2)

PID

AO

Kommunikáció (Communication)

Ütemezett kommunikáció (Scheduled Communications)

Egyéb kommunikáció részére (For other Communications)

10.40. ábra: PID szabályozó ütemezése Az egyszerű PID szabályozó a 10.41. ábra szerinti ütemezésű.

10.41 ábra: Egy PID hurok ütemezése Látható, hogy a ciklusidőt úgy kell kiszámolni, hogy a 3 funkcióblokk után még maradjon idő a "maradék időben megoldandó" feladatokra, (pl. új alapjel vétele a kezelőtől). Fontos felhívni a figyelmet arra, hogy a funkcióblokkok végrehajtási sorrendje sem közömbös. Két PID szabályozó kör esetén a viszonyokat a 10.42. ábra szemlélteti.

10.42. ábra: Két PID hurok ütemezése Az időbeli nagyságrendekről annyit, hogy az egyszerűbb funkcióblokkok időigénye általában többször 10 msec nagyságrendű. Egy szabályozókör algoritmusa 100 msec nagyságrendű. Ehhez hozzá kell adni a nem ütemezett kommunikáció idejét, ez kb. 10 msec/eszköz. Ezt be kell szorozni a szabályozókörök számával, majd az ajánlások szerint kb. 30% tartalékot hozzáadni. Legyen ez a ciklusidő. Nagyobb makrociklus időt választva – tipikusan 1-2 s – konfiguráláskor a letöltés ideje csökkenthető. A konfigurálás befejezése után a ciklusidőt csökentve

282

– általában 1 s-ra- az ütemezett kommunikáció lesz gyorsabb. A makrociklus ütemezését ezek után a LAS elvégzi. Az ütemezés a token passing elven történik. A rendszerkezelés más fontos rendszerjellemzőket is kezel, pl. az összes eszközre vonatkozó rendszeridő szinkronizálását, az automatikus átkapcsolást egy tartalék időközlőre, az eszközcímek automatikus felosztását, valamint a terepi buszon lévő paraméternevek vagy tervjelek keresését. A Foundation Fieldbus funkciója a rendszeróra szinkronizálása is. Ennek következtében az eszközök időbélyeggel tudják ellátni az adatokat a fildbusz-hálózat valamennyi pontján. Amennyiben a fildbuszon van tartalék rendszeridő közlő, akkor a tartalékközlő aktivizálódik, ha az addig működő időközlő meghibásodik. 10.3.4. Az IEC 61804-es szabvány

A FF rendszerekben irányítási célokra alkalmazható funkcióblokkokat az IEC 61804 szabvány írja le. A funkcióblokkok három egységből állnak: az eszköz paramétereit, a kommunikációt, és a megjelenítést tartalmazó blokkokból. Ezeknek a blokkoknak egy része elemfüggő, más adatai az adatátviteli technológiához (Foundation Fieldbus, Profibus PA, HART) kötődnek. A szabvány pontosan meghatározza a terepi eszközök leírására alkalmazható funkcióblokkokat. A különböző adatátviteli technológiákhoz kapcsolódó egyedi jellemzők, a profilok ugyan különbözők, de ezeknek a struktúrája adott, hiszen ugyanarra a szabványra épülnek (10.43. ábra). Fildbusz FB specifikációk

Profilok

IEC-61804 EDD jellemzők

IEC-61804 jellemzők

FF FB alkalmazás

Profibus FB alkalmazás

HART FB alkalmazás

Egyéb technológia alkalmazás

Eszköz Implementáció

10.43. ábra: Az IEC-61804 szabvány alkalmazása a különböző profilokra Az IEC-61804 szabvány előírásai szerint kialakítandó funkcióblokkokat az IEC-61804-1 (Function Block (FB) for Process Control Part 1: Overview of system aspects) fejezet 2003-ban foglalta össze. A folyamatirányításhoz szükséges minimális funkcióblokk készletet a szabvány másik része - IEC-61804-2 tartalmazza. A terepi eszközökben, a fentieknek megfelelően az eszköz minden jellemzője megadható (konstrukciós jellemzők - érzékelő elem típusa, súly, stb., működéshez kapcsolódó funkciók linearizálás, diagnosztika, stb., üzleti paraméterek - ár, termék kiadási idő, stb.), így ezek a jellemzők a gyártó által végzett módosítását követően az eszközbe újra betölthetők. Az IEC-61804-2 szabvány a funkcióblokkok két csoportját írta le, melyeken belül az alábbi blokkok álltak rendelkezésre a szabvány megjelenésekor: Alkalmazói blokkok - 6 típus:

1. Mérő (bemeneti) FB 2. Analóg beavatkozó (kimeneti) FB

283

3. Digitális bemeneti FB 4. ON/OFF beavatkozó (kimeneti) FB 5. Számítást végző FB 6. Szabályozó FB Technológiai blokkok - 4 típus:

1. Hőmérséklet technológiai blokk (TB) 2. Nyomás TB 3. ON/OFF TB 4. Beavatkozó TB A felsoroltakon kívül ma már lényegesen nagyobb számú funkcióblokk áll rendelkezésre, melyek közül az eszköz feladatát ellátó blokknak az eszközökben mindenképpen rendelkezésre kell állnia, hiszen csak ezek alapján biztosítható, hogy meghibásodás esetén az eszközt cserélni lehessen (gyártó független alkalmazás). Természetesen ezeken kívül minden eszköz rendelkezhet még más, egyedi funkcióblokkal is, aminek segítségével a feladatok esetenként sokkal hatékonyabban oldhatók meg. Egy tipikus folyamatirányítási feladatnak, a szabályozás végrehajtásának funkcióblokkokkal történő realizálását mutatja be a 10.44. ábra. alapjel beavatkozó

számítás FB érzékelő

technológia

mérés technológiai blokk

mérés FB

szabályozás FB FB

beavatkozás FB

mérés (technológia függő) folyamathoz kapcsolt alkalmazás (gyakorlatilag technológia független)

beavatkozás technológiai blokk beavatkozás (technológia függő

érzékelő

technológia

10.44. ábra: Irányítástechnikai feladat végrehajtás blokkjai Amint az ábrán látható, a funkcióblokkokkal kialakított struktúra szinte teljes egészében követi a klasszikus szabályozástechnika blokkvázlatos felépítését, az érzékelőtől a beavatkozó egységig. A FF alapú feladatmegoldások alapjának tekintsünk egy egyszerű technológiai folyamatot. Az irányítástechnikai gyakorlatban elterjedt, a technológiai folyamatot és a műszerezést együttesen megjelenítő műszerezési rajzot (P&ID - Process and Instrumentation Devices) mutat be a 10.45. ábra, és a technológiának megfelelő, a FF rendszerben használt funkció blokk alkalmazás látható a 10.46. ábrán.

284

TC

TC

100-1

100-2

autokláv hűtővíz bemenet

TT

TT

100-1

100-2

hűtővíz kimenet

10.45. ábra: Autokláv hőmérséklet kaszkád típusú szabályozásának P&ID rajza TT 100-2 AI FB

TT 100-1 AI FB

TC 100-2

TC 100-1

PID

PID

AO

FB

FB

FB

10.46. ábra: Autokláv kaszkád típusú hőmérséklet szabályozásának megvalósítása A P&ID alapján a műszerezés még lehetne „hagyományos” kaszkádszabályozás is, ebben az esetben a PID algoritmus a DCS-ben futna, de a Foundation Fieldbus eszközök alkalmazásával a végrehajtás alapvetően változik meg. Amíg a „hagyományos” rendszerekben (PLC, SCADA vagy DCS) az analóg (esetleg intelligens, de nem FF) távadók a jelet a központi egységnek szolgáltatják, amely a szabályozási algoritmus alapján vezérli a beavatkozó egységet (a szelepet), a 10.46. ábrán bemutatott funkcióblokkok a terepen valósítják meg a teljes szabályozási feladatot. 10.3.5. Funkcióblokk paraméterek

A funkcióblokk paraméterek három osztályba sorolhatók: • bemeneti paraméterek, (a bemeneti paraméter a funkcióblokk egy bemenete által definiált adat) • kimeneti paraméterek, (a kimeneti paraméter a funkcióblokk kimenete, amely rendszerint egy másik funkcióblokk bemeneti paraméterét szolgáltatja), • kapcsolt paraméterek.

A funkcióblokk paraméterek rendszerint írhatók és olvashatók. A paraméterek írása csak bizonyos esetekben lehetséges, pl. az AI blokk OUT paraméterének írása csak kézi (MAN) ill. szerviz (Out of Service - OOS ill. O/S) üzemmódban lehetséges. Azok a paraméterek, amelyek a funkcióblokk végrehajtása során változnak, dinamikus paraméterek. A statikus paraméterek nem változnak a blokk végrehajtása során.

285

Valamennyi funkcióblokk üzemmódjának definiálására a MODE-BLK paraméter szolgál. Ilyenek: • • • •

O/S - szerviz üzemmód, MAN - ebben az üzemmódban a funkcióblokk nem befolyásolja a kimenetét, AUTO - üzemmódban a funkcióblokk más funkcióblokktól függetlenül működik, CAS - módban a funkcióblokk a beállított értéket másik funkcióblokktól kapja.

Például: az erőforrás blokk csak O/S vagy AUTO módban, míg a távadó blokk O/S, MAN vagy AUTO üzemmódban működhet. Egyes funkcióblokkhoz ún. skálázási paraméterek tartoznak. Négy skálázási paraméter használatos: • • • •

EU@100 % EU@ 0 % Unit Code (mérnöki mértékegység: pl. psi). Point Position (a lebegő pontos ábrázolásnál a pont helye).

Irányítástechnikai szempontból az egyik legfontosabb jellemző az alarmokhoz rendelt vészérték, illetve a riasztási szintet megjelenítő paraméter, amelyek mindig a fizikai értéket, a lekérdezéshez tartozó időbélyeget, a nyugtázási állapotot, az alarm állapotot, és igény szerint még az alarm eredetére utaló kódokat tartalmazzák. Minden funkcióblokk tartalmaz belső, úgynevezett szimulációs (SIMULATE) jellemzőket. Ezeknek a jellemzőknek (SIMULATE vagy (SIMULATE_D - állapot jellemző) rendkívül fontos szerepe jut, amikor az eszköz még nincs üzemben, de a felhasználó szeretné üzemszerűen tesztelni. A valódi érték és szimulációs paraméter kiválasztására az eszközön belüli „kapcsoló” szolgál, amelyet szoftver úton lehet megfelelő állapotba hozni. A többparaméteres eszközök, illetve a több csatornás be-, kimeneti eszközök értelemszerűen több I/O csatornát képeznek le, így ezeknek a paramétereknek a megjelölésére szolgál a csatornaszám (CHANNEL), amely segítségével a megfelelő csatorna azonosítható. A funkcióblokkok az irányítási funkciók szempontjából az alábbi csoportokba sorolhatók: • • • •

bemeneti FB-k, számítási FB-k, szabályozási FB-k, kimeneti FB-k.

Ugyancsak az irányítási részfeladatok szempontjából az alábbi csoportosítás is használatos: • • • •

kétállapotú jelek kezelését végző FB-k, analóg jelek kezelését végző FB-k, szabályozási funkció FB-k, riasztási funkciókat realizáló FB-k.

A funkcióblokkok legfontosabb változói a mért értéknek, illetve státuszának a hordozására szolgálnak. A .PV kiterjesztés a Process Variable – processz változó értékét, míg a .CV a Current Value – aktuális érték, illetve a .ST a State – Státusz értéket hordozza. A státusz változó nyilatkozik a processz változó állapotáról, hihetőségéről azáltal, hogy felveheti a Good, Bad, GoodNonCascade, stb. értékeket. A beállítható két legfontosabb paraméter a .MODE, amely általában AUTO, MAN, CASCADE, illetve maga az .SP- SetPoint – alapjel.

286

10.3.6. Irányítástechnikai funkciók realizálása FF blokkokkal

A bevezetőben említettük, hogy a FF esetén az irányítási algoritmusok elosztva, a be/ki eszközökön vagy a központi feldolgozó egységben is futhatnak, ezért egy-egy funkció realizálására többféle lehetőség is kínálkozik. Ezen megoldás variációk természetesen egy-egy fizikai paraméterben (végrehajtási idő, busz terheltség, stb.) eltérnek egymástól, amire a tervezésnél figyelemmel kell lenni. 10.3.6.1. Kétállapotú jelek kezelése

Irányítástechnikai szempontból általában a kétállapotú (diszkrét) be- és kimeneti jelek feldolgozása a legegyszerűbb, ezért sok esetben a technológián történik a jelkezelés, de gyakran szükséges ezeknek a jeleknek az állapotáról információt biztosítani a felhasználó részére is (pl. vészjelzés), vagy a vezérlőből kimeneti jelet szolgáltatni (pl. riasztási jel). A kétállapotú (diszkrét) jelek kezelése a DI funkcióblokk révén lehetséges. A blokk rendeltetése: kétállapotú digitális jelek feldolgozása és alarmgenerálás. Az egyes bemenetek a felhasználó konfigurációjától függően ponált vagy negált értékűek lehetnek. A DI blokk révén a kétállapotú jelek megjeleníthetők, invertálhatók, szimulálhatók, a vészjelzések értékei beállíthatók és alarmjelzések generálhatók. A DI blokk funkcionális felépítését a 10.47. ábra mutatja.

10.47. ábra: A DI blokk funkcionális felépítése A DI blokk működhet kézi (MAN), illetve automata (AUTO) üzemmódban, és a kimenetekre a ténylegesen érzékelt állapotot (PV_D), vagy a szimulált állapotnak megfelelő (SIMULATE_D) jelet lehet kapcsolni. A funkcióblokk ezeken a paramétereken kívül tartalmazhat még további jeleket (Hiba - BLOCK_ERR, csatornaszám - CHANNEL, üzemmód MODE, stb.). A kétállapotú jelek kezelésére alkalmas eszközök jelentős része ma még nem rendelkezik terepi kommunikációs kapcsolati lehetőséggel, ezért még ezek a hagyományos módon kapcsolódnak a rendszerhez, vagyis távoli elérésű be- és kimeneti egységként (remote I/O). A „hagyományos” DCS struktúrákban a digitális be- és kimeneti jeleket leggyakrabban vagy a központi műszerszobában elhelyezett vezérlő, vagy a terepen elhelyezett távoli elérésű (Remote I/O - RIO) egység kezeli. Az első esetben a funkcióblokk szoftver a DCS-en fut, míg a másik esetben a terepi RIO egységben. Foundation Fieldbus kommunikációjú távadó esetében a funkcióblokk az eszközben hajtódik végre (10.48. ábra). A vázolt három megoldás között a végrehajtás hatékonysága (végrehajtási idő, kezelhetőség, stb.) szempontjából gyakorla-

287

tilag nincs különbség, de ennek ellenére a RIO alkalmazása jelenleg a leggyakoribb, melynek végrehajtási jellemzőit az adott DCS jellemzők határozzák meg. központi vezérlő DI

Technológia

központi vezérlő DCS kommunikáció

0/1 állapotjel

DI

központi vezérlő FF kommunikáció

RIO

FF DI

DI

DI

0/1 állapotjel

DI

10.49. ábra: A DI blokk elhelyezésének lehetőségei 10.3.6.2. Analóg jelek kezelése

A technológiai folyamatokhoz kötődő mérés az irányítási rendszer meghatározó eleme mind a folyamatirányításban, mind a gyártásautomatizálás területén. A folyamatirányító rendszerekben a mérésadatgyűjtéstől, a PLC-től a SCADA rendszereken keresztül a DCS struktúrákig számtalan fejlesztés született, de a mérés, és a mért érték távadása szinte alig változott. A kétvezetékes, 4-20 mA jelszinttel dolgozó analóg jeltovábbítást követő HART kommunikáció (lásd 11. fejezet) hozta a legjelentősebb minőségi változást a mérési eredmény feldolgozásában (kétirányú adattovábbítás, és többparaméteres jelérzékelés), de még a DCS-t alkalmazó rendszerek esetében is szinte minden mérési adat feldolgozás a központi műszerszobában, illetve a terepen elhelyezett, intelligens vezérlő egységekben - (Control File, vagy Control Station, vagy Field Control System, stb.) zajlott. Az AI blokk fogadja az érzékelők (távadók) által mért adatokat a távadó blokkon keresztül. Az AI blokk funkciói: • • • • •

skálázás, négyzetgyökvonás, aluláteresztő szűrés, mérnöki egység számítás, vészjel generálás (alarm generation).

Az AI blokk belső struktúráját szemlélteti a 10.49. ábra.

288

10.49. ábra: Az AI blokk funkcionális felépítése Az eszközben rendelkezésre álló, és egyre nagyobb szerepet játszó számítógépes háttér és a kapcsolódó terepi kommunikáció lehetővé tette, hogy a feladatok túlnyomó része már nem feltétlenül a fent említett vezérlőkben, hanem az eszközökben fut le (10.50. ábra). központi vezérlő

AI

Technológia

4-20 mA

analóg távadó

központi vezérlő

központi vezérlő DCS kommunikáció

FF kommunikáció

RIO

FF távadó

AI

AI

4-20 mA

analóg távadó

10.50. ábra: Az AI blokk elhelyezésének lehetőségei A mérések így ma már nem csak az érzékelők „tartozékai”, hanem a végrehajtó egységeknek is részei, ezért kell besorolni a mérési feladatok közé a végrehajtó egységben meglévő mérést (pl. szelep esetében pozicionáló helyzetérzékelése). A méréshez használt funkcióblokkok jelentős (majdnem teljes) része a távadókban kerül alkalmazásra, hiszen a mérési feladatot a valóságban ezek az egységek végzik el. A távadók esetében a legfontosabb funkciók szinte minden egységbe beépülnek (konvertálás, szűrőtagok, vészjelek), és természetesen a szimulációt is lehet használni ezekben az egységekben. Az üzemmódok kiválasztására lehetőség nyílik minden mérési feladatot ellátó funkcióblokk esetében. A mérési feladatok végrehajtására jelenleg az alábbi általánosan elterjedt funkcióblokkok állnak rendelkezésre: •

Bemenetek

1. Analóg bemenet (AI). 2. Multiplex analóg bemenet (MAI). Az IEC 61804 szerinti mérési adat feldolgozás folyamatát mutatja be a 10.51. ábra, amelyen a fő funkciók mellett az egyéb jelzések és kiválasztási paraméterek is láthatók (alarmjelzés, csatorna kiválasztás, üzemmód, stb.). PRIMARY_MEASUREMENT_VALUE

Input PRIMARY_MEASUREMENT_STATUS

Mérési funkciók Mértékegység konverzió Alarmdetektálás Szimuláció

MEASUREMENT_VALUE

Output MEASUREMENT_STATUS

Méréshez tartozó funkciók Csatorna kiválasztás Üzemmód inicializálás

Paraméterek

UNITS HIGH_ALARM_LIMIT LOW_ALARM_LIMIT MODE CHANNEL SIMULATION_TEST

10.51. ábra: A mérési adat feldolgozás folyamata

289

Egy tipikus, a DeltaV irányítási rendszerben alkalmazott AI funkcióblokk általános felépítése látható a 10.52. ábrán. Analog Measurement

Alarming

FIELD_VAL SIMULATE_IN

Filter

Convert SIMULATE

L_TYPE

OUT

PV

MODE

10.52. ábra: AI funkció kezelése DeltaV rendszerben Az elektronikából az A/D átalakítás után – vagy a SIMULATE_IN bemeneten keresztül másik blokkból – érkező érték az L_TYPE paraméternek megfelelően átalakítva (skálázva), vagy direkt úton kerül a belső szűrő bemenetére. A skálázást az XD_SCALE és OUT_SCALE paraméterek határozzák meg az L_TYPE-tól függően az alábbiak szerint: L_TYPE=Direct

XD_SCALE

0

100

%

OUT_SCALE

0

100

%

Kimenet

0

100

%

4

20

mA

L_TYPE=Indirect XD_SCALE

OUT_SCALE

-20

60

°C

Kimenet

-20

60

°C

Több paraméteres (MV – multivariable) távadó esetén az egyes processz változókat a CHANNEL paraméterrel rendeljük az egyes AI blokkokhoz. Nem a mérési feladatokhoz tartozik szorosan, de az analóg jelkezelés szempontból mégis ebbe a kategóriába kell sorolni az analóg kimeneti jeleket, amelyek közül a leggyakrabban használatosak az alábbiak. •

Kimenetek

1. Analóg kimenet (AO). 2. Multiplex analóg kimenet (MAO). Az analóg kimeneti funkcióblokkok (az AO és MAO) általában nem önállóan használt blokkok, hiszen a szabályozástechnikában tipikusan a szeleppozicionálóban használjuk ezeket a blokkokat. A számítógépes folyamatirányítás esetében is biztosítani kellett az esetleges meghibásodások esetén alkalmazható kézi beavatkozást, amelyet a DCS rendszerek esetében a Manual Loader - MANLD nevű funkcióblokk hajt végre (MANLD funkcióblokk értelemszerűen csak a vezérlőben kerülhet futtatásra). A 10.53. ábrán látható egy DCS központi vezérlőegységbe konfigurált kézi beavatkozás, ahol a szelep analóg, 4-20 mA áramjellel vezérelt.

290

MANLD Központi vezérlő Technológia PID

AO

Beavatkozó

10.53. ábra: Kézi (MANUAL) szabályozás megvalósítása DCS vezérlőben Az ábrán látható funkcióblokkokból konfigurált kézi szabályozás végrehajtási idejét a DCS határozza meg, amelyeknek a legkisebb választható végrehajtási ideje tipikusan 100 ms. Abban az esetben, ha FF kommunikációval rendelkező szelepet használunk, a makrociklus fogja meghatározni a végrehajtási időt, amely összeállításra a 120 ms időzítés adódik. Egyedi alkalmazás esetében az AO blokkot külön is lehet használni (10.54. ábra), de ilyen alkalmazási példa a jelenlegi gyakorlatban általában hajtások esetében található.

MANLD

AO Központi vezérlő Technológia

10.54. ábra: Kézi (MANUAL) szabályozás megvalósítása FF kommunikációjú szeleppel 10.3.6.3. Logikai függvények és sorrendi vezérlések

A digitális folyamatirányító rendszerekben (például PLC-ben, DCS-ben) a sorrendi vezérlés megvalósítása, vagy a logikai függvények realizálása a szabványos módszerek (folyamatábra, létradiagram, leíró nyelv használata, stb.) valamelyikével történik, melyek egy tekintélyes része a FF rendszerekben csak jelentős megkötésekkel használható. A logikai feladatok ellátására a funkcióblokkok közül az alábbiakat lehet besorolni ebbe a kategóriába: • • • •

időzítés (Timer) és kombinációs logikai függvény, konstans (Constant), tároló, vezérlés (Flip-flop, edge trigger), bemeneti választó (Input selector).

291

A felsorolt funkcióblokkok a gyártók könyvtárában a legváltozatosabb néven állnak rendelkezésre, de a feladat végrehajtása szempontjából a megadott kategóriákba szinte kivétel nélkül minden funkcióblokk besorolható. Egy tipikus, a DeltaV irányítási rendszerben alkalmazott időzítő egység (impulzus szélesség előállítására alkalmas) funkcióblokkjának általános felépítése látható a 10.55. ábrán. ELAPSED_TIMER TIME_DURATION Active High Timed Pulse Logic IN D

Value

OUT_D AND Logic

Status

10.55. ábra: Időzítő (Timer) kezelése DeltaV rendszerben A logikai függvények és sorrendi vezérlések megvalósítását biztosító blokkok körébe tartoznak a nagyszámú logikai függvényt tartalmazó, szabadon programozható funkcióblokkok (Flexible Function Block - FFB) is, amelyek közül a terepi eszközökben egyre több jelenik meg. Egy ilyen IEC 61131 nyelven programozható rugalmas funkcióblokk felépítése látható a 10.56. ábrán. A FFB tulajdonképpen egy szoftver PLC-nek tekinthető.

10.56. ábra: IEC 61131 nyelven programozható rugalmas funkcióblokk felépítése A terepi FF eszközökkel a logikai feladatok, és a sorrendi vezérlések végrehajtása a rendelkezésre álló funkcióblokkok összekötésével biztosítható. Mivel a terepi eszközök jelentős részében nem állnak rendelkezésre a fent felsorolt funkcióblokkok, a sorrendi vezérlést, illetve az esetenként nagyon fontos logikai függvényt csak a vezérlő egységben lehet végrehajtani. Ez a „kényszerű megoldás” nem lassítja le az irányítási folyamatot, hiszen ezekben az esetekben a feladatok jelentős része a vezérlőben fut. 10.3.6.4. Szabályozási feladatok

A Foundation Fieldbus digitális kommunikáció, és a hozzákapcsolódó irányítási rendszer alapvetően az irányítási stratégia megvalósítását biztosító funkcióblokkok miatt különbözik más digitális ipari kommunikációs rendszerektől. A szabályozási feladatok objektum formájában történő realizálásának köszönhető, hogy a folyamatirányítás területén ez a rendszer terjedt el oly nagymértékben. Egy adott szabályozási feladat végrehajtása szempontjából döntő jelentőségű:

292

• • • • •

a szabályozási algoritmus „szolgáltatásának” minősége (egyszerű PID, kaszkád, stb.), a szabályozási algoritmus végrehajtásának helye (az adott eszközök közül a távadóban, vagy a szelepben, a központi irányító rendszerben, vagy a terepi szabályozó egységben - Control Station), a szabályozási algoritmusok láncolhatósága, kapcsolata a különböző eszközökben rendelkezésre álló funkcióblokkok között, a szabályozás végrehajtásának ideje, a szabályozási redundancia kérdései.

10.3.6.5. Szabályozási algoritmusok

Az ipari folyamatirányítás területén ma még továbbra is a legelterjedtebbek a modell alapú prediktív PID algoritmusok alkalmazása. A leggyakrabban használt funkcióblokkok, gyártó cégtől függetlenül ezeket az algoritmusokat használják. Ezek az algoritmusok szinte kivétel nélkül a (10-1) képletben közölt alapösszefüggés digitalizált változatai, melyek közül a két legismertebb a SMAR és az Emerson Process Management cég által használtak. A SMAR cég által használt átviteli függvény:  τds e  Out = GAIN ∗ e + pv + + BIAS _ A / M + F τ r s   1 + ατ d s

(10-1)

Az Emerson Process Management cég által használt átviteli függvények:  τds 1  +F StOut = GAIN * e * 1 + + 1 ατ 1 τ r s  + s + d 

(10-2)

 1   1 + τ d s   + F  +  SrOut = GAIN * e * 1 +  τ r s   1 + ατ d s 

(10-3)

ahol: Out StOut SrOut e GAIN τr τd

α F

a szabályozó kimenete, a szabványos (standard) szabályozó kimenet, a soros (serial) szabályozó kimenet, az alapjelből (w) és az ellenőrző jelből (y) képzett különbségi jel, az erősítés, az integrálási idő (reset time), a differenciálási idő (rate time), kalkulált konstans (SMAR α=0,13, Emerson α=0,1), Feedforward értéke.

A DCS-ben a fenti analóg formulákat a mintavételezés miatt rekurzív formulákká képezik le, amely diszkrét, a mintavételezési időnként vett értékekkel dolgozik. Egy tipikus, realizált formula az n-edik időpillanatban (tn=n*t) az alábbi módon számol:

293

  t T OUTPUTn = OUTPUTn−1 + G (en − en−1 ) + en + D (en + 2en−1 + en−2 ) + FF TI t  

(10-4)

ahol G az arányos erősítés (Gain), TI az integrálási idő (Reset), TD a differenciálási idő (Rate), FF pedig az úgynevezett feedforward (előrecsatoló) tag. Az FF tag bemenete egy külső változóból származik, amely a szabályozó hurok valamely zavaró tényezőjével arányos. Az n, n-1 és n-2 indexek a mintavételezés időpillanatait jelentik. A PID szabályozási algoritmushoz a FF PID funkcióblokkja használható. A PID blokk egyszerűsített funkciódiagramja a 10.57. ábrán, részletes diagramja a 10.58. ábrán látható.

10.57. ábra: A PID blokk egyszerűsített felépítése

10.58. ábra: A PID blokk részletes felépítése

294

A PID funkcióblokk esetén a setpoint (beállított) értékét az üzemmód határozza meg. A setpoint alsó és felső értékei az SP_HI_LIM és SP_LO_LIM paraméterekkel állíthatók be. AUT üzemmódban a beállított értéket az operátor tölti be, és a kimenet ezen értéken alapuló számítás révén jön létre. Kézi (MAN) üzemmódban az operátor a kimenetet állítja be és ez független a beállított értéktől. Ezt szemlélteti a 10.59. ábra.

10.59. ábra: Kézi üzemmódú működés vázlata 10.3.6.6. Továbbfejlesztett szabályozási algoritmusok

Bár a legtipikusabbak az egyszerű PID szabályozó algoritmusok, egyre nagyobb számban jelennek meg a speciális feladat végrehajtást biztosító különlegesen jó minőséget biztosító algoritmusok – Enhanced PID (EPID), vagy Advanced PID (APID). Az APID funkció blokkok például PI mintavételes szabályozást, adaptív erősítést, és kifinomultabb hibakezelést képesek megvalósítani. A funkció blokkokon belül a paraméterlistát természetesen úgy állították össze, hogy az EPID és az APID paraméterlista követi az alapfunkciókat biztosító paramétereket, így lehet biztosítani az eszközök csereszabatosságát. Enhanced (továbbfejlesztett) PID (EPID)

Az EPID funkció blokkok az alap PID szekvenciát néhány speciális szolgáltatással egészítik ki. 1. Kézi (MAN) és automata (AUTO) átkapcsolás választható módja

A BUMPLESS_TYPE (lökésmentes, lágy átkapcsolás) paraméter alapvetően négyféle átkapcsolási módot támogat: a.) Bumpless: alapértelmezett érték, a szabályozó blokk a számítást az utolsó értékről folytatja. b.) Last + proportional: a blokk az utolsó + az arányos értékről folytatja a számítást. c.) Bias: a számolás a BIAS paraméterben megadott értéktől folytatódik d.) Bias + proportional: a számolás a bias + proportional értékről folytatódik. 2. Speciális eljárás a kimenet követésére (Output Tracking) Advanced (javított) PID (APID)

Az APID funkcióblokk a standard PID algoritmussal megegyező szolgáltatásokon túl további funkciókat biztosít: 1. A PID paraméterek (proporcionális, integráló, differenciáló) kiválasztása és kalkulációja az eltérés vagy a folyamatváltozó alapján.

a.) PI.D: a P és I paraméterek a hiba alapján, a D paraméter pedig a PV (folyamatváltozó) alapján

295

b.) PID mindhárom változó a hiba alapján számolandó, c.) I.PD: I paraméter a hiba alapján, a P és D paraméter pedig a PV alapján 2. PI mintavételező algoritmus. 3. Adaptív erősítés

Az adaptív erősítés lehetőséget nyújt arra, hogy a PID paraméterek a szakasz viselkedésének függvényében megváltozzanak. A funkció blokknak az ehhez a területhez tartozó paramétereiben megadható egy görbe értékkészlete, amelynek alapján az erősítés változik. 4. Anti reset wind-up (reset megszüntetésének) konfigurálható határértékei

Beállítható az integráló hatás szaturációs limitje, amelynek következtében a szabályozó algoritmus megállítja az integrálást a beállított határérték elérésekor. 5. Speciális hibakezelés Instabil tartományban működő aktuátorok számára a meghatározott tartományban speciális paraméterek állíthatók be. 6. Diszkrét kimenet az aktuális mód indikálására 7. Standard PID-ként való működés

Alapértelmezett értékekkel való konfigurálás esetén az APID blokk a standard PID-nek megfelelően működik. Feedforward szabályozás

A feedforward (előrevezetéses, előrecsatolt) szabályozás az egyhurkos algoritmus egyszerű továbbfejlesztése kéthurkossá, amelyet a szabályozás minőségének javítására használnak. Megvalósítása mind a régi analóg, mind a DCS-ekbe integrált szabályozó struktúrákban nagyon könnyű. Alkalmazása olyan esetekben javítja a szabályozások minőségét, amikor a szabályozott szakasz folyamatváltozói között van olyan bemenő paraméter, aminek megváltozása a szabályozott jellemző azonnali megváltozását eredményezi. Ebben az esetben a zavarás értékét közvetlenül rákapcsolják a szabályozó kimenetére (a végrehajtó jelre). Két módja van az ilyen jellegű zavarások figyelembevételének: 1. Additív feedforward: a kimeneten a zavarással megegyező értékű változásra van szükség. Ekkor a zavarás értéket és a PID szabályozó eredeti kimeneti értékét egy összegzőn keresztül bocsátják a kimenetre. 2. Multiplikatív feedforward: a kimeneti jelnek a zavaró jel megváltozásával egyenes arányban kell állnia. Ekkor a fenti összegző blokk helyett szorzó funkciót használnak. A 10.4 egyenletben jól látszik az additív PID algoritmus FF tagja, amely a szabályozó FF_VAL (feedforward value) bemenetéről vett értéket használja az additív kompenzáció második tagjaként.

296

10.3.6.7. Szabályozások megvalósítása

A funkcióblokkokkal, az ipari folyamatirányítás igényeinek megfelelően, sokféle szabályozási feladat hajtható végre. A legegyszerűbb szabályozási feladat végrehajtásához is szükség van az alapjelre, a mért értéket szolgáltató távadó jelére, és nem utolsó sorban valamilyen szabályozó algoritmus használatára. Az előzőekben leírtak alapján könnyű belátni, hogy a PID algoritmus tipikusan nem eszközhöz kötött, vagyis valójában univerzálisan alkalmazható funkcióblokk. Az előzőekben, a funkcióblokkok csoportosításánál nem került külön hangsúlyozásra az egyes blokkok „univerzalitása”, vagyis az a tulajdonság, amelyik alapján egyes blokkok akár távadóban, akár szelepben is „elhelyezhetők” (10.60. ábra). FF csatorna

AI

FF csatorna

távadó

AI

AO

PID

szelep pozicionáló

PID

távadó

a.)

AO

szelep pozicionáló

b.)

10.60. ábra: PID funkcióblokk használata távadóban, illetve szelep pozicionálóban A PID algoritmusnak, mint szoftver „szubrutinnak” az univerzális alkalmazása biztosítja, hogy a tervezés során a felhasználó több szabadsággal rendelkezzen. A 10.60. ábra azonban jól szemlélteti, hogy egy egyszerű szabályozás esetében a távadóban lévő PID algoritmus funkcióblokk alkalmazásával (a, ábra) a kommunikáció időigénye kétszeres a pozicionálóban lévő PID algoritmus alkalmazásához képest. Mégis egyes esetekben sor kerülhet arra, hogy a nagyobb végrehajtási időt igénylő távadóban elhelyezett PID blokkot vagyunk kénytelenek használni (amikor a szelep pozicionáló PID funkcióblokkja már foglalt egy másik szabályozás céljára. a, Egyhurkos PID szabályozás

A legegyszerűbb szabályozás esetén a távadó AI funkcióblokkja kapcsolható a szelep PID funkcióblokkjához, majd ennek kimenete a pozicionálóhoz, ahonnan a visszacsatoló jel is érkezik. Az ipari folyamatirányításban ez az egyszerű szabályozási igény (10.61. ábra), mint alapeset merül fel a leggyakrabban. AI

PID

AO

10.61. ábra: PID funkcióblokkal felépített egyszerű szabályozás

A jobb áttekinthetőség érdekében az egyhurkos szabályozási köröket célszerű besorolni a: •

hagyományos,

297

• •

vegyes, illetve terepi

kategóriákba. Amennyiben a rendszer minden eleme hagyományos áramjellel (4-20 mA) működő egységekből áll (ezek a távadók, és szelepek is rendelkeznek ma már HART kommunikációval), a bemeneti egység - AI, a szabályozási algoritmus - PID, és a kimeneti egység - AO funkciók szoftveres végrehajtása egyaránt a vezérlőben történik (10.62. ábra). Ez a kapcsolás felel meg egyébként a klasszikus DCS szabályozásnak. AI

PID

AO Központi vezérlő Technológia

10.62. ábra: DCS, vagyis „hagyományos” elrendezésű szabályozás DCS alapú szabályozás esetén értelemszerűen nem a makrociklus határozza meg a végrehajtási időt, hanem az adott DCS végrehajtási ideje (scan time), amelynek a legkisebb választható értéke jellemzően 100 ms.

10.63. ábra: DCS scan time kiválasztása PID algoritmus végrehatáshoz Az előzőekben vázolt lehetőségek közül előfordulhatnak olyan alkalmazások, amikor vagy a távadó, vagy a beavatkozó egység nem rendelkezik FF kommunikációval, vagy a speciális technológia miatt szükséges hagyományos, analóg eszköz használata. Azok, a különleges körülmények között (pl. robbanásveszélyes övezetben) üzemelő távadók, illetve szabályozó szelepek, amelyek csak a 4-20 mA áramjel kommunikálására képesek, vagyis csak így tudnak a vezérlőhöz kapcsolódni, szabályozási körbe csak a vezérlőben elhelyezett PID algoritmus segítségével csatlakoztathatók. Ilyen megoldást célszerű alkalmazni a különlegesen nagy megbízhatóságú, vagy a nagybonyolultságú matematikai algoritmust használó szabályozások esetében (pl. advanced control).

298

A 10.64. ábra FF távadót és analóg jellel vezérelt szelepet tartalmazó szabályozási kört mutat be, ahol a PID algoritmus és a szelep vezérléséhez tartozó számítási műveletek a DCS vezérlőben hajtódnak végre. AO

PID Központi vezérlő Technológia AI

PID Érzékelő

10.64. ábra: „Vegyes” elrendezésű szabályozókör FF távadóval Abban az esetben, amikor HART kommunikációs analóg távadó, és FF szelep áll rendelkezésre, de a PID szabályozási algoritmus valamilyen más paraméterhez kötődik, és láncolási nehézségek lépnek fel (nem áll rendelkezésre a szükséges funkcióblokk, vagy kiegészítő blokkra van szükség), a 10.65. ábrán látható vegyes összeállítást célszerű alkalmazni. AI

PID

Központi vezérlő Technológia PID

AO

Beavatkozó

10.65. ábra: „Vegyes” elrendezésű szabályozás FF szeleppel Azoknál az alkalmazásoknál, ahol a távadó és a szelep is FF eszköz és egyszerű szabályozási feladatot kell ellátni, a terepen elhelyezett eszközök lehetnek a szabályozó algoritmus végrehajtási helyei, melyek közül az előzőekben megfogalmazottak (10.66. ábra) alapján a szelepben lévő PID algoritmust célszerű használni (10.66. ábra). Terepi kommunikációs rendszerek esetében ezt az összeállítást tekinthetjük „alapkapcsolásnak”. A makrociklus idő ebben az esetben ugyan jelentősen megnő, de ugyanazon a szegmensen elhelyezett több szabályozás egy időben hajtódik végre.

Központi vezérlő Technológia AI

Érzékelő

PID

AO

Beavatkozó

10.66. ábra: Terepi eszközökkel terepen megvalósított szabályozás A bemutatott szabályozásra egy tipikus, már működő rendszerből vett példa látható a 10.67. ábrán, ahol a technológia egyik áramlásszabályozó körének megvalósítása egy nyomáskü-

299

lönbség távadó és egy szelep használatával került megvalósításra (az ábra egy eredeti műszerezési tervből kivett rajzot tartalmazza).

10.67. ábra: A technológiában megvalósított terepi áramlásszabályozás b, Kaszkádszabályozás

Petrolkémiai és vegyipari folyamatok irányítástechnikai megoldásainál az egyik leggyakrabban alkalmazott szabályozási megoldás a kaszkádszabályozás. A különböző reaktorok, autoklávok hőmérsékletszabályozásánál szinte elengedhetetlen a kaszkád körök alkalmazása. Mivel gyakorlatilag mindegyik funkcióblokk rendelkezik a kaszkádszabályozáshoz szükséges paraméterekkel, a PID szabályozók felhasználásával viszonylag egyszerűen össze lehet huzalozni a kaszkádszabályozáshoz szükséges kört. A 10.68. ábrán bemutatott kapcsolásban az egyik PID algoritmust a szelep, míg a másik PID algoritmust (PID1) a két távadó egyike szolgáltatja. Távadó-

AI1

AI2

PID1

PID2

Távadó-1

AO Szelep

10.68. ábra: PID funkcióblokkokkal felépített kaszkádszabályozás Abban az esetben, amikor a központi vezérlőben hajtjuk végre a kaszkádszabályozást, minden funkcióblokk - AI1, AI2, PID1, PID2, AO - itt hajtódik végre, ezért erre az összeállításra is érvényes az előzőekben leírtak szerint a 100 ms végrehajtási idő (10.69. ábra). AI1

AI2

PID1

PID2

AO

Központi vezérlő Technológia

10.69. ábra: DCS központi vezérlőben kialakított kaszkádszabályozás

300

A teljes mértékben terepi eszközökben megvalósított kaszkádszabályozás esetén nem kerülhető el a távadó PID blokkjának felhasználása. A terepen megvalósított legegyszerűbb kaszkádkör a 10.70. ábrán látható alapösszeállításban egy távadó és egy szelep pozicionáló funkcióblokkjának felhasználásával kerül kialakításra. Ez esetben a makrociklus idő közel négyszeresére nőtt az előző, a DCS-be konfigurált funkcióblokkok végrehajtási idejéhez képest. Központi vezérlő

Technológia AI1

AI2

PID1

AO

PID2

Beavatkozó Érzékelő

10.70. ábra: Terepi eszközökben végrehajtott kaszkádszabályozás A sémának megfelelő, egy hőmérséklet kompenzált áramlásszabályozó körnek a petrolkémiai technológiában megvalósított kaszkádszabályozását mutatja be a 10.71. ábra (az ábra egy eredeti műszerezési tervből kivett rajzot tartalmazza).

10.71. ábra: Terepi műszerekben kialakított kaszkádszabályozás Azokban az esetekben, amikor a kaszkád szabályozókörökben FF kommunikációval nem rendelkező eszközt is használunk, - vegyes összeállításban (10.72. ábra), - a szabályozás időszükséglete elég jelentősen megváltozik.

AI1

PID1

Központi vezérlő Technológia

AI2 Érzékelő

PID2

AO

Beavatkozó

10.72. ábra: „Vegyes” összeállítású kaszkádszabályozás megvalósítása

301

Bonyolultabb esetekben a kaszkádszabályozásban a távadónak több paraméterét is használhatjuk, ezekben az esetekben további összeállítási kombinációk is lehetségesek. c, Arányszabályozás

Petrolkémiai, vegyipari, élelmiszeripari és gyógyszeripari területen is nagyon gyakori igényként merül fel a különböző termékek keverése, a keverési arány széles tartományban történő állítási lehetőségének fenntartásával (pl. propán-bután gázkeverék előállítása kozmetikai, háztartási, energiaipari, stb. felhasználásra). A termék komponensek összetételi arányának pontos beállításával az értékesítés gazdaságossága nagymértékben megváltozhat, emiatt nagyon fontos az arányszabályozás paramétereinek betartása. Tipikusan kétfajta arányszabályozás terjedt el az ipari gyakorlatban. Az egyik esetben aritmetikai funkcióblokk alkalmazásával biztosítjuk a megfelelő arányú termékösszetételt (10.73.a, ábra), míg a másik tipikus arányszabályozás esetében az egyik terméket konstans mennyiségben adagoljuk, és csak a másik komponens adagolását szabályozzuk. (10.73.b, ábra). Távadó-1

AI1

ARTH

AI2

PID

Távadó-1

AI1

AO

Távadó-2

ARTH

Szelep

AO

PID

AI2 Távadó-2

Szelep

a.)

b.)

10.73. ábra: PID funkcióblokkal felépített arányszabályozások d, Szplitter típusú szabályozás (Split range)

Olajfinomítói technológiában gyakran használt szabályozási megoldás a szétválasztott típusú, vagyis a szplitter szabályozás. Folyamatos technológiával működő reaktorok esetében gyakran van szükség a be- és kimeneten is egy-egy szelep beiktatásával különböző jelleggörbe szerinti szabályozásra. A PID szabályozót ebben az esetben egy olyan aritmetikai feladatokat ellátó, rendszerint két kimenettel rendelkező egység követi, amely két szelep pozicionálóját képes működtetni. Egy tipikus szplitter szabályozás P&ID rajza a 10.74. ábrán látható.

FC 221

reaktor

gőz fűtés bemenet

TT 222

hűtővíz bemenet

10.74. ábra: Szplitter szabályozás P&ID rajza

302

A 10.74. ábrán látható, a technológiai folyamat függvényében fűtést vagy hűtést igénylő reaktor hőmérsékletének beállítására egyrészt a fűtést biztosító gőz, másrészt a hűtésre szolgáló víz mennyiségének adagolását kell biztosítani a megadott jelleggörbe szerint. A P&ID diagram szerint a szabályozáshoz a reaktor hőmérsékletének mérésére szolgáló távadóra (TT), szabályozóra (FC), és két szelepre van szükség. A 10.74. ábrán látható feladat szplitter szabályozás funkcióblokkos rajza a 10.75. ábrán látható. AO1

AI

PID

SPLIT

AO2

10.75. ábra: Szplitter szabályozás funkcióblokkokkal Az ábrán láthatóan a szplitter kör alapvetően egy analóg bemeneti funkcióblokkból (AI), a megosztási műveletet végző szplitter egységből (SPLIT), a szabályozási algoritmust végző PID funkcióblokkból, és két analóg kimeneti blokkból (AO1 és AO2) áll. 10.3.6.8. Alarmkezelő FB

Egy adott technológián a riasztási és vészjelzési feladatok a figyelemfelkeltéstől a súlyos környezeti katasztrófa megakadályozásáig (életvédelem, technológia védelme, kármentés) terjednek. A gyártók által kifejlesztett „alapfeladatú”funkcióblokkokban megtalálható az alarm figyelésére szolgáló egység, de igény szerint még külön blokkot is lehet kapcsolni az analóg méréseket végző eszközök blokkjaihoz. Ezekre mutat példát a 10.76. ábrán bemutatott Analog Alarm - AALM funkcióblokk, amelyben az analóg mért értékhez nagyszámú riasztási és vészjel kapcsolható.

303

10.76. ábra: AALM funkcióblokk belső felépítése Az ábrából kitűnik, hogy az erősítés értékétől az alarm arányának felső ill. alsó értékétől, a kettős alarm határértékektől függően lehet alarmgenerálást végezni az AALM modullal. A riasztási és vészjelzésekhez köthető beavatkozási műveletekkel (pl. OUT láncolása beavatkozó szervhez) a felhasználó biztosíthatja, hogy a tervezett, illetve megvalósított rendszer meghibásodása esetén a szükséges beavatkozás megtörténjen. A FF alarm kezelési funkcióinak összegzése A leírtakból az alarmkezeléssel kapcsolatosan az alábbiak állapíthatók meg: • • • • • • • •

a FF bemeneti FB-jai el vannak látva alarm detektálási lehetőséggel, a FF egyes műveleti FB-i (pl. PID) ugyancsak el vannak látva alarm detektálási lehetőséggel, a FF járulékos alarm kezelő FB-t (AALM) kínál a további speciális alarmok detektálására, az alarm detektálás két szintű határértékre történhet (Low ill. Low Low, stb.), az alarm kezeléshez külön kommunikációs módszer (jelentésterjesztő - QUU) van definiálva, távadó blokkokhoz és az FB-khez az ún. alarm látvány elemek között riasztási (alarm) látványelem van biztosítva a feltűnőbb megjelenítéshez, az alarm szintek konfigurálása a DCS rendszer installálási és konfigurációs szolgáltatása révén lehetséges a felhasználó számára. a kétszintű alarm határértékek kapcsolatba hozhatók a SIL1 és SIL2 követelmények kielégítését szolgáló biztonságkritikus alarmokkal.

10.3.6.9. További funkció blokkok •

Irányításhoz szükséges kiegészítő blokkok • Számítási műveletvégzést biztosító blokk Ebbe a csoportba lehet sorolni a logikai műveletek elvégzésére alkalmas funkcióblokkokat, amelyek az egyszerűbb műveleteket, illetve egyre gyakrabban már összetettebb műveleteket is képesek elvégezni. Ide sorolhatók az univerzális felhasználású, Flexibilis FunkcióBlokkok (Flexible Function Block - FF) is, amelyek képesek AND, OR, XOR és NOT funkciók realizálására ugyanúgy, mint időzítési, impulzusszámlálási, vagy tárolói (RS tároló) feladatok ellátására.

•

Függvény blokk Ezeknek a blokkoknak (gyártótól függetlenül) mindegyike két analóg bemenettel rendelkezik, melyek egymástól függetlenül manipulálhatók, és a két kimeneten a felhasználó által programozott paraméterek szimultán módon jelennek meg.

•

Matematikai funkcióblokk A különböző gyártmányokhoz kapcsolódóan a matematikai funkcióblokkok széles választéka áll rendelkezésre, melyek közül a leggyakrabban használatosak az aritmetikai, az integrátor és a szplitter funkciók.

•

Aritmetikai funkcióblokk A funkcióblokk segítségével a távadóktól érkező jelekkel aritmetikai műveletek hajthatók végre. Az alapvető műveleteken (összeadás, kivonás, szorzás, osztás) kívül négyzetgyök-

304

vonás (mérőperemes áramlástávadó esetén szükséges) és matematikai egyenlet is megoldható ennek a blokknak a segítségével. •

Integrátor funkcióblokk Az integrátor funkcióblokk a bemeneti jelet integrálja a felhasználó által beállított paramétereknek megfelelően (meredekség, irány, kezdő érték, végérték, stb.).

•

Szplitter funkcióblokk Az előző fejezetrészben ismertetett szplitter típusú szabályozás végrehajtásához szükséges funkcióblokk, amely terepi eszközök közül csak kevésben található. Az egy bemenetből két vagy több kimenetet képező (két vagy több szelep pozicionálóját vezérlő) funkcióblokk a szplitter típusú szabályozáshoz használatos. Ebben a blokkban a beavatkozáshoz szükséges jelek szétválasztási értéke, meredeksége, kezdő- és végpontja, és még számos paraméter állítható.

A kiegészítő funkcióblokkok alkalmazására egy példa látható a 10.77. ábrán, a MOL Rt. Algyői Üzemben 1999 óta működő 30.000 m3-es, atmoszférikus pb gáztározó tartály hőtechnikai szimulációs modelljének példája, a funkcióblokkokkal kialakított számító modul részlete, ahol a modell a mért értékekből és a számított paraméterekből képződik. Az előzőekben ismertetett láncolási nehézségek miatt nyilvánvaló, hogy a kiegészítő funkcióblokkokkal teljes feladatmegoldás nem végezhető el a terepen.

10.77. ábra: Kiegészítő (számító - Calc) blokkok használata pb gáztározó technológián 10.4. Huzalozás és kábelezés

A 10.2.2. pontban bemutattuk a FF H1 fizikai rétegét, amely az IEC 61158-2 szerinti kialakítású, azaz megegyezik a PROFIBUS PA rendszer fizikai rétegével. Ezen túlmenően az irányítástechnikai rendszerek tervezői és telepítői számára igen fontos kérdés a hardverek huzalozására és kábelezésére vonatkozó előírások és ajánlások. A FF hálózat kialakítását, kábelezését szigorú szabályok írják elő. A következőkben a legtipikusabb megoldásokat mutatjuk be.

305

a, Analóg (4-20 mA) terepi eszköz csatlakoztatása (10.78. ábra)

10.78. ábra: 4-20 mA-es eszköz csatlakoztatása b, Digitális terepi eszköz csatlakoztatása a FF-hoz (10.79. ábra)

A kialakítás két véglezárást (T) tartalmaz.

10.79. ábra: Digitális terepi eszköz csatlakoztatása c, Fa („csirke láb”) topológiájú bővítést mutat a 10.80. ábra 4 db terepi eszköz csatlakoztatásával.

306

10.80. ábra: Fa topológiájú végpont d, Buszhosszabbítás

Terepi eszközök csatolása a FF-hoz a busz meghosszabbításával a 10.81. ábra szerint történhet. A lezáró RC komplexum a legtávolabbi terepi eszközhöz kerül.

10.81. ábra: A FF busz meghosszabbítása. Daisy Chain elrendezés. Használata nem javasolt! e, Hálózatbővítő híd beiktatásával

A 10.82. ábrán láthatjuk, hogy ilyenkor a lezárás a hálózat új végpontjára kerül.

307

10.82. ábra: Hálózat bővítés híd beiktatásával A FF hálózat vezetékezésénél igen fontos a leágazásokkal megnövelt vezeték hossz kiszámítása. Erre láthatunk példát a 10.83. ábrán. A trönk hossza: 600 m (300 + 200 + 100) • • • • •

Első leágazás: Második leágazás: Harmadik leágazás: Negyedik leágazás: Összesen:

50 m 10 m 10 m 30 m 700 m

A teljes vezetékhossz 700 m. Ehhez ún. A vagy B típusú kábelt kell választani (lásd később!)

10.83. ábra: Vezetékhossz kiszámítása f, Vezetékhossz növelés jelismétlővel

308

Ha az igényelt vezetékhossz meghaladja az 1900 m-t, akkor jelismétlővel növelhetjük meg azt a 10.84. ábra szerint. Így a teljes hossz 3800 m lehet. Maximum 4 jelismétlőt alkalmazhatunk, így a teljes hossz 5 x 1900 = 9500 m lehet.

10.84. ábra: Vezetékhossz növelés jelismétlővel g, Árnyékolás

Árnyékolás esetén a leágazások árnyékolásait egy közös ponton kell földelni a 10.85. ábra szerint.

10.85. ábra: A FF busz árnyékolása h, Polaritás

A FF buszon Manchester jel használatos, amelynél a jel feszültsége polaritást vált egyszer vagy kétszer bitenként. Mivel a FF fizikai rétege egyben a tápvezeték is, ezért a kábelezésnél igen fontos az azonos polaritású pontok összekapcsolása. Ehhez segítséget nyújt az azonos színű kábelek alkalmazása. A fildbusz rendszerbe az egyes terepi eszközök a kivitelüktől függően polaritás érzékeny, vagy nem polaritás érzékeny bekötéssel csatlakoztathatók (10.86. ábra).

309

T

(−)

−

+

(+)

nem polaritás érzékeny

+

(−)

(+)

polaritás érzékeny

10.86 ábra: Polaritásfüggő és nem polaritásfüggő FF eszközök bekötése i, A FF táplálása

A FF busz táplálása speciális tápegységgel történhet a 10.87. ábra szerint.

10.87. ábra: FF busz táplálása

A buszon bekövetkező feszültségesés meghatározásához tételezzük fel, hogy 12 V tápfeszültséget használunk. A hálózat a 10.88. ábra szerinti.

10.88. ábra: Feszültségesés számítása a buszon

310

Vezeték hossz (m) 200 50 300 10 30

Ellenállás (Ohm) 20 5 30 1 3

Áram (A) 0,05 0,01 0,04 0,02 0,01

Feszültségesés (V) 1,0 0,05 1,2 0,02 0,03

A FF busz előírása szerint a feszültség a buszon nem csökkenhet 9 V alá. Egy teljesítményszámítási példa

Az alábbi példa nem robbanásveszélyes környezetben használt, vagy nyomásálló tokozású és ennek megfelelő táplálású fildbusz szegmens egyenáramú viszonyait tekinti át. Adatok: • • • • • •

a tápegység kimeneti feszültsége 24 V, az 1 km hosszú, 22 ohmos vezetékpár eredő ellenállása 44 ohm, az eszközök áramfelvétele egyenként 20 mA, a minimális feszültség valamennyi eszközön 9 V, a rendelkezésre álló feszültség tartalék 24 V - 9 V = 15 V, 15 V/44 ohm = 340 mA.

A megtáplálható eszközök száma ebből 340 mA/20 mA = 17 db –ra adódna. A gyakorlatban egy alszegmensen a megcímezhető elemek száma 16 db. Látható, hogy nem robbanásvédett, illetve nyomásálló „d” tokozású fildbuszos szegmensek megtáplálása nem ütközik különösebb korlátokba még hosszú szegmensek esetén sem. Egy FF-ra telepített áramlásmérő kör huzalozását és elrendezését szemlélteti a 10.89. ábra.

10.89. ábra: Áramlásmérő kör elrendezése FF-on 10.4.1. FF topológiák

A FF rendszer lehetséges topológiáit szemlélteti a 10.90. ábra.

311

10.90. ábra: FF busz topológiák a, Pont-pont topológia

Pont-pont topológia esetén csak két eszköz van a hálózaton (pl. egy érzékelő és egy beavatkozó) a 10.91. ábra szerint.

10.91. ábra: Pont-pont kommunikáció a FF buszon b, Busz topológia (10.92. ábra)

10.92. ábra: Busz topológia kialakítása elosztó dobozokkal 312

c, Daisy-chain topológia (10.93. ábra)

10.93 ábra: Daisy-chain topológia d, Fa topológia („Csirkeláb” - 10.94. ábra)

10.94. ábra: Fa (csirkeláb) topológia e, Kevert topológia (10.95. ábra)

10.95. ábra: Kevert topológia

313

10.4.2. Kábel típusok

A FF négyféle kábeltípust használ. Ezek: Típus

A B C

D

Megnevezés

Méret

Árnyékolt, csavart érpár 18 AWG (STP-Shielded Twisted Pair) 0.8 mm2 Több érpáros, csavart, árnyékolt 22 AWG (MTPS – Multi Twisted Pair with Shield) 0.32 mm2 Több érpáros, csavart, 26 AWG (MTP – Multi Twisted Pair) 0.13 mm2 Sodrott, csavarás nélküli, árnyékolt 16 AWG 1.25 mm2

Fajlagos ellenállás 22 Ω/km

Csillapítás

56 Ω/km

5 dB/km

132 Ω/km

8 dB/km

20 Ω/km

8 dB/km

3 dB/km

Maximális hossz 6232 ft 1900 m 3936 ft 1200 m 1312 ft 400 m 656 ft 200 m

10.4.3. Terepi elosztó dobozok

A buszon történő leágazást segítik a 10.96. ábra szerinti ún. elosztó dobozok (junction box). Elosztó doboz (Junction box)

Rövidzár (zárlat) (Shorting Link) Terepi kábelezés és terepi eszközök (Field Wiring and Field Devices)

Lezárás (Terminator)

Rövidzár (zárlat) (Shorting Link)

10.96. ábra: FF elosztó doboz Megjegyzés: a kábelezésre a fejezet végén visszatérünk.

314

10.5. A Foundation Fieldbus alkalmazása nagy biztonságú, illetve robbanásveszélyes terek műszerezésénél A Foundation Fieldbus H1 legfontosabb jellemzői: • • • • • • • • • • • •

a buszon maximálisan 32 eszköz lehet szegmensenként, az adatátviteli sebesség 31, 25 kbps az elemek közötti összeköttetés vezetékes, optikai szálas és rádiós lehet, a legelterjedtebb vezeték a csavart érpár, teljes hossz: 1900 m - STP esetén, (a teljes hossz a gerinc (trunk) és a leágazások (spur) együttes hossza), a leágazások hossza aktív csatolóval (coupler) növelhető, a gerincvezeték hossza jelismétlővel (repeater) növelhető, a leágazás normál, csirkeláb és vegyes kialakítású lehet, adatátvitel: soros, halfduplex, kétfázisú Manchester kód, közös az adatátvitel és tápfeszültség vezetéke, adatforgalom ütemezése LAS (Link Active Scheduler) által biztosított, robbanásveszélyes övezetben alkalmazható.

A Foundation Fieldbus elemek legfontosabb jellemzői: • • • • •

blokk struktúra használata, funkció blokk alkalmazása (Function block application), hálózatkezelés biztosítása (Network management), rendszerkezelés biztosítása (System management), eszközleíró fájlok használata (Device Description).

10.5.1. Redundáns rendszer kialakítás Az irányítástechnikai rendszerekkel szemben támasztott megbízhatósági követelmények szakszerű megfogalmazása a rendszerint 24 órás folyamatos üzemmenet mellett az egyik legfontosabb feladat. A nagyfokú biztonság elérése szempontjából általában hibatűrő rendszerek alkalmazására van szükség. A hibatűrés rendszerint nem azt jelenti, hogy egy adott rendszer a meghibásodást követően ugyanolyan paraméterekkel (hatásfok, megbízhatóság, biztonság, stb.) üzemel, hanem azt, hogy esetleg nem mindegyik feladatot képes ellátni, teljesítménye lecsökken, de a legfontosabb feladatokat képes végrehajtani. Megjegyezzük, hogy a biztonsági rendszerek elméletével nem áll módunkban foglalkozni, csak néhány, a gyakorlatban alkalmazott ismeret átadására szorítkozunk. E rendszerek legfontosabb jellemzői: • • • • •

megbízhatóság - Reliability rendelkezésre állás - Availability biztonságosság - Safety teljesítőképesség - Performability karbantarthatóság - Maintainability.

A megbízható rendszerek működését alapvetően meghatározó és befolyásoló előre tervezett redundancia viszont döntő hatással van az üzem hibamentes működésére. Ezért a vizsgált rendszer leírásához szükséges alapfogalmakat az alábbiakban foglaljuk röviden össze.

315

A redundancia Irányítástechnikai szempontból redundánsnak azt a rendszert nevezünk, amelyben az elemek száma (hardver, szoftver) több a minimálisan szükségesnél. Ennek célja, hogy pl. ha az egyik elem meghibásodik, a másik még rendszerint működik. Abban az esetben, amikor az egyik elem nem teljesen hibás (pl. a távadó nem ad helyes értéket), akkor nem lehet eldönteni, hogy melyik elem által kiadott érték a helyes, ilyen esetben szükség van egy harmadik elemre is a döntéshez. Ezt a megoldást nevezik szavazó rendszernek. a, Hardver-redundancia: A hibatűrés biztosítása miatt az irányítástechnikai rendszerekben kiegészítő hardver elemeket alkalmaznak, különböző funkciókkal. Ezek a funkciók egyrészt a működéshez kapcsolódó tesztelést (beépített öntesztelést), másrészt pedig egyes elemek többszörözését (tartalékként) jelentik. Szoftver-redundancia: A hibatűrés biztosítása miatt az irányítástechnikai rendszerekben kiegészítő szoftver elemeket, ill. szoftverrel megvalósított módszereket alkalmaznak. Ezek a módszerek rendszerint az öntesztelés megvalósítását, valamint az ismétlődő funkciók ellátását jelentik Információs redundancia: A hibatűrés biztosítása miatt sok esetben többlet információt célszerű használni az irányítástechnikához kapcsolódó informatikai és kommunikációs rendszerekben (paritásbit, hibajavító kódok alkalmazása, ellenőrző összeg stb.). Idő-redundancia: Az idő redundancia a feladat végrehajtásához szükséges feldolgozási idő megnövelését jelenti. A legelterjedtebb megoldás a feldolgozás, a számítások ismételt lefolytatása az eredmények összehasonlításával egybekötve. Ennek megvalósítása szoftverrel és hardverrel egyaránt lehetséges. Egy adott rendszerben a redundancia rendszerint az alábbi három megoldást jelenti: • • •

párhuzamos duplikálás, tartalékelemes működtetés, hárommodulos redundancia.

10.5.1.2. Párhuzamos duplikálás A legrégebben alkalmazott struktúra, ahol a hardver egységek megkettőzve és párhuzamosan működnek. Ezt a rendszert teljes struktúrában és a rendszer egyes, legfontosabb elemeinek megkettőzésével (tápegység, vezérlő egységek, I/O egységek, stb.) lehet kialakítani. Mindegyik egység önállóan képes elvégezni a feladatot és egyforma eredményt kell produkálni helyes működés esetén (10.97. ábra). Egy külön egység felügyeli a két modul eredményének egyezését, és eltérés esetén csak az egyik egység jelei kerülnek további feldolgozásra. Ennek a rendszernek a hátránya, hogy a hibát ugyan érzékeli, de hatékonyan nem avatkozik be.

316

bemenet

1. rendszer összehasonlító egység

kimenet

2. rendszer

10.97. ábra: Párhuzamos duplikálás 10.5.1.3.Tartalékegységes működtetés A struktúra hasonlít az előző elrendezéshez annyiban, hogy itt is két egység működik üzemszerűen, de ebben a struktúrában az egyik egység a kijelölt működő, a másik a tartalék egység. A kimenetre jutó jelet az átkapcsoló vezérli, a hibadetektor paramétere alapján. Ebben az összeállításban a hibadetektor meg tudja állapítani, hogy melyik egység hibásodott meg. Mindkét egység meghibásodása esetén a működés leáll. A rendszerben a tartalékmodul általában „meleg” tartalékként üzemel, vagyis állandóan bekapcsolt állapotban van (10.98. ábra). Hidegtartalék üzemmód is lehetséges, de ez kevésbé használatos. hibadetektáló egység

bemenet

működő rendszer tartalék rendszer

kimenet átkapcsoló egység

10.98. ábra: Működtetés tartalékegységgel 10.5.1.4. Hárommodulos redundancia Az előző rendszerek kialakításánál látható, hogy nagy hibatűrés esetére nem felel meg a két egység használata, ilyen esetekben legalább három egységet célszerű használni. Ez az elrendezés az un. TMR (Triple Modular Redundancy) struktúra, amelynek használatakor természetes, hogy egy új egységre, a szavazó egységre van szükség. Ez az egység vizsgálja meg, hogy melyik két egység szolgáltat azonos jeleket, így a meghibásodott egység kiszűrhető. Abban az esetben, amikor két vagy három modul hibásodik meg, valószínűleg három különböző jel jut a szavazóra, amely ilyenkor megállapítja a hibás működést. Ennek következménye, hogy egy biztonságra törekvő leállítás lép életbe, vagy tartalékegység lép be. A három egység egyidejű meghibásodásának valószínűsége rendkívül kicsi. Az is belátható, hogy a vázolt elrendezés az egyik egységnek a meghibásodása esetén ad „megnyugtató” megoldást, vagyis még nagyobb hibatűrés esetére több egység használata szükséges. Ennek ellenére a TMR rendszer terjedt el (10.99. ábra). 1. rendszer bemenet

2. rendszer

szavazó egység

kimenet

3. rendszer

10.99. ábra: TMR rendszer struktúra 317

10.5.1.5. Redundancia követelmények és jellemzők FF rendszerben A terepi alapú irányítási rendszerekben általában érvényesülnek az előzőekben leírt redundancia elvek, de a soros kommunikációs rendszer struktúrája miatt célszerű a jellemzők megfelelő csoportosítása, és az értékelés korrekt megfogalmazása. A Foundation Fieldbus technológiát használó rendszerben a redundancia nyilvánvalóan nem kizárólag a vezetékek megduplázását jelenti, ezért ezekben a rendszerekben a következő redundanciákat különböztethetjük meg: • • • • • • •

távadó redundancia, kontroller redundancia, szelep redundancia, tápfeszültség redundancia, LAS redundancia, kaszkád hurok redundancia, vezeték redundancia.

10.5.1.6. Távadó redundancia A legegyszerűbb, de a költségek szempontjából a legdrágább megoldást szolgáltató, az előzőekben leírtakban megfogalmazott struktúrájú redundancia. A több távadós, FF-ben alkalmazott rendszer konfigurációja a 10.100. ábrán látható. A rajzon követhető, hogy a távadó blokkok kimenete egy, a rendszer konfigurálása során beállított kiválasztó elemre jut (ISEL - Input Selector), melynek programozása során lehet érvényesíteni a kívánatos duplikált, vagy TMR rendszerű struktúrát. Xtrm-1

AI OUT

IN_1 OUT

Xtrm-2 AI OUT

ISEL IN_2

OUT

IN_3

Xtrm-3

AI

10.100. ábra: Távadó redundancia megvalósítása FF rendszerben A különböző redundáns konfigurációkat a tervezett rendszerek hibatűrési szintjének megfelelően a távadók nagyobb számú alkalmazásával lehet kialakítani, ahol a tolerancia és redundancia-fokhoz tartozó nemzetközi jelölés: MooN = M out of N ahol és

318

M -1= a toleranciafok N -1= a redundanciafok.

A leggyakoribb érzékelő konfigurációk az alábbiak. • •

1oo1: Egy érzékelő alkalmazása (0 hibatűrés; 0 redundancia). 1oo2: Két érzékelő alkalmazása, amelyek közül az egyik már elegendő a beavatkozáshoz (fokozottan hibatűrő; 0 hibatűrés; 1 redundancia). • 2oo2: Két érzékelő alkalmazása, mindkettő együttes jelzése szükséges a beavatkozáshoz (1 hibatűrés; 1 redundancia). • 2oo3: Három érzékelő alkalmazása, melyek közül legalább kettő együttes jelzése szükséges a beavatkozáshoz (1 hibatűrés; 2 redundancia). • 2oo4: Négy érzékelő alkalmazása, melyek közül legalább kettő együttes jelzése szükséges a beavatkozáshoz (1 hibatűrés; 3 redundancia). Megjegyezzük, hogy a fentieken túl a diagnosztikával kombinált eszközöknél más megjelöléssel is találkozhatunk, mint pl. 1001D, 1002D, stb. 10.5.1.7. Szabályozó redundancia A Foundation Fieldbus rendszerek rendelkeznek a terepi szabályozáshoz szükséges PID algoritmussal. Ezzel a megoldással az elosztott rendszer megvalósítható, vagyis a hagyományosan centralizált DCS illetve PLC szabályozás kiváltható, azaz a DCS/PLC PID szabályozók tartalékaként lehet a PID funkcióblokkot konfigurálni. A felsőszintű irányítórendszerben történő meghibásodás esetén a szabályozási feladatokat a terepi PID szabályozó látja el a 10.101. ábra szerint. A rendszerben az átkapcsolást úgy kell biztosítani, hogy közben ne álljon le a működtetés. Természetesen a szabályozók duplikálásával is lehet biztosítani a redundanciát.

10.101. ábra: Szabályozó redundancia megvalósítása FF rendszerben Abban az esetben, amikor a megbízhatósággal szemben támasztott követelmények még nagyobbak, célszerű a távadó és a szabályozó redundanciát együtt alkalmazni. Ilyen struktúra látható a 10.102. ábrán, ahol a szabályozás a központi vezérlőegységben (host) van megvalósítva, és a tartalék PID a terepi eszközben van elhelyezve. Ehhez a PID szabályozóhoz csatlakozik a tartalék távadó is. Nyilvánvaló, hogy ilyen alkalmazáshoz szükséges egy kapcsoló egység, amely automatikusan végzi az átkapcsolást a központi vezérlőegység és a terepi eszköz között. Normál üzemmenet alatt a host egység végzi a szabályozást, míg meghibásodás esetén a terepi eszköz veszi át ezt a funkciót.

319

10.102. ábra: Kontroller redundancia megvalósítása átkapcsolóval 10.5.1.8. Szelep redundancia A szabályozási kör teljes redundanciájához hozzátartozik a beavatkozó egység redundanciája is, melyet a szelepek duplikálásával (kritikusabb esetekben többszörözésével) lehet biztosítani. Ebben az esetben a működtető szelep végzi el a feladatot - hasonlóan az előzőekben vázolt megoldásokhoz - és a tartalék csak ennek meghibásodása esetén lép be. Ebben az alkalmazásban a szabályozószelepek elé elzárószelep beiktatása szükséges, mert ezzel lehet biztosítani a meghibásodott szabályozószelep kikapcsolását a rendszerből. A 10.103. ábrán látható, hogy az átkapcsoló modul mindkét analóg kimeneti blokk (AO1 és AO2) számára biztosítja a jelet. A normál működtetés idején a DO1 elzáró szelep nyitva, míg a DO2 szelep zárt állapotban van, így az AO1 szelep működik. Meghibásodás esetén az RSwitch átkapcsolóhoz tartozó BKCAL_IN bemenetekre jutó hibajel alapján az átkapcsoló működésbe lép és először zárja a DO1-et, majd a DO2 nyitása után működteti az AO1 blokkot.

Valve-1 DO1

Valve-2

Xtrm

AO1

AI1

RSwitch

OUT

Valve-3 DO2

Field PID

Valve-4 AO2

A szelepek és a távadók fizikai elhelyezése a csővezetékben

10.103. ábra: Szelep redundancia megvalósítása 320

10.5.1.9.Tápegység redundancia A szabályozási rendszerekben talán a rendszer egyik eleme sem annyira kritikus, mint a táplálás (a feszültség és a levegőellátás) folyamatos biztosítása. A villamos táplálás hibamentes biztosítása különösen fontos a soros kommunikációra épülő Foundation Fieldbus rendszerekben. A tápfeszültség kimaradása, illetve újbóli megjelenése esetén fellépő címzési hibák jelentős károkat képesek okozni, ezért kell különleges gondossággal eljárni a tápegység redundancia megvalósításában (10.104. ábra). tápegység PS1

tápegység

RSwitch

Fieldbus gerinc kábel

PS2

10.104. ábra: Tápegység redundancia megvalósítása Az egyik legegyszerűbb megoldás egy, a meglévő tápegység mellé telepített tartalék tápegység beiktatása. Természetesen ebben az esetben gondoskodni kell a tápegység és a tartalékegység szünetmentes átkapcsolásáról. Foundation Fieldbus rendszerekben a tápegység egy megfelelő gyártóműi (Resource) blokkal rendelkezik, ami alarm jelet generál meghibásodás esetén. Másik igen elterjedt megoldás egy második tápegység telepítése, és ennek faladata figyelni a tápfeszültség meglétét, illetve csökkenését a rendszerben. Meghibásodás esetén az átkapcsolás az előzőhöz hasonló módon történik. Ennek a megoldásnak az előnye, hogy a plusz telepített tartalék tápegység és a fő tápegység egyszerre történő károsodásának kicsi a valószínűsége. A leírt megoldások a Foundation Fieldbus szegmens tápfeszültség ellátását biztosítják, de ez nem jelenti a szabályozók, jelismétlők, leválasztók tápellátásának redundanciáját, amit természetesen az egységeknél kell megoldani. A Foundation Fieldbus sajátossága, hogy a soros vonalon lévő eszközök ugyanazon a vezetékpáron keresztül kapják a működtetést biztosító tápfeszültséget is. Ennek a tápfeszültségnek a kimaradása a teljes szegmens működésképtelenségéhez vezet, ezért a redundáns tápegység használata nagyon ajánlatos nagy hibatűrésű rendszerekben. Foundation Fieldbus rendszerekben alkalmazható redundáns tápegységet készít az Relcom Inc. (U.S.A.) és a Pepperl+Fuchs Group (Németország). A 10.105. ábrán látható Relcom gyártmányú redundáns tápegység szünetmentesen képes biztosítani a FF szegmens tápellátását, és az egységben a lezáró ellenállás is rendelkezésre áll. A 10.106. ábrán látható Pepperl+Fuchs gyártmányú redundáns tápegység is szünetmentesen képes biztosítani a FF szegmens tápellátását, és ebben az egységben is rendelkezésre áll a lezáró ellenállás.

321

10.105. ábra: Relcom gyártmányú redundáns tápegység FF szegmens táplálásra 1

4

2

5

3

6

7

10

screen

switchable

Fault

Bus termination -

+ U

+ 8 11 9 12 Power supply

Power rail

Fault signal

10.106. ábra: Pepperl+Fuchs gyártmányú redundáns tápegység FF szegmens táplálásra 10.5.1.10. További FF redundanciák További redundanciák lehetnek a FF rendszerben: • • •

322

Link Master redundancia, vezeték redundancia, teljes redundancia.

10.5.1.11. Redundancia megvalósítása Honeywell C200 rendszerben Honeywell C200 rendszerben a Fieldbus Redundancy Module gondoskodik a rendszer redundanciájáról. Ez az egység szinkronizálja az elsődleges, illetve másodlagos terepi meghajtó egységeket (Fieldbus Interface Modules). Mindkét egységben azonos módon lehet felépíteni a szabályozási stratégiát, így az átkapcsolás esetén sem a technológia, sem az operátor nem veszi észre, hogy a redundáns elemek közül melyik lépett üzembe. Az Experion PKS segítségével viszont minden üzemállapotban megjeleníthető, hogy melyik egység üzemel (10.107. ábra). A redundancia az Experion PKS Fieldbus rendszerben akkor is biztosítható, ha előzőleg nem volt redundáns a rendszer, vagyis váltás esetén kényelmesen át lehet térni a redundáns megoldásra.

10.107. ábra: Redundáns egységek az Experion PKS megjelenítőn Foundation Fieldbus alkalmazásokban tipikusan az alábbi redundáns megoldások jöhetnek számításba: • • •

tápegység redundancia, H1 FF vezérlő redundancia, teljes redundancia.

10.5.2. A Foundation Fieldbus védelmi módjai robbanásveszélyes övezetben A különböző robbanásveszélyes övezetek (Hazardous Area) besorolása a különböző anyagok (ásványolajok, alkoholok, gázok, gőzök, szénpor, folyadékok, stb.) és a környezeti hőmérséklet függvényében történik. Ezeknek a rendszereknek a részletes ismertetésére itt nem kerül sor, de a későbbi rendszerparaméterek egyértelmű megfogalmazása miatt egy rövid összefoglalásban leírásra kerülnek a különböző besorolások.

323

10.5.2.1. Az IEC és a CENELEC szabvány előírásai A robbanásveszélyes övezettel kapcsolatos szabványosítást Európában a CENELEC (European Committee for Electrotechnical Standardization) és az IEC (International Electrotechnical Commission) non-profit szervezetek szoros együttműködésben végzik. Az IEC 79 Zóne osztályozást a legtöbb ország alkalmazta, az USA és Kanada viszont az osztály besorolást használja. Az Egyesült Államokban és Kanadában az US National Eleectrical Code fogalmazta meg a különböző besoroláshoz tartozó jellemzőket. Ennek megfelelően a 10.108.a, ábra táblázatában az IEC/CENELEC által és az USA/Kanada által használt definíció látható. IEC/CENELEC

USA/Kanada

Zóna 0: Robbanó gázkeverék állandó, illetve hosszú Division 1: Gyúlékony gázok vagy gőzök veszélyes idejű jelenléte. koncentrációja - vagy éghető porok szuszpenzióban, Zóna 1: Robbanó gázkeverék jelenléte normál üzem- folyamatosan, vagy időszakosan vannak jelen normál üzemmenet ideje alatt. menet ideje alatt lehetséges. Zóna 2: Robbanó gázkeverék normális üzemmenet Division 2: Gyúlékony gázok vagy gőzök zárt tartályalatt nem, vagy legfeljebb rövid ideig lehet jelen. ban vagy rendszerben vannak, amelyek meghibásodás, vagy abnormális működés miatt nyitottá válnak. Éghető porok nincsenek szuszpenzióban normál működés közben, de szuszpenzió keletkezhet.

10.108.a, ábra: Veszélyes övezet besorolása A gyúlékony gázok meggyulladásához szükséges energia szerinti csoportosítás az előzőekhez hasonlóan különbözik az Európai és az Észak Amerikai Szabványokban (10.108.b, ábra). IEC/CENELEC

USA/Kanada

A gyúlékony gázok, gőzök és permetek a szikra energiájának (levegővel alkotott keverék) megfelelően vannak csoportosítva. Az alábbi csoportokban a gázoknak megfelelően kell berendezéseket használni.

A gyúlékony gázok, gőzök és permetek, továbbá a begyulladó porok, rostok, és szálló anyagok a berobbanási energiaigénynek (levegővel alkotott keverék) megfelelően vannak csoportosítva.

Felszíni technológiák Group IIC: acetilén Group IIC: hidrogén Group IIB: etilén Group IIA: propán

Bányászat Group1: metán

a könnyebb berobbanás iránya

Felszíni technológiák Class I, Group A: acetilén Class I, Group B: hidrogén a könnyebb Class I, Group C: etilén berobbanás Class I, Group D: propán iránya Class II, Group E: fémpor Class II, Group F: szénpor Class II, Group G: liszt, szemcse Class III: rostok és szálló anyagok Bányászat Group1: metán

10.108.b, ábra: A gyúlékony anyagok (gázok, porok) besorolása A működési terület meghatározását szemlélteti a 10.108.c, ábra Ex-i IIB és IIC alkalmazásra.

324

10.108.c, ábra: ábra Ex-i IIB és IIC esetén adott működési terület (U-I) Az ábrához tartozó kapacitás és induktivitás határértékek: Csoport IIC IIB

C 165 nF 1,14 µF

L 0,35 mH 1,04 mH

A veszélyes övezetben a gyártmány meghibásodása esetén létrejövő maximális terepi hőmérséklethez tartozó besorolást a 10.108.d, ábra mutatja. Hőmérsékleti osztály

Hőmérsékleti érték

A gyártmány maximális felszíni hőmérséklete

T1

450 °C

< 450 °C

T2

300 °C

< 300 °C

T3

200 °C

< 200 °C

T4

135 °C

< 135 °C

T5

100 °C

< 100 °C

T6

85 °C

< 85 °C

10.108.d, ábra: A hőmérsékleti besorolás A fenti jellemzők mellett fontos paraméter a gyulladási görbe, amely a feszültség függvényében a megengedett áramerősséget tünteti fel, az I, IIA, IIB és IIC osztályokra (CENELEC EN 50020 szabvány). Fentiek alapján gyakorlati útmutató adható a berendezések használati tartományára. Ennek alapján az adott eszköz működésére vonatkozó megengedett adatok megadhatók. 10.5.2.2. FF eszközök alkalmazhatósága robbanásveszélyes övezetben A különböző gyártók, az általuk készített gyártmányok veszélyes övezetben történő használatát az IEC illetve CENELEC előírásainak megfelelően minősíttetik, és a kijelölt tanúsító intézetek adják ki az eszközökről a hivatalos minősítést. Az egyes országokban meglévő hatóságok (Bányakapitányság, Magyar Kereskedelmi Engedélyezési Hivatal), illetve kereskedelmi alapon megbízott vizsgáló állomások (pl. TÜV) az adott ország területére érvényes előírásoknak megfelelően adnak engedélyt az eszköz használatára (Magyarországon az Ex Vizsgáló

325

Állomás - régen BKI). Hasonló eljárás alá esik a Foundation Fieldbus eszközök engedélyeztetése is. A terepi kommunikációs rendszer sajátosságainak (soros kommunikáció, ugyanazon a vezetéken a tápfeszültség és a jelátvitel, elemleíró fájlok használata, interoperabilitás, stb.) megfelelően, az egyes eszközök használatával kapcsolatos előírásokat rendszerint a kommunikációs rendszerek működését összefogó alapítványok (Profibus illetve Fieldbus Foundation) fogják össze. A Fieldbus Foundation segíti egyrészt a gyártókat, másrészt a felhasználókat, hogy eredményesen tudják alkalmazni a piacon megjelenő eszközöket és módszereket. A robbanásveszélyes övezetben történő alkalmazást is támogatja az alapítvány az IEC/CENELEC előírások szigorú betartásával. Műszerezés robbanásveszélyes övezetben Alapvetően két megoldás kínálkozik arra, hogy robbanásveszélyes térségben terepi műszerezés kerüljön kialakításra. A Nyugat-európai és tengerentúli gyakorlatban elterjedt megoldás az eszközök nyomásálló tokozással (EEx d védelmi mód) való szerelése. A nyomásálló tokozással bíró védelmi móddal való műszerezés filozófiája az, hogy a terepen kialakított kábelezést, csatlakozásokat, elágazásokat a normál üzemmenet alatt nem bontják meg. Az ilyen kivitelben felépített szegmenseken javítás, karbantartás az érintett alszegmensek áramtalanítása után lehetséges. A gyártók által kibocsátott távadók és beavatkozó szerelvények elektronikáját tartalmazó ház masszív, vastag falú, és rajta a rések legnagyobb megengedett mérete olyan, hogy teljesíti azt a követelményt, miszerint a doboz belsejéből szikra, robbanás, forró égéstermék nem juthat ki a kültérbe. Mind hagyományos, mind busz rendszerű műszerezés esetén EEx d tokozású terepi csatlakozódobozokat használnak a kábelek csatlakoztatására. A terepi műszerezés megvalósításának másik lehetősége a gyújtószikramentes (Intrinsically Safe I.S.) terepi eszközök és tápegységek alkalmazása. A gyújtószikramentes tápegységek biztosítják, hogy a robbanásveszélyes zónába ne juthasson ki olyan energiaszint, amely elegendő lenne ahhoz, hogy rövidzárás esetén szikrát generáljon. A gyújtószikramentes tápegységekkel szerelt szegmensek jól karbantarthatók, a szegmensek bővítése, új csatlakozás létesítése, javítás, terepi eszköz cseréje az üzemmenet ideje alatt áramtalanítás nélkül megvalósítható. A gyújtószikramentes gyártmányok biztonsági szintjük alapján gyújtószikramentes osztályokba sorolhatók. Ez a besorolás azt jelenti, hogy az adott eszköz, áramkör hány meghibásodást bír ki úgy, hogy annak paraméterei továbbra is - a biztonsági tényezőnek megfelelően gyújtószikramentesek maradjanak. Ebben a besorolásban a gyújtószikra képződésének megakadályozása a cél, a szabvány nem követeli meg az eszköz rendeltetésszerű működésének képességét hiba esetén. Az IEC szabvány két gyújtószikramentes védelmi kategóriát definiált, míg az Észak Amerikai szabványok egy kategóriába sorolták a védelmi módot (10.109. ábra).

326

IEC/CENELEC

USA/Kanada

EX ia: Robbanásvédelem biztosítva két komponensre, vagy egyéb meghibásodásra. Az Ex ia minősített I.S. berendezés telepíthető és csatlakoztatható a Zóna 0, 1 és 2 veszélyes övezetekben. (Németországban a Zóna 0 rendszerekben galvanikus elválasztás és rendszerminősítés szükséges). Ex ib: Robbanásvédelem biztosítva egy komponensre, vagy egyéb meghibásodásra. Az Ex ib I.S. berendezés telepíthető és csatlakoztatható a Zóna 1 és 2 veszélyes övezetekben.

Egy kategória: A biztonságos üzemmenet biztosítva két komponensre, vagy egyéb meghibásodásra. A minősített I.S. berendezés telepíthető és csatlakoztatható Division 1 és 2 veszélyes övezetekben.

10.109. ábra: Gyújtószikramentes védelmek besorolása Zóna 0 – ban alkalmazható gyártmányok 1. Csak olyan gyártmányok és rendszerek alkalmazhatók, amelyek kielégítik a gyújtószikramentes védelem: „EEx ia” kategória követelményeit (beleértve a teljes szerelési rendszert, kábeleket, vezetékeket, egyenpotenciálra hozó hálózatot – EPH-t – földelést, túlfeszültség levezetőt stb.). 2. Alkalmazhatók továbbá az „EEx s” jelű - különleges - és az IEC 79-0 szerinti zónával azonosított villamos szerkezetek, amelyeket ilyen körülményekre gyártottak és tanúsítottak célszerűen a nemzeti szabványok vagy üzemi szabályzatok alapján. Az „EEx s” különleges védelmi mód. Nincs szabványa, de a gyártó illetve vizsgáló állomás képes bizonyítani, hogy a gyártmány a szabványosított védelmi módok valamelyikével azonos biztonságot testesít meg, azzal egyenértékű. Zóna 1 – ben alkalmazható gyártmányok 1. Azok a gyártmányok, amelyek kielégítik a Zóna 0 -ra vonatkozó követelményeket, 2. kielégítik a következő felsorolásban található egy vagy több védelmi módra vonatkozó követelményeket: • • • • • • •

EEx d - nyomásálló tokozat, EEx i - gyújtószikra mentes védelem, EEx m - légmentes lezárás, EEx e - fokozott biztonság (mechanikai kialakítás), EEx p - túlnyomásos gyártmány, EEx q - kvarchomok töltés, EEx o - olajalatti védelem.

Zóna 2 – ben alkalmazható gyártmányok 1. A Zóna 0 és Zóna 1 villamos gyártmányai, 2. kifejezetten a Zóna 2 számára kialakított (pl. „EEx n” védelmi módú) gyártmányok, 3. olyan, a szabvány követelményeinek megfelelő gyártmány, amelynek normál üzemben nincsenek gyújtásra képes forró felületei és nem keletkeznek bennük villamos ívek vagy szikrák.

327

EEx n különleges védelmi módú eszközök típusai: Jelzés

EEx nA EEx nL EEx nC EEx nR EEx nP

Jelentés

Nem szikraképző Korlátozott energia Szikraképző Sújtólégbiztos Egyszerűsített túlnyomás

Összevethető védelmi mód

EEx e EEx i EEx d és m Behatolás korlátozás EEx p

A gyújtószikramentes terepi gyakorlatban alkalmazott készülékek és építőelemek az alábbiak: a.) Egyszerű passzív gyártmányok – Simple Apparatus Jellemzőjük, hogy kimenő energiaszintjük alacsony: Uki