U n i v e r z i t e t u N i š u E l e k t r o n s k i f a k u l t e t

Dr Dragan Denić, Goran Miljković

TELEMETRIJA

- skripta -

Niš, 2008.

1

Dr Dragan Denić, Goran Miljković T E L E M E T R I J A Izdavač: Elektronski fakultet u Nišu P. fah 73, 18000 Niš http://www.elfak.ni.ac.yu Glavni i odgovorni urednik: Prof. dr Zoran H. Perić Tehnički urednik: Goran Miljković Preštampavanje ili umnožavanje ove skripte nije dozvoljeno bez pismene dozvole izdavača. Tiraž: ___ primeraka Štampa: “_______ ”, Niš

2

SADRŽAJ: 1. OSNOVI TELEMETRIJE 5 1.1 Uvod 5 1.2 Komunikacioni kanali 9

1.2.1 Prenosne linije 9 1.2.2 Radio frekventni prenos 11 1.2.3 Komunikacija optičkim vlaknom 12

1.2.3.1 Optička vlakna 12 1.2.3.2 Izvori i detektori 14 1.2.3.3 Komunikacioni sistemi sa optičkim vlaknima 15

1.3 Telemetrija osnovnog opsega 16 1.3.1 Telemetrija osnovnog opsega bazirana na amplitudi 16

1.3.1.1 Telemetrija osnovnog opsega bazirana na naponu 16 1.3.1.2 Telemetrija osnovnog opsega bazirana na struji 16 1.3.1.3 Telemetrija osnovnog opsega bazirana na poziciji 17

1.3.2 Telemetrija osnovnog opsega bazirana na frekvenciji 17 1.4 Višekanalna telemetrija 17

1.4.1 Multipleksiranje sa frekvencijskom raspodelom kanala 18 1.4.1.1 Modulacija amplitude pomoćnog nosioca 19 1.4.1.2 Frekventna modulacija pomoćnog nosioca 20 1.4.1.3 Delta modulacija 21 1.4.1.4 Telemetrijski standardi za frekventno multipleksiranje 22

1.4.2 Multipleksiranje sa vremenskom raspodelom kanala (TDM) 23 1.4.2.1 Analogne modulacije pomoćnog nosioca kod TDM-a 24 1.4.2.2 Telemetrijski standardi impulsno kodne modulacije 26 1.4.2.3 Poređenje PCM i FM-a 28

1.4.3 Multiplekseri 29 1.4.3.1 Analogni multiplekseri 29 1.4.3.2 Digitalni multiplekseri 34 1.4.3.3 Multipleksiranje kao izvor grešaka 35 1.4.3.4 Višenivovsko multipleksiranje 36

1.5 Korišćenje UART-a pri prenosu digitalnog signala 41 1.6 Modemi 42 1.7 Interfejs standardi 44 1.8 Kodovi za detekciju i korekciju grešaka 50 2. DVOŽIČNI TRANSMITERI 52 2.1 Metode povezivanja mernih pretvarača 52

2.1.1 Načini spajanja mernih pretvarača sa prijemnikom signala 52 2.2 Tipovi izvora snage unutar dvožičnog transmitera 56 2.3 Digitalni dvožični transmiteri 58 2.4 Prikaz nekih dvožičnih transmitera i karakteristike 59

2.4.1 Dvožični izolovani transmiteri serije CB 60 2.4.1.1 CB 37 transmiter termoparova sa kompenzacijom (CJC) 61 2.4.1.2 CB 36 transmiter sa potenciometarskim ulazom 62 2.4.1.3 CB 47 transmiter sa kompenzacijom (CJC) i linearizacijom termoparova 64

2.5 XTR 101 integrisani dvožični transmiter 65 3. PRENOS MERNIH SIGNALA PUTEM ENERGETSKIH VODOVA 71 3.1 Istorijski pregled 71 3.2 Mreže za distribuciju električne energije 71

3

3.3 Standardi 72 3.4 Uskopojasni PLC 73 3.5 Širokopojasni PLC 77 3.6 PLC pristupne mreže 77

3.6.1 Struktura PLC pristupnih mreža 77 3.6.2 Kućne PLC mreže 78 3.6.3 PLC mrežni elementi 79

3.6.3.1 Osnovni mrežni elementi 80 3.6.3.2 Repetitor 81 3.6.3.3 PLC kapija 82

3.6.4 Povezivanje sa bazičnom mrežom 83 3.7 Komunikacione tehnologije za PLC distribuirane mreže 84 3.8 Topologija distribuiranih mreža 85 3.9 Upravljanje PLC pristupnim mrežama 86 3.10 Srednje-naponski PLC 87 3.11 Specifični problemi performansi PLC – a 88

3.11.1 Karakteristike PLC prenosnog kanala 89 3.11.2 Elektromagnetna kompatabilnost 89 3.11.3 Uticaj smetnji i ograničenja brzine prenosa podataka 90 3.11.4 Realizacija širokopojasnih PLC sistema prenosa 91 3.11.5 Poboljšanje performansi efikasnim MAC slojem 91

3.12 Sažetak 92 4. LAN-BAZIRANI TELEMETRIJSKI SISTEMI 94 4.1 Eternet Hardver 94

3.1.1 Mrežne kartice i RJ-45 konektor 96 4.2 Eternet protokol prenosa 97 4.3 Telemetrijski sistemi bazirani na Eternetu 99

4.3.1 Telemetrijski sistemi bazirani na Eternetu sa LAN/IEEE-488 konvertorima 99 4.3.2 Telemetrijski sistemi sa LAN interfejsom 101

4.4 Internet bazirani telemetrijski sistemi i sistemi sa ugrađenim web serverima 101 4.4.1 AVR460 ugrađeni web server 103

5. TELEMETRIJSKI SISTEMI BAZIRANI NA RADIO-MODEMIMA 104 5.1 Osnovi radio prenosa 104 5.2 Komponente radio veze 105 5.3 Radio spektar i raspodela frekvencije 107 5.4 Radio modemi 108 5.5 Modovi rada radio modema 110 5.6 Karakteristike radio modema 111 5.7 Radiomodemi i merni sistemi 112 6. TELEMETRIJSKI SISTEMI SA GSM BAZIRANIM PRENOSOM PODATAKA 114 6.1 GSM mreža mobilne telefonije 114 6.2 GSM-bazirani prenos podataka 116

6.2.1 Mobilne stanice 116 6.2.2 Servis kratkih poruka 118 6.2.3 Servis multimedijalnih poruka 119 6.2.4 Circuit Switched Data 119 6.2.5 High-Speed Circuit Switched Data 119 6.2.6 Uopšteni paketni radio servis (GPRS) 120 6.2.7 EDGE prenos 122

4

6.2.8 AT komande 123 6.3 Distribuirani merni sistemi bazirani na GSM-u 125

6.3.1 Primer mernog sistema baziranog na GSM-u 126 6.4 Merni sistemi sa SMS prenosom podataka 127 6.5 Univerzalni sistem mobilnih telekomunikacija i prenosa mernih podataka 129

6.5.1 Opšte karakteristike UMTS-a 129 6.5.2 Digitalni prenos podataka 130 6.5.3 Pozicioniranje mobilne stanice u UMTS-u 131

7. PRENOS PODATAKA INFRACRVENIM ZRAČENJEM 133 8. PRIMENA BLUETOOTH-a U TELEMETRIJSKIM SISTEMIMA 138 8.1 Parametri bluetooth standarda 138 8.2 Dodeljivanje kanala prenosa po bluetooth standardu 140 8.3 Komunikacija 140 8.4 Aplikacije bluetooth-a 141

8.4.1 Telemetrijski sistem za merenje temperature klipa u motoru 141 9. AKUSTIČNA TELEMETRIJA 145 9.1 Opis telemetrijskog sistema 145 9.2 Akustični telemetrijski modemi 148 9.3 Aplikacije telemetrijskih sistema 150

9.3.1 NUWC modem određenog opsega 151 9.3.2 MDR 151 9.3.3 SETI VTP 152 9.3.4 Podvodni akustički ECG telemetrijski sistem baziran na mikrokontroleru 153

10. VIRTUELNA INSTRUMENTACIJA U TELEMETRIJSKIM SISTEMIMA 156 10.1 Funkcionalni model virtuelnog instrumenta 156 10.2 Kategorije virtuelnih instrumenata 159 10.3 Osnovne komponente virtuelnih instrumenata 161

10.3.1 Računar i displej 161 10.3.2 Softver 162 10.3.3 Magistrale za povezivanje sa računarom 163 10.3.4 Modularni hardver 164

10.4 Poređenje virtuelnog sa klasičnim instrumentom 167 11. INDUSTRIJSKI TELEMETRIJSKI SISTEMI 169 11.1 Bežični senzori i senzorske mreže 169 11.2 Praktični primeri telemetrijskih sistema 169

11.2.1 Sistem bežičnog očitavanja udaljenog merenja 169 11.2.2 Telemetrijski sistem za metereološka merenja 172 11.2.3 Dijagnoza kvarova i održavanje elektronske opreme preko Interneta 174 11.2.4 Bežični sistem za merenje naprezanja 177 11.2.5 Merenje karakteristika gume točka automobila 179 11.2.6 Telemetrijski sistemi i Internet 180

LITERATURA 184

5

1. OSNOVI TELEMETRIJE 1.1 Uvod

Telemetrija je nauka koja se bavi prikupljanjem informacija na nekoj udaljenoj lokaciji i njihovim prenosom do neke pogodne lokacije gde se one mogu snimati i analizirati. Telemetrija, kao poseban vid komunikacionog sistema, se prevashodno bavi prenosom mernih informacija (podataka). Kada se telemetrijski sistem koristi za kontrolu i sakupljanje podataka koristi se termin supervizorska kontrola i akvizicija podataka. Telemetrijski sistem se može realizovati različitim metodama: optičkim, mehaničkim, hidrauličnim, električnim, itd.

Mehaničke metode, pneumatske ili hidraulične, daju dobre rezultate na kratkim rastojanjima i u sredinama koje imaju visoki nivo elektromagnetne interferencije i u onim situacijama gde je, iz bezbedonosnih razloga, nemoguće koristiti električne signale, kao na primer u eksplozivnim sredinama. Pneumatski prenos [1], kao što je prikazano na slici 1.1, se znatno koristi u procesnoj instrumentaciji i kontroli. Merena veličina (pritisak, nivo, temperatura, itd.) se konvertuje u pneumatski pritisak, standardni opsezi signala su 20-100 kPa izmerenog pritiska i 20-180 kPa. Vrednost donje granice opsega izmerenog pritiska obezbeđuje živu nulu za instrument, što omogućava detekciju prekida linije, lakšu kalibraciju i proveru intrumenta, i obezbeđuje poboljšani dinamički odziv pošto, kada imamo ventilaciju atmosferskim pritiskom, postoji još uvek dovoljan pokretački pritisak od 20 kPa. Pneumatski signali mogu biti prenešeni na razdaljinama do 300m u plastičnim i metalnim cevima prečnika 6.25mm ili 9.5mm do pneumatskog indikatora, rikordera ili kontrolera. Povratni signali za kontrolne svrhe se prenose od kontrolera do kontrolnog elementa (kontrolni ventil). Razdaljina je ograničena brzinom odziva, koji je četiri puta sporiji sa dupliranjem razdaljine.

Pneumatski insrumenti su samosigurni i mogu se koristiti u opasnim sredinama. Oni obezbeđuju zaštitu od nestanka električne energije, pošto sistemi koji imaju skladištenje vazduha ili turbinske kompresore mogu nastaviti sa merenjem i kontrolom za vreme nestanka električne energije. Pneumatski signali su takođe direktno povezani sa kontrolnim ventilima koji rade pneumatski i stoga ne zahtevaju električno/pneumatske konvertore koje inače električni telemetrijski sistemi zahtevaju, ali oni pak pate od otežanog povezivanja sa logerima podataka. Pneumatski prenosni sistemi zahtevaju suvo, dobro regulisano snabdevanje vazduhom. Kondenzovana vlaga u cevima pri temperaturama ispod nule ili mali čvrsti zagađivači mogu da blokiraju male prolaze u pneumatskim instrumentima i da uzrokuju gubitak tačnosti i otkaz.

Slika 1.1 Pneumatski prenos

Optički sistemi bazirani na optičkom vlaknu imaju širok frekventni opseg i dobar imunitet na šum i interferenciju. Takođe, imamo telemetrijske sisteme bazirane na ultrazvuku, kapacitivnoj ili induktivnoj sprezi, infracrvenom zračenju, mada se ove metode ne koriste često. Ovde ćemo prevashodno razmatrati telemetrijske sisteme bazirane na električnom signalu.

6

Prednosti električnih u odnosu na mehaničke metode su: praktično nema ograničenja u iznosu rastojanja između oblasti gde se vrše merenja i oblasti

gde se obrađuju rezultati, ove se metode mogu lako adaptirati, nadograđivati i inflitrirati u postojećim

infrastrukturama. Različite tehnike prenosa signala upotrebljavaju različite delove elektromagnetnog spektra,

kao što je prikazano na slici 1.2.

Slika 1.2 Elektromagnetni spektar

Skoro sve situacije u oblasti instrumentacije i merenja su kandidati za korišćenje telemetrijske veze. Takođe, telemetrija se široko koristi u vasionskim aplikacijama i to kako za daljinsko merenje različitih fizičkih promenljivih, tako i za daljinsko upravljanje pomoću aktuatora. U većini aplikacija ovog tipa, kao što je i primer vasionske telemetrije, veoma je važno da se projektuju telemetrijski sistemi koji bi potrošnju energije sveli na minimum. Neka mobilna vozila, kao što su vozovi, takođe koriste telemetrijske sisteme, ili bežične ili uz korišćenje postojećih energetskih vodova za prenos podataka do centralne stanice i za prijem komandi. U medicini telemetrija povećava pacijentima kvalitet života i njihovu mobilnost, pošto pacijenti ne moraju da budu prikačeni za merni sistem radi monitoringa. Neke medicinske aplikacije su bazirane na implantaciji senzora u pacijentu i prenošenju podataka, koji će se dalje analizirati i obrađivati, ili pomoću radio kanala ili pomoću adaptiranih telefonskih linija. Optički senzori i komunikacije sa optičkim vlaknom se koriste u industriji za merenje u okolinama gde nije poželjno imati električne signale, kao što su eksplozivne sredine. Projektant telemetrijskog sistema mora imati na umu uslove u kojima će sistem raditi. Obično je poželjno da telemetrijski sistemi rade u širokom temperaturnom opsegu bez čestog podešavanja i kalibracije. Sa razvojem različitih telemetrijskih sistema potrebno je održati kompatibilnost prenosa, prijema i opreme za obradu signala u svim opsezima. Zbog toga je Ekipa sektora za odbranu i razvoj (Department of Defense Research and Development Squad) formirala Komitet za vođene projektile (Guided Missiles Committee), koji je obrazovao Radnu grupu za telemetriju. Ona je kasnije postala IRIG grupa (Inter-Range Instrumentation Group) koja je razvila standarde za telemetriju. Danas, IRIG standard 106-96 je primarni standard telemetrije koji se koristi u celom svetu i od strane vlada i u industriji.

Zavisno od tipa kanala prenosa koji koriste, električne telemetrijske metode se dele na dve velike grupe i to one bazirane na žičanom prenosu signala i one druge bazirane na bežičnom prenosu signala. Žičana telemetrija je tehnički najjednostavnije rešenje. Ograničenja žičane telemetrije su mala širina opsega i relativno mala brzina prenosa koju može da podrži. Sa druge strane ona često može da koristi već postojeću infrastrukturu npr. primena energetskih vodova. Bežična telemetrija je kompleksnija od žičane telemetrije, ali uprkos tome ona je u širokoj upotrebi pošto može da prenosi informacije na veće udaljenosti; stoga, koristi se u onim aplikacijama u kojima merna zona nije normalno dostupna. Ima veće brzine prenosa i ima dovoljno kapaciteta za prenos više kanala.

7

Na slici 1.3 data je uopštena blok šema telemetrijskog sistema [2]. On se sastoji iz: pretvarača koji konvertuje fizičku promenljivu koja se meri u električni signal koji se lako

može dalje obrađivati; kola za kondicioniranje, koja služe da pojačaju signal niskog nivoa iz pretvarača, ograniče

njegovu širinu opsega i adaptiraju nivoe impedanse; kolo za obradu signala koje ponekad može biti integrisano u prethodnim kolima; oscilator za generisanje nosioca čiji će signal biti modulisan izlaznim signalom različitih

pretvarača koji je prethodno obrađen i adaptiran; kolo za kodiranje, koje može biti digitalni enkoder, analogni modulator ili digitalni

modulator, koje prilagođava signal karakteristikama kanala prenosa, koji je žica ili antena; radio predajnik, kod bežične telemetrije, modulisan kompozitnim signalom; impedansni linijski adapter, u slučaju žičanog prenosa, da prilagodi karakterističnu

impedansu linije sa izlaznom impedansom kola povezanih na adapter; i kod bežične komunikacije, emisiona antena.

Prijemnik sadrži slične module. Kod bežične telemetrije, ovi moduli su: prijemna antena dizajnirana za maksimalnu efikasnost u korišćenom RF opsegu, radio prijemnik sa demodulatorom kompatibilnim sa modulatorom i demodulaciona kola za svaki od emitovanih kanala. Za žičanu telemetriju antena i radio prijemnik su zamenjeni modulom koji pojačava signal i prilagođava linijsku impedansu ulaznoj impedansi kola koje sledi.

Slika 1.3 Uopštena blok šema telemetrijskog sistema

Slika 1.4 Telemetrijski sistem

U literaturi se može sresti malo drugačije predstavljanje telemetrijskog sistema, kao na slici 1.4. Kondicioniranje signala u obliku pojačanja i filtriranja normalizuje izlaze različitih pretvarača i ograničava njihove širine opsega na one raspoložive komunikacionim kanalom. Sistemi za prenos podataka mogu da koriste napon, struju, poziciju, impuls ili frekvenciju za prenošenje analognih ili digitalnih podataka. Direktni prenos analognih signala u formi napona, struje ili pozicije zahteva

8

fizičku konekciju između dve tačke u vidu dveju ili više žica. Multipleksiranje bilo na vremenskoj ili frekventnoj osnovi omogućava prenos više od jednog signala preko istog kanala. U impulsnom radu podaci su kodirani po amplitudi, trajanju ili poziciji impulsa ili u digitalnom obliku. Prenos može biti u vidu signala osnovnog opsega ili kao amplitudna, frekventna ili fazna modulacija nosioca.

Pri prenosu digitalnih signala informacioni kapacitet kanala je ograničen raspoloživom širinom opsega, nivoom snage i prisustvom šuma u kanalu. Šenon-Hartlijeva teorema tvrdi da je informacioni kapacitet, C, u bitovima po sekundi (bps) za kanal koji ima širinu opsega B Hz i aditivni Gausovski beli šum ograničenog opsega dat sa

)1(log* 2 NSBC

gde je S usrednjena snaga signala na izlazu kanala, a N je snaga šuma na izlazu kanala. Ovaj kapacitet predstavlja gornju granicu na kojoj podaci mogu biti pouzdano preneti preko

pojedinačnog kanala. Uopšteno, pošto kanal nema idealno pojačanje i faznu karakteristiku zahtevanu teoremom i takođe zato što neće biti praktičan za konstruisanje pogodnog kodiranja i dekodiranja neophodnog da bi se približio idealnom, kapacitet kanala je značajno ispod teorijskog ograničenja.

Ograničenje širine opsega kanala takođe utiče na porast ograničenja bitske brzine pri digitalnom prenosu podataka zbog intersimbolske interferencije (ISI), pri čemu odziv kanala na jedan digitalni signal smeta odzivu na sledeći. Impulsni odziv kanala koji ima ograničenu širinu opsega od B Hz je prikazan na slici 1.5(a). Odziv ima nule odvojene za 1/2B s. Stoga kada je drugi impuls prenešen preko kanala u trenutku 1/2B s kasnije neće biti ISI od prvog impulsa. Ovo je prikazano na slici 1.5(b). Maksimalna brzina prenosa podataka za kanal kod koga se ISI ne javlja je stoga 2B bps. Ovo je poznato kao Nikvistova brzina. Slika 1.5(c) pokazuje efekat prenosa podataka na brzinama većim od Nikvistove brzine.

Slika 1.5 (a) Impulsni odziv kanala ograničenog opsega; (b) impulsni odzivi zakašnjeni za 1/2B s; (c)

impulsni odzivi zakašnjeni za manje od 1/2B s. Primer telemetrijskog sistema za testiranje leta rakete je prikazan na slici 1.6 [3]. Ako je

sistem impulsno modulisani TDM, analogni podaci senzora se odmeravaju i konvertuju u binarne

9

digitalne reči, koje modulišu nosioc a zatim se emituju. Posle putovanja u prostoru, RF signal se prihvata u zemaljskom prijemniku, a binarne reči se izdvajaju iz nosioca i šalju sinhronizatoru bita i frejma. Izdvojene reči iz individualnih senzora se onda raspodeljuju dekomutatorom i spremne su za obradu. Tipično, reči podataka su označene pomoću identifikacione reči i stavljaju se na magistralu. Kompozitna reč zatim ide ka određenom perifernom uređaju preko magistrale.

Ako je FDM sistem, analogni podaci iz svakog senzora modulišu podnosioc, a podnosioci modulišu nosioc koji se emituje. Modulisani nosioc se prihvata antenom i šalje prijemniku, koji vadi podnosioce iz nosioca i šalje ih demultiplekseru, koji odvaja podnosioce i izdvaja analogni signal iz svakog podnosioca. Analogni signali koji predstavljaju podatke senzora su sada spremni za snimanje i obradu.

Slika 1.6 Primer telemetrijskog sistema za testiranje rakete

1.2 Komunikacioni kanali 1.2.1 Prenosni vodovi

Prenosni vodovi [1] se koriste za vođenje elektromagnetnih talasa i u instrumentaciji oni obično uzimaju formu upredene parice, koaksijalnog kabla ili telefonske linije. Primarne konstante takvih vodova izražene preko njihove otpornosti, cureće provodnosti, induktivnosti i kapacitivnosti su distribuirane kao na slici 1.7. Na niskim frekvencijama, uopšteno ispod 100kHz, vod srednje dužine može biti predstavljen kolom prikazanim na slici 1.8, gde je RL otpornost žice i CL je kapacitivnost voda. Vod se stoga ponaša kao nisko-propusni filter. Frekventni odziv se može proširiti opterećenjem voda sa pravilno postavljenim induktivnostima.

10

Slika 1.7 Distribuirane primarne konstante prenosnog voda

Slika 1.8 Nisko frekventna aproksimacija za prenosni vod

Prenosni vodovi su okarakterisani sa tri sekundarne konstante. One su karakteristična impedansa, Z0; slabljenje, α, po jedinici dužine voda koje je obično izraženo u dB/jedinici dužine; i fazni pomeraj, β, koji se meri u radijanima/jedinica dužine. Vrednosti Z0, α, β su povezane sa primarnim konstantama voda pomoću izraza:

CjGLjRZ

0

2/122/12222225.068.8 LCRGCGLR dB/jedinica dužine

2/122/122225.0 LCRGCGLR radijani/jedinica dužine

gde je R otpornost po jedinici dužine, G je cureća provodnost po jedinici dužine, C je kapacitivnost po jedinici dužine i L je induktivnost po jedinici dužine.

Neophodno je da završimo prenosne vodove sa njihovom karakterističnom impedansom kako bi se izbegla refleksija ili eho signala. Amplituda refleksije za vod karakterističe impedanse Z0 završen impedansom ZT se meri na osnovu koeficijenta refleksije, ρ, datog sa:

0

0

ZZZZ

T

T

Upredene parice su, kao što samo ime kaže, dva upredena međusobno izolovana provodnika. Provodnici su obično bakarni ili aluminijumski, a plastika se često koristi kao izolacioni materijal. Upredanje smanjuje efekat induktivno spregnute interferencije. Tipične vrednosti primarnih konstanti za bakarnu upredenu paricu prečnika 22 su R = 100Ω/km, L = 1 mH/km, G = 10-5 S/km i C = 0.05 µF/km. Na visokim frekvencijama karakteristična impedansa linije je približno 140 Ω. Tipične vrednosti slabljenja upredene parice su 3.4 dB/km na 100 kHz, 14 dB/km na 1 MHz i 39 dB/km na 10 MHz. Ograničenje korišćenja upredenih parica na visokim frekvencijama pri približno 1 MHz se javlja ne toliko kao posledica slabljenja već zbog preslušavanja prouzrokovanog kapacitivnim spezanjem između susednih upredenih parica u kablu.

Koaksijalni kablovi koji se koriste za prenos podataka na višim frekvencijama se sastoje od centralnog provodnika okruženog dielektričnim materijalom koji može biti bilo polietilen bilo vazduh. Konstrukcija ovakvog kabla je prikazana na slici 1.9. Spoljašnji provodnik je čvrsti ili opleteni plašt oko dielektrika. U slučaju da je vazduh dielektrik centralni provodnik je poduprt sa polietilenskim podmetačima smeštenim uniformno duž linije. Spoljašnji provodnik je obično pokriven izolacionom košuljicom. Gubitak na visokim frekvencijama u koaksijalnom kablu je usled “skin efekta“, koji uzrokuje da struja u centralnom provodniku teče blizu njegove površine i stoga povećava otpornost provodnika. Ovakvi kablovi imaju karakterističnu impedansu između 50 i 75 Ω.

11

Tipično slabljenje u koaksijalnom kablu prečnika 0.61 cm je 8 dB/100 m na 100 MHz i 25 dB/100m na 1 GHz.

Slika 1.9 Koaksijalni kabl

Međumesni telefonski kablovi koji spajaju korisnike sadrže svežanj upredenih provodnih parica. Provodnici su izolovani papirom ili polietilenom, upredanje se koristi da bi se smanjilo preslušavanje između susednih provodničkih parova. Svežanj upredenih kablova je oklopljen plastikom, a celom kablu je data mehanička snaga povezivanjem sa čeličnom žicom ili trakom koja je i sama oklopljena plastikom. Na audio frekvencijama impedansa kabla je okarakterisana njenom kapacitivnošću i otpornošću. Ovo dovodi do slabljenja koje je frekvencijski zavisno i takođe izaziva distorziju kašnjenja faze, pošto se signali različitih frekvencija ne prenose kablom istom brzinom. Prema tome impuls prenešen kablom daje signal koji nije samo oslabljen (važno u glasovnoj i analognoj komunikaciji), već koji je takođe i fazno oštećen (važno pri prenosu digitalnog signala). Stepen distorzije faznog kašnjenja se meri grupnim kašnjenjem dβ/dω. Širina opsega telefonskog kabla je ograničena na niskim frekvencijama korišćenjem a.c. pojačavača u repetitorskim stanicama koji se koriste za pojačavanje signala duž linije. Opterećenje se koristi za poboljšanje amplitudskog odziva linije na visokim frekvencijama. Ono je u obliku koncentrisane induktivnosti koja popravlja karakteristiku slabljenja linije. Vod i dalje unosi značajnu distorziju faznog kašnjenja i značajno slabljenje na visokim frekvencijama. Frekventni opseg telefonske linije koji se može iskoristiti je između 300 Hz i 3 kHz. Slika 1.10 pokazuje tipične distorzije amplitude i faze ili grupnog kašnjenja koje se odnose na 800 Hz za tipično zakupljene linije i linije na kojoj je primenjena ekvalizacija ili kondicioniranje.

Slika 1.10 Pojačanje i distorzija kašnjenja na telefonskim linijama

Da bi pouzdano preneli digitalnu informaciju, prenosna oprema mora da se suoči sa gubicima prenosa koji mogu biti oko 30 dB; ograničenom širinom opsega uzrokovanom gubicima pri prenosu koji variraju sa frekvencijom; varijacijama grupnog kašnjenja sa frekvencijom; eho uzrokovan neslaganjem impedanse i hibridnim preslušavanjem i šumom koji može biti ili Gausov ili impulsni šum uzrokovan impulsima biranja, komutacionom opremom ili udarom groma. Stoga, može se videti da priroda telefonskih linija uzrokuje posebne probleme pri prenosu digitalnih podataka. Uređaji poznati kao modemi (MOdulatori/DEModulatori) se koriste za prenos digitalnih podataka preko telefonskih linija. 1.2.2 Radio frekventni prenos

Radio frekventni (rf) prenos se dosta koristi i u civilnoj i u vojnoj telemetriji i može se vršiti na frekvencijama od 3Hz (što se odnosi na veoma niske frekvencije (VLF)) do 300GHz (što se odnosi na ekstremno visoke frekvencije (EHF)). Prenos signala se vrši prostiranjem talasa duž linije

12

vidljivosti, difrakcijom talasa od zemlje ili površina, jonosferskom refleksijom ili progresivnim rasturanjem (rasejanjem). Prenos telemetrijskih ili signala podataka se obično vrši kao amplitudna, fazna ili frekventna modulacija nekog rf nosioca. Elementi rf telemetrijskog sistema su prikazani na slici 1.11.

Slika 1.11 RF telemetrijski sistem

Dodela frekventnih opsega se vrši shodno međunarodnom dogovoru Međunarodne telekomunikacione unije za radio regulativu u Ženevi. Ove regulative su dogovorene 1959 i revidirane 1979 (HMSO 1980). U Velikoj Britaniji Odeljenje za radio regulativu Ministarstva trgovine odobrava opremu i izdaje licence za korisnike radio telemetrijskih linkova. U SAD-u, Federalna komisija za komunikacije (FCC) služi istoj svrsi. U drugim zemljama, postoje analogne kancelarije. Za telemetriju i telekontrolu opšte namene i male snage postoje četiri opsega koja se mogu koristiti. Oni su 0-185 kHz i 240-315 kHz, 173.2-173.35 MHz i 458.5-458.8 MHz. Za privatne sisteme velike snage dodeljene frekvencije su u UHF opsegu 450-470 MHz.

Za medicinsku i biološku telemetriju postoje tri klase opreme. Klasa I su uređaji male snage koji rade između 300 kHz i 30 MHz potpuno smešteni unutar tela ljudi i životinja. Klasa II je širokopojasna oprema koja radi u opsegu 104.6-105 MHz. Klasa III opreme je uskopojasna oprema koja radi u istom frekvencijskom opsegu kao i oprema klase II. 1.2.3 Komunikacija optičkim vlaknom

Sa stalnom tendencijom porasta, u sistemima za prenos podataka sve se više koriste optička vlakna pri prenosu podataka. Kao prenosni medijum, kablovi sa optičkim vlaknima pružaju sledeće prednosti:

1. Oni su imuni na elektromagnetne smetnje. 2. Podaci se mogu prenositi na mnogo višim frekvencijama i sa manjim gubicima nego kod

upredenih parica ili kod koaksijalnih kablova. Optička vlakna se mogu koristiti za multipleksiranje velikog broja signala duž jednog kabla sa velikim razdaljinama između repetitorskih stanica.

3. Oni mogu obezbediti povećanu sigurnost kada rade u opasnim sredinama. 4. Problem petlje uzemljenja može biti smanjen. 5. Pošto je signal ograničen u vlaknu totalnom internom refleksijom na spoju između vlakna i

košuljice, linkovi realizovani optičkim vlaknom obezbeđuju visok stepen bezbednosti podataka i malo preslušavanje između vlakana.

6. Materijal za vlakna je manje hemijski osetljiv nego slični sistemi na bazi bakra, i vlakna mogu imati mehaničke osobine koje će omogućiti smanjene zahteve za održavanjem nego kod ekvivalentne upredene parice ili koaksijalnog kabla.

7. Kabl sa optičkim vlaknom može ponuditi i prednosti u težini i veličini u odnosu na bakarne sisteme.

1.2.3.1 Optička vlakna

Elementi samog optičkog vlakna, kao što je prikazano na slici 1.12 su jezgro, košuljica i

spoljašni omotač. Materijal jezgra je ili plastika ili staklo. Košuljica je od materijala čiji je indeks refleksije manji od indeksa refleksije jezgra. Totalna unutrašnja refleksija na spoju jezgro/košuljica usmerava svetlo da putuje unutar jezgra. Vlakna sa plastičnim jezgrom takođe imaju plastičnu košuljicu. Ovakva vlakna pokazuju velike gubitke, ali se široko koriste za prenos na kratke razdaljine. Višekomponentna stakla koja sadrže nekoliko oksida se koriste za sve sem za vlakna sa

13

najmanjim gubicima, koja su obično napravljena od čistog silicijuma. U vlaknima sa malim ili srednjim gubicima stakleno jezgro je okruženo sa staklenom ili plastičnom košuljicom. Spoljašnji omotač je elastičan, otporan na nagrizanje obično plastični materijal koji uvećava mehaničku snagu vlakna i obezbeđuje mehaničku izolaciju od geometrijskih neregularnosti, distorzija ili hrapavosti susednih površina koje mogu inače uzrokovati gubitke usled rasejanja kada je vlakno ugrađeno u kablove ili podržano drugim strukturama.

Slika 1.12 Elementi optičkog vlakna

Numerički otvor (NA) vlakna je mera maksimalnog ugla jezgra kako bi se svetlosni zraci reflektovali ka vlaknu totalnom unutrašnjom refleksijom.

Po Snelovom zakonu 2

22

1sin NA gde je µ1 indeks refleksije materijala jezgra i µ2 indeks refleksije materijala košuljice.

Vlakno ima NA u opsegu od 0.15-0.4, što odgovara ukupnim prijemnim uglovima između 16 i 46 stepeni. Vlakno sa većim NA vrednostima uopšteno daje veće gubitke i manje širine opsega.

Propagacija svetlosti u vlaknu je opisana Maksvelovim jednačinama, njihovo rešenje daje skup ograničenih elektromagnetnih talasa zvanih “modovi“ vlakna. Samo diskretni broj modova se može prostirati vlaknom, određen partikularnim rešenjima Maksvelovih jednačina dobijenih kada su primenjeni granični uslovi koji odgovaraju pojedinačnom vlaknu. Slika 1.13 pokazuje propagaciju kroz tri tipa vlakana. Višemodna vlakna većeg prečnika jezgra su ili vlakna sa step indeksom ili vlakna sa gradiranim indeksom. U vlaknu sa step indeksom postoji korak promene u indeksu prelamanja na spoju jezgro/košuljica. Indeks prelamanja kod vlakna sa gradiranim indeksom varira kroz jezgro vlakna. Monomodna vlakna imaju mali prečnik jezgra, koji dopušta da svetlost putuje duž samo jedne putanje u vlaknu.

Slika 1.13 Prostiranje duž vlakana

Veći prečnik jezgra višemodnog vlakna olakšava dovođenje optičke energije unutar vlakna i olakšava povezivanje sličnih vlakana. Energija može biti ubačena unutar ovakvog vlakna korišćenjem LED dioda (dioda koje emituju svetlost), dok monomodna vlakna moraju biti pobuđena laserskom diodom.

Intermodalna disperzija se javlja u višemodnim vlaknima zato što svaki od modova u vlaknu putuje neznatno različitom brzinom. Optički impuls ubačen unutar vlakna ima svoju energiju distribuiranu između svih svojih mogućih modova i stoga kako on putuje dalje vlaknom disperzija ima efekat u vidu širenja impulsa ka van. Disperzija stoga stvara ograničenja širine opsega vlakna.

14

To je specificirano u MHz*km. U vlaknima sa gradiranim indeksom efekat intermodalne disperzije je smanjen od onoga kod vlakana sa step indeksom zato što gradiranje savija različite moguće svetlosne zrake duž putanja nominalno jednakog kašnjenja. Nema intermodalne disperzije u monomodnom vlaknu i stoga se koriste za sisteme najvećeg kapaciteta. Ograničenje širine opsega vlakna sa step indeksom i sa plastičnom zaštitnom prevlakom je tipično 6-25 MHz*km. Upotrebom vlakna sa gradiranim indeksom i sa plastičnom zaštitnom prevlakom može se uvećati do opsega od 200-400 MHz*km. Za monomodna vlakna ograničenje širine opsega je tipično 500-1500Mhz*km.

Slabljenje unutar vlakna, koje je mereno u dB/km, dolazi kao posledica absorpcije, rasturanja i gubitaka izračene optičke energije. Absorpcija je uzrokovana absorpcijom od atoma nečistoća u jezgru i absorpcijom od osnovnih konstitutivnih elemenata materijala jezgra. Jedna nečistoća koja je posebno važna je OH (voda) jon i za materijale sa malo gubitaka to je kontrolisano koncentracijom manjom od 1 ppb. Gubici rasturanja dolaze kao posledica mikroskopskih varijacija u gustini materijala ili sastavu i za strukturne nepravilnosti ili defekte uvedene tokom proizvodnje. Gubici zračenja dolaze svaki put kad se optičko vlakno prekomerno savije.

Slabljenje je funkcija optičke dužine talasa. Slika 1.14 pokazuje tipična slabljenja u odnosu na karakteristike talasne dužine plastičnog i monomodnog staklenog vlakna. Na 0.8 µm slabljenje plastičnog vlakna je 350 dB/km, a kod staklenog vlakna približno 1 dB/km. Minimalno slabljenje staklenog vlakna je 0.2 dB/km na 1.55 µm. Slika 1.15 pokazuje konstrukciju optičkog kabla male i srednje širine impulsa signala.

Slika 1.14 Karakteristike slabljenja optičkih vlakana

Slika 1.15 Optički kablovi sa malom i srednjom širinom impulsa signala

1.2.3.2 Izvori i detektori

Izvori korišćeni za prenos optičkim vlaknom su LED diode i poluprovodničke laserske diode. LED diode su sposobne da pošalju snagu između 0.1 i 10 mW unutar vlakna. Takvi uređaji imaju maksimum emitovane frekvencije u blizini infracrvenog područja, tipično između 0.8 i 1.0 µm. Slika 1.16 pokazuje tipičan spektralni izlaz LED diode. Ograničenja u brzinama prenosa pri korišćenju LED dioda se javljaju kao posledica vremena porasta, tipično između 2 i 10 ns, i hromatske disperzije. Ovo se javlja pošto indeks refleksije materijala jezgra varira sa optičkom talasnom dužinom i stoga različite spektralne komponente datog moda putuju različitim brzinama.

Poluprovodničke laserske diode mogu obezbediti značajno veću snagu, posebno sa impulsima male širine, sa izlazima tipično u opsegu od 1 do 100 mW. Zato što se sprežu sa vlaknom efikasnije, one nude veću efikasnost prelaska električne u optičku energiju nego LED diode. Laserske diode imaju znatno uži spektar u poređenju sa LED diodama, tipično 2 nm ili

15

manji, kao na slici 1.17. Hromatska disperzija je stoga manja za laserske diode, koje takođe imaju kraće vreme porasta, tipično 1 ns.

Slika 1.16 Spektralni izlaz LED diode Slika 1.17 Spektralni izlaz laserske diode

Za digitalni prenos ispod 50 Mbps LED dioda zahteva manje složena drajverska kola nego laserska dioda i ne zahteva termičku stabilizaciju ili stabilizaciju optičke energije.

I p-i-n diode i lavinske fotodiode se koriste pri detekciji optičkog signala u prijemniku. U oblasti 0.8-0.9 µm silicijum je glavni materijal koji se koristi u proizvodnji ovih uređaja. p-i-n dioda ima tipičnu osetljivost od 0.65 A/W na 0.8 µm. Lavinske fotodiode upotreljavaju lavinski efekat da obezbede strujno pojačanje i stoga veću osetljivost detektora. Lavinsko pojačanje može biti 100, mada pojačanje stvara dodatni šum. Osetljivost fotodetektora i prijemnog sistema je određena šumom fotodetektora koji se javlja kao posledica statističke prirode proizvodnje fotoelektrona, kao i zapreminske i površinske struje, zajedno sa termičkim šumom u otporniku detektora i pojačavača. Za p-i-n diode termički šum otpornika i pojačavača dominira, dok kod lavinske fotodiode šum detektora dominira.

Slika 1.18 prikazuje LED diodu i p-i-n diodni detektor za upotrebu u sistemima sa optičkim vlaknima.

Slika 1.18 LED dioda i p-i-n diodni detektor za upotrebu u sistemima sa optičkim vlaknima

1.2.3.3 Komunikacioni sistemi sa optičkim vlaknima

Slika 1.19 Komunikacioni sistem sa optičkim vlaknom

Slika 1.19 pokazuje kompletan komunikacioni sistem sa optičkim vlaknom. U dizajnu ovakvog sistema neophodno je izračunati dodatne gubitke sistema usled raznih ometanja da bi sistem radio korišćenjem minimalnog izlaznog fluksa predajnika i minimalne ulazne osetljivosti prijemnika. Kao dodatak gubitaka u samom kablu, izvori gubitaka javljaju se na spojevima između predajnika i kabla, i kabla i prijemnika; na spojevima između kablova; i u tačkama gde je kabl spojen. Gubici na tim spojevima javljaju se kao posledica refleksija, razlika u prečniku vlakna, NA, i centriranja vlakna. Usmereni kapleri i zvezdaste spojnice takođe uvećavaju gubitke.

16

1.3 Telemetrija osnovnog opsega Telemetrija osnovnog opsega koristi žičanu liniju za prenos signala od pretvarača do prijemnika posle njegovog procesiranja i kondicioniranja. Kratko će biti obrađeni telemetrijski sistemi bazirani na amplitudi i na frekvenciji. 1.3.1 Telemetrija osnovnog opsega bazirana na amplitudi 1.3.1.1 Telemetrija osnovnog opsega bazirana na naponu

Slika 1.20(a) pokazuje jednostavni telemetrijski sistem baziran na naponu. Signal iz pretvarača se pojačava, normalno na naponski nivo između 1 i 15V, a zatim šalje preko linije koja sadrži dve žice prijemniku. Podešavanjem donjeg kraja skale na 1V, ovaj sistem može detektovati kratke spojeve. Glavni problem ove konfiguracije je ograničenje razdaljine prenosa, koja zavisi od otpornosti linije i ulazne otpornosti prijemnika. Takođe, žice formiraju petlju koja je veoma osetljiva na intereferenciju od strane parazitnih signala. 1.3.1.2 Telemetrija osnovnog opsega bazirana na struji Ograničenje razdaljine prenosa sistema baziranog na naponu zbog impedanse linije je rešeno korišćenjem strujnog signala umesto naponskog, kao što je pokazano na slici 1.20(b). Ovo zahteva dodatni modul za konverziju od napona na struju posle kola za obradu signala. Na prijemnoj strani, signal se detektuje merenjem napona na otporniku. Najčešće korišćeni sistem u industriji je petlja 4-20mA. Ovo znači da se 0V prenosi kao 4mA, dok se najveća vrednost napona prenosi kao struja od 20mA. Prednost prenosa 4mA za 0V je lakša detekcija otvorenog kola u petlji (0mA). Druge standardne vrednosti struje su 0-5, 0-20, 10-50, 1-5 i 2-10mA. Takođe, padovi napona zbog otpora žica ne utiču na prenošeni signal, što omogućuje korišćenje tanjih žica. Pošto je ovo strujni mod, parazitni naponi indukovani na liniji ne utiču na signal. Telemetrija bazirana na struji omogućuje upotrebu uzemljenih ili plivajućih predajnika sa malim modifikacijama.

Slika 1.20 Različite konfiguracije za telemetriju osnovnog opsega. Kod telemetrije osnovnog opsega bazirane na naponu (a) informacija se prenosi kao varijacija naponskog signala. Telemetrija osnovnog opsega bazirana na struji (b) se bazira na slanju strujnog signala umesto naponskog signala da bi se neutralizovala degradacija signala usled razdelnika napona koga čine ulazna impedansa prijemnika (Zin) i impedansa linije (ZL). Kod telemetrije osnovnog opsega bazirane na frekvenciji (c), informacija se prenosi kao varijacija frekvencije što čini ovaj sistem imunim na šum i interferenciju koji utiču na amplitudu prenošenog signala.

17

1.3.1.3 Telemetrija osnovnog opsega bazirana na poziciji

Telemetrija bazirana na prenosu pozicije prenosi analognu promenljivu reprodukcijom u prijemniku pozicione informacije dostupne u predajniku. Takvi uređaji upotrebljavaju tehnike nulovanja sa otpornim ili induktivnim elementima za ostvarivanje pozicione telemetrije. Slika 1.21 pokazuje induktivnu "sinhronizaciju".

Slika 1.21 Poziciona telemetrija koja koristi induktivnu "sinhronizaciju"

Naizmenično napajanje primenjeno u predajniku indukuje u tri statorska namotaja elektromotorne sile, čije amplitude su zavisne od pozicije rotora predajnika. Ako je rotor prijemnika usmeren u istom smeru kao i rotor predajnika onda će elektromotorna sila indukovana u statorskim namotajima prijemnika biti ista onoj u statorskim namotajima predajnika. Tu stoga neće biti rezultantnih kružnih struja. Ako rotor prijemnika nije usmeren u istom smeru kao rotor predajnika kružne struje u statorskim namotajima biće takve da će generisati obrtni moment koji će pomeriti rotor prijemnika u takvom smeru kako bi se pozicionirao kao rotor predajnika. 1.3.2 Telemetrija osnovnog opsega bazirana na frekvenciji

Poznato je da prenos na bazi frekvencije ima veći imunitet na šum od prenosa na bazi amplitude. Telemetrija na bazi frekvencije, prikazana na slici 1.20(c), koristi se u prisustvu induktivnih ili kapacitivnih smetnji zbog njenog imuniteta na šum. Takođe nudi mogućnost izolovanja prijemnika od predajnika. Signal na izlazu kondicionerskih kola modifikuje frekvenciju telemetrijskog signala, normalno korišćenjem konvertora napona u frekvenciju. U prijemniku, konvertor frekvencije u napon vrši suprotnu funkciju. Specijalan slučaj telemetrije na bazi frekvencije je impulsna telemetrija, kod koje modulacioni signal menja neke karakteristike niza impulsa. Zbog njegove važnosti i široke upotrebe, impulsna telemetrija će biti detaljnije obrađena.

SENZOR 1

SENZOR 2

SENZOR 3

KOLO ZAKONDICIONIRANJE

1

KOLO ZAKONDICIONIRANJE

3

KOLO ZAKONDICIONIRANJE

2MULTIPLEKSER

&MODULATOR

KANALDEMULTIPLEKSER

&DEMODULATOR

...... ...

Slika 1.22 Kod telemetrije sa više mernih kanala zajednički kanal prenosa se koristi za prenos signala sa

različitih mernih kanala korišćenjem različitih šema deljenja kanala 1.4 Višekanalna telemetrija

Većina industrijskih procesa u kojima se koristi telemetrija zahteva merenje različitih fizičkih promenjivih za kontrolisanje procesa, merenje samo jedne fizičke promenljive na različitim lokacijama i normalno kombinacija obeju. U ovim višekanalnim merenjima, telemetrija osnovnog opsega nije opcija, pošto bi zahtevala izgradnju različitog sistema za svaki kanal. Višekanalna telemetrija se ostvaruje deljenjem zajedničkog kanala za prenos kao što je prikazano na slici 1.22. Deljenje kanala za prenos od strane svih mernih kanala je nazvano multipleksiranje. Postoje dve

18

osnovne tehnike multipleksiranja; FDM (Multipleksiranje sa frekvencijskom raspodelom kanala) i TDM (Multipleksiranje sa vremenskom raspodelom kanala). Kod FDM tehnike, različiti kanali su dodeljeni različitim spektralnim opsezima i kompozitni signal se prenosi preko komunikacionog kanala. U TDM tehnici, informacije sa različitih kanala se prenose sekvencijalno kroz komunikacioni kanal. 1.4.1 Multipleksiranje sa frekvencijskom raspodelom kanala U FDM-u, prikazanom na slici 1.23(a) svaki merni kanal moduliše sinusoidni signal različite frekvencije. Ovi sinusni signali se nazivaju pomoćnim nosiocima. Svaki od modulisanih signala se filtrira kroz nisko propusni filtar da bi se osiguralo da su granice širine opsega odrađene. Posle faze filtriranja, svi modulisani signali se dovode u blok za sumiranje, proizvodeći ono što je poznato kao signal osnovnog opsega. Signal osnovnog opsega ovde pokazuje da finalni nosilac nije još modulisan. Spektar signala osnovnog opsega je prikazan na slici 1.23(b) gde je moguće videti kako je spektar signala svakog mernog kanala dodeljen sopstvenoj frekvenciji.

Slika 1.23 Različiti kanali u jednom FDM sistemu (a) su raspodeljeni na različitim frekvencijama nosioca stvarajući kompozitni signal prikazan na slici (b) koji kasnije moduliše RF frekvenciju shodno korišćenom kanalu prenosa. Zaštitni opsezi služe radi izbegavanja intermodulacije i preslušavanja

Ovaj kompozitni signal najzad moduliše nosioc čija frekvencija zavisi od medija prenosa koji se koristi. Signal se najzad dovodi u žicu za prenos (slično TV - kablovskim sistemima) ili, još češće, u antenu u slučaju bežičnih telemetrijskih sistema. Kod bežične telemetrije, frekvencija nosioca se ne može birati svojevoljno, već se bira u skladu sa međunarodnim dogovorima o korišćenju elektromagnetnog spektra. U SAD - u, Federalna komisija za komunikacije (FCC) je telo koje reguliše dodelu frekvenciju za njihovo namensko korišćenje. Tabela 1.1 je samo radi informisanja i nije sveobuhvatni vodič za telemetrijske frekvencije. Da bi se našle dozvoljene telemetrijske frekvencije za specifične aplikacije, maksimalno dozvoljena snaga i druga ograničenja, čitalac treba da se konsultuje sa odgovarajućim FCC dokumentima. Dodeljivanje opsega je proces koji je podložan promenama. Na primer, u oktobru 1997. FCC je dodelio neke od opsega TV kanala za telemetriju pacijenata u bolnicama, sa ograničenom snagom. FCC objavljuje sve promene koje utiču na frekventne opsege ili na druge tehničke karakteristike za telemetriju.

Na prijemnoj strani, demodulator nosioca detektuje i obnavlja kompozitni signal osnovnog opsega. Sledeći korak je da odvoji svaki pomoćni nosioc, dovođenjem signala u banku paralelno povezanih filtara propusnika opsega. Svaki kanal se dalje demoduliše, obnavljanjem informacije iz pretvarača. Glavni praktični problem FDM sistema je preslušavanje između kanala. Preslušavanje se javlja zbog nelinearnosti elektronskih uređaja, koje se javlja kada signal jednog kanala delimično moduliše drugi pomoćni nosioc pored onog koji je dodeljen tom kanalu. Preslušavanje takođe

19

nastaje kada se preklapa spektar dva susedna kanala. Da bi se izbegao ovaj efekat, pomoćni nosioci se trebaju izabrati tako da postoji razmak (zaštitni opseg) između spektara dvaju signala koji se graniče. Povećanjem zaštitnog opsega mogućnost preslušavanja se smanjuje, ali se i efektivna širina opsega takođe povećava. Efektivna širina opsega je jednaka zbiru širine opsega svih kanala plus zbir svih zaštitnih opsega. Tabela 1.1 Frekventni opsezi dodeljeni za telemetriju

Frekventni opseg, MHz Koristi Zapažanja

72-76 Biotelemetrija Uređaji male snage: ograničeno tačkom 15 FCC pravila 88-108 Edukacioni Četiri frekvencije u ovom opsegu: tačka 90 FCC pravila

154 Industrijski Opseg TV kanala 7-13 174-216 Biotelemetrija Operacije male snage, ograničeno za bolnice 216-222 Više njih BW<200kHz 450-470 Opšti Telemetrija kao sekundarna osnova: ograničena na 2W RF

467 Industrijski Poslovni opseg: ograničen na 2W RF 458-468 Biotelemetrija Opseg TV kanala 21-29 512-566 Biotelemetrija Operacije male snage, ograničeno za bolnice

1427-1435 Fiksirani Koristi se u zemaljskim mobilnim servisima (telemerenja i telekomande)

1435-1535 Aeronautički 2200-2290 Mobilni

Postoje tri alternativne metode za svaki od dva modulaciona procesa: modulacija signala

mernih kanala i modulacija kompozitnog signala. Ove metode su amplitudna modulacija (AM), frekventna modulacija (FM) i fazna modulacija (PM). Uobičajene kombinacije su FM/FM, FM/PM ili AM/FM. 1.4.1.1 Modulacija amplitude pomoćnog nosioca

U šemi AM modulacije pomoćnog nosioca, amplituda signala određenog pomoćnog nosioca se menja prema vrednosti mernog kanala dodeljenog toj frekvenciji. Dobijeni AM signal je dat pomoću: V(t) = Ac[l+m(t)]cos(c t) gde je Ac amplituda nosioca, m(t) signal koji se moduliše i c frekvencija nosioca.

Prednost ove vrste modulacije je jednostavnost kola koja obavljaju modulaciju i kola koja obavljaju demodulaciju da bi se obnovio modulišući signal koji nosi željenu informaciju. Procenat modulacije označava procenat do kojeg je nosioc bio amplitudno modulisan. Pretpostavimo radi jednostavnosti da je modulacioni signal sinusne frekvencije m, kao što je: m(t) = m cos(m t) procenat modulacije (P) se može naći kao: P=m 100(%) Na najopštiji način, procenat modulacije (P) se izračunava kao: P/100% = Ac(max) - Ac(min)/2Ac gde su Ac(max) i Ac(min) maksimalne i minimalne vrednosti koje postiže nosioc signala.

Slika 1.24 pokazuje spektar amplitudno modulisanog signala pod pretpostavkom da je modulacioni signal ograničenog opsega neperiodični signal konačne energije. Slika takođe pokazuje da se on sastoji od dva bočna opsega koji su simetrični u odnosu prema pomoćnom nosiocu. Slika 1.24 prikazuje glavne nedostatke AM šema. Najpre, širina opsega modulisanog kanala je dva puta veća od širine opsega modulisanog signala, zbog toga što se pojavljuju dva slična bočna opsega.

20

Ovo se odražava kroz neefikasno korišćenje spektra. Drugo, analiza snage za svaku od komponenata na slici 1.24 pokazuje da se najmanje pedeset procenata emitovane snage koristi pri prenošenju pomoćnog nosioca, koji je nezavisan od mernog signala, pošto ne sadrži nijednu informaciju. Preostala snaga se deli između dva bočna opsega, što se odražava na maksimalnu efikasnost koja je teoretski moguća da se postigne ispod 25 %. Treći glavni problem AM - a je mogućnost prekomerne modulacije koja se javlja kada je m>l. Kada se signal jednom prekomerno moduliše, nije moguće oporaviti modulisani signal pomoću jednostavnih kola koja se široko koriste za AM telemetrijski prenos.

Ograničenja modulacije AM pomoćnog nosioca mogu se prevazići korišćenjem efikasnih tehnika modulacije kao što su dvostruki bočni opseg (DSB), jedan bočni opseg (SSB) i kompatibilni jedan bočni opseg (CSSB), što su takođe razmatrane AM tehnike. Međutim, složenost ovih modulacionih sistema i cena povezana sa sistemima koje su u stanju da obnove signale pomoćnih nosioca modulisane na ovaj način čine da se oni ne koriste u većini komercijalnih telemetrijskih sistema. Većina sistema koji su na raspolaganju i koji koriste AM tehnike pomoćnog nosioca, koriste tradicionalni AM koji je opisan ovde, jer njegova jednostavnost prevazilazi moguće probleme njegovog korišćenja.

Slika 1.24 Dobijeni spektar posle amplitudske modulacije signala pod (a). Rezultujući spektar duplira

potrebnu širinu opsega, dok je samo 0.25 od ukupne snage iskorišćeno za prenošenje željene informacije 1.4.1.2 Frekventna modulacija pomoćnog nosioca

FM (ili PM) je daleko najčešće korišćena modulacija pomoćnog nosioca u FDM telemetrijskim sistemima. Ove ugaone modulacije su nelinearne, nasuprot AM-u. Ugaona modulacija se može izraziti kao:

ttAtV c cos gde je (t) modulišući signal, tj. signal iz pretvarača posle kondicioniranja. Tada je moguće da se izračuna vrednost trenutne frekvencije kao: tdtdttdtdF cc /2//2/1

Ova jednačina pokazuje kako se moduliše signal V(t) po frekvenciji. Mogu se analizirati dva parametra koji se izvode iz prethodne jednačine: frekventna devijacija i indeks modulacije. Frekventna devijacija (fm) je maksimalno odstupanje trenutne frekvencije od frekvencije nosioca. Indeks modulacije () je maksimalno fazno pomeranje. Sledeće jednačine pokazuju kako su ovi parametri u vezi. Vrednost trenutne frekvencije (f) je: tfftF mmcmmc coscos2/2/ Maksimalna frekventna devijacija f je data sa: mff Zato, može se napisati jednačina za frekventno modulisani signal kao: tfftAtV mmc sin/cos

21

Prethodna jednačina pokazuje da trenutna frekvencija leži u opsegu fc ± f. Međutim, ne znači da sve komponente spektra leže u ovom opsegu. Spektar jednog ugaono modulisanog signala ne može se napisati kao jednostavna jednačina. U najjednostavnijim slučajevima, kada je modulacioni signal sinusni signal, praktično pravilo kaže da širina opsega FM signala je dva puta veća od zbira maksimalne frekventne devijacije i modulišuće frekvencije. Pošto modulacione signale obično formiraju merni sistemi, širina opsega zavisi od indeksa modulacije; tj. pošto je širina opsega dodeljena za svaki kanal ograničena, indeks modulacije će takođe bili ograničen. 1.4.1.3 Delta modulacija

Delta modulacija (slika 1.25), koja može da se klasifikuje kao kombinacija digitalnih i analognih tehnika, je metoda prenosa promena analognog signala. Ona je varijacija servo metode A/D konverzije u kojoj drugi obostrani brojač na prijemniku prati brojač predajnika. Prenešeni signal se sastoji od pozitivnih impulsa za brojanje naviše i negativnih impulsa za brojanje naniže. Pošto je maksimalna brzina promene ograničena na jedan najmanje važan bit po periodi takta, vreme odziva (brzina odziva) je ograničeno. To najviše odgovara analognim signalima koji zahtevaju visoku tačnost prenosa, ali se ne menjaju brzo u vremenu.

Slika 1.25 Blok dijagram metode delta modulacije

U praksi se može javiti neko pomeranje (odstupanje) centralne frekvencije predajnika ili prijemnika, tako da se nula DC izlaza pomera slično. Visoko frekventni telemetrijski sistemi su najosetljiviji na drift pošto je devijacija frekvencije relativno uzana i zato što dostupna kola FM detektora visoke frekvencije (preko 1 MHz) imaju sistematsku grešku DC izlaza koja nije konstantna. Ovi problemi su mnogo manje ozbiljniji kod nižih frekencija (ispod 10 do 100kHz) i zato u ovom opsegu telemetrijski sistemi malog drifta sa DC odzivom mogu biti realizovani bez poteškoća. Za primene gde DC signal mora da bude prenešen preko visoko frekventne veze (a digitalna tehnika je neodgovarajuća) često se koristi dualna modulacija (FM-FM) (slika 1.26). U ovom slučaju FM signal sa niskom centralnom frekvencijom, na primer, f0 = 2.0 kHz sa odstupanjem od ±0.4 kHz, moduliše signal visoke frekvencije, na primer, f = 100 MHz sa odstupanjem od ±0.2 MHz. Izlaz visokofrekventnog FM detektora (centralne frekvencije f0) je jedan AC signal audio frekvencije (1.6 do 2.4 kHz u ovom primeru); DC nivo je nevažan. Onda se ovaj signal šalje u niskofrekventni detektor (centralne frekvencije f0 = 2.0 kHz) za zahtevani DC izlaz. Iako se ovo čini složenim, ovu tehniku je zapravo mnogo lakše implementirati sa takvim standardnim uređajima kao što je PLL nego jedan FM detektor koji ima drift koji se teško kontroliše. Opis FM telemetrijskih sistema može stoga biti podeljen na dva dela, visokofrekventni FM predajnik i prijemnik za AC signale i niskofrekventni FM modulator i demodulator za DC (i niskofrekventne AC) signale.

Slika 1.26 Blok dijagram FM/FM telemetrijskog sistema

Jednostavan visokofrekventni telemetrijski sistem za kratka rastojanja (10 do 100 m) je lako sastavljen od široko dostupnih komponenata (slika 1.27). Koristi kolpicov oscilator sa modulatorom

22

na bazi naponski kontrolisanog kondenzatora koji se podešava na standardni FM radio. Standardni FM radio prijemnik demoduliše visoko frekvencijski signal u audio signal. Ako se zahteva konverzija u analogni signal, druga demodulacija (FM ili impulsno širinska) se može koristiti.

Slika 1.27 Jednostavni 100-MHz sistem: kolpicov predajnik i FM prijemnik

Sa razvojem digitalne tehnologije uočeni su neki nedostaci analogne tehnologije u telemetriji i šire. Glavni nedostatak kod primene analogne tehnike je povećan uticaj smetnji na korisne signale i njihovo teško otklanjanje, dok je kod digitalnih uticaj smetnji znatno manje izražen i lakše se otklanja.

1.4.1.4 Telemetrijski standardi za frekventno multipleksiranje

IRIG Standard 106-96 se najčešće koristi za vojnu i komercijalnu telemetriju, akviziciju podataka, sisteme za snimanje. Tu se prepoznaju dve vrste formata za FM u FDM sistemima: modulacija proporcijalne širine opsega (PBW) i modulacija konstantne širine opsega (CBW). On takođe omogućava kombinaciju PBW i CBW kanala. Kod PBW, širina opsega za kanal je proporcionalna frekvenciji pomoćnog nosioca. Ovaj standard prepoznaje tri klase odstupanja pomoćnog nosioca: 7.5, 15 i 30%. Postoje 25 PBW kanala sa frekventnim odstupanjem od 7.5% označenih od 1 - 25. Najniži kanal ima centralnu frekvenciju od 400 Hz, što znači da je niže-frekventno odstupanje 370 Hz, a više-frekventno odstupanje 430 Hz. Najviši kanal (kanal 25) ima centralnu frekvenciju od 560 MHz (odstupanje od 518 MHz do 602 MHz). Centralne frekvencije su odabrane tako da je odnos između gornje granice odstupanja za dati kanal i donje granice odstupanja za sledeći kanal oko 1.2. Postoje 12 PBW kanala sa frekventnom devijacijom od 15%, označenih kao A,B,...L. Centralna frekvencija za najniži kanal je 22 MHz (odstupanje od 18.7 MHz do 25.3 MHz), dok je centralna frekvencija za najviši kanal 560 MHz (odstupanje od 476 MHz do 644 MHz), dok je odnos centralnih frekvencija susednih kanala oko 1.3. Postoje takođe 12 PBW kanala za frekventnu devijaciju od 30%, označenih sa AA, BB, ... do LL. Centralna frekvencija za ove kanale je ista kao i za devijaciju 15%. Tabela 1.2 Karakteristike kanala konstantne širine opsega (CBW) za FDM

Oznaka kanala

Devijacija frekvencije,

kHz

Centralna frekvencija

najnižeg kanala, kHz

Centralna frekvencija

navišeg kanala, kHz

Broj kanala

Odvajanje između

kanala, kHz

A ±2 8 176 22 8 B ±4 16 352 22 16 C ±8 32 704 22 32 D ±16 64 1408 22 64 E ±32 128 2816 22 128 F ±64 256 3840 15 256 G ±128 512 3584 7 512 H ±256 1024 3072 4 1024 CBW kanali drže širinu opsega konstantnom i nezavisnom od nosioca frekvencije. Postoje

osam mogućih maksimalnih frekventnih odstupanja pomoćnog nosioca obeleženim sa A (za

23

odstupanje od 2 KHz) do H (za odstupanje od 256 KHz). Frekvencija odstupanja se udvostručuje od jedne grupe do sledeće. Postoje dvadeset i dva kanala čija je centralna frekvencija u opsegu od 8 - 176 KHz. Odvajanje između susednih kanala je konstantno od 8 KHz. Tabela 1.2 pokazuje zbirne karakteristike CBW kanala.

IRIG Standard 106-96 daje u svom dodatku kriterijume za korišćenje FDM standarda. On se fokusira na ograničenja, većinom zavisnih od korišćenog hardvera i na trgovini performansi kao što je tačnost podataka za širinu opsega podataka koja se može zahtevati pri izgradnji sistema. Stepen devijacije pomoćnog nosioca određuje SNR za jedan kanal. SNR varira tri - polovine snage odnosa devijacije pomoćnog nosioca. S druge strane, broj kanala pomoćnog nosioca koji se može iskoristiti istovremeno na modulisanom RF nosiocu je ograničen širinom opsega kanala RF nosioca kao i posmatranjem SNR - a. Kada je data ograničena širina opsega RF pošto je dodato više kanala u FDM sistemu neophodno je smanjiti stepen devijacije za svaki kanal što smanjuje SNR za svaki kanal. Tada je veoma važno da se izračuna prihvatljiv kompromis između broja kanala pomoćnih nosioca i prihvatljivih vrednosti SNR. Opšta jednačina koja može da se koristi za procenu performansi termičkog šuma FM / FM kanala je sledeća:

(S/N)d = (S/N)c(3/4)l/2(Bc/Fud)(fdc/fS)(fds/Fud) gde (S/N)d predstavlja SNR na izlazu diskriminatora, (S/N)c predstavlja SNR prijemnika, Bc je širina opsega međufrekvencije prijemnika, Fud je izlazni filter diskriminatora pomoćnog nosioca (za -3 dB), fg je centralna frekvencija pomoćnog nosioca, fdc je vršna devijacija za posmatrani pomoćni nosioc i fds je vršna devijacija pomoćnog nosioca.

Shodno Standardu, FM/FM kompozitni FDM signal koji je upotrebljen za modulaciju RF nosioca može biti CBW, PBW ili kombinacija oba formata, sa jedinim ograničenjem da zaštitni opsezi između kanala upotrebljeni u miksovanom formatu su jednaki ili veći od zaštitnih opsega za iste kanale u nemiksovanom formatu.

1.4.2 Multipleksiranje sa vremenskom raspodelom kanala (TDM)

TDM je tehnika prenosa koja deli vreme na različite slotove i dodeljuje po jedan slot svakom mernom kanalu. U TDM - u cela širina opsega prenosa je u potpunosti dodeljena svakom mernom kanalu u toku određenog vremenskog intervala. Pošto se signali iz mernih kanala filtriraju niskofrekventnim filtrom, oni se sekvencijalno odabiraju pomoću digitalnog prekidača koji odabira sve merne kanale u toku periode T koje odgovara Nikvistovom kriterijumu. Slika 1.28(a) prikazuje osnovnu blok šemu jednog TDM sistema. Izlaz odabirača je povorka AM impulsa koja sadrži pojedinačne uzorke za kanale periodično frejmovane, kao što je prikazano na slici 1.28(b). Konačno, kompozitni signal moduliše RF nosilac. Set uzoraka sa svakog od ulaznih kanala se zove frejm. Za M mernih kanala, perioda između dva uzastopna impulsa je Ts/M=l/Mfs, gde je Ts perioda odabiranja. Vremenski period između dva uzorka iz istog kanala je Ts. Na prijemnom kraju, razdvajanjem digitalnih signala na različite kanale pomoću sinhronizovanog demultipleksera i niskofrekventnim filtriranjem, moguće je povratiti prvobitni signal za svaki merni kanal.

TDM sistemi imaju prednosti u odnosu na FDM sisteme. Prvo FDM zahteva modulatore i demodulatore pomoćnog nosioca za svaki kanal, a kod TDM-a se zahteva samo jedan multiplekser i demultiplekser. Drugo, TDM signali su otporni na izvore grešaka koji proizvode mešanje signala kod FDM - a: neidealno filtriranje i unakrsna modulacija usled nelinearnosti. Kod TDM - a razdvajanje između kanala zavisi od sistema za odabiranje. Međutim, pošto je u praksi nemoguće proizvesti idealno pravougaone impulse, njihova vremena porasta i opadanja su različita od nule. Zbog toga je neophodno obezbediti zaštitno vreme između impulsa, slično zaštitnom opsegu kod FDM sistema. Preslušavanje (mešanje signala) kod TDM - a se može lako proračunati ako se pretpostavi da slabljenje impulsa eksponencijalno zavisi od vremenske konstante :

=1/2 gde je = 3dB, širina opsega kanala. Preslušavanje između kanala (k) može se aproksimirati pomoću:

k=-54.5Tg (dB)

24

gde je Tg minimalna vremenska odvojenost između kanala koja se zove zaštitno vreme. Česta pojava kod mernih sistema se javlja kada M signala koje treba meriti imaju veoma

različite brzine. Brzina odabiranja kanala je određena najbržim signalom, pa je prema tome potreban multiplekser sa M ulaza sposoban da radi sa signalima koji su na toj frekvenciji odabiranja. Zgodno rešenje je dovođenje nekoliko sporih signala u jedan multiplekser, a onda kombinovanje njegovog izlaza sa brzim signalom u drugom multiplekseru.

Slika 1.28 TDM sistemi (a) su bazirani na sekvencijalnom odmeravanju M različitih kanala pri frekvenciji odmeravanja fS i slanju informacija za svaki kanal sekvencijalno (b). Kod TDM, sinhronizacija između predajnika i prijemnika je kritična za rekonstrukciju odmeravanog signala. LPF je niskopropusni filter.

Slika 1.29 Različite analogne modulacione šeme korišćene kod TDM. Varijacije amplitude signala x(t) se prenose kao varijacije amplitude impulsa (PAM), promene vremena trajanja impulsa (PDM) ili promene relativne pozicije impulsa (PPM). U svim slučajevima, nivo 0 se prenosi impulsom čija amplituda (A0), trajanje (0) ili relativna pozicija (0) je različita od 0.

1.4.2.1 Analogne modulacije pomoćnog nosioca kod TDM-a

Kod analogne modulacije pomoćnih nosilaca signal koji se javlja posle multipleksiranja i

procesa odabiranja moduliše povorku impulsa. Najčešće korišćene metode za analognu modulaciju pomoćnih nosilaca su impulsna amplitudna modulacija (PAM), impulsno - širinska modulacija (PDM) i impulsno položajna modulacija (PPM). Slika 1.29 pokazuje ove tri šeme modulacije, gde

25

su impulsi prikazani pravougaono zbog jednostavnosti. Kod analogne modulacije, parametar koji se moduliše (amplituda, trajanje) se menja proporcionalno amplitudi odabranog signala. Međutim, kod PAM i PDM vrednosti imaju određeni ofset tako da i kada je vrednost uzorka nula, amplituda impulsa ili širina impulsa su različite od nule. Razlog za postojanje ovog ofseta je da se brzina povorke impulsa održi stalnom, što je veoma važno za svrhe sinhronizacije. Najčešće karakteristike različitih šema analogne modulacije impulsa kod TDM su: 1) spektar modulisanog signala sa velikim sadržajem niskih frekvencija, naročito bliskih frekvenciji odabiranja; 2) potreba da se izbegne preklapanje između uzastopnih impulsa da bi se sačuvali parametri modulacije; i 3) mogućnost rekonstrukcije originalnih uzoraka iz modulisanih signala pomoću niskofrekventnog filtriranja nakon demultipleksiranja. Smanjenje šuma zavisi od širine opsega modulisanog signala i predstavlja osnovni kriterijum pri projektovanju.

Impulsna amplitudna modulacija (PAM)

PAM talasni oblici se sastoje od unipolarnih, nepravougaonih impulsa čije su amplitude proporcionalne vrednostima uzoraka. Indeks modulacije se može odrediti korišćenjem sličnog kriterijuma kao kod analogne AM. Slično, kod PAM indeks modulacije je ograničen na vrednosti manjoj od 1.

Impulsno - širinska modulacija (PDM)

PDM se sastoji od unipolarnih, pravougaonih impulsa čija trajanja ili širine zavise od vrednosti uzoraka. Period između centara dva uzastopna impulsa je konstantan. Analiza rezultujućeg spektra pokazuje da je moguće rekonstruisati uzorke pomoću niskofrekventnog filtriranja.

Impulsno - položajna modulacija (PPM)

PPM je usko povezana sa PDM modulacijom s obzirom da se PPM može generisati iz PDM - a. Kod PPM informacija je sadržana na vremenskim lokacijama impulsa pre nego u samim impulsima. Zato je moguće prenositi veoma uske impulse da bi se smanjila potrebna energija; ovo smanjenje potrebne energije za prenos je najvažnija prednost PPM-a.

Slika 1.30 Blok dijagram osnovnog PCM linka u telemetriji

Impulsno — kodna modulacija (PCM) za TDM

Sve prethodno analizirane šeme modulacije pomoćnih nosilaca u telemetrijskim sistemima

se baziraju na analognom signalu koji moduliše ili analogni nosilac ili povorku impulsa. PCM je drugačija: to je digitalna modulacija kod koje je merni signal predstavljen pomoću grupe kodiranih digitalnih impulsa. Dve varijacije PCM - a koje se takođe često koriste su delta modulacija (DM) i diferencijalna impulsno - kodna modulacija (DPCM). Kod šema analogne modulacije, modulacioni signal iz mernog pretvarača može uzeti bilo koju vrednost unutar granica. Ako šum izmeni modulišući signal nemoguće je odrediti njegovu pravu vrednost. Umesto toga, ukoliko nisu dozvoljene sve vrednosti u modulišućem signalu i ako je razmak između dozvoljenih nivoa veći od očekivanih vrednosti šuma, onda je moguće odlučiti koje su vrednosti bile poslate preko predajnika. Ova otpornost na šum čini PCM sisteme jednom od prioritetnih alternativa u telemetriji. Slika 1.30 prikazuje osnovne elemente PCM telemetrijskog sistema. PCM enkoder (ili PCM komutator) konvertuje ulazne podatke u serijski format podataka pogodan za prenos linijama pomoću bežičnih

26

tehnika. Na prijemnom kraju, PCM dekoder (ili PCM dekomutator) konvertuje serijske podatke ponovo u pojedinačne izlazne signale podataka. PCM sistemi prenose podatke kao serijski niz digitalnih reči. PCM enkoder odabira ulazne podatke i ubacuje reči podataka u PCM frejm. Rečima se dodeljuju specifične lokacije u PCM frejmu tako da dekoder može da regeneriše uzorke podataka koji odgovaraju svakom ulaznom signalu. Najjednostavniji PCM frejm se sastoji od frejma sinhronizacione reči praćenog nizom reči podataka. Frejm se kontinualno ponavlja da bi se obezbedili novi uzorci podataka kako se ulazni podaci menjaju. Sinhronizacioni frejm omogućava PCM dekoderu da lako locira početak svakog frejma.

1.4.2.2 Telemetrijski standardi impulsno kodne modulacije

IRIG standard 106-96 takođe definiše karakteristike PCM (Impulsno-kodna modulacija) prenosa za svrhe telemetrije, a naročito, strukturu povorke impulsa i karakteristike projektovanja (dizajna) sistema. PCM formati se dele u dve klase za potrebe Standarda: klasu I i klasu II. Jednostavniji tipovi su klase I, dok su mnogo kompleksniji tipovi klase II. Neke od karakteristika sistema klase II su, između ostalog, brzine prenosa 5 Mbit/s, dužine reči 16 bita i više, fragmentirane reči, neravnomerno raspoređena podkomutacija, promene formata, formati označenih podataka, asinhroni prenos podataka i stapanje (spajanje) različitih tipova formata, između ostalog. Tabela 1.3 daje kratki pregled relevantnih PCM specifikacija. Tabela 1.3 Pregled najrelevantnijih PCM specifikacija u skladu sa IRIG 106-96 standardom

Specifikacija Klasa I Klasa II

Podržani format klase Klasa I (jednostavni formati) podržana u svim opsezima

Klasa II (kompleksni formati) zahteva konkurentnost uključenih opsega

Primarno predstavljanje bitova (PCM kodovi)

NRZ-L, NRZ-M, NRZ-S, RNRZ-L, Bi-L, Bi-M, Bi-S

Isto kao klasa I

Bitska brzina 10 bps do 5 Mbps 10 bps do >5 Mbps Tačnost i stabilnost bitske brzine 0.1% Ista kao klasa I

Džiter bita 0.1 bit Isti kao klasa I Numerisanje bitova MSB = broj bita 1 Isto kao klasa I Dužina reči 4 do 16 bita 4 do 64 bita

Fragmentisane reči Nije dozvoljeno Do 8 segmenata svaka; svi segmenti u istom nižem frejmu

Dužina nižeg frejma <8192 bita ili <1024 reči (obuhvata sinhronizaciju) <16,384 bita (obuhvata sinhronizaciju)

Dužina glavnog frejma <256 nižih frejmova Ista kao klasa I Numerisanje nižih frejmova

Prvi niži frejm u svakom glavnom frejmu ima broj 1 Isto kao klasa I

Promena formata Nije dozvoljena Struktura frejma je specificirana sa rečju identifikacija formata frejma (FFI) u svakom nižem frejmu

IRIG standardi raspoznaju sledeće PCM kodove, prikazane na slici 1.31: NRZ – L (bez

vraćanja na nulu - nivo), NRZ – M (bez vraćanja na nulu – oznaka), NRZ – S (bez vraćanja na nulu – prostor), Bi - L (bifazni – nivo), Bi - M (bifazni – oznaka) i Bi - S (bifazni – prostor). Standard takođe preporučuje da prenošeni niz bitova bude kontinualan i sadrži dovoljno prelaza da bi se osigurala akvizicija bitova i kontinualna bitska sinhronizacija. Brzine prenosa treba da budu

27

najmanje 10 bita/s. Ako je brzina prenosa iznad 5 Mbit/s, PCM sistem se klasifikuje kao klasa II. Što se tiče formata reči, Standard definiše fiksni format koji se ne menja u toku prenosa što se odnosi na strukturu frejma, položaj ili dužinu reči, komutacionu sekvencu, interval odabiranja ili listu merenja. Pojedinačne reči mogu da imaju dužine koje variraju od 4 bita do ne više od 16 bitova u klasi I i ne više od 64 bita u klasi II. Fragmentisane reči, definisane kao podeljene u ne više od osam segmenata i postavljene na različitim lokacijama unutar sporednog frejma, nisu dozvoljene u klasi I. Svi segmenti reči korišćeni za formiranje reči podataka su vezani za granice jednog nižeg frejma. Struktura frejma dozvoljena standardima za PCM telemetriju specificira da su podaci formatirani unutar fiksnih dužina frejma i da sadrže fiksni broj bit intervala jednakog trajanja. Niži frejm je definisan kao struktura podataka u vremenskoj sekvenci od početka sinhronizacionog polja nižeg frejma do početka sledećeg sinhronizacionog polja. Dužina nižeg frejma je broj bit intervala od početka sinhronizacionog polja frejma do početka sledećeg sinhronizacionog polja. Maksimalna dužina nižeg frejma neće preći 8192 bita niti 1024 reči u klasi I i neće preći 16384 bita u klasi II. Niži frejmovi se sastoje od sinhronizacionog polja, reči podataka i od sinhronizacionih reči podfrejma ako se one koriste. Standard dozvoljava upotrebu reči različitih dužina ako su one multipleksirane u jedan niži frejm. Slika 1.32 prikazuje grafičko predstavljanje PCM frejm strukture. Glavni frejmovi sadrže određeni broj nižih frejmova, od kojih se zahteva da sadrže jedan uzorak od svakog parametra u formatu. Njihova dužina se definiše kao dužina nižeg frejma pomnožena brojem nižih frejmova koje sadrži glavni frejm. Maksimalni broj nižih frejmova po glavnom frejmu je ograničen na 256.

Slika 1.31 Različiti PCM kodovi. Svi niži nivoi kod NRZ koriste vrednost različitu od nule. Kod bifaznih kodova informacija je smeštena u prelazima, a ne u nivoima. Kod NRZ-L, 1 je predstavljena najvišim nivoom, dok je 0 predstavljena nižim nivoom. Kod NRZ-M, 1 je predstavljena promenom nivoa, dok je 0 predstavljena nepromenom nivoa. Kod NRZ-S, 1 je predstavljena nepromenom nivoa, dok je 0 predstavljena promenom nivoa. Kod Bi-L, 1 je predstavljena prelazom na niži nivo, dok je 0 predstavljena prelazom na viši nivo. Kod Bi-M, 1 je predstavljena nepromenom nivoa na početku bitskog perioda, dok je 0 predstavljena promenom nivoa na početku bitskog perioda. Kod Bi-S, 1 je predstavljena promenom nivoa na početku bitskog perioda, dok je 0 predstavljena nepromenom nivoa na početku bitskog perioda.

Dodatak C u IRIG Standardu 106-96 daje preporuke za maksimalnu efikasnost prenosa kod PCM telemetrije. Širina opsega međurekvencije (IF) za prijemnike PCM telemetrijskih podataka treba biti tako izabrana da je 90 do 99% snage prenešenog spektra unutar 3-dB širine opsega prijemnika. Međufrekvencija (IF) takođe utiče na verovatnoću bitske greške (BEP) prema sledećoj jednačini za NRZ - L PCM/FM:

)(5.0 SNRkeBEP gde je: SNR - odnos signal/šum,

k - 0.7 za IF širinu opsega jednaku bitskoj brzini

28

k - 0.65 za IF širinu opsega jednaku 1.2 puta bitska brzina k - 0.55 za IF širinu opsega jednaku 1.5 puta bitska brzina Druge tehnike kodiranja podataka i modulacije imaju različite zavisnosti BEP od SNR

performansi, ali u svakom slučaju i one će imati slične težnje.

Slika 1.32 Struktura PCM frejma. Maksimalna dužina nižeg frejma je 8192 bita ili 512 za klasu I i 16384 bita za klasu II. Glavni frejm sadrži N Z reči, gde je Z broj reči u maksimalnom podfrejmu, a N je broj reči u nižem frejmu. Bez obzira na svoju dužinu, sinhronizacija nižeg frejma se posmatra kao jedna reč. W je pozicija reči u nižem frejmu, dok je S pozicija reči u podfrejmu.

Standard takođe specificira preporučeni šablon sinhronizacionog polja frejma za opštu primenu kod PCM telemetrije. Postoje različite dužine za sinhronizacione šablone, ali je u svima njima 111 prva sekvenca bita koja se prenosi. Šabloni za dužine 16 do 30 su izabrani da bi se minimizirala verovatnoća pogrešne sinhronizacije duž čitavog dela preklapanja šablona prilikom sinhronizacije frejma zemaljske stanice. Spektralna gustina (S) za NRZ i Bi kodove je:

NRZ kodovi fTfTS /][sin 2 Bifazni kodovi 44 2//2/sin fTfTS Proračun spektralnih gustina dozvoljava određivanje BEP za prethodne tipove kodova tako

što se pretpostavi idealna bit sinhronizacija. Ovi proračuni pokazuju da se za isti SNR, najniži BEP postiže za NRZ - L i Bi kodove, a zatim slede NRZ - M, NRZ - S i BIF - M, BIF - S i konačno za slučajne NRZ - L kodove (RNRZ - L).

Telemetrijski podaci se najčešće snimaju na magnetnu traku zbog daljih analiza. Kada se snimaju podaci važno je osigurati da magnetofon obezbeđuje dovoljan frekventni odziv (osetljivost na frekvenciju) da bi sačuvao i reprodukovao PCM signal. Korisna pravila za proračun maksimalnih brzina prenosa za različite PCM kodove specificiraju da je za NRZ i RNRZ kodove maksimalna bitska brzina 1.4 puta frekventni odziv magnetofona dok je za sve bifazne kodove maksimalna brzina 0.7 puta odziv magnetofona. Da bi se ograničila širina opsega prenosa koji stvara PCM, jer je to digitalni signal sa oštrim prelazima, signal se obično propušta kroz predmodulacioni filter pre nego što se dovede na ulaz predajnika. Granična učestanost filtra može se izračunati kao 0.7 puta PCM bitska brzina za NRZ i RNRZ kodove i 1.4 puta PCM bitska brzina za sve bifazne kodove.

1.4.2.3 Poređenje PCM i FM-a

Kad god se podaci prenose iz jedne tačke u drugu, pitanje je koji od dva koristiti: analogni (FM) ili digitalni (PCM) prenosni sistem. Starija instalaciona oprema može postati meta za modernizaciju, u tom slučaju konverzija iz FM u PCM može dati značajna unapređenja performansi i smanjenje troškova. Ne postoji formula za poređenje ove dve tehnike zato što postoji mnogo aspekata za poređenje. Ipak ih je moguće razlikovati po njihovim glavnim osobinama.

Jedna od glavnih razlika je zahtevana tačnost sistema. Ako podatak mora biti tačan više od 1%, obično se bira PCM.

29

Ako je uključen veliki broj kanala PCM takođe ima prednost, uglavnom u broju kanala. Jedan FM sistem od nekoliko stotina kanala može biti dosta veliki. Ipak jedan od promenljivih faktora može biti frekvencija podataka koja će biti određena. Visoka frekvencija kanala podataka zahteva višlji period uzorkovanja. U ekstremnim slučajevima, nekoliko takvih kanala mogu apsorbovati ceo kapacitet PCM sistema koji u drugom uređenju može uzorkovati mnogo više nižih brzina ili srednje- brzinskih kanala. Rukovanje sa više kanala sa promenljivim podacima, npr. konstantna granična širina FM sistema je moguć odgovor.

PCM ima prednost nad FM-om kada je niža snaga signala, a imamo šum u prenosnom linku. Ovo je zbog toga što prijemna oprema može detektovati postojanje ili nepostojanje visine ili oblika impulsa. Kada je snaga signala dovoljno niska, nivo odluke je čist od šuma, dodatna snaga signala povećava "marginu sigurnosti" sa malo uticaja na kvalitet signala.

Zato što PCM metod predstavlja analogni signal u digitalnom obliku, to je dobro prilagođenje za direktan rad sa digitalnom procesnom opremom.

Čak i tada signal može biti dobijen vremenskim multipleksom, a prenošen je frekventnom modulacijom. Npr. razmatrajmo "PAM/FM sistem. Ovo znači da je PAM izlaz komutatora iskorišćen da frekventno moduliše direktno predajnik. Jedan primer je "PAM/FM/FM" sistem. Ovo znači da PAM signal moduliše jedan FM niži nosioc. Obično se signal koristi da frekventno moduliše predajnik. Rezultujući sistem je "hibridni" koji kombinuje vremensko i frekventno multipleksiranje. 1.4.3 Multiplekseri 1.4.3.1 Analogni multiplekseri

Analogni multiplekser omogućava izbor kanala i prenos analognih signala od mernih sistema do kola za digitalnu konverziju, pri čemu se dobija na uštedi u broju primenjenih kablova i kolima za obradu mernog signala.

Uprošćena blok šema multipleksera prikazana je na slici 1.33. Kao što je prikazano na slici 1.33 kontrolna logika predstavlja jedan dekoder adresa pri čemu to može biti elektronski blok ili blok za automatsko upravljanje prekidačima. Na ovaj način timing (vremenski) ulaz omogućava rad sa kontrolnim vremenskim signalima čime se vrši automatsko upravljanje prekidačima. Prekidači se u ovom načinu rada mogu uključivati redom od 1 do n, a moguće je i zadavanje posebne sekvence prema kojoj će se vršiti uključivanje prekidača. Na osnovu ovog razlikuju se sledeći načini rada multipleksera: sekvencijalno, sa slučajnim pristupom i ručno. Kod sekvencijalnog načina rada multipleksera na ulazu u kontrolnu logiku imamo sekvencu koja nam kaže kada koji prekidač može biti uključen. Sekvenca predstavlja neki vremenski signal koji se ponavlja u vremenu, a može biti i običan brojač koji broji od 1 do n. Multiplekser mora imati logiku koja obezbeđuje uključivanje prekidača. Način rada sa slučajnim pristupom podrazumeva da svaki kanal ima svoju adresu i ako je način rada sa slučajnim pristupom imamo adresno upravljanje prekidačima, što govori da postoji određeni program za to. Poslednji režim rada multipleksera podrazumeva da se uključivanje prekidača vrši ručno, pri čemu se kontrolor nalazi u dispečerskom centru (kontrolna soba) i uključivanje određenih mernih kanala se vrši preko dostupnih prekidača. Na slici 1.33 kolo za pobudu čine drajveri.

ANALOGNIPREKIDA^I

POBUDNAKOLA

KONTROLNALOGIKA

1IZLAZ

TIMING

ULAZ SA SLU^AJNIMPRISTUPOM

1

1

nn

n

.... . .

Slika 1.33 Uprošćena blok šema multipleksera

30

Prema nivou prenošenih multipleksiranih signala, razlikuju se multiplekseri niskog (do 1V) i visokog nivoa (preko 1V). Multiplekseri niskog nivoa prenose signale vrednosti napona u opsegu od 0 do 1V i nešto su manje tačnosti, dok muliplekseri visokog nivoa rade sa signalima reda preko 10V i odlikuju se znatno većom tačnošću reda 0,1%. Nedostatak ovog tipa multipleksera je neophodnost primene pojačavača neposredno ispred multipleksera, za svaki kanal ponaosob.

Unutar multipleksera mogu da se koriste nekoliko različitih vrsti prekidača. Prva rešenja analognog multipleksera bila su zasnovana na korišćenju mehaničkih prekidača, najčešće rid relea (reed relay), pri čemu je ovaj tip prekidača zadržao svoju primenu i u savremenim sistemima kod kojih se ne zahteva velika brzina odabiranja (do 100 Hz) i kod kojih se traže velike izolacione otpornosti. Konkretno za rid-relejne prekidače tipične vrednosti otpornosti prekidača u otvorenom stanju su reda 1012, dok su u zatvorenom stanju ove otpornosti reda 10–150m.

Brzine prenosa multipleksera koji koriste ovu vrstu prekidača kreću se u opsegu od 200-500 kanala/sec. Frekvencije kojima se upravlja radom ovih prekidača su reda do 500Hz. Loša strana ovih prekidača je postojanje šuma koji traje 50µS nakon zatvaranja prekidača. Može se zaključiti da multiplekseri sa relejima unose manju grešku nego multiplekseri sa poluprovodničkim prekidačima, posebno za slučaj analognih signala vrlo malih nivoa. Međutim, ako se uzmu u obzir zahtevane brzine prenosa i drugi funkcionalni zahtevi, kod savremenih akvizicionih sistema releji su u velikoj meri ustupili mesto poluprovodničkim prekidačima. Najčešće korišćeni prekidački elementi u realizaciji savremenih analognih multiplekserskih kola su tranzistori sa efektom polja koji se prave u tehnologiji CMOS ili JFET. Bipolarni tranzistori se sve manje primenjuju u realizaciji prekidača kod multipleksera zbog problema vezanih za ofset. Ono čime se odlikuju prekidači sa JFET tranzistorima jeste velika robusnost, dok su brzine prekidanja približno iste brzini rada CMOS prekidača. Zahvaljujući odličnim prekidačkim karakteristikama i širokom opsegu napona koji se prekida, a može ići do vrednosti napona napajanja kola, u realizaciji analognih multipleksera najviše se koriste CMOS prekidači. Paralelnim povezivanjem tranzistora p i n kanala ostvarena je stabilna vrednost otpornosti uključenog prekidača reda 100. Povezivanjem CMOS analognog prekidača na stepen za razdvajanje koji ima visoku ulaznu impedansu, eliminiše se greška u prenosu signala.

Danas najviše korišćeni analogni multiplekseri su CMOS prekidačka kola, čija je struktura prikazana na slici 1.34. CMOS drajver kontroliše gejtove paralelno povezanih P-kanalnog i N-kanalnog MOSFET-a. Oba prekidača se zajedno uključuju u paralelnoj vezi dajući relativno istu otpornost uključivanja za zahtevani analogni ulazni naponski opseg. Brzina uključivanja prekidača je stotinak kHz. Otpornosti ovog tipa prekidača u otvorenom stanju su manje nego kod relejnih prekidača i reda se oko 109, dok se otpornost zatvorenog prekidača kreće u opsegu od 50 do 100, i menja se pod uticajem promene spoljašnje temperature, što je vrlo loša osobina ovih prekidača. Nedostatak ovih prekidača, posebno pri višim temperaturama, je i pojava parazitnih struja curenja reda nA.

ULAZ

N P

IZLAZ

IODEKODER

Slika 1.34 Analogno CMOS prekidačko kolo

Na slici 1.35 je prikazan CMOS transmisioni (prenosni) gejt. Napon signala (ulazni i izlazni) mora biti između VDD i VSS sa primenjenim 4016 gejtom. Ako je VSS uzemljen, signali uvek moraju biti pozitivni. To je uobičajeni slučaj kod digitalnih signala. Ako analogni signali oba polariteta treba da se prekinu, neophodan je dvostruki izvor za napajanje, na primer VDD=+5V i

31

VSS=-5V. Kontrolni signali takođe moraju biti između VDD i VSS za 4016 gejt, a nezgodno je što su obično digitalni signali pozitivni (od 0 do VDD). U tom slučaju se zahtevaju posebni interfejs drajveri (slika 1.36). Međutim, kod mnogih drugih analognih prekidača (AH0014) ne zahteva se primena ovog tipa drajvera.

100 - 600

a) b)

Ulazi

Izlaz

Kontrolna linija

v1

v

v

v

1

4

3

vc(1)

v2V0 v0

+VDD

-VSS

vc(2)

v3vc(3)

v4vc(4)

Ron

Slika 1.35 Prenosni gejtovi: (a) četvorokanalni CMOS gejtovi (b) ekvivalentna kola

22k

10k

39k

Analogni ulaz Analogni izlaz

(Kontrolni ulaz,TTL level)

v0viVDD

VSS

( )-VS

VS-

VS+

-5V-

( V )+ S+5V

+1V0

+vc vc'

4016 or 406614

330214

Slika 1.36 Dvostruko napajajući CMOS 4016 prekidač sa drajverom na logičkom nivou

U tabeli 1.4 date su osnovne karakteristike tri tipa prekidača koji se najčešće koriste za realizaciju multipleksera. Tabela 1.4 Karakteristike prekidača kod multipleksera

Karakteristike prekidača kod multipleksera Tip prekidača Otpornost zatvorenog

prekidača Slabljenje otvorenog

prekidača Brzina

CMOS 100 70dB 1MHz JFET 50 70dB 1MHz

Rid rele 0,1 90dB 250Hz Analogni multiplekseri su kola koja vrše podelu vremena A/D konvertora zavisno od broja

različitih analognih kanala. Kako je A/D konvertor u mnogim slučajevima najskuplja komponenta u akvizicionom sistemu podataka, multipleksiranje analognih ulaza do ulaza A/D konvertora je jedan ekonomičan pristup. Kao što je prikazano na slici 1.37, jedan analogni multiplekser se sastoji od

32

grupe paralelno vezanih elektronskih prekidača vezanih za zajedničku izlaznu liniju. U određenom trenutku uključen je samo jedan prekidač. Popularne konfiguracije prekidača uključuju 4, 8 i 16 kanala koji su povezani u jednostruku (“single-ended”) ili dvostruku (diferencijalnu) konfiguraciju.

Multiplekser takođe sadrži kolo drajver-dekoder koje dekodira ulaznu binarnu reč i prosleđuje je na odgovarajući prekidač. Ovo kolo je povezano pomoću standardnih TTL ulaza i upravlja prekidačima multipleksera pogodnom kontrolom napona. Za osmokanalni analogni multiplekser koji je prikazan na slici 1.37 upotrebljeno je “one-of-eight” dekodersko kolo.

+

-

A1 A2 A3

Rs

RIN

POJAČAVAČ

ENABLE

DRAJVERDEKODER

ULA

ZNI K

AN

ALI

ADRESE KANALA

Vs

1

2

3

4

5

6

7

8A1 A2 A3ULAZ KANALx00001111

x00110011

x01010101

011111111

NONE12345678

Slika 1.37 Kolo analognog multipleksera

Kao što je već rečeno, osnovna prednost u primeni multipleksera je ušteda u broju kablova pri prenosu signala na veće daljine. Analogni multiplekser sastoji se od više analognih prekidača koji se sekvencijalno uključuju pomoću binarnog dvolinijskog ili četvorolinijskog brojača i dekodera, kao što je prikazano na slici 1.38. Kompozitni (zajednički) signal se prenosi duž linija, pri čemu se mogu koristiti signal pojačavači i linijski drajveri. Za slučaj najčešće primenjivanih bidirekcionih prekidača, kolo demultipleksera na prijemnoj strani identično je sa predajnim kolom multipleksera. Kondenzatori zadržavaju napon za vreme između semplovanja (uzorkovanja). Ovaj metod je identičan kao onaj primenjeni u “track-and-hold” kolu. Izlaz prati pojedine ulazne signale u “stepwise” formi (slika 1.39).

v

v

v

v

1

2

3

4

v'

v'

v'

v'

1

2

3

4

vL

Binarnibrojač

Linija podataka

Clock ( )f1

CKCK

1234

A B

C

Linija podataka

42 u 4 linijski

dekoder2 u 4 linijski

dekoder

3 2 1 4321

+-

++

--

+-

+-

+-

Slika 1.38 Četvorokanalni multiplekser i demultiplekser

Brzina semplovanja (uzorkovanja) signala mora biti uporediva sa brzinom promene signala. Saglasno Nyquist-ovoj teoremi o semplovanju (uzorkovanju), frekvencija semplovanja (uzorkovanja) fS mora biti najmanje dvostruko veća od frekvencije signala. Potrebno je samo neznatno da bude veća od frekvencije signala ako su na izlazu primenjeni “sharp-cut-off” Butterworth filtri višeg reda. Međutim, sa primenjenim jednostavnim kapacitivnim filtrom, fS mora biti za jedan ili dva reda veličine veće od osnovne frekvencije semplovanog signala.

33

Sinhronizacija prenosa, odnosno rada multipleksera na predaji i demultipleksera na prijemu može najjednostavnije biti izvedena povezivanjem pojedinačnih dekodera (selektora podataka) na isti binarni brojač, kao što je prikazano na slici 1.38. Dodatne linije mogu biti izbegnute korišćenjem posebnih clock-ova sa skoro identičnim frekvencijama fS i f’S na predajnoj i prijemnoj strani. U ovom primeru postoji mali stepen u multipleksiranju zbog toga što je broj linija koje teku od strane multipleksera (od predajnika) do strane demultipleksera (do prijemnika) samo umanjen od 4 na 3. Sa većim brojem kanala zahteva se značajnija ušteda u linijama, ali da bi to bilo izvodljivo poželjno je izvršiti redukciju linija za odabiranje podataka.

Multiplekseri primenjeni u akvizicionim sistemima imaju i dodatnu ulogu uštede u broju elektronskih kola, obzirom da omogućavaju primenu samo jednog A/D konvertora za više mernih kanala, a u slučaju mikroprocesorskih sistema i zajedničku obradu signala sa više mernih kanala.

1 2 3 4

v1 2v v3 v4

vs1 vs

2 vs3 vs

4

v'1 v'2 v'3 v'4

vL

Slika 1.39 Oblika signala kod četvorokanalnog multipleksera i demultipleksera

Kod analognog multipleksera može biti primenjen prekidač sa tzv. “letećim kondenzatorom”. Ovo kolo predstavljeno kao jednostruki kanal na slici 1.40, ima diferencijalne ulaze i obično se koristi sa visokim “common-mode” naponima. Kondenzator se najpre vezuje za diferencijalni analogni ulaz, puni do vrednosti ulaznog napona i onda prebacuje do diferencijalnog izlaza koji ide do visoke ulazne impedanse instrumentacionog pojačavača. Diferencijalni signal se zahvaljujući tome prenosi do ulaza pojačavača bez prisustva “common-mode” napona i onda se nadalje procesira do A/D konverzije.

34

Cvs

vcommon mode

RG

IZLAZ

INSTRUMENTACIONIPOJAČAVAČ

Slika 1.40 Prekidač multipleksera sa “letećim kondenzatorom”

1.4.3.2 Digitalni multiplekseri

Često je neophodno uzorkovati logička stanja različitih promenljivih jedno nakon drugog i proslediti ih do odgovarajućeg izlaza. U takvim slučajevima koristi se multiplekser prikazan na slici 1.41. Zavisno od stanja n-bitnih adresnih ulaza za selekciju podataka, izlaz se spaja sa jednim od ulaza.

012

N-1

NULAZA

S

S

En-bitna adresa

Slika 1.41 Digitalni multiplekser

Kolo prikazano na slici 1.42. konstruisano je tako da kada je enable ulaz na logičkoj jedinici, izlaz se vezuje sa ulazom čiji indeks predstavlja binarni broj definisan preko dve promenljive za odabir podataka E i F.

X0

EF

X1

EF

X2

E F

X3

E

E

F

S

IZLAZ

Slika 1.42 Multiplekser sa četiri ulaza

Sa slike 1.42 može se uočiti da važi sledeće: Enable = 1 )( 3210 EFXFEXFEXEFXS Enable =0 S = 0.

35

Odavde se zaključuje da je logički proizvod promenljivih za odabir podataka logička jedinica samo u slučaju ulazne promenjive čiji indeks odgovara odabranoj vrednosti.

Ako je, recimo F=1 i E=0, sledi da )10110001( 3210 XXXXS . Jedna od primena digitalnih multipleksera je paralelno-serijska konverzija, čiji su

funkcionalni blokovi prikazani na slici 1.43. U ovom primeru nakon što se 32-bitna reč dovede u paraleli na ulaze dva digitalna multipleksera, svaki od ovih ulaza se odabira u zavisnosti od stanja binarnih brojačkih izlaza: A B, C, D, E, E . Generator takta se koristi za inkrementiranje brojača. Na primer, 17-ti bit će se pojaviti na izlazu ako izlazi binarnog brojača zadovoljavaju uslov: A=1, B=C=D=0 i E=1.

B C DA

B C DA

Enable

E

S

S

1

2

E-IZLAZ

01

15

16

31

17

B C

CL

DA

BROJAČ

E- E

Slika 1.43 Primer paralelno-serijske konverzije

1.4.3.3 Multipleksiranje kao izvor grešaka Izlazna impedansa analognog multipleksera koja je vrlo velike vrednosti mora biti dosta dobro porediva sa otpornošću uključivanja prekidača i svakom otpornošću serijskog izvora u cilju održavanja velike tačnosti prenosa. Greška prenosa se predstavlja kao procenat ulaznog napona. Greške prenosa od 0.1% do 0.01% ili manje se zahtevaju u većini akvizicionih sistema podataka. To se lako postiže upotrebom operacionog pojačavača sa tipičnom ulaznom impedansom u opsegu od 108 do 1012 . Mnoga “sample-hold” S/H kola takođe imaju veoma veliku ulaznu impedansu. Sledeća bitna karakteristika analognog multipleksera je tkz. “break-before-make” prekidanje. Postoji malo vreme kašnjenja između isključivanja prethodnog kanala i uključivanja sledećeg kanala, koje dovodi do toga da dva susedna ulazna kanala nikada neće istovremeno biti uključena. “Settling time” je sledeća bitna specifikacija analognih multipleksera. Važi ista definicija koja se daje za pojačavače izuzev što se ovo vreme meri za vreme kada je kanal uključen. ”Throughput rate” je najveća brzina kojom multiplekser može prekidati od kanala do kanala sa izlaznim “settling”-om prema njegovoj specificiranoj tačnosti. ”Cross talk” je odnos izlaznog i ulaznog napona, za slučaj da su svi kanali vezani paralelno i isključeni. Ovaj odnos se generalno izražava kao slabljenje signala od ulaza do izlaza izraženo u decibelima. Ekvivalentna šema kola prekidača analognog miltiplekserana prikazana je na slici 1.44. Može se uočiti da su problemi realnih prekidača analognog multipleksera pojava struja curenja kao posledica postojanja određene otpornosti prekidača u zatvorenom stanju ROFF i parazitnih kapacitivnosti, koje mogu biti ulazne CI, izlazne CO i ulazno-izlazne CIO. Ti parametri se specificiraju za zadate podatke i moraju biti razmatrani u toku analize predstavljenog kola. Struje curenja koje se generalno izražavaju u pikoamperima (pA) na sobnoj temperaturi postaju

36

problematične jedino na visokim temperaturama. Postojanje parazitnih ulazno-izlaznih kapacitivnosti CIO izaziva pojavu preslušavanja između signala susednih kanala multipleksera.

CoCI

CIO

RS RON

VS RL CLROFF

Ulaz Izlaz Slika 1.44 Ekvivalentno kolo prekidača analognog multipleksera

1.4.3.4 Višenivovsko multipleksiranje

Analogni multiplekseri se koriste kod operacija na niskom nivou i kod operacija na visokom nivoa. U multipleksiranju na visokom nivou koje je i najpopularniji tip, analogni signal se pojačava od 1 do 10V u pojačavačkom stepenu ispred multipleksera. Ovaj pristup ima prednost kada je u pitanju redukovanje efekta šuma na signalu za vreme trajanja analognog procesiranja. U multipleksiranju na niskom nivou signal se pojačava tek nakon multipleksiranja. Zbog toga se mora posvetiti velika pažnja očuvanju signala na niskom nivou do bloka multipleksera. Multiplekseri niskog nivoa obično koriste dvožične diferencijalne prekidače sa zadatkom minimiziranja šuma “pick-up”. Rid releji zbog svoje nulte serijske otpornosti i nedostatka oštrog prekidanja su iskorišćeni u sistemima sa frekvencijskim multipleksom na niskom nivou. Oni se takođe mogu upotrebiti i za visoke “common-mode” napone.

Obzirom da je za današnje potrebe akvizicije podataka u industrijskim procesima neophodno mnogo više kanala, nekoliko analognih multipleksera može biti međusobno povezano kako bi se povećao ukupan broj kanala. Postoje dva tradicionalna načina ekspanzije broja kanala. Slika 1.45 prikazuje način, odnosno jednonivovsko multipleksiranje, pri kome su M multipleksera sa po N kanala povezani u jedan čvor da bi se omogućilo multipleksiranje MxN kanala.

MULTIPLEKSER

N

ULAZ

MULTIPLEKSER

N

ULAZ

MULTIPLEKSER

N

ULAZ

IZLAZ

Slika 1.45 Jednonivovsko multipleksiranje

Druga mogućnost je dvonivovsko multipleksiranje čija je strukturna blok šema prikazana na slici 1.46, gde je M izlaza N kanalnog multipleksera povezano na M ulaza M-kanalnog multipleksera. Ukupni broj kanala je tako n=MxN. Ovo drugo rešenje ima nekoliko prednosti u odnosu na prvo. Dok programiranje jednonivovskog multipleksiranja zahteva M-dekoder za odabir jednog od M paralelnih multipleksera, dvostruko multipleksiranje to ne zahteva. Šta više, dvostruko multipleksiranje pruža dodatne prednosti u vidu smanjenja struje curenja u isključenom stanju, smanjenja ofseta i parazitnih kapacitivnosti u isključenom stanju, i obezbeđuje pouzdaniju konfiguraciju u slučaju da kanal ispadne na kratko u uključenom stanju. Ako bi kanal ispao dok je u uključenom stanju pri jednonivovskoj konfiguraciji, podaci ne bi mogli biti preuzeti ni sa jednog

37

kanala, dok bi u višenivovskoj konfiguraciji samo jedna grupa kanala ispala zbog konkretnog uzroka. Višenivovsko multipleksiranje koristi se i u slučajevima kada je potrebno povećati brzinu prekidanja.

MULTIPLEKSER

N

MULTIPLEKSER

M

ULAZ

MULTIPLEKSER

N

ULAZ

MULTIPLEKSER

N

ULAZ

IZLAZ

Slika 1.46 Višenivovsko multipleksiranje

U cilju realizacije velikog broja kanala za multipleksiranje, moguće je paralelno povezivanje analognih multipleksera korišćenjem posebnog ulaza koji je sposoban da kontroliše svaku jedinicu. Ovaj postupak naziva se jednostruko ili jednonivovsko multipleksiranje. Takođe, izlazi sa nekoliko multipleksera mogu biti povezani na ulaze sledećih kako bi se povećao broj kanala. To je metoda dvostrukog ili dvonivovskog multipleksiranja, ćiji je uprošćeni šematski prikaz dat na slici 1.47.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

FILTER

ADRESNIDEKODER

FILTER

SH/ A

D/ R

1

1

2

2

n

n

Slika 1.47 Šematski prikaz metode dvonivovskog multipleksiranja

Već je naglašeno da izlazna kapacitivnost prekidača utiče na brzinu rada multipleksera. Na slici 1.44 koja predstavlja ekvivalentno kolo prekidača analognog multipleksera CI, CO i CIO predstavljaju ulaznu, izlaznu i ulazno-izlaznu parazitnu kapacitivnost prekidača, respektivno. Odgovarajuće struje curenja tih kapacitivnosti su II, IO i IIO. RS je serijska otpornost prekidača, a RL je otpornost sledećeg stepena ili prijemnika. Izlazna kapacitivnost prekidača CO obično uzima vrednost izmedu 50pF i 100pF. Na slici 1.48 je prikazan konkretan primer kada je samo jedan od prekidača zatvoren, a (n-1) prekidača je otvoreno. Može se uočiti da kod jednonivovskog multipleksiranja važi da je ukupna izlazna struja curenja jednaka zbiru parazitnih struja curenja svih otvorenih prekidača, koje utiču u jedan zajednički čvor, odnosno:

OOUK IMNInI 1)1( . Odgovarajuća vrednost napona na izlazu dobija se množenjem ukupne izlazne struje sa otpornošu redne veze otpornika RON i RS, odnosno:

)()1( SONO RRIMNe .

38

Rs

RONRL

I01

I02

I0n-1

...

Slika 1.48 Primer sa jednim zatvorenim i (n-1) otvorenim prekidačima

Prednost dvonivovskog multipleksiranja u odnosu na jednonivovsko multipleksiranje pored ostalog je i znatno manja vrednost ukupne parazitne struje curenja na izlazu. Zapravo kod dvonivovskog multipleksiranja se svaki merni kanal povezuje sa izlazom preko dva prekidača. Pri tome, izlaz svakog multipleksera prvog nivoa sa slike 1.47 povezan je na jedan prekidač M-kanalnog multipleksera drugog nivoa. Ovde se razlikuju dva slučaja. U prvom slučaju samo jedan multiplekser prvog nivoa je povezan na zatvoreni prekidač multipleksera drugog nivoa. Pri tome, jedan prekidač tog multipleksera drugog nivoa je sigurno u datom trenutku zatvoren, što obezbeđuje da se jedan merni kanal spaja na izlaz. Struja curenja koja potiče od ovog dela kola multipleksera je (N-1)IO. Izlazi ostalih M-1 multipleksera prvog nivoa su spojeni na ostale otvorene prekidače multipleksera drugog nivoa. U ovom slučaju struju curenja definišu otpornosti ROFF prekidača multipleksera drugog nivoa koje su redno vezane na izlaze multipleksera prvog nivoa. To praktično znači da na ukupnu struju curenja na izlazu utiču struje curenja N-1 otvorenog prekidača jednog multipleksera prvog nivoa i struje curenja M-1 otvorenih prekidača multipleksera drugog nivoa, odnosno važi da je:

0)2()1()1( IMNIMINI OOUK , što je očigledno znatno manja vrednost u odnosu na ukupnu struju curenja metode jednonivovskog multipleksiranja.

Za jedan konkretan praktičan primer vrednosti karakterističnih parametara su sledeće: RS=1k, RON= 200, RL= 10M, broj prekidača je N=15, ulazna struja je 2nA i napon greške iznosi 33.6V. Ako je na ulazu dato 1-100 mV i ako imamo 12-bitni A/D konvertor imamo da je razlaganje A/D konvertora 24.4V. Koristi se dvonivovsko multipleksiranje kod koga imamo blokove sa po n prekidača i svi ti blokovi nakon filtriranja i pojačavanja idu na izlaz preko jednog prekidača.

Problem vezan za promenljivu komponentu ulaznog signala, koja prolazi pri otvorenom prekidaču usled postojanje parazitne ulazno-izlazne kapacitivnosti CIO, izaziva pojavu preslušavanja između susednih kanala, koje je proporcionalno ukupnoj ekvivalentnoj parazitnoj kapacitivnosti. Praktično, kod preslušavanja signali iz kanala koji trenutno nisu aktivni prenose se na izlaz preko ulazno-izlazne parazitne kapacitivnosti prekidača i predstavljaju smetnju. Za slučaj jednonivovskog multipleksiranja sa n kanala, u svakom trenutku zatvoren je prekidač samo jednog kanala, a otvoreno je n-1 prekidača. Kako su parazitne ulazno-izlazne kapacitivnosti otvorenih prekidača paralelno vezane, to će ukupna ekvivalentna parazitna kapacitivnost biti jednaka zbiru paralelno vezanih kapacitivnosti n-1 prekidača, odnosno važi:

IOIOekv CMNCnC )1()1( I ovaj problem se rešava metodom dvonivovskog multipleksiranja koja smanjuje parazitnu

ulazno-izlaznu kapacitivnost po jednom prekidaču. Primer problema preslušavanja prikazan je na slici 1.49.

39

CIOVs1

Rs1

CIeCO+CL

Rs2

RON

NAPONSMETNjI

Slika 1.49 Primer problema preslušavanja

Kako bismo odredili ekvivalentnu vrednost parazitne ulazno-izlazne kapacitivnosti za slučaj metode dvonivovskog multipleksiranja koristićemo ekvivalentne šeme kola sa parazitnim kapacitivnostima za slučaj zatvorenog i otvorenog prekidača multipleksera drugog nivoa, prikazane na sledećim slikama:

(N-1)CIO

P

(N-1)CIO

P

CIO

Očigledno je da je ukupna ulazno-izlazna parazitna kapacitvnost kola u prvom slučaju kod

zatvorenog prekidača drugog nivoa jednaka (N-1)CIO. U drugom slučaju pri otvorenom prekidaču multipleksera drugog nivoa, ukupna kapacitivnost po jednom prekidaču određuje se kao redna veza kapacitivnosti (N-1)CIO i jednog CIO tog otvorenog prekidača, odnosno:

IOIOIO

IOIO CCNNC

CNC

)11()1(

Kako otvorenih prekidača multipleksera drugog nivoa u datom trenutku ima ukupno M-1, a njihove parazitne ulazno-izlazne kapacitivnosti su paralelno vezane, ukupna ekvivalentna kapacitivnost ovog dela kola biće (M-1)CIO. Ovo praktično znači da se za slučaj dvonivovskog multipleksiranja vrednost ekvivalentne parazitne ulazno-izlazne kapacitivnosti određuje kao zbir paralelno vezanih ulazno-izlaznih kapacitivnosti N-1 otvorenih prekidača jednog multipleksera prvog nivoa i paralelno vezanih ulazno-izlaznih kapacitivnosti M-1 otvorenih prekidača multipleksera drugog nivoa odnosno:

IOIOIOekv CMNCMCNC )2()1()1( . što je svakako drastično manja vrednost nego za slučaj jednonivovskog multipleksiranja. Dinamičke karakteristike multipleksera su: vreme uspostavljanja (isključenje jednog i uključenje drugog kanala) i propusni opseg sistema (gornja granična frekvencija koja govori o brzini multipleksiranja). Vreme uspostavljanja se može odrediti iz sledeće relacije:

(%)100lntS

Koeficijent predstavlja dozvoljenu grešku u amplitudi signala i ako je ona 0.1% dobija se da je: tS=3. Koeficijent se određuje preko primera sa slike 1.50.

40

Vs CI CT

Rs

RL

RON

~

Slika 1.50 Ekvivalentna šema U skladu sa slikom 1.50 razlikujemo sledeća tri slučaja i to:

(a) RL >> RS, CT >> CI, =(RS + RON) CT (b) RON >> RS, =RONCT (c) RS >> RON, =RS(CT + CI)

Za jedan konkretan praktičan primer za sledeće karakteristične vrednosti: RON=10, RL=10M, CL=20pF, CI =5pF i CT=100pF dobija se da je vreme uspostavljanja tS= 8.3ns (ako je RS=0) i tS=863ns (ako je RS=1k).

Izlazne parazitne kapacitivnosti CO prekidača sa slike 1.44 se sabiraju, i cilj je da ukupna ekvivalentna parazitna kapacitivnost bude što je moguće manja, kako zbog vremena uspostavljanja, tako i zbog granične frekvencije rada multipleksera. Za slučaj jednonivovskog multipleksiranja, obzirom na to da se vrednost kapacitivnosti CL može zanemariti u odnosu na kapacitivnost CO, ekvivalentna izlazna kapacitivnost Cek određuje se kao zbir paralelno vezanih izlaznih kapacitivnosti n prekidača, odnosno:

OOekv CMNnCC )1( Za dvonivovsko multipleksiranje situacija je nešto drugačija. Ekvivalentne šeme kola sa parazitnim izlaznim kapacitivnostima za slučaj zatvorenog i otvorenog prekidača multipleksera drugog nivoa, prikazane na sledećim slikama:

NCO CO

P

NCO CO

P

CIO

Vrednost izlazne kapacitivnosti određuje se kao zbir dveju komponenti. Prvu komponentu,

koja se odnosi na deo kola multipleksera sa zatvorenim prekidačem u drugom nivou, prikazan na prvoj slici, čini zbir paralelne veze izlaznih kapacitivnosti prekidača svih N-kanala jednog multipleksera prvog nivoa plus parazitna izlazna kapacitivnost zatvorenog prekidača multipleksera drugog nivoa, odnosno NCO+CO=(N+1)CO. Druga komponenta je vezana za slučaj prikazan na desnoj slici pri otvorenom prekidaču drugog nivoa. Kapacitivnost po jednom prekidaču određuje se kao zbir kapacitivnosti redne veze NCO i jednog CIO tog otvorenog prekidača, i izlazne kapacitivnosti CO odnosno:

IOOO

OIOO

OIO

OIOO CC

NCNCCC

NCCNCCC

Kako otvorenih prekidača multipleksera drugog nivoa u datom trenutku ima ukupno M-1, a njihove parazitne izlazne kapacitivnosti su paralelno vezane, ukupna ekvivalentna izlazna kapacitivnost ovog dela kola biće jednaka zbiru izlaznih parazitnih kapacitivnosti M-1 otvorenih prekidača multipleksera drugog nivoa, odnosno (M-1)(CO+CIO). Obzirom da se vrednost CIO može zanemariti u odnosu na CO, za ukupnu ekvivalentnu izlaznu kapacitivnost kod dvonivovskog multipleksiranja dobija se relacija:

OOekv CMCNC )1()1(

41

1.5 Korišćenje UART-a pri prenosu digitalnog signala

Digitalni signali se prenose preko linija prenosa korišćenjem ili serijske ili paralelne komunikacije.

Za komunikaciju na velikim razdaljinama serijska komunikacija je poželjniji metod. Serijska komunikacija može biti ili sinhrona ili asinhrona. U sinhronoj komunikaciji podaci se šalju u neprekidnom nizu bez stop ili start informacije. Asinhrona komunikacija se odnosi na mod komunikacije u kome su podaci prenose kao posebni blokovi odvojeni stop i start bitovima. Bitovi se takođe dodaju nizu podataka radi detekcije grešaka. Uređaji u obliku integrisanog kola poznati kao univerzalni asinhroni primopredajnici (UART) su dostupni za konvertovanje paralelnih podataka u serijski format pogodan za prenos preko upredene parice ili koaksijalne linije i za prijem podataka u serijskom formatu i njihovo ponovno konvertovanje u paralelni format uz proveru bita parnosti. Šematski dijagram za takav uređaj je prikazan na slici 1.51.

Zbog velike kapacitivnosti upredene parice i koaksijalnih kablova dužina linije preko koje standardna 74 serija TTL kola može preneti digitalne signale je ograničena tipično na dužinu od 3 m pri 2 Mbit/s. Ovo može biti uvećano do 15 m upotrebom TTL kola sa otvorenim kolektorom koja napajaju liniju završenu malom impedansom.

Slika 1.51(a) Univerzalni asinhroni primopredajnik (UART)

Slika 1.51(b) Serijski format podataka

Slika 1.51(c) Tajming predajnika

Slika 1.51(d) Tajming prijemnika

42

Slika 1.51(e) Tajming start bita

1.6 Modemi

Da bi se prevazišla ograničenja javnih telefonskih linija digitalni podaci se prenose ovim linijama pomoću modema. Dve modulacione metode koje se koriste u modemima su digitalna frekventna modulacija (FSK) i digitalna fazna modulacija (PSK). Tehnike amplitudne modulacije se ne koriste zbog nepogodnog odziva linije na skokovite promene amplitude. Modemi se mogu koristiti za prenos informacija u dva smera duž telefonske linije.

Puni-dupleks predstavlja prenos informacija u oba smera istovremeno; polu-dupleks je prenos informacija u oba smera ali u određenom vremenskom intervalu samo u jednom smeru; i simpleks je prenos podataka samo u jednom smeru.

Slika 1.52 Digitalna frekventna modulacija

Princip FSK modulacije je prikazan na slici 1.52. FSK koristi dve različite frekvencije da predstavi 1 i 0, a to se može iskoristiti za brzine prenosa podataka do 1200 bit/s. Prijemnik koristi frekventni diskriminator čiji prag je podešen na sredini između dve frekvencije. Preporučeno frekventno pomeranje nije manje 0.66 od modulacione frekvencije. Stoga modem koji radi na 1200 bit/s ima preporučenu centralnu frekvenciju od 1700 Hz i frekventno odstupanje od 800 Hz, sa 0 predstavljenom frekvencijom od 1300 Hz i 1 frekvencijom od 2100 Hz. Na brzini prenosa od 200 bit/s moguć je rad sistema punog-dupleksa. Na 600 i 1200 bit/s koristi se polu-dupleksan rad uz inkorporiranje povratnog kanala male brzine za supervizorsku kontrolu ili za povratne podatke male brzine.

Na bitskim brzinama iznad 2400 bit/s širina opsega i grupno kašnjenje telefonskih linija čini ih nemogućim za prenošenje podataka korišćenjem FSK. Neophodno je da svaki signal sadrži više od jednog bita informacije. To je postignuto procesom poznatim kao digitalna fazna modulacija (PSK), u kome se faza nosioca konstantne amplitude menja. Slika 1.53(a) pokazuje princip PSK

43

modulacije i slika 1.53(b) pokazuje kako sadržaj informacije PSK može biti uvećan upotrebom sistema sa dva-, četiri-, i osam- stanja. Treba uočiti da broj elemenata signala (koji se prikazuje kao brzina u baud-ima) mora da bude umnožen sa brojem stanja da bi se dobila brzina prenosa podataka u bit/s. Stoga PSK sa osam stanja koja radi sa baud brzinom od 1200 bauda može preneti 9600 bit/s. Ovo je najbrži prenos preko telefonskog kabla i namenjen je za rad preko iznajmljenih linija, tj., linija koje su permanentno dodeljene korisniku kao alternativa komutiranim linijama. Na većim brzinama prenosa podataka neophodno je primeniti adaptivnu ekvalizaciju linije da bi se osigurao ispravan rad i takođe mora biti ugrađeno kodiranje korekcije grešaka. Međunarodni konsultativni komitet za telefoniju i telegrafiju (CCITT) je napravio preporuke za mod rada modema koji rade na različitim brzinama preko telefonskih linija. To je istaknuto u preporukama V21, V23, V26, V27 i V29. Današnji modemi koriste V90 protokol i rade na maksimalnim brzinama do 56 kbps.

Slika 1.53 (a) Princip rada digitalne fazne modulacije; (b) fazna modulacija sa dva-, četiri- i osam- stanja

Slika 1.54 prikazuje elemente i rad tipičnog modema. Signal o spremnosti podataka za prenos (DSR) ukazuje opremi prikačenoj za modem da je on spreman da pošalje podatke. Kada je oprema spremna da pošalje podatke ona šalje signal zahteva za slanje (RTS). Modem potom počinje prenos preko linije. Prvi deo prenosa je sinhronizacija prijemnog modema. Imajući dovoljno vremena za sinhronizaciju prijemnika, predajni modem šalje signal čisto za slanje (CTS) opremi i podaci se potom šalju. Na prijemniku detekcija prenešenog signala šalje signal detektovan nosioc podataka (DCD) i postavlja liniju na visoki nivo, a prenešeni signal se demoduliše.

44

Slika 1.54(a) Blok šema modema

Slika 1.54(b) Rad modema

1.7 Interfejs standardi

Da bi se olakšalo povezivanje opreme uvedeni su različiti standardi za serijski i paralelni prenos podataka. Za serijski prenos podataka između opreme terminala za podatke (DTE), kao što je računar ili deo periferne opreme, i opreme za komunikaciju podataka (DCE), kao što je modem, standardi koji se trenutno koriste su RS-232C standard napravljen u SAD-u od strane Zajednice elektronskih industrija (EIA) 1969. godine i njihov skorašnjiji standard RS-449 sa pratećim standardima RS-422 i RS-423.

RS-232C standard definiše elektromehanički interfejs označavanjem pinova 25-pinskog priključka i utičnice koji se koriste za obezbeđivanje električnog uzemljenja, razmenu podataka, kontrolu, takt ili tajming signale između dva dela opreme. Standard takođe definiše nivoe signala,

45

uslove i polaritet na svakoj interfejs vezi. Tabela 1.5 daje označavanja pinova za interfejs i može se videti da se samo pinovi 2 i 3 koriste za prenos podataka. Logička 1 za drajver je izlazni napon između -5 i -15V, sa logičkom 0 koja je između +5 i +15V. Prijemnik prepoznaje logičku 1 za ulazne napone manje od -3V i logičku 0 za ulazne napone veće od +3V, što daje sistemu minimalno 2V margine šuma. Maksimalna brzina prenosa podataka je 20,000 bit/s, a maksimalna dužina kabla je ograničena zahtevom da prijemnik ne treba imati više od 2500 pF. Stoga dozvoljena dužina kabla zavisi od njegove kapacitivnosti po jedinici dužine. Tabela 1.5 Označavanja pinova za RS-232 Broj pina

Nomenklatura signala

Skraćenica signala Opis signala Kategorija

1 AA - Zaštitno uzemljenje Uzemljenje 2 BA TDX Prenešeni podaci Podaci 3 BB RDX Primljeni podaci Podaci 4 CA RTS Zahtev za slanje Kontrola 5 CB CTS Čisto za slanje Kontrola 6 CC DSR Podaci spremni za slanje Kontrola 7 AB - Signalno uzemljenje Uzemljenje 8 CF DCD Detektor signala na prijemnoj liniji Kontrola

9 - - - Rezervisano za testiranje

10 - - - Rezervisano za testiranje

11 - - - Neoznačen

12 SCF - Detektor signala sekundarne prijemne linije Kontrola

13 SCB - Sekundarno čisto za slanje Kontrola 14 SBA - Sekundarno prenešeni podaci Podaci 15 DB - Vremenski elemenat prenošenog signala Tajming 16 SBB - Sekundarno primljeni podaci Podaci 17 DD - Vremenski elemenat primljenog signala Tajming 18 - - - Neoznačen 19 SCA - Sekundarni zahtev za slanje Kontrola 20 CD DTR Spreman terminal podataka Kontrola 21 CG - Detektor kvaliteta signala Kontrola 22 CE - Indikator prstena Kontrola 23 CH/CI - Selektor brzine signala podataka Kontrola 24 DA - Vremenski elemenat emitovanog signala Tajming 25 - - - Neoznačen

Noviji RS-449 interfejs standard koji se koristi za veće brzine prenosa podataka definiše mehaničke karakteristike u smislu oznaka pinova 37-pinskog interfejsa. To je navedeno u tabeli 1.6. Električne karakteristike interfejsa su specificirane sa dva druga prateća standarda, RS-422, koji se odnosi na komunikaciju pomoću balansiranog diferencijalnog drajvera duž balansiranog kabla sa detekcijom pomoću diferencijalnog prijemnika, i RS-423, koji se odnosi na komunikaciju pomoću drajvera sa jednim krajem nebalansiranim kablom sa detekcijom pomoću diferencijalnog prijemnika. Ova dva sistema su prikazana na slici 1.55.

46

Slika 1.55 RS-422 i RS-423 drajver/prijemnik sistemi

Tabela 1.6 Označavanja pinova za RS-449 Oznaka kola Ime kola Smer

kola Tip kola

SG Signalno uzemljenje - Zajedničko SC Obično slanje do DCE RC Običan prijem od DCE IS Terminal u servisu do DCE Kontrolno IC Dolazeći poziv od DCE TR Terminal spreman do DCE DM Mod podataka od DCE SD Slanje podataka do DCE Primarni kanal podataka RD Prijem podataka od DCE TT Tajming terminala do DCE Primarni kanal tajminga ST Tajming slanja od DCE RT Tajming prijema od DCE RS Zahtev za slanje do DCE Primarni kanal kontrole CS Čisto za slanje od DCE RR Prijemnik spreman od DCE SQ Kvalitet signala od DCE NS Novi signal do DCE SF Izbor frekvencije do DCE SR Izbor brzine signala do DCE SI Indikator brzine signala od DCE SSD Sekundarno slanje podataka do DCE Sekundarni kanal podataka SRD Sekundarni prijem podataka od DCE SRS Sekundarni zahtev za slanje do DCE Sekundarni kanal kontrole SCS Sekundarno čisto za slanje od DCE SRR Sekundarni prijemnik spreman od DCE LL Lokalna povratna petlja do DCE Kontrolno RL Daljinska povratna petlja do DCE TM Test mod od DCE SS Izbor moda standby do DCE Kontrolno SB Indikator moda standby od DCE

Maksimalno preporučene dužine kabla za balansirani RS-422 standard su 1300m (4000ft)

pri 90 kbit/s, 130m (380 ft) pri 1 Mbit/s i 13m (40 ft) pri 10 Mbit/s. Za nebalansirani RS-423 standard ograničenja su 1300m pri 900 bit/s, 130m pri 10 kbit/s i 13m pri 100 kbit/s. Kao dodatak, razvijen je standard RS-485 da omogući komunikaciju između više adresibilnih uređaja u formatu prstena, sa do 33 adresa po petlji.

47

IEEE-488 magistrala, često označena kao GPIB magistrala (Hewlett-Packard interfejs magistrala ili GPIP, Interfejs magistrala opšte namene), je standard koji specificira komunikacioni protokol između kontrolera i instrumenata povezanih na magistralu. Instrumenti koji se obično povezuju na magistralu uključuju digitalne voltmetre, generatore signala, frekvencmetre i analizatore spektra i impedanse. Magistrala dozvoljava do 15 takvih instrumenata da budu povezani na magistralu. Uređaji govore, slušaju, ili rade obe operacije, a najmanje jedan uređaj na magistrali mora obezbediti kontrolu, a to je obično računar. Magistrala koristi 15 linija, čije konekcije pinova su prikazane u tabeli 1.7. Nivoi signala su TTL i dužina kabla između kontrolera i uređaja je ograničena na 2 metra. Magistrala može da radi na frekvencijama do 1 MHz. Dijagram povezivanja za tipični sistem je prikazan na slici 1.56. Osam linija se koristi za adrese, podatke programa, i prenos mernih podataka, tri linije se koriste za kontrolu prenosa podataka pomoću tehnike rukovanja, a pet linija se koristi za opšte upravljanje interfejsom. Tabela 1.7 Označavanja pinova za IEEE-488 interfejs Broj pina Funkcija Broj pina Funkcija 1 DIO 1 13 DIO 5 2 DIO 2 14 DIO 6 3 DIO 3 15 DIO 7 4 DIO 4 16 DIO 8 5 EOI 17 REN 6 DAV 18 GND upredena parica sa 6 7 NRFD 19 GND upredena parica sa 7 8 NDAC 20 GND upredena parica sa 8 9 IFC 21 GND upredena parica sa 9 10 SRQ 22 GND upredena parica sa 10 11 ATN 23 GND upredena parica sa 11 12 Oklop (ka zemlji) 24 Signalno uzemljenje

DIO = Ulaz-izlaz podataka EOI = Kraj ili identifikacija REN = Daljinski dostupan DAV = Važeći podatak NRF = Nije spremno za podatke NDAC = Nije prihvaćen podatak IFC = Interfejs slobodan SRQ = Zahtev servisa ATN = Pažnja GND = Uzemljenje

Slika 1.56 Sistem sa IEEE-488 magistralom

48

Univerzalna serijska magistrala USB (Universal Serial Bus) [13] standardizovana je 1996. godine. Magistrala obezbeđuje serijski prenos podataka izmedu računara i perifernih jedinica brzinom do 12 Mb/s. Magistrala je koncipirana tako da predstavlja fleksibilno, ekonomično i jednostavno rešenje veze različitih perifernih jedinica sa računarom.

Savremeni personalni računar raspolaže sa 5 do 7 slotova na osnovnoj ploči za povezivanje interfejsnih kartica na ISA i PCI magistralu. Takode, standardno je opremljen sa dva serijska interfejsa RS-232C, jednim paralelnim portom, portom za igre i standardnim interfejsom za tastaturu. Premda, kao što se vidi, PC raspolaže većim brojem interfejsa, postojeće konfiguracije računara sve teže zadovoljavaju zahteve za povezivanjem sve većeg broja perifernih jedinica. Imajući u vidu dalji trend proširenja broja funkcija personalnog računara dodavanjem novih perifernih jedinica, uveden je USB serijski interfejs sa zadatkom da reši neke od nastalih problema.

Primenom univerzalne serijske magistrale: - uklanjaju se ograničenja u pogledu proširivanja funkcija PC usled ograničenog broja slotova

na osnovnoj ploči i ograničenog broja standardnih komunikacionih interfejsa, - omogućava se jednostavno proširenje PC korišćenjem standardnih softverskih drajvera, - obezbeduje se napajanje perifernih uređaja povezanih na magistralu, - omogućava priključivanje do 127 perifernih jedinica na jedan glavni USB priključak, čime

se uklanja ograničenje jedan priključakjedna periferna jedinica, - povezivanje perifernih jedinica može se vršiti "na živo", dok je PC uključen, - ostvaruje se velika brzina prenosa podataka do 12 Mb/s, uz mogućnost povezivanja i

jednostavnih uređaja koji zahtevaju manje brzine prenosa, - smanjuju se broj i vrste kablova za povezivanje, - ostvaruje se prenos na rastojanja do 5 m, - moguće je upravljati potrošnjom perifernih uređaja u cilju uštede električne energije, - omogućena je autokonfiguracija uređaja povezanih na magistralu po konceptu PnP,

autodetekcija novog uređaja i programsko rukovanje zahtevima za opsluživanje. Takođe, univerzalna serijska magistrala služi za povezivanje perifernih uređaja na samo

jedan personalni računar i ona, kao takva, nije koncipirana da radi kao lokalna mreža niti sadrži mrežne servise. Način povezivanja preko USB ilustrovan je na slici 1.57. Za grananje magistrale koristi se čvor (hub). GIavni čvor (root hub) za USB magistralu je PC. Ono što je karakteristično jeste to da u USB sistemu postoji samo jedan glavni čvor, dok pomoćni čvorovi ili funkcije (node) mogu biti nezavisni ili su realizovani u okviru pojedinih perifernih uređaja kao što su tastatura ili printer. Na taj način omogućeno je povezivanje većeg broja uređaja na PC, pri čemu se koristi struktura za povezivanje u vidu stabla. Kompletan prenos podataka se obavlja između glavnog čvora i uređaja povezanih na USB. Uređaji na USB ne komuniciraju međusobno direktno.

ČVOR 1

NIVO 1

GLAVNI KONTROLER

PC

NIVO 2

NIVO 3

NIVO 4

ČVOR 2

ČVOR 3 ČVOR 4

UREĐAJ UREĐAJ

UREĐAJUREĐAJ

UREĐAJUREĐAJ UREĐAJ

Slika 1.57 Topologija sistema na bazi univerzalne serijske magistrale

Svakako, i pored evidentnih prednosti koje nudi, univerzalna serijska magistrala se ne može primeniti za povezivanje svih perifernih jedinica sa PC računarom. To se, pre svega, odnosi na

49

interne i eksterne disk jedinice i video monitor. Ovi uređaji zahtevaju gotovo kontinualan prenos podataka veoma velikom brzinom. Međutim, treba imati u vidu da se i u ovim slučajevima neke funkcije, kao što je upravljanje monitorom, mogu ostvariti preko USB.

Uređajima predviđenim za povezivanje preko USB interfejsa na raspolaganju stoje dve brzine prenosa: velika brzina prenosa od 12 Mb/s i mala brzina prenosa od 1,5 Mb/s. Mala brzina prenosa rezervisana je za jednostavnije uređaje koji ne šalju velike količine podataka i podatke ne šalju često. S obzirom da za slanje jednog bajta spori uređaji potroše isto vreme koje brzi uređaj potroši za slanje 8 bajtova podataka, broj sporih uređaja povezanih na USB je ograničen.

Uređaji povezani na USB magistralu rade u asinhronom ili izohronom načinu rada. Izohroni podaci su kontinualni i generišu se u realnom vremenu. U ovom načinu rada podaci se moraju prenositi određenom brzinom. Glas predstavlja tipičan izohroni podatak. U asinhronom radu uređaj šalje ili prima podatke po zahtevu. Kod uređaja koji komuniciraju izohrono brzinu prenosa definišu podaci. Primer uređaja koji koriste izohroni prenos su zvučnici, koji za kvalitetnu reprodukciju zvuka zahtevaju brzinu prenosa od 1 Mb/s.

Serijski interfejs RS-232C standardizovan je samo na nivou fizičke veze, odnosno, specificirani su konektor, kabl, naponski nivoi i brzina prenosa. Za sadržaj prenošenih podataka odgovoran je program koji upravlja prenosom. Za razliku od RS-232C, univerzalna serijska magistrala može se posmatrati preko više nivoa. Takođe, USB sistem se može podeliti na nekoliko logičkih celina. Na taj način omogućen je jednostavniji prikaz magistrale, a proizvođačima opreme i softvera USB sistema daje se mogućnost da pažnju fokusiraju na detalje koji su povezani sa njihovim proizvodom.

USB magistrala može se prikazati, kao što je predstavljeno na slici 1.58, preko tri nivoa: nivo USB interfejsa (USB Interface Layer), nivo USB uređaja (USB Device Layer), nivo funkcije (Function Layer).

Nivo USB interfejsa obezbeđuje fizičku vezu za prenos signala i paketa podataka između računara i USB uređaja. Nivo USB uređaja omogućuje sistemskom softveru USB magistrale da obavi opšte funkcije nad USB uređajem. Preko nivoa funkcije ostvaruju se, posredstvom klijent softvera, dodatne funkcije računara u USB sistemu. Preko nivoa interfejsa, dakle, fizički se odvijaju komunikacije, dok se preko preostala dva nivoa odvijaju tzv. logičke komunikacije.

USB sistem se može podeliti, kao što je predstavljeno na slici 1.58, na četiri funkcionalne celine: USB uređaj (USB Physical Device), klijent softver (Client Software), USB sistemski softver (USB System Software) i glavni USB kontroler (USB Host Controller). USB uređaj predstavlja hardverski sklop koji se nalazi na kraju kabla USB magistrale i koji za krajnjeg korisnika obavlja određenu funkciju. Klijent softver obezbeđuje prenos podataka između perifernog uređaja i računara. Ovaj softver se isporučuje sa operativnim sistemom ili ga isporučuje proizvođač USB uređaja. USB sistemski softver podržava rad USB uređaja u određenom operativnom sistemu. Isporučuje se, po pravilu, uz operativni sistem, nezavisno od tipa USB uređaja ili klijent softvera. Glavni USB kontroler integriše hardver i softver koji omogućuju povezivanje USB uređaja i računara.

Kao što se vidi sa slike 1.58, povezivanje računara i uređaja zahteva povezivanje nekoliko nivoa i celina. Nivo interfejs USB magistrale obezbeđuje fizičku vezu za prenos signala i podataka između računara i USB uređaja. Na nivou USB uređaja USB sistemski softver obezbeđuje opšte funkcije uređaja. Nivo funkcije proširuje mogućnosti računara preko odgovarajućeg klijent softvera. Nivoi USB uređaja i funkcije imaju uvid u prenos u okviru svog nivoa. Oba ova nivoa za prenos podataka koriste nivo interfejsa USB magistrale.

Specifikacijom su obuhvaćene mehaničke i električne karakteristike interfejsa, pakovanje podataka, adresiranje podataka i upravljanje i podešavanje perifernih jedinica uz minimalno angažovanje klijent softvera.

50

STVARNA VEZA

LOGIČKA VEYA

CELINE USB SISTEMA

USB HostController

USB BusInterface

USB System SW

Client SW Function

USB LogicalDevice

NIVO FUNKCIJE

NIVO USBUREĐAJA

NIVO USBPOVEZIVANJA

RAČUNAR VEZE UREĐAJ

Slika 1.58 Nivoi povezivanja i celine USB sistema

USB standard se i dalje razvija. Tako da već sada postoji pet različitih USB standarda. Pored klasičnog USB-a na tržištu je dosta zastupljen i USB velike brzine (High speed USB). On omogućava prenos pri znatno većoj brzini nego kod standardnog USB-a. Tipična brzina prenosa USB velike brzine je 480 Mbps. Interesantno je da se ova brzina prenosa može ostvariti i bežičnim USB-om na rastojanjima od oko 3m sa većom energetskom efikasnošću od bluetooth-a. Na većim rastojanjima bežičnim USB prenosom postižu se manje brzine, a na manjim veće. Iako mnogi od ovih novih USB-a još nisu rasprostranjeni, obećavaju široku primenu u budućnosti.

1.8 Kodovi za detekciju i korekciju grešaka

Greške se javljaju u komunikacionim sistemima za prenos digitalnih podataka kao posledica oštećenja podataka šumom. Slika 1.59 pokazuje verovatnoću bitske greške kao funkciju odnosa signal/šum za PCM prenosni sistem korišćenjem NRZ-L kodiranja.

Da bi se smanjila verovatnoća pojavljivanja grešaka u prenosu podataka, dodatni bitovi se dodaju prenešenoj poruci. Ovi bitovi dodaju redundansu prenešenim podacima, a pošto je sada samo deo prenešene poruke aktuelni podatak, efikasnost prenosa je smanjena.

Postoje dva načina kodiranja greške, poznata kao napredno kodiranje detekcije i korekcije greške (FEC), u kome je prenešena poruka kodirana na takav način da greške mogu biti i detektovane i ispravljene kontinualno, i kodiranje automatski ponovljenog zahteva (ARQ), u kome ako je greška otkrivena tada se šalje zahtev za ponavljanjem prenosa. Što se tiče brzine propusnosti podataka FEC kodovi su efikasniji nego ARQ kodovi zbog potrebe za ponovnim slanjem podataka u slučaju greške u ARQ kodu, mada potrebna oprema za detekciju grešaka je nešto jednostavnija nego ona koja je potrebna za korekciju grešaka u oštećenoj poruci. ARQ kodovi se uobičajeno koriste u instrumentacionim sistemima.

Slika 1.59 Verovatnoća bitske greške za PCM prenos koji koristi NRZ-L kod

51

Kodiranje sa proverom parnosti je oblik kodiranja korišćen u ARQ kodiranju u kome (n-k) bita se dodaje na k bita podataka što čini jedan n-bitni sistem podataka. Najjednostavniji oblik kodiranja je kodiranje parnosti bita u kome je broj dodatih bitova jedan i ovaj dodatni bit je dodat nizu podataka u cilju postizanja da ukupan broj jedinica u nizu podataka bude neparan ili paran. Primljeni podatak je proveren po parnosti. Ovaj oblik kodiranja će detektovati samo neparan broj grešaka bita. Kompleksniji oblici kodiranja uključuju kodove linearnog bloka kao što su Hamingovi kodovi, ciklični kodovi kao što su Boze-Čanhuri-Hokenhajnovi kodovi, i geometrijski kodovi. Ovakvi kodovi mogu biti napravljeni da otkriju višestruke greške, kada su pogrešena dva ili više susedna bita. Uopšteno, veći broj bitova parnosti, kodiranje je manje efikasno, ali su veći i maksimalni broj slučajnih grešaka i maksimalna dužina paketa koja može biti detektovana. Slika 1.60 pokazuje primere nekih od ovih tehnika kodiranja. Podaci D0 D1 D2 D3 P0 Jednostavna provera parnosti Podatak Reč 1 D1

0 D1 1 D1

2 D1 3 P1

0 Reč 2 D2

0 D2 1 D2

2 D2 3 P2

0 Reč 3 D3

0 D3 1 D3

2 D3 3 P3

0 Reč 4 D4

0 D4 1 D4

2 D4 3 P4

0 Reč 5 P5

0 P6 1 P7

2 P8 3 P9

0

Hor

izon

taln

a pa

rnos

t

Geometrijski kod

Vertikalna parnost Ciklični kod D0 D1 D2 D3 P0 P1 P2 Polarnost = polinomni podaci/G(X) Parnost

Podsetnik G(X) = generator polinoma

P0 P1 D0 P2 D1 D2 D3 Hamingov kod aritmetički moduo 2 P0= D0 D1 D3 12=0 P1= D0 D2 D3 10=1 P2= D1 D2 D3 00=0

Slika 1.60 Kodiranje detekcije grešaka

52

2. DVOŽIČNI TRANSMITERI 2.1 Metode povezivanja mernih pretvarača

U ovom poglavlju detaljnije se razmatraju postojeće metode povezivanja mernih pretvarača sa prijemnikom signala i izvorom napajanja. Tačno prenošenje izlaznog signala iz mernog pretvarača sa neke udaljenosti u pogonu (procesu) do centralne lokacije za pokazivanje, obradu ili digitalizaciju, stalni je problem prisutan u upravljanju procesima. Tradicionalni pristup je korišćenje standardnog strujnog signala (4-20mA) za prenos informacija između mernog pretvarača i prijemnika. Prednost ovakvog prenosa je otpornost na smetnje, manja cena ožičenja, detekcija prekida, mogućnost rada u eksplozivnim sredinama (benzinske pumpe, rudnici) korišćenjem sigurnosnih zener barijera, prenosi se dovoljno struje za napajanje pretvarača, itd.

Dvožični merni pretvarač bez senzora predstavlja dvožični transmiter. Izolovani kondicioneri i transmiteri su osnovne komponente svakog industrijskog i mernog okruženja. Bez ovih komponenti ni za jedno merenje se ne može sa sigurnošću reći da je tačno, a opasnost po ljude i opremu je stalna. Ugradnjom izolacionih komponenti podiže se kvalitet i profesionalnost postrojenja, tačnost merenja i opšta sigurnost. 2.1.1 Načini spajanja mernih pretvarača sa prijemnikom signala

Povezivanje mernih pretvarača sa prijemnikom signala ostvaruje se u principu na četiri načina. Četvorožična veza mernog pretvarača sa naizmeničnim napajanjem koje je galvanski odvojeno, data je na slici 2.1.

Slika 2.1 Četvorožično povezivanje mernog pretvarača Osnovni problem kod načina povezivanja mernog pretvarača prikazanim na slici 2.1 je to što

se veoma teško pravi transmiter primenljiv u eksplozivnim sredinama, jer je potrebno galvansko odvajanje signala kada je prijemnik procesni računar i povećani su troškovi ožičenja za oko dva puta u poređenju sa metodom sa dvožičnim povezivanjem.

-

T2p I L RL

KOMANDNIPULT

NAPAJANjE

MERNI PRETVARAČ

+

Slika 2.2 Merni pretvarač sa četvorožičnom vezom i jednosmernim napajanjem

- +

T1p IL RL

KOMANDNIPULT

OTPOROPTERE ENjAĆ

NAPAJANjE

MERNI PRETVARAČ

53

Povezivanje mernog pretvarača sa komandnom salom dato na slici 2.2 u osnovi je isto kao na slici 2.1, sa tim što je prednost ovog tipa povezivanja lakša mogućnost realizacije primene u eksplozivnim sredinama. Kod trožične veze prikazane na slici 2.3, linija koja povezuje izvor napajanja i linija koja povezuje jedan kraj prijemnika sa mernim pretvaračem, čine jedan provodnik A. Zajednička tačka izvora i prijemnika je uzemljena. Jedina prednost ove veze u odnosu na vezu prikazanu na slici 2.2 je ušteda jednog voda.

-

T3p RL

KOMANDNIPULT

A B

MERNI PRETVARAČ

+

Slika 2.3 Trožično povezivanje mernog pretvarača

Na slici 2.4 predstavljena je dvožična veza mernog pretvarača sa serijski vezanim prijemnikom signala i jednosmernim naponom napajanja u komandnom pultu.

Slika 2.4 Dvožično povezivanje mernog pretvarača

Osim evidentne uštede u ukupnom broju vodova potrebnih za komunikaciju, treba naglasiti da ova varijanta povezivanja podrazumeva korišćenje zaštitne Zener-diode, koja u svakom trenutku obezbeđuje potrebnu snagu neophodnu za normalno funkcionisanje izlaznog pojačavača i ostalih elektronskih blokova u sklopu mernog pretvarača. Izlazna struja mernog pretvarača koja je uvek različita od nule i može zavisno od vrednosti ulaznog procesnog parametra biti u opsegu 4–20mA protiče kroz zener diodu polarišući je i stvarajući konstatni pad napona na njoj dovoljan za napajanje elektronskih kola mernog pretvarača. Jasno je da izlazna struja ne može biti jednaka nuli, jer bi u tom slučaju kompletna elektronika mernog pretvarača ostala bez napajanja. Osnovna blok šema mernog pretvarača prikazana je na slici 2.5. Osnovni parametri su: p - procesni parametar VT - napon transmitera RV1, RV2 - otpori prenosnih vodova Io - struja, nosilac informacije na standardnom signalu o procesnom parametru EN - izvor napajanja RL - otpor opterećenja

T1p RL

+-

MERNI PRETVARAČ

54

Slika 2.5 Blok šema dvožičnog transmitera

U principu, električni deo dvožičnog transmitera je obično konvertor napona u struju koji prenosi svoj strujni signal svojim linijama za napajanje i simbolički se može prikazati kao na slici 2.6.

Slika 2.6 Električna šema dvožičnog transmitera

Izlazna struja I0 sastoji se od konstantne (mirne) struje I1 i struje signala koja je direktno srazmerna sa ulaznim signalom ei koji je proporcionalan procesnom parametru. Pri tome je koeficijent srazmernosti transkonduktansa gm. U sistemima za upravljanje tehnološkim procesima za određeni dinamički opseg ei, I1 i gm se određuju za strujni opseg od 4 do 20mA. Ulazni napon ei mora biti referentan u odnosu na jednu od dve linije, a ne u odnosu na svoju referentnu masu, jer bi struja tekla između dva uzemljenja i stvarala pad napona greške na otporu opterećenja RL. To znači da se ei mora generisati iz plivajućeg (floating) mernog pretvarača. Neki pretvarači, kao termoparovi sa neuzemljenim toplim krajem, već su plivajući, a drugi (koji zahtevaju prednapone) mogu biti povezani u obliku mosta koji se napaja preko dvožičnog transmitera da bi se dobila željena plivajuća veza. Ako ulazni signal mora da ima svoje sopstveno uzemljenje (npr. termoparovi sa uzemljenim toplim krajem), koriste se dvožični transmiteri sa galvanskom izolacijom ulaznog od izlaznog signala.

U skladu sa primerom dvožičnog povezivanja mernog pretvarača prikazanim na sl. 2.4, osnovna blok konfiguracija dvožičnog transmitera sastoji se od pojačavača ulaznog signala, naponsko-strujnog V/I konvertora i bloka za napajanje sa Zener-diodom, kako je prikazano na slici 2.7.

pI 0VT

RV1

RV2

EN

RL

KOMANDNASALA

MERNI PRETVARAČ

+ -

I0

ENM1

RLRI

+ -e =(I +g e )R0 1 m i L

I +g e1 m ieie0

+

-

55

+A

-ei V/I

RL

+V

I0

+ -e0 Slika 2.7 Osnovna blok šema dvožičnog transmitera

Pojačanjem ulaznih naponskih signala obezbeđuje se odgovarajuća vrednost struje opterećenja I0. Transkonduktansa pokazuje koliki je odnos kombinovanog izlaznog strujnog signala i naponskog signala na ulazu. Pojačavač se napaja preko plivajućeg napajanja sa Zener-diodom, čime se ograničava uticaj efekata nastalih usled promene napona na izlazu. Kako se pojačavač napaja u odnosu na izlazni kraj, promena izlaznog napona reflektuje se na ulaz pojačavača. Napon Zener-diode podešava se tako da bude dovoljno veliki za nesmetano napajanje pojačavača, ali ne previše veliki kako ne bi ograničio napon na izlazu transmitera. Komponente izlazne struje I0 su podložne termičkim varijacijama pa je u cilju što tačnijeg prenosa informacije potrebno izvršiti korekciju na otporniku opterećenja operacionog pojačavača koji je obuhvaćen povratnom spregom.

Kada ožičavanje u praksi predstavlja ozbiljan problem, treba koristiti tip transmitera sa modulacijom noseće frekvencije, koji je prikazan na slici 2.8.

A V/IRL

+V

I0

+ -e0

Napajanje

Otpornimost

Vinov oscilator

Slika 2.8 Transmiter sa modulacijom noseće frekvencije

Izlaz ovog tipa transmitera je proporcionalan stepenu neravnoteže mosta i prenaponu iz Vinovog oscilatora, koji ujedno predstavlja i signal nosioca. Grešku pri prenosu informacija primarno definiše nivo stabilnosti amplitude signala Vinovog oscilatora, pa je neohodno koristiti stepen za automatsku korekciju pojačanja, kako bi se kontrolisala amplituda oscilatora. Za više senzora potrebno je isto toliko oscilatora sa različitim nosećim frekvencijama i isti broj otpornih mostova, čiji će se izlazi sabirati na istom pojačavaču.

Ako su senzori takvog tipa da se njima generiše neplivajući izlazni signal, treba koristiti kolo sa uzolovanim tipom transmitera, čija je blok konfiguracija prikazana na slici 2.9.

+A

-ei

RL

+V

I0

+ -e0

Strujni pojacavac

Foto par

Foto par

DC/DCkonvertor

Slika 2.9 Izolovani tip transmitera

56

Uzemljenje senzora može biti odvojeno velikom razlikom potencijala u odnosu na uzemljeni kraj prijemnika informacija, što može izazvati značajno slabljenje korisnog signala koji se prenosi. Foto parovima se eliminiše uticaj ovog neželjenog signala usled razlike uzemljenja, kao i uticaji cirkulišućih struja usled pogrešnog uzemljenja, a prenosi se samo korisni signal. Pojačavač signala pobuđuje par LED dioda – fototranzistor, dok DC/DC konvertor obezbeđuje napajanje pojačavača. Za slučaj da se napajanje pojačavača obezbeđuje sa ulazne strane kola na slici 2.9 eliminiše se potreba za primenom DC/DC konvertora.

Tačnost odziva kola izolovanog transmitera ograničena je na oko 1% greške usled nestabilnosti uparivanja i šumova para LED-fototranzistor, koji se moraju upariti za ceo dinamički opseg signala, pa je teško smanjiti nelinearnost. Pored toga, vreme stabilnosti uparivanja degradira se zbog smanjenja efikasnosti prenosa, što u kombinaciji sa visokim sadržajem šuma u izlaznoj struji ovih foto parova, predstavlja dodatno ograničenje osetljivosti transmitera.

Izlazna struja I0 sastoji se od konstantne (mirne) struje I1 i struje signala koja je direktno srazmerna sa ulaznim signalom ei koji je proporcionalan procesnom parametru. Pri tome je koeficijent srazmernosti transkonduktansa gm. U sistemima za upravljanje tehnološkim procesima za određeni dinamički opseg ei, I1 i gm se određuju za strujni opseg od 4 do 20mA. Ulazni napon ei mora biti referentan prema jednoj od dve linije, a ne prema svojoj referentnoj masi, jer bi struja tekla između dva uzemljenja i stvarala napon greške na otporu opterećenja RL. To znači da se ei mora generisati iz plivajućeg (floating) davača. Neki davači, kao termoparovi sa neuzemljenim toplim krajem, već su plivajući, a drugi (koji zahtevaju prednapone) mogu biti spojeni u mostni spoj koji se napaja iz dvožičnog transmitera da bi se dobio željeni plivajući spoj. Ako ulazni signal mora da ima svoje vlastito uzemljenje (npr. termoparovi sa uzemljenim toplim krajem) koriste se dvožični transmiteri s galvanskom izolacijom ulaznog od izlaznog signala. 2.2 Tipovi izvora snage unutar dvožičnog transmitera

Za normalno funkcionisanje dvožičnog transmitera neophodno je da unutar transmitera postoji dodatni izvor snage, koji svoju energiju crpi iz izvora napajanja EN preko prenosnih vodova. Zavisno od prirode samih izvora snage oni moraju imati konstantnu strujnu, odnosno naponsku karakteristiku. Paralelni izvor snage sa konstantnom strujnom karakteristikom i serijski izvor snage sa konstantnom naponskom karakteristikom za interno napajanje dvožičnog transmitera prikazani su na slikama 2.10 i 2.11, respektivno.

PROCESNI PARAMETAR(PROMENLJIVA)

POVRATNASPREGA

IZLAZNOPOJA ALOČ

POJA ALOGRE KE

ČŠ

PARALELNIIZVORSNAGE

I1 I 2 I 0

VT

++

-

-

T1

RF

Slika 2.10 Paralelni izvor snage

57

PROCESNI POVRATNASPREGA

SERIJSKIIZVORSNAGE

I0

I 0VT

++

-

-

T1

RF

Slika 2.11 Serijski izvor snage

Struja I1 koja napaja energijom paralelni izvor snage u svakom trenutku mora imati konstantnu vrednost kako ne bi uticala na vrednost struje I0, koja direktno zavisi jedino od vrednosti struje I2, odnosno od vrednosti procesnog parametra koji se kontroliše. Za slučaj serijskog izvora snage na slici 2.11. neophodno je da struja I0 pri nultoj vrednosti procesnog parametra koji se kontroliše ili pri donjoj graničnoj vrednosti njegovog dinamičkog opsega, ne bude manja od 4mA. Kako i paralelni i serijski izvor snage svoju energiju crpu iz izvora napona napajanja En, za vrednost izlazne struje u opegu 4-20mA, napajanje elektronike prisutne u kolu mora biti obezbeđeno i za najgori mogući slučaj, odnosno za najmanju vrednost maksimalne izlazne snage. Zato je neophodno definisati tu maksimalnu vrednost snage koja se može zahtevati od primenjenog izvora snage. Ona se računa kao:

snageizvor serijski za)(2.0snageizvor paralelni za))(2.0(

max0max

max0maxmax

AN

NA

VIREIIREiI

P

gde su: iA, VA struja, napon praga izlaznog pojačavačkog stepena; Imax - maksimalna vrednost struje I0, odnosno nosioca informacije; R0 = RV1 + RV2 + RL – ukupna otpornost opterećenja;

Za slučaj paralelnog izvora snage maksimalna izlazna snaga određuje se kao proizvod minimalne vrednosti izlazne struje Imin=0,2Imax=4mA umanjene za zanemarljivo malu vrednost struje praga izlaznog pojačavačkog stepena i minimalne vrednosti izlaznog napona. Ova vrednost izlaznog napona se računa kao razlika napona napajanja i vrednosti napona na ekvivalentnoj otpornosti opterećenja R0=RV1+RV2+RL, pri maksimalnoj izlaznoj struji Imax=20mA.

Za serijski izvor snage, koji ima konstantnu naponsku karakteristiku, maksimalna izlazna snaga određuje se kao proizvod minimalne vrednosti izlazne struje izvora Imin=0,2Imax=4mA i njegovog konstantnog napona, koji se računa kao razlika sledećih parametara: vrednosti napona napajanja, pada napona na otpornosti opterećenja R0 pri maksimalnoj izlaznoj struji Imax=20mA, i zanemarljivo male vrednosti napona praga izlaznog pojačavačkog stepena (napon na spoju kolektor-emitor).

Minimalna vrednost za maksimalnu izlaznu snagu Pmax, odnosno sopstvenu potrošnju izvora snage, obzirom na tehnološki nivo primenjenih poluprovodničkih komponenti (operacioni pojačavači male potrošnje, zener diode male referentne struje, itd.), je vrednosti ispod 40mW, ali i pored toga još uvek postoje problemi oko energetskog bilansa izvora snage.

58

2.3 Digitalni dvožični transmiteri

Razvoj kola visokog stepena integracije uzrokovao je pojavu veoma tačnih i brzih analogno-digitalnih konvertora (A/D), čoperski stabilisanih pojačavača, serijsko-paralelnih i paralelno-serijskih konvertora, itd., smeštenih na jednom čipu (kućištu). Analogni transmiter može sada biti zamenjen digitalnim transmiterom koji je jeftiniji, tačniji i stabilniji od svog predhodnika. Mada analogni transmitter zadovoljava u mnogim standardnim primenama, on ima i neka svoja ograničenja, obzirom na udaljenost na koju se prenosi koristan signal, uticaj šumova na prenosnu liniju i uticaj struja uzemljenja. Korišćenjem digitalnog transmitera u sistemima automatskog upravljanja, uticaj šumova na prenosnu liniju može praktično biti eliminisan upotrebom kola za optoizolaciju na nivou digitalnog signala koji se prenosi.

DAVAČ POJAČAVAČA/D

KONVERTOR UART

KONTROLA

LINIJSKI

DRAJVER

IZVOR SNAGE

VizP

(a)

DETEKTORPRAGA

(KOMPAR.)

DRUGI IZVORSNAGE

NAPAJANJE

UART2 MA

GIS

TRA

LA

(b)

Slika 2.12 Principijalna blok sema digitalnog transmitera: (a) Digitalni predajnik; (b) Digitalni prijemnik

Naponski signal iz senzora (davača) nakon što se pojača pojačavačem vodi se u A/D konvertor, gde se pretvara u digitalni signal. Ovakav digitalni signal putem univerzalnog asinhronog primo-predajnika (UART), pretvara se u serijski podatak koji se kao niz bitova prenosi prenosnom linijom. Komparator rekonstruiše binarne podatke koji čine korisnu prenosnu informaciju. Kolo UART-a vrši konverziju serijskog u digitalni podatak. Principijelna blok šema UART-a data je na sledećoj slici:

Rx

Tx

Sa prijemnika

Serijski pod.

Ulaz

Serijski pod.Izlaz

RD

RDA

Paralelni pod.Izlaz

Paralelni pod.Ulaz

TBE

WR Slika 2.13 Principijelna blok šema UART-a

59

Postoje dva važna kontrolna signala koji se koriste za upravljanje radom UART-a. Jedan od ovih kontrolnih signala odnosi se na raspoloživost podataka sa prijemnika RDA (Receiver Data Available) i daje indikaciju da je kompletna N-bitna reč serijskog podatka primljena. Drugi upravljački signal TBE (Transmitter Buffer Empty) nosi informaciju o tome da je bafer odašiljača prazan. TBE signal indicira da je UART u stanju da prihvati novu N-bitnu paralelnu reč podatka za prenos. Na slici 2.13. sa Rx je označen prijemnik, a sa Tx predajnik. Tip A/D konvertora koji se koristi u ovakvim digitalnim transmiterima je najčešće 12-bitni, koji daje na svom izlazu takav format digitalnog signala koji obezbeđuje njegovo dovođenje u UART. UART najčešće uzima dva bajta iz A/D konvertora, i to jedan 6-bitni kao gornji i jedan 8-bitni kao donji bajt i prenosi ih u serijskoj formi zajedno sa bitovima za start, stop i parnost. Brzina prenosa podataka može biti eksterno kontrolisana signalima iz kvarcnog oscilatora. Pri tome isti kristal kvarca se može primeniti za A/D konvertor i UART 1. Vreme prenosa kompletnog serijskog podatka mora biti znatno manje od vremena konverzije podatka. U praksi vreme prenosa podataka je deset puta manje od vremena konverzije.

Namena linijskog drajvera je da obezbedi odgovarajući nivo snage prenošenog korisnog signala, koji zavisi od konkretnog rešenja digitalnog transmitera. Prijemni deo digitalnog transmitera se sastoji od komparatora i drugog UART–a. Digitalni izlaz ovog UART-a može se direktno dovesti na računar ili u neki drugi digitalni sistem. Ako se zahteva i digitalni displej, treba koristiti UART koji ima tri heksadecimalna izlaza, mogućnost promene polariteta i mogućnost prekoračenja.

Ovako projektovan digitalni transmiter može biti kompletno smešten u kućište, a kod prenosa na većim razdaljinama između senzora i prijemnika, prijemni deo (komparator, izvor snage 2 i UART 2) mogu biti locirani na određenu udaljenu lokaciju, definisanu prenosnim linijama, brzinom prenosa i zahtevanom tačnošću prenosa. Današnji tipični digitalni transmiteri najčešće imaju 12-bitne A/D konvertore, uključujući i bit polariteta, a nešto veća tačnost se može obezbediti primenom 14 ili 16-bitnih A/D konvertora. Primenom odgovarajućih optoizolatora, moguće je postići probojni napon reda veličine nekoliko kV, ne smanjujući bitno klasu tačnosti sistema.

UART-i koji se koriste kod digitalnih transmitera, kao što smo videli imaju predajnik i prijemnik što se može iskoristiti i za direktno slanje poruka samom senzoru. Ovo neznatno komplikuje digitalni transmiter, ali ga čini znatno inteligentnijim. Primljena reč od strane senzora ili prijemnika može biti iskorišćena za početak prenosa ili početak nove konverzije, čiji rezultat može biti vraćen nazad.

Konverzija po zahtevu može iskoristiti prenošeni korisni signal da selektuje jedan od nekoliko senzora ili jednu od nekoliko različitih operacija u sistemu. Periodično uzimanje statusnih informacija iz predajnika ili prijemnika (kod računarskih sistema iz jedne ili više periferijskih jedinica), da bi se utvrdilo da li je svaki od njih spreman ili nije da pošalje ili da primi novi podatak, naziva se sistem pollinga-a. Prenos po zahtevu se može proširiti na sistem polling-a, tako da se primljena reč upoređuje sa onom koja je memorisana u senzoru, pri čemu ako se ove dve reči poklapaju, podaci se šalju na magistralu računara. Na ovaj način nekoliko senzora može se povezati na istu prenosnu liniju, a njima se pojedinačno pristupa preko zajedničkog upravljačkog računarskog sistema.

2.4. Prikaz nekih dvožičnih transmitera i karakteristike

Izolovani kondicioneri i transmiteri [12] su osnovne komponente svakog industrijskog ili laboratorijskog mernog okruženja. Bez ovih komponenata ni za jedno merenje se ne može sa sigurnošću reći da je tačno, a opasnost po ljude i opremu je stalna. Ugradnjom izolacionih komponenta podiže se kvalitet i profesionalnost postrojenja, tačnost merenja i opšta sigurnost.

Osnovna uloga kondicionera i transmitera je da dolazeće analogne signale prenesu preko izolacione barijere i da ih verodostojno interpretiraju na svom izlazu.

Područje primene su sistemi za akviziciju podataka, merenje, monitoring i procesno upravljanje. Primenom izolacionih komponenata može se sprečiti degradacija kvaliteta merenja

60

nastala efektima smetnji različitog porekla kao što su šum, tranzijenti, električna pražnjenja i druge opasnosti iz industrijskog ili laboratorijskog okruženja.

Izolacione komponente štite ljude od visokog napona a zatim i opremu od različitih potencijala petlji uzemljenja. Drugim rečima, kondicioneri galvanski razdvajaju razlike potencijala između generatora signala i mernih sistema.

Electronic Design proizvodi dvožične transmitere visoke tačnosti i kvaliteta izrade. Obično se proizvodi više različitih serija uređaja: CA, CB, CC, CD, CE, CS.

Serija CA Familija izolacionih, analognih kondicionera sa instrumentacionim karakteristikama

Serija CB Familija izolacionih kondicionera-transmitera sa dvožičnim strujnim prenosom signala

Serija CC Familija ekonomičnih pasivnih signalnih izolatora (u razvoju)

Serija CD Familija izolatora transmitera sa Ex specifikacijama i HART protokolom (u razvoju)

Serija CP Familija programabilnih signalnih izolatora (u razvoju) Serija CS Električni izvor za napajanje kondicionera

Svi ED-ovi kondicioneri i transmiteri bez obzira na različitost serija i familija u istoj aplikaciji se mogu međusobno mešati što korisniku omogućava da na jednostavan i ekonomičan način reši potrebe postrojenja. Zajedničko za sve je da su to kompaktne i ekonomične komponente koje po performansama zadovoljavaju profesionalne zahteve za instrumentaciona, laboratorijska i industrijska merenja.

Svi kondicioneri i transmiteri su napravljeni za montažu na DIN šinu. Moduli imaju Fenixove priključke sa vijcima tako da je i montaža i ožičenje vrlo lako i brzo.

2.4.1 Dvožični izolovani transmiteri serije CB Osnovni opis

Dvožični izolovani transmiteri Serije CB imaju jedan analogni ulazni kanal koji signal filtrira, pojačava, izoluje i konvertuje u strujni od 4 do 20 mA pogodan za prenos na distancu do 1200 m. Ovako kondicionirani i izolovani signali se mogu priključiti na sistem za akviziciju podataka, Industrijski PC, PLC ili na neki drugi merni sistem.

Transmiteri Serije CB imaju visoku tačnost i linearnost karakteristične za skupe proizvode. Kondicioneri imaju električnu (galvansku) izolaciju između senzora i mernog sistema od 1500 V.

Serija CB ima veliki broj različitih modela. Ulaz prihvata miliVolte (mV), Volte (V), miliAmpere (mA), Ampere (A), RTD, "RMS to DC", termoparove, frekvenciju i potenciometre.

Atributi Transformatorska izolacija 1500 Vrms Tačnost bolja od ±0.03 % Linearnost ±0.01 %

61

Petopolni filter, 80 dB NMR za 50 Hz CMR 160 dB Napajanje kroz strujnu petlju od 11V do 60V Izlaz 4 do 20 mA Zaštita na ulazu i izlazu do 250 V AC Laka montaža i ugradnja na DIN šinu Zaštita od tranzijenata izvedena po ANSI/IEEE C37.90.1-1989 specifikaciji

Primena Industrijske primene Laboratorijska merenja Zaštita ljudi od kontakta sa mrežnim ili nekim drugim naponom opasnim po život Zaštita elektronske opreme od električnih potencijala, udara i pražnjenja Opšta sigurnost i pouzdanost sistema Redukcija šuma RF i EMI iz signala Produžava vreme između kvarova (MBTF) Opšta profesionalnost Visoki komfor, bez opasnosti za buduće greške u ožičenju i instalacijama

2.4.1.1 CB 37 transmiter termoparova sa kompenzacijom (CJC)

Familija CB predstavlja dvožične transmitere sa strujnom petljom. Serija CB-37 radi sa

termoparovima J, K, T, E, R, S, B i N. Ovu seriju predstavljaju izolovani jednokanalni transmiteri koji naponske signale sa termopara pojačavaju, kompenzuju, filtriraju, izoluju i konvertuju u izlazni strujni signal od 4 do 20 mA. Pogodni su za prenos signala na distance do 1200 m, do sistema za akviziciju podataka, industrijskog PC-a, PLC-a ili nekog drugog mernog sistema.

Izolacioni transmiteri familije CB-37 štite ljude i mernu opremu i fizički ih odvajaju od ekcesnih događaja koji mogu da se pojave na strani senzora ili na nekom drugom mestu u okviru mernog okruženja. Ulaz i izlaz modula su zaštićeni od tranzijenata i napona do 250 Vrms. Transmiteri imaju veoma nisku cenu koštanja i odlične karakteristike koje se sreću samo kod skupljih uređaja.

Atributi Kondicioner termoparova J, K, T, E, R, S, B i N Visoka tačnost, linearnost, ponovljivost i pouzdanost Kompenzacija hladnog kraja termopara Strujni izlaz 4 do 20 mA Napajanje kondicionera od 11 V do 60 V Transformatorska izolacija min. 1500 Vrms Tačnost ±0.05% Linearnost ±0.01% 80 dB NMR za 50 Hz 160 dB CMR Ulaz i izlaz zaštićen od 250 V kontinualno Laka montaža na DIN šinu Zaštita od tranzijenata po ANSI/ IEEE C37.90.1-1989 specifikaciji Zadovoljava CSA, FM i CE specifikacije

Vrlo dobar odnos cena-karakteristike-performanse Osnovni opis Familije CB transmitera imaju čoperski ulazni pojačavač sa niskim temperaturskim driftom,

malim ofsetom i vrlo stabilnim koeficijentom pojačanja. Pojačavač je određen sa dve precizne naponske reference. Transmiter radi na principu amplitudne modulacije i transformatorske izolacije

62

signala tako da je primarna strana modula "lebdeća" u odnosu na sekundarnu stranu modula. Ova arhitektura daje odličnu linearnost, stabilne i pouzdane karakteristike i ne zahteva ulazno uzemljenje. Demodulator signala na izlaznoj (sekundarnoj) strani modula obnavlja originalni signal, koji se zatim filtrira i konvertuje u strujni signal od 4 do 20 mA.

Serija CB-37 (slika 2.14) radi sa osam tipova termoparova J, K, T, E, R, S, B i N koji se najčešće sreću u industrijskim aplikacijama. Svaki transmiter ima ugrađenu kompenzaciju hladnog kraja termopara koja kompenzuje parazitne termo spojeve koji se javljaju na priključcima. Ugrađeno je kolo za detekciju prekida termopara kao i donja skala koju korisnik može da kompletira dodavanjem spoljnog otpornika od 47 M na priključke 2 i 3.

1 2 3 4

-EX

C

NC

+IN

-IN

Potiskivanje pikovai zaštita

Po tiskivanje pikovai zaštita

LPF LPFISO

prekidač

Izolacionabarijera

Field-Sidenapajanje

Loop-Sidenapajanje

Oscilatornapajanja

5 6

+LO

OP

-LO

OP

-V re f

CJC

AmbijentalniTemp. Senzor

+ -Termopar

Slika 2.14 Izolacioni transmiteri CB-37 i njihov funkcionalni blok dijagram

Ulazno kolo obezbeđuje zaštitu od pogrešno priključenih napona do 250 VAC i protiv tranzijenata definisanih ANSI/IEEE C37.90.1-1989 dokumentima. Transmiteri imaju ugrađen filter petog reda koji 50 Hz potiskuje sa 80 dB (min. 10.000 puta). Prvi pol filtera je anti-aliasing i on je lociran u primarnom kolu modula dok se na sekundarnoj strani izolacione barijere nalazi filter četvrtog reda. Posle anti-aliasing filtriranja na ulaznoj strani kondicionera signal se dovodi na čoperski stepen iza koga se nalazi izolacioni mikro transformator. Metod prenosa signala je amplitudna modulacija. Ova tehnika daje bolje rezultate od tehnike sa digitalnim ili linearnim optokaplerima ili od tehnike kondenzatorske izolacije. U sekundarnom stepenu, iza izolacione barijere, signal se demoduliše i ponovo filtrira od transmisionih smetnji. Napajanje transmitera je preko strujne petlje u opsegu od 11 do 60 V. Stepen za električno napajanje modula ima ugrađena zaštitna kola za inverzno priključenje napona napajanja i kola koja sprečavaju prolaz tranzijentima. Modul ima odličnu stabilnost u vremenu i ne zahteva kalibraciju ili bilo kakvo održavanje. Na prednjoj strani modula ispod prednje nalepnice nalaze se dva višeobrtna trimera za precizno podešavanje ofseta i nule. Obe vrednosti su podešene pre isporuke, a korisnik može da prekalibriše ove vrednosti prema svojim potrebama u opsegu od ±10%. Familija transmitera CB-37 se može u okviru iste aplikacije mešati sa drugim familijama izolacionih modula. Oni mogu da se uključuju u merni sistem i isključuju iz njega bez isključenja napona napajanja ili prekida rada sistema (hot swapable).

2.4.1.2 CB 36 transmiter sa potenciometarskim ulazom

Familija CB predstavlja dvožične transmitere sa strujnom petljom. Serija CB-36 ima potenciometarski ulaz koji naponski signal pojačava, filtrira, izoluje i konvertuje u izlazni strujni signal od 4 do 20 mA. pogodan za prenos do 1200 m, gde se signal može priključiti na sistem za

63

akviziciju podataka, industrijski PC, PLC ili na neki drugi merni sistem. Izolacioni transmiteri familije CB-36 štite ljude i mernu opremu i fizički ih odvajaju od ekcesnih događaja koji mogu da se pojave na strani senzora ili na nekom drugom mestu u okviru mernog okruženja. Ulaz i izlaz modula su zaštićeni od tranzijenata i naponskih nivoa do 250 Vrms. Transmiteri imaju veoma nisku cenu koštanja i odlične karakteristike koje se sreću samo kod skupih uređaja. Atributi

Visoka tačnost, linearnost, ponovljivost i pouzdanost Potenciometarski ulaz od 100 do 10 k Strujni izlaz 4 do 20 mA Transformatorska izolacija min. 1500 Vrms Tačnost ±0.03% Linearnost ±0.01% 80 dB NMR za 50 Hz 160 dB CMR Napajanje kondicionera od 11 V do 60 V Ulaz i izlaz zaštićeni od 250 V kontinualno Laka montaža na DIN šinu Zaštita od tranzijenata po ANSI/ IEEE C37.90.1-1989 specifikaciji Zadovoljava CSA, FM i CE specifikacije

Osnovni opis

Familije CB transmitera imaju čoperski ulazni pojačavač sa niskim temperaturskim driftom, malim ofsetom i vrlo stabilnim koeficijentom pojačanja. Pojačavač je određen sa dve precizne naponske reference. Transmiter radi na principu amplitudne modulacije i transformatorske izolacije signala tako da je primarna strana modula "lebdeća" u odnosu na sekundarnu stranu modula. Ova arhitektura daje odličnu linearnost, stabilne i pouzdane karakteristike i ne zahteva ulazno uzemljenje. Demodulator signala na izlaznoj (sekundarnoj) strani modula obnavlja originalni signal, koji se zatim filtrira i konvertuje u strujni signal od 4 do 20 mA.

CB-36 (slika 2.15) ima integrisan precizni strujni izvor za eksitaciju priključenog potenciometra. Struja eksitacije je vrlo mala (0,25mA) pa je samozagrevanje spoljnog potenciometra minimalno.

1 2 3 4

Potenciometar

+EX

C

NC

+IN

-IN

Potiskivanje pikovai zaštita

Potiskivanje pikovai zaštita

Pobudnastruja

LPF LPFISO

prekidač

Izolacionabarijera

Field-Sidenapajanje

Loop-Sidenapajanje

Oscilatornapajanja

5 6

+LO

OP

- LO

OP

Slika 2.15 Izolacioni transmiteri CB-36 i njihov funkcionalni blok dijagram

Ulazno kolo obezbeđuje zaštitu od pogrešno priključenih napona do 250 VAC i protiv tranzijenata definisanih ANSI/IEEE C37.90.1-1989 dokumentima. Transmiteri imaju ugrađen filter petog reda koji 50 Hz potiskuje sa 80 dB (min. 10.000 puta). Jedan anti-aliasing pol filtera je lociran u primarnom kolu modula dok se na sekundarnoj strani izolacione barijere nalazi filter četvrtog reda. Posle anti-aliasing filtriranja na ulaznoj strani kondicionera signal se dovodi na čoperski

64

stepen iza koga se nalazi izolacioni mikro transformator. Metod prenosa signala je amplitudna modulacija. Ova tehnika daje bolje rezultate od tehnike sa digitalnim ili linearnim optokaplerima ili od tehnike kondenzatorske izolacije. U sekundarnom stepenu, iza izolacione barijere, signal se demoduliše i ponovo filtrira od transmisionih smetnji.

Napajanje transmitera je preko strujne petlje u opsegu od 11 do 60V. Stepen za električno napajanje modula ima ugrađena zaštitna kola za inverzno priključenje napona napajanja i kola koja sprečavaju prolaz tranzijentima. Modul ima odličnu stabilnost u vremenu i ne zahteva kalibraciju ili bilo kakvo održavanje. Na prednjoj strani modula ispod prednje nalepnice nalaze se dva višeobrtna trimera za precizno podešavanje ofseta i nule. Obe vrednosti su podešene pre isporuke, a korisnik može da prekalibriše ove vrednosti prema svojim potrebama u opsegu od ±10%. Familija izolacionih kondicionera CB-36 se mogu u okviru iste aplikacije mešati sa drugim familijama izolacionih modula. Oni mogu da se uključuju u merni sistem i isključuju iz njega bez prekida napona napajanja ili prekida rada sistema ( hot swapable).

2.4.1.3 CB 47 transmiter sa kompenzacijom (CJC) i linearizacijom termoparova

Familija CB predstavlja dvožične transmitere sa strujnom petljom. Serija CB-47 radi sa termoparovima J, K, T, E, R, S, B i N. Ovu seriju predstavljaju izolovani jednokanalni transmiteri koji naponske signale sa termopara pojačavaju, kompenzuju, filtriraju, izoluju, linearizuju i konvertuju u izlazni strujni signal od 4 do 20mA. Pogodni su za prenos signala na distance do 1200m, do sistema za akviziciju podataka, industrijskog PC-a, PLC-a ili nekog drugog mernog sistema.

Izolacioni transmiteri familije CB-47 štite ljude i mernu opremu i fizički ih odvajaju od ekcesnih događaja koji mogu da se pojave na strani senzora ili na nekom drugom mestu u okviru mernog okruženja. Ulaz i izlaz modula su zaštićeni od tranzijenata i napona do 250 Vrms. Transmiteri imaju veoma nisku cenu koštanja i odlične karakteristike koje se sreću samo kod skupljih uređaja. Atributi

Kondicioner termoparova J, K, T, E, R, S, B i N Visoka tačnost, linearnost, ponovljivost i pouzdanost Kompenzacija hladnog kraja termopara Strujni izlaz 4 do 20 mA Napajanje kondicionera od 11 V do 60 V Transformatorska izolacija min. 1500 Vrms Tačnost ±0.08% 80 dB NMR za 50 Hz 160 dB CMR Ulaz i izlaz zaštićen od 250 V kontinualno Laka montaža na DIN šinu Zaštita od tranzijenata po ANSI/ IEEE C37.90.1-1989 specifikaciji Zadovoljava CSA, FM i CE specifikacije

Osnovni opis

Familija CB-47 transmitera (slika 2.16) ima čoperski ulazni pojačavač sa niskim temperaturskim driftom, malim ofsetom i vrlo stabilnim koeficijentom pojačanja. Pojačavač je određen sa dve precizne naponske reference. Transmiter radi na principu amplitudne modulacije i transformatorske izolacije signala tako da je primarna strana modula "lebdeća" u odnosu na sekundarnu stranu modula. Ova arhitektura daje odličnu linearnost, stabilne i pouzdane karakteristike i ne zahteva ulazno uzemljenje. Demodulator signala na izlaznoj (sekundarnoj) strani modula obnavlja originalni signal, koji se zatim filtrira i konvertuje u strujni signal od 4 do 20mA. Serija CB-47 radi sa osam tipova termoparova J, K, T, E, R, S, B i N koji se najčešće sreću u industrijskim aplikacijama. Svaki transmiter ima kompenzaciju hladnog kraja termopara koja

65

kompenzuje parazitne termo-spojeve koji se javljaju na priključcima. Ugrađeno je kolo za detekciju prekida termopara kao i donja skala koju korisnik može da kompletira dodavanjem spoljnog otpornika od 47 M na priključke 2 i 3. Linearizacija termopara je hardverski kreirana da nelinearna transfer funkcija bude u opoziciji sa nelinearnošću termopara.

1 2 3 4-E

XC

NC +IN

-IN

Potiskivanje pikovai zaštita

Potiskivanje pikovai zaštita

LPF LPF LinearizacijaISO

prekidač

Izolacionabarijera

Field-Sidenapajanje

Loop-Sidenapajanje

Oscilatornapajanja

5 6

+LO

OP

-LO

OP

-V re f

CJC

AmbijentalniTemp. Senzor

+ -Termopar

Slika 2.16 Izolacioni transmiteri CB-47 i njihov funkcionalni blok dijagram

Ulazno kolo obezbeđuje zaštitu od pogrešno priključenih napona do 250 VAC i protiv tranzijenata definisanih ANSI/IEEE C37.90.1-1989 dokumentima. Transmiteri imaju ugrađen filter petog reda koji 50 Hz potiskuje sa 80 dB (min. 10.000 puta). Prvi pol filtera je anti-aliasing i on je lociran u primarnom kolu modula dok se na sekundarnoj strani izolacione barijere nalazi filter četvrtog reda. Posle anti-aliasing filtriranja na ulaznoj strani kondicionera signal se dovodi na čoperski stepen iza koga se nalazi izolacioni mikro transformator. Metod prenosa signala je amplitudna modulacija. Ova tehnika daje bolje rezultate od tehnike sa digitalnim ili linearnim optokaplerima ili od tehnike kondenzatorske izolacije. U sekundarnom stepenu, iza izolacione barijere, signal se demoduliše i ponovo filtrira od transmisionih smetnji. Napajanje transmitera je preko strujne petlje u opsegu od 11 do 60 V. Stepen za električno napajanje modula ima ugrađena zaštitna kola za inverzno priključenje napona napajanja i kola koja sprečavaju prolaz tranzijentima. Modul ima odličnu stabilnost u vremenu i ne zahteva kalibraciju ili bilo kakvo održavanje. Na prednjoj strani modula ispod prednje nalepnice nalaze se dva višeobrtna trimera za precizno podešavanje ofseta i nule. Obe vrednosti su podešene pre isporuke, a korisnik može da ih prekalibriše prema svojim potrebama u opsegu od ±5%.

Familija transmitera CB-47 se može u okviru iste aplikacije mešati sa drugim familijama izolacionih modula. Oni mogu da se uključuju u merni sistem i isključuju iz njega bez isključenja napona napajanja ili prekida rada sistema (hot swapable). Jedan izvor može da napaja preko 100 CB transmitera.

2.4.2 XTR 101 integrisani dvožični transmiter

XTR 101 (slika 2.17) je integrisano kolo dvožičnog transmitera [11], opsega 4mA do 20mA, koje se sastoji iz instrumentacionog pojačavača visoke tačnosti (IA), strujnog izvora kontrolisanog naponom i dvojno uparenih strujnih referentnih izvora. Ova kombinacija je idealno prilagođena za daljinsko kondicioniranje signala mernih pretvarača širokog dijapazona kao što su termoparovi, RTD-i, termistori i mostovi sa mernim trakama. Najmoderniji dizajn i lasersko podešavanje

66

(trimovanje), široki temperaturni opseg rada i male dimenzije ga čine pogodnim za aplikacije kontrole industrijskog procesa.

Dvožični transmiter omogućava snabdevanje signalom i napajanjem preko jednog para žica modulacijom struje napajanja ulaznim signalom. Transmiter je imun na padove napona pri dugom radu i šum motora, releja, aktuatora, prekidača, transformatora i industrijske opreme.

Osobine Ulaz instrumentacionog pojačavača:

Mali ofset napona, 30V max Mali drift napona, 0.75V/°C max Mala nelinearnost, 0.01% max

Dvožični rad: Napajanje i signal na jednom paru žica Prenos signala u strujnom modu Velika otpornost na šum

Dvojno upareni strujni izvori Širok opseg napajanja, 11.6V do 40V Opseg specifikacija: -40°C do +85°C Malo DIP-14 pakovanje, keramičko i plastično

Aplikacije Kontrola industrijskog procesa

Transmiteri pritiska Transmiteri temperature Milivoltni transmiteri

Ulazi za otporni most Ulazi za termopar Ulazi za RTD Ulazi sa strujnim šantom (mV) Automatizovana proizvodnja Nadgledanje energetskog sistema elektrane

Slika 2.17 XTR101 dvožični transmiter

Princip rada transmitera Pojednostavljena šema XTR101 je prikazana na slici 2.18. U osnovi, pojačavači A1 i A2

deluju kao jedan insturmentacioni pojačavač napajanja koji kontroliše strujni izvor, A3 i Q1. Rad je određen unutrašnjom povratnom petljom. e1 koji se dovodi na pin 3 će se takođe pojaviti na pinu 5, i slično, e2 će se pojaviti na pinu 6. Stoga, struja kroz RS (otpornik za podešavanje span-a) će biti

67

IS=(e2-e1)/RS=eIN/RS. Ova struja se kombinuje sa strujom I3 prilikom formiranja I1. Kolo je tako konfigurisano da je I2 19 puta veće od I1. Prenosna funkcija je prikazana na slici 2.18.

Ispitivanje prenosne funkcije pokazuje da IO ima donju granicu opsega 4mA kada je eIN=e2-e1=0V. Ovih 4mA je sastavljeno od 2mA struje mirovanja na pinu 7 plus 2mA iz strujnih izvora. Gornja granica opsega struje IO je podešena na 20mA odgovarajućom selekcijom RS bazirano na gornjoj granici opsega eIN.

Slika 2.18 Pojednostavljena šema XTR101

Informacije o primeni Mala veličina, mali ofset i drift napona, izvrsna linearnost i unutrašnji precizni strujni izvori

čine XTR101 idelanim za mnogo aplikacija. Primer 1 RTD merni pretvarač je prikazan na slici 2.19. Za dati proces sa temperaturnim granicama

+25°C do +150°C, konfiguriše se XTR101 za merenje temperature sa platinskim RTD koji daje 100 pri 0°C i 200 pri +266°C. Prenosi 4mA za +25°C i 20mA za +150°C.

Izračunavanje RS: osetljivost RTD-a je R/T=100/266°C. Kada je pobuđen sa strujnim izvorom 1mA za opseg 25°C do 150°C (raspona 125°C), raspon eIN je 1mA(100/266°C)125°C =47mV=eIN.

3.123016.047/16

40

016.0/

40

VAmVmA

VAeI

RINO

S

Podešavanje raspona je ostvareno trimovanjem RS. Izračunavanje R4: pri +25°C,

mVCC

mARRmAe TT 4.1092526610010011'

2

Da bi se podesilo da donja granica opsega 25°C odgovara izlaznoj donjoj granici opsega 4mA, koristi se ulazno kolo kao na slici 2.16. eIN, diferencijalni ulaz XTR101, je 0 pri 25°C ili:

68

4'

252 Ve C stoga, mVeV C 4.109'

2524

4.1091

4.1091

44 mA

mVmAVR

Izračunavanje R2: Pri +25°C, mVe 4.109'

2

Pri +150°C, mVCC

mARRmAe TT 4.15615026610010011'

2

D1

+

-

Rs

R4

RT

R2

RL

0.01F24V

0.01F

e1

V4

ein

eL

e2

e '2

53

4 7

1011

8

6

-

--

--

+

++

+

+

XTR100

Slika 2.19 Kolo za primer 1

Primer 2 Merni pretvarač termopara je prikazan na slici 2.20. Za dati proces sa temperaturnim (T1)

granicama od 0°C do +1000°C, treba konfigurisati XTR101 da meri temperaturu pomoću termopara J tipa koji daje promenu napona od 58 mV pri promeni temperature od 1000°C. Treba upotrebiti poluprovodničku diodu za kompenzaciju hladnog spoja da merenje bilo u odnosu na 0°C. Ovo se ostvaruje dovođenjem napona za kompenzaciju, VR6, koji je jednak onom dobijenom od strane termopara sa hladnim spojem (T2) na sobnoj temperaturi. Pri tipičnoj sobnoj temperaturi od +25°C ovaj napon je jednak 1.28mV (dobijeno iz standardnih tabela za termoparove sa referentnim spojem na 0°C). Treba preneti struju od 4mA pri temperaturi T1= 0°C i 20mA pri temperaturi T1= +1000°C.

Određivanje RS: Raspon ulazne skale je 58mV (eINFS= 58mV). RS se određuje iz jednačine:

9.153S5990.2

40

0.016SmV58

16mA40

0.016SeI

40R

IN

0S

Izbor R4: R4 se bira tako da je na izlazu 4mA pri TTC = 0°C (VTC = -1.28mV) i TD = +25°C (VD = 0.6V). VTC će biti -1.28 mV pri TTC= 0°C, dok je referentni spoj na +25°C. e1 mora biti izračunato da pri temperaturi TD= +25°C daje eIN= 0V.

VD 25C = 600mV e1 25C = 600mV 51/2051= 14.9mV eIN = e2-e1= VTC + V4 - e1 sa eIN = 0 i VTC = -1.28mV V4 = e1 + eIN - VTC = 14.9mV + 0V - (-1.28mV) 1mA(R4) = 16.18mV R4 = 16.18

69

+

-

-

- +

+XTR100

2.5k

2k

51

1mA1mA

D

R5

R6

R4

TEMPERATURE T =T2 0TEMPERATURE T1

TERMOCOUPLETTC

0.01F

e1

V4VTC

ein

e2

3

4

7

1011

8

-

-

-

+

+

+

XTR100

Slika 2.20 Ulazno kolo termopara sa kompenzacijom hladnog spoja

Kompenzacija hladnog spoja: Kolo temperaturne reference je prikazano na slici 2.21. Napon na diodi ima oblik:

S

DD I

Ilnq

kTV

Tipično je pri T2 = +25°C, VD = 0.6V i VD/T = -2mV/°C. R5 i R6 formiraju razdelnik napona za napon na diodi VD. Vrednosti otpornosti razdelnika napona se biraju tako da temperaturski koeficijent VD/T bude jednak temperaturskom koeficijentu termopara pri referentnoj temperaturi. Pri +25°C ovaj koeficijent je aproksimativno 52V/°C (dobijeno iz standardnih tabela za termoparove), i otuda je:

65

600

65

6DTC

RRR

CV2000

CV52

RRR

TV

TV

Bira se R5 = 2k da bi bilo mnogo veće od otpornosti diode. Računajući za R6 dobija se 51.

R5 V5

R6 V6

--

-

++

+

1mA

DVD

Slika 2.21 Kolo kompenzacije hladnog spoja

Aplikaciona kola

Slika 2.22 Most na ulazu sa naponskom pobudom

70

Slika 2.23 Konvertor izlaza u opseg 0-20mA

Slika 2.24 Most na ulazu sa strujnom pobudom

71

3. PRENOS MERNIH SIGNALA PUTEM ENERGETSKIH VODOVA 3.1 Istorijski pregled

Komunikacija preko energetskih vodova (PowerLine Communications - PLC) koristi mrežu za distribuciju električne energije u svrhe prenosa razaličitih podataka [4]. Mreža za distribuciju električne energije se može dodatno koristiti kao prenosni medium za prenos različitih telekomunikacionih servisa. Osnovna ideja koja stoji iza PLC-a je smanjenje cene i troškova prilikom realizacije novih komunikacionih mreža.

Energetska mreža visokog ili srednjeg napona se može iskoristiti za premošćavanje velikih razdaljina, da bi se izbegla izgradnja nove komunikacione mreže. Energetska mreža niskog napona je dostupna širom sveta u veoma velikom broju domaćinstava i može se koristiti za realizaciju PLC pristupnih mreža za prenos razlilčitih tipova signala. Komunikacija preko energetskih vodova može se takođe primeniti lokalno unutar zgrada ili kuća, gde se unutrašnja električna instalacija upotrebljava za realizaciju kućnih PLC mreža.

Primena energetske mreže u telekomunikacijama je poznata sa početka dvadesetog veka. Prvi sistemi sa nosačem frekvencije (Carrier Frequency Systems - CFS) su funkcionisali u visokonaponskim električnim mrežama i mogli su da spoje razdaljine preko 500 km korišćenjem signala snage 10 W. Takvi sistemi su bili korišćeni za unutrašnju komunikaciju stanica za snabdevanje električnom energijom i za realizaciju daljinskih merenja i kontrolnih zadataka. Takođe, komunikacija preko električnih mreža srednjeg i niskog napona je bila realizovana. Ripple Carrier Signaling (RCS) sistemi su bili primenjivani u mrežama srednjeg i niskog napona za realizaciju kontrole opterećenja u sistemima za snabdevanje električnom energijom.

Unutrašnje električne mreže su uglavnom bile korišćene za realizaciju raznih servisa automatizacije. Primena kućnih PLC sistema omogućuje upravljanje mnogobrojnim električnim uređajima unutar zgrade ili privatne kuće sa pozicije centralne kontrolne sobe bez instalacije dodatne komunikacione mreže. Tipični PLC-bazirani sistemi automatizacije u zgradi se koriste za bezbedonosno nadgledanje, nadzor grejnih uređaja, kontrolu svetla itd. 3.2 Mreže za distribuciju električne energije

Energetski sistemi koji se sastoje iz tro-nivoske mreže se mogu koristiti kao prenosni medium za realizaciju PLC mreža (slika 3.1): Visoko-naponske (110 – 380 kV) mreže povezuju elektrane sa prostranim regionima

snabdevanja ili velikim potrošačima. One obično spajaju veoma velike razdaljine, omogućujući razmenu energije unutar kontinenta. Visoko-naponske mreže se obično realizuju kablovima u vazduhu.

Srednje-naponske (medium-voltage - MV) (10-30 kV) mreže snabdevaju veće oblasti, gradove i velike industrijske ili komercijalne potrošače. Pokrivene razdaljine su značajno kraće nego kod visoko-naponskih mreža. Srednje-naponske mreže se realizuju kablovima koji su ili u vazduhu ili su podzemni.

Nisko-naponske (230/400 V, u USA 110 V) mreže snabdevaju krajnje korisnike ili kao individualne potrošače ili kao posebne korisnike većeg potrošača. Njihova dužina je obično do nekoliko stotina metara. U gradskim oblastima, nisko-naponske mreže su realizovane podzemnim kablovima, dok su u seoskim sredinama one realizovane kao mreže u vazduhu.

Kućne električne instalacije pripadaju nivou nisko-naponske mreže. Ipak, unutrašnje

instalacije su obično u vlasništvu korisnika. One su povezane na mrežu snabdevanja preko uređaja za merenje (M-električnog brojila). S druge strane, preostali deo nisko-naponske mreže (spoljašnji) pripada kompaniji koja obavlja snabdevanje električnom energijom.

72

Slika 3.1 Struktura mreže snabdevanja električnom energijom

Nisko-naponske mreže snabdevanja direktno povezuju krajnje potrošače u velikom broju domaćinstava širom sveta. Stoga, primena PLC tehnologije u nisko-naponskim mrežama čini se da ima perspektive gledajući broj povezanih potrošača. S druge strane, nisko-naponske mreže pokrivaju zadnjih nekoliko stotina metara između potrošača i trafostanice i nude jedno alternativno rešenje korišćenjem PLC tehnologije za realizaciju takozvane "poslednje milje" u telekomunikacionoj pristupnoj oblasti. 3.3 Standardi

Komunikacija preko mreža za distribuciju električne energije je specificirana u Evropskom standardu CENELEC EN 50065, koji obezbeđuje frekvencijski spektar od 9 do 140 kHz za komunikaciju preko energetskih vodova (tabela 3.1). CENELEC standard se značajno razlikuje od Američkih i Japanskih standarda, koji specificiraju područje do 500 kHz za primenu PLC servisa. Tabela 3.1 CENELEC opsezi za komunikaciju preko energetskih vodova

Opseg (band) Frekventni opseg (kHz)

Maksimalna prenosiva amplituda

(V) Ciljni korisnik

A 9 - 95 10 Kompanija B 95 - 125 1.2 Domovi C 125 - 140 1.2 Domovi

CENELEC standard omogućuje brzine prenosa podataka do nekoliko hiljada bita po

sekundi, koje su dovoljne samo za neke funkcije merenja (upravljanje opterećenjem u jednoj električnoj mreži, daljinsko očitavanje, itd.), prenos podataka sa veoma malom bitskom brzinom i realizacija nekoliko prenosnih kanala za glasovne konekcije. Međutim, za primenu u modernim telekomunikacionim mrežama, PLC sistemi moraju obezbediti mnogo veće brzine prenosa podataka (iznad 2 Mbps). Samo u ovom slučaju, PLC mreže bi mogle da se takmiče sa drugim komunikacionim tehnologijama, naročito u pristupnoj oblasti.

Za realizaciju većih brzina prenosa podataka, PLC prenosni sistemi moraju da rade u širem frekventnom spektru (do 30MHz). Međutim, nema PLC standarda koji specificiraju rad PLC sistema izvan frekventnih opsega definisanih CENELEC standardom. Trenutno, postoje nekoliko tela koja pokušavaju da vode standardizaciju širokopojasnih PLC mreža, kao na primer sledeća:

73

PLCforum je međunarodna organizacija čiji je cilj da objedini i predstavi interese ljudi povezanih sa PLC tehnologijom iz celog sveta. Ima više od 50 članova u PLCforum-u; proizvođačkih kompanija, kompanija za distribuciju električne energije, mrežnih provajdera, istraživačkih organizacija, i tako dalje. PLCforum je organizovan u četiri radne grupe: tehnološka, zakonodavna, marketinška i kućna radna grupa.

HomePlug Powerline Alliance je neprofitabilna korporacija formirana da obezbedi forum za kreiranje otvorenih specifikacija proizvoda i servisa u kućnoj energetskoj mreži velike brzine. HomePlug je koncentrisana na kućna PLC rešenja i radi u saradnji sa PLCforum-om.

Standardizacione aktivnosti za širokopojasnu PLC tehnologiju su takođe ukjlučene u radu European Telecommunications Standards Institute (ETSI) i CENELEC-a. 3.4 Uskopojasni PLC

Uskopojasne PLC mreže rade u frekventnom opsegu specificiranom od strane CENELEC standarda (tabela 3.1). Ovo frekventno područje je podeljeno u tri opsega: A, za korišćenje od strane kompanija za distribuciju električne energije, a B i C su predviđeni za privatno korišćenje. Kompanije koriste uskopojasni PLC za realizaciju takozvanih servisa koji se odnose na samu distribuciju energije. Frekventna područja B i C se uglavnom koriste za realizaciju automatizacije zgrade i kuće. Danas, uskopojasni PLC sistemi obezbeđuju brzine prenosa podataka do nekoliko hiljada bitova po sekundi (bps). Maksimalna razdaljina između dva PLC modema može biti do 1 km. Za savlađivanje većih razdaljina, neophodno je primeniti tehniku repetitora.

Nekoliko faktora, međutim, bi trebalo uzeti u obzir prilikom projektovanja sistema za prenos podataka preko energetske mreže. Neusaglašenost impedanse predajnika i prijemnika signala sa mrežnom impedansom.

Impedansa energetskog voda se menja vremenski i obično je u opsegu od 0.1Ω do 10Ω. Neusaglašenost uzrokuje gubitke snage signala na spojevima predajnik signala-energetska mreža i prijemnik signala - energetska mreža.

Slabljenje signala u mreži. Energetska mreža ima osobine niskopropusnog filtra. Merenja pokazuju da je slabljenje energetske mreže niskog napona u jednoj zgradi od 6 do 54dB. Slabljenje zavisi ne samo od dužine komunikacionog kanala, već i od konfiguracije mreže. Konfiguracija mreže varira u različitim segmentima zgrade i varira vremenski, pošto se električni uređaji uključuju i isključuju sa mreže (tj., prekidač na on i off). Prema tome, slabljenje mreže za emitovane signale je veliko i varira vremenski.

Šum i nivo interferencije u mreži. Prijemnici (korisnici) energije su izvori interferencija koje se emituju u mrežu u momentu uključenja na ili isključenja sa energetske mreže. Neki prijemnici energije su takođe izvori interferencija za vreme njihovog rada. Drugi izvor interferencije je elektromagnetno polje emitovano od strane električne i radio opreme. Elektromagnetno polje izaziva lažne odzive u mrežnim vodovima, kao u anteni. Nivo interferencije u energetskoj mreži može biti tako veliki da učini prenos nemogućim u toku većeg dela dana i noći. Energetska mreža je emisiona antena za prenošene signale.

Osnovno interfejs kolo za PLC merni i kontrolni sistem je prikazano na slici 3.2.

Slika 3.2 Jedno interfejs kolo za PLC merni i kontrolni sistem

74

Uskopojasni PLC sistemi koriste i uskopojasnu i širokopojasnu modulacionu šemu. Prve uskopojasne PLC mreže su bile realizovane primenom digitalne amplitudske modulacije (Amplitude Shift Keying - ASK). ASK nije robustna (otporna) na smetnje i zbog toga nije pogodna za primenu u PLC mrežama. Sa druge strane, digitalna fazna modulacija (Binary Phase Shift Keying - BPSK) je robustna (otporna) šema i zbog toga je pogodnija za primenu u PLC. Međutim, detekcija faze, koja je neophodna za realizaciju BPSK, čini se kompleksnijom i BPSK-bazirani sistemi se ne koriste široko. Većina savremenih uskopojasnih PLC sistema primenjuju digitalnu frekventnu modulaciju (Frequency Shift Keying - FSK) i očekuje se da će se BPSK koristiti u budućim komunikacionim sistemima.

Širokopojasne modulacione šeme se takođe koriste u uskopojasnim PLC sistemima. Prednost širokopojasne modulacije je njena robustnost protiv uskopojasnog šuma i efekata selektivnog slabljenja koji postoje u PLC mrežama. Unapređena transmisiona šema koja se takođe koristi u uskopojasnom PLC sistemu je multipleksiranje sa ortogonalnom raspodelom frekvencija (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM).

X10 protokol za kontrolu električne opreme je bio razrađen 1978 godine. ASK modulacija je primenjena u ovom protokolu. X10 je upotrebljen za prenos jednostavnih komandi (npr. uključivanje, isključivanje, zamračenje ili osvetljenje). Protokol može podržati maksimalno 256 čvorova u sistemu: prijemnika, predajnika i primopredajnika. Svaki od ovih uređaja dobija svoj jedinstveni serijski broj u sistemu. X10 protokol se primenjuje kada je važnija konstrukcija jednostavnog uređaja i jednostavni SA protokol od brzine prenosa ili veličine prenešenog paketa informacija. X10 protokol se dosta koristi u SAD u takozvanoj “pametnoj kući”. X10 se ne koristi široko u mernim sistemima.

CEBus protokol (EIA 600 standard) je bio razrađen pod nadzorom Udruženja elektronskih industrija. Protokol pretpostavlja da nema glavnog (master) uređaja (modula) u sistemu i da svi moduli u komunikacionoj mreži su predajnici i prijemnici informacija. CEBus protokol je razrađivan 25 godina kasnije od X10 i njegov prenosni potencijal je mnogo širi. Maksimalna brzina prenosa CEBus-om je 10 kbps. Primenjuje se uglavnom za kontrolu električne opreme u “pametnoj kući“. Za programiranje prenosa u CEBus preporučuje se Common Application Language (CAL).

LonWorks protokol (EIA 709 standard) je razrađen od strane preduzeća Echelon za kontrolisanje uređaja u “pametnoj kući“. Ovaj protokol ne pretpostavlja glavni (master) uređaj u sistemu. Moduli komunikacione mreže u LonWorks-u su mikrokontroleri koji rukovode prenosom ka i od senzora, aktuatora i kompjutera koji su povezani u LonWorks mrežu. LonWorks protokol je pogodan za merne sisteme sa PLC prenosom.

ISO10368 protokol je jednostavan protokol primenjen u sistemima za nadgledanje punjenja rezervoara na brodovima i vozovima.

Za prenos digitalnog signala u PLC komunikaciji, specijalizovani integrisani uređaji se primenjuju. Sledeći uređaji se često koriste: TDA 5051 (proizvođač Philips) sa ASK modulacijom i maksimalnom brzinom prenosa od 1,200 bps; ST 7537(proizvođač ST Thompson Microelectronics) sa FSK modulacijom i maksimalnom brzinom prenosa od 2,400 bps; kao i IT 800 (proizvođač Itran) sa originalnom Digital Code Shift Keying modulacijom i maksimalnom brzinom prenosa od 7,500 bps.

Veoma značajno područje za primenu uskopojasnih PLC-a je automatizacija zgrada/kuća. PLC-bazirani sistemi automatizacije su realizovani bez instalacije dodatnih komunikacionih mreža (slika 3.3). Prema tome, veliki troškovi koji su neophodni za instalaciju novih mreža unutar postojećih zgrada mogu biti značajno umanjeni primenom PLC tehnologije. Sistemi automatizacije realizovani PLC-om mogu biti primenjeni za obavljanje različitih zadataka unutar zgrada: Kontrola različitih uređaja koji su povezani sa unutrašnjom električnom intalacijom, kao što

su osvetljenje, grejanje, klimatizacija, liftovi, i tako dalje. Centralizovana kontrola različitih sistema u zgradi, kao što su kapci na prozorima

(zatamnjivanje) i kontrola vrata. Sigurnosni zadaci; nadgledanje, povezivanje senzora, i tako dalje.

75

PLC-bazirani sistemi automatizacije se ne koriste samo u velikim zgradama već su često prisutni u privatnim domaćinstvima za realizaciju sličnih automatizacionih zadataka (kućna automatizacija). Dosta autora gdetaljnije govori o takozvanim pametnim kućama.

Slika 3.3 Struktura sistema automatizacije koji koristi uskopojasni PLC

PLC varijanta EIB (European Installation BUS) standarda je nazvana Powernet-EIB. PLC modemi dizajnirani prema Powernet-EIB standardu mogu se lako povezati za bilo koju zidnu utičnicu ili integrisati u bilo koji uređaj povezan za električnu instalaciju. Ovo obezbeđuje komunikaciju između svih delova jedne unutrašnje električne mreže. U današnje vreme, PLC modemi upotrebom FSK-a postižu brzine prenosa podataka do 1200 bps.

Slika 3.4 Opšta struktura PLC sistema koja se koristi kod servisa koji se odnose na samu distribuciju energije

Kao što je specificirano u CENELEC standardu, kompanije za distribuciju električne

energije mogu da koriste opseg A za realizaciju takozvanih servisa koji se odnose na samu distribuciju energije. Na ovaj način, kompanija može koristiti PLC za realizaciju unutrašnjih komunikacija između njenog kontrolnog centra i različitih uređaja, obezbeđujući daljinske funkcije

76

kontrole, bez izgradnje dodatne telekomunikacione mreže ili kupovine mrežnih resursa kod mrežnog provajdera (slika 3.4). Istovremeno, PLC se može koristiti za daljinsko očitavanje korisničkih brojila, što dodatno štedi na potrebnom personalu za manuelno očitavanje. Konačno, PLC se takođe može upotrebiti od strane kompanije za dinamičko određivanje cene (npr. zavisno od doba dana, ukupne ponuđene energije, itd.), kao i za nadgledanje i kontrolu potrošnje energije i proizvodnju. U poslednjem slučaju, posebno, kompanije pokušavaju da integrišu sve veći broj malih elektrana; na primer, male hidroelektrane, vetrenjače, i tako dalje. Međutim, male elektrane nisu sasvim pouzdane i njihova proizvodnja energije varira zavisno od tekućih vremenskih uslova. Zbog toga, regioni koji su napajani od strane malih elektrana trebalo bi da takođe budu napajani i iz drugih izvora ako je neophodno. Za tu svrhu, kompaniji je nephodna stalna komunikacija između jedinica sistema, koja se može u najmanju ruku barem delimično realizovati PLC-em.

Jedan sistem za prenošenje i zahtevanje mernih podataka sa strujomera je dat kao najbolji primer primene PLC za merne svrhe. Merni sistem obuhvata strujomere u jednoj zgradi namenjenoj za nekoliko porodica ili, u najboljem slučaju, strujomere u oblasti koju napaja jedna trafostanica za srednji napon od 15kV/400V (standard u Evropi), kao što je pokazano na slici 3.5.

Merni sistem za akviziciju podataka sa strujomera je opremljen u komunikacionim čvorovima sa ST 7537 integrisanim uređajem. Karakteristika čvorova i frekvencija u mernom sistemu su: Frekvencija nosioca je jednaka 132.45 kHz; Nivo signala jednak je 1V rms; Osetljivost prijemnika je 1 mV rms; FSK modulacija; Brzina prenosa je 1,200 bps.

Slika 3.5 PLC merni sistem za očitavanje strujomera

Merni sistem prikuplja podatke sa 11 strujomera raspoređenih u 3 zgrade. Merenja su bila

izvođena 6 meseci. Pronađeno je da za vreme najzahtevnijih časova i pri najvećem nivou interferencije (tj., između 6 i 10 prepodne i između 2 i 11 poslepodne), korektna komunikacija je bila moguća sa samo 20% do 30% čvorova. Najbolji kvalitet prenosa je bio noću, između 1 i 4. Takva efikasnost prenosa je dovoljna za prikupljanje podataka sa brojila, ali nije dovoljna za druge svrhe (npr., kontrola tarifnih promena ili kontrola uređaja).

Automatizacija zgrada je tipična lokalna unutrašnja primena uskopojasnih PLC sistema, dok su servisi koji se odnose na samu distribuciju energije mogu biti i unutrašnji i spoljašnji. Postoje veoma zanimljivi primeri upotrebe PLC-baziranog sistema automatizacije u oblastima izvan zgrada. Na primer, u oblasti aerodroma PLC-bazirani sistem automatizacije osvetljenja aerodromskog prostora se koristi za pojedinačno uključivanje i kontrolu aerodromskog osvetljenja. Dužina uzletišta je velika i shodno tome neophodna komunikaciona mreža na velikim aerodromima je veoma duga (nekoliko kilometara). Tako da, uskopojasni PLC se može primenjivati za uštedu troškova u zgradama na izgradnji posebne komunikacione mreže. Ovo je takođe primer upotrebe

77

PLC-a za realizaciju takozvanih kritičnih servisa automatizacije sa velikim bezbedonosnim zahtevima, kao što je kontrola svetla prilikom kretanja aviona na zemlji u aerodromima. 3.5 Širokopojasni PLC

Širokopojasni PLC sistemi obezbeđuju značajno veće brzine podataka (više od 2 Mbps) od uskopojasnih PLC sistema. Dok uskopojasne mreže mogu realizovati mali broj glasovnih kanala i prenos podataka sa veoma malom brzinom, širokopojasne PLC mreže nude realizaciju sofisticiranijih telekomunikacionih servisa; višestrukih glasovnih konekcija, prenosa podataka velike brzine, prenosa video signala i naravno uskopojasnih servisa. Stoga, PLC širokopojasni sistemi se takođe razmatraju kao pogodna telekomunikaciona tehnologija.

Realizacija širokopojasnih komunikacionih servisa preko energetskih vodova nudi velike mogućnosti za štedljive telekomunikacione mreže bez polaganja novih kablova. Međutim, električne napojne mreže nisu dizajnirane za prenos informacija i postoje određeni ograničavajući faktori u primeni širokopojasne PLC tehnologije. Stoga, razdaljine koje se mogu pokriti, kao i brzine podataka koje se mogu realizovati PLC sistemima su ograničeni. Veoma važan aspekt primene širokopojasnog PLC-a je njegova Elektromagnetna kompatabilnost (Electromagnetic Compatibility - EMC). Za realizaciju širokopojasnog PLC-a, poteban je značajno širi frekventni spektar (do 30 MHz) nego onaj koji je obezbeđen CENELEC opsezima. Sa druge strane, PLC mreža deluje kao antena koja postaje izvor šuma za druge komunikacione sisteme koji rade u istom frekventnom opsegu (npr. različiti radio servisi). Zbog toga, širokopojasni PLC sistemi moraju da rade sa ograničenom snagom signala, što umanjuje njihove performanse (brzine prenosa, razdaljine).

Sadašnji širokopojasni PLC sistemi obezbeđuju brzine prenosa podataka iznad 2Mbps u otvorenom području, koje obuhvata srednje i nisko-naponske napojne mreže (slika 3.1), i do 12 Mbps u kućnom području. Neki proizvođači su već razvili prototipe proizvoda koji obezbeđuju mnogo veće brzine prenosa podataka (oko 40Mbps). Srednje-naponska PLC tehnologija se obično upotrebljava za realizaciju povezivanja od tačke do tačke koja spajaju razdaljine do nekoliko stotina metara. Tipično područje primene takvih sistema je povezivanje lokalnih računarskih mreža (LAN) između zgrada ili unutar studentskih gradova i povezivanje antena i baznih stanica celurarnih komunikacionih sistema sa njihovim bazičnim mrežama. Nisko-naponska PLC tehnologija se koristi za realizaciju takozvane "poslednje milje" telekomunikacionih pristupnih mreža. 3.6 PLC pristupne mreže 3.6.1 Struktura PLC pristupnih mreža

Nisko-naponske napojne mreže sastoje se od transformatorske jedinice (trafostanice) i brojnih krajnjih korisnika povezanih preko energetskih kablova, koji su povezani na mrežu preko brojila. Prenosni sistem energetskim vodovima primenjen na nisko-naponsku mrežu koristi je kao medium za realizaciju PLC pristupnih mreža. Na ova način, nisko-naponske mreže mogu biti upotrebljene za realizaciju takozvane "poslednje milje" u komunikacionoj mreži.

Nisko-naponske napojne mreže su povezane na srednje- i visoko-naponske mreže preko transformatorske jedinice (slika 3.6). PLC pristupne mreže su povezane na bazične komunikacione mreže (WAN) preko baza\gospodar stanice (BS) obično postavljene unutar transformatorske jedinice. Mnoge kompanije koje vrše distribuciju električne energije imaju svoje telekomunikacione mreže koje povezuju njihove transformatorske jedinice i one mogu biti iskorišćene kao bazična mreža. Ako ovo nije slučaj, transformatorske jedinice mogu biti povezane na konvencionalnu telekomunikacionu mrežu.

Konekcija sa bazičnom mrežom može takođe biti realizovana preko predplatnika ili energetskog uličnog ormana, posebno ako postoji pogodna mogućnost za njegovu instalaciju (npr. postoji pogodan postojeći kabal koji može biti iskorišćen za ovu svrhu po niskoj ceni). U svakom

78

slučaju, komunikacioni signal iz bazične mreže mora biti konvertovan u oblik koji omogućuje njegov prenos preko nisko-naponske energetske mreže. Konverzija se obavlja u glavnoj/baznoj stanici PLC sistema.

PLC predplatnici su povezani na mrežu preko PLC modema smeštenog u električnom mernom brojilu (M, slika 3.6) ili povezanog za bilo koju priključnicu u unutrašnjoj električnoj mreži. U prvom slučaju, predplatnici unutar kuće ili zrade su povezani za PLC modem korišćenjem druge komunikacione tehnologije (npr. DSL, WLAN). U drugom slučaju, interna električna instalacija se koristi kao prenosni medium što vodi ka takozvanom kućnom PLC rešenju.

Modem konvertuje signal primljen iz PLC mreže u standardni oblik koji može biti obrađen konvencionalnim komunikacionim sistemima. Na korisničkoj strani, standardni komunikacioni interfejsi (kao što su Ethernet i ISDN S0) su obično ponuđeni. Unutar kuće, prenos može biti realizovan preko odvojene komunikacione mreže ili preko unutrašnje električne komunikacije (kućno PLC rešenje). Na ovaj način, određeni broj komunikacionih uređaja unutar kuće može biti takođe povezan za PLC pristupnu mrežu.

Slika 3.6 Struktura PLC pristupne mreže 3.6.2 Kućne PLC mreže

Kućni PLC (unutrašnji) sistemi koriste unutrašnju električnu infrastrukturu kao prenosni medium. Ona omogućuje realizaciju PLC lokalnih mreža unutar kuća, koje povezuju neke tipične uređaje koji postoje u privatnim kućama; telefoni, kompjuteri, štampači, video uređaji i tako dalje. Na isti način, male kancelarije se mogu formirati PLC LAN sistemima. U oba slučaja, visoki troškovi postavlja novih komunikacionih kablova su izbegnuti.

U današnje vreme, servisi automatizacije su postali sve više i više popularni ne samo za njihovu primenu u industrijskom i poslovnom sektoru i unutar velikih zgrada, već takođe za njihovu primenu u privatnim domaćinstvima. Sistemi koji obezbeđuju servise automatizacije kao bezbedonosno nadgledanje, kontrola grejanja, automatska kontrola svetla moraju povezati veliki broj krajnjih uređaja kao što su senzori, kamere, elektromotori, svetla, i tako dalje. Stoga, kućna PLC tehnologija se čini kao prihvatljivo rešenje za realizovanje takvih mreža sa velikim brojem krajnjih uređaja, naročito unutar starijih kuća i zgrada koje nemaju odgovarajuću unutrašnju komunikacionu infrastrukturu.

U osnovi, struktura kućne PLC mreže se ne razlikuje mnogo od PLC pristupnih sistema koji koriste nisko-naponske energetske mreže. Postoji takođe bazna stanica koja kontroliše kućnu PLC mrežu i verovatno je povezuje sa spoljašnom oblasti (slika 3.7). Bazna stanica može biti postavljena sa brojilom (mernom jedinicom) ili na bilo kom drugom pogodnom mestu u kućnoj PLC mreži. Svi uređaji jedne kućne PLC mreže su konektovani preko PLC modema, kao što su predplatnici PLC

79

pristupne mreže. Modemi se povezuju direktno za zidne utičnice energetske mreže, koji su dostupni u celoj kući/stanu. Prema tome, različiti komunikacioni uređaji se mogu povezati na kućnu PLC mrežu gde god su dostupne zidne utičnice.

Kućna PLC mreža može postojati kao nezavisna mreža koja pokriva samo kuću ili zgradu. Međutim, to isključuje korišćenje i kontrolu kućnih PLC servisa sa daljine. Sa druge strane, udaljeno kontrolisani kućni PLC sistem je veoma pogodan za realizaciju različitih funkcija automatizacije (npr. sigurnost, upravljanje energijom). Takođe, povezivanje kućne PLC mreže za WAN komunikacioni sistem omogućava korišćenje brojnih telekomunikacionih servisa u svakoj električnoj utičnici unutar kuće.

Kućne PLC mreže mogu biti povezane ne samo za PLC pristupni sistem već takođe i za pristupnu mrežu realizovanu bilo kojom drugom komunikacionom tehnologijom. U prvom slučaju, ako pristupna mreža radi u službi energetske mreže, dopunski merni sistemi mogu biti realizovani; na primer, udaljeno očitavanje električnih mernih instrumenata smanjuje troškove manuelnog očitavanja, ili upravljanje energijom, što se može kombinovati sa atraktivnom tarifnom strukturom. Sa druge strane, kućna PLC mreža može biti povezana sa pristupnim mrežama koje obezbeđuju različiti mrežni operateri. Stoga, korisnici kućne mreže mogu takođe profitirati na bazi liberalizovanog telekomunikacionog tržišta.

Slika 3.7 Struktura PLC kućne mreže

Sa druge strane, postoje i drugi isplativi komunikacioni sistemi za realizaciju široko pojasnih kućnih mreža. Bežični LAN (WLAN) sistemi su već dostupni na tržištu, koji obezbeđuju brzine prenosa podataka iznad 20 Mbps. Tako, nasuprot kućnom PLC-u, WLAN omogućava mobilno korišćenje telekomunikacionih servisa, kao što su bežična telefonija i pogodniji rad sa različitim portabilnim komunikacionim uređajima. Danas, WLAN komponente sa značajno poboljšanim performansama postaju jeftiniji čime otežavaju širenje kućne PLC tehnologije. 3.6.3 PLC mrežni elementi

Kao što je spomenuto gore, PLC mreže koriste električne vodove kao medijum za prenos različitih tipova informacija i realizaciju različitih komunikacionih i automatizacionih servisa. Međutim, komunikacioni signal mora biti konvertovan u oblik koji se može prenositi preko električnih mreža. U tu svrhu, PLC mreže sadrže neke specifične mrežne elemente koji obavljaju konverziju signala i njegov prenos duž energetskih vodova.

80

3.6.3.1 Osnovni mrežni elementi

Osnovni PLC mrežni elementi su neophodni za realizaciju komunikacije preko električnih vodova. Glavni zadatak osnovnih elemenata je priprema signala i konverzija za njegov prenos preko energetskih linija kao i prijem signala. Sledeća dva uređaja postoje u svakoj PLC pristupnoj mreži: PLC modem PLC bazna/glavna stanica.

PLC modem povezuje standardnu komunikacionu opremu, koju koriste predplatnici, sa energetskim vodovima kao prenosnim medijumom. Interfejs na korisničkoj strani može obezbediti različite standardne interfejse za različite komunikacione uređaje (npr. Eternet i Univerzalna serijska magistrala (USB) interfejsi za realizaciju prenosa podataka i S0 i a/b interfejsi za telefoniju). Na drugoj strani, PLC modem je povezan na energetsku mrežu korišćenjem specifičnog metoda sprezanja koji omogućava prebacivanje komunikacionih signala u medijum (energetski vod) i njihov prijem iz medijuma (slika 3.8).

Sprezanje mora da obezbedi sigurnu galvansku izolaciju i ponaša se kao visokopropusni filter koji odvaja komunikacioni signal (iznad 9 kHz) od električnog (50 ili 60 Hz).

Slika 3.8 Funkcije PLC modema

Da bi smanjili elektromagnetno zračenje iz energetskog voda, sprezanje se realizuje između dve faze u pristupnom području i između faze i neutralnog provodnika unutar objekta. PLC modem implementira sve funkcije fizičkog sloja uključujući modulaciju i kodiranje. Drugi komunikacioni sloj (sloj prenosa podataka) je takođe implementiran unutar modema uključujući njegove MAC (Medium Access Control) i LLC (Logical Link Control) podslojeve (saglasno OSI (Open Systems Interconnection) referentnom modelu).

PLC bazna stanica (glavna stanica) povezuje PLC pristupni sistem sa njegovom bazičnom mrežom (slika 3.9). Ona realizuje povezivanje između bazične komunikacione mreže i prenosnog medijuma (energetskih vodova). Međutim, bazna stanica ne povezuje pojedinačne predplatničke uređaje, ali može obezbediti višestruke mrežne komunikacione interfejse, kao što je xDSL, SDH (Synchronous Digital Mierarch) za konekciju sa mrežom velike brzine, WLL za bežično međupovezivanje, i tako dalje. Na ovaj način, PLC bazna stanica može biti upotrebljena za realizaciju povezivanja sa bazičnim mrežama korišćenjem različitih komunikacionih tehnologija.

Obično, bazna stanica kontroliše rad PLC pristupne mreže. Međutim, realizacija mrežne kontrole ili njenih pojedinačnih funkcija može biti urađena na distribuirani način. U posebnom slučaju, svaki PLC modem može preuzeti kontrolu rada mreže i realizaciju povezivanja sa bazičnom mrežom.

81

Slika 3.9 Funkcija PLC bazne stanice

3.6.3.2 Repetitor

U nekim slučajevima, razdaljine između PLC predplatnika smeštenih u nisko-naponskoj električnoj mreži i između pojedinačnih predtplatnika i bazne stanice su previše velike da bi se mogle premostiti PLC pristupnim sistemom. Da bi se omogućila realizacija većih mrežnih razdaljina, nephodno je primeniti tehniku repetitora. Repetitori dele PLC pristupnu mrežu u nekoliko mrežnih segmenata, čije dužine mogu biti savladane primenjenim PLC sistemom. Mrežni segmenti su razdvojeni upotrebom različitih frekventnih opsega ili različitih vremenskih slotova (slika 3.10). U drugom slučaju, jedan vremenski slot se koristi za prenos unutar prvog mrežnog segmenta a drugi slot za drugi segment.

U slučaju frekventno bazirane segmentacije mreže, repetitor prima prenošeni signal na frekvenciji f1, pojačava ga i ubacuje u mrežu, ali na frekvenciji f2. U obrnutom smeru prenosa, izvršena je konverzija frekvencije f2 u f1. U zavisnosti od primenjenih metoda prenosa i modulacije, funkcija repetitora može obuhvatiti demodulaciju i modulaciju prenešenog signala kao i njegovu obradu na višljem mrežnom sloju. Međutim, repetitor ne modifikuje sadržaj prenešene informacije, koji se uvek transparentno prenosi između mrežnih segmenata celokupnog PLC pristupnog sistema (slika 3.11).

Slika 3.10 Funkcija PLC repetitora

U prvom mrežnom segmentu, između bazne stanice smeštene u transformatorskoj jedinici i prvog repetitora, signal se prenosi unutar frekventnog spektra f1. Drugi frekventni opseg (f2) mora biti primenjen u drugom mrežnom segmentu. Nezavistan od topologije fizičke mreže, signal se prenosi duž obe mrežne grane. Teorijski, frekventni opseg f1 može biti ponovo upotrebljen unutar trećeg mrežnog segmenta. Međutim, ako postoji interferencija između signala iz prvog segmenta, treći frekventni opseg f3 mora biti primenjen na trećem mrežnom segmentu, a frekvencija f4 na četvrtom segmentu.

82

Slika 3.11 PLC mreža sa repetitorima

Međutim, postoji ograničeni frekventni spektar koji može biti korišćen od strane PLC tehnologije (aproksimativno do 30 MHz), što je (ili će biti) specificirano zakonodavnim telima. Tako, sa rastućim brojem različitih frekventnih opsega, zajednička širina opsega je podeljena u manje porcije, što značajno smanjuje mrežni kapacitet. Stoga, frekventni plan za PLC pristupnu mrežu mora da obezbedi korišćenje što je moguće manjeg broja frekvencija. Primena repetitora može proširiti mrežne razdaljine koje se realizuju PLC tehnologijom. Međutim, upotreba repetitora takođe povećava cenu mreže zbog povećanja opreme i cene instaliranja. Stoga, broj repetitora unutar PLC pristupne mreže mora se održati što je moguće manjim. 3.6.3.3 PLC kapija

Postoje dva pristupa prilikom povezivanja PLC predplatnika preko zidnih priključaka na PLC pristupnu mrežu: Direktno povezivanje Indirektno povezivanje preko kapije.

U prvom slučaju, PLC modemi su direktno povezani sa celokupnom nisko-naponskom mrežom i preko nje sa PLC baznom stanicom (slika 3.12). Ne postoji podela između spoljašnjeg i unutrašnjeg (u kući) područja, a komunikacioni signal se prenosi preko električnog brojila. Međutim, karakteristike unutrašnje i spoljašnje energetske mreže su različite, što uzrokuje dodatne probleme gledajući karakteristike PLC prenosnog kanala i probleme elektromagnetne kompatibilnosti. Zato se indirektno povezivanje korišćenjem kapije često koristi kao rešenje za direktno povezivanje zidnih priključaka sa celokupnim PLC pristupnim mrežama.

Slika 3.12 Direktno povezivanje PLC predplatnika

83

Kapija se koristi za razdvajanje PLC pristupne mreže i kućne PLC mreže. Takođe konvertuje prenošeni signal između frekvencija koje su specificirane za upotrebu u pristupnim i kućnim oblastima. Takva kapija se obično postavlja blizu kućnog električnog brojila (slika 3.13). Međutim, PLC kapija može takođe obezbediti dodatne funkcije koje obezbeđuju podelu pristupne i kućne oblasti na logičkom mrežnom nivou. Stoga, PLC modemi povezani unutar kućne mreže mogu komunicirati interno bez protoka informacija u pristupnoj oblasti. U ovom slučaju, PLC kapija služi kao lokalna bazna stanica koja kontroliše kućnu PLC mrežu koordinirajući komunikacijom između internih PLC modema i takođe između internih uređaja i PLC pristupne mreže.

Generalno, kapija može biti takođe smeštena bilo gde u PLC pristupnoj mreži radi obezbeđivanja i regeneracije signala (funkcija repetitora) i podele mreže na logičkom nivou. Na ovaj način, PLC može biti podeljena u nekoliko podmreža koje koriste isti fizički prenosni medijum (ista nisko-naponska mreža), ali da postoji odvojeno kao vrsta virtualne mreže (slika 3.14). Obe kapije (G) rade kao PLC repetitori koji konvertuju prenošeni signal između frekvencija f1 i f2 (ili vremenskih slotova t1 i t2), kao i između f2 i f3 (ili t2 i t3). Dodatno, kapije kontrolišu podmreže II i III, što znači da unutrašnja komunikacija u podmreži se vrši odgovarajućom kapijom i ne utiče na ostatak PLC pristupne mreže, slično tome unutar kućnih mreža se koristi kapija. Komunikacija između člana podmreže i bazne stanice je moguća samo preko za to odgovorne kapije. Međutim, mreža može biti tako organizovana tako da bazna stanica direktno kontroliše broj predplatnika (podmreža I).

Slika 3.13 Povezivanje predplatnika preko kapije

Slika 3.14 Kapija u PLC pristupnoj mreži

Kapije se povezuju sa mrežom na isti način kao repetitori (slika 3.10). Takođe, rastući broj kapija unutar PLC pristupne mreže smanjuje njen mrežni kapacitet i uzrokuje veće troškove. Međutim, tamo gde repetitori obezbeđuju samo jednostavno usmeravanje signala između mrežnih segmenata, kapije mogu obezbediti inteligentniju podelu dostupnih mrežnih resursa, obezbeđujući tako bolju efikasnost mreže. 3.6.4 Povezivanje sa bazičnom mrežom

PLC pristupna mreža pokriva takozvanu "poslednju milju" telekomunikacione pristupne oblasti. Ovo znači da poslednjih nekoliko stotina metara pristupnih mreža može biti realizovano

84

PLC tehnologijom primenjenoj na nisko-naponske energetske mreže. Sa druge strane, PLC pristupne mreže su povezane sa bazičnom mrežom preko komunikacionih distributivnih mreža, kao što je prikazano na slici 3.15. Generalno, distributivna mreža povezuje PLC baznu stanicu sa lokalnom ispostavom mrežnog provajdera.

Primena PLC tehnologije može uštedeti na građenju novih telekomunikacionih mreža. Međutim, PLC pristupna mreža mora biti povezana sa WAN-om preko bazičnih mreža što isto tako uzrokuje dodatne troškove. Zato, PLC bazična mreža mora biti realizovana sa najnižim mogućim ulaganjima da bi se osigurala konkurentnost PLC mreža sa drugim pristupnim tehnologijama. 3.7 Komunikacione tehnologije za PLC distribuirane mreže

Najjeftinije rešenje za realizaciju konekcije između PLC pristupne i bazične mreže je korišćenje komunikacionih sistema koji su dostupni u zoni primene. Neke transformatorske jedinice su već povezane sa mrežom za održavanje preko standardnih komunikacionih kablova (bakarne linije). Prvobitno, ove konekcije su bile obezbeđene za realizaciju funkcija udaljene kontrole i unutrašnje komunikacije između kontrolnog centra energetske mreže i osoblja za održavanje i opreme. Međutim, mogu se koristiti za povezivanje PLC mreža sa bazičnom primenom jedne od DSL tehnologija.

Za vreme poslednje dekade, mnoge kompanije za distribuciju električne energije su realizovale optičke komunikacione mreže pored njihovih energetskih vodova, koje se takođe mogu primeniti za konekciju sa bazičnom mrežom. U ovom slučaju, pristupna mreža sadrži optički i PLC mrežni deo (slika 3.15), što vodi hibridnom rešenju sličnom kao kod HFC mreža (Hybrid Fiber Coax), u kojima optička distribuirana mreža povezuje CATV pristupne mreže sa WAN-om. Još jedno rešenje za realizaciju konekcije sa bazičnom mrežom je upotreba PLC tehnologije u srednje-naponskim energetskim mrežama, koje su, u svakom slučaju, povezane sa nisko-naponskim mrežama.

Slika 3.15 Povezivanje sa bazičnom mrežom

Primena pojedinačne komunikacione tehnologije za PLC povezivanje sa bazičnom mrežom zavisi takođe od tehničkih mogućnosti mrežnog provajdera koji radi PLC pristupne mreže. Upotreba postojećih komunikacionih sistema, kompanije za distribuciju električne energije ili nezavisnog mrežnog provajdera, je uvek povlašćeno rešenje. Uopšteno, postoje sledeće mogućnosti za realizaciju veze sa bazičnom mrežom: Upotreba postojećih ili novih kablova ili optičkih mreža Realizacija bežičnih distribuiranih mreža; npr. WLL, primena satelitske tehnologije, itd. Upotreba PLC tehnologije u MV energetskim mrežama.

Komunikaciona tehnologija primenjena na PLC distribuirane mreže mora da osigura prenos svih servisa koji su ponuđeni u PLC pristupnim mrežama. Takođe, PLC bazične mreže ne smeju da budu usko grlo u opštoj komunikacionoj strukturi između PLC predplatnika i bazične mreže. Stoga, primenjena bazična tehnologija mora da obezbedi dovoljno kapaciteta prenosa (brzine podataka) i realizaciju raznih garancija kvaliteta servisa (QoS).

85

3.8 Topologija distribuiranih mreža

Opravdano je povezivanje višestrukih PLC pristupnih mreža, smeštenih unutar malog područja, radi realizacije združene distribuirane mreže koja povezuje više PLC mreža, kao što je pokazano na slici 3.16. Distribuirane mreže mogu biti realizovane u različitim topologijama nezavisno od primenjene komunikacione tehnologije (magistrala, zvezda, prsten). Odabrana topologija mreža mora da osigura isplatljivo, ali takođe i pouzdano, rešenje (uključujući redundansu u slučaju kvara) i ovo zavisi naročito od lokacije PLC pristupnih mreža u razmatranoj oblasti i od pozicije lokalne ispostave mrežnog provajdera (slika 3.15).

Slika 3.16 PLC distribuirana mreža sa topologijom magistrale

Mreža sa topologijom magistrale je jedno od mogućih rešenja koja mogu biti realizovana sa niskom cenom unutar adekvatnih oblasti primene (slika 3.16). Međutim, faktor cene nije jedini kriterijum za odluku o topologiji distribuirane mreže. Veoma važan kriterijum je pouzdanost mreže u slučaju kvara linka. Tako, kod topologije magistrale, ako je veza između dve PLC pristupne mreže prekinuta, sve pistupne mreže smeštene iza pokvarenog linka su takođe otkačene od WAN-a. Stoga, mešovite topologije mreže se moraju razmatrati za primenu u PLC distribuiranim mrežama. Moguće rešenje je mreža sa topologijom zvezde koja povezuje svaku PLC pristupnu mrežu odvojeno (slika 3.17).

Slika 3.17 Zvezdasta distribuirana mreža

86

Zvezdasta topologija mreže je adekvatna za primenu DSL tehnologije u PLC distribuiranim

mrežama. Međutim, greška jednog linka u zvezdastoj mreži otkačuje samo jednu PLC pristupnu mrežu i nema mogućnosti za realizaciju alternativne konekcije pogođene PLC pristupne mreže sa bazičnom mrežom preko redundantnog prenosnog linka. Stoga, primena prstenaste topologije mreže (slika 3.18) čini se kao razumno rešenje za povećanje mrežne pouzdanosti. U slučaju kvara jednog linka između čvorova prstena, postoji uvek mogućnost za realizaciju alternativnih prenosnih putanja. Naravno, reorganizacija prenosnih putanja između PLC pristupnih mreža i bazične mreže mora biti urađena automatski u okviru relativno kratkog vremenskog intervala (maksimalno nekoliko sekundi). Stoga primenjena tehnologija prenosa u bazičnim mrežama mora da podrži implementaciju prstenaste mrežne strukture (npr. Distributed Queue Dual Bus - DQDB, Fiber Distributed Data Interface - FDDI).

Konačno, topologija PLC distribuirane mreže može takođe biti kombinacija bilo koje od tri osnovne mrežne strukture predstavljene iznad. Međutim, izbor mrežne topologije zavisi od nekoliko faktora, između ostalih: Primenjena komunikaciona tehnologija uzrokuje specifičnu topologiju mreže, Raspoloživost prenosnog medijuma unutar područja primene, Mogućnost realizacije pouzdanih distribuiranih mreža, Geografska struktura i distribucija PLC pristupnih mreža i lokalna ispostava mrežnog

provajdera.

Slika 3.18 Prstenasta mrežna topologija 3.9 Upravljanje PLC pristupnim mrežama

Efikasna kontrola PLC pristupnih mreža mora biti urađena iz jednog ili iz malog broja upravljačkih centara obezbeđujući tako jedno ekonomski razumno rešenje. Međutim, PLC pristupne mreže koje pripadaju mrežama ili servisima provajdera mogu postojati u geografski široj oblasti ili nekoliko PLC mreža može biti distribuirano u nekoliko geografski podeljenih regiona. Stoga, važno je optimizovati upravljački sistem koji se koristi za kontrolu višestrukih PLC pristupnih mreža (slika 3.19).

Upravljanje PLC pristupnom mrežom uključuje konfiguraciju i rekonfiguraciju svih njenih elemenata (bazne stanice, modema, repetitora i kapija) zavisno od tekućeg statusa mreže.

87

Upravljačke funkcije mogu se odraditi lokalno pomoću bazne stanice ili kapija ili pomoću upravljačkog centra korišćenjem funkcija daljinske kontrole. Lokalno upravljanje se izvršava automatski bez bilo kakvog angažovanja upravljačkog personala. Sa druge strane, daljinsko upravljanje obezbeđuje i automatsko i manuelno izvršavanje kontrolnih funkcija. Prenos upravljačkih informacija iz i ka pristupnim mrežama mora biti osiguran preko PLC distribuiranih mreža da bi se izbegla izgradnja posebnih upravljačkih komunikacionih sistema. Rešenje efikasnog upravljanja je prenos što je moguće više funkcija održavanja ka baznim stanicama ili kapijama smeštenim u pristupnim mrežama. Međutim, mogućnost upravljanja PLC mrežnim elementima povećava cenu opreme. Stoga, podela upravljačkih funkcija između mrežnih elemenata i centralne službe je optimizacioni zadatak.

Slika 3.19 Upravljanje PLC mrežom

U svakom slučaju, osnovni rad mreže mora biti obezbeđen samim PLC mrežnim elementima, bez bilo kakvog delovanja upravljačkog centra. Kada je oprema jednom ugrađena u nisko-naponsku mrežu, PLC mreža koja obezbeđuje nekoliko procedura samokontrole i samokonfiguracije treba da radi bez pomoći osoblja održavanja. PLC pristupne mreže mogu raditi ekonomski efikasno samo ako je potreba za manuelnom kontrolom mreže smanjena, posebno aktivnosti koje se odnose direktno na lokacije mreže. 3.10 Srednje-naponski PLC

Slično PLC pristupnim sistemima koji koriste nisko-naponske energetske mreže kao prenosni medijum, srednje-naponske energetske mreže se mogu takođe koristiti za realizaciju različitih PLC servisa. Uopšteno, organizacija takozvanog srednje-naponskog PLC-a (MV PLC) se ne razlikuje od PLC-a u nisko-naponskim mrežama. Prema tome, srednje-naponske PLC mreže sadrže iste mrežne elemente: PLC modemi koji povezuju krajnje korisnike sa srednje-naponskim prenosnim medijumom, bazna stanica koja povezuje srednje-naponsku PLC mrežu sa bazičnom, repetitori i kapije.

Srednje-naponske električne mreže obično napajaju nekoliko nisko-naponskih mreža, kao što je i predstavljeno na slici 3.1. Shodno tome, MV PLC mreža se može iskoristiti kao distribuirana mreža koja povezuje nekoliko PLC pristupnih mreža sa bazičnom mrežom. U ovom slučaju,

88

nekoliko PLC pristupnih mreža su povezane sa MV PLC ditribuiranom mrežom sa topologijom mreže sličnoj prstenastoj distribuiranoj mreži prezentovanoj na slici 3.18.

Međutim, karakteristike prenosa srednje-naponskim energetskim mrežama, posmatrano sa aspekta njihove primene u komunikacijama, čine se sličnim kao kod nisko-naponskih mreža. Čak su uslovi prenosa srednje-naponskim mrežama bolji nego kod nisko-naponskih mreža koje se koriste za realizaciju PLC pristupnih mreža; brzine prenosa podataka koje bi se realizovale pomoću MV PLC očekuje se da ne budu značajno veće nego u PLC pristupnim mrežama. Otuda, ako se MV PLC mreža koristi za povezivanje većeg broja PLC pristupnih mreža sa bazičnom mrežom, deo prenosa preko srednje naponske energetske mreže bi bio usko grlo. Stoga, ne očekuje se da će se MV PLC mreže koristiti za međupovezivanje više PLC pristupnih mreža (npr. za povezivanje više od dve pristupne mreže). Međutim, u fazi razvoja očekivano je da PLC pristupne mreže povezuju manji broj krajnjih korisnika i u ovom slučaju, MV mreže se mogu koristiti kao rešenje za distribuiranu mrežu.

Sa druge strane, MV PLC nudi mogućnost realizacije komunikacionih mreža bez potrebe za polaganjem novih komunikacionih kablova na široj oblasti pokrivanja. Tako, srednje-naponske energetske mreže se mogu koristiti za povezivanje više LAN mreža unutar kampusa u javnoj mreži za prenos podataka, kao što je prikazano na slici 3.20.

Na isti način, MV PLC se može primenjivati za realizaciju različitih konekcija od tačke do tačke (point to point), koje se mogu iskoristiti za međupovezivanje između LAN mreža, slično kampus mreži prikazanoj na slici 3.20. U današnje vreme, MV PLC se uglavnom primenjuje za realizaciju takvih konekcija od tačke do tačke. Jedna primena MV PLC je povezivanje antena za različite radio sisteme. Na ovaj način, antena koja se koristi za bežični mobilni sistem se može povezati sa njegovom baznom stanicom preko srednje-naponske energetske mreže.

Slika 3.20 Struktura campus komunikacione mreže koja koristi MV PLC 3.11 Specifični problemi performansi PLC - a

Bilo je pokazano da PLC tehnologija predstavlja isplativu alternativu za realizaciju pristupnih mreža. Sa druge strane, električne energetske mreže nisu dizajnirane za komunikaciju i zato, one ne predstavljaju najpogodniji prenosni medijum. U ovom delu, mi ćemo opisati neke specifične probleme performansi koji ograničavaju primenu PLC tehnologije i predstavićemo nekoliko rešenja za prevazilaženje ovih problema.

89

3.11.1 Karakteristike PLC prenosnog kanala

Nisko naponske mreže nisu projektovane za komunikaciju i prema tome, prenosne karakteristike energetskih kanala nisu pogodne za prenos podataka. Energetski vodovi su podeljeni na jedan asimetričan način, postoji mnogo nepravilnih povezivanja između mrežnih sekcija i mušterija i prelaza između površinskih i podzemnih kablova. Kablovski prelazi prouzrokuju refleksiju i menjaju karakterističnu impedansu. Pored toga, PLC mreže menjaju strukturu (pr. dodavanjem novih korisnika), naročito u kućnim PLC mrežama u kojima svaki slučaj prebacivanja može promeniti mrežnu topologiju.

PLC mreže su takođe okarakterisane propagacijom po više putanja zbog brojnih refleksija prouzrokovanih spajanjem kablova i njihovim različitim impedansama. Ovo dovodi do propagacije signala po više putanja, sa frekventno selektivnim fedingom. Najznačajniji efekti koji utiču na propagaciju su gubici u kablu, gubici usled refleksija na tačkama grananja i neusaglašeni krajevi kablova kao i selektivni feding.

Slabljenje u PLC mrežama zavisi od voda, dužine i promene karakteristične impedanse prenosnog voda. Mnogobrojna merenja su pokazala da slabljenje u energetskim vodovima je prihvatljivo u relativno kratkim kablovima (aproksimativno do 200 - 300 m), ali je veoma loše u dužim kablovima. Stoga, očekuje se da duže PLC mreže budu opremljene sa repetitorskom tehnikom. 3.11.2 Elektromagnetna kompatabilnost

Nisko-naponske energetske mreže upotrebljene kao prenosni medijum za PLC pristupne sisteme ponašaju se kao antena koja proizvodi elektromagnetno zračenje. Sa druge strane, PLC sistemi koji dopuštaju realizaciju širokopojasnih pristupnih mreža koriste frekventnispektar do 30 MHz. Ovaj frekventni opseg je rezervisan za različite radio servise i oni mogu biti ometani od strane PLC sistema. Na prvom mestu, rad raznih kratkotalasnih radio servisa, kao što su radio amateri, različiti javni servisi, vojni i čak veoma osetljivi servisi kao što je kontrola letenja, mogu biti negativno ometani smetnjama koje dolaze iz PLC mreža.

Slika 3.21 Struktura nisko-naponske energetske mreže

Zakonodavna tela specificiraju granice za elektromagnetno zračenje koje je dozvoljeno da bude proizvedeno PLC sistemima koji rade izvan frekventnog opsega definisanog CENELEC standardom. U Nemačkoj, NB30 direktive definišu veoma niske granice zračenja za sisteme koji rade u frekventnom opsegu do 30 MHz. Shodno tome, PLC mreže moraju da rade sa ograničenom snagom signala da bi se ispoštovale NB30 direktive. Sledeća dva rešenja su predložena za specifikaciju frekventnih opsega koji bi se koristili u PLC-u:

90

Chimney pristup: Frekventni spektar od približno 7.5 MHz u frekventnom opsegu između 1 i 30 MHz može biti korišćen za PLC. Međutim, spektar ne obezbeđuje kontinualno frekventne opsege koji su dozvoljeni za korišćenje od strane PLC-a. U dozvoljenim opsezima, PLC i dalje mora da radi u specificiranim ograničenjima zračenja.

Generalno ograničenje zračenja: U celokupnom frekventnom spektru (ispod 30 MHz), maksimalna polja zračenja su ograničena za sve žičane telekomunikacione servise (uključujući DSL, CATV i PLC). U oba slučaja, PLC sistemi moraju da osiguraju veoma niske vrednosti što se tiče

elektromagnetnog zračenja i shodno tome da rade sa ograničenom snagom signala. Ovaj problem se povećava ako energetski kablovi nisu oklopljeni ili upleteni u paricu. 3.11.3 Uticaj smetnji i ograničenja brzine prenosa podataka

Zbog ograničene snage signala, PLC mreže postaju osetljivije na smetnje i nisu sposobne da spoje duže distance uz obezbeđivanje dovoljnog kapaciteta prenosa. Smetnje iz okoline na PLC mrežu su uzrokovane drugim servisima (kao što je kratko-talasni radio) koji rade u frekventnom opsegu ispod 30 MHz (slika 3.22). Takođe postoje smetnje koje dolaze iz samih PLC mreža; teške mašine, kao što su elektromotori, koji mogu biti povezani sa nisko-naponskom energetskom mrežom ili mogu raditi blizu PLC mreže, TV i kompjuterski monitori kao i impulsne smetnje uzrokovane gašenjem/paljenjem aparata i uređajima za kontrolu faznog ugla. Konačno, smetnje mogu biti uzrokovane susednim PLC mrežama.

Slika 3.22 Uticaj različitih izvora smetnji

Dobro poznati mehanizmi rada sa greškama mogu biti primenjeni u PLC sistemima da reše problem grešaka prenosa uzrokovanih smetnjama (npr. FEC i ARQ). Mehanizam Ubrzane korekcije grešaka (Forward error correction - FEC) može oporaviti originalni sadržaj podataka uprkos uticaju smetnji. Međutim, primena FEC mehanizma troši dodatni deo kapaciteta prenosa zbog neophodnih informacija za korekciju grešaka. Upotreba ARQ (Automatic Repeat reQuest) mehanizma obezbeđuje ponovni prenos oštećenih podataka trošeći deo kapaciteta prenosa i uvodeći dodatna kašnjenja prenosa takođe.

Primena mehanizama za rad sa greškama je potrebna u PLC mrežama zbog nepredvidivog ponašanja smetnji. Sa druge strane, brzine prenosa podataka obezbeđene PLC sistemima su ograničene zbog zahteva elektromagnetne kompatabilnosti (EMC). Tako da PLC sistemi koji se

91

trenutno nude imaju maksimalne brzine prenosa podataka od 2 do 4 Mbps u mreži. Stoga, PLC mreže moraju da rade sa malim brzinama podataka dodatno smanjenim primenom mehanizama rada sa greškama. Sa druge strane, PLC pristupne mreže povezuju brojne predplatnike koji koriste nisko-naponsku energetsku mrežu kao prenosni medijum (slika 3.23), što dodatno smanjuje raspoloživu brzinu prenosa podataka.

PLC pristupna mreža koristi nisko-naponsku energetsku mrežu za povezivanje brojnih PLC predplatnika sa baznom stanicom, što obezbeđuje povezivanje u mrežu koja pokriva široku oblast. Prema tome, PLC mreža predstavlja deljiv prenosni medijum korišćen od strane svih predplatnika nezavisno. Shodno tome, kapacitet PLC mreža je još više smanjen.

Slika 3.23 Deljivi prenosni medijum u PLC pristupnim mrežama 3.11.4 Realizacija širokopojasnih PLC sistema prenosa

U okviru PLC sistema, prenos podataka se obavlja kanalom koji karakterišu frekventno selektivni fenomeni, prisustvo ehoa, impulsnog i obojenog šuma sa superpozicijom uskopojasnim interferencija. Ovo zahteva da se usvojena modulacija za PLC mora efikasno suočiti sa neprijateljskom okolinom. Tehnike DSS (Direct Sequence Spread Spectrum) i OFDM se razmatraju kao kandidati za buduće širokopojasne PLC mreže.

Široki spektar ima prednost u robustnosti ka uskopojasnim interferencijama, mogućnost za realizaciju CDMA (Code Division Multiple Access) i rad sa malom spektralnom gustinom snage što smanjuje EMC probleme. Međutim, DSS ima malu spektralnu efikasnost i niskofrekventnu karakteristiku, a i osetljiv je na frekventno selektivni feding. Stoga, postoji potreba za kompleksnom ekvalizacijom signala u vezama tačka - više tačaka, kao što je u PLC pristupnim mrežama, zavisno od dužine mrežnih sekcija za pojedinačne konekcije.

Sa druge strane, OFDM tehnika omogućuje veliko smanjenje kompleksnosti ekvilajzera kanala i povećanje otpornosti na distorziju signala. Osobina OFDM da koristi frekventni spektar na selektivni način je pogodna za izbegavanje frekventih opsega ometenih uskopojasnim interferencijama i kritičnih frekvencija specificiranim zakonodavnim telima. Ortogonalnost, obezbeđena OFDM-om omogućuje spektralno preklapanje koje vodi ka izvanrednoj efikasnosti, koja je dva puta bolja nego širokopojasni sistemi sa jednim nosiocem. Štaviše, tehnike unošenja bitova, primenjene na OFDM podnosioce, omogućuju postizanje kapaciteta veoma bliskog teoretskom ograničenju prenosnog medijuma. Iz tog razloga, OFDM se razmatra kao favorizovani kandidat za primenu u širokopojasnim PLC mrežama. 3.11.5 Poboljšanje performansi efikasnim MAC slojem

Zbog jake konkurencije na telekomunikacionom tržištu, mrežni provajderi koji koriste PLC tehnologiju moraju biti sposobni da ponude atraktivne telekomunikacione servise. Drugim rečima, PLC sistemi moraju se takmičiti sa drugim pristupnim tehnologijama i da ponude zadovoljavajući QoS. U isto vreme, PLC pristupne mreže moraju takođe biti ekonomski efikasne. Zbog toga, PLC pristupni sistemi moraju obezbediti veoma dobro iskorišćenje mreže deljivog prenosnog medijuma (slika 3.23) i istovremeno zadovoljavajući QoS. Oba zahteva mogu biti postignuta primenom

92

efikasnog MAC sloja. Zadatak MAC sloja je da organizuje pristupni medijum između više predplatnika upotrebom različitih telekomunikacionih servisa.

Trenutno, ne postoje specifikacije ili standardi koji se tiču MAC sloja i protokola za PLC mrežu. Uprkos brzom razvoju PLC tehnologije tokom zadnjih nekoliko godina, postoji takođe ograničen broj izdatih istraživačkih radova iz ove oblasti. Proizvođači PLC opreme primenjuju njihova sopstvena rešenja protokola koja se razlikuju između različitih PLC proizvoda.

MAC sloj specificira šemu višestrukog pristupa, strategiju deljenja resursa (MAC protokol) i mehanizam za kontrolu saobraćaja u mreži. Najčešće korišćena šema pristupa u savremenim širokopojasnim PLC mrežama je TDMA (Time Division Multiple Access - višestruki pristup sa vremenskom raspodelom). Zbog smetnji, paketi podataka mogu biti segmentirani u manje jedinice podataka čija veličina se bira shodno dužini vremenskog slota specificiranog TDMA šemom. Prema tome, ako se jave smetnje, samo oštećeni segmenti podataka se ponovo šalju, trošeći manje mrežni kapacitet. Segmentacija podataka obezbeđuje odličnu granularnost mreže i lakše obezbeđenje QoS garancija.

Efektivno rešenje za izbegavanje uticaja uskopojasnih smetnji je primena FDMA metoda, u kojem pojedinačne frekvencije mogu biti odstranjene ako su pogođene smetnjama. Stoga, TDMA/FDMA kombinacija čini se kao razumno rešenje za PLC mrežu. Primena FDMA u OFDM-baziranom PLC sistemu vodi ka takozvanoj OFDMA (OFDM Access) šemi, koje takođe može biti kombinovana sa TDMA gradeći jedan OFDMA/TDMA sistem.

MAC protokoli za PLC sisteme moraju postići maksimalnu iskorišćenost ograničenog mrežnog kapaciteta i realizovati vremenski-kritične telekomunikacione servise. Ovo može biti osigurano rezervacijom širine opsega, što omogućuje pojedinačne QoS garancije potrebne za različite servise. Ovo je osigurano takozvanim rezervisanim MAC protokolima. Sem rezervisanih MAC protokola, varijante CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) su takođe široko primenjivane u PLC pristupnim mrežama; na primer, IEEE 802.11 MAC protokol specificiran za WLAN se koristi u PLC i može obezbediti realizaciju različitih QoS garancija.

Zbog asimetrične i promenljive prirode saobraćaja podataka u pristupnom području, dinamičke dupleksne šeme se koriste u PLC pristupnim mrežama. Ovo omogućava optimalno korišćenje mrežnih resursa, pri prenosu linkom u oba smera shodno trenutnim opterećenjima. Međutim, relativno mali PLC mrežni kapacitet pravi poteškoću prilikom istovremenog obezbeđivanja zahtevanog QoS-a za veliki broj predplatnika. Stoga, PLC sistemi moraju implementirati strategiju planiranja saobraćaja, uključujući kontrolu dopuštanja veze (CAC), da bi se ograničio broj aktivnih predplatnika sa obezbeđivanjem zadovoljavajućeg QoS-a za trenutno dozvoljene konekcije. Na isti način, deo mrežnih resursa mora biti rezervisan za preraspodelu kapaciteta u slučaju smetnji. 3.12 Sažetak

Sadašnji komunikacioni sistem preko energetskih vodova, koji koriste energetsku mrežu kao prenosni medijum, obezbeđuju relativno velike brzine prenosa podataka (iznad 2 Mbps). PLC može biti primenjen na visoko-, srednje- i nisko-naponske energetske mreže kao i unutar zgrada. Međutim, PLC tehnologija je u novije vreme uglavnom korišćena za pristupne mreže i kućne komunikacione mreže. Ovo je zbog visoke cene pristupnih mreža (oko 50% investicija u mrežnoj infrastrukturi je potrebno za pristupno područje) i liberalizacije telekomunikacionog tržišta u mnogim zemljama.

Širokopojasni PLC sistemi primenjeni u telekomunikacionom pristupnom području predstavljaju alternativnu komunikacionu tehnologiju za realizaciju takozvane "poslednje milje" mreža. PLC pristupne mreže pokrivaju poslednjih nekoliko stotina metara komunikacione mreže direktno povezujući krajnje potrošače. PLC predplatnici su povezani na mrežu preko PLC modema koji garantuju prenos podataka preko nisko-naponske energetske mreže. Sa druge strane, PLC mreža je povezana na bazičnu mrežu preko bazne stanice. Prema tome, izgradnja novih pristupnih mreža može biti izbegnuta korišćenjem širokopojasne PLC tehnologije.

93

Energetske mreže nisu dizajnirane za komunikaciju i ne predstavljaju poželjan prenosni medijum. PLC prenosni kanal karakteriše veliko slabljenje zavisno od frekvencije, promena impedanse i feding kao i snažan uticaj šuma. Sa druge strane, širokopojasne PLC mreže moraju da rade u frekventnom spektru do 30 MHz, koji takođe koriste različiti radio servisi. Zato, zakonodavni organi određuju veoma stroga ograničenja što se tiče elektromagnetnog zračenja iz PLC mreža ka okolini. Kao posledica, PLC mreže moraju da rade sa ograničenom snagom signala, što smanjuje mrežne razdaljine i brzine prenosa podataka i takođe povećava osetljivost na smetnje.

Da bi smanjili negativni uticaj prenosnog medijuma u vidu energetskog voda, PLC sistemi primenjuju efikasne tehnike modulacije, kao što je OFDM. Problem smetnji može biti rešen dobro poznatim mehanizmima za rad sa greškama (npr. FEC, ARQ). Međutim, njihova primena troši određeni deo PLC mrežnog kapaciteta usled prekoračenja ili ponovljenog prenosa. PLC širina opsega je deljiva od strane predplatnika i zato, bilo koje smanjenje kapaciteta usled prekoračenja protokola treba biti minimizirano. U isto vreme, PLC sistemi se moraju takmičiti sa drugim pristupnim tehnologijama i ponuditi veliku paletu telekomunikacionih servisa sa zadovoljavajućim QoS-om. I dobro iskorišćenje mreže i obezbeđenje QoS garancija može biti postignuto efikasnim MAC slojem.

94

4. LAN-BAZIRANI TELEMETRIJSKI SISTEMI

Rešenja bazirana na računarskim mrežama predstavljaju važan trend u evoluciji telemetrijskih sistema [5]. Računarske mreže su grupisane u tri klase: LAN (Local Area Network), MAN (Metropolitan Area Network) i WAN (Wide Area Network). Žičane i bežične rečunarske mreže se razlikuju po fizičkom medijumu koji se koristi u liniji prenosa. Telemetrijski sistemi bazirani na računarskim mrežama koriste uglavnom LAN mreže i Internet. WAN mreže velike brzine se koriste kao "kičma" neke velike mreže, obezbeđuju međusobno povezivanje LAN mreža i računarskih centara. LAN mreže mogu da imaju topologiju magistrale, drveta (višestruke zvezde) ili kruga (prstena), kao što je pokazano na slici 4.1.

Slika 4.1 LAN konfiguracije (topologije)

Postoje mnogo tipova LAN mreža, kao što je Eternet, Token Ring, ARCNet, 100VG-AnyLAN ili bežični IEEE-802.11. Najrasprostranjeniji tip je Eternet. Različite LAN mreže, definisane standardom IEEE-802 i standardima Američkog nacionalnog instituta za standarde (ANSI), su specificirane u tabeli 4.1. Svi tipovi LAN mreža koji su nabrojani u tabeli 4.1 se koriste u praksi. Mnoge LAN mreže koriste kombinaciju standarda. Tabela 4.1 Standardi LAN mreža Standard Ime LAN-a Brzina prenosa Konfiguracija

IEEE-802.3 Eternet, brzi Eternet, gigabitni Eternet

1 Mbps do 10 Gbps magistrala, zvezda, drvo

IEEE-802.4 Token Bus 10Mbps drvo IEEE-802.5 Token Ring 4 do 16 Mbps krug IEEE-802.9 Iso-Eternet 16 Mbps zvezda, drvo IEEE-02.11 Bežični LAN, WiFi 11 Mbps zvezda, drvo IEEE-02.12 100VG-bilo koji LAN 100 Mbps zvezda, drvo ANSI FDDI, FDDI II 100 Mbps zvezda, drvo

4.1 Eternet Hardver

Korišćene u kompanijama, istraživačkim labaratorijama, nastavnim labaratorijama i domovima, LAN mreže obezbeđuju prirodni fizički sloj za merne aplikacije. Konvertori LAN u IEEE-488 paralelni interfejs se nude od strane proizvođača instrumenata, kao što su Tektronix ili Keithley, kao odgovor na veoma brzu ekspanziju računarskih mreža. Eternet, kao najrasprostranjeniji tip računarske mreže se razmatra detaljnije. Eternet je razvijen od strane Xerox-a, Intel-a i Digital Equipment-a 1980. godine, a prihvaćen od strane IEEE kao standard IEEE-802.3 1985. godine. Različite Eternet varijacije su označene sa

95

XBaseY, X pokazuje protok podataka, Base označava nemodulisani prenos i Y je simbol medijuma prenosne linije ili dužina. Eternet nudi četiri opsega brzine prenosa signala. Odgovarajuće varijacije mreža su predstavljene u tabeli 4.2. Njihove maksimalne vrednosti protoka su kao što sledi:

Standardni Eternet, do 10 Mbps; Brzi Eternet, do 100 Mbps; Gigabitni Eternet (GE), do 1,000 Mbps; 10 Gigabitni Eternet (10GE), do 10 Gbps.

Tabela 4.2 Tipovi Eterneta i njihove specifikacije

Varijacije Eterneta IEEE protokol Brzina

prenosa

Maksimalna razdaljina po segmentu kabla

Konektori

10Base5 IEEE-802.3 10 Mbps 500 m AUI 10Base2 IEEE-802.3a 10 Mbps 185 m AUI, BNC-50 10BaseT IEEE-802.3i 10 Mbps 100 m RJ-45 10BaseF IEEE-802.3j 10 Mbps 1 km Optički 100BaseTX IEEE-802.3u 100 Mbps 100 m RJ-45 100BaseT4 IEEE-802.3u 100 Mbps 100 m RJ-45 100BaseFX IEEE-802.3u 100 Mbps 10 km Optički 100BaseSX IEEE-802.3u 100 Mbps 300 m Optički 1000BaseCX IEEE-802.3z 1000 Mbps 25 m RJ-45 1000BaseT IEEE-802.3ab 1000 Mbps 100 m RJ-45 1000BaseSX IEEE-802.3z 1000 Mbps 500 m Optički 1000BaseFX IEEE-802.3z 1000 Mbps 10 km Optički 10GE IEEE-802.3ae 10 Gbps 40 km Optički

Eternet signali se prenose preko neoklopljene upredene parice, oklopljene upredene parice

(STP), koaksijalnog kabla ili optičkog vlakna. Sadašnje instalacije Eterneta teže ka korišćenju zvezdaste konfiguracije (topologije), umesto predhodno korišćene magistralne konfiguracije, koja ima manju pouzdanost. Eternet signali se prenose diferencijalno: jedan signal po paru provodnika ili po jednom optičkom vlaknu. Čvorovi mreže koriste odvojene izvode za dolazeće i odlazeće signale. Zbog toga, svaki čvor je povezan sa mrežom preko dve upredene parice ili dva optička vlakna.

Signali prenošeni preko 10BaseY imaju vrednosti napona od -2.5V do +2.5V, a oni u 100BaseY i 1000BaseY od -1V do +1V. Centralna jedinica zvezdaste mreže je ili hub ili switch. Konvertor medija, koji konvertuje električne signale u optičke signale i obrnuto, kao i konvertor monomodnog u višemodni optički signal, može biti ugrađen u Eternet mrežu. Sledeće varijacije Eterneta omogućavaju brzine prenosa do 10 Mbps (10BaseY):

10Base5, više zastareli Eternet standard koji ima magistralnu konfiguraciju i koji koristi debeo RG-8 koaksijalni kabl sa impedansom od 50 Ω. Maksimalna dužina segmenta kabla je 500 m. Računari i drugi mrežni čvorovi se povezuju na LAN utičnicu preko AUI konektora.

10Base2, koji ima magistralnu konfiguraciju i koji koristi tanak RG-58 koaksijalni kabl sa impedansom od 50 Ω. Maksimalna dužina segmenta kabla je 185 m. Čvorovi su prikačeni na mrežu preko BNC-50 ili AUI konektora.

10BaseT, koji ima zvezdastu konfiguraciju i koji koristi neoklopljenu upredenu paricu. Maksimalan radijus mreže, ili dužina kabla između hub-a ili switch-a i utičnice, je 100 m. Osmo-pinski RJ-45 konektori se koriste na linku sa upredenom paricom. Viša kategorija (kategorija 5) kabla sa upredenom paricom obezbeđuje značajno poboljšanje brzina prenosa podataka 10BaseT-a, koje čak mogu prekoračiti granicu od 100 Mbps, ako se koriste

96

odgovarajuće mrežne kartice i hub-ovi u računarima. 10BaseT je najčešće korišćena varijacija Eterneta, a RJ-45 je najčešće korišćeni LAN konektor.

10BaseF, koji ima zvezdastu konfiguraciju i koji koristi kabl sa optičkim vlaknom (par jeftinih višemodnih optičkih vlakana); maksimalni radijus mreže je 1 km.

100BaseY varijacije (koje omogućavaju brzine prenosa do 100 Mbps) su kao što sledi: 100BaseTX, koji ima zvezdastu konfiguraciju i koji koristi kategoriju 5 kabla (dve upredene

parice); maksimalan radijus mreže je 100 m. RJ-45 konektori se koriste na linkovima sa upredenom paricom.

100BaseT4, koji ima zvezdastu konfiguraciju i koji koristi kategoriju 3 kabla (četiri upredene parice); maksimalan radijus mreže je 100 m. RJ-45 konektori se koriste na linkovima sa upredenom paricom.

100BaseFX, koji ima zvezdastu konfiguraciju i koji koristi kabl sa optičkim vlaknom (par monomodnih vlakana); maksimalan radijus mreže prelazi 10 km.

100BaseSX, koji ima zvezdastu konfiguraciju i koji koristi kabl sa optičkim vlaknom (par višemodnih vlakana); maksimalan radijus mreže je 300 m.

1000BaseY varijacije (koje omogućavaju brzine prenosa do 1000 Mbps) su kao što sledi: 1000BaseCX, koji ima zvezdastu konfiguraciju i koji koristi oklopljeni kabl sa upredenom

paricom; maksimalan radijus mreže je 25 m. 1000BaseT, koji ima zvezdastu konfiguraciju i koji koristi kategoriju 5 kabla (četiri

upredene parice); maksimalan radijus mreže je 100 m. RJ-45 konektori se koriste na linkovima sa upredenom paricom.

1000BaseSX, koji ima zvezdastu konfiguraciju i koji koristi kabl sa optičkim vlaknom (par višemodnih vlakana); maksimalan radijus mreže je 500 m.

1000BaseFX, ili gigabitni Eternet (GE), koji ima zvezdastu konfiguraciju i koji koristi kabl sa optičkim vlaknom (par monomodnih vlakana); maksimalan radijus mreže, zavisno od korišćenog primopredajnika, može preći 10 km.

4.1.1 Mrežne kartice i RJ-45 konektor

Računar ili drugi web server dobija fizički pristup LAN mreži preko mrežnih interfejs kola.

Ona su obično urađena u vidu štampane pločice za montažu na matičnoj ploči a označena su kao mrežna interfejs kartica, kao što je pokazano na slici 4.2. Međutim, LAN interfejs kola se sve više ugrađuju u matičnu ploču računara. Mrežna interfejs kartica ima dva konektora: jedan za specifičnu računarsku magistralu (obično PCI, ranije ISA), drugi za mrežni kabl. Elektronski sistem u mrežnoj interfejs kartici obuhvata najmanje tri funkcionalna bloka: Kontroler mrežnog interfejsa (NIC), Serijski mrežni interfejs (SNI) i memorija kartice. Očigledno, mrežne interfejs kartice se razlikuju u specifikaciji, pošto su projektovane za rad sa različitim tipovima LAN-a pri različitim brzinama prenosa.

Slika 4.2 Računarska Eternet kartica za PCI magistralu

97

Slika 4.3 RJ-45 konektor za Eternet

U LAN mrežama koje koriste električni kabl mrežni konektor je tipično RJ-45, kao što je pokazano na slici 4.3. Označavanje RJ-45 kontakata za četiri Eternet standarda je specificirano u tabeli 4.3. Tabela 4.3 Označavanje kontakata u RJ-45 Eternet konektoru Broj kontakta 10BaseT 100BaseTX 100BaseT4 1000BaseT 1 Tx+ Tx+ Tx_D1+ B1_D1+ 2 Tx- Tx- Tx_D1- B1_D1- 3 Rx+ Rx+ Rx_D2+ B1_D2+ 4 Nije iskorišćen Nije iskorišćen B1_D3+ B1_D3+ 5 Nije iskorišćen Nije iskorišćen B1_D3- B1_D3- 6 Rx- Rx- Rx_D2- B1_D2- 7 Nije iskorišćen Nije iskorišćen B1_D4+ B1_D4+ 8 Nije iskorišćen Nije iskorišćen B1_D4- B1_D4-

4.2 Eternet protokol prenosa

Protokol koji kontroliše prenos i Internet protokol (TPC/IP) omogućavaju računarima različitih klasa, sa različitim operativnim sistemima, da komuniciraju međusobno. Pošto je ustvari skup protokola, TPC/IP formira osnovu za komunikaciju između više od 100 miliona računara na Internetu, kao i između dva računara u LAN mreži. Ovaj značajan skup protokola je uveden u cilju obezbeđivanja osnove za dalju diskusiju Eterneta i njegovo korišćenje pri projektovanju i pravljenju računarskih telemetrijskih sistema. TPC/IP sadrži četiri sloja, kao što je prikazano na slici 4.4, naime: Aplikacioni sloj, Transportni sloj, Mrežni sloj i Sloj veze (linka).

Aplikacija

Prenos

Mre až

Veza

Aplikacija

Prezentacija

Sednica

Prenos

Mreža

Veza podataka

Fizički

TPC/IP Svita Protokola ISO-OSI Svita Protokola

Telnet, FTP, HTTP

TPC, UDP

IP, ICPM

Drajver UređajaInterfejsna Kartica

4

3

2

1

Sloj

Sloj1

2

3

4

5

6

7

Slika 4.4 TPC/IP skup protokola (četiri sloja) i ISO-OSI skup protokola (sedam sloja shodno Referentnom

otvorenom modelu međupovezivanja sistema) Aplikacioni sloj radi sa detaljima pojedinačne aplikacije. Neke od najčešćih TPC/IP

aplikacija su: Telnet za daljinsko logovanje; Podrška browsera za prikazivanje web stranica;

98

Aplikacije prenosa fajlova po Protokolu prenosa fajlova (FTP), koji omogućava razmenu fajlova između domaćina koji rade sa različitim operativnim sistemima;

Prenos fajlova preko Protokola za prenos hiperteksta (HTTP); E-mail aplikacije.

Transportni sloj je odgovoran za prenos podataka između dva domaćina. Protokol kontrole prenosa (TCP) ili Protokol korisničkog datograma (UDP) se mogu koristiti od strane ovog sloja, mada se ovaj poslednji retko upotrebljava. TCP garantuje da su primljeni podaci potpuno isti kao poslati podaci. Primljeni iz aplikacije, podaci se dele od strane TCP-a i prosleđuju, u obliku paketa pogodne veličine, ka mrežnom sloju naniže; primljeni paketi su potvrđeni, a izgubljeni paketi se ponovo šalju. Mnogo jednostavniji UDP omogućuje veće brzine prenosa podataka, ali ne garantuje pouzdanost prenosa. UDP se koristi u sistemima koji rade u realnom vremenu.

Mrežni sloj (takođe označavan kao Internet sloj) sadrži Internet protokol (IP) i Protokol Internet kontrolnih poruka (ICMP). IP komponenta radi sa adresiranjem fajla i prenosom, takođe između sistema različitih tipova. ICPM manipuliše prenosom poruka.

TCP/IP Sloj veze koristi postojeće mrežne standarde, uglavnom Eternet. Drajver uređaja u operativnom sistemu i odgovarajući mrežni interfejs u računaru (mrežna interfejs kartica) su obično obuhvaćeni Slojem veze.

Međunarodna organizacija za standarde (ISO) je definisala Referentni otvoreni model međupovezivanja sistema, sedmo-slojni protokol za razmenu podataka (fajlova) između umreženih računara, kao što je prikazano na slici 4.4. Poznati kao ISO-OSI protokoli, ovaj skup komunikacionih protokola specificira neke komunikacione zadatke detaljnije nego TPC/IP. TPC/IP Aplikacioni sloj je podeljen na tri ISO-OSI sloja: Aplikacioni, Prezentacioni i Sesioni; a TCP/IP Sloj veze na dva ISO-OSI sloja: Sloj linka podataka i Fizički sloj. Pre nego što je alternativa TCP/IP-u, ISO-OSI skup protokola obezbeđuje detaljniju definiciju najvišljeg i najnižeg TCP/IP sloja.

TCP/IP definiše formiranje frejma, ili niza bitova koji se prenose preko računarske mreže (npr., Eterneta). Na primer, kada su merni podaci poslati u paketu, uzastopna zaglavlja se dodaju svakim slojem kako paket ide naniže niz hijerarhiju protokola: zaglavlje mernih podataka, TCP/IP zaglavlje, IP zaglavlje i Eternet zaglavlje, kao što je pokazano na slici 4.5. Ovaj proces dodavanja zaglavlja u sukcesivnim TCP/IP slojevima se označava kao kapsulacija.

Eternet frejm

VezaEternetfrejma

VezaIP

VezaTCP/IP

Poslednjasekvencafrejma

IP Datagram

TCP Komponente

Mereni frejmVezaTCP/IP

VezaIP

VezaTCP/IP

Mereni podaci (rezultati)

VezaRezultujućeg

frejma

Mereni frejm

Mereni frejm

Mereni podaci (rezultati)

Slika 4.5 Kapsulacija podataka od strane Eternet (IEEE-802.3) protokola prenosa

Eternet protokol zahteva da sve mrežne stanice kontinualno prate saobraćaj na mreži, da bi odredile da li je linija zauzeta ili nije, ili da li postoji razmak između frejmova (IFG). Razmak između frejmova je minimalno neiskorišćeno vreme između prenosa uzastopnih frejmova (poslatih od strane bilo kojeg računara u mreži). Njegova definicija je neophodna za LAN stanice da bi znale da li je linija zaista mirna, ili sledeći frejm treba biti prenešen. IFG je definisan kao vreme

99

neophodno za prenos 96 bita (10.6 µs u 10BaseY mrežama) i specificirano je na bazi maksimalnog rastojanja između stanica i brzine propagacije signala preko linija mreže.

Još jedan važan parametar definisan IEEE-802.3 protokolom je vremenski slot S, koji odgovara vremenu neophodnom za prenos 512 bita u 10BaseY ili 100BaseY mrežama, ili 4,096 bita u 1000BaseY. Ovaj vremenski slot definiše minimalnu dužinu frejma, da bi se sprečila konfuzija između kratkih paketa impulsa nagoveštavajući koliziju ili šum sa regularnim prenosom signala. Svi frejmovi kraći od 64 bajta, ili 512 bita (4,096 bita u 1000BaseY), su odbačeni. Maksimalna dužina frejma je 1,518 bajta. Shodno IEEE-802.3 protokolu prenosa, Eternet paket se sastoji od frejma i preambule, kao što je pokazano na slici 4.6.

Eternet paket Preambula Eternet frejm (minimum 64 bajta, maksimum 1,518 bajta)

Naizmenični 10101010...

SFD 101011 DA SA Dužina polja LLC

podatak Pad FCS Više od 7 bajta 1 bajt 6 bajta 6 bajta 2 bajta 4 bajta

Slika 4.6 Eternet frejm i paket, shodno IEEE-802.3 Preambula sadrži sekvencu od 56 bita sa naizmeničnim vrednostima 1 i 0 (101010...10) i reč

10101011 upotrebljenu kao Početak ograničavača frejma (SFD). Frejm je sastavljen od šest polja i može sadržati od 64 do 1,518 bajta ukupno. Polja frejma

su: odredišna adresa (DA) (6 bajta), izvorišna adresa (SA) (6 bajta), dužinsko polje (2 bajta), LLC (logička kontrola linka) podaci, tampon polje i provera sekvence frejma (FCS), koje sadrži 4-bajtnu vrednost ciklične provere redundanse (CRC).

Tampon polje sadrži bitove sa logičkom vrednošću 1, dodatih polju podataka da bi se ostvarila dužina na minimalnih 512 bita (4,096 bita u 1000BaseY), ako polje podataka sadrži manje. 4.3 Telemetrijski sistemi bazirani na Eternetu 4.3.1 Telemetrijski sistemi bazirani na Eternetu sa LAN/IEEE-488 konvertorima

LAN obezbeđuje infrastrukturu koja se može iskoristiti u računarskim telemetrijskim sistemima. Telemetrijski sistemi bazirani na LAN-u mogu biti grupisani u tri tipa: hijerarhijski sistemi, sistemi sa LAN interfejsom i sistemi sa IEEE-488/LAN konvertorima.

Hijerarhijski telemetrijski sistemi su sastavljeni od podsistema, podsistemskih kontrolera i kontrolera sistema. Podsistemi, koji formiraju donji nivo hijerarhijskog sistema, koriste interfejse kao što su IEEE-488 ili RS-232, kao što je prikazano na slici 4.7. Svaki podsistem je individualno kontrolisan od strane računara.

Slika 4.7 Hijerarhijski telemetrijski sistem baziran na LAN-u

Najviši nivo hijerarhijskog telemetrijskog sistema je organizovan pomoću LAN-a, koji povezuje podsistemske kontrolere i kontroler sistema, koji može biti računar ili radna stanica. Korišćen u hijerarhijskim telemetrijskim sistemima, LAN obezbeđuje standardu komunikaciju

100

između računara, baziranu na razmeni podataka i poruka. U telemetrijskim sistemima sa LAN interfejsom, i kontroler (računar) i instrumenti su povezani direktno na LAN mrežu, bez interfejs konvertora.

IEEE-488 interfejs sistemi sa IEEE-488/LAN konvertorima, koji predstavljaju treću grupu telemetrijskih sistema baziranih na LAN-u, se sastoje od sledećih delova:

Kontroler sistema sa LAN interfejs karticom; Instrumenti prikačeni na primarnu magistralu IEEE-488 interfejsa; Jedan ili više segmenata sekundarne magistrale IEEE-488 interfejsa; Računarska LAN mreža; IEEE-488/LAN konvertori (takođe označavani kao GPIB/LAN ili GPIB/Eternet), preko

kojih segmenti IEEE-488 magistrale se povezuju na LAN mrežu, kao što je pokazano na slici 4.8.

Slika 4.8 Telemetrijski sistem baziran na Eternetu sa IEEE-488 interfejsom i IEEE-488/LAN konvertorima

Računar povezan na mrežu treba da ima implementiran TCP/IP skup mrežnih protokola. Računar sa TCP/IP se može iskoristiti kao kontroler distribuiranih telemetrijskih sistema sa IEEE-488/LAN konvertorima. LAN omogućava prenos kontrolnih signala od kontrolera do instrumenata i prenos mernih podataka od instrumenata do kontrolera.

Šema telemetrijskog sistema sa interfejs konvertorima je prikazana na slici 4.8. Prikazani sistem koristi AD007 LAN/IEEE-488 konvertore, proizvedene od strane Tektronix-a i dizajniranih za rad sa 10BaseT Eternetom. U 100BaseTX i 10BaseT varijacijama Eterneta, GPIB-ENET/100 konvertor se može koristiti, koji omogućuje prenos podataka ka i od IEEE-488 interfejsa pri brzinama do 900 KBps IEEE-488.1 protokolom prenosa i do 1.2 MBps u prenosima koji koriste HS488 protokol. Primetimo da su brzine prenosa specificirane u bajtovima po sekundi. Ovo je zato što je IEEE-488 paralelni interfejs koji koristi prenos bajta (8 bitni). Ograničenja propusnosti telemetrijskog sistema su usled prisustva IEEE-488. Različiti interfejs konvertori su prikazani u tabeli 4.4. Tabela 4.4 LAN u IEEE-488 konvertori

Model konvertora

Tip Eterneta

Brzina prenosa u IEEE-488 interfejsu

Računarski operativni sistem Proizvođač

AD007 10BaseT Nema dostupnih podataka

Windows 95 i kasnije verzije Tekronix

GPIB-ENET 10BaseT 100BaseTX 50 KBps Windows 95 i kasnije

verzije National Instruments

GPIB-ENET/100

10BaseT 100BaseTX

900 KBps, (1.2 MBps u HS488)

Windows 2000, Windows ME, Windows XP

National Instruments

E2050B 10BaseT 100 KBps Windows 98, Windows ME

Agilent Tehnologies

E5810A 10BaseT 100BaseTX 1 MBps

Windows 98, Windows 2000, Windows XP

Agilent Tehnologies

101

4.3.2 Telemetrijski sistemi sa LAN interfejsom

U telemetrijskim sistemima sa LAN interfejsom, i kontroler i instrumenti su opremljeni sa LAN interfejs karticama, koje omogućavaju direktno povezivanje na mrežu, bez interfejs konvertora. U ovom tipu sistema, LAN se koristi kao interfejs magistrale. Telemetrijski sistemi sa LAN interfejsom (ili specifičnije, Eternet interfejsom) predstavljaju novo rešenje, pošto instrumenti opremljeni sa LAN interfejs karticama se proizvode samo zadnjih nekoliko godina. Svaki instrument sa LAN interfejs karticom je podržan odgovarajućim softverom, koji omogućava instrumentu da radi kao web server. Ovo je veoma važna osobina instrumenata sa LAN interfejsom. Korišćenje web pretraživača, koji je prisutan na skoro svakom računaru, udaljeni računar (klijent) može pristupiti web server instrumentu radi dobavljanja mernih podataka ili rada sa instrumentom. Instalacija telemetrijskog sistema sa LAN interfejsom i web server instrumentima ne uključuje kupovinu specijalizovanog sistemskog softvera i stoga omogućava značajne uštede. Iako sada samo instrumenti najviše klase (i najveće cene) su opremljeni LAN interfejsom, opseg dostupnih instrumenata rapidno je u porastu. Šema telemetrijskog sistema sa LAN (Eternet) interfejsom je prikazana na slici 4.9.

Slika 4.9 Telemetrijski sistem sa Eternet interfejsom

Ako se telemetrijski sistem sa LAN interfejsom sastoji od samo dva uređaja (klijent računar i instrument koji ima ulogu web servera), direktno povezivanje je moguće, bez posredovanja LAN-a i hub-a, kao što je prikazano na slici 4.10.

Slika 4.10 Dvo-komponentni telemetrijski sistem sa Eternet interfejsom i povezivanje kabla takvog sistema

4.4 Internet bazirani telemetrijski sistemi i sistemi sa ugrađenim web serverima

Instrumenti sa LAN interfejsom mogu biti povezani na Internet u cilju formiranja telemetrijskog sistema koji može biti globalno distribuiran. Naučni, obrazovni ili upravljački centri, kao i velike korporacije, koriste Internet servere sa kapijama koji obezbeđuju direktno povezivanje na web. Manje kompanije i individualni korisnici pristupaju Internetu preko provajdera Internet servisa. Mnogi od provajdera Internet servisa su operatori fiksne (PSTN) ili mobilne (GSM) telefonske mreže.

Šema Internet baziranog telemetrijskog sistema, sa računarima i web serverima povezanim na web, je prikazana na slici 4.11.

102

Slika 4.11 Distribuirani telemetrijski sistem sa web serverima povezanim na Internet

U telemetrijskom sistemu nacrtanom na slici 4.11, poruke (merni podaci i instrukcije) se kreiraju sekvencijalno i prenose kao frejmovi koji imaju strukturu kao što je prikazano na slici 4.5. Računari u sistemu sakupljaju merne podatke i kontrolišu merenja pomoću softvera. Telemetrijski sistem je sastavljen od senzora, web servera, mreže sa TCP/IP protokolom i stanica sa web pretraživačima. Međutim, u transferima preko Interneta, putanja prenošenog paketa, kao i vreme prenosa, su mnogo duži nego kod LAN-a. Različiti paketi mogu slediti različite putanje i stizati na odredište bez nekog redosleda. Stoga, iako su Internet bazirani telemetrijski sistemi veoma dobro rešenje za sakupljanje podataka iz distribuiranih mernih stanica i obezbeđuju pristup podacima iz distribuiranih klijent računara, ne preporučuju se za on-line merenja ili kontrolu dinamičkih procesa.

Senzori i aktuatori u sistemu mogu biti povezani na računar (preko pogodnih interfejsa) ili na jednostavne web servere označene kao ugrađene web servere ili mini web servere. Neki ugrađeni web serveri su nabrojani u tabeli 4.5. Tabela 4.5 Ugrađeni web serveri

Web server Varijacija Eterneta Inerfejsi Memorija Proizvođač

AVR 460 10BaseT RS-232 256 kB Atmel PICDEM.NET 10BaseT RS-232 32 kB Microchip

C7520 10BaseT, 10BaseTX

RS-232, I2C, brzi SPI 8 MB IO Limited

Serija TINI, (npr., TBM390) 10BaseT CAN, RS-232,

I-wire 1 MB Maxim, Dallas Semiconductors

Vinci COM 10BaseT Bluetooth Compact Flash od 512 MB

Embedded Artist AB (Sweden)

Co-Box-Micro 10BaseT RS-232 Nema podataka Lantronix

WEB-6590 10BaseT, 10BaseTX

RS-232, USB, IrDA 256 MB Intel

webDAQ/100 10BaseT RS-232 do 64 MB Capital Equipment Company

Ugrađeni web serveri su moduli ili štampana kola različite složenosti koji su opremljeni sa

neophodnim konektorima, uključujući Eternet konektore. Telemetrijski sistem sa ugrađenim web serverima povezanim na Internet (direktno ili preko Eterneta) je prikazan na slici 4.12.

103

4.4.1 AVR460 ugrađeni web server

Jedan primer ugrađenog web servera je AVR460 sa ugrađenim 10BaseY Eternet interfejsom. Pomoću RJ-45 konektora, AVR460 kolo može biti povezano ili na PC sa mrežnom interfejs karticom ili na Eternet hub. Blok dijagram AVR460 prikazan na slici 4.13 ilustruje osnovnu strukturu jednog ugrađenog web servera.

Slika 4.12 Distribuirani telemetrijski sistem sa ugrađenim web serverima povezanim na Internet

Slika 4.13 Blok dijagram AVR460 ugrađenog web servera

Jedan ugrađeni web server obuhvata mikrokontroler (Atmel's ATmega 103), Eternet interfejs kontroler (Cirrus Logic-ov čip CS8900), programabilni logički uređaj (PLD) (ATF1502AS) i memorijske čipove. Memorijski čipovi određuju količinu informacija koja se može obraditi i memorisati od strane servera. AVR460 server je elektronsko kolo izgrađeno na štampanom pločici.

104

5. TELEMETRIJSKI SISTEMI BAZIRANI NA RADIO-MODEMIMA

Značajan broj telemetrijskih sistema koristi radio talase kao medium komunikacije. Često se biraju kao komunikacioni medium jer u odnosu na kablove imaju neke prednosti:

Telemetrijski sistemi često rade na velikim daljinama pa je postavljanje kablova mnogo skuplje od instaliranja radio opreme.

Ako se žice uzimaju pod rentom od telefonske kompanije, kupovanje radio opreme se što se tiče cene amortizuje kroz nekoliko godina dok bi se plaćanje rente i dalje nastavilo.

Zavisno od tipa opreme koji se instalira i razdaljine, radio se generalno brže instalira od drugih komunikacionih mediuma.

Radio oprema je veoma portabilna i može se lako pomerati na nove lokacije kada fabrike promene lokaciju. Ako se fabrika zatvori radio oprema se može iskoristiti na drugim lokacijama sa malo ili nimalo modifikacija.

Korisnik može posedovati radio komunikacione linkove, što im omogućuje da prenose bilo kakvu informaciju u bilo kom obliku koji se zahteva (pretpostavljajući da su sva fizička i zakonska ograničenja razmotrena).

Dostupne su razumno visoke brzine podataka. Radio jedinica se može koristiti kao backup kablovima gde se zahtevaju visoko integrisana

komunikaciona kola. Radio oprema se može podvesti pod dve opšte klasifikacije:

Oprema koja radi ispod 1 GHz i Oprema koja radi iznad 1 GHz.

5.1 Osnovi radio prenosa Jedan neoklopljeni provodnik kroz koji teče naizmenična struja (ac) i koji ima neku unutrašnju otpornost će zračiti energiju u obliku elektromagnetnih talasa. Frekvencija izračenih talasa je jednaka brzini oscilovanja naizmenične struje. Na primer, naizmenična struja koja ima elektrone koji se kreću napred nazad duž provodnika brzinom od 100 oscilacija po sekundi će zračiti elektromagnetne talase na frekvenciji od 100 Hz.

Slika 5.1 Stvaranje elektromagnentog talasa

Herc je termin koji se koristi za opisivanje oscilacija elektrona, u oscilacijama po sekundi, ili broja kompletnih ciklusa elektromagnetnog talasa, u ciklusima po sekundi. Jedna oscilacija je jedna talasna dužina. Efektivnost elementa kao antene elektromagnentih talasa zavisi od stepena njegove rezonancije na frekvenciji oscilovanja. Elektromagnenti talasi se sastoje od veoma malih čestica nazvanih fotoni (mnogo manjim od elektrona) koje sinusoidalno putuju kroz prostor.

105

Slika 5.2 Jedna oscilacija

Elektromagnenti talasi mogu biti predstavljeni električnim i magnetnim poljem. Električno polje stvaraju elektroni koji se kreću u provodniku. Električno polje proizvodi ekvivalentno magnento polje normalno u odnosu na električno polje. Slika 5.3 ilustruje komponente elektromagnetnog talasa.

Slika 5.3 Konstrukcija elektromagnentog talasa

Kada elektromagnentni talasi putuju kroz prostor i prolaze kroz provodni element, ako je eletrično polje paralelno provodniku, talas će uzrokovati da se elektroni u provodniku kreću gore dole u saglasnosti sa dolazećim sinusnim talasom. Ovaj provodnik će biti prijemna antena, koja daje signal koji će prijemnik obrađivati. Mediumi vazduh i vakum se često navode kao slobodan prostor. Elektromagnenti talasi putuju brzinom svetlosti (3x108 m/s) kroz vakuum. Veća gustina mediuma kroz koji talasi putuju, više usporava talas. Brzina elektromagnetnih talasa u vazduhu je skoro ista kao kroz vakum. Za određivanje talasne dužine pri određenoj frekvenciji koristi se sledeća formula:

fC gde je: C = brzina elektromagnetnih talasa u m/s = talasna dužina signala u metrima f = frekvencija signala u Hz. Na primer, ako imamo radio sistem koji radi na 900 MHz onda je talasna dužina ovog signala 33 cm. Elektromagnetni talasi koji imaju kratku talasnu dužinu (visoku frekvenciju) teže da putuju po pravoj liniji i brzo se absorbuju ili reflektuju od strane čvrstih tela. Elektromagnetni talasi velike talasne dužine (niska frekvencija) su više osetljivi na atmosferske uslove i putuju po zakrivljenijoj putanji (koja prati zakrivljenost zemlje). Takođe su sposobniji da prodiru kroz čvrsta tela. Elektromagnetni talasi u području radio i mikrotalasnih frekvencija (10 kHz do 60 GHz) poznati su kao RF signali (signali radio frekvencije). 5.2 Komponente radio veze Radio veza (link) sadrži sledeće komponente:

antene, predajnike, prijemnike,

106

nosače antene, kablove, opremu za povezivanje.

Slika 5.4 pokazuje kako su ovi elementi povezani prilikom formiranja radio linka [6].

Slika 5.4 Osnovni elementi radio veze

Antena Ovo je uređaj koji se koristi za emitovanje ili detektovanje elektromagnetnih talasa. Postoji mnogo različitih dostupnih dizajna antene. Svaki emituje signal (elektromagnetni talas) na različiti način. Tip upotrebljene antene zavisi od aplikacije i zahtevane pokrivenosti. Predajnik Ovo je uređaj koji konvertuje signal glasa ili podataka u modifikovani (modulisani) signal više frekvencije i hrani njime antenu, gde se on emituje u slobodni prostor kao elektromagnetni talas na radio frekvencijama. Prijemnik Ovo je uređaj koji konvertuje signale radio frekvencije (dobijenih iz antene koja detektuje elektromagnetne talase iz slobodnog prostora) nazad u signale glasa ili podataka. Antenski nosači Antenski nosači se koriste za montiranje antena u cilju obezbeđenja visinske prednosti koja generalno povećava daljinu prenosa i pokrivenost. Konstrukcija može varirati od tri-metarskih drvenih stubova do čeličnih struktura od 1000 metara. Struktura koja ima užad kao potporu često se zove antenski stub (jarbol), dok ona koja samostalno slobodno stoji se zove toranj.

Slika 5.5 Ilustracije jarbola i tornja

Kabliranje Postoje tri glavna tipa kabliranja koji se koriste pri povezivanju radio sistema:

koaksijalni kabl za povezivanje svih radio frekvencija, upredena parica za glas, podatke i nadgledanje, energetski kablovi.

107

Interfejs oprema Omogućava povezivanje signala glasa i podataka za predajnike i prijemnike, iz spoljašnjih izvora. Takođe kontroliše protok informacija, tajming rada sistema, kontrolu i monitoring predajnika i prijemnika. 5.3 Radio spektar i raspodela frekvencije Postoje veoma striktne regulative koje upravljaju korišćenjem spektra radio frekvencija. Specifični delovi radio spektra su dodeljeni javnoj upotrebi. Tabela 5.1 ilustruje tipične delove radio spektra za javno korišćenje širom sveta. Svaki deo (sekcija) se popularno naziva band. Tabela 5.1 Radio spektar za javnu upotrebu

Mid band (UHF)

960 MHz

800 MHz

Ultra visoke frekvencije

(UHF) Low band (UHF)

520 MHz

335 MHz

High band (VHF)

225 MHz

101 MHz

Mid band (UHF)

100 MHz

60 MHz

Veoma visoke

frekvencije (VHF)

Low band (UHF)

59 MHz

31 MHz

Visoke frekvencije

(HF)

30 MHz

2 MHz

Određeni delovi ovih bandova su specifično dodeljeni telemetrijskim sistemima. Neki opsezi za industrijsku radio-komunikaciju, koje dodeljuje relevantna vladina agencija u svakoj zemlji, su specificirani u tabeli 5.2. Tabela 5.2 Neki frekvencijski opsezi u industrijskim radio-komunikacijama

Opseg frekvencije Kanalni prostor Visina antene Tip stanice 77.5 do 79 MHz 12.5 kHz zavisno od položaja mobilni

159.4 do 160 MHz 12.5 kHz zavisno od položaja mobilni 299 do 309 MHz 12.5 ili 25 kHz 25m mobilni ili fiksni 335 do 345 MHz 12.5 ili 25 kHz 25m mobilni ili fiksni 452 do 457 MHz 12.5 ili 25 kHz 25m mobilni ili fiksni 890 do 919 MHz 12.5 ili 25 kHz 25m mobilni

108

5.4 Radio modemi Radio modemi su pogodni za zamenu žičanih veza do udaljenih mesta ili kao podrška žičanim ili kolima optičkih vlakana, a dizajnirani su tako da omogućuju da kompjuter i PLC-ovi, na primer, mogu transparentno komunicirati preko radio veze bez potrebe za bilo kakvim specifičnim modifikacijama.

Moderni radio modemi rade u opsegu od 400 do 900 MHz. Prostiranje u ovom opsegu zahteva slobodnu vidljivu putanju između predajne i prijemne antene za pouzdanu komunikaciju. Radio modemi mogu da rade u mreži, ali zahtevaju softverski sistem (protokole) za upravljanje mrežom da bi se rukovodilo pristupom mreži i detekcijom greške. Često, glavna stanica sa mogućnošću preusmeravanja komunicira sa više radio stanica u oblasti. Protokol za ove aplikacije može da koristi jednostavnu tehniku prozivanja.

Sofisticiranije peer to peer aplikacije mrežne kominikacije, zahtevaju protokol baziran na nosačima osetljivim na višestruki pristup sa detekcijom kolizije (CSMA/CD). Varijacija na standarni pristup je korišćenje radio modema kao mrežnog tajmera (watchdog) koji periodično proziva sve radio modeme u mreži i proverava njihov integritet. Radio modem se takođe može koristiti kao relejna stanica za komunikaciju sa drugim sistemima, koji su van dometa glavne stanice.

Slika 5.6 Konfiguracija radio modema

Interfejs ka radio modemu je najčešće EIA-232, ali i EIA-422, EIA-485, kao i optička vlakna takođe dolaze u obzir. Tipične brzine rada su do 9600 bps. Bafer je obavezan u modemu i tipično ima minimalno 32 kilobajta. Hardverske i softverske tehnike kontrole protoka su normalno obezbeđene u okviru firmvera radio modema, koje obezbeđuju da nema gubitka podataka između radio modema i povezanih terminala. Tipična modulaciona tehnika je dvo - nivovska direktna FM (od 1200 do 4800 bps) ili tri - nivovska direktna FM (9600 bps). Karakteristična šema radio modema je data na slici 5.7. Sledeći termini se koriste u vezi sa radio modemima: PTT Signal push to talk RSSI Indikator snage primljenog signala - pokazuje snagu primljenog signala preko proporcijalno promenljivog DC napona. Samogašenje šuma Pokušaji minimizacije prijema bilo kakvog signala šuma na izlazu diskriminatora. RSSI samogašenje Otvara prijemnu audio liniju kada je snaga signala RF nosača dovoljno visokog nivoa.

109

Nadzornik kanala Indicira ako je samogašenje otvoreno. Soft kašnjenje nosača Omogućava da RF prenos bude blago produžen nakon stvarnog kraja poruke što izbegava završetak burst-ova koji se prenose i koji se javljaju kada se nosač zaustavi i samogašenje skoro istovremeno diskonektuje radnu liniju. RTS, CTS, DCD, Takt, Sve se odnosi na EIA-232. Emitovani podaci, Primljeni podaci.

Slika 5.7 Tipična blok šema radio modema

Radio modem ima osnovni sistem sinhronizacije za komunikaciju između terminala i radio modema, kao što je prikazano na slici 5.8.

Slika 5.8 Dijagram sinhronizacije radio modema

110

Prenos podataka počinje kada RTS linija postane aktivna na strani udaljenog terminala. Radio modem zatim podiže nivo CTS linije kako bi pokazao da se prenos može obaviti. Na kraju prenosa, PTT linija se održava aktivnom kako bi se osiguralo da prijemna strana detektuje preostale korisne podatke pre nego što se RF nosač ukloni. U literaturi se može sresti blok dijagram radio modema prikazan na slici 5.9.

+ 6.789V

RS-232C Modem

SinhronoAsinhrono

Ulazi RS-232C

TxD

RxD

RTS

CTS

DTR

DSR

Kontrola

FMm odulator

FMdemodulator

Predajnik

Prijem nik

Radiom odem

Antena

Slika 5.9 Blok dijagram radio modema i tok podataka

5.5 Modovi rada radio modema Radio modemi mogu da se koriste u dva moda rada: od jedne do druge tačke (point - to - point), od jedne do više tačaka (point - to - multi point).

Sistem od jedne do druge tačke (point - to - point) može da radi u kontinuiranom RF modu, koji ima minimalno kašnjenje pri prenosu podataka, kao i u nekontinuiranom modu kada imamo priličnu uštedu energije. Kašnjenje RTS do CTS za kontinualne i prekidne nosače je reda 10 ms i 20ms respektivno.

Slika 5.10 Regeneracija signala pomoću radio modema

Sistem od jedne do više tačaka (point - to - multi point) generalno radi sa samo glavnim i još jednim radio modemom u jednom trenutku. Kada u višetačkastom sistemu link podataka uključuje i repetitor, mora se izvršiti regeneracija podataka da bi se eliminisala distorzija i džiter signala. Regeneracija nije neophodna kod glasovnih sistema gde se neke greške mogu tolerisati.

111

Regeneracija se izvodi prolaskom radio signala kroz modem koji konvertuje RF analogni signal nazad u digitalni signal i onda ovaj izlazni binarni niz podataka primenjuje na drugi predajni modem, koji dalje prosleđuje RF analogni signal do sledeće lokacije. 5.6 Karakteristike radio modema Tipične karakteristike koje se moraju konfigurisati u radio modemu su: Primopredajna frekvencija radio kanala U konfiguraciji od jedne do druge tačke (point - to - point) koja radi na dvostrukoj frekvenciji / dodeli podeljenog kanala, dva radia će funkcionisati na dva suprotna podešavanja kanala. Format i brzina podataka hosta Brzina podataka / veličina karaktera / tip parnosti i broj zaustavnih bitova za EIA-232 komunikacije. Brzina podataka radio kanala Brzina podataka kroz radio kanal je definisana mogućnostima radia i širine opsega. Zapazimo da su ove specifikacije obično podešene u toku proizvodnje. Minimalni nivo radio frekvencijskog signala Ne bi trebao da bude podešen suviše nisko na prijemniku inače će se takođe očitavati šumovi zajedno sa podacima. Nadgledanje brzine kanala podataka Koristi se za kontrolu protoka i zbog toga ne bi trebalo da bude podešena suviše nisko inače će se bafer u prijemniku prepuniti. Tipično je standard jedan bit kontrole protoka na 32 bita serijskih podataka. Početno kašnjenje predajnika Vreme koje je potrebno predajniku da se stabilizuje i napuni energijom pre nego što pošalje korisne podatke preko radio veze. Vreme kašnjenja predajnika bi se trebalo održavati što je niže moguće da bi se minimizirali troškovi komunikacije. Među mnogim aktivnim proizvođačima radio modema na tržištu elektronike, najpoznatiji su SATEL, Advantech, Motorola i Microwave Data Systems. Da bi se stekao dojam o parametrima radiomodema, u tabeli 5.3 su specifirani tehnički podaci za četiri njihova modela; respektivni proizvođači su SATEL (Finska), Motorola (SAD), Advantech (SAD), Radmor (Poljska) i Radiometrix (Velika Britanija). Poslednji u tabeli BIM-433-F, u formi čipa, je radio modem male snage dizajniran za radio komunikaciju unutar raspona od 30m u zatvorenom prostoru i 120m u otvorenom prostoru. Tabela 5.3 Neki modeli radio modema i njihovi parametri

Tip Opseg frekvencije

Razmak između kanala

Snaga prenosa Mod rada Brzina prenosa

podataka

SRM6000 902 do 928 MHz

230 kHz, 112 kanala

0.1W do 1W

dupleks 1.2 do 115.2 kbps

Radmor 7004

450 do 470 MHz

12.5 ili 25 kHz

0.1W do 5W

simpleks, polu-dupleks, dupleks

1.2 do 14.4 kbps

Satelline 3AS

417.5 do 460 MHz

12.5 ili 25 kHz

0.01W do 1W

polu-dupleks 9.6 ili 19.2 kbps

Radiometrix BiM-433-F

433.92 MHz nema ispod 0.07W

polu-dupleks do 40 kbps

112

Trenutno dostupni radiomodemi i radiofoni sa prenosom digitalnih podataka koriste frekvencije radio kanala od 40 MHz (npr., Radmor 3005M radiofon, koji ima brzinu transfera podataka od 2.4 kbps) do 2.45 GHz (npr., Advantech-ov ADAM-4550, minijaturni radiomodem koji radi u rasponu od 200m i omogućava brzine podataka do 115 kbps). Kola digitalnih ulaza i izlaza podataka u radio modemima koriste standard RS-232C, a u nekim tipovima radio modema standarde RS-485 i RS-422A. Radio modem SRM 6000 firme National Instruments, koji je kreiran za korišćenje u distribuiranim mernim sistemima, radi u frekventnom opsegu od 902 do 928 MHz sa snagom prenosa 0.1W do 1W (daljina prenosa do 32 km), isporučuje brzine podataka do 115.2 kbps. 5.7 Radiomodemi i merni sistemi Telemetrijski sistemi bazirani na radio modemima [5] sa prenosom podataka preko radio kanala, sadrže centar sistema, u kome se podaci sakupljaju i obrađuju, i nekoliko mernih stanica koje komuniciraju sa centrom sistema posredstvom radio modema. Struktura ovakvog tipa telemetrijskog sistema je prikazana na slici 5.11.

Kao što je prikazano na blok dijagramu na slici 5.11, radio modem je ugrađen u svakoj mernoj stanici i snabdeven je usmerenom antenom koja omogućuje smanjenje snage emitovanja, osetljivost predajnika na interferenciju, kao i emitovanje signala u neželjenom pravcu. Signali emitovani unutar telemetrijskog sistema su smetnja za eksterne prijemnike. Usmereno emitovanje signala takođe smanjuje rizik neovlašćenog korišćenja podataka. Prenos podataka preko netelefonskih radio kanala pruža suštinski veću sigurnost od prenosa preko javne telefonske mreže.

Radiom od em iAntena

+ 3.210 V

Usmerena antena

Merna stanica 1 Merna stanica 2

Radiom od em

35.47 Hz

Centralni sistem Slika 5.11 Telemetrijski sistemi sa radio modemima i prenosom podataka preko radio kanala

Međutim, korišćenje radio modema može uključiti probleme kao što su nestabilni kvalitet konekcije ili prekidi. Kako je dijagnostika sistema možda neophodna, preporučljivo je koristiti jedan od brojnih tipova radio modema sa radiofonskom funkcijom. Radiofon omogućava jednostavnu, akustičnu proveru radio kanala. Drugi razlog slabljenja signala može biti promena, osetljiva za povezane radio stanice, u uslovima prostiranja radio talasa. U ovom slučaju, kvalitet prijema bi se mogao poboljšati ili povećanjem snage emitovanja ili visine antene. Međutim, oba ova parametra su ograničena licencom i veličinom takse licence. Problemi slabog kvaliteta konekcije i ograničene oblasti sistema se mogu rešiti korišćenjem nekih mernih stanica kao repetitora, kao što je prikazano na slici 5.12. U sistemu sa slike 5.12, merna stanica 2 se koristi za retransmisiju signala. Prenosi podatke od stanice 4 ka centru sistema. U suprotnom smeru prenosa, komande adresirane ili za stanicu 2 ili za stanicu 4 su primljene od strane stanice 2 preko centra sistema. Osim adrese stanice 2, dodatna informacija se mora staviti u svakoj emitovanoj poruci, koja specificira da li komanda u poruci treba da bude izvršena u stanici 2 ili prosleđena do stanice 4. Ova odluka bi trebalo da bude odobrena komunikacionim protokolom koji se koristi. Iz tog razloga, merni ili telemetrijski sistemi sa repetitorima sadrže drukčiji komunikacijski protokol od sistema bez retransmisije signala. Mnogi modeli radio modema se mogu koristiti za retransmisiju signala, kao što su Satelovi 2ASxE, 3AS EPIC i 3AS(d) radio modemi.

113

Nasuprot prenosu podataka preko GSM javne mobilne telefonske mreže, parametri prenosa baziranog na radio modemima, kao što su frekvencija kanalnog nosioca, tip modulacije, tip prenosa, protokol prenosa ili kodiranje podataka nisu dostupni spoljašnjim korisnicima. Osim toga, u prenosu podataka baziranom na radio modemima nema kašnjenja od merne stanice do centra sistema, a pogotovo pri prenosu komandi od centra sistema do merne/kontrolne stanice. Neizbežno u prenosima podataka preko javne telefonske mreže, kašnjenje zbog procesa komutacije pri prenosu podataka je posledica samog tog procesa, što nemamo u sistemima sa radio modemima.

Antena

Centralni sistem

Merna sta nic a 1

Merna stanica 4

Merna sta nic a 3

3.21 A

777 V

357 Hz 1.23 V

Merna sta nic a 2 i repetitor

Slika 5.12 Telemetrijski sistem baziran na radio modemima sa dva tipa mernih stanica: „obične“ (merne

stanice 1, 3 i 4) ili sa dodatnom funkcijom retransimisije podataka (repetitor i merna stanica 2)

114

6. TELEMETRIJSKI SISTEMI SA GSM BAZIRANIM PRENOSOM PODATAKA 6.1 GSM mreža mobilne telefonije [5]

Prenos govora u prvim sistemima mobilne telefonije, označenim kao sistemi prve generacije (1G), je bio (i još uvek je) analogni. Ovi sistemi rade na 450- ili 900-MHz frekventnim opsezima. Primeri 1G sistema mobilne telefonije su: Napredni Sistem Mobilne Telefonije (AMPS), koji još uvek funkcioniše u SAD-u; i Nordijska Mobilna Telefonija (NMT), koja se koristi u Skandinaviji i drugim zemljama.

U sadašnjosti, najznačajniji sistem mobilne telefonije je Globalni Sistem Mobilnih Komunikacija (GSM), jedan u potpunosti digitalan sistem druge generacije (2G), koji radi na 900- ili 1800-MHz opsezima. Bez obzira na reč „globalni“ u njegovom imenu, GSM sistem se koristi samo u Evropi. Njegovi pandani drugde su Digitalni AMPS u SAD-u i Japanski Digitalni Celurarni (JDC) sistem u Japanu i Aziji, se neznatno razlikuju od GSM-a, ali su bazirani na istoj tehnologiji. Digitalna mreža mobilne telefonije u Severnoj Americi se takođe zove TDMA (standard IS-136), zbog tehnike višestrukog pristupa sa vremenskom raspodelom (TDMA) koja se koristi u ovoj mreži. Sistem mobilne telefonije u SAD-u koristi češće opseg 1.900-MHz nego opseg 1800-MHz. U GSM sistemima, digitalni prenos podataka (uključujući prenos mernih podataka) je samo jedna od nekoliko funkcija mobilne telefonije, prenos govora je glavna funkcija.

Korak napred u evoluciji mobilnih telekomunikacija je bio implementacija Generalnog Sistema Prenosa Paketa (GPRS) u GSM. Bitno unapređenje osnovnih GSM mreža je bilo neophodno radi pokretanja nove usluge prenosa podataka; takođe su se morali projektovati novi modeli mobilnih telefona koji podržavaju GPRS. GSM mreže sa GPRS-om su označene kao 2.5G sistemi mobilnih komunikacija.

Implementacija sistema treće generacije (3G) označenog kao Univerzalni Sistem Mobilnih Telekomunikacija (UMTS), koji radi na 1950-MHZ i 2150-MHz opsezima, predstavlja važan napredak u bežičnom prenosu podataka. Ovo je usled pretpostavljenih visokih vrednosti brzina prenosa podataka (do 2Mbps), globalnog pristupa (izvan područja koje pokriva mreža mobilne telefonije, sistem bi bio dostupan preko satelita) i mogućnosti zajedničkog rada sa mrežom fiksne telefonije (Public Switched Telephone Network - PSTN), uključujući širokopojasne servise digitalne mreže (BroadBand-Integrated Services Digital Network (B-ISDN)).

Mada se GSM može koristiti za prenos podataka, maksimalna brzina prenosa podataka, ograničena parametrima radio interfejsa, obično ne prelazi 9.6 kbps prilikom korišćenja jednog kanala. GSM stuktura i prenos podataka u sistemu su prikazani na slici 6.1. Sistem sadrži mobilne stanice (mobilni telefoni), bazne stanice sa kontrolerima, komutacioni sistem, operativni i sistem podrške, i interfejs sa drugim telekomunikacionim sistemima.

Slika 6.1 Struktura GSM sistema

115

Mobilne stanice (MS), poznatije kao mobilni telefoni, su u radio vezi sa baznim stanicama. Primarna funkcija mobilne stanice je ista kao i kod klasičnog telefona sa slušalicom, digitalni tasteri, predajnik male snage i visoko osetljivi prijemnik. Međutim, dobijajući sve više i više funkcija, mobilni telefon je sada sposoban da obradi podatke, i ukucane (u planeru ili funkcije kalkulatora) i emitovane preko telefonske mreže.

Mobilna stanica sadrži dve osnovne komponente: mobilni terminal (MT) i modul za identifikaciju pretplatnika (SIM). Svaki mobilni terminal ima jedinstveni broj, označen kao internacionalna identifikacija mobilne opreme (IMEI), koji omogućava identifikaciju mobilnog telefona u globalnoj mreži. SIM je zamenjiva inteligentna kartica.

Sistem bazne stanice (BSS) sadrži nekoliko baznih stanica, montiranih na stubovima ili kulama, i kontroler bazne stanice. Bazne stanice rade na 900, 1800 ili 1900 MHz frekventnim opsezima. Svaka bazna stanica je opremljena sa jednom antenom, prijemnikom radio talasa, predajnikom radio talasa i jedinicama za obradu radio signala. Svaki kontroler bazne stanice je povezan za nekoliko baznih stanica (obično pomoću električnog kabla ili optičkog vlakna, mada se takođe može koristiti radio link). Kontroler komutira kanale za svaku stanicu, kontroliše snagu mobilne stanice, i emituje signale u oba smera između baznih stanica i centra mobilnog sistema.

Komutacioni sistem je sastavljen od mobilnog komutacionog centra (MSC) i baze podataka, kao i od neophodnog hardvera i softvera za komunikaciju sa mrežama fiksne telefonije (PSTN, ISDN i mreža prenosa podataka) i sa drugim sistemima mobilne telefonije.

Prenos u GSM sistemu se obavlja u dupleks modu, koji uključuje neophodnost korišćenja duplog (dupleks) kanala prenosa. U GSM 900 (GSM sistem koji koristi 900-MHz frekventni opseg), odvojeni frekventni opsezi su dodeljeni za kanale prenosa mobilna stanica - bazna stanica i bazna stanica - mobilna stanica, označenih kao uzlazni i silazni kanali, respektivno; opseg uzlaznog kanala se prostire od 890 do 915MHz, a opseg silaznog kanala od 935 do 960MHz. Broj uzlaznih kanala je 124, isto kao i broj silaznih kanala; širina opsega svakog kanala je 200kHz. Zaštitni opsezi od 100-kHz su rezervisani na granicama opsega uzlaznog i silaznog kanala. Osim frekvencijskih, moraju se dodeliti i vremenski slotovi da bi se kreirao kanal prenosa. Koristi se TDMA tehnika, koja omogućuje multipleksiranje kanala prenosa. Vremenski interval, ili TDMA frejm, trajanja 4.615ms, je podeljen u 8 vremenskih slotova, 557µs svaki. Sa 124 frekvencijska kanala i osam vremenska slota, 992 dupleks kanala prenosa se može istovremeno kreirati od strane jedne bazne stanice, bez uzimanja u obzir mogućnosti multipleksiranja kanala sa upola brzim kodiranjem glasa. Stoga, prenos podataka u GSM 900 je impulsni, sa modulacijom trajanja impulsa (PDM) od jedne osmine i korišćenjem jednog od 124 dupleks frekvencijska kanala. U paru kanala, frekvencija silaznog kanala je 45MHz iznad frekvencije uzlaznog kanala. Gausovski minimizirana digitalna modulacija (Gaussian Minimum Shift Keying – GMSK), frekventna modulacija radio signala u binarni signal, se koristi za modulaciju signala nosioca. U GSM 1800 (GSM sistem koji radi u 1800MHz opsegu), postoje 374 dupleks kanala i 8 vremenskih slotova, što omogućava kreiranje 2992 istovremenih kanala prenosa od strane jedne bazne stanice. Parametri za sisteme GSM 900, GSM 1800 i GSM 1900 su predstavljeni u tabeli 6.1. Tabela 6.1 Opsezi prenosnih frekvencija i kanala u GSM-mreži

Frekvencijski opseg

Silazni kanal

Uzlazni kanal

Broj frekvencijskih kanala

Broj kanala u saobraćaju

Maksimalna brzina mobilne stanice

900 MHz 890 do 915 MHz

935 do 960 MHz 124 992 250 km/h

1,800 MHz 1,710 do 1,785 MHz

1,805 do 1,880 MHz 374 2,992 130 km/h

1,900 MHz 1,850 do 1,910 MHz

1,930 do 1,990 MHz 299 2,396 120 km/h

116

6.2 GSM-bazirani prenos podataka

GSM sistem se može takođe koristiti za digitalni prenos podataka. Ovaj u potpunosti digitalan sistem druge generacije mobilne telefonije je dizajniran i za prenos audio signala (govora) i za digitalni prenos podataka.

6.2.1 Mobilne stanice

Da bi digitalni prenos podataka bio moguć u GSM sistemu, sve komponente sistema, uključujući mobilne stanice (telefone), moraju biti sposobne za prenos digitalnih podataka. Slika 6.2 prikazuje blok dijagram tipičnog mobilnog telefona.

Slika 6.2 Funkcionalni dijagram mobilne stanice (mobilnog telefona)

Elektronsko kolo telefona sadrži liniju prenosa sa obradom govora od mikrofona do antene, i prijemnu liniju od antene do zvučnika. Pored funkcionalnih jedinica u okviru ovih linija, elektronsko kolo telefona mora da sadrži kontrolni sistem, memoriju, displej, tastaturu i interfejs sistem za komunikaciju sa spoljašnjim digitalnim uređajima, uključujući računare. Blok dijagram prikazan na slici 6.2 ne sadrži pomoćna kola, koja mobilnom telefonu obezbeđuju ekstra funkcionalnosti, kao što su digitalna kamera, GPS prijemnik, radio prijemnik, MP3 plejer, merač nivoa buke, termometar, svetlosna lampa (Nokia 5210) ili druge funkcionalnosti. Funkcionalnost svetlosne lampe u mobilnom telefonu je posebno zanimljiva, jer predstavlja kombinaciju dva uređaja veoma različite prirode: veoma jednostavan i veliki energetski potrošač (svetlosna lampa) i uređaj visoke tehnologije male potrošnje energije (mobilni telefon).

Mobilni telefon glasovni signal (ili audio signal, uopšteno) konvertuje u električni signal koji posle obrade emituje ka baznoj stanici. Analogni električni signal se odmerava frekvencijom od 8kHz i konvertuje u digitalni oblik u 13-to bitnom AD konvertoru. AD konvertori tipično ugrađeni u mobilnom telefonu su konvertori sa sukcesivnim aproksimacijama (SAR) ili polu-fleš tipovi konvertora. Serijski niz bitova napušta konvertor brzinom od 104kbps (13bit x 8,000 1/s) i dolazi do kodera govora, gde se vrši kodovanje sa visokom kompresijom i kodovanje kanala (sa dodavanjem redundantnih bitova radi obezbeđenja sigurnog prenosa). Protok podataka na izlazu kodera je 22.8 kbps. U sledećoj jedinici za obradu, podaci se smeštaju u pakete i pripremaju za TDMA prenos (tj., prenos unutar jednog vremenskog slota). Noseća frekvencija je modulisana signalom digitalnih podataka u GMSK modulatoru. Pojačani digitalni signal sa protokom podataka od 270.833 kbps je usmeren ka antenskom filtru, a zatim emitovan od strane antene. Trajanje jednog bita je 3.692 µs, što odgovara približno 3300 perioda signala pri nosećoj frekvenciji signala od 900MHz.

Na prijemnoj strani, dolazeći radio signal se pojačava u pojačavaču, zatim demoduliše i izdvaja iz TDMA paketa. Izdvojeni signal govora je dekodiran, a digitalni podaci prolaze ka interfejs sistemu. Dekodirani digitalni signal govora (ili audio signal, uopšteno) se konvertuje pomoću DA konvertora u analogni signal i reprodukuje zvučnikom.

117

Klasifikovani shodno njihovim sposobnostima prenosa digitalnih podataka, mobilni telefoni se mogu podeliti u tri grupe (vidi sliku 6.3): MT0, MT1 i MT2. Svaki GSM mobilni telefon emituje glasovni signal konvertovan u digitalni signal.

Slika 6.3 Različite grupe mobilnih telefona, klasifikovanih shodno sposobnosti prenosa digitalnih podataka

MT0 (Mobilni Terminal 0) je mobilni telefon bez interfejsa sa spoljašnjim podacima. U najjednostavnijoj formi, MT0 telefon emituje samo glas i otkucane kratke SMS poruke. On ne može preneti bilo koji podatak koji dolazi sa drugog digitalnog uređaja. Međutim, MT0 telefoni mogu biti tehnološki veoma napredni. Primer takvog MT0 telefona je mobilni telefon integrisan sa palmtopom. Pošto je sam izvor digitalnih podataka,on ne zahteva interfejs sa spoljašnjim uređajima.

MT1 telefoni mogu emitovati digitalni podatak. MT1 komunicira sa Integrisanim Servisom Digitalne Mreže (ISDN) preko S interfejsa, ali zahteva odvojeni uređaj, označen kao adapter terminala (TA), za komunikaciju sa računarom. Uloga TA je da adaptira bidirekcioni RS-232C standardni signal računara sa standardom ISDN-a, ili mobilnog telefona. Adaptacione funkcije terminala (TAF) su podeljene između mobilnog telefona i TA. TA može biti PCMCIA kartica, koja se ponaša kao GSM modem. Jedan primer takve PCMCIA kartice je Celurarna Kartica za Nokia 2110 MT1 telefon.

MT2 telefoni mogu prenositi digitalni podatak sa računara preko RS-232C interfejs kabla, preko IrDA linka (na primer, Nokia 6210 ili Ericsson T39m modeli) ili preko bluetooth radio linka. Sve TAF funkcije se izvršavaju pomoću elektronskih kola MT2 telefona.

Međutim, gornja klasifikacija ne obuhvata dva tipa uređaja, veoma korisnih pri prenosu digitalnih informacija sa računara na GSM sistem. Jedan je laptop PCMCIA kartica, koja samostalno funkcioniše kao mobilni telefon. Primer takve PCMCIA kartice je Nokia Card Phone 2.0 sa ugrađenom antenom. Kada je ugrađena u laptop i povezana na slušalice, ova kartica funkcioniše kao mobilni telefon sa dva opsega, sposobnog da radi u GSM 900 ili GSM 1800 opsezima, kao što je prikazano na slici 6.4. Novi proizvodi, kao što su PMCIA Sony-Ericsson Card Phone GC 19E ili Nokia Card Phone D211, mogu se koristiti i za HSCSD i za GPRS prenos. Oni imaju dodatni radio interfejs IEEE 802.11b i mogu raditi u mnogim PC operativnim sistemima, kao što su Windows 98, Windows ME i Windows XP. Nokia Card Phone 2.0 ima obično dimenzije PC kartice tipa II 124x54x10mm i malu težinu (58g). Omogućava slanje SMS poruka i digitalnih podataka sa asimetričnom maksimalnom brzinom: 43.2 kbps za prijem i 28.8 kbps za predaju.

Slika 6.4 Mobilni telefoni u formi laptop PCMCIA kartice

118

Drugi tip koji nije pokriven gornjom klasifikacijom uključuje uređaje kao što su GENERIC GPRS laptop sa modulom mobilnog telefona ili Motorola palmtop (Accompli 09 palmtop). Njihov razvoj je korak napred u integraciji uređaja GSM-baziranog prenosa podataka.

GSM sistem nudi raznovrsnost prenosa digitalnih podataka, uključujući: Slanje kratkih poruka (SMS), što predstavlja prenos alfanumeričkih poruka do 160

karaktera; Slanje multimedijalnih poruka (MMS), što predstavlja prenos tekstualnih, grafičkih, zvučnih

i video fajlova; CSD (Circuit Switched Data) prenos, što je komutirani prenos digitalnih podataka brzinama

do 9.6 kbps preko kanala; ovaj tip prenosa se takođe označava kao Komutirani Prenos Podataka (Switched Data Transfer - SDT);

HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) prenos, gde se podaci prenose preko nekoliko dodeljenih komunikacionih kanala;

GPRS (General Packet Radio Service), paketni mod prenosa podataka; EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution), unapređeni mod prenosa podataka

projektovan za rad rame uz rame sa postojećim GSM implementacijama. Tipovi prenosa digitalnih podataka u mobilnim telekomunikacionim mrežama su

predstavljeni u tabeli 6.2. Tabela 6.2 Tipovi prenosa digitalnih podataka u mobilnim telekomunikacionim mrežama

Mod prenosa Opis Maksimalna brzina prenosa podataka

Mreža

CSD Standardni prenos digitalnih podataka 9.6 kbps GSM

CSD Prenos digitalnih podataka sa kompresijom podataka

14.4 kbps GSM

HSCSD Vema brzi prenos digitalnih podataka 57.6 kbps GSM + neznatne

modifikacije

GPRS Paketni prenos podataka 115 kbps GSM + GPRS

EDGE

Prošireni prenos podataka u modifikovanom GSM sistemu

384 kbps GSM + značajne modifikacije

UMTS UMTS-bazirani prenos podataka 1,960 kbps UMTS globalna

mreža 6.2.2 Servis kratkih poruka

SMS omogućuje prenos kratkih alfanumeričkih poruka dužine do 160 karaktera, do GSM ili e-mail korisnika. Poruke takođe mogu biti poslate, bez uticaja, u toku telefonskog razgovora. SMS je servis između dve osobe, što znači da korisnik dobija poruku direktno u mobilnoj stanici.

SMS je najjeftiniji način prenosa podataka koji veoma malo opterećuje kanal. Opcionalno, izveštaj o dostavi može biti poslat pošiljaocu radi verifikacije primljene poruke. U slučaju prekida komunikacije sa primaocem u momentu slanja, poruka se smešta u SMS centar, radi kasnije isporuke nakon uspostavljanja veze. Tipično vreme isporučivanja poruke je nekoliko sekundi od momenta slanja, osim u slučaju kada je veza u prekidu. Međutim, kašnjenja isporuke mogu biti znanto duža. Poruka može biti isporučena nakon nekoliko sati ili dana, i u nekim okolnostima može ostati neisporučena (što je bio razlog za kreiranje opcije izveštaja o dostavi). Sve SMS poruke se

119

prenose preko Centra za slanje kratkih poruka (SMS-C), koji je deo GSM komutacionog sistema. Pošto SMS-C funkcije nisu standardizovane, različiti SMS servisi mogu biti ponuđeni od strane različitih operatera. Za potrebe merenja, usluga slanja kratkih poruka može biti iskorišćena u tehnici nadgledanja objekta uz pomoć specijalizovanih instrumenata, sa mernim podacima prenešenim u formi tekstualnih poruka. Maksimalni broj karaktera u SMS poruci ustvari može biti šest puta veći od nominalnog broja, što iznosi 960 karaktera, ali poruke duže od 160 karaktera se dele od strane sistema na kraće poruke (dužine do 160 karaktera), koje se šalju i naplaćuju zasebno. Međutim, kašnjenje pri isporuci poruka sa mernih izveštajima, tipično reda desetak sekundi, može biti predugačko za neka merenja ili neke alarmne sisteme. 6.2.3 Servis multimedijalnih poruka

MMS je prenos između dve osobe, slično kao i SMS, multimedijalnih fajlova preko GSM mreže. Fajlovi se mogu prenositi između korisnika (tj., od jednog pretplatnika do drugog) ili između uređaja. MMS omogućuje prenos sledećih podataka:

Tekst (bez formatiranja ili sa instrukcijama o formatiranju); Grafika, kao što su JPEG, GIF i PNG (Portable Network Graphic) fajlovi; Zvuk (osnovni fajlovi, MP3 ili WAV); Video (MPEG fajlovi).

Veoma značajna osobina MMS-a je mogućnost prenosa podataka sa Interneta. Svaka MMS poruka, kao jedan Internet paket, sadrži zaglavlje (instrukcije koje su potrebne radi isporuke i interpretacije poruke) i sadržaj poruke. MMS standard koristi WAP (Wireless Application Protocol) protokol kao protokol prenosa. Stoga, MMS će preuzeti prednosti proširenih modova prenosa (HSCSD, GPRS, EDGE) gde se WAP takođe koristi. MMS se još uvek ne koristi u mernim sistemima. Međutim, to se može dogoditi u nadgledanju saobraćaja ili u nadgledanju nivoa tečnosti, kao i u monitoring/alarmnim sistemima u industrijskoj proizvodnji. Sve ove aplikacije će naravno obuhvatiti slanje kako slika tako i video fajlova. Nema opšte-prihvaćenih MMS standarda, uključujući standardnu veličinu prenešenih MMS fajlova. Trenutno, veličina MMS poruka varira između 10 i 100 kilo-okteta. 6.2.4 Circuit Switched Data

CSD prenos preko telefonskog radio kanala je bio moguć od prvog nastanka GSM-a. Međutim, njegova upotreba u mernim sistemima je ograničena, usled njegovih malih brzina prenosa podataka (do 9.6 kbps). Ekonomska efikasnost CSD-a je pod velikim uticajem činjenice da ovaj tip prenosa zauzima celokupni kanal, pa se prenos podataka naplaćuje kao telefonski poziv (videti sliku 6.5). Uloženi su veliki napori da se razviju tehnike koje bi omogućile veće brzine prenosa podataka, a rešenje je obezbeđeno HSCSD modom prenosa.

Slika 6.5 CSD prenos u GSM sistemu

6.2.5 High-Speed Circuit Switched Data

Povećanje brzine prenosa podataka u HSCSD modu je postignuto sa dve metode: preko kompresije podataka, koja povećava kapacitet pojedinačnog kanala prenosa od 9.6 do 14.4 kbps i preko kombinacije nekoliko (do četiri) komunikacionih kanala unutar jednog fizičkog kanala (videti sliku 6.6).

120

Broj upotrebljenih kanala je povećan dodeljivanjem većeg broja (dva do četiri) vremenskih slotova. Upotrebom četiri komunikaciona kanala, brzine prenosa podataka mogu biti do 57.6 kbps. Međutim, ovo zahteva od operatera određene modifikacije na GSM baznim stanicama i zahteva da korisnici imaju odgovarajuće mobilne telefone. Kao prvo, cena HSCSD prenosa je proporcionalna brzini prenosa podataka ili broju upotrebljenih kanala. Trenutno je cena konekcije nezavisna od broja upotrebljenih kanala, ali mrežni operatori ne garantuju konstantno povećanje brzine prenosa podataka.

Slika 6.6 HSCSD prenos u GSM sistemu

Oba prenosna moda CSD i HSCSD prenose podatke ili između dva GSM korisnika ili između GSM korisnika i korisnika fiksne telefonije (PSTN). Merni podaci se mogu takođe poslati na neku Internet adresu. Brzine protoka podataka dostupnih u HSCSD su 14.4, 19.2, 28.8, 38.4, 43.2 ili 56.0 kbps. 6.2.6 Uopšteni paketni radio servis (GPRS)

GPRS omogućava paketni prenos podataka preko Interneta bez komutacije kanala prenosa. Dok su modovi prenosa razmatrani iznad bazirani na komutaciji kanala, GPRS koristi komutaciju paketa. GPRS sesija može biti aktivirana u modu "uvek konektovan", tako da podaci mogu biti prenešeni i za vreme telefonskih poziva bez interferencije. Svaki paket, ili set prenešenih podataka, je jedna integrisana celina i može biti prenešena nezavisno od drugih paketa, sa ciljnom Internet adresom koja je specificirana u zaglavlju paketa, kao što je prikazano na slici 6.7. Kopije paketa podataka mogu biti poslate na više adresa u isto vreme.

Slika 6.7 GPRS prenos u GSM sistemu

Osim permanentnog pristupa webu, velika prednost GPRS-a je velika brzina prenosa podataka. Ovo je posledica korišćenja do osam vremenskih slotova dodeljenih pri konfiguraciji kanala prenosa. Kapacitet pojedinačnog vremenskog slota, 14.4 kbps, pomnožen brojem dodeljenih vremenskih slotova, daje maksimalnu GPRS brzinu prenosa podataka, 8 14.4 = 115.2 kbps. Teoretski, čak i veće brzine prenosa podataka, do 170 kbps, su moguće korišćenjem različitih metoda kodiranja podataka. Implementacija GPRS-a od operatera zahteva nešto veće modifikacije baznih stanica nego što je to bio slučaj kod HSCSD moda. Međutim, ove modifikacije su dovoljne da kvalifikuju i GPRS i HSCSD modove prenosa kao dodate servise GSM sistemu (tj., hardver i softver se mora dodati bazičnoj GSM mreži). GPRS se smatra prvom prelaznom tehnologijom prenosa digitalnih podataka između GSM-a i UMTS-a. Druga prelazna tehnologija ovog tipa je EDGE. Maksimalna brzina prenosa podataka u GPRS modu zavisi od kvaliteta GSM mreže, kao i od parametara mobilnog telefona, koji treba da podržava GPRS standarde. Iz ekonomski opravdanih razloga GPRS mod se preporučuje za sledeće svrhe:

Neperiodični prenos podataka; Frekventni transferi malih količina, ispod 500 okteta podataka svaki, koji se vrše nekoliko

puta u minuti; Prenos podataka veće količine koji se vrše frekvencijom od nekoliko puta po satu ili manje.

121

Mnogo modela mobilnih telefona, koji su dostupni na tržištu, podržava GPRS prenos podataka.

Maksimalne brzine prenosa podataka specificirane za neke aplikacije mogu se razlikovati od onih koje garantuje operater mreže. Kao jedan Internet baziran mod prenosa, GPRS obuhvata korišćenje Internet protokola (IP), čije procedure smanjuju maksimalnu brzinu prenosa kompresovanih podataka jednim kanalom sa 14.4 na 13.4 kbps. Na osnovu standardizovanih GPRS protokola GSM mrežni operater može obezbediti brojne dodatne usluge, kao što su čitanje podataka sa Interneta, daljinsko očitavanje, identifikaciju kreditne kartice i mnoge druge. Ove usluge zahtevaju, međutim, dodatnu opremu u mobilnim stanicama.

Motorola Timeport 260 i Ericsson R520 su bili prvi modeli mobilnih telefona koji su imali GPRS funkcionalnost. Motorola Timeport 260 omogućava GPRS prenos sa asimetričnim brzinama prenosa podataka od 13.4 kbps (jedan kanal) za emitovanje i 40.2 kbps (tri kanala) za prijem. Lansiran kao najsofisticiraniji model mobilnog telefona, Ericsson R520 (sa GPRS i HSCSD funkcionalnošću, sa IrDA i bluetooth bežičnim interfejsima) se pokazao kao neispravan, pa je povučen iz prodaje posle nekoliko meseci 2001 godine. Paketni prenos podataka se može upotrebiti u distribuiranim mernim sistemima, sa ograničenjem da se podatak šalje primaocu (na primer, centru sistema) na nekoj Internet adresi, a ne telefonskom broju.

Sledeći računari mogu biti od koristi u kompjuterski baziranim mernim sistemima sa GSM baziranim bežičnim prenosom podataka:

GERICOM GPRS laptop; Motorola Accompli 009 palmtop.

Opremljeni modulima mobilnih telefona koji podržavaju GPRS prenos, svaki od ovih mobilnih računara može biti iskorišćen u bežičnom komunikacionom sistemu kao kontroler sistema i primopredajna stanica u isto vreme. GERICOM laptop ima ugrađen Siemens-ov modul za podršku GPRS-a koji isporučuje asimetrične brzine prenosa podataka, usled korišćenja četiri kanala za prijem i samo jednog kanala za predaju.

Paketni prenos podataka može biti upotrebljen u distribuiranim mernim sistemima, posebno u onim sistemima u kojima centar sistema prikuplja podatke sa nekoliko mernih stanica. Podaci se šalju na e-mail adresu centra sistema. Sa tačke gledišta korisnika, glavna prednost GPRS je njegova mala cena, koja jedino zavisi od količine prenešenih podataka. U njegovoj trenutno dostupnoj formi, GPRS omogućava samo prenos podataka između mobilnog telefona i Interneta (uključujući WAP).

Na primer, tehnički podaci mobilnog telefona Ericsson T39m (vidi sliku 6.8), koji podržava GPRS, obuhvataju:

Frekventne opsege: 900 MHz, 1.8 GHz i 1.9 GHz (1.9-GHz opseg omogućuje rad mobilnog telefona u US mobilnoj mreži);

Maksimalna brzina prenosa podataka u HSCSD modu: 28.8 kbps; Maksimalna brzina prenosa podataka u GPRS modu: 53.6 kbps; Komunikacija sa računarom preko RS-232C porta: 230.4 kbps; Komunikacija sa računarom preko IrDA porta: 1 Mbps u rasponu od 1m; Komunikacija sa računarom preko bluetooth porta: 108.8 kbps u rasponu od 10m.

Slika 6.8 Mobilni telefon Ericsson T39m koji podržava GPRS prenos

Prenos podataka između GSM-a i drugih telekomunikacionih sistema zahteva modeme radi konverzije binarnih GSM signala u analogne signale. Modem se instalira na mestu spoja dveju

122

mreža, u modulima Interworking Functions (IWF) u okviru komutacionog centra Gateway Mobile Switching Center (GMSC). Sledeći standardi modema su kompatibilni sa GSM standardom: V.21, V.22, V.22bis, V32,V90 i ISDN standardi V.110 i V.120. 6.2.7 EDGE prenos

Dizajniran za prenos podataka u poboljšanim GSM mrežama i sa brzinom prenosa podataka od 384 kbps, EDGE predstavlja prelazni korak između GSM i UMTS bežične tehnologije digitalnog prenosa podataka. EDGE bi takođe trebao biti primenljiv u TDMA. Mogućnosti ovog moda uključuju prenos pokretnih slika. GSM frekventni opsezi i radio kanali sa razmakom od 200-kHz su dodeljeni za EDGE prenos. Ovo rešenje olakšava funkcionisanje između klasičnog GSM-a i EDGE/GSM sistema i omogućava značajno smanjenje cene ugradnje EDGE tehnologije. Velike brzine prenosa podataka koje obećava EDGE su dobijene kombinovanjem dva metoda modulacije: 8-fazna digitalna fazna modulacija (8-PSK), oktalni mod modulacije signala i Gausova digitalna modulacija (GMSK), binarna modulaciona šema za kodiranje digitalnog signala u svim ostalim GSM-baziranim modovima prenosa, kao što je prikazano na slici 6.9. Minimalna digitalna frekventna modulacija (MSK) je specijalni slučaj FSK modulacije, sa frekvetnim impulsom koji modulaciju čini efektivnijom. GMSK modulacija je tip MSK sa filtriranjem signala korišćenjem Gausovog filtra.

Slika 6.9 GMSK binarna modulaciona šema u GSM mreži i 8-PSK oktalna modulaciona šema u GSM-u sa

EDGE prenosom Kvalitet 8-PSK oktalno-modulisanog signala mora biti znatno veći nego GMSK binarno-

modulisanog signala. Stoga, 8-PSK može biti upotrebljena samo kada razdaljine između mobilne stanice i bazne stanice nisu mnogo velike i kada brzina mobilne stanice nije mnogo velika, pošto oba faktora utiču na kvalitet signala. Izbor modulacione šeme i tipa koji će se koristiti u EDGE modu je prilagodljiv i određen sistemom. GMSK (tip MCS-1 do MSC-4) ili 8-PSK (tip MCS-5 do MSC-9) se koristi, zavisno od kvaliteta signala. Odgovarajući opseg maksimalne brzine prenosa podataka od 8.4 kbps (GMSK, MCS-1) do 59.2 kbps (8-PSK, MCS-9), sa korišćenjem jednog vremenskog slota. Sa korišćenjem osam vremenskih slotova, teoretski maksimalna brzina prenosa podataka u EDGE je od 8 8.4 = 67.2 kbps do 8 59.2 = 473.6 kbps. Preporučena brzina prenosa podataka za prenos pokretnih slika je 384 kbps, što je znatno niže od gornje granice EDGE tehnologije (prema ITU (International Telecommunication Union) preporuci za pokretne slike).

Glavne osobine EDGE prenosa su: Sposobnost rada u mobilnim mrežama, korišćenjem frekvencijskih opsega 800, 900, 1.800,

1.900 ili 2.150 MHz; Standardna maksimalna brzina prenosa podataka 384kbps; Simetrični i asimetrični kanali prenosa; Dostupna funkcija paketnog prenosa; Roaming između GSM (Evropskih) i TDMA (Američkih) telekomunikacionih mreža.

123

Implementacija EDGE moda zahteva značajne modifikacije GSM mreže i dizajna mobilnog telefona. EDGE prenos je počeo sa radom 2002 godine. Mobilni telefoni koji podržavaju EDGE prenos su lansirani na tržište 2003 godine. Primeri takvih mobilnih telefona su Nokia 6220 i Nokia 6820. Nokia 6220 omogućava maksimalnu brzinu prenosa podataka od 118 kbps u EDGE modu prenosa i opremljena je digitalnom kamerom, video zapisom, WAP-om, MMS-om i Java funkcionalnošću. 6.2.8 AT komande

Razvijene 1970. godine od strane Hayes Company za komunikaciju između računara i modema, AT komande su zatim usvojene kao standard od strane međunarodnih telekomunikacionih organizacija. Ime potiče od prva dva slova reči "attention", kodiranih u ASCII i svaka komanda počinje njima. Alfanumerički karakteri i drugi tipovi karaktera korišćeni u AT komandama su izlistani u International Reference Alphabet (IRA). Karakteri AT komandi bi trebali biti napisani u 8-bitnim rečima. Ako su 7-bitni karakteri (na primer, ASCII ili ISO-7 karakteri) generisani od strane opreme terminala (TE), osmi bit mora biti dodat odgovarajućom TE jedinicom da bi se formirala korektna komanda. Funkcionalni dijagram GSM-baziranog sistema za prenos podataka, shodno standardu, kao i protok komandi, je prikazan na slici 6.10. Na slici su prikazane sledeće jedinice: oprema terminala (TE), mobilna oprema (ME) i terminalni adapter (TA).

Slika 6.10 Organizacija toka komandi između opreme terminala (npr., računar), terminalnog adaptera i

mobilne opreme (npr., mobilni telefon) u GSM mreži ETSI preporuke se odnose isključivo na instrukcije koje se prenose između TE i TA (tj., AT

komande i odgovori). Obično, TE je računar, a ME je mobilni telefon. Po analogiji sa RS-232 standardom, TE i ME mogu biti posmatrani kao GSM pandani DTE i DCE (modem), respektivno, u RS-232. Fizička konekcija između TE i TA nije definisana. Ona može biti električni kabl, radio link ili optički link.

Sledeće četiri varijante arhitekture sistema prikazanog na slici 5.10 su dopuštene standardom:

TA, ME i TE mogu biti odvojeni uređaji; u ovoj varijanti arhitekture, MT1 mobilni telefon se koristi kao ME;

TA i ME mogu biti integrisani, dok je TE odvojeni uređaj (najrasprostranjenija varijanta arhitekture sistema digitalnog prenosa podataka, sa MT2 mobilnim telefonom upotrebljenim kao ME);

TA i TE mogu biti integrisani, dok je ME odvojeni uređaj; TA, ME i TE mogu biti integrisani (npr., Motorola Accompli 009 palmtop, koji funkcioniše

i kao mobilni telefon). Lista AT komandi je veoma dugačka i sadrži stotine ajtema. Mogu se uočiti dva tipa AT

komandi: osnovne komande proširene komande. Prema drugoj klasifikaciji, AT komande se mogu podeliti na izvršne komande i komande konfigurisanja (set).

Slede neke od izvršnih AT komandi i njihovo značenje: "ATD" označava pozivanje broja stanice , "AT&FO" komanduje podešavanje fabričkih parametara prenosa modema i "ATH" naređuje kraj prenosa. Komande konfigurisanja nose instrukcije koje se odnose na podešavanje parametra prenosa (ili nekoliko parametara) i specificiraju željene vrednosti parametra.

Osnovne AT komande su univerzalne prirode i koriste se kako u bežičnim tako i u žičanim mrežama za kontrolisanje različitih uređaja, kao što su telefoni, faksevi ili radio-modemi. Osnovna

124

komanda sadrži niz alfanumeričkih karaktera sa AT prefiksom ispred. Proširene komande specificiraju tip selektovane mreže (PSTN ili GSM) ili mod prenosa (glas, podaci, faks, SMS, CSD, HSCSD, GPRS ili EDGE). Kod proširene komande, početno "AT" je praćeno znakom "+", iza koga slede drugi karakteri.

AT komande koje se koriste za kontrolu GSM uređaja su podeljene u sledeće grupe (prema ETSI dokumentaciji):

Kontrola i indentifikacija; Kontrola poziva; Kontrola glasovnog poziva; Kompresija podataka; Upravljanje modom; Audio kontrola; Meniji dodatne opreme; Autentifikacija dodatne opreme; Identifikacija dodatne opreme; Komande interfejsa; GSM komande DTE-DCE interfejsa; GSM kontrola poziva; GSM podaci; GSM HSCSD; GSM mrežni servisi; GSM USSD; GSM mogućnost zaključavanja; GSM mobilna oprema,kontrola i status; GSM kontrola greške mobilne opreme; GSM SMS i GSM PDU mod; GSM GPRS; GSM imenik; GSM sat, datum i upotreba alarma; GSM identifikacija pretplatnika; WAP pretraživač; AT specifične komande (npr., Ericsson specifične komande za GSM).

AT komande za uređaje koji rade u GSM mreži imaju prefiks +C (npr., svaka takva komanda počinje sa "AT+C..."). U zavisnosti od tipa servisa prenosa podataka, koristi se podskup AT komandi specifičnih za taj servis (npr., SMS, CSD ili HSCSD grupe komandi). Komande konfigurisanja sadrže znak jednakosti "=" iza koga slede brojevi koji predstavljanu kodirane vrednosti parametra. Na primer, komanda "izbor Bearer Service Type" ima sledeću strukturu:

"AT+CBST=[<speed>[,<name>[,<ce>]]]" Parametre koje treba podesiti su:

<speed>: maksimalna brzina prenosa signala za različite standarde modulacije signala; vrednost brzine je kodirana brojevima od 0 do 116;

<name>: tip prenosa po sinhronizacionom kriterijumu: asinhroni ili sinhroni, paketni ili u serijski prenos podataka; kodiran brojevima od 0 do 7;

<ce>: tip prenosa po drugim kriterijumima: transparentan (za niz podataka) ili netransparentan prenos, bilo koji tip prenosa, ili poželjno netransparentan; kodiran brojevima od 0 do 3. Transparentni prenos je prenos niza podataka bez uticaja na sadržaj niza podataka. Ovaj tip

prenosa se koristi kada je brzina prenosa podataka prioritet korisniku. Netransparentni prenos uključuje procedure provere grešaka i adaptacije brzine prenosa podataka na kapacitete prijema. Posebno, protokol netransparentnog prenosa obuhvata ARQ proceduru koja naređuje ponovno

125

slanje paketa podataka ili frejma kada je detektovana greška prenosa. Netransparentni prenos se koristi kada kvalitet prenosa ima prioritet u odnosu na brzinu.

Primer "AT+CBST=[<speed>[,<name>[,<ce>]]]" komande je "AT+CBST=43,4,0" (zagrade se izostavljaju u stvarnoj komandi), što znači: 43 - brzina prenosa podataka je podešena na 14,400 bps u V.120 standardu modulacije; 4 - asinhroni prenos niza podataka (data circuit); i 0 -transparentni prenos.

Posebna vrsta komandi konfigurisanja su upitne komande; na primer, "AT+CBST?" komanda znači: "koje su podešene vrednosti parametra prenosa (izabrani bearer service type)?" Poruka poslata TE-u kao odgovor ovoj komandi je u vidu komande konfigurisanja; na primer "AT+CBST=43, 4, 0".

Proučimo neke primere AT komandi za HSCSD i GPRS modove prenosa, kao i značenje simbola koje one uključuju. Evo tri primera AT komandi HSCSD prenosa i njihovo značenje.

1. "AT+CHS..." je početak svake AT komande koja se odnosi na HSCSD prenos u GSM mreži.

2. "AT+CHSN=4,2,2,8" je komanda konfigurisanja; ’AT+CHSN=...’ komande podešavanja parametara netransparentnog HSCSD prenosa; 4 označava brzinu prenosa podataka od 28,800 bps; 2 označava dva prijemna vremenska slota u vremenskom frejmu; druga 2 označava dva predajna vremenska slota u vremenskom frejmu; i 4 stoji za TCH/F14,4 tip kodiranja kanala.

3. "AT+CHSR=1" je izvršna komanda koja zahteva slanje izveštaja parametara prenosa (posle uspostavljanja konekcije); "AT+CHSR=0" naređuje da se ne šalje izveštaj.

Protumačimo sada neke primere AT komandi pri GPRS prenosu: 1. "AT+CG..." je početak svake AT komande koja se odnosi na GPRS prenos. 2. "AT+CGATT=1" je izvršna naredba koja naređuje da GPRS mod bude omogućen u ME

(mobilni telefon) (tj., selektuje GPRS mod za prenos podataka); ’AT+CGATT=0’ komanduje isključivanje GPRS moda.

3. "AT+CGAUTO=[<n>]" podešava automatski pozitivni odgovor na zahtev za uključivanje Protokola paketnih podataka (Packet Data Protocol - PDP). Parametar n uzima vrednosti u opsegu od 0 do 3 i ima sledeće značenje: 0 - automatski odgovor je isključen (samo za GPRS); 1 - automatski odgovor je uključen (samo za GPRS); 2 - kompatibilan sa modemom, mod rada (samo za GPRS); i 3 - kompatibilan sa modemom, mod rada za GPRS ili modove CSD ili HSCSD. Slično komandama poslatih od strane TE i TA, odgovori mogu biti ili osnovni ili prošireni.

Evo dva primera osnovnog odgovora. 1. "<CR><LF>OK<CR><LF>", izveštava o uspešnom izvršenju komande ili liste komandi; 2. "<CR><LF>ERROR<CR><LF>", izveštava o smetnjama i neuspešnom izvršenju komandi;

<CR> je simbol štampača Carriage Return a <LF> je Linefeed Character simbol.

6.3 Distribuirani merni sistemi bazirani na GSM-u

Mogućnost prenosa podataka putem GSM mreže se može iskoristiti u distribuiranim mernim sistemima. Slika 6.11 prikazuje uopšteni blok dijagram takvog GSM-baziranog sistema, koji sadrži nekoliko digitalnih mernih stanica i centar sistema. Svaka merna stanica je opremljena sa digitalnim instrumentom (ili nekoliko digitalnih instrumenata), računarom i mobilnim telefonom. Digitalni instrumenti su povezani sa mobilnim telefonom preko računara. MT1 ili MT2 telefoni se trebaju koristiti kao mobilne stanice u mernim sistemima ovakvog tipa; telefonska kartica PCMICIA (npr., Nokia Card Phone 2.0) se takođe može koristiti umesto mobilnog telefona. Digitalni instrumenti mogu biti direktno povezani sa mobilnim telefonom, bez upotrebe računara, ali ovo zahteva specijalan interfejs. Danas, nije dostupan nijedan tip ovakvog standardnog interfejsa, premda uzimajući u obzir tendenciju standardizovanja interfejsa, pojava interfejsa digitalni instrument - mobilni telefon na tržištu se može očekivati kroz nekoliko godina. Tipično, međutim, instrumenti sistema su povezani sa računarom preko standardnih interfejsa, kao što je RS-232C serijski interfejs

126

za digitalni voltmetar, ili IEEE-488 paralelni interfejs za digitalni osciloskop. Prednost korišćenja računara u prenosu digitalnih podataka sa instrumenta na mobilni telefon bi bila u mogućnosti obrade mernih podataka pre njihovog prosleđivanja centru sistema.

Slika 6.11 Blok dijagram distribuiranog mernog sistema sa prenosom podataka preko GSM mreže

Digitalni podatak je prenet do računara u centru mernog sistema ili preko fiksne telefonske

mreže ili preko Interneta. Kasnije, podatak može biti primljen takođe preko mobilnog telefona koji omogućuje pristup Internetu preko WAP protokola.

Odvojeni problem predstavlja prenos podataka između računara i mobilnog telefona u okviru merne stanice. Električni kabl, IrDA link, ili Bluetooth radio link se mogu koristiti kao fizički medijum za ovaj prenos. Prenos podatka treba biti kontrolisan pomoću AT komandi. 6.3.1 Primer mernog sistema baziranog na GSM-u

Merni sistem (videti sliku 6.12) sadrži centar sistema i mobilnu mernu stanicu. Centar sistema je PC povezan sa stacionarnom telefonskom mrežom pomoću modema. Merna stanica je opremljena sa digitalnim multimetrom povezanim sa Toshiba laptopom preko RS-232 interfejsa. Kao mobilni telefon upotrebljena je kartica Nokia Card Phone 2. Rad mernog sistema je organizovan sa dva algoritma, jedan koji se odnosi na centar sistema i drugi koji se odnosi na mernu stanicu. Algoritmi obezbeđuju osnovu za kontrolni softver napisan u HP VEE 5 programskom jeziku da radi i centar sistema i merna stanica. Standardne AT komande se koriste za kontrolu modema. Kada je konekcija uspostavljena između računara (vreme uspostavljanja konekcije je između 18 i 40 sekundi), merni podaci kao i kontrolne komande mogu biti dvosmerno preneti u HSCSD modu između centra sistema i instrumenta.

Slika 6.12 Merni sistem zasnovan na GSM-u sa HSCSD prenosom podataka

Centar sistema radi ili u modu prenosa ili u modu nadgledanja (watch). U modu prenosa, centar sistema može povezati merne stanice (terminale). Kada je uspostavljena veza sa mernom stanicom, centar sistema podešava merne parametre, kao što su merena veličina, broj merenja u seriji i period ponavljanja. Potrebna merenja se zatim izvršavaju od strane merne stanice, a rezultati se on-line šalju centru sistema. Shodno zadatku obuhvaćenom HP VEE softverom, merni podatak se memoriše od strane centra sistema, a prikazuje kao funkcija vremena. Grafičko predstavljanje mernih podataka se izvršava posle automatskog prenosa rezultata serije merenja u MS Excel.

127

U modu nadgledanja, centar sistema čeka iniciranje konekcija od strane merne stanice. Svaka merna stanica može poslati zahtev za prenos podatka. Shodno odgovarajućem algoritmu rada, merna stanica se konektuje sa centrom sistema radi prenosa mernih rezultata u 2 slučaja: Kada je prenos podataka programiran (npr., da se izvršava na svakih sat vremena); Kada su premašene podešene granične vrednosti merene veličine (tj., u alarmnom modu).

Merne stanice rade ili u lokalnom ili u daljinskom modu. U daljinskom modu, izvršena merenja kontroliše centar sistema i svaki merni rezultat je odmah prenešen do centra sistema. Brzina prenosa digitalnih podataka u opisanom mernom sistemu je 28.8 kbps u oba smera (u HSCSD modu), što uključuje korišćenje 2 kanala za predaju i 2 kanala za prijem. Brži prenos (do 43.2 kbps) je moguće ostvariti pri prenosu podataka ka Internetu ili ka prijemnoj stanici povezanoj za ISDN.

U sledećoj verziji distribuiranog mernog sistema sa GSM prenosom podataka, multimetar je zamenjen karticom NI DAQCard 6024E, koja je PCMCIA merna kartica koja sadrži ADC sa rezolucijom od 12 bita i maksimalnom brzinom odmeravanja od 200 kSps. Sistem je korišćen za merne signale sa audio frekvencijama. Svaki rezultat merenja je 2-bajtna reč. On-line prenos podataka se obavlja korektno i bez kašnjenja za brzine odmeravanja do 1,600 Sps (sa 2-bajtnim odmercima grupisanim u pakete, 100 do 1,000 odmeraka svaki). Veće brzine odmeravanja uključuju kašnjenje u prenosu podataka, usled ograničene dinamike GSM-a.

Slika 6.13 Distribuirani merni sistem baziran na GSM-u

sa GPRS prenosom podataka GPRS tehnologija prenosa se takođe može upotrebiti u distribuiranom mernom sistemu

baziranom na GSM-u. GPRS obezbeđuje komutaciju paketa preko Interneta umesto preko komutacije kanala. Metod prenosa i vreme prenosa paketa nije određeno. Paket sa mernim podacima prvo može biti isporučen centru mernog sistema. Sistem sadrži tri merne mobilne stanice i centar mernog sistema je opremljen sa PC računarom sa Internet pristupom, kao što je prikazano na slici 6.13. Mobilne stanice u sistemu su GSM/GPRS modemi Option Globetrotter (PCMCIA kartica). Prosečna brzina prenosa u sistemu je 15 kbps, a srednji period prenosa paketa podataka sa 1000 odmeraka je približno 1 sekunda, do maksimalnih 3 sekunde. 6.4 Merni sistemi sa SMS prenosom podataka

Putanja SMS poruke od računara u mernoj stanici do SMS centra (ili SMS-C, u GSM centru) može biti podeljena u dve sekcije sa različitim protokolima prenosa. Prva sekcija je od adaptera terminala (računar) do mobilnog telefona. Pošto ne postoji standardni protokol za digitalni prenos podataka između ovakvih uređaja, postoji sloboda pri izboru protokola, a proizvođači telefona nisu uvek voljni da pokažu protokole koji se koriste u njihovim modelima mobilnih telefona. Druga sekcija putanje poruke je od mobilnog telefona do SMS-C. U ovoj sekciji, SMS podatak je prenešen PDU (Protocol Data Units) frejmovima. Postoje 2 tipa PDU-a: Tip SMS-SUBMIT, otpremanje SMS poruke od mobilnog telefona do SMS-C;

128

Tip SMS-DELIVER, otpremanje SMS poruke od SMS-C do mobilnog telefona. Formati oba tipa PDU protokola su prikazani na slici 6.14. Osenčana UD polja sadrže tekst

SMS poruka dužine od 0 bajta (prazna poruka) do 140 bajta. Ostala PDU polja sadrže: PDU tip, koji specificira da li je PDU tip DELIVER ili SUBMIT, da li je prenos poruke

plaćen od strane pošiljaoca poruke ili od strane primaoca poruke i da li se zahteva dostavljanje izveštaja o isporuci poruke ili ne;

Referentni broj (MR) poruke (od 0 do 255); Adresa destinacije (DA), broj telefona primaoca; Adresa pokretača (OA), broj telefona pošiljaoca; Identifikator protokola (PID), koji specificira tip podataka (tekst, teleks ili faks); Korišćena šema kodiranja podataka (DCS); Period validnosti (VP), maksimalno vreme skladištenja poruke u SMS-C u slučaju

neuspešne dostave; Dužina korisničkih podataka (UDL), dužina poruke; Service Center Time Stamp (SCTS), vreme prijema poruke od strane SMS-C.

SMS dostava

PDU MR DA PID DCS VP UDL UD 1 byte 1 byte 2 do 12 bytes 1 byte 1 byte 1 do 7 bytes 1 byte 0 do 140 bytes

SMS prijem

PDU OA PID DCS SCTS UDL UD 1 byte 1 byte 2 do 12 bytes 1 byte 1 byte 1 do 7 bytes 0 do 140 bytes

Slika 6.14 PDU formati za prenos SMS poruka

Slika 6.15 Blok dijagram distribuiranog mernog sistema sa GSM-baziranim prenosom podataka

Blok dijagram mernog sistema baziranog na GSM-u sa SMS prenosom podataka je prikazan na slici 6.15. Terminali mernog sistema su digitalni multimetar Metex M3850 u mernoj stanici i PC računar u udaljenom centru sistema. Merenja su kontrolisana od strane laptopa koji je povezan sa digitalnim multimetrom preko RS-232C interfejsa. Parametri RS-232C prenosa su određeni digitalnim signalom od multimetra. Prenos je asinhronog karaktera.

Parametri prenosa podataka između multimetra i laptopa su kao što sledi: 7-bitni SDU, ASCII karakter; 2-bitni stop; Nema bita za kontrolu parnosti; Brzina prenosa podataka 1,200 bps.

Frejm podataka poslat od strane multimetra sadrži 14 SDU (karaktera) i nosi jedan merni rezultat; 14-ti karakter je CR, koji završava prenos frejma. Model mobilnog telefona koji je korišćen u mernom sistemu prikazanom na slici 6.15, Nokia 2110, je tipa MT1, i stoga zahteva terminalni

129

adapter da bi podržao prenos podataka. Cellurar Data Card za Nokia 2110, takođe označena kao GSM modem kartica, se koristi kao terminalni adapter.

Parametri prenosa podataka između mobilnog telefona (Nokia 2110) i laptopa su kao što sledi: 8-bitni SDU (ASCII karakter); 2-bitni stop; Nema bita za kontrolu parnosti; Brzina prenosa podataka 115.2 kbps.

Merenja izvršena digitalnim multimetrom kao i prenos njihovih rezultata su kontrolisana od strane SmsMeter2000, računarskog softvera napisanog u Visual Basic 6. Tokom testiranja, sistem se pokazao sposobnim za prikupljanje i prenosa serije mernih podataka sa periodom odmeravanja od najmanje 10 sekundi, i stoga je u mogućnosti da nadgleda objekte koji se ne mogu povezati sa stacionarnom telefonskom mrežom.

Iako prenos digitalnih podataka preko GSM mreže može obezbediti osnovu za funkcionisanje distribuiranog mernog sistema, sledeća dva ograničenja su nametnuta niskim (čak i u HSCSD modu) brzinama podataka: On-line nadgledanje rezultata ili daljinsko upravljanje merenjem zahteva umerenu dinamiku

mernih procesa; Merni rezultati ne mogu se preneti u velikim fajlovima, što ograničava izbor instrumenata na

one jednostavne, kao što su voltmetri ili frekvencmetri.

6.5 Univerzalni sistem mobilnih telekomunikacija i prenosa mernih podataka 6.5.1 Opšte karakteristike UMTS-a

Karakteristična osobina 1G sistema mobilne telefonije je analogna obrada govora; 2G sistemi koriste digitalne linije prenosa. Željena karakteristika 3G bežičnih komunikacionih sistema je da obezbedi uslove za razvoj personalne komunikacione mreže (Personal Communications Network - PCN). Pretpostavljene karakteristike PCN-a su kao što sledi: Jedinstveni korisnički broj koji bi se koristio u bilo kojoj telefonskoj mreži; Individualna grupa servisa prenosa obezbeđena na bilo kom mestu i od strane bilo kog

operatera; Globalni pristup mreži.

Važan korak u razvoju tehnologija bežičnog prenosa podataka ja razvoj UMTS-a, 3G sistema mobilne telefonije koji radi u 1,950 i 2,150 MHz opsezima. UMTS je razvijen od strane Europen Telecommunications Standard Institute (ETSI). Zajedno sa UMTS-om, paralelni 3G sistem mobilne telefonije, označen kao International Mobile Telecommunications-2000 (IMT-2000), je pod razvojem od strane International Telecommunication Union (ITU). Napori su napravljeni da bi se obezbedila kompatibilnost oba sistema, sa posebnom pažnjom na kompatibilnosti radio interfejsa.

Struktura UMTS-a je određena pretpostavljenim širokim korišćenjem globalnog pristupa sistemu. Nenastanjena područja, kao što su okeani ili pustinje, kao i područja u kojima je gustina populacije vrlo niska, moraju biti pokrivena ćelijama velike površine, ili makroćelijama, korišćenjem sistema satelitske komunikacije koji bi bio organizovan unutar UMTS-a. U drugim delovima sveta, UMTS bi bio baziran na kopnenoj komunikacionoj mreži. Zone sa najvećom gustinom naseljenosti, kao što su aerodromi, biznis centri ili poslovne zgrade bi bile pokrivene ćelijama male površine, ili mikroćelijama, da bi obezbedila dostupnost sistema do svakog potencijalnog korisnika. Ćelije srednjih veličina bi bile korišćene u regionima sa prosečnom gustinom populacije, sa površinom ćelije koja zavisi od očekivanog telekomunikacionog saobraćaja. UMTS sistem se sastoji od dve komponente: jedne kopnene, druge satelitski bazirane, kao što je prikazano na slici 6.16.

130

Organizacija kopnene komponente bi bila slična onoj kod GSM sistema; osim toga, delimično korišćenje GSM infrastrukture je planirano u razvoju UMTS-a. Organizacija kopnene komunikacije (tj., hijerarhije sistema i veličine ćelija) bi bila zavisna od operatora. Satelitska komunikacija bi bila bazirana na skupu od 50 do 500 negeostacionarnih (tj., koji imaju promenljive pozicije u odnosu na površinu zemlje) satelita koji putuju na niskim orbitama (reda 1,000 km), ili na skupu od približno 100 satelita srednjih orbita (reda 10,000 km). Međutim, kašnjenje u razvoju UMTS satelitskih komponenti se može očekivati, posle komercijalnog kraha satelitskog komunikacionog sistema Iridium.

Slika 6.16 Slikoviti dijagram UMTS 3G sistema bežične komunikacije

6.5.2 Digitalni prenos podataka

Neki od servisa telefona i prenosa podataka koji bi bili predviđeni u okviru UMTS-a su dati u tabeli 6.3. Veoma važan aspekt za mernu tehnologiju je značajno povećanje brzine podataka, od 9.6 kbps, tipična GSM brzina prenosa, do aproksimativnih 2 Mbps kao što obećava UMTS. Jedan primer konfiguracije distribuiranog mernog sistema baziranog na UMTS-u je prikazan na slici 6.17. Tabela 6.3 Servisi UMTS prenosa podataka

Servis Brzina prenosa podataka Dozvoljen BER

Telefonski servis 8 do 32 kbps 10-4

Videofon servis 64 do 384 kbps 10-7

Prenos podataka u audio-frekventnom opsegu 2.4 do 64 kbps 10-6

SMS i pozivi 1.2 do 9.6 kbps 10-6

Digitalni prenos podataka 64 do 1,920 kbps 10-6

Pristup bazi podataka 2.4 do 768 kbps 10-6

Daljinska kontrola 1.2 do 9.6 kbps 10-6

Glavne prednosti 3G sistema bežične komunikacije su: Velika brzina podataka (do 2 Mbps u UMTS i do 20 Mbps u IMT-2000 posle 2008); Globalni pristup (izvan pokrivenosti mreže mobilne telefonije, sistem je dostupan preko

komunikacionih satelita); Mogućnost saradnje sa fiksnim mrežama, uključujući Broadband-Integrated Services Digital

Network (B-ISDN). Merni sistem baziran na UMTS-u će omogućiti nadgledanje dinamičnijih procesa i biće

sposoban da koristi kompleksnije digitalne instrumente koji isporučuju višebitne merne rezultate.

131

Pored toga, kako UMTS obećava mnogo veće brzine prenosa podataka nego one koje su dostupne u CSD ili GPRS modovima u GSM-u, prenos velikih fajlova koji sadrže merne rezultate biće mnogo brži u UMTS-baziranim akvizicionim sistemima. Na primer, uporedimo očekivano minimalno vreme potrebno za prenos 1 MB fajla korišćenjem različitih modova prenosa: 14 minuta u CSD modu prenosa preko GSM mreže (sa brzinom prenosa podataka od 9.6

kbps); 1 minut i 10 sekundi u GPRS modu paketnog prenosa podataka preko GSM mreže (sa

brzinom prenosa podataka od 115 kbps); 20,8 sekundi u EDGE modu prenosa preko poboljšane GSM mreže (sa brzinom prenosa

podataka od 384 kbps); 4,6 sekundi u UMTS digitalnom prenosu podataka (sa brzinom prenosa podataka od 1,920

kbps).

Slika 6.17 Međunarodni merni sistem baziran na UMTS-u

Vreme prenosa mernog podatka je obično presudan faktor pri izboru moda prenosa. Instrumenti korišćeni u mernom sistemu baziranom na UMTS-u mogu biti raspodeljeni svuda po svetu. Među mogućnostima koje UMTS pruža, su geofizički i astronomski eksperimenti i zapažanja koji uključuju istovremena merenja u različitim tačkama na planeti, kao i mogućnost korišćenja neprenosive jedinstvene opreme u udaljenoj laboratoriji (tj., virtuelna oprema za udaljenog operatora). I kontrola opreme i prenos mernih rezultata je moguć kroz prenos digitalnih komandi i mernih podataka preko UMTS mreže mobilne telefonije.

UMTS mreža je prvi put puštena u rad u Japanu, gde je označena kao 3G, sa pokrivenošću ograničenom na Tokio, septembra 2001 godine. Proces implementacije UMTS-a bi bio progresivan što se tiče pokrivenosti, broja servisa i parametara servisa. 6.5.3 Pozicioniranje mobilne stanice u UMTS-u

Usvojeni UMTS standardi uključuju funkciju pozicioniranja mobilne stanice (ili mobilnog telefona). Nekoliko autonomnih sistema za pozicioniranje objekata danas funkcioniše u svetu, najrasprostranjeniji je Global Positioning System (GPS), američki satelitski sistem koji je globalan sa rezolucijom merenja od približno 10m svuda na površini zemlje. Sistemi za pozicioniranje se koriste za sledeće namene: Pomorska i kopnena navigacija; Nadgledanje pozicije kamiona; Lokacija skupih automobila (npr., u slučaju krađe); Vozilo koristi optimizaciju od strane kontrolera saobraćaja; Inženjerski posao (pogotovo geodezijski).

UMTS pozicioniranje ima dve osnovne prednosti u odnosu na autonomne sisteme za pozicioniranje: Nema investiranja u infrastrukturu sistema i nije potrebna posebna oprema (prijemnici); Dodatne informacije mogu biti dobijene zajedno sa podacima o poziciji.

Pozicioniranje mobilne stanice u UMTS se može koristiti za: Komercijalne namene, kao što je slanje SMS poruka sa informacijama o prodavnicama ili

hiper-marketima koji su blizu;

132

Sistemske namene, za operacije kao što je primopredaja mobilne stanice (od jedne bazne stanice do druge) ili nadgledanje nivoa saobraćaja;

Očuvanje života, kada je korisnik mobilne stanice u opasnosti ili kada se dogodi nezgoda; Namene javne bezbednosti (npr., da nađe i prati osumnjičene osobe).

Metodi pozicioniranja UMTS mobilne stanice su definisani standardima sistema. Koriste se sledeća tri nezavisna metoda pozicioniranja: Merenje nivoa signala i vremena RTT (Round Trip Time), što je potrebno vreme da signal

stigne od mobilne stanice do bazne stanice (signal uzlaznog linka) i da se vrati od bazne stanice do mobilne stanice (signal silaznog linka);

Observed Time Difference of Arrival (OTDOA) pozicioniranje, što je merenje razlika τij između vremena dolazećeg signala na mobilnoj stanici koju pozicioniramo od najmanje 3 najbližih baznih stanica upravljano kontrolerom iste bazne stanice;

GPS-bazirano pozicioniranje pomoću ugrađenog GPS prijemnika u strukturi mobilne stanice. Izbor metoda pozicioniranja je na operatoru. Nijedan metod ne bi trebalo da ometa

uspostavljenu konekciju ili da smanji kvalitet prenosa. Prva od gore navedenih tehnika nije tačna, posebno u sistemima sa velikim ćelijama; treća tehnika je skupa. OTDOA pozicioniranje (videti sliku 6.18), bazirano na postojećoj kopnenoj UMTS infrastrukturi i koje zahteva samo dodatni softver, čini se da najviše ima šansi za široko korišćenje.

Koordinate (xi, yi) svake UMTS bazne stanice moraju biti dostupne OTDOA softveru iz njegove baze podataka. Koordinate mobilne stanice koja se pozicionira se računaju na osnovu skupa jednačina; na primer, ukoliko su tri bazne stanice uključene u pozicioniranje mobilne stanice, sledeće tri jednačine treba rešiti:

23

23

22

222332

23

23

21

211331

22

22

21

211221

)()()()(

)()()()(

)()()()(

yyxxyyxxcRR

yyxxyyxxcRR

yyxxyyxxcRR

gde je c = 3·108 m/s brzina svetlosti u vakuumu; τ12 - razlika između vremena primljenog signala u mobilnoj stanici od bazne stanice 1 i od bazne stanice 2, τ1 i τ2, respektivno, (τ12 = τ1 - τ2); a značenje τ13 i τ23 je analogno prethodnom.

Slika 6.18 UMTS-bazirano OTDOA pozicioniranje mobilne stanice

Procenjena tačnost OTDOA pozicioniranja mobilne stanice je od nekoliko do nekoliko stotina metara.

133

7. PRENOS PODATAKA INFRACRVENIM ZRAČENJEM [5, 8]

Korišćena više od 30 godina u industriji i u svakodnevnom životu, bežična kontrola uređaja se široko koristi zbog njene udobnosti za korisnika (npr. daljinsko upravljanje TV uređaja), ali i zbog tehničkih razloga. Bežične infracrvene komunikacije se odnose na korišćenje zračenja svetlosnih talasa u infracrvenom području kao prenosnog medijuma, kao što je prikazano na slici 7.1. Primarne komercijalne aplikacije su: Kratkotrajna povezivanja bez kabla za razmenu informacija (poslovnih kartica, fajlova,

planera) između dva korisnika. Bežične lokalne mreže (WLAN) obezbeđuju umrežavanje unutar zgrade. Ovo može biti ili

proširenje postojeće LAN mreže da bi se dodala mobilnost ili za uspostavljanje ad hoc mreža gde nema LAN-a.

Veza od zgrade do zgrade za veoma brzi pristup mreži ili za formiranje mreže većeg gabarita.

Bežični ulazni i kontrolni uređaji, kao što su bežični miš, daljinske kontrole, bežični džojstici i daljinski elektronski ključevi.

Slika 7.1 Tipični bežični infracrveni komunikacioni sistem

Infracrveni link (IrDA) se može koristiti, na primer, umesto kabla za povezivanje laptopa sa štampačem ili drugim perifernim uređajem, izbegavajući žičane veze kod mobilne opreme. Još jedna indikacija bežičnog prenosa podataka preko infracrvenog linka može biti električna izolacija između predajnika i prijemnika. Kod merne tehnologije, velika prednost bežičnog linka malog raspona je mogućnost korišćenja senzora dodira za pomeranje (npr., rotiranje) objekata merenja, sa bežičnim prenosom podataka od senzora do prijemnika u mernom sistemu. Usvojeni su standardi za bežične linkove koji trebaju uklopiti različite uređaje napravljene od različitih proizvođača. Bežični linkovi sa oznakom IR linkovi koriste infracrvene (IR) zrake kao medijum prenosa. IR linkovi omogućuju prenos podataka između dva nezavisna uređaja, kao što su laptop i štampač, unutar daljine od 1m, kada su uređaji na odgovarajućoj udaljenosti, kao što je pokazano na slici 7.2.

Slika 7.2 Tipično korišćenje IR linka za digitalni prenos podataka

Infracrveni link može da ima dve najčešće korišćene konfiguracije: point-to-point sistem i difuzni sistem (slika 7.3).

Slika 7.3 Tipovi infracrvenih komunikacionih sistema: (a) point-to-point sistem; (b) difuzni sistem

134

Najednostavniji tip linka je point-to-point sistem. Ovde predajnik i prijemnik moraju biti upereni jedan ka drugom da bi se uspostavio link. Putanja između predajnika i prijemnika mora biti čista bez prepreka. Kod difuznih sistema link se uvek održava između nekog predajnika i nekog prijemnika u neposrednom okruženju reflektovanjem emitovanih informacija od površina kao što su tavanica, zidovi i nameštaj. Ovi sistemi su pogodni za bežične LAN mreže.

Električno kolo infracrvenog linka obično sadrži dva integrisana kola (IC), kao što je prikazano na slici 7.4. Jedno IC kolo sadrži IR diodu (LED), prijemnu fotodiodu, pojačavače predajnika i prijemnika. Standard infracrvenog digitalnog prenosa podataka sa oznakom IrDA je usvojen od strane proizvođača elektronske opreme i hardvera u okviru Infrared Data Association (IrDA).

Slika 7.4 Blok dijagram elektronskog kola IR linka

Tabela 7.1 Parametri IR linka shodno IrDA-1.3 standardu

Parametri Tipična vrednost Granična vrednost Linearni raspon 1 m 3 m Ugaoni raspon 15 30

Brzina prenosa 2.4 do 4000 kbps 16 Mbps (za IrDA-1.4) Greške 10-8 --- IR talasna dužina 850 do 900nm 900nm Trajanje impulsa 3/16 UART bita ---

Ovo podkolo je ugrađeno na kućištu IrDA uređaja. Glavne komponente drugih IC kola su

digitalna kola koja kodiraju digitalne signale iz Univerzalnog asinhronog primopredajnika (UART) kola u IrDA standard, i ona koja dekodiraju dolazne IR impulse u UART signale. Parametri IrDA-1.3, standarda bežičnog linka objavljenog u oktobru 1998, su specifirani u tabeli 7.1. Međutim, minimum trajanja IR impulsa ostaje da bude specificiran za veće brzine podataka. Tipično trajanje IR impulsa u IrDA linku je tri šesnaestine od trajanja bita u UART-u kompjutera ili drugog digitalnog uređaja, kao što je prikazano na slici 7.5. Parametri bežičnog IR linka prema IrDA-1.3 standardu, uključujući intenzitet zračenja predajnika i osetljivost prijemnika, su detaljnije dati u tabeli 7.2.

Slika 7.5 Frejm IrDA asinhronog prenosa informacija i UART (ili RS-232C standard) frejm informacija

135

Tabela 7.2 IrDA-1.3 i VFIR parametri linka (Vrednosti intenziteta zračenja predajnika su specificirani u vatima po steradijanu)

Brzina prenosa Modulacija

Minimalno trajanje impulsa

Nominalno trajanje impulsa

Snaga zračenja predajnika

Osetljivost prijemnika

2.4 kbps RZI 1.41 µs 78.13 µs 40 mW/sr 4 µW/cm2

9.6 kbps RZI 1.41 µs 19.53 µs 40 mW/sr 4 µW/cm2 19.2 kbps RZI 1.41 µs 9.77 µs 40 mW/sr 4 µW/cm2 38.4 kbps RZI 1.41 µs 4.88 µs 40 mW/sr 4 µW/cm2 57.6 kbps RZI 1.41 µs 3.26 µs 40 mW/sr 4 µW/cm2 115.2 kbps RZI 1.41 µs 1.63 µs 40 mW/sr 4 µW/cm2 576 kbps RZI 295.2 ns 434 ns 100 mW/sr 10µW/cm2 1,152 kbps RZI 147.6 ns 217 ns 100 mW/sr 10µW/cm2 4 Mbps 4PPM 115 ns 125.0 ns 100 mW/sr 10µW/cm2 16 Mbps HHH

(1.3) 38.3 ns 41.7 ns 100 mW/sr 10µW/cm2

Uočite način kodiranja signala 0 i 1 emitovanih preko IrDA linka: IR impuls koji odgovara

0, a za 1 nema impulsa. Sledeće metode modulacije su iskorišćene: Invertovano vraćanje na nulu (Return to Zero Inverted - RZI), Modulacija sa četiri pozicije impulsa (Four Pulse Position Modulation - 4PPM), i prošireni 4PPM kod, poznat kao HHH (HHH nije akronim). Parametri izlistani u tabeli 7.2 takođe uključuju one za predloženi IrDA link kvalifikovan kao izuzetno brzi IR (Very Fast IR - VFIR), usled njegovih brzina prenosa koje idu do 16 Mbps. Ako se prihvati, VFIR link će postati standard, IrDA 1.4. Drugi IrDA standard, koji daje brzine prenosa podataka do 100 Mbps, je u toku razvoja. IrDA link male snage je specificiran odvojenim setom vrednosti parametara, koji su dostupni na sajtu IrDA.

Prenos podataka preko IrDA linka ima asinhroni karakter transfera u half-duplex modu. Mada su moguće veće vrednosti raspona prenosa, ugla predaje i ugla prijema, one su ograničene da bi se smanjila interferencija sa drugim uređajima, kao i osetljivost na interferenciju. Emitujuća komponenta IrDA linka je poluprovodnička IR dioda, sa tipičnom vrednošću intenziteta zraka od 40 mW/sr u IrDA linkovima sa brzinama do 115 kbps i 100 mW/sr u linkovima većeg kapaciteta. Osobine bežičnog prenosa preko IrDA linka se mogu iskoristiti u mernoj laboratoriji. Neki kompjuteri, posebno laptopovi, imaju ugrađeni IrDA link. Sa sličnim linkom ugrađenim u digitalnim instrumentima, merni sistem sa bežičnim prenosom podataka može biti konfigurisan, kao što je pokazano na slici 7.6(a).

Slika 7.6 Merni sistem sa bežičnim prenosom podataka preko IrDA linka: (a) IrDA link ugrađen i u

instrumentu i u kompjuteru i (b) kompjuter opremljen sa IrDA povezan sa instrumentom preko konvertora RS-232C/IrDA

Većina digitalnih instrumenata i svi kompjuteri imaju ugrađene drajvere RS-232C serijskog interfejsa. Konvertor RS-232C/IrDA se može iskoristiti za povezivanje digitalnog instrumenta sa računarom, kao što je prikazano na slici 7.6(b), čime konfigurišemo jedan bežični merni sistem.

Većina bežičnih infracrvenih komunikacionih sistema se može modelovati tako što imamo izlazni signal Y(t) i ulazni signal X(t) koji su povezani relacijom

tNtctXtY

136

gde označava konvoluciju, c(t) je impulsni odziv kanala i N(t) je aditivni šum. Predajnik konvertuje električni signal u optički signal. Dva najpogodnija uređaja su LED

dioda i poluprovodnička laserska dioda (LD). LED diode imaju prirodno široki raspon prenosa i pogodne su za nedirektne linkove. Laserska dioda ima veoma uzan zrak koji emituje. Principijelna prednost laserskih dioda je njihova visoka efikasnost konverzije energije, njihova velika širina opsega modulacije i njihova relativno uzana spektralna širina. Prijemnik konvertuje optičku energiju u električnu struju detektovanjem fluksa fotona na površini detektora. Silicijumske pn fotodiode su idealne za bežične infracrvene komunikacije.

Pošto većina sistema koriste intenzitetsku modulaciju sa direktnom detekcijom (IM/DD) za ostvarenje optičke modulacije i demodulacije, moramo razmotriti karakteristike modela kanala. Prvo, pošto se koristi intenzitetska modulacija, ulaz kanala X(t) je optički intenzitet i imamo ograničenje X(t)0. Srednja emitovana optička snaga PT je vremenski usrednjeno X(t). Naš cilj je da minimizujemo emitovanu snagu neophodnu za obezbeđenje određene verovatnoće bitske greške Pe, takođe poznate kao brzina bitske greške (BER).

Korisno je definisati odnos signal/šum (SNR) kao

0

222 0NR

PHRSNR

b

t

gde je R osetljivost prijemne fotodiode (u A/W), H(0) je DC pojačanje kanala, tj. to je furijeova transformacija h(t) procenjena na nultoj frekvenciji, tako da je

dtthH 0

Emitovani signal se može predstaviti kao

n

sa nTtstX n

Sekvenca na predstavlja digitalnu informaciju koja je emitovana, gde je an jedan od L mogućih simbola podataka od 0 do L-1. Funkcija si(t) predstavlja jedan od L oblika impulsa trajanja Ts, trajanje simbola. Brzina podataka (ili bitska brzina) Rb, trajanje bita T, brzina simbola Rs, i trajanje simbola Ts su povezani ovako: Rb = 1/T, Rs = 1/Ts i Ts = log2(L)T.

On/off keying (OOK) modulaciona šema može biti bez vraćanja na nulu (NRZ), sa vraćanjem na nulu (RZ) impulsa normalizovane širine i modulacija pozicije impulsa sa L impulsa (L-PPM). OOK je jednostavnije implementirati na predajniku i prijemniku od L-PPM. Oblici impulsa za ove modulacione tehnike su prikazani na slici 7.7.

Slika 7.7 Oblici impulsa za modulacije OOK, RZ-0.25 i 4-PPM

Reprezentativni primeri rezultujućeg emitovanog signala X(t) za kratku sekvencu podataka su prikazani na slici 7.8.

137

Slika 7.8 Emitovani signal za sekvencu 010011 za OOK, RZ-0.25 i 4-PPM

Za datu efikasnost širine opsega PPM je bolja što se tiče energetske efikasnosti. OOK je najkorisnija za veoma velike brzine podataka, recimo 100 Mbps ili veće. Kodiranje kontrole grešaka je važna tehnika koja se koristi za poboljšanje kvaliteta bilo kog digitalnog komunikacionog sistema. Karakterizacija impulsnog odziva kanala, kako zavisi od lokacije, veličine i orijentacije prijemnika i predajnika, se ostvaruje sa tri tehnike: merenjem, simulacijom i modelovanjem.

Primer implementacije Eterneta difuzno emitovanim infracrvenim zrakom koji se reflektuje od tavanice u svim pravcima je prikazan na slici 7.9. Samo jedna stanica može emitovati podatke u jednom trenutku. Samo stanice na koje su podaci adresirani mogu ih primiti.

Slika 7.9 Implementacija Eterneta primenom difuznog IR-a

138

8. PRIMENA BLUETOOTH-a U TELEMETRIJSKIM SISTEMIMA [8] Bluetooth je radio link male energije koji radi u frekventnom opsegu oko 2.45 GHz i omogućava digitalni prenos podataka na brzinama do 1 Mbps u okviru raspona od 10m. Dizajniran za bežičnu komunikaciju između elektronskih uređaja kao što su mobilni telefoni, kompjuteri, miševi kompjutera, slušalice i štampači, bluetooth je osmišljen od strane švedske kompanije Ericsson, koja je predložila njegove specifikacije u maju 1998. god. Interfejs je nazvan po Harald Bluetooth-u, kralju Danske u desetom veku. Bluetooth radio link je podrazumevan da bude komplement ili čak zamena za postojeći IrDA link. Glavna razlika između IrDA i bluetooth-a je ta da je bluetooth link od jedne tačke ka više tačaka, dizajniran za umrežavanje do osam uređaja, dok je IrDA standard za prenos podataka od tačke do tačke i omogućuje razmenu podataka samo između dva uređaja. U poređenju sa IR talasima, radio talasi imaju veći raspon i njihovu sferičnu propagaciju je lakše osigurati. U laboratorijskim uslovima, bluetooth radio talasi sa dužinom

cmHzsm

fc 13

1045.2103

9

8

se prostiru mnogo bolje od IR talasa dužine 900 nm. Raspon prenosa pomoću bluetooth linka je 10m, ali se može proširiti do 100m povećanjem snage prenosa. Laboratorijski merni sistemi sa bežičnim prenosom podataka mogu biti urađeni sa bluetooth opremljenim digitalnim instrumentima i kompjuterima. Blok dijagram bluetooth primopredajnika je prikazan na slici 8.1. Podeljen je u tri osnovna dela: RF, osnovni opseg i aplikacioni softver. Bluetooth čip obično obuhvata RF i delove osnovnog opsega, sa aplikacionim softverom koji se nalazi u računaru sistema ili u kontroleru. Podaci korisnika se generišu i završavaju u aplikacionom softveru. Sekcija osnovnog opsega manipulira podacima i formira frejmove ili data burst-ove za prenos. Takođe kontroliše frekventni sintetizator shodno protokolu skakanja frekvencije. Blokovi na slici 8.1 su uopšteni a različite konfiguracije predajnika i prijemnika su usvojene od strane različitih proizvođača. Gausov nisko-propusni filter pre modulatora, na primer, može biti digitalno implementiran kao deo kompleksne I/Q modulacije signala ili može biti filter sa diskretnim elementima čiji se izlaz dovodi na kontrolnu liniju frekvencije VCO-a. Slično, prijemnik može biti jedan od nekoliko tipova. Ako je odabrana superheterodinska konfiguracija, filter na izlazu down konvertora će biti propusnik opsega. Prijemnik sa direktnom konverzijom će koristiti niskopropusne filtre na kompleksnim I i Q izlazima down konvertora.

Slika 8.1 Bluetooth primopredajnik

8.1 Parametri bluetooth standarda

Bluetooth radi u radio frekventnom opsegu od 2.402 do 2.4835 GHz, koji je slobodan javni ISM opseg (vidi tabelu 8.1).

139

Tabela 8.1 Slobodni opsezi za industriju, nauku i medicinu (ISM) Frekventni opseg Snaga prenosa Napomene 902 do 928 MHz 10 mW Samo u USA 2,400 do 2,483.5 MHz 10 mW U Evropi, USA i Aziji 5,725 do 5,875 MHz 25 mW U Evropi, USA i Aziji

Slika 8.2 Pikonet formiran sistemom digitalnog prenosa podataka sa bluetooth interfejsom

Javna dostupnost ISM opsega uključuje problem moguće interferencije sa drugim uređajima (kao što su mikrotalasne peći ili daljinska kontrola garažnih vrata) koji rade u ISM opsegu i stoga zahteva neophodnost anti-interferencijske zaštite. Komunikacija u 2.45 GHz opsegu je moguća ili kroz nalaženje dela opsega koji nije u upotrebi ili kroz modulaciju širokog spektra. Bluetooth koristi ovaj drugi metod. Svaki uređaj koji radi u bluetooth interfejs sistemu ima individualnu adresu, koja je poznata kao Bluetooth Device Address (BDA), koja je 32-bitna binarna reč. Više od 2 biliona (232) bluetooth uređaja može biti identifikovano na ovaj način. FSK modulacija se koristi za kodiranje binarnog signala. Logička 1 odgovara vrednosti frekvencije nosioca 160 kHz iznad vrednosti osnovne frekvencije, a logička 0 odgovara vrednosti frekvencije nosioca 160 kHz ispod vrednosti osnovne frekvencije. Dozvoljeni ofset je 160 (-20, +15) kHz. Bluetooth mreža može uključiti do osam uređaja, gde svaki od njih funkcioniše kao predajnik ili prijemnik. Ovaj tip mreže je poznat kao pikonet, kao što je prikazano na slici 8.2. Jedan uređaj u okviru pikoneta deluje kao master, dok su sve druge jedinice pikoneta njegovi slave-ovi. Svaki bluetooth uređaj može biti master ili slave, ali za vreme postojanja pikoneta, on je pokretačka jedinica pikoneta koja deluje kao master. Svaki uređaj može biti deo nekoliko pikoneta. Uređaj može delovati kao master samo u jednom pikonetu i funkcionisati kao slave u bilo kom drugom pikonetu. Nekoliko pikoneta koji imaju zajedničke jedinice formiraju skaternet, a jedan primer je prikazan na slici 8.3.

Slika 8.3 Skaternet sa bluetooth interfejsom: M1 je master pikoneta 1, S1 su slave-ovi pikoneta 1, M2 je

master pikoneta 2, S2 su slave-ovi pikoneta 2

Bluetooth sistem obezbeđuje komunikaciju sa pola dupleksa shodno pravilu jedan po jedan. U okviru jednog vremenskog slota, predajnik može poslati informaciju samo jednom prijemniku, a

140

prijemnik može dobiti informaciju samo od jednog predajnika. Stoga, uređaju koji je deo nekoliko pikoneta su potrebni odvojeni vremenski slotovi za komunikaciju sa drugim uređajima unutar drugih pikoneta.

8.2 Dodeljivanje kanala prenosa po bluetooth standardu Po standardu bluetooth linka koristi se modulacija širokog spektra sa skakanjem frekvencije (FHSS) i baziran je na šemi dupleksa sa vremenskom podelom (TDD). Frekventni opseg od 2,402 do 2,480 MHz omogućava dodeljivanje 79 frekvencijskih kanala sa razmakom između kanala 1 MHz. Sistem deli opseg na kanale sa vrednostima skačuće frekvencije. Šablon skakanja frekvencije je pseudoslučajni i sledi sekvencu sa periodom ponavljanja od 23 časa. Kao dodatak skačućoj frekvenciji, koristi se vremenski slot od 625 s za definisanje kanala prenosa. Jedan paket podataka se prenosi u okviru jednog vremenskog slota. Period skakanja frekvencije je 625 s, što odgovara 1,600 skoka po sekundi. Sekvenca skakanja frekvencije nosioca treba da bude poznata i predajniku i prijemniku koji komuniciraju u okviru pikoneta. Sekvenca skakanja frekvencije je usvojena kao rezultat obrade podataka u prenešenom paketu. U bluetooth interfejs sistemu, podaci se prenose u paketima koji se sastoje iz tri dela, kao što je prikazano na slici 8.4: pristupni kod (access code - AC), zaglavlje paketa (packet header) i tovar (tj. podaci). Pristupni kod sadrži 64-bitnu sinhronizacionu reč (sync word), četiri startna bita (počinju kod) i četiri završna bita (završavaju kod). Informacija o pseudoslučajnoj sekvenci skakanja frekvencije kanala je sadržana u sinhronizacionoj reči. Preciznije, ova informacija se kodira u novu 64-bitnu reč koja počinje sa 40 najviše značajna bita prepisanih iz sinhronizacione reči, preostala 24 bita su rezultat logičke operacije po modulu 2, XOR, koja se izvršava nad 24 najmanje značajna bita sinhronizacione reči i 24 najmanje značajna bita BDA predajnika. 54-bitno zaglavlje paketa obuhvata 3-bitnu aktivnu člansku adresu pikoneta (active member address - AMA), 4-bitnu specifikaciju tipa paketa, jedan bit toka, jedan ARQ bit (automatic repeat request) i bitovi za proveru greške zaglavlja (HEC). Polje za podatke može sadržati od 0 do 2,745 bita. Paketi podataka duži od 2,745 bita se prenose u multislot modu (tj. u tri ili pet vremenska slota).

Slika 8.4 Format paketa podataka u bluetooth prenosu

Frekvencija nosioca ostaje konstantna u multislot prenosu, a po završetku, menja se (skače) da bi uzela istu vrednost, određenu pseudoslučajnom sekvencom, kao što bi uzela pri prenosu paketa do 2,745 bita.

8.3 Komunikacija Do osam bluetooth uređaja može raditi u okviru pikoneta. Komunikacija između jedinica pikoneta se izvodi po konfiguraciji master-slave, a kontrolisana je master-om. Slave jedinice ne mogu komunicirati direktno. Na primer, u pikonetu prikazanom na slici 8.2, komunikacija između mobilnog telefona i slušalica ide preko laptopa, koji deluje kao pikonet master. Mada, pikonet konfiguracija prikazana na slici 8.2 ilustruje raznovrsnost elektronskih uređaja koji mogu biti opremljeni bluetooth-om, pre nego što reprezentuje jedan aktuelan pikonet. U realnosti, mobilni telefon i slušalice najčešće formiraju odvojeni pikonet sa dve komponente. Prenos od master ka slave uvek se javlja u parno numerisanim vremenskim slotovima, dok se prenos od slave ka master uvek javlja u neparno numerisanim vremenskim slotovima. Komunikacija se inicijalizuje prozivanjem slave jedinice od strane master. Poslednja adresa, u formi 3-bitne AMA reči, je

141

sadržana u zaglavlju paketa podataka i koristi se za prozivanje slave. Zapazimo da dužina AMA ograničava broj jedinica pikoneta na 23=8.

8.4 Aplikacije bluetooth-a Kao dodatak njegovoj primeni na polju telekomunikacija, bluetooth može postati standard bežičnog linka mernog sistema. Prednosti bežičnog linka su očigledne. Prvo pre svega, problemi standardizacije spajanja i habanje kontakata su eliminisani, pošto nije potrebno spajanje ni kablovi u bežičnoj komunikaciji (u nekim vezama, kvalitet je garantovan za samo do 1000 veza/prekida). Druga prednost bežičnog interfejsa je mogućnost prenosa podataka sa objekta koji se kreće, naročito koji rotira, u okviru raspona bežičnog interfejsa (10m). Na primer, sa AD konvertorom i bluetooth jedinicom dodatih temperaturnom senzoru, kontaktno merenje temperature rotirajućeg objekta se može vršiti, kao što je prikazano na slici 8.5. Kontaktno merenje poželjnije od bezkontaktnog merenja zbog bolje tačnosti. Bluetooth je takođe testiran u medicinskim merenjima.

Slika 8.5 Bluetooth baziran sistem koji omogućuje kontaktno merenje temperature rotirajućeg objekta

8.4.1 Telemetrijski sistem za merenje temperature klipa u motoru

Za rešavanje problema zagrevanja u motoru automobila [9], merenje temperature klipa igra važnu ulogu. Međutim, usled sredine u kojoj se klip nalazi teško je meriti njegovu temperaturu. Iskoristićemo bluetooth mrežu za istovremeno merenje temperature na više klipova. Rotaciona brzina klipa motora koji radi je preko 6000 obrtaja/min, a njegova temperatura poraste i preko 300C. Temperatura klipa se može meriti na više načina: preko kontaktne tačke klipa sa cilindrom, pomoću elektromagnetne indukcije, preko zglobne veze ili pomoću telemetrijskog sistema baziranom na bluetooth mreži. Telemetrijskim metodom elektronska kola povezana sa senzorom temperature su instalirana u klipu i kreću se zajedno sa njim. Prenos signala je kontinualan. Stabilan i pouzdan bežični link je osnovni deo koji određuje performanse sistema. Bluetooth, kao tehnika prenosa podataka, je usvojen zbog sledećih razloga:

1. Bluetooth se može koristiti za različite aplikacije komercijalnih bežičnih rešenja. 2. Podržava fleksibilno distribuirane ad hoc mreže pikonet i skaternet. 3. Kod bluetooth-a se koristi široki spektar sa frekvencijskim skakanjem (FHSS) visoke brzine

skakanja od 1600 Hz, što objašnjava zašto je robustan u odnosu na šum i interferenciju. Ovo omogućava formiranje bežične mreže u maloj oblasti kao što je na primer motor.

4. Njegov modul je manji od 10x10 mm, što omogućava instalaciju telemetrijskog sistema u maloj i ograničenoj oblasti kakva je na primer klip.

5. Bluetooth zahteva malo energije pošto je inicijalno dizajniran za korišćenje u portabilnim uređajima koje napajaju baterije.

Struktura korišćenog bluetooth sistema

Najosnovniji element bluetooth mreže je čvor. Bluetooth čvor je sastavljen od hosta i host kontrolera. Uobičajeno je da je host kontroler bluetooth modul. Međutim, host može imati

142

raznovrsne forme zavisno od sistema. U telemetrijskom sistemu host je računar ili mikrokontroler. Prvi se zove PC-baziran čvor, a drugi embedded čvor. Drugi važan aspekt bluetooth sistema je distribuiranje paketa protokola. Host kontroler, odnosno bluetooth modul, sadrži samo protokol nižeg sloja. Preostali protokoli višeg sloja su implementirani u hostu. Veza između protokola višeg i nižeg sloja je interfejs host kontrolera (host controller interface - HCI). Transportni sloj koji prenosi HCI pakete može biti različitog tipa kao na primer UART, USB, PCMCIA, itd. U primeru koji obrađujemo transportni sloj je USB u PC-baziranom čvoru i UART u embedded čvoru.

Bluetooth mreža Bluetooth podržava dva tipa mreže, nazvanih pikonet i skaternet. Pikonet je mreža male veličine koja ima do sedam slave čvora na jedan master čvor. Po bluetooth specifikaciji, master sinhronizuje TDD vremenske slotove i kanale sa skakanjem frekvencije sa slave čvorovima i upravlja statusom čvorova i linkova. Ako je čvor N master u pikonetu, pikonet se može predstaviti kao Pico(N), što je grupa slave čvorova u pikonetu. Skaternet je grupa pikoneta. Ako je skaternet sastavljen od n pikoneta čiji su master čvorovi M1, M2,..., Mn respektivno, skaternet se može predstaviti kao

nn MPicoMPicoMPicoMMMScat ,...,,,...,, 2121 Dimenzija skaterneta, tj., broj pikoneta u skaternetu, se izražava kao

nMPicoMPicoMPicod n ,...,, 21 Da bi nekoliko pikoneta formiralo skaternet, potrebni su interfejs čvorovi između pikoneta. Ovi interfejs čvorovi se zovu mostovi. Uobičajeno, mostni čvor pripada dvaju pikoneta i ima dve istovremene uloge. Ako most radi kao master u jednom pikonetu i kao slave u drugom pikonetu u isto vreme, most se zove master-slave most (MS most). Slično, ako most ima dve slave uloge za dva pikoneta, most se zove slave-slave most (SS most). Ako je most između Pico(N1) i Pico(N2) predstavljen kao Bridge(N1, N2), dobija se sledeća relacija

221121, NPicoNNPicoNNNBridge

Struktura telemetrijskog sistema na klipu Šematski prikaz telemetrijskog sistema klipa je prikazan na slici 8.6. Telemetrijski sistem je sastavljen od delova u okolini klipa i delova za akviziciju podataka. Delovi u okolini klipa mogu biti instalirani u svakom od klipova u jednom motoru. Ovo omogućava merenje temperature svih klipova istovremeno u jednom motoru korišćenjem bluetooth mreže.

Slika 8.6 Šematski prikaz telemetrijskog sistema klipa

Delovi u okolini klipa su postavljeni na šipci koja je povezana sa klipom. Oni šalju podatke o temperaturi na sredini ciklusa obrtanja klipa. U nekim telemetrijskim sistemima elektronska kola su instalirana u klipu. Međutim, teško je instalirati elektronska kola u klipu usled velikog termičkog

143

opterećenja. Pošto je klip mali, neki autori su dizajnirali novi tip klipa za instalaciju telemetrijskog sistema. Međutim, došlo se do toga da ima određenih ograničenja kada to primenjujemo u realnom komercijalnom motoru. Povećanje težine uzrokovano instalacijom elektronskog kola u klipu može promeniti pokretne karakteristike klipa. Zato je u predstavljenom telemetrijskom sistemu na slici 8.6 isti instaliran na većem kraju šipke.

Slika 8.7 Tri ploče sa elektronskim kolima u klipnom čvoru

Za merenje temperature u klipu koristi se termopar K tipa, a broj termoparova se može proširiti do 16. Klipni čvor je kolekcija ploča sa elektronskim kolima u telemetrijskom sistemu i predstavlja jedan emdedded čvor, tako da ima mikrokontroler. Klipni čvor je sastavljen od tri ploče, nazvanih senzorska ploča, bluetooth ploča i ploča napajanja (slika 8.7). Senzorska ploča vrši kondicioniranje signala termoparova. Sastavljena je od RC filtra, analognog multipleksera i pojačavača snage. Ima Atmelov mikrokontroler koji ima unutrašnji 10 bitni AD konvertor. Brzina odmeravanja AD konvertora je ograničena brzinom prenosa bluetooth modula. Ako je brzina prenosa bluetooth-a predstavljena kao SBT, a dužina bluetooth paketa načinjenog za prenos 16-kanalnih mernih podataka L, brzina odmeravanja AD konvertora SAD se može dobiti iz relacije

LSS BT

AD 8

Mikrokontroler u senzorskoj ploči ima još jednu ulogu. Deluje kao bluetooth host i stoga sadrži bluetooth protokole višeg sloja. Zatim je povezan sa bluetooth modulom u bluetooth ploči i upravlja konekcijom i statusom bežičnog linka. U isto vreme prenosi merne podatke ka bluetooth modulu posle AD konverzije. Bluetooth ploča je sastavljena od bluetooth modula i antene. Antena je odštampana u vidu šablona na ploči. Bluetooth modul šalje merene podatke primljene od mikroprocesora u etar. Ploča napajanja transformiše induktivni a.c. napon iz generatora u jednosmerni 3.3 V kojim se napajaju druge dve ploče. Signal napona indukovan u generatoru nije kontinualan pošto se generisanje vrši samo u 130 ciklusa klipa, pa se zbog toga koristi kondenzator velike kapacitivnosti. Deo za akviziciju podataka je sastavljen od računara i PC interfejs čvora. Prihvata merne podatke iz klipnog čvora preko bluetooth bežičnog linka i prenosi podatke do PC-a preko USB-a. Tip čvora je PC-baziran čvor i paket protokola višeg sloja je implementiran u PC-u. Samo jedan PC interfejs čvor je potreban po motoru. Ako postoji N klipova u jednom motoru, treba da se instalira N klipnih čvorova, a treba da se formira bežična mreža između svakog klipnog čvora i jednog PC interfejs čvora. Jednostavna formacija mreže je da je jedan PC interfejs čvor master, a da su klipni čvorovi slave. Ovaj tip mreže se zove pikonet i prikazan je kao tip 1 na slici 8.8(a). Međutim, broj slave u jednom pikonetu je ograničen na 7. Stoga, tip 1 mreže ne može biti primenjen na motor koji ima preko osam klipova. U ovom slučaju, primenjuje se tip 2 mreže kao što je ona prikazana na slici

144

8.8(b). U mreži tipa 2 nekoliko čvorova između klipnih čvorova igra ulogu mosta koji deluje kao master za preostale klipne čvorove i takođe kao slave za PC interfejs čvor. U osnovi, ovaj tip mosta se zove master-slave most. Konačno, nekoliko pikoneta je povezano međusobno preko mostova i skaternet je formiran. Topologija skaterneta je drvo. Jedan primer je dat na slici 8.8(b).

Slika 8.8 Dva tipa mreže u telemetrijskom sistemu klipa

145

9. AKUSTIČNA TELEMETRIJA [7]

Bežične podvodne komunikacije se mogu realizovati prenosom akustičkih talasa. Podvodna sredina je jedan od najinteresantnijih i najizazovnijih medijuma za komunikaciju. Ovi izazovi uključuju ograničenu širinu opsega, vremensku i spektralnu disperziju usled prostiranja po više putanja i promenljivost sinhronizacije kanala. Dostupna širina opsega je ograničena zbog frekventno zavisnih absorpcionih osobina podvodne sredine pošto su više frekvencije više oslabljene od nižih frekvencija i takođe kao funkcija rastojanja od predajnika do prijemnika. Drugo razmatranje koje se odnosi na širinu opsega je snaga primljenog signala, koja se smanjuje kao funkcija rastojanja kao i usled prisutnog šuma na prijemniku usled ambijentalnih i ljudski načinjenih (sintetičkih) komponenata šuma. Širina opsega, gubitak u prenosu signala usled rasejanja i absorpcije, i šum su parametri koji se koriste prilikom određivanja odnosa signal-šum (SNR) na prijemniku. Ono što komplikuje ovu sliku u podvodnoj sredini je prostiranje signala po više putanja. Prostiranje signala po više putanja se može definisati kao jedna ili više duplih slika signala koje stižu u prijemniku sa vremenski promenljivim amplitudskim i faznim karakteristikama. Ovo dupliranje signala nastaje usled refleksije od površine, dna i drugih objekata kao i usled distorzije akustičnog talasa zbog varijacija brzine zvuka u podvodnoj sredini. Jedan od prvih akustičnih komunikacionih sistema je bio podvodni telefon ili UQC. Ovo je bio glasovni link uske širine opsega (8-11 kHz) razvijen 1945. godine. Korišćen je za komunikaciju sa podmornicama na dubini od nekoliko kilometara. Međutim, savremena tehnologija sa pronalaskom minijaturizovanih, male snage, digitalnih procesora signala (DSP) i portabilnih računara koji se mogu implementirati i podržati kompleksne algoritme obrade/komunikacije signala je dovela do poboljšanja kvaliteta, povećanja propusnosti i povećala broj vojnih i komercijalnih telemetrijskih aplikacija. Dostižna propusnost podataka i pouzdanost podvodnog akustičnog komunikacionog sistema, merena na osnovu brzine bitskih grešaka, varira od sistema do sistema, ali je uvek zavisna od ograničenja širine opsega okeanskog kanala. Za razliku od većine drugih komunikacionih medija, korišćenje podvodnih akustičnih resursa još uvek nije regulisano standardima. 9.1 Opis telemetrijskog sistema Telemetrijski podaci mogu imati različite oblike i sadržaj. Podaci o trenutnoj brzini, podaci o brzini zvuka, podaci o slanosti, pritisku, ubrzanju, temperaturi, stanju sistema, digitalni zvuk, interaktivni tekst, slike i video, su jasni primeri raznovrsnosti podataka koje telemetrijski sistem treba prenositi sa jedne tačke na drugu. Da bi se prevazišle poteškoće vezane za vremenski promenljivu disperziju po više putanja, dizajn komercijalno dostupnih podvodnih akustičnih komunikacionih sistema se do sada uglavnom oslanjao na korišćenje nekoherentnih modulacionih tehnika i metoda signalizacije koje obezbeđuju relativno malu propusnost podataka. U skorije vreme, fazno koherentne modulacione tehnike, zajedno sa nizom procesiranja koji eksploatiše prostornu disperziju po više putanja, su se pokazale kao efikasno sredstvo za efikasnije korišćenje širine opsega podvodnog akustičnog kanala. Pristupi dizajnu sistema variraju shodno tehnici korišćenoj za prevazilaženje efekata intersimbolske interferencije i varijacija faze signala. Ove tehnike mogu biti klasifikovane shodno (1) dizajnu signala (tj. izboru metoda modulacije/detekcije) i (2) strukturi predajnika/prijemnika (tj. izboru metoda u nizu procesiranja i metoda ekvalizacije). Nekoherentna detekcija FSK (digitalna frekventna modulacija) signala se koristi za kanale koji su izloženi brzim varijacijama faze kao što su kanali velikog i srednjeg raspona u plitkoj vodi. Da bi se prevazišla ISI, postojeći nekoherentni sistemi koriste dizajn signala sa zaštitnim intervalima, koji su umetnuti između susednih impulsa da bi se osiguralo da sva reverberacija (eho) nestane pre prijema svakog narednog impulsa. Ubacivanje vremenskih intervala očigledno dovodi do redukcije raspoložive propusnosti podataka. Zatim, pošto je feding korelisan između frekvencija odvojenih manjom od širine koherentnosti (inverzno širenju po više putanja), poželjno je da samo oni frekventni kanali koji su odvojeni sa više od širine koherentnosti se koriste u isto vreme. Ovaj

146

zahtev dodatno smanjuje efikasnost sistema osim ako se ne primeni neki tip kodiranja tako da susedne, istovremeno emitovane frekvencije pripadaju različitim kodnim rečima. Reprezentativni telemetrijski sistem sa maksimalnih 5 kbps koristi tehniku višestruke FSK modulacije u opsegu 20-20 kHz. Ovaj opseg je podeljen u 16 podopsega, a u svakom od njih se emituje 4-FSK signal. Stoga, od ukupnih 64 kanala, 16 se koristi istovremeno za paralelni prenos 32 bita informacija (2 bita informacija po jednom 4-kanalnom podopsegu). Ovaj sistem je uspešno korišćen u horizontalnoj putanji od 4 km u plitkoj vodi i u vertikalnoj putanji od 3 km u dubokom okeanu. Takođe je korišćen na 1 km dugoj putanji u plitkoj vodi, gde je postignuta verovatnoća bitske greške reda 10-2 - 10-3 bez kodiranja. Perfomanse sistema se mogu poboljšati korišćenjem kodiranja sa korekcijom greške (ECC); međutim biće smanjena propusnost podataka. Ovaj višestruki FSK sistem je komercijalno dostupan sa maksimalnim brzinama podataka do 1200 bps. Mada efikasnost širine opsega ovog sistema ne prelazi 0.5 bps/Hz, nekoherentni FSK je dobro rešenje za aplikacije kod kojih se zahtevaju srednje brzine podataka i robustne performanse. Poboljšani FSK sistem koristi 128 podopsega i ima kodiranje. Osnova njegovog metoda kodiranja je Hadamard H(20,5) kod, u kojem svaka 5 ulazna bita su kodirana u 20 izlazna bita (minimalno odstojanje ovog koda je 10). Kodirani bitovi diktiraju izbor aktivnih podopsega za prenos date kodne reči. 20 podopsega koji se istovremeno koriste se bira (između 128 dostupnih) tako da budu maksimalno odvojeni, što osigurava najmanje korelisani feding i stoga obezbeđuje raznovrsnost na vremenski promenljivim podvodnim kanalima. Zbog njihove robustnosti i jendostavnosti implementacije, nekoherentni metodi signalizacije su dalje razvijani i implementiran je sistem koji koristi multipleksiranje sa ortogonalnom raspodelom frekvencije (OFDM) realizovan sa DFT (diskretna furijeova transformacija) baziranom bankom filtara. Ovaj sistem je korišćen na kanalima srednjeg raspona; međutim, zbog velike frekventne odvojenosti kanala (samo svaki četvrti kanal se koristi) i relativno dugih zaštitnih intervala (10 ms zaštitni intervali sledi posle impulsa od 30 ms), potrebnih za kompenzaciju feding distorzije po više putanja, efektivna brzina podataka je samo 250 bps. Sa ciljem povećanja efikasnosti širine opsega podvodnog akustičnog komunikacionog sistema, fokus istraživanja je pomeren ka tehnikama fazno koherentne modulacije, kao što je PSK (digitalna fazna modulacija) i QAM (kvadraturna amplitudna modulacija). Fazno koherentni metodi komunikacije su se pokazali kao povoljan put ka postizanju prenosa podataka velike brzine preko nekoliko podvodnih kanala. Zavisno od metoda sinhronizacije nosioca, fazno koherentni sistemi se dele u dve kategorije: diferencijalno koherentni i čisto fazno koherentni. Prednost korišćenja diferencijalno kodiranog PSK (DPSK) sa diferencijalno koherentnom detekcijom je jednostavan oporavak nosioca koji omogućuje; međutim, ima gubitak performansi u poređenju sa kohrentnom detekcijom. Većina postojećih sistema koristi DPSK metode za prevazilaženje problema ekstrakciju faze nosioca i praćenje. Sistemi u realnom vremenu su implementirani uglavnom za aplikacije u vertikalnim kanalima i veoma malog raspona, gde je malo širenje po više putanja i fazna stabilnost dobra. U kanalu veoma kratkog raspona, gde je dostupna širina opsega od 100 kHz i stabilnost signala dobra, reprezentativni sistem radi na preko 60 m pri frekvenciji nosioca od 1 MHz i brzinom podataka od 500 kbps. Ovaj sistem je korišćen za komunikaciju sa podvodnim robotom koji vrši održavanje potopljene platforme. Koristi se 16-QAM modulacija i performanse su poboljšane adaptivnim ekvilajzerom. Linearni ekvilajzer koji radi po algoritmu najmanjih kvadrata (LMS) koji je dovoljan za smanjenje brzine bitske greške od 10-4 na 10-7 na ovom kanalu. Vertikalni kanal u dubokom okeanu se koristi u sistemu za prenos slika. To je jedan 4-DPSK sistem sa frekvencijom nosioca 20 kHz, sposoban za postizanje 16 kbps prenosa od dna do površine na preko 6500 m. Testiranja ovog sistema su pokazala dostižnu brzinu bitske greške reda 10-4 sa linearnim ekvilajzerom koji radi po LMS algoritmu. Drugi primer uspešno implementiranog sistema za prenos po vertikalnoj putanji je sistem za prenos podataka i podvodnih slika. On koristi binarnu DPSK modulaciju na brzini od 19.2 kbps. Frekvencija nosioca od 53 kHz je korišćena za prenos na preko 2000 m. Za primene u plitkoj vodi kanala srednjeg raspona, binarni DPSK sistem koristi širokopojasni metod direktne sekvence (DSSS) da razloži snažnu refleksiju od površine posmatranu u 1 km dugom, 10 m dubokom kanalu. Refleksija interferencije je samo odbijena, a ne iskorišćena

147

za rekombinovanje po više putanja. Postiže se propusnost podataka od 600 bps u okviru širine opsega od 10 kHz. Noviji sistemi sa fazno koherentnom podvodnom komunikacijom koriste čisto fazno koheretnu modulaciju i principe detekcije 4-PSK signala. Signali se emituju na 5 kbps, korišćenjem frekvencije nosioca od 15 kHz. Telemetrijski sistem se sastoji od predajnika i prijemnika. Tipični format prenosa je prikazan na slici 9.1, a tipični blok dijagram predajnika je prikazana na slici 9.2.

Slika 9.1 Tipični telemetrijski paket prenosa

Slika 9.2 Blok dijagram akustičnog telemetrijskog predajnika

Prvi deo prenosa je sinhronizacioni signal koji se koristi za detektovanje prisustva telemetrijskog signala i lokaciju podataka u okviru telemetrijske sekvence. Sinhronizacioni signal može biti velike vremenske širine opsega "kratak oštar zvuk" ("chirp") ili diferencijalni ili binarni digitalno fazni modulisani (DPSK ili BPSK) signal sa dobrim osobinama autokorelacije i međukorelacije. Zaštitni vremenski intervali se koriste posle sinhronizacionog signala i podaci pre sledećeg sinhronizacionog signala da bi se ublažili efekti prostiranja po više kanala. Kratka trening sekvenca prati prvi zaštitni vremenski interval i koristi se za treniranje adaptivnog ekvilajzera prijemnika, specijalno, sledi kompenzacija kanala za modulisane podatke. Alternativno, podaci mogu biti prenešeni digitalnom frekventnom modulacijom (FSK) ili digitalnom multifrekvencijskom modulacijom (MFSK) ili modulisanim signalima širokog spektra. Doplerov prateći ton se može superponirati telemetrijskom paketu radi Doplerove kompenzacije na strani prijemnika ili se može izračunati iz samog sinhronizacionog signala. Opcioni probni kanal u nekim telemetrijskim sistemima se koristi povremeno pre slanja telemetrijskog paketa ili za merenje karakteristika kanala tako da prijemni sistem može to iskoristiti. Blok dijagram predajnika na slici 9.2 pokazuje generisanje sinhronizacionog signala, kodovanje i interleaving binarnih podataka, kao i modulaciju binarnih podataka u simbole prenosa kao i pojačavač snage i električno/akustični pretvarač. Blok dijagram akustičnog telemetrijskog prijemnika je prikazan na slici 9.3. Zadatak prijemnika je da ublaži, kompenzuje negativne efekte podvodnog kanala na prenešeni telemetrijski signal. Prijemnik sadrži konverziju akustike u elektriku preko hidrofona, filtriranje, pojačavanje, detekciju, sinhronizaciju i Doplerovu kompenzaciju. Filtriran, pojačan, sinhronizovan i Doplerovski korigovan signal je zatim predstavljen demodulatoru za izvršavanje obrade u osnovnom opsegu. Signal osnovnog opsega je zatim propušten detektoru simbola koji u slučaju koherentnih signala uzima oblik adaptivnog ekvilajzera ili banke filtara za frekvencijski bazirane inkoherentne sisteme ili set korelatora za širokopojasne (DSSS) signale direktne sekvence. Prateći proces detekcije bita ili simbola, dekodiranje se može izvršiti ako su podaci kodirani u predajniku. Ova dekoderska etapa vrši pretraživanje radi korekcije grešaka koje mogu još uvek postojati posle etape detekcije simbola/bita.

Slika 9.3 Blok dijagram akustičnog telemetrijskog prijemnika

148

9.2 Akustični telemetrijski modemi Danas postoje nekoliko komercijalno dostupnih akustičnih telemetrijskih modema. Ovi modemi podržavaju komunikacione tehnike kao što su FSK, MFSK, široki spektar i šeme koherentne signalizacije kao što su BPSK i QPSK. Zatim, ovi modemi obezbeđuju različite osobine, a glavne među njih su širina opsega i brzina podataka. Tabela 9.1 pokazuje kratko poređenje ovih telemetrijskih modema i njihove glavne osobine. Tabela 9.1 Komercijalno dostupni telemetrijski modemski sistemi

Projektovanje akustičnih modema zahteva prevazilaženje dva izazova: (1) kompleksno procesiranje je potrebno za prevazilaženje prepreka predstavljenih u podvodnom akustičnom kanalu i (2) većina akustičnih modema se napajaju baterijski i stoga moraju raditi sa minimalno energije. Napredak u procesorima digitalnih signala (DSP) male snage učinili su mogućim komercijalno dostupne akustične modeme. Slika 9.4 je blok dijagram tipičnog akustičnog modema. DSP je glavna komponenta modema i implementira softver obrade signala koja se zahteva za generisanje emitovanih signala i procesiranja neophodnog za obradu primljenih signala.

Slika 9.4 Blok dijagram tipičnog Benthos akustičnog modema

DSP generiše emitovani signal i šalje ga D/A konvertoru. Analogni izlaz D/A se zatim odvodi do pojačavača snage, koji podiže nivo emitovanog signala da bi se generisalo dovoljno akustične energije ili nivo izvora na pretvaraču. Nivo emitovanog signala se može podešavati, omogućujući kontrolu snage prilikom isporučenja dovoljnog ali ne i prekomernog SNR-a na prijemnku. Kontrola snage obezbeđuje sigurnost prenosa, čuvanje energije i poboljšano umrežavanje sa višestrukim pristupom. Pojačavač snage pokreće predajnik/prijemnik (T/R) mrežu i usaglašavanje mreže. T/R mreža sprečava oštećenje osetljivog prijemnika velikim emitovanim talasima, a usaglašavanje mreže se koristi za usklađivanje izlazne impedanse pojačavača snage sa

149

impedansom pretvarača. Pretvarač je piezoelektrični, keramički, koji konvertuje električni emitovani signal u akustični signal. Primljeni akustični signali su obično veoma mali i prolaze kroz T/R mrežu do predpojačavača. Izlaz predpojačavača se dovodi u ili prijemnik ili širokopojasni pojačavač, zavisno od moda DSP-a. DSP radi u ili modu male snage ili u aktivnom modu. U modu male snage, DSP pokreće spori takt i sve funkcije su pogašene osim logike buđenja. Ovo omogućuje modemu da radi u standby modu sa veoma malim odvođenjem struje. U aktivnom modu, DSP pokreće brzi takt, omogućavajući obradu svih pristiglih akustičnih signala. Primljeni signal može imati veliki dinamički raspon. Stoga, automatska kontrola pojačanja (AGC) se koristi za održavanje skoro konstantnog nivoa signala na ulazu A/D. AGC je kontrolisana od strane DSP-a, koji meri nivo signala na A/D. Veliki signali su oslabljeni a pojačanje je primenjeno na manje signale. Brzina odmeravanja A/D konvertora je podešena dosta više da bi se smanjila potreba za skupe antialiasing filtre. Druge periferije obuhvataju serijski interfejs i sposobnost logovanja podataka. Serijski interfejs omogućava kontrolu modema od strane host PC-a ili drugog procesora preko standardnog RS-232 ili RS-422 interfejsa. RS-232 omogućuje konekciju sa većinom PC-a i instrumenata na brzinama 9600 bauda. RS-422 omogućava da elektronika modema bude bliže smeštena pretvaraču, omogućujući host PC-u ili instrumentu da bude nekoliko kilometara od elektronike. Ovo omogućuje alternativu lošim, šumnim analognim konekcijama sa pretvaračem preko dugih kablova. Sposobnost logovanja podataka koristi 900 kB memorije dostupne za baferovanje i smeštanje dolazećih podataka. U mnogim aplikacijama, poželjno je memorisati podatke na neko vreme pre akustičnog prenosa. Elektronika modema se može upakovati u raznovrsnim konfiguracijama. Najednostavnija konfiguracija je modemska ploča prikazana na slici 9.5. U ovoj konfiguraciji, odštampana ploča je montirana na šasiju i eksterno se napaja. Obično se ova konfiguracija koristi u aplikacijama originalnog proizvođača opreme (OEM), gde se modem integriše sa instrumentacijom drugog proizvođača. Druga konfiguracija je pakovanje modema sa baterijama u zatvorenom kućištu za podvodnu primenu. Zahtevana dubina vode ili pritisak određuju tip kućišta. Slika 9.5 pokazuje ATM-885 akustični modem upakovan u aluminijumsko kućište za maksimalne dubine 2000 m. Zapazimo da kućište ima konektor za eksterno napajanje i serijski interfejs za vezu sa host opremom. Za rad na palubi elektronika može takođe biti instalirana u AC napajanom dekboksu ili 19-inčnom reku. Oprema na palubi koristi udaljeni pretvarač. Slika 9.5 pokazuje fotografije AC napajanog dekboksa i udaljenog pretvarača. Zadnja opcija je da elektronika modema bude upakovana u plovku koji sadrži RF modem i GPS prijemnik. Pretvarač modema visi ispod plovka, a bilo koji podaci primljeni modemom su prenešeni preko RF linka do stanice na obali i obrnuto.

Slika 9.5 Komponente modema ATM-88x: (a) OEM ploča; (b) ATM-885; (c) ATM-881 dekboks; (d)

udaljeni pretvarač

150

9.3 Aplikacije telemetrijskih sistema Brojne telemetrijske aplikacije se mogu naći u skorašnjoj istoriji akustične telemetrije mada uglavnom počinju 80-tih godina posle značajnih istraživanja u oblasti inkoherentnih FSK sistema. DATS sistem je bio sposoban da radi sa brzinama podataka do 1200 bita po sekundi (bps). Koncept korišćenja akustične telemetrije za nadgledanje i kontrolu naftnih bušotina je testiran i korišćen na dubini od 100m ispod površine vode i na horizontalnim rastojanjima od 2 nautičke milje. Nadgledanje i kontrola nafte od ovog trenutka do danas koriste akustičnu telemetriju da bi se smanjili troškovi održavanja i rada. 1989. godine je demonstriran vertikalni akustični telemetrijski link koji se može postaviti ka podvodnom robotu koji je upotrebljen kao zamena gnjurcima prilikom održavanja potopljenih platformi. 1991. godine Okeanografski institut WHOI je povezao akustični telemetrijski eksperiment korišćenjem njihovog akustičnog modema (UAM) za sakupljanje senzorskih podataka tokom 6 meseci razvoja. Ovaj telemetrijski sistem, koji se koristi i danas, je baziran na TMS30C44 DSP tehnologiji i predstavlja promenljivi, konfigurabilni uređaj za autonomne i usidrene telemetrijske aplikacije. Do 90-tih godina tehnologija akustične telemetrije koristi nekoherentne modeme. Jedan od najnaprednijih ovakvih sistema, nazvan Telesonar i razvijen od strane Datasonics, koristi MFSK tehniku koja primenjuje Hadamard kodiranje kao i konvoluciono kodiranje i šablone frekventnog skakanja (frequency-hopping). Prvi pokušaj koji koristi faznu koherentnu signalizaciju je načinjen 1989. godine i tehnike minimalne ekvalizacije na prikupljene telemetrijske slike i komande između broda na površini vode i podvodnog robota. Kvadraturna amplitudska modulacija (QAM) je korišćena sa brzinama prenosa do 500 kbps i širinom opsega 125 kHz centriranog oko 1 MHz. Novo istraživanje je dovelo do uspešne komunikacije kako u horizontalnim tako i u vertikalnim kanalima sa većim brzinama podataka korišćenjem efikasne MPSK i MQAM modulacije. 1994. godine je opisan prototip digitalnog, akustičnog podvodnog telefona koji kompresuje podatke pre slanja. Jedan od najnaprednijih akustičnih telemetrijskih sistema je razvijen od strane USA mornarice i ovaj taktički sistem može koristiti nekoherentne kao i koherentne modulacione/demodulacione tehnike sa višestrukim nizovima senzora na ulazu i koristi se za mnoštvo aplikacija u mornarici, kao što je prenos glasa, teksta i video signala između dva UUV (podvodna vozila bez operatera), UUV-a i brodova na površini, UUV-a i podmornice, brodova i podmornice, između dve podmornice itd. Ovi telemetrijski linkovi su uspostavljeni sa različitim brzinama podataka do 20 kbps, rade u nekoliko nisko, srednje i visoko frekventnih opsega na daljinama od 2km u plitkoj vodi, 3.7 - 5.6 km na visokim frekvencijama i 37 - 124 km na srednjim frekvencijama u dubokoj vodi. Sve više raste interesovanje za primenu akustične telemetrije u pravljenju podvodnih mreža sa point-to-point telemetrijskim linkovima. Slikovito predstavljanje jedne podvodne akustične telemetrijske mreže je prikazano na slici 9.6. Tipično, ovi sistemi koriste jednu ili više od sledećih šema za višekorisnički pristup: višestruki pristup sa vremenskom raspodelom (TDMA), višestruki pristup sa frekvencijskom raspodelom (FDMA) i višestruki pristup sa kodnom raspodelom (CDMA) sa slojem protokola višeg nivoa koji često koristi ARQ i handshaking ("rukovanje") metodologije.

Slika 9.6 Dijagram podvodne akustične telemetrijske mreže

151

9.3.1 NUWC modem određenog opsega NUWC telemetrijski sistem određenog opsega je grupa podvodnih modema akustične telemetrije razvijena od strane Naval Undersea Warfare Center Division (NUWC). Modemi su razvijeni kao deo podvodnog telemetrijskog projekta podmornica koji bi trebali da omoguće robustnu dvosmernu podvodnu akustičnu komunikaciju podsistema za podvodno testiranje i procenjivanje. Cilj je bio da se napravi akustični modem koji može pouzdano komunicirati sa objektima ispod površine brzinama podataka oko 1 kbps na razdaljinama do 2 nautičke milje u plitkoj i dubokoj vodi uz održavanje praćenja vozila. Širina opsega sistema i centralne frekvencije su ograničeni, kao i izbor pretvarača koji će se koristiti. Prijemni hidrofoni raspoloživi u datom rasponu su obično široki prostorno i kružni, a dostupni predajnici su takođe često kružni. Modemi određenog opsega moraju se osloniti na adaptivnu ekvalizaciju, uparenu sa vremenskom redundansom i šemama za korekciju grešaka da bi se postigla robustna podvodna komunikacija. Cena ovih tehnika je smanjena brzina podataka. Iako sistem emituje pri 4000 bps, maksimalne održive brzine prenosa podataka su oko 900 bps sa upola brzim kodovanjem i 1800 bps bez kodovanja. Fizički, svaki modem je VME šasija sa laptop računarom koji služi kao korisnički interfejs. VME šasija je kontrolisana sa FORCE-5CE CPU koji pokreće SUN OS 4.1.3-u1. Šasija takođe sadrži hard disk, VME takt i sinhronizacionu ploču (VCAT) koja služi kao glavni eksterni takt, opcionalnu GPS ploču za sinhronizaciju prenosa sa GPS vremenskom referencom, kao i dva oktalna TMS320C40 procesora za obradu digitalnog signala kao što je prikazano na slici 9.7.

Slika 9.7 Blok dijagram šasije NUWC telemetrijskog modema

Svaki modem ima predajnik i prijemnik. Predajnik se oslanja na dva TMS320C40 procesora. On čita binarne podatke iz bafera na UNIX domaćinu, zatim paketizuje i (opcionalno) konvoliciono kodira podatke. Prenošeni signal je digitalno sintetizovan, digitalno-analogno konvertovan i emitovan u vodu. Slika 9.1 pokazuje format prenosa. Svaki jedno-sekundni paket podataka je poslat redundantno po šemi vremenske razlike da bi se poboljšala robustnost prijemnika. Prijemnik za sistem je ekvilajzer adaptivnog odlučivanja sa povratnom petljom i sa digitalnom petljom fazno zaključanom (DFE-DPLL). Prijemnik je implementiran korišćenjem osam TMS320C40 procesora za obradu digitalnog signala i sadrži četiri funkcionalna bloka: detekcija paketa i sinhronizacija, Doplerova procena i kompenzacija, kompleksna demodulacija i ekvalizacija. Viterbijevo dekodiranje (ako se zahteva) se izvodi na UNIX domaćinu. Pošto je okean veoma nestacionarna, vremenski promenljiva sredina, dva prenosa istog paketa podataka, dovoljno vremenski odvojena, idu preko nezavisnih kanala da bi stigli do jednog senzora. Jednom kada redundantni paketi podataka stignu do senzora, mrežni efekat je u osnovi ekvivalentan prostornoj različitosti. Algoritam adaptivnog ekvilajzera ima više ulaza gde svaki ulaz sadrži istu informaciju koja je primljena preko nezavisnih putanja. Cena vremenske različitosti je smanjenje brzine podataka, ali je često esencijalno za telemetriju sa malo grešaka. 9.3.2 MDR Ovde se NUWC modemi određenog opsega koriste za akustično prenošenje podataka sakupljenih za vreme vežbe na velikoj dubini sa mobilnim objetkom (MDR) od zaronjene podmornice do usidrenog broda kao što je prikazano na slici 9.8. MDR predstavlja jedno od

152

inicijalnih korišćenja ovog modemskog sistema. Jedna modemska šasija sa laptop interfejsom je podešena za analizu podataka i nalazi se u stanici za analizu na brodu. Ona ima pristup izlazima 18 omnidirekcionalnih hidrofona koji su postavljeni u dva vertikalna kraka MDR niza kao što je prikazano na slici 9.8. Određeni broj fajlova sa ASCII podacima koji sadrže podatke za konfiguraciju pozicije i testiranje se emituje iz podmornice koja se testira i prihvata se vertikalnim nizom hidrofona. Prijemnik akustičnog telemetrijskog modema je bio uspešan u dekodiranju fajlova podataka sa nekoliko ili bez grešaka.

Slika 9.8 Konfiguracija mobilne telemetrije na velikoj dubini 9.3.3 SETI VTP Program virtuelnog torpeda u podmornici je inicijalna implementacija projekta taktičke integracije sintetičke okoline (SETI). SETI projekat promoviše korišćenje napredne distribuirane simulacije (ADS) za kreiranje trening mogućnosti visoko osetljivog protivpodmorničkog ratovanja (ASW) korišćenjem živih meta, sintetičkih torpeda i taktičkih i trening sistema na podmornici u realnoj spoljašnjoj okolini. Cilj VTP projekta je omogućenje interakcije podmornica u realnom vremenu sa simuliranim torpedima. SETI VTP konceptualni crteži su prikazani na slikama 9.9 i 9.10. Demonstrirane osobine uključuju (1) šifrovanu, dvosmernu, puni dupleks, razmenu podataka između zaronjene podmornice i simuliranih objekata preko WAN-a koji uključuje modeme određenog opsega i satelitski link; (2) kontrola lansiranja simuliranih torpeda u podmornici iz simuliranih objekata i prijem taktičkih podataka o oružju iz lansiranog oružja i (3) korišćenje dva alternativna metoda komunikacije, protokole distribuirane interaktivne simulacije (DIS) i arhitekture visokog nivoa (HLA) pokrenute infrastrukture (RTI) za prenos podataka o oružju i o poziciji između podmornice i simuliranih objekata.

Slika 9.9 Ilustracija SETI VTP koncepta telemetrijskog linka

Slika 9.10 SETI VTP telemetrijska konfiguracija na brodu/obali

153

9.3.4 Podvodni akustički ECG telemetrijski sistem baziran na mikrokontroleru Ovde je predstavljen podvodni akustički telemetrijski sistem [10] za digitalni prenos elektrokardiograma (ECG) baziran na mikrokontroleru. Sistem je dizajniran da radi u realnom vremenu, prenosom podataka kroz vodu, i korišćen je u početku za prenos brzine rada srca, brzine disanja i dubine ronioca u multipleksiranom formatu. Programabilna sposobnost sistema omogućuje efektivno rešenje problema prenosa podataka u prisustvu interferencije zbog više prenosnih puteva. Akustička telemetrija je najpraktičniji metod za podvodni fiziološki monitoring. Glavni tehnički problem je prevazići interferenciju zbog više prenosnih puteva koja je uopšteno prisutna u određenom stepenu u svakom podvodnom kanalu; ovo može uzrokovati ozbiljno izobličenje primljenih signala usled faznih i amplitudskih fluktuacija. Korišćenje programirane inteligencije i serijskog prenosa bita omogućuje akviziciju, kodiranje i telemetriju kontinualnih podataka, na primer analognog signala kakav je ECG, kao i naizmeničnih podataka kakvi su impulsi koji predstavljaju rad srca, brzinu disanja i dubinu. Sistem može koristiti dve šeme kodiranja, impulsnu kodnu modulaciju (PCM) ili impulsnu pozicionu modulaciju (PPM), i koristi on-off keying (OOK) prenos u burst-modu.

Slika 9.11 Višekanalni podvodni akustički telemetrijski sistem

Sistem prikazan na slici 9.11 je razvijen za fiziološki monitoring ronioca korišćenjem digitalnih akustičkih podvodnih telemetrijskih tehnika. I predajnik i prijemnik sadrže identični 8-bitni Intel 87C51 mikrokontroler u jednom čipu; vidi sliku 9.12.

Slika 9.12 Na predajniku vidimo jedan čip Intel 87C51 mikrokontrolera

Mikrokontroler u predajniku kontroliše digitalno kodovanje i sekvenciranje signala sa tri senzora (više principijelno) dodeljivanjem različitih prioriteta prekidnim nivoima. On takođe kontroliše akustički prenos ovih signala multipleksiranjem on-off keying odvojenih nosećih frekvencija za svaki biomedicinski ili fizički parametar. Identična hijerarhija prioriteta prekida je implementirana u mikrokontroleru prijemnika da se postigne maksimum vremenske preciznosti i minimum grešaka podataka. Sve frekvencije su kontrolisane kristalom i mogu se zameniti reprogramiranjem dva mikrokontrolera. Pažnja je fokusirana na telemetriju ECG zbog pojedinačnih problema vezanih za emitovanje kompleksnog analognog signala.

154

Modularna programabilna konfiguracija sistema sreće dva glavna kriterijuma za dizajn za podvodne akustičke telemetrijske sisteme:

1. pouzdana detekcija, koja je zavisna od opsega (daljine), noseće frekvencije i akustičke snage, kao što je formulisano sonarnim jednačinama

2. telemetrijski link imun na prenos preko više puteva koji omogućuje detekciju željenih signala (direktni kanal) u prisustvu višekanalnih eha.

Kompletni predajnik je enkapsuliran u kućište zaštićeno od pritiska unutar odela ronioca. Različiti fiziološki signali se zahtevaju od odgovarajućih senzora. Pojačani i filtrirani signal se zatim odmerava na 200Hz korišćenjem brzog 8-bitnog analogno digitalnog konvertora povezanog za emitujući procesor. Softver kontroliše QRS detekciju i osobine ekstrakcionog procesa, praćenog PCM ili PPM kodiranjem podataka primenjenog na odmerene signale. Kodirani signali se zatim emituju OOK prenosom korišćenjem pojačavača snage klase E da pokrene akustički projektor. Glavna funkcija prijemnika je da skenira akustičke frekvencije prikupljene hidrofonom i da obezbedi logički ulaz u procesor prijemnika, koji je sinhronizovan sa prekidnim telemetrijskim protokolom pomenutim gore i obezbeđuje vremensku kontrolu i digitalno impulsno dekodiranje za svaki parametar posebno. Prijemnik je opremljen digitalno-analognim konvertorom, automatskom kontrolom pojačanja i niskopropusnim filtrom za rekonstrukciju ECG signala, i povezan je za prenosivi višekanalni data logger preko RS-232 za prenosivi laptop računar.

Slika 9.13 QRS detektor u realnom vremenu i DPCM enkoder

Razvoj softvera je obuhvatio kodiranje/dekodiranje signala, komunikacione protokole i rad sa memorijom, programiranje je izvedeno korišćenjem Assembly koda, zatim je testirano korišćenjem In-Circuit Emulatora (ICM) za Intel 87C51 mikrokontrolere. Slika 9.13 ilustruje QRS detekciju i proces digitalnog kodovanja. Dok je ovde ilustrovano za PCM, proces je jednako primenljiv za PPM. Jedan primer rekonstrukcionog procesa urađenog u prijemniku je prikazan na slici 9.14. Slika 9.15 pokazuje vremenski dijagram za digitalno PPM kodiranje. Deset PQRST odmeraka su selektovani za kodiranje i prenos. PPM metodom, svaki PQRST frejm odmerka je podeljen u 2N moguća vremenska slota. Emitujući impuls (pulse) zauzima samo jedan od ovih vremenskih slota, čija širina slota je frakcionalno veća od pulse, njegova pozicija indicira vrednost pojedinačnog odmerka.

Slika 9.14 Primljeni PCM impulsi i rekonstruisani ECG u prijemniku; (a) primljeni PCM

impulsi, uključujući 7-bitnu sinhronizacionu reč; (b) rekonstruisani ECG pre filtriranja; (c) rekonstruisani ECG posle filtriranja

155

Slika 9.15 ECG digitalno kodiranje i format prenosa

156

10. VIRTUELNA INSTRUMENTACIJA U TELEMETRIJSKIM SISTEMIMA 10.1 Funkcionalni model virtuelnog instrumenta [15] Moderni merni sistemi za akviziciju i obradu podataka kombinuju tri osnovne funkcionalnosti:

Akvizicija podataka. Obično je obuhvaćeno nekoliko mernih veličina, koje opisuju ponašanje objekta merenja; one se odmeravaju istovremeno ili sekvencijalno, u većini slučajeva multipleksiranjem mernih signala preko nekoliko analognih kanala (8, 16, 32 ili više) radi dalje konverzije u zajedničkom analogno-diugitalnom konvertoru. Ova funkcija se hardverski implementira pomoću modularnih DAQ kartica (slika 10.1);

Slika 10.1 Komponente sistema za akviziciju podataka

Analiza podataka pomoću algoritama za obradu rezultata iz više sjedinjenih ili kombinovanih merenja i specifične procedure za merenje i računanje koje eliminišu sistematske greške, zavisno od merene veličine i okoline u okviru koje se merenja izvode. Obično oba funkcija zahteva izvršavanje velikog broja računskih i logičkih operacija u cilju smanjenja početne neodređenosti veličine koja se meri njenim poređenjem sa takozvanom najverovatnijom vrednošću veličine i intervalom rezidualne neodređenosti – standardne devijacije;

Prezentacija podataka. Veoma često obuhvata vizualizaciju izmerenih podataka u formi grafika ili tabela. Pogodna vizualizacija ima određen uticaj na kvalitet izvršenog mernog procesa.

Slika 10.2 Funkcionalni model virtuelnog instrumenta

157

Merni proces se može posmatrati kao generisanje poruka koje je izazvano nekim događajima u okviru mernog okruženja, a koje su u direktnoj sprezi sa promenama na objektu merenja. Stoga je prirodno realizovati merni proces pomoću softverskog okruženja tipa Windows, u kome se uticaji na kompjutersko okruženje izazivaju događajima kroz generisanje poruka. Događaji mogu biti izazvani od strane korisnika kroz interakciju sa grafičkim elementima korisničkog interfejsa pomoću tastature ili miša. Događaji koji dolaze iz mernog okruženja su ravnopravni sa događajima koje uzrokuje operator (slika 10.2) i na taj način operator postaje aktivni učesnik u mernom procesu. Događaji u mernoj okolini koji generišu adekvatne poruke su označeni na levom delu slike 10.2, a događaji koje uzrokuje operator i koji stvaraju odgovarajuće poruke su označeni na desnom delu slike.

Hardverski resursi virtuelnog instrumenta uglavnom su definisani DAQ karticom i njenim mogućnostima interakcije sa objektom merenja. Tu se pre svega misli na tipove signala koje kartica može generisati ili obrađivati, kao na primer: analogni ulazi, analogni izlazi, digitalni ulazi, digitalni izlazi, tajmerski/brojački ulazi/izlazi itd.

Jedna suštinska prednost virtuelnih instrumenata je uopštavanje njihove strukture pomoću zajedničkog modela za predstavljanje signala. Pošto je okruženje u kome se vrši obrada signala diskretno, model za diskretno predstavljanje analognih ulaznih i izlaznih signala je od ključnog značaja.

Kontinualni signal se konvertuje u diskretni oblik koji se kasnije obrađuje, a zatim ako je neophodno ponovo konvertuje u kontinualni signal (slika 10.3). Na ovaj način obrada diskretnog signala može biti izvršena računarom opšte namene primenom raznovrsnih algoritama za obradu signala, ali opšta struktura sistema ostaje ista. U određenim uslovima, heterogeno kombinovanje kontinualnih sa diskretnim signalima može biti ekvivalentno opštem kontinualnom, vremenski invarijantnom sistemu sa frekventnim odzivom Hc().

Slika 10.3 Uopšteni dijagram obrade kontinualnog signala u virtuelnom instrumentu

Pojašnjavanje uslova ekvivalentnosti je od ključnog značaja za pravilno izvršavanje mernog procesa sa informacione tačke gledišta u okviru virtuelnih mernih sistema. Modulacija analognog signala xc(t) impulsnim signalom p(t) sa periodom odmeravanja T odnosno frekvencijom odmeravanja s, T = 2/s, je najčešće korišćeni metod konverzije:

n

cp nTttptptxtx ,

Signal xp(t) je sekvenca impulsa sa amplitudama impulsa koje su jednake odmercima signala xc(t) u trenucima razdvojenih intervalom T, a frekventni ekvivalent je određen konvolucijom Xc() i P():

k

sccp kXT

PXX

1*21

Kao posledica dobija se Xc() kao periodična funkcija frekvencije i skup izmeštenih kopija Xc(), skaliranih faktorom 1/T. Restauriranje originalnog signala ograničenog spektra M je jedino moguće ako se izmeštene kopije ne preklapaju, tj. ako je ispunjen uslov s ≥ 2M. Pod ovim uslovom, veza između frekventnog spektra Xc() i signala xc(t) je data relacijom:

deXtx tjcc

M

M

21

Rastavljanjem funkcije Xc() pomoću Furijeove transformacije dobija se:

158

n M

M

Mc

f

f

fntj

n Mc

Mc ntf

ntffnxde

fnx

ftx

M

M

M

22sin

2241 2

2

2

Prethodna jednačina pokazuje da analogni signal, definisan odmercima frekvencije fs, može biti restauriran propuštanjem spektra diskretnog signala kroz idealni niskopropusni filter sa graničnom frekvencijom c i uz održanje opštih graničnih uslova:

MsMscM 2, Kada uslov nije ispunjen dolazi do pojave šuma usled preklapanja kopija spektra, poznat kao aliasing šum. Zbog toga nepravilan izbor frekvencije odmeravanja vodi ka neizbežnoj degradaciji restauriranog signala. Pa se zato obično vrši prethodno ograničavanje spektra signala. Greška koja se stvara pri tome mora se uzeti u obzir pri ukupnom proračunu greške. Moguća softverska arhitektura virtuelnog instrumenta je prikazana na slici 10.4.

Slika 10.4 Arhitektura softvera virtuelnog instrumenta

Očekuje se da sistem radi u Windows operativnom sistemu usled dobro dokumentovanih metoda za pristupanje hardveru. Windows nameće potrebu korišćenja specifičnog modula, drajvera kernel moda, koji je jedini modul koji može direktno pristupiti hardveru, npr. čita iz ili upisuje u ulazno-izlazne portove, reaguje na prekidne rutine, itd. U slučaju virtuelne instrumentacije ovaj modul inkorporira brojne funkcije koje se koriste za čitanje podataka iz AD konvertora, podešavanje vrednosti DA konvertora, startovanje tajmera, itd. DLL drajveri (dinamic link libraries) su u stvari omotač koji omogućuje da funkcije koje su implementirane drajverom kernel moda budu dostupne za korišćenje od strane aplikacija. Dodatno DLL drajveri mogu takođe obezbediti:

Implementiranje serverske strane klijent-server protokola; Funkciju(e) koja može biti pozvana od strane Java RMI; Sinhronizacione mehanizme specifične za Windows za eliminisanje konflikata ako više od

jedne aplikacije pokušava da pristupi hardveru u bilo kom momentu. Prve dve omogućavaju daljinski pristup instrumentu, dok poslednja omogućava multikorisnički pristup.

Sistem ovakve arhitekture reaguje na događaje formiranjem poruka, koje se smeštaju u redovima čekanja ciljne aplikacije. Ove poruke se pozivom sistema prosleđuju dalje do funkcije prozora – WinProc. Kontrola se zatim propušta do specifičnog koda, koji obrađuje željenu poruku. Događaji mogu da nastanu i kao rezultat interakcije korisnika (preko tastature, miša itd.). Isti

159

pristup baziran na porukama se može iskoristiti za asinhronu razmenu podataka sa hardverom. Ako hardver to dozvoljava, korisnik može zahtevati uzimanje serije odmeraka datom brzinom. Ovaj zahtev se procesira u celosti lokalno, čak na nivou hardvera. Kada je zahtevani broj odmeraka sakupljen, hardver generiše zahtev za prekidom. Ovo se detektuje drajverom kernel moda, koji šalje specifičnu poruku Windows kernelu. Ova poruka se zatim prosleđuje aplikaciji koja će prihvatiti odmerke. Zatim aplikacija prihvata ceo set odmeraka, uzetih u realnom vremenu i može ih vizualizovati lokalno ili ih poslati udaljenom korisniku. Druga važna osobina ove arhitekture je da se svi zahtevi za pristup hardveru, bilo da su lokalni bilo udaljeni, oslanjaju na jedan modul, DLL, za ispunjenje ovih zahteva. Ovo olakšava implementaciju sinhronizacije, korišćenjem standardnih Windows sinhronizacionih objekata.

10.2 Kategorije virtuelnih instrumenata [14, 16]

Danas se koncept virtuelne instrumentacije široko primenjuje u oblasti merenja. Mada značenje virtuelnog instrumenta može blago varirati u različitim tehničkim publikacijama, može se izdvojiti glavna osobina virtuelnog instrumenta tj. prisustvo računara u mernom sistemu.

Jedna mogućnost korišćenja virtuelne instrumentacije je kontrola tradicionalne instrumentacije pomoću računara uz pružanje korisniku grafičkog interfejsa koji je lakši za korišćenje (slika 10.5a). Da bi se ovo postiglo koriste se GPIB, RS232 ili VXI standardi za povezivanje instrumenata i kontrolera, a onda se grafičko okruženje koristi za implementaciju korisničkog interfejsa. U malo drugačijem scenariju grupa različitih instrumenata, koja se koristi za dobijanje željenog mernog rezultata, može biti prezentovana kao novi sofisticiraniji instrument. Tipičan primer je korišćenje VXI-usklađenih instrumenata za obavljanje kompleksnih merenja (slika 10.5b). Druga mogućnost za povezivanje postojećeg seta instrumenata je primena odgovarajućih softverskih algoritama na rezultate merenja. Obrađeni podaci mogu biti prezentovani korisniku kao rezultat jednog virtuelnog instrumenta. Slika 10.5c prikazuje primenu FFT algoritma na podatke sakupljene akvizicionom karticom.

(a) (b) (c)

Slika 10.5 Virtuelni instrumenti koji reprezentuju: (a) jedan instrument, (b) grupu instrumenata, (c) grupu instrumenata sa implementiranim softverskim procedurama

Druga mogućnost korišćenja virtuelne instrumentacije je implementiranje softverskih algoritama koji simuliraju ponašanje realnih instrumenata (slika 10.6). Moguće je korišćenje više od jednog algoritma za simulaciju kompleksnih merenja i prezentacija konačnih rezultata korisniku kao rezultata dobijenih iz jednog moćnog virtuelnog instrumenta.

Uzimanjem u obzir obe mogućnosti moguće je realizovati mešovite sisteme, sofisticiranije i fleksibilnije, što omogućuju dva modula – jedan za simulaciju eksperimenta i drugi za izvršavanje realnog merenja (slika 10.7). Jedna veoma interesantna i važna komponenta koja se široko primenjuje u mernim sistemima je procesor digitalnog signala (DSP). Osobine kao što su (i) sposobnost implementiranja kompleksnih mernih algoritama i (ii) sposobnost rada pod striktnim ograničenjima rada u realnom vremenu čine ih atraktivnim za istraživačke i industrijske aplikacije. Set koji čini računar, akviziciona kartica i DSP je primer kompaktnog i moćnog mernog sistema koji omogućuje korisniku realizaciju kompleksnih merenja nad signalom. U skladu sa konceptom virtuelne instrumentacije moguće je

160

sakriti od krajnjeg korisnika korišćenje DSP-a, obezbeđivanjem svih rezultata preko jednostavnog grafičkog interfejsa (slika 10.8).

Slika 10.6 VI koji predstavlja simulator

instrumenta

Slika 10.7 Sistem virtuelnih instrumenata koji implementiraju module za simulaciju i realno

merenje

Slika 10.8 Virtuelni instrument koji reprezentuje

DSP bazirani akvizicioni sistem

Slika 10.9 VI za daljinsku kontrolu

instrumentacije

Slika 10.10 VI koji reprezentuje distribuirani merni sistem

161

Dalja evolucija koncepta VI-a je daljinska kontrola i monitoring merne instrumentacije (slika 10.9). Čak i ako je interakcija između korisnika i instrumenata implementirana preko mreže, krajnji korisnik ima mogućnost rada sa grafičkim interfejsom koji omogućuje korišćenje instrumentacije lakšim. Kako funkcioniše realna merna procedura, koji tipovi instrumenata i algoritama se koriste i kako je realizovana mrežna komunikacija ostaje sakriveno za korisnika.

Zadnji i najzahtevniji korak je realizovanje distribuiranog mernog sistema i njegovo predstavljanje krajnjem korisniku u vidu VI-a (slika 10.10). Sa tačke gledišta krajnjeg korisnika ništa se nije promenilo.

Sadašnji trend međupovezivanja mernih sistema je nastao zbog proširenja zone koju pokrivaju. Proces koji se nadgleda u slučaju velikih i kompleksnih fabrika se obično deli na ćelije koje se mogu opslužiti jednom procesnom jedinicom ili grupom lokalno povezanih jedinica. Geografski distribuirane jedinice se povezuju u distribuirani merni sistem. Tipičan primer takvog sistema koji uključuje različite virtuelne instrumente i lokalnu računarsku mrežu (LAN) je prikazan na slici 10.11.

Slika 10.11 Blok dijagram distribuiranog mernog sistema

Krajnji cilj izrade i povezivanja virtuelnih instrumenata može biti jedna virtuelna laboratorija kojoj bi se moglo pristupiti preko Interneta. Ona bi sadržala virtuelne i tradicionalne instrumente koji zajedno predstavljaju jednu celinu koja omogućuje potreban eksperimentalni rad. Takva jedna virtuelna laboratorija može biti upotrebljena za istraživački rad ili je mogu koristiti studenti u cilju poboljašnja procesa edukacije na polju različitih merenja električnih i neelektričnih veličina. Uopštena blok šema jedne takve virtuelne laboratorije bi bila kao na slici 10.12.

Korisnik

Korisnik

Korisnik Serverlaboratorije

Instrumenti

Instrumenti

Instrumenti

Internet

Internet

Internet

Slika 10.12 Virtuelna laboratorija

10.3 Osnovne komponente virtuelnih instrumenata [14]

10.3.1 Računar i displej Računar i displej su srce virtuelnih instrumentacionih sistema. Ovi sistemi su obično bazirani na personalnom računaru ili radnoj stanici sa monitorom visoke rezolucije, tastaturom i

162

mišem. Važno je da izabrani računar ispunjava potrebne zahteve koje traži specificirani softverski paket. Veoma brz tehnološki razvoj računara je dosta uticao na razvoj virtuelne instruemntacije. Prelazak sa DOS operativnog sistema na Windows je omogućio korisnicima grafički interfejs i 32-bitni softver (trenutno se prelazi na 64-bitni) je postao dostupan za projetovanje virtuelnih instrumenata. Napredak u performansama procesora takođe utiče na kvalitet virtuelnih instrumenata. Brže arhitekture magistrala (kao što su PCI i PCI Express) eliminišu usko grlo tradicionalnog prenosa podataka starijim tipovima magistrala (ISA). Budućnost virtuelne instrumentacije je u čvrstoj sprezi sa razvojem računarske tehnologije. 10.3.2 Softver Ako je računar srce virtuelnih instrumentacionih sistema, softver je njihov mozak. Softver definiše funkcionalnost i izgled virtuelnih instrumentacionih sistema. Softver je uglavnom projektovan da radi na industrijskim standardnim operativnim sistemima na personalnim računarima i radnim stanicama. Implementirani softver se može podeliti na nekoliko nivoa. Softver na nivou registara zahteva poznavanje unutrašnje strukture registara uređaja (DAQ kartice, RS 232 instrumenta, GPIB instrumenta ili VXI modula) radi unošenja kombinacija bita uzetih iz uputstva konkretnog uređaja u cilju programiranja mernih funkcija uređaja. Ovo je najteži način programiranja. Dobijeni program je veoma zavistan od hardvera i retko se može izvršavati na sistemima sa drugačijim hardverom. Softver na nivou drajvera. Jedna od najvažnijih komponenti u mernim sistemima današnjice je drajverski softver uređaja. Drajveri uređaja vrše komunikaciju sa hardverom instrumenta i njegovu kontrolu u sistemu. Oni obezbeđuju programiranje srednjeg nivoa težine koje omogućuje kompletan pristup kompleksnim mernim mogućnostima instrumenta. Danas se drajveri instrumenta isporučuju modularno, kao komponente koje se koriste u aplikacionim programima. Softver visokog nivoa. Sa sadašnjim softverom visokog nivoa projektanti mogu lako, korišćenjem integrisanih razvojnih alatki, kreirati, konfigurisati i prikazivati na displeju rezultate merenja. Najpopularniji softverski alati su predstavljeni u tabeli 10.1. Tabela 10.1 Osnovne osobine poznatih softverskih paketa za realizaciju virtuelnih instrumenata

Program Proizvođač Osnovne karakteristike

LabVIEW National Instruments ni.com

Grafičko programsko okruženje za akviziciju podataka, analizu i prezentaciju. Biblioteke gotovih elemenata za kreiranje grafičkog korisničkog interfejsa. Podržano upravljanje akvizicionim karticama i programabilnim instrumentima.

LabWindows/CVI National Instruments ni.com

Razvojni program za akviziciju podataka, analizu i prezentaciju. Rad pod različitim operativnim sistemima. Sadrži biblioteke za akviziciju podataka, analizu i prezentaciju. Poseduje ANSI C kompajler. Mogućnost integrisanja C koda i DLL-a u program.

Visual Designer Intelligent

Instrumentation Inc. www.instrument.com

Razvoj aplikacija primenom grafičkog programiranja. Razvojno okruženje na bazi blok dijagrama. Podržava veći broj akvizicionih kartica, IEEE-488 instrumenata i instrumenata sa serijskim interfejsom.

HP VEE Hewlett Packard Co. www.hp.com

Grafički orijentisano programsko okruženje za testiranje i merenja. Grafički izgled i upravljanje instrumentom preko tekstualno orijentisanog programa. Mogućnost povezivanja sa drugim programima preko Active X.

SCPI – standardne komande za programabilne instrumente. SCPI nije softverska alatka ali je jedan efikasni dodatak koji omogućuje laku standardizovanu kontrolu programabilnih instrumenata. SCPI smanjuje vreme razvoja i povećava čitljivost test programa. SCPI obezbeđuje lako razumljivi set komandi, koje garantuju dobro definisano ponašanje instrumenta u svim uslovima, što sprečava neočekivano ponašanje instrumenta. Mada se IEEE 488.2 koristi kao osnova SCPI-a, on definiše

163

komande programiranja koje možemo koristiti sa bilo kojim tipom hardvera ili komunikacionog linka. Ima otvorenu strukturu. 10.3.3 Magistrale za povezivanje sa računarom GPIB je paralelna magistrala koju mnogi instrumenti koriste za komunikaciju. GPIB šalje podatke u bajtovima, a prenete poruke su često kodirane kao nizovi ASCII karaktera. Računar može vršiti GPIB komunikaciju jedino ako ima GPIB karticu (ili spoljašnji GPIB boks), kao što su one prikazane na slici 10.13 i sa odgovarajućim instaliranim drajverima.

Slika 10.13 GPIB kartice koje proizvodi NI

Možemo povezati više instrumenata i računara na istu GPIB magistralu. Svaki uređaj, uključujući interfejs karticu računara, mora imati jedinstvenu GPIB adresu između 0 i 30, tako da izvor podataka i destinacije mogu biti specificirane ovim brojem. Adresa 0 je normalno dodeljena GPIB interfejs kartici. Instrumenti povezani za magistralu mogu koristiti adresu 1 do 30. GPIB ima jedan kontroler, obično naš računar, koji kontroliše funkcije rukovođenja magistralom. Da bi preneli komande instrumenta i podatke magistralom, kontroler adresira jednog govornika (talker) i jednog ili više slušaoca (listener). Nizovi podataka se zatim šalju preko magistrale od govornika do slušaoca. LabVIEW GPIB VI automatski odrađuju adresiranje i mnoge druge funkcije rukovođenja magistralom, time nas spašavajući kompleksnijeg programiranja. Sledeća ilustracija pokazuje tipični GPIB sistem (vidi sliku 10.14).

Slika 10.14 Tipični GPIB sistem koji sadrži jedan ili više instrumenata sa GPIB i jednu kontrolersku karticu

GPIB-a Serijska komunikacija je drugo popularno sredstvo prenošenja podataka između računara i perifernog uređaja kao što je programabilni instrument (ili pak drugi računar).

LabVIEW može vršiti serijsku komunikaciju (standardi RS-232, RS-422 ili RS-485) korišćenjem ugrađenih ili spolja prikačenih (na primer, USB adapteri) serijskih portova na našem računaru. Serijska komunikacija koristi predajnik za slanje podataka od jednog bita u trenutku preko jedne komunikacione linije ka prijemniku. Može se koristiti ova metoda kada su brzine prenosa male ili kada moramo prenositi podatke na velikim daljinama. Staromodan serijski komunkacioni

164

protokol, RS-232, je sporiji i manje pouzdan od GPIB, ali za njegovo izvođenje nije potrebna kartica u našem računaru, naš instrument ne mora da podržava IEEE 488 standard pa mnogi uređaji i dalje rade sa RS-232.

Slika 10.15 pokazuje tipični serijski komunikacioni sistem.

Slika 10.15 Tipični (RS-232) serijski sistem koji sadrži jedan instrument koji podržava RS-232 povezan na

računar preko njegovog serijskog porta Serijska komunikacija je zgodna jer većina PC-a imaju jedan ili dva ugrađena RS-232

serijska porta pomoću kojih možemo slati i primati podatke bez kupovine bilo kakvog specijalnog hardvera. Neki noviji računari nemaju ugrađeni serijski port, ali je lako kupiti adapter USB u RS-232 za cenu koštanja USB miša. Mada većina računara danas ima ugrađene USB (univerzalna serijska magistrala) portove, USB je kompleksniji protokol koji je orijentisan ka računarskim periferijama, pre nego na komunikaciju sa instrumentima. Serijska komunikacija (RS-232, RS-422 ili RS-485) je starija u poređenju sa USB-om, ali je još uvek široko korišćena za mnoge industrijske uređaje. Mnogi GPIB instrumenti takođe imaju ugrađene serijske portove. Međutim, za razliku od GPIB, RS-232 serijski port može komunicirati sa samo jednim uređajem, što može biti ograničavajuće za neke aplikacije. Komunikacija preko serijskog porta je takođe spora i nema ugrađene mogućnosti provere grešaka. Međutim, serijska komunikacija ima svoju primenu (ona je sigurno ekonomična) i LabVIEW ima biblioteku koja sadrži spremne funkcije za operacije preko serijskog porta. VXI magistrala. VXI (VME eXtensions for Instrumentation) omogućuje komunikaciju između jedinica sa transferom preko 20 Mbajta/sekundi između VXI sistema. VXI instrumenti se instaliraju u polici i kontrolisani su i komuniciraju direktno sa VXI računarom. Ovakvi VXI instrumenti nemaju dugmiće ili prekidače za direktnu lokalnu kontrolu i nemaju lokalni displej tipičan za tradicionalne instrumente. Ovo je jedna otvorena arhitektura instrumenta koja kombinuje mnoge prednosti GPIB ili računarskih magistrala. VXIbus instrumenti su plug-in moduli koji se ubacuju u specijalno dizajnirane slotove kartica u okviru šasije (mainframe) (slika 10.16). Šasija sadrži napajanje, opremu za hlađenje i magistralu za komunikaciju modula.

Slika 10.16 Izgled tipičnog sistema sa VXI magistralom koji se kontroliše računarom preko GPIB magistrale

10.3.4 Modularni hardver[17] Struktura i funkcije DAQ kartice

Određeni merni zadaci se mogu na najbolji način realizovati pomoću kompjuterskih mernih kartica. U kombinaciji sa računarom i softverom, ovakve merne kartice čine virtuelni instrument.

165

Usled njihove proširene funkcionalnosti akvizicije podataka, računarska merna kartica je nazvana DAQ (Data Acquisition) kartica za akviziciju podataka. Nazivi kartice često sadrže dodatne simbole – DAQBoard označava karticu koja je napravljena za postavljanje unutar računara (priključuje se na PCI ili ISA magistralu); a DAQ PCCard označava PCMCIA karticu. Funkcije merne kartice obuhvataju mnogo više od proste A/D konverzije. Moderne računarske DAQ kartice pružaju sledeće funkcije:

Digitalizacija izdvojenog signala (napona ili ponekad struje) iz jednog od više analognih ulaza;

Digitalizacija više signala primljenih na više analognih ulaza; Antialiasing filtriranje ulaznog signala; Podešavanje nivoa okidanja analognog ulaznog signala; Generisanje željenih signala (napona ili struje) na analognim izlazima preko D/A

konverzije; Iščitavanje i slanje digitalnih signala iz/ka digitalnim ulazima/izlazima podataka (DIO); Generisanje signala željene frekvencije ili generisanje impulsa željenog trajanja; Merenje frekvencije ulaznog signala ili merenje trajanja impulsa; Čuvanje mernih podataka i podešavanja prilikom konfiguracije u memoriji kartice.

Slika 10.17 prikazuje funkcionalni dijagram tipične DAQ kartice. Tipična DAQ kartica se sastoji od analognog multipleksera, programabilnog pojačavača, kola odmeri - pamti (S&H) ili odmeri - prati (S&T) kola, AD konvertora, DA konvertora, visokokvalitetnog izvora napajanja, kola za kalibraciju, bloka za okidanje, registara, memorijskih kola i bloka za upravljanje. Neke kartice pružaju DMA interfejs za direktan pristup memoriji računara, bez korišćenja resursa procesora (CPU).

Slika 10.17 Funkcionalni dijagram kompjuterske DAQ kartice

U odnosu na konvencionalne digitalne instrumente, DAQ kartice imaju sledeće prednosti: Podrška višekanalnog merenja; Ista kartica se može podesiti da radi kao digitalni multimetar, generator funkcija ili

osciloskop; Slanje analognih ili digitalnih aktivacionih ili test signala mernom sistemu; Ne zahtevaju dodatni prostor ukoliko su kartice postavljene na PCI, ISA ili PCMCIA

magistralu unutar računara. HiTech DAQ kartice visokih performansi proizvode brojne kompanije, kao što su National

Instruments, Keithley, IOtech, Advantech i ComputerBoard. Cene se kreću u opsegu od 1000$ do 5000$. Brojne male kompanije proizvode specijalne DAQ kartice ili kartice sa ograničenim

166

mogućnostima. National Instruments nudi širok izbor raznih DAQ kartica sa dobrim izborom magistrala, platformi, performansi, funkcionalnosti i cene (slika 10.18).

Slika 10.18 DAQ kartice firme National Instruments

Specifikacije DAQ kartice Kvalitet AD konverzije ili digitalnog merenja određuje frekvencija odmeravanja i rezolucija

merenja, izražena kao broj bitova u digitalnoj reči nakon digitalizacije. Digitalni osciloskop sa AD konvertorom koji ima rezoluciju veću od 8 bitova može biti napravljen samo kao virtuelni instrument korišćenjem DAQ kartice i odgovarajućeg softvera.

Specifikacije DAQ kartice takođe obuhvataju: Broj analognih ulaza (kanala) i njihov tip: diferencijalni (DI) ili sa jednim uzemljenim

krajem (SE); Rezolucija AD konvertora izražena preko broja bitova u digitalnoj reči; Maksimalna brzina odmeravanja; Ulazni opseg i rezolucija; Tačnost merenja; Kapacitet integrisane EPROM memorije; Način povezivanja sa magistralom računara;

Mogu se specificirati još nekoliko, obično za korisnika manje važnih, parametara: broj analognih izlaza, njihova rezolucija (broj bitova), naponski opseg analognog izlaza, metod okidanja (analogni ili digitalni), ulazna impedansa, ulazna struja, faktor potiskivanja zajedničkog signala (CMRR), način napajanja i potrošnja energije.

Broj analognih ulaza se kreće od 1 do 64 (npr. NI-6031E) i obično se može povećati (do 256) dodavanjem više analognih multipleksera na dodatnoj proširenoj kartici. Zbog toga, jedna DAQ kartica i PC se mogu iskoristiti za pravljenje višestrukog mernog sistema. Specificirani broj DI (diferencijalnih) ulaza jednak je polovini od broja SE (sa jednim uzemljenim krajem) ulaza. Razlog je broj signalnih linija koje se isključuju multiplekserom: dve linije iz svakog DI ulaza i jedna linija iz svakog SE ulaza.

Broj bitova u digitalnoj reči nakon digitalizacije kreće se od 8 do 24 (npr. NI-4350 kartica za senzore temperature), sa gornjim opsegom koji značajno premašuje rezoluciju digitalnih instrumenata u okviru iste cenovne grupe. Obično, broj efektivnih bitova u digitalnoj reči je naveden za specifične modele kartice kao opseg vrednosti (npr. od 8 do 16 bita), gde ekstremne dužine reči odgovaraju respektivno najnižoj brzini odmeravanja (najduža reč npr. 16 bitova) i gde najkraće reči odgovaraju najvećoj brzini odmeravanja (najkraća reč, npr. 8 bitova).

Brzina odmeravanja, izražena kao broj uzoraka po sekundi (Sps) je ono što najbolje pokazuje prednost mernih sistema baziranih na DAQ kartici, nasuprot standardnim sistemima, kao što je tradicionalni voltmetar. Brzina odmeravanja se kreće od nekoliko hiljada Sps do 100 MSps (npr. NI-5911). Vrednosti koje su navedene u katalozima odnose se na kapacitet konverzije integrisanog AD konvertora i DSP kola (ukoliko nije drugačije specificirano). Brzina odmeravanja je specificirana sintetički za čitavu višeulaznu karticu. Pri merenju napona na više ulaza (kanalima) multikanalne kartice, maksimalna brzina odmeravanja po ulazu se dobija deljenjem ukupne brzine odmeravanja sa brojem aktivnih kanala. Na primer, ako karticu karakteriše maksimalna ukupna brzina odmeravanja od 1 MSps i ima 8 aktivnih ulaza, tada je maksimalna brzina odmeravanja po

167

kanalu 125 kSps. Međutim, ukoliko je na ploči aktivan samo jedan kanal, tada je maksimalna brzina odmeravanja u ovom kanalu 1 MSps.

Ulazni opseg DAQ kartice je specificiran kao opseg vrednosti napona simetričnih u odnosu na nulu ili kao pozitivni naponski opseg. Na različitim karticama, ulazni opseg se kreće od nekoliko milivolti do nekoliko stotina volti (300 V na nekim DAQ karticama iz IOtech-a). Izabrani ulazni opseg i bitska rezolucija definišu apsolutnu rezoluciju kartice. Uzmimo, na primer NI-6111E 12-to bitnu karticu koja podržava ulazni opseg od ± 0.2 V do ± 42 V. U opsegu od ± 1 V, apsolutna rezolucija V merenja napona pomoću ove kartice je:

mVVVVVV 488.04096

11212

minmax

Kada se ulazni napon pojača programabilnim pojačavačem sa faktorom k, apsolutna rezolucija se poboljšava sa V na Vk. Na primer, na Keithley KPCI-3107 multifunkcijskoj kartici, korisnik može podesiti jednu od 12 vrednosti pojačanja napona (1, 2, 4, 8, 10, 20, 40, 80, 100, 200, 400 ili 800 V/V).

Tačnost merenja kartice je obično specificirana u obliku tabele, s obzirom da zavisi od brojnih faktora: izabranog ulaznog opsega, temperature i trajanja testa (24 časa, 90 dana ili 1 godina). Na osnovu teorije merenja, tačnost kartice se može približno proceniti kao 2 do 10 puta gora nego njena rezolucija.

Integrisani memorijski bafer se može iskoristiti za pamćenje nekoliko stotina hiljada ili preko nekoliko miliona uzoraka pre slanja podataka preko magistrale računaru. DAQ kartice sa velikom brzinom odmeravanja su opremljene EPROM memorijom za pamćenje uzoraka podataka merenja. Pored EPROM-a za uzorke, kartice imaju dosta manjih memorijskih čipova koji služe za pamćenje izabrane konfiguracije i podešavanja. Kartica NI-5112 ima ugrađeni memorijski bafer od 16 ili 32 MB po ulaznom kanalu; NI-5102 kartica ima 663 KB.

Još jedan parametar je način povezivanja kartice sa računarom. Kartice su dostupne za sledeće magistrale: PCI, ISA, PCMCIA, USB ili IEEE-1394. PCI, ISA i PCMCIA kartice su napravljene kao plug-in kartice za instalaciju unutar računara, kao što je prikazano na slici 10.18. USB i IEEE-1394 kartice su napravljene kao samostalne celine, postavljaju se van PC-a i povezuju se višežičnim kablom.

10.4 Poređenje virtuelnog sa klasičnim instrumentom

Samostalni tradicionalni instrumenti kao što su osciloskopi i generatori talasnih oblika su veoma moćni, skupi i projektovani da izvršavaju jedan ili više specifičnih zadataka definisanih od strane proizvođača. Međutim, korisnik ih u opštem slučaju ne može proširavati ili prilagođavati. Tasteri i prekidači na instrumentu, ugrađena elektronika i funkcije dostupne korisniku, su specifične za slučaj konkretnog instrumenta. Zatim, specijalna tehnologija i skupe komponente se moraju razvijati da bi se izgradili ovi instrumenti, što ih čini veoma skupim i sporim za adaptiranje.

Virtuelni instrumenti sa druge strane mogu da menjaju strukturu hardvera, a funkcionalnost i algoritam merenja su definisani softverom i korisnik ih može lako menjati. Mogućnost lakog formiranja novog tipa instrumenta korišćenjem postojećih gradivnih blokova, kako u hardverskom tako i u softverskom smislu, predstavlja veliku prednost virtuelne instrumentacije u istraživačkom i laboratorijskom radu.

Tradicionalni instrumenti su obično mnogo skuplji od odgovarajućih virtuelnih instrumenata i često imaju veću inicijalnu tačnost. Klasični instrumenti su često nepododni za prenošenje zbog svoje veličine, za razliku od virtuelnih instrumenata koji mogu da rade na laptop računarima pa samim tim su po prirodi prenosivi. U tabeli 10.2 uporedo su prikazane osnovne karakteristike klasičnog i virtuelnog instrumenta.

168

Tabela 10.2 Osnovne karakteristike klasičnog i virtuelnog instrumenta

Klasični instrument Virtuelni instrument Funkciju definiše proizvođač Funkciju definiše korisnik

Hardver dominantan Softver dominantan Skup Jeftin

Zatvorena arhitektura, zasebno kućište, ograničene mogućnosti povezivanja

Otvorena arhitektura, široka mogućnost povezivanja

Visoki troškovi održavanja Softver minimizira troškove održavanja Spor razvoj tehnologije (životni ciklus

od 5-10 godina) Brz razvoj tehnologije (životni ciklus od 1-2

godina)

Kao što se vidi (slika 10.19) klasičan instrument se nalazi u posebnom kućištu sa priključcima na koje se dovode odgovarajući signali. Podešavanje parametara se vrši preko preklopnika, tastera i potenciometara, a rezultat se dobija u cifarskom obliku ili preko oscilograma. U kućištu se nalaze specijalizovana kola i elementi kao što su A/D konvertori, kola za obradu signala, mikroprocesor, memorija, zajednička magistrala. Sakupljeni podaci se analiziraju i prikazuju korisniku. Proizvođač definiše sve funkcije tako da su mogućnosti korisnika da ih menja veoma male. Nasuprot njemu virtuelni instrument koristi standardni računar otvorene arhitekture za obradu podataka, njegovu memoriju za smeštanje podataka i njegove raznovrsne mogućnosti za prezentaciju rezultata merenja, dok su specijalizovani hardverski moduli za akviziciju i/ili generisanje signala povezani na standardizovane magistrale računara. Funkcionalnost uređaja definiše sam korisnik.

Slika 10.19 Poređenje prednjih panela klasičnih i virtuelnih instrumenata

169

11. INDUSTRIJSKI TELEMETRIJSKI SISTEMI 11.1 Bežični senzori i senzorske mreže 11.2 Praktični primeri telemetrijsih sistema

11.2.1 Sistem bežičnog očitavanja udaljenog merenja Ovde će biti objašnjen sistem koji omogućuje prikupljanje i prenos podataka iz više tačaka u jednu tačku u okviru određenih stambenih oblasti. On sadrži predajnike koji obavljaju merenje i šalju podatke i bazne stanice za prijem i dalje preusmeravanje primljenih podataka. Od predajnika ide paketni prenos podataka brzinom od 870bps paketima od 32-64 bajta. Sistem koristi uzan frekventni opseg i faznu modulaciju za prenos. Prenos se vrši u slučajnom vremenu i na slučajnoj frekvenciji, da bi se sprečila kolizija podataka. Bazna stanica je širokopojasna, sa višekanalnom DSP arhitekturom sposobnom da dekodira do 20 istovremeno primljenih signala. Sistem je tako dizajniran da mu je kapacitet maksimalnih 6500 terminala po ćeliji, život baterije od 10 godina, a raspon komunikacije je 1/2 km. Mogućnost udaljenog očitavanja električnog brojila, merača gasa itd. eliminiše ne samo probleme vezane za prisutnost potrošača prilikom očitavanja, već i omogućuje detaljnije praćenje profila potrošnje tako da se mogu vršiti predviđanja potrošnje. Koristi se pristup mikroćelije, po kome su merači, koji su raspoređeni po kućama, povezani za lokalni Mikroćelijski kontroler (MCC), preko bežičnih linkova. Svaki merač periodično vrši očitavanje i šalje podatke MCC-u. Da bi se postigao zadovoljavajući nivo komunikacije u sistemu, predviđena je kompleksnija arhitektura MCC baznog prijemnika da bi se kompenzirala ograničenja vezana za nisku cenu predajnika. Merači se napajaju baterijom koja će trajati 10 godina. Količina očitanih podataka je mala i tipično zahteva 32 do 64 bajta za prenos. Paket uključuje adresu merača, očitavanje merača, dodatne bitove za korekciju grešaka i bitove za sinhronizaciju simbola i paketa. Frekvencija prenosa je mala i zavisna od primene od nekoliko puta na sat do jednom dnevno ili čak sedmično. U Velikoj Britaniji je određen frekventni opseg za ovaj prenos 183.5-184.5 MHz. MCC prijemnik treba da prihvata podatke u što većoj oblasti, što zavisi od uslova prostiranja, osetljivosti prijemnika, dozvoljene snage predajnika i ograničenja kapaciteta. Svaki bežični predajnik radi nezavisno od drugih i stoga šalje svoje podatke nesinhronizovano u odnosu na druge. Posmatraće se slučaj prenosa u jednom smeru.

Slika 11.1 Bežični sistem za očitavanje brojila

170

Slika 11.1 ilustruje rad bežičnog sistema očitavanja unutar jedne mikroćelije. Svaki merač pojedinačno je tako prilagođen da šalje podatke bežičnom predajniku. Predajnik periodično uzima očitavanje i emituje talas ka bliskim MCC prijemnicima. MCC prijemnik zatim preusmerava sva očitavanja odgovarajućoj kompaniji raznim tehnikama, kao što je bežični link ili žičana konekcija. Korišćenjem više mikroćelija može se pokriti manji grad, na primer kao što je prikazano na slici 11.2. Postojaće slučajevi kada se podaci iz jedne lokacije prihvataju od strane više prijemnika. To se obično dešava kod kuća koje su na ivici jedne ili više ćelija. U tom slučaju kompanija će prihvatiti više kopija istog očitavanja. Uspešnost poslatog očitavanja se ne može verifikovati jer imamo link u jednom smeru.

Slika 11.2 Mikroćelije

Modelovanje putanje bežične komunikacije i tačno predviđanje gubitaka putanje između predajnika i prijemnika nije lako. Mora se iskoristiti ranije iskustvo i predlaže se računanje gubitaka nivoa signala u urbanim sredinama od

31

daljina.

MCC se smešta na pogodnu lokaciju. Izbor modulacije je ograničen dostupnom širinom kanala, zahtevanom brzinom podataka i zahtevanim odnosom signal/šum na prijemniku. BPSK je izabrana za ovu aplikaciju i brzine podataka od 870bps. Za tehniku višestrukog pristupa pri prenosu očitavanja iz više kuća izabrana je kombinacija frekventnog i vremenskog višestrukog pristupa. Merač emituje paket u slučajnom intervalu, a takođe se svakom paketu slučajno dodeljuje frekvencija nosioca unutar opsega 100kHz. Primer tehnike višestrukog pristupa je dat na slici 11.3.

Slika 11.3 Višestruki pristup

171

Kod merača gasa kao izvor napajanja mora se koristiti baterija koja treba trajati 10 godina. Međutim najbolja tehnologija baterija iz ugla minimalnog curenja ne može omogućiti dovoljno struje prilikom emitovanja. Rešenje je korišćenje DC-DC konvertora koji će dopunjivati naelektrisanje na kondenzatoru za vreme perioda kada je predajnik neaktivan, a zatim iskoristiti kondenzator za napajanje pojačavača snage predajnika za vreme emitovanja. Za bateriju je odabrana Litijum Thiony Hlorid, LiSOCl2, a za kondenzator aluminijumski elektrolit koji nema čvrsti dielektrik. Slika 11.4 prikazuje fotografiju predajne jedinice merača gasa.

Slika 11.4 Izgled predajnika

Pošto predajnici samo periodično emituju BPSK signal male brzine, prijemnik mora biti sposoban da prihvati pakete podataka koji se emituju asinhrono podkanalima u okviru kanala od 100 kHz. Prijemnik mora istovremeno da sluša signale na svim podopsezima i da pokuša da demoduliše onaj koji pronađe. Arhitektura prijemnika je data na slici 11.5 i predstavlja linearni dvo-kanalni prijemnik sa jednom konverzijom na 21.4 MHz IF i zatim pododmeravanjem 10-bitnim ADC-om. Dva kanala su multipleksirana zajedno i svaki signal je miksovan do nulte IF i decimovan faktorom 170. Decimacija otklanja kvantizacioni šum i povećava dinamički opseg za 22 dB.

Slika 11.5 Arhitektura prijemnika

172

11.2.2 Telemetrijski sistem za metereološka merenja

Ovaj sistem (slika 11.6) je razvijen za merenja, visoke rezolucije, vertikalnih profila temperature, pritiska i vlažnosti atmosfere do visine od 250 m. Sistem meri pritisak (800-1100 mbar), temperaturu (0-35C) i relativnu vlažnost (0-100% RH), a uključuje osmokanalnu 12-bitnu jedinicu za akviziciju podataka i digitalni FM telemetrijski sistem koji radi na 173 MHz i koristi konekciju na port štampača na PC-u. Na slici 1(a) i 1(b) imamo blok šemu ovog instrumenta. Senzori su standardni: termistor za merenje temperature, senzor vlažnosti kapacitivnog tipa za RH merenja i piezootporni senzor za merenje pritiska. Podaci se šalju ka zemlji korišćenjem digitalnog telemetrijskog sistema male snage (10 mW) koji radi na 173 MHz i koristi veoma jednostavnu prijemnu jedinicu na zemlji sa PC-em za snimanje i obradu podataka. Sistem karakteriše jednostavan dizajn instrumenta, mala težina i dobra tačnost podataka.

Slika 11.6 Sistem za metereološka merenja

Izbor pravog tipa senzora je jedan od glavnih faktora koji čine sistem što je moguće tačniji i pouzdaniji. Tačne i ponovljive karakteristike, visoka osetljivost, stabilnost i pouzdanost su osobine koje senzori moraju posedovati. Takođe je veoma bitno i vreme odziva senzora.

Šema kola za kondicioniranje signala se može videti u dijagramu kola prikazanom na slici 11.7. Imamo most sa jednim promenljivim elementom, koji se često koristi pri radu sa termistorom i RTD-om. Kolo je dizajnirano da radi u temperaturnom opsegu 0-35C za izlaz 0-5V. Napon napajanja mosta je 2.5 V, obezbeđen temperaturno stabilnom preciznom naponskom referencom AD584S. Diferencijalni izlaz mosta se konvertuje u izlaz sa jednim krajem na izlazu instrumentacionog pojačavača (IA), AD623. Vrednosti komponenata mosta su tako odabrani da postignu 0V izlaz na 0C. Instrumentacioni pojačavač ima pojačanje 6 tako da njegov izlaz meri 5V za oko 35C. RH senzor i senzor pritiska ne zahtevaju ekstra kondicioniranje signala pošto oba daju napone visokih nivoa koji se mogu direktno poslati.

Analogni naponski izlazi senzora se digitalizuju korišćenjem IC AD7893-5. AD7893-5 je ADC sa 12-bitnim serijskim izlazom. Izlazi različitih senzora se dovode na ADC preko multipleksera CD4051. CD4051 je 8x1 multipekser pogodan za analogno i digitalno multipleksiranje. Logika potrebna za kontrolu i sinhronizaciju multipleksiranja i rada ADC-a je generisano programabilnim kolom koje sadrži takt generator koji koristi invertor IC CD 4049, brojače (CD 4029) i CD 4098. Trajanje takta je tako izabrano kako bi se završio jedan merni ciklus u jednoj minuti.

173

Telemetrija na ploči sadrži enkoder i FM predajnik male snage koji radi na 173 MHz. Pri napajanju od 3V isporučuje nominalno +10 dBm rf izlaz. Enkoder konvertuje serijske podatke u dve diskretne frekvencije f1 i f2, a one se zatim modulišu u FM predajniku.

Slika 11.7 Šema kola u predajniku i prijemniku

Jedinica na zemlji sadrži telemetrijski prijemni modul (RX1-173), dekoderska kola i PC za logovanje podataka u realnom vremenu. Sadrži uskopojasni FM superheterodinski prijemnik sposoban za brzine podataka do 10 kbps. Radi sa napajanjem od 2.7 do 12 V i daje struju od 12 mA. Izlaz prijemnika se demoduliše, a dobijanje originalnih signala iz dobijenih frekvencija se izvodi dekoderskim kolom, LM567. Propusni opseg dekodera se podešava spoljašnjim kondenzatorima i otpornicima. Centralna frekvencija (f0) i širina opsega (BW) dekodera se mogu naći iz,

110 1.1

1CR

f

20

1070Cf

VBW i

gde je R1=otpornost između pinova 5 i 6 IC-a, C1=kapacitivnost na pinu 6, C2=kapacitivnost na pinu 2 (u F) i Vi=ulazni napon, Vi0.2 V. Konačno, konverzija podataka u njihov originalni format je ostvarena korišćenjem logičkog kola koje sadrži ILI kolo (CD 4071) i D flip flop (CD 4013).

Akvizicija podataka i logovanje se vrši računarom preko porta štampača.

174

11.2.3 Dijagnoza kvarova i održavanje elektronske opreme preko Interneta

Pouzdanost je veoma važna za skoro sve tipove opreme, posebno za opremu koja radi u industrijskim sredinama, trafostanicama, prevoznim sredstvima, servisima u zgradi, hemijskim fabrikama itd. Kvar opreme može dovesti ne samo do gubitka proizvodnje, već i do ljudskih gubitaka u nekim ozbiljnijim situacijama. Stoga, nadgledanje i dijagnostika kvarova opreme se vrši njenim održavanjem u cilju sprečavanja fatalnih kvarova opreme.

Dijagnoza kvara mašine se odnosi na proces identifikacije radnih uslova mašine i ispitivanja njenih mogućih uzroka kvarenja. Posmatraju se simptomi merenjem i analizom signala sakupljenih na određenom delu opreme. Uslovi rada mašine se nadgledaju kontinualno tako da se može odmah detektovati pojava bilo kakve anomalije. Konvencionalni sistemi nadgledanja zahtevaju korišćenje skupe instrumentacije koja vrši analizu signala i dijagnozu kvarova. Kao što se vidi na slici 11.8, a svaka mašina, ili svaka grupa mašina, zahteva set instrumenata. Za kompaniju koja ima dosta mašina cena ovih instrumenata je dosta velika. Pomoću PC-a mogu se kreirati softverski virtuelni instrumenti (VI) koji bi obavljali zadatke slično kao i skupa hardverska instrumentacija. Očigledno, cena VI-a je manja od hardverskih instrumenata. Oni se takođe lakše modifikuju i proširuju u budućnosti. Stoga, VI postaju popularni u savremenim industrijama.

Slika 11.8 Sistem za nadgledanje stanja opreme

Softver svakog VI-a koji je instaliran na PC i koji se koristi za nadgledanje mašine ili grupe mašina, se mora održavati ako se zahteva nova funkcija ili modifikacija. Stoga, zadatak nadogradnje softvera postaje mukotrpan posao. Zahvaljujući web tehnologiji, povezivanjem PC-ija koji nadgledaju mašine za Intranet ili Internet mrežu, kao što je prikazano na slici 1b, moguće je konvertovati lokalno održavanje u web bazirano održavanje. Stoga, moguće je udaljeno nadgledati status mašine preko Interneta korišćenjem web browser-a. Takođe se smanjuju cene putovanja prilikom dovođenja eksperata na mesto gde se vrši pregled opreme. Web bazirano održavanje će sigurno povećati konkurentnost, produktivnost i kvalitet servisa proizvođačke kompanije. Web omogućuje univerzalan pristup pošto imamo nezavisno povezivanje različitih tipova platformi koje koriste otvorene standarde za objavljivanje, reklamiranje (HTML, XML), slanje poruka (HTTP) i umrežavanje (TCP/IP). Izgled web baziranog održavanja opreme je prikazan na slici 11.9. Sadrži glavni web server, za smeštanje VI sa aktiviranim web pristupom i glavnu bazu podataka, web pretraživače i nekoliko lokalnih mini-servera. Svaki lokalni mini-server ima ugrađen mini-web-server i DAQ server. Zavisno od zahteva, pretraživači ili korisnici se mogu povezati sa glavnim web serverom ili sa nekim od mini-servera. Ako korisnik želi da kopira neke VI ili pristupi glavnoj bazi podataka da pretraži informacije sakupljene iz nadgledanih mašina, može se povezati sa glavnim web serverom preko Interneta. Ako korisnik želi da ispita trenutno radno stanje određene mašine, može se direktno povezati sa lokalnim mini-serverom koji nadgleda mašinu.

175

Slika 11.9 Izgled web baziranog održavanja

Web bazirani sistem udaljenog merenja i nadgledanja mora sadržati mini-web-server i DAQ server. Ova dva servera rade zajedno u sistemu udaljenog merenja i nadgledanja. Mini-web-server vrši sve vrste komunikacija neophodnih za Internet i ima vezu sa DAQ serverom. DAQ server vrši akviziciju podataka iz nadgledane mašine i šalje sakupljene podatke nazad mini-web-serveru za pripremu njihovog prenosa ka pretraživaču. Dodatno, sistem udaljenog merenja i nadgledanja treba da sadrži fizičke komponente kao što su senzori, video kamere, mikrofoni, pojačavači i kondicioneri signala, i DAQ kartice. Senzori prikupljaju željene signale iz nadgledanih mašina i zatim šalju signale pojačavaču. Pojačavač kondicionira signale u prihvatljive formate tako da ih DAQ kartice mogu konvertovati u digitalne signale za dalju analizu ili prenos ka mini-web-serveru. Osim toga, sistem udaljenog merenja mora omogućiti univerzalni interfejs za lako usvajanje različitih tipova interfejs standarda korišćenih od strane popularnih DAQ kartica. Sistem može takođe koristiti multimedije za snimanje signala slike/videa i zvuka mašina, za svrhe upoređenja i inspekcije. Stoga, primarno je selektovati pogodne komunikacione interfejse koje koriste senzori, multimedijalni uređaji i drajveri popularnih DAQ kartica. Svi web VI-i su smešteni na glavni web server radi lakog održavanja i nadogradnje funkcija VI-a. Kada pretraživač ili operator mašine dobije sakupljene podatke iz sistema udaljenog merenja i nadgledanja preko Interneta, može pozvati nekoliko web VI da bi izvršio dijagnozu kvara mašine. Kada glavni web server primi takav zahtev od strane pretraživača, potreban VI se kopira sa glavnog web servera na računar pretraživača. Pretraživač može koristiti kopirani VI za analizu podataka i izvršenje neophodne dijagnostike kvara. Posle završetka analize, VI će generisati rezultate i prikazati ih pretraživaču. Pretraživač može sačuvati rezultate na lokalni računar ili pripremiti HTML stranicu sa rezultatima i poslati je drugim pretraživačima. Postoje mnogo različitih mašina koje treba nadgledati. Svaka može koristiti različite metode za analizu signala i dijagnozu kvarova. Stoga, svaki tip VI-a može imati svoju biblioteku za obradu signala, svoju grupu kontrola i funkcija, sposobnost prikazivanja na displeju, memorisanje podataka i svoju jedinstvenu metodu analize. Različiti VI-i mogu biti implementirani programiranjem u Java, C++, BASIC, itd. Za opisano web bazirano održavanje svi VI su implementirani korišćenjem Java programskog jezika, zbog osobine portabilnosti i kompatibilnosti.

Implementacija web baziranog održavanja Senzorska oprema, nadgledanje zvuka i videa, su osnova web baziranog sistema za merenje i nadgledanje. Izgled sistema je prikazan na slici 2. Mini-server ima višekanalnu ploču za akviziciju podataka za koju je povezan određeni broj senzora i mikrofona koji služe za prikupljanje različitih signala i zvukova generisanih nadgledanom mašinom. Takođe ima video karticu za snimanje video/slika preko video kamere. Mini server je jedan uobičajen PC sa operativnim sistemom Windows 2000 i ugrađenom Eternet karticom za povezivanje sa Internetom. Slika 11.10 pokazuje kostur sistema. Opisuje tok informacija i mrežu sistema. Korisnik, koji je predstavljen kao klijent, zahteva servis prikupljanje podataka posećivanjem lokalnog mini-servera. Mini-server će narediti ugrađenom DAQ serveru da sakupi neophodne podatke o nadgledanoj mašini. Posle završetka

176

procesa udaljenog merenja i nadgledanja, mini-web-server će generisati web stranicu koja će sadržati sakupljene podatke ili slike/zvuk i poslati ih nazad korisniku.

Slika 11.10 Kostur web baziranog udaljenog merenja i nadgledanja mašine

Celokupna dijagnostika kvarova mašine se vrši pomoću web VI i inteligentnog ekspertskog sistema. Slika 11.11 prikazuje funkcije koje sadrži mini-server koji interaguje sa web VI radi dijagnostike. Mini-web-server podržava sve interfejse i funkcije komunikacije kada koristi web VI, uključujući prikazivanje na displeju talasnog oblika signala, ekstraktovanje karakteristike, analizu signala i konfigurisanje DAQ parametara. Pored zadataka koji se odnose na akviziciju podataka, DAQ server takođe podržava funkcije koje kontrolišu DAQ karticu i konekcionu ploču. Autorizovani korisnici mogu konfigurisati sve ove funkcije i parametre, kao što su izbor kanala, frekvencija odmeravanja, konfiguracija granične frekvencije, osetljivost senzora, pojačanje prikupljenih signala itd. preko Interneta. Ako se javi neko pogrešno funkcionisanje u nadgledanoj mašini, odgovarajući web VI šalje alarmnu poruku klijentima i lokalnom serveru. Web VI-i mogu biti implementirani kao Java apleti. Java aplet se može pokrenuti na bilo koju Java radnu sredinu, kao što je Netscape Navigator i Internet Explorer.

Slika 11.11 Funkcije koje imamo u mini-serveru za interakciju sa web VI radi dijagnostike kvara

Slika 11.12 pokazuje arhitekturu web bazirane platforme i vezu između klijenta i servera na Internetu. Da bi baza podataka bila sofisticirana koristi se ASP, aktivna stranica servera, i ADO, aktivni objekti podataka. ASP omogućava prošireni pristup i obezbeđuje otvoreni tip modela objekta. Korišćenjem ADO moguće je povezati nekoliko baza podataka istovremeno. Blok sa leve strane prikazuje osnove delove platforme, koja obuhvata web server, DAQ server, Java aplete i ActiveX kompatibilne uređaje. Ovi osnovni delovi su povezani sa bazom podataka, koja je prikazana u srednjem bloku na slici 11.12. Svrha baze podatake je smeštanje i upravljanje rezultatima dijagnostike. Baza podataka sadrži konfiguracione parametre, memorisane podatke

177

senzora koji se odnose na svaki tip kvara koji se može javiti u nadgledanoj opremi, istoriju događaja za uslove rada nadgledane opreme, i ID opreme i njenu konfiguraciju. Web bazirana dijagnostička platforma je prikazana desno na slici 6. Platforma sadrži zahtevane web VI koji se kopiraju iz glavnog servera. Oni uključuju funkcije automatske identifikacije nadgledane opreme, kopiranje istorije događaja koji se odnose na identifikovanu opremu za svrhe referentne veličine ili upoređivanja, različite metode analize podataka i ekstraktovanja neke karakteristike, generisanje rezultata itd.

Slika 11.12 Arhitektura web bazirane dijagnostičke platforme

11.2.4 Bežični sistem za merenje naprezanja

Kombinacijom naprednih mikroprocesora male potrošnje energije, fleksibilnog softvera i kondicionera signala male snage, dobijeni su sistemi koji troše veoma malo energije, a omogućuju veoma brzo logovanje podataka i bežičnu komunikaciju. Senzori koji prikupljaju često veoma bitne informacije se integrišu u razne strukture, mašine i čovekovu okolinu. Njihovo povezivanje žicama ili optičkim vlaknima suočeno je sa problemima kao što su prekid žice, veoma skupo održavanje, ograničenje broja senzora itd. Naprezanje je veoma korisna i često merena veličina, koja je veoma bitna za strukturalni integritet ili pak za monitoring stanja mašine, itd. Za merenje naprezanja koriste se merne trake koje su veoma tačni merni pretvarači torzije, težine, pritiska i ubrzanja. Funkcionalni blok dijagram višenamenskog bežičnog senzorskog čvora je prikazan na slici 11.13. Zavisno od korišćenih senzora blok za kondicioniranje signala se može reprogramirati ili zameniti.

Za aplikacije koje se odnose na merenje naprezanja sposobnost bežičnog programiranja ofseta i pojačanja senzora može biti važna osobina prilikom kondicioniranja signala. Potrebna energija za višekanalno, bežično merenje naprezanja se može znatno smanjiti pametnim korišćenjem moda "spavanja" mikrokontrolera. Potrošnja energije po modovima rada bi bila: 1) emitovanje podataka, 45 mW; 2) obrada/logovanje izmerenih podataka, 5 mW i 3) mod "spavanja", 0,02 mW.

178

Slika 11.13 Bežični senzorski čvor

Izgled jednog kompaktnog, bežičnog senzorskog čvora za merenje naprezanja je prikazana na slici 11.14. On sadrži punjivu litijum-jonsku bateriju, programabilni opseg pune skale: 1000 do 5000 mikrodilatacija, radnu temperaturu -20 do +85C i rezoluciju 2,5 mikrodilatacija.

Slika 11.14 Izgled bežičnog senzorskog čvora

U nekim situacijama ne možemo koristiti baterije u prijemniku, pa se problem napajanja rešava induktivnim sprezanjem magnetnog polja spoljašnjeg kalema i ugrađenog unutrašnjeg kalema. Energija se isporučuje na nižim frekvencijama da bi se olakšao prenos kroz metal. Podaci se prenose na višim frekvencijama. Ograničenje je što kalemi za napajanje moraju biti na malom rastojanju. Blok dijagram induktivno napajanog bežičnog senzorskog sistema je prikazan na slici 11.15.

Slika 11.15 Napajanje senzorskog čvora

179

11.2.5 Merenje karakteristika gume točka automobila

Ovde imamo primer ugrađenog senzora unutar gume koji se koristi za detekciju deformacija u gumi automobila, šalje informacije jedinicama za obradu signala u kolima. Za ovakvu primenu ima nekih specijalnih zahteva za telemetrijski sistem:

- mala snaga potrošnje komponenata unutar gume (Po<10mW), - nikakva konstruktivna promena što se tiče ivica, gume, - mala veličina i mala masa, - pogodnost za hibridnu i monolitnu integraciju, - mali nivo greške u svim uslovima, - elektromagnetna kompatibilnost, - mehanička stabilnost.

Kompletni sistem je dat na slici 11.16.

Slika 11.16 Telemetrijski sistem namenjen za kratka rastojanja za bilo koju primenu u motornim vozilima

Slika 11.17 pokazuje raspored komponenata telemetrijskog sistema unutar gume.

~~~

napajanje

Snaga

Podaci(433MHz)

Obradasignalau autu

Senzor

Čeličnovlakno

Jedinicazaprocesiranjesignala itelemetrija

Profil bloka Slika 11.17 Raspored sistemskih komponenata

Za napajanje telemetrijskog sistema koristi se sistem pasivnog transpondera za bežični prenos energije. Četiri signala iz senzora se frekventno modulišu i multipleksiraju frekventnim multipleksom i tako prenose do kontrolnog sistema.

180

11.2.6 Telemetrijski sistemi i Internet Bežična telemetrija i Internet browser tehnologija se dosta koriste za sakupljanje i distribuciju podataka o vodi, vremenu i klimi. Izbor između korišćenja satelita, celurarne mreže i različitih VHF/UHF tehnologija nije uvek jasan i zahteva kompromise između geografske pokrivenosti, kašnjenja podataka i cene mrežnih servisa. Pristup udaljenim mestima preko Web-a je postao veoma isplatljiv način sakupljanja, arhiviranja i prikazivanja hidrometroloških podataka korišćenjem PC-a. Uzećemo kao primer prognozere vremena i na to šta je potrebno njima da bi imali na vreme potrebne podatke i tačne prognoze, ali svaki korisnik podataka zahteva više ili manje isti tip alatki. Alatke koje su uopšteno dostupne prognozerima su prikazane na dijagramu koji sledi.

Slika 11.18 Tipična mreža za prikupljanje podataka

Tipična mreža za prikupljanje podataka sadrži četiri osnovna elementa: (1) udaljene stanice za merenje podataka o vodi, vremenu i klimi, (2) telemetrijska mreža za kontrolu, obradu i prenos podataka, (3) skladište podataka i (4) metodi za efektivnu distribuciju podataka krajnjim korisnicima. Postoje brojne varijacije ove mreže. U najjednostavnijoj formi može biti jedan direktni bežični link sa udaljene stanice do kancelarije krajnjeg korisnika. Druge ekstremnije forme je kad imamo hiljade stanica raspoređenih u velikoj geografskoj oblasti i povezanih sa satelitskom ili zemaljskom mrežom. Ključni faktori za izbor odgovarajuće telemetrijske mreže su:

Pouzdanost podataka, Kašnjenje podataka, Geografska pokrivenost, Cena: i početna ulaganja i kasnija isplatljivost, Svojina mreže i kontrola protoka podataka, Lakoća instalacije i održavanje.

Jednom sakupljeni i memorisani podaci u bezbednom skladištu moraju zatim biti dostupni javnosti preko 'svuda prisutne' mreže kojoj lako mogu pristupiti svi krajnji korisnici. Internet ubrzano uzima glavnu ulogu i efektivno se koristi od strane mnogih agencija. Podaci su uopšteno dostupni preko Internet browser-a pristupom web sajtovima. Softver i hardver servera koji je centar podataka je sada razvijen tako da omogućuje krajnjim korisnicima on-line promene konfiguracija i brzine izveštaja sa njihovih udaljenih stanica preko zajedničkih web browser-a bez potrebe za specijalnim softverom instaliranim na njihovom računaru. Sa dostupnošću novih alata, više se očekuje od prognozera. Očekuje se da oni koriste njihove prednosti pri obezbeđenju tačnih podataka na vreme prilikom npr. monitoringa resursa vode. Postoje različiti kompromisi prilikom izbora između korišćenja satelita, celurarne mreže ili različitih formi UHF/VHF tehnologija.

181

Značajna je isplativost tehnologije, uverenje da će biti prisutna sledećih 5-10 godina i konačno cena rada i održavanja mreže. Nezavisno vlasništvo i kontrola mreže mogu biti važna stavka za neke korisnike. Međutim, često najbolja opcija za mnoge prognozere je da koriste brojne servisne mreže koje su dostupne danas. Na ovaj način, prognozeri mogu fokusirati svoj talenat i energiju na ono što rade najbolje i ostave probleme oko mrežne komunikacije nekom drugom. Prvi zadatak je definisanje zone pokrivanja koja se zahteva. Postoje dva široko korišćena izbora: regionalna pokrivenost ili nacionalna pokrivenost. Generalno govoreći, regionalna pokrivenost će biti manje skuplja, ali biće više nesigurnosti u pokrivanju svih mesta. Plaćanje servisa mreža sa nacionalnom pokrivenošću može biti skuplje. Kada se izabere polje pokrivenosti sledeći veliki izazov je izbor pojedinačnog mrežnog servisa i shvatanje koja će stvarna pokrivenost biti na osnovu raspoloživog materijala, koliko će stvarno koštati i koje će stvarno kašnjenje podataka biti. Dostupnost i rasprostranjeno korišćenje Interneta imalo je značajan uticaj na način kako danas mi sakupljamo i distribuiramo podatke. Klikom miša možemo odmah pristupiti podacima sa naših udaljenih stanica sa virtuelno bilo kog mesta u svetu. Pristup podacima baziran na web-u je sada opšte prihvaćena tehnologija. Internet se može koristiti u dva primarna polja u okviru mreže za sakupljanje podataka kao što je ilustrovano na slici 11.19. Može se koristiti za rutiranje podataka sa bazne stanice, ili satelitske zemaljske stanice, direktno do PC-a prognozera. Ovo se obično radi preko Telnet (TCP/IP) sesije. Zatim se koristi ponovo za distribuiranje ovih obrađenih podataka različitim klijentima na mreži. Ovo je normalno urađeno browser pristupom web sajtu.

Slika 11.19 Rutiranje podataka od mesta sakupljanja do računara

Browser se koristi ne samo za gledanje podataka već i za on-line kontrolu platforme za sakupljanje podataka. Mogućnost promena programa u zavisnosti od različitih uslova koji se mogu javiti pri prikupljanju podataka može biti moćna alatka za prognozere da je koriste tokom dinamičkih promena. Značajna prednost browser-a je što se ne mora instalirati novi softver na računaru. Održavanje specijalnog softvera i periodični update nisu potrebni. Ovo se sve radi u centru podataka. Funkcionalni blok dijagram na slici 11.20 ilustruje osnovne zahteve za centar podataka da bi se obezbedio pristup podacima baziran na web-u.

182

UDALJENESTANICE

TELEMETRIJSKAMREŽA

DISTRIBUTORPODATAKA

INTERNET

EMAILSERVER

KOMPJUTERKLIJENTA

BROWSERKLIJENTA

VPN

PAGER

FAJLOVI BAZEPODATAKA KORISNIKA

KONFIG. PODACISENZORSKI PODACIPOZICIONI PODACIPODACI PORUKEKOMANDNI PODACITABELA UPOZORENJAFTP FAJLOVI

BROWSERSERVER

FTPSERVER

KONFIG.ADMIN.

WEB SERVERLOG FAJLOVI

AKTIVNOSTBROWSER-a

LOG FAJLOVIAKTIVNOST

LOG FAJLOVI

KORISNIČKIAPLETI

KORISNIČKIAPLETI

Slika 11.20 Pristup senzorskim podacima baziran na web-u

Kada se podaci prikupe i obrade smeštaju se u bazi podataka kojoj se može pristupiti preko browser servera. Podaci mogu biti ili dostupni svima ili zaštićeni lozinkom za izabranu klijentelu. Tipični web sajt može koristiti mapu za prikaz geografske lokacije svih korisničkih mesta. Klikom na mesto od interesa pojavljuje se slika mesta, važni geografski parametri i komplement senzora korišćenih na datom mestu. Meni je prilagođen za korisnika da selektuje tekuće ili ranije podatke. NRCS web sajt prikazan na slici 11.21 je tipičan.

Slika 11.21 Web baziran pristup podacima

Sa nekim povećanjima u hardveru i softveru centra podataka, browser može postati interaktivna alatka za dinamičko kontrolisanje konfiguracije platforme za sakupljanje podataka. Korišćenje interaktivnog browser-a uslovljava korišćenje telemetrijske mreže koja ima komunikaciju u dva smera i odgovarajuće protokole.

183

Preko korišćenja korisničkih applet-a, interaktivna kontrola je dostupna preko ili browser pristupa ili virtuelnih privatnih mreža (VPN). Fajlovi baze podataka moraju takođe biti prošireni da uključe poruke, komande, alarme i FTP fajlove. Potvrda promena učinjenih u platformi za kolekciju podataka (promene brzine, skidanje programa, itd.) mogu biti poslate tvorcu odmah on-line, ili kasnije preko email-a ili pejdžera. Porukama u oba smera i obaveštavanjima o alarmnim stanjima se manipuliše na isti način. Tipične web stranice za poruke i konfiguraciju kontrole su prikazane na slici 11.22.

Slika 11.22 Browser kontrola DCP-a

Dostupnost i široko korišćenje Interneta, zajedno sa napretkom u bežičnoj telemetriji, omogućuje prognozerima, i drugim korisnicima, da sa moćnim setom alatki dobiju pravovremenu informaciju na osnovu koje mogu doneti odluku. U isto vreme, izbor pravih alatki može biti obeshrabrujući zadatak jer svaka telemetrijska opcija ima svoje osobene prednosti i nedostatke. Pouzdanost podataka, pokrivenost mreže, održavanje sistema, "životni vek" i kontrola mreže, cene su uglavnom najznačajniji faktori koji se uzimaju u obzir kada se bira telemetrijska mreža.

184

LITERATURA [1] Walt Boyes, „Instrumentation reference book“, Butterworth Heinemann, 2003. [2] John G. Webster, “Measurement, instrumentation, sensors”, CRC Press, 1999. [3] Dr Frank Carden, Dr Robert Henry, Dr Russ Jedlicka, “Telemetry systems engineering”,

Artech House, 2002. [4] Halid Hrasnica, Abdelfatteh, Ralf Lehnert, “Broadband powerline communications: network

design“, John Wiley and Sons, 2004. [5] Waldemar Nawrocki, “Measurement systems and sensors”, Artech House, 2005. [6] Steve Mackay, Edwin Wright, Deon Reynders, John Park, “Practical industrial data

networks: design, installation and troubleshooting”, Newnes, 2004. [7] John G. Proakis, “Wiley encyclopedia of telecommunications”, John Wiley and Sons, 2003. [8] Alan Bensky, “Short-range wireless communication”, Newnes, 2004. [9] H.-W. Lee, C.-H. Oh, S.K. Kauh and K.-P. Ha, “Development of a multipiston temperature

telemetry system using Bluetooth networks”, Proc. I.Mech.E., Vol. 220, part D: J. Automobile Engineering, pp. 127-138, 2006.

[10] Robert Shukri Habib Istepanian and Bryan Woodward, “Microcontroller-based underwater acoustic ECG telemetry system”, IEEE Transactions on information technology in biomedicine, Volume 1, No. 2, pp.150-154, june 1997.

[11] http://www.ti.com/ (XTR101: Precision, Low Drift 4-20mA Two-Wire Transmitter) [12] http://www.ed.co.yu/yu/kondicioneri/serija_cb/serija_cb_opste.htm [13] Vujo Drndarević, “Akvizicija mernih podataka pomoću personalnog računara”, Institut za

nuklearne nauke “Vinča”, Beograd, 1999. [14] Viktor Smieško, Karol Kova, “Virtual instrumentation and distributed measurement

systems”, Journal of Electrical Engineering, Vol. 55, No. 1-2, pp.50-56, 2004. [15] G.S.Georgiev, G.T.Georgiev, S.L.Stefanova, “Virtual instruments – functional model,

organization and programming architecture”, International Journal “Information Theories & Applications”, Vol.10, 2000, pp.472-476.

[16] Domenico Grimaldi, Mihail Marinov, “Distributed measurement systems”, Measurement, No.30, 2001, pp.279-287.

[17] John Park, Steve Mackay, “Practical Data Acquisition for Instrumentation and Controls Systems”, Newnes, 2003.