null
Transcription
null
Gradniki telekomunikacijskih sistemov 1 Boštjan Tavčar Dr. Marko Podberšič Alenka Švab Tavčar Tržič, Golnik, 2003 – 2010 COBIS.SI-ID:512150125 Vse materialne avtorske pravice, vključno s pravicami reproduciranja, distribuiranja, dajanja v najem, javnega izvajanja, javnega prenašanja, javnega predvajanja s fonogrami in videogrami, javnega prikazovanja, radiodifuznega oddajanja, radiodifuzne retransmisije, sekundarnega radiodifuznega oddajanja, predelave in avdiovizualne priredbe so pridržane in so dovoljene izključno ob predhodnem pisnem dovoljenju imetnika avtorskih pravic. ŠOLSKI CENTER ZA POŠTO, EKONOMIJO IN TELEKOMUNIKACIJE BOSTJAN TAVCAR Digitally signed by BOSTJAN TAVCAR DN: c=si, o=state-institutions, ou=sigen-ca, ou=individuals, serialNumber=2456852712024, cn=BOSTJAN TAVCAR Date: 2010.09.15 18:38:18 +02'00' KAZALO 0 UVOD I 0.1 Fizikalne osnove komunikacij I 0.1.1 Uvod I 0.1.2 Pregled osnovnih fizikalnih teorij III 0.1.3 Geometrijska teorija (geometrijska optika) IV 0.1.4 Valovna teorija (valovna optika) V 0.1.5 Elektromagnetna teorija (elektrodinamika) V 0.1.5.1 Teorija relativnosti in njen vpliv VIII 0.1.5.1.1 Svetlobna hitrost IX 0.1.5.1.2 Posebna teorija relativnosti X 0.1.5.1.3 Splošna teorija relativnosti XI 0.1.6 Kvantna teorija (kvantna mehanika) XVI 0.1.6.1 Heisenbergovo načelo nedoločenosti XVIII 0.1.6.2 Opis elektromagnetnega valovanja v kvantni fiziki XIX 0.1.6.3 Nekaj misli slavnih fizikov XIX 0.2 Fizikalni mehanizmi prenosa informacij XX 0.2.1 Osnovne interakcije XX 0.2.2 Gravitacija XXI 0.2.3 Elektromagnetna interakcija XXIII 0.2.4 Kvantne komunikacije XXIII 0.2.4.1 Komunikacije z osnovnimi delci interakcije XXIII 0.2.4.2 Komunikacije s pomočjo kvantne preteklosti XXVI 1 TELEKOMUNIKACIJSKI SISTEMI 1.1 Telekomunikacijski modeli 1.1.1 Splošni model telekomunikacijskega sistema 1.1.2 Telekomunikacijski model ISO/OSI 1.1.3 Telekomunikacijski model TCP/IP 1.2 Količina informacije in kapaciteta telekomunikacijskega kanala 2 TELEKOMUNIKACIJE Z UPORABO ELEKTRIČNIH SIGNALOV 2.1 Telegrafija 2.1.1 Stalna telegrafska zveza 2.1.2 Avtomatska telegrafska zveza 2.2 Telefonija 2.2.1 Digitalizacija 2.2.2 Digitalno omrežje integriranih storitev – ISDN 2.2.2.1 Kaj je ISDN? 2.2.2.2 Osnove ISDN 1 2 2 3 5 7 9 9 9 10 10 12 13 13 14 2.2.2.2.1 B kanali 2.2.2.2.2 D kanal 2.2.3 ADSL (Asymmertic Digital Subscriber Line) 2.2.3.1 Kako ADSL deluje 2.2.3.2 Optimiziranje pasovne širine z uporabo asimetrije 2.2.3.3 ADSL in telefonsko omrežje 2.2.3.4 xDSL 2.3 Faksirni stroj 2.4 Osnove radijske tehnike 2.5 Osnove televizijske tehnike 2.6 Telekomanda, telemetrija in telesignalizacija 2.7 Prenos podatkov 2.7.1 Paralelni in serijski prenos 2.7.2 Načini komunikacije 2.7.3 Načini prenosa 2.7.3.1 Asinhroni prenos 2.7.3.2 Sinhroni prenos 2.7.4 Naprave za prenos podatkov 2.7.4.1 Asinhroni prenos 2.7.4.2 Sinhroni prenos 15 15 16 16 17 18 18 18 19 20 24 24 25 26 26 27 28 29 29 30 3 RAZVRSTITEV IN PONAZARJANJE SIGNALOV 31 3.1 Vrste signalov 31 3.2 Periodični signali 31 3.3 Neperiodični ali aperiodični signali 32 3.4 Naključni ali stohastični signali 33 3.5 Nenaključni ali deterministični signali 34 3.6 Ponazarjanje signalov v časovnem prostoru 34 3.6.1 Ponazarjanje periodičnih signalov 35 3.6.2 Harmonični signali 36 3.6.3 Ponazarjanje periodičnih signalov s harmoničnimi signali 40 3.7 Ponazarjanje signalov v frekvenčnem prostoru 44 3.7.1 Definicija δ funkcije 46 3.7.2 Ponazoritev harmoničnih signalov v frekvenčnem prostoru 48 3.7.3 Ponazoritev periodičnih signalov v frekvenčnem prostoru 50 3.7.4 Ponazoritev neperiodičnih signalov v frekvenčnem prostoru 54 3.7.5 Tabela Fourierjevih transformacij nekaterih periodičnih in neperiodičnih signalov 58 3.7.6 Diskeretna fourierjeva transformacija (DFT) 60 4 MODULACIJE 64 4.1 Splošno o modulacijah 64 4.1.1 Postopek in vrste modulacij 65 4.1.2. Demodulacija 65 4.2 Amplitudne modulacije 66 4.2.1 Vrste amplitudnih modulacij 66 4.2.2 Dvobočna amplitudna modulacija s poudarjenim nosilcem DSBLC 66 4.2.3 Matematični model amplitudne modulacije DSBLC 69 4.2.3.1 Časovni prostor 69 4.2.3.2 Frekvenčni prostor 70 4.2.4 Dvobočna amplitudna modulacija s potlačenim nosilcem DSBSC 71 4.2.5 Enobočna amplitudna modulacija s potlačenim nosilcem SSBLC 73 4.2.6 Primerjava posameznih tipov amplitudne modulacije med seboj 76 4.3 Kotne modulacije 77 4.3.1 Vrste kotnih modulacij 77 4.3.2 Frekvenčna modulacija 77 4.3.3 Matematični model frekvenčne modulacije 80 4.3.4 Matematični model fazne modulacije 81 4.3.5 Frekvenčni spekter kotno moduliranih signalov 82 4.3.6 Primerjava z amplitudno modulacijo 83 4.4 Digitalne modulacije 84 4.4.1 Princip in vrste digitalnih modulacij 84 4.4.2 Predstavitev digitalnih modulacij v kompleksnem prostoru 85 4.4.3 Digitalne amplitudne modulacije 86 4.4.3.1 Dvonivojska digitalna amplitudna modulacija ASK 87 4.4.4 Digitalne frekvenčne modulacije 89 4.4.4.1 Dvonivojska digitalna frekvenčna modulacija FSK 89 4.4.4.2 Dvonivojska minimalna digitalna frekvenčna modulacija MSK 92 4.4.5 Digitalne fazne modulacije 93 4.4.5.1 Dvonivojska digitalna fazna modulacija PSK 93 4.4.5.2 Diferencialna dvonivojska digitalna fazna modulacija DPSK 95 4.4.5.3 Štirinivojska digitalna fazna modulacija QPSK 96 4.4.5.4 Diferencialna π/4 štirinivojska fazna digitalna modulacija π/4-DQPSK 100 4.4.6 Digitalne amplitudno fazne modulacije 102 4.4.7 Odpornost na motnje 102 4.5 Spektralna in močnostna učinkovitost modulacij 104 4.5.1 Spektralna učinkovitost 104 4.5.2 Močnostna učinkovitost 105 4.5.3 Nekaj primerov izračuna spektralne in močnostne učinkovitosti telekomunikacijskih sistemov 106 4.6 Intermodulacija 109 4.6.1 Vzroki za nastanek intermodulacijskih motenj 109 4.6.2 Postopki za preprečevanje in zmanjšanje intermodulacijskih motenj 112 5 FREKVENČNO FILTRIRANJE 5.1 Uvod 5.2 Predstavitev frekvenčnega filtriranja v frekvenčnem in časovnem prostoru 5.3 Prevajalne funkcije filtrov 5.3.1 Filtri z enojnim polom 5.3.1.1 Preprost nizko prepustni RC filter z enojnim polom 5.3.1.2 Preprost visoko prepustni RC filter z enim polom 5.3.2 Filtri z dvojnim polom 5.3.2.1 Nizko prepustni filter z dvojnim konjugirano kompleksnim polom 5.3.2.2 Visoko prepustni filter z dvojnim konjugirano kompleksnim polom 5.3.2.3 Pasovno prepustni filter z dvojnim polom 5.3.2.4 Pasovno zaporni filter z dvojnim polom 127 129 132 6 ŠUM IN MOTNJE V TELEKOMUNIKACIJSKIH SISTEMIH 6.1 Šum in motnje 6.2 Šum v telekomunikacijskih sistemih 6.3 Termični šum in šum spontane emisije 6.4 Galaktični, atmosferski in umetni šum 6.4.1 Galaktični šum 6.4.2 Atmosferski šum 6.4.3 Umetni šum 6.5 Šum v elektronskih vezjih 6.5.1 Beli šum 6.5.2 Barvasti šum 6.5.3 Zrnati šum 6.6 Razmerje signal / šum in šumno število 135 135 135 136 138 138 139 140 141 141 143 144 145 7 SODOSTOPANJE 7.1 Sodostopanje (multipleksiranje) in vrste sodostopov 116 116 117 119 119 119 122 124 124 149 (multipleksov) 7.2 Frekvenčni sodostop (FDMA) 7.3. Časovni sodostop (TDMA) 7.4 Kodni sodostop (CDMA) 7.4.1 Tehnika neposrednega sekvenčnega mešanja (DS) 7.4.2 Tehnika frekvenčnega skakanja (FH) 7.4.3 Potreben frekvenčni spekter pri kodnem sodostopu 7.4.4 Odpornost na motnje in motenje ter varnost pred prisluškovanjem 7.5 Prostorski sodostop (SDMA) 7.5.1 Celična mrežja 7.5.2 Minimalna dovoljena razdalja med istokanalnimi celicami 7.5.3 Enostaven teoretični model, ki opisuje širjenje radijskih valov v ravnini 7.5.4 Statistični model okumura hata za izračun jakosti radijskega signala 7.5.5 Nekaj primerov celičnih omrežij 7.6 Sodostop z zaseganjem zmogljivosti 7.6.1 Nekaj primerov sodostopa z zaseganjem zmogljivosti 7.6.1.1 Ethernet računalniško omrežje 7.6.1.2 Token ring (obroč z žetonom) 7.7 Za konec 8 FIKSNE ZVEZE 8.1 Razdelitev fiksnih omrežij 8.2 Lastnosti žičnega telekomunikacijskega voda 8.2.1 Slabljenje 8.2.2 Disperzija 8.2.3 Odboji 8.2.4 Presluh 8.3 Prenosne tehnike po fiksnih vodih in stopnja učinkovitosti prenosa 8.4 Fiksna telekomunikacijska omrežja 8.4.1 Telefonsko omrežje 8.4.1.1 Analogni telefonski sistemi 8.4.1.2 Prednosti digitalnih signalov pred analognimi 8.4.1.3 Kombinirano analogno–digitalno telefonsko omrežje 8.4.1.4 Digitalno telefonsko omrežje 8.4.1.5 Digitalno omrežje integriranih storitev 8.4.1.6 Razpoložljive tehnologije za prenos podatkov v telefonskih omrežjih 8.4.2 Omrežje kabelske televizije 149 149 151 155 155 159 159 160 161 161 162 165 170 174 176 176 176 180 187 188 188 189 189 197 197 198 198 200 201 201 203 204 205 205 206 209 8.4.3 Energetsko omrežje 9 RADIJSKE ZVEZE 9.1 Brezžične prenosne poti 9.2 Zgodovina radijskih zvez 9.3. Slabljenje signala na poti od oddajnika do sprejemnika 9.4 Izgube na prenosni poti 9.4.1 Izgube v praznem prostoru 9.4.2 Izgube na ravninskih območjih 9.4.2.1 Egli model za izračun izgub na ravninskih območjih 9.4.2.1 Okumura-Hata model za izračun izgub na ravninskih Območjih 9.4.3 Izgube v notranjosti stavb 9.4.3.1 ITU model za izračun izgub v notranjosti stavb 9.5 Izgube zaradi senčenja 9.6 Presih polja 9.6.1 Reyleighjeva porazdelitev 9.6.2 Reiceova porazdelitev 9.6.3 Normalna porazdelitev 9.6.4 Pokritost območja z radijskim signalom in bilanca radijske zveze 9.7 Radijska telekomunikacijska omrežja 9.7.1 Brezžična razdelilna omrežja 9.7.2 Sistemi mobilne telefonije 9.7.2.1 Sistemi prve generacije 9.7.2.2 Sistemi druge generacije 9.7.3 Lokalna radijska omrežja 9.7.4 Satelitska omrežja 9.7.4.1 Sateliti za mobilno telefonijo 9.7.4.2 Sateliti za širokopasovne podatkovne komunikacije 9.7.5 Aeronavtične ploščadi 9.7.6 Sistemi profesionalnih radijskih zvez 9.7.6.1 Prva generacija profesionalnih sistemov radijskih zvez 9.7.6.2 Druga generacija profesionalnih sistemov radijskih zvez po standardu TETRA 9.7.6.3 Tretja generacija profesionalnih sistemov radijskih zvez – projekt MESA 9.7.7 WiMAX 9.7.7.1 Osnove tehnologije WiMAX 9.7.7.2 Koncept delovanja tehnologije WiMAX 9.7.7.3 Standardizacija 9.7.7.4 Fizični sloj 9.7.7.4.1 Radijske značilnosti 210 211 211 211 216 216 216 219 223 223 226 227 229 234 235 239 241 243 247 247 247 249 251 257 257 258 258 259 260 260 262 264 265 265 266 266 267 268 9.7.7.4.1.1 Tipi radijske vidljivosti 9.7.7.4.2 Tehnike prenosa podatkov pri tehnologiji WiMAX 9.7.7.4.2.1 Ortogonalno frekvenčno multipleksiranje - OFDM 9.7.7.4.2.2 Sodostop OFDMA 9.7.7.4.2.3 Struktura OFDMA simbolov in porazdelitev podkanalov 9.7.7.4.3 Načini dostopa pri WiMAX-u FDD in TDD 9.7.7.4.3.1 Dostopa FDD in HD-FDD 9.7.7.4.3.2 Dostop TDD 9.7.7.5 Sloj MAC (Media Access Control) – sloj dostopa do medija 269 270 270 271 271 272 272 273 274 10 VARNOST V TELEKOMUNIKACIJSKIH SISTEMIH 10.1 Uvod 10.2 Osnovne tajnega komuniciranja 10.3 Tajno komuniciranje v komunikacijskih sistemih 10.3.1 Kriptografija v komunikacijskih sistemih 10.3.2 Kriptofonija v komunikacijskih sistemih 10.3.2.1 Kriptofonija v frekvenčnem prostoru 10.3.2.2 Kriptofonija v časovnem prostoru 10.3.3 Definicija stopnje kriptografske zaščite 10.3.4 Moderni kriptografski postopki v komunikacijskih sistemih 10.3.4.1 Simetrični kriptografski postopki 10.3.4.2 Asimetrični postopek kriptografije 10.3.4.2.1 Kriptografski algoritmi in ključi 10.3.4.2.1.1 Simetrični algoritmi 10.3.4.2.1.2 Asimetrični algoritmi 10.3.4.2.1.3 Zgoščevalne funkcije in elektronski podpis 10.3.4.2.1.4 Varnost asimetrične kriptografije 10.3.5 Kvantna kriptografija 10.3.5.1 Osnovne ideje kvantne kriptografije 10.3.5.2 Protokol za izmenjavo ključev BB84 10.3.5.3 Prisluškovanje kvantni kriptografiji 10.3.6 Tehnologiji IPSec, TSL 10.3.6.1 IPSec 10.3.6.1.1 IPSec – izmenjava ključev 10.3.6.1.2 IPSec – transportni način zaščite 10.3.6.1.3 IPSec – tunelski način zaščite 10.3.6.2 TSL 278 278 278 284 284 288 288 290 292 11 MIKROPROCESORJI V TELEKOMUNIKACIJAH 318 292 293 294 297 299 300 302 307 308 308 308 311 312 312 313 313 315 316 11.1 Številski sestavi 11.1.1 Binarni številski sestav 11.1.1.1 Pretvarjanje števil iz binarnega št. sestava v decimalnega in obratno 11.1.2 Oktalni številski sestav 11.1.3 Heksadecimalni številski sestav 11.3 Osnovne logične funkcije in vezja 11.3.1 Osnovne logične funkcije 11.3.1.1 Pravila Boolove algebre 11.3.2 Pozitivna oz. negativna logika in napetostni nivoji 11.3.3 Osnovna logična vezja 11.3.3.1 IN (AND) logično vezje 11.3.3.2 ALI (OR) logično vezje 11.3.3.3 NE (NO) logično vezje 11.4 Sestavljene logične funkcije in vezja 11.4.1 Sestavljene logične funkcije 11.4.2 Sestavljena logična vezja 11.4.2.1 Negirani IN ali NAND 11.4.2.2 Negirani ALI ali NOR 11.4.2.3 Izključeni ALI ali EXOR 11.4.2.4 Ekvivalenca 11.5 Analiza in sinteza logičnih vezij 11.5.1 Analiza logičnih vezij 11.5.2 Sinteza logičnih vezij 11.6. Poenostavljanje logičnih funkcij 11.6.1 Kanonične oblike Boolovih funkcij - mintermi in makstermi 11.6.2 Veitchev diagram 11.7 Pomnilniki 11.7.1 Bralni pomnilnik - ROM (Read Only Memory) 11.7.2 Bralni pomnilnik z možnostjo vpisa - PROM (Programable ROM) 11.7.3 Bralni pomnilniki z možnostjo vpisa in reprogramiranja - EPROM-i 11.7.4 Pomnilnik z naključnim dostopom - RAM (Random Acces Memory) 11.8 Mikroprocesorji, mikrokrmilniki in mikroračunalniki 11.8.1 Kaj je mikroprocesor 11.8.2 Mikroprocesor, mikroračunalnik in mikrokrmilnik 11.8.3 Mikroprocesorska tehnologija 11.8.4 Osnovni principi delovanja računalnikov 11.8.4.1 Turingovi stroji 11.8.4.2 Von Neumannov računalniški model 318 318 319 321 322 323 323 323 325 328 329 330 331 333 333 333 334 335 336 337 338 338 341 345 346 350 353 355 356 357 358 360 361 362 363 364 365 368 11.8.4.2 Prenosi podatkov v mikroračunalniku 11.8.5 Primer konkretnega mikrokrmilnika – Motorola MC68332ACFC20 11.8.6 Razvoj mikroprocesorjev 11.9 Osnove mehke logike 11.9.1 Mehka množica 11.9.2 Lingvistična spremenljivka 11.9.3 Mehki operatorji in operacije 11.9.4 Mehka števila 11.9.5 Sistemi mehkega sklepanja 11.9.6 Primer uporabe mehke logike 11.10 Osnove nevronskih mrež 11.10.1 Biološki nevron 11.10.2 Umetni nevron 11.10.3 Nevron kot preklopni element 11.10.4 Povezovanje nevronov v nevronsko mrežo 11.10.5 Učenje večnivojske usmerjene mreže 12 NAČRTOVANJE VEZIJ S SODOBNO LOGIKO 12.1 Uvod 12.2. Pravila za načrtovanje PTIV in izbiro elementov 12.2.1 Opis EMC problematike elektronskih vezij 12.2.1.1 EMC problem emisije sevalne narave 12.2.1.2 Presluh 12.2.1.3 Poskakovanje mase 12.2.1.4 Šum napajalnega vezja 12.2.1.5 EMI šum 12.2.2 Ukrepi za zmanjšanje EMC emisije 12.2.2.1 Dobro napajalno vezje 12.2.2.2 Uporaba ustreznih blokirnih kondenzatorjev 12.2.2.3 Preprečevanje poskakovanja mase 12.2.2.4 Preprečevanje nastanka presluha 12.2.2.5 Izogibajmo se uporabi podnožij 12.2.2.6 Pravilna izbira vgrajenih elementov 12.2.2.7 Pravilna izbira ohišij 12.2.2.8 Pravilna izvedba ozemljitev 12.2.2.9 Pazimo na pravilno izvedbo vhodno - izhodnih vezij in linij 12.2.2.10 Pazimo na pravilno izvedbo ohišij 12.2.2.11 Povzetek napotkov za zmanjšanje EMC emisije 12.3 Uporaba filtrov EMI 12.3.1 Pregled metod za izbiro ustreznih filtrov EMI 12.3.2 Predstavitev značilnih filtrov EMI 370 371 374 376 377 379 380 382 383 385 386 387 388 390 391 392 394 394 395 395 396 399 402 403 406 406 406 406 407 407 408 408 408 410 410 411 411 412 412 413 12.3.2.1 Sestava filtrov EMI 12.3.2.2 Filtri s kapacitivnim dušenjem 12.3.2.3 Filtri z induktivnim dušenjem 12.3.2.4 Filtri s kapacitivno – induktivnim dušenjem 12.3.3 Podajanje učinkovitosti filtrov EMI 12.3.4 Strmina rezanja filtrov EMI 12.3.5 Optimalnejša metoda za izbiro ustreznih filtrov EMI 12.3.5.1 Kritična dolžina linije 12.3.5.2 Tipična frekvenca opazovana kot EMI 12.3.5.3 Izbiranje ustreznih filtrov EMI 12.3.6 Prilagoditev in filtriranje 414 414 416 417 417 418 419 419 421 423 425 13 NEIONIZIRAJOČE ELEKTROMAGNETNO POLJE IN VPLIV NA ČLOVEKA 426 13.1 Pojav elektromagnetnega polja 426 13.2 Vpliv na človeški organizem 426 13.2.1 Termični učinki 427 13.2.2 Netermični učinki 429 13.2.3 Raziskovanje vpliva EM polja na človeka in živali 430 13.3 Standardizacija 435 13.3.1 Slovenski predpisi 435 13.3.2 Evropski predpisi 437 13.3.3 Primerjava med slovenskimi in evropskimi standardi 438 13.3.4 Standardi IEEE 439 A DODATEK Modularna aritmetika 440 VIRI 445 0 UVOD 0.1 FIZIKALNE OSNOVE KOMUNIKACIJ 0.1.1 Uvod Vse se je začelo s svetlobo. Bila je medij, ki je omogočil prve prenose informacij na daljavo. Z opazovanjem so ljudje hote ali nehote prihajali do informacij iz svoje bližnje in daljne okolice. Z uporabo ognja in kasneje optičnih telegrafov so pošiljali in si izmenjevali informacije. Slika 0.1: Optični telegraf Čeprav na videz preprosta, je svetloba v sebi skrivala veliko skrivnosti. Postopno odkrivanje teh skrivnosti je v zgodovini večkrat korenito spremenilo naš pogled na svet. Astronomska opazovanja babilonskih, grških in drugih astronomov, so bila temelj geocentričnega modela vesolja, kot si ga je zamislil Ptolemej. Verjel je, da bi vrtenje zemlje okoli svoje osi ali drugih nebesnih teles povzročilo, da bi vsi ki so na njej padli dol. Zato je bilo logično da jo postavi v središče. Postavitev zemlje v središče sistema – vesolja, je bila v skladu s cerkvenim verovanjem, po katerem je bog postavil zemljo v središče vesolja. Za popolno ujemanje modela z opazovanji, je poleg krožnic, po katerih so druga nebesna telesa krožila okoli zemlje vpeljal epicikle. To so manjše krožnice po katerih se nebesna telesa vrtijo na svoji poti okoli zemlje. I Slika 0.2: Geocentrični model osončja Ptolemejev geocentrični model osončja je seveda napačen, vendar so bolj kot to dejstvo zanimivi vzroki in razlogi, ki so botrovali njegovemu nastanku. Astronomska opazovanja tistega časa so bila zgolj opazovanje neba s prostim očesom, zato so bile informacije, ki jih je prinašala svetloba iz vesolja, pomanjkljive. Napačno je bilo tudi mišljenje, da bi vrtenje zemlje okoli svoje osi ali drugih nebesnih teles povzročilo, da bi vsi ki so na njej padli dol. Do teh spoznanj je mnogo let po Ptolemeju prišel Galilejo. S pomočjo daljnogleda se je dokopal do več in boljših informacij o vesolju. Problem obstanka na zemlji, ki se vrti in giblje okoli sonca je razrešil z zakonom o vztrajnosti, imenovanim tudi Galilejev zakon. Po njem telo miruje ali se giblje premo enakomerno po premici s stalno hitrostjo, če nanj ne deluje nobena zunanja sila. Pri tem ne gre spregledati pomembnega dejstva, da je Galilejev zakon tudi zakon relativnosti v mehaniki in s tem eden od temeljev kasnejše Einsteinove teorije relativnosti. Ptolemejev geocentrični model osončja je bi s svojimi epicikli tako zapleten, da se je upiral zdravemu razumu. Naravni pojavi potekajo po načelu najmanjše porabljene energije oziroma največje možne preprostosti. Zato je za opisovanje naravnih pojavov zelo pomembno načelo Occamove britve. Načelo zahteva, da pri oblikovanju hipotez in teorij privzamemo čim manj predpostavk ter pojav pojasnimo s kar najmanjšim številom vplivnih spremenljivk in delnih procesov. To hevristično raziskovalno načelo zahteva gospodarnost, varčnost in preprostost znanstvenih teorij. Teoriji na nek način "obrijemo" odvečne pritikline in okraske. Načelo Occamove britve izhaja iz znamenitega izreka frančiškanskega meniha Vilijem iz Ockhama: »Numquam ponenda II est pluralitas sine necessitate«, ki ga lahko prevedemo kot: »Ne ustvarjaj množice brez nuje« Klub nespornim znanstvenim dokazom, ki so kazali na napačnost Ptolemejevega modela osončja, je ta ostal veljaven še leta po Galilejevi smrti, ker ga je podpirala cerkev. Ta je imela v tistem času velik posredni kot tudi neposredni vpliv na znanost. Nobena skrivnost ni, da je znameniti Newton zavračal načelo ohranitve energije izključno iz verskih razlogov. Podobnih primerov je bilo v zgodovini znanosti še veliko. Kljub temu gredo Newtonu vse zasluge za utemeljitev fizikalnih zakonov klasične mehanike. Zakoni so bili matematičen zapis dogajanj v naravi. Za področje komunikacij, je bolj ko klasična mehanika pomembna druga teorija. To je elektromagnetna teorija. Maxwell je leta 1873 združil do tedaj ločene teorije s področja elektrostatike, magnetostatike, elektrodinamike in magnetodinamike v enotno elektromagnetno teorijo. Pri tem je upošteval dela svojih predhodnikov Gaussa, Ampera in Faradya in v štirih med seboj povezanih diferencialnih enačbah postavil temelje elektromagnetne teorije. Če je bila elektromagnetna teorija velika zmaga teoretske fizike, saj je napovedala obstoj elektromagnetnega valovanja pred njegovim dejanskim odkritjem, je bila teorija relativnosti tektonski premik, ki je fiziko zamajal v njenih temeljih. Razumevanje vesolja je z njo dobilo popolnoma novo dimenzijo. Po drugi strani je nezmožnost klasične fizike, da opiše dogajanja v svetu atomov, botrovala rojstvu nove kvantne fizike. Kje smo danes? Še vedno v situaciji, ko motamo svet opisovati tako s klasično kot kvantno fiziko. Z dvema med seboj si v marsičem nasprotujočima se fizikalnima konceptoma. Kateri je pravi? Odgovora na to vprašanje še nimamo. Povsem možno je, da noben koncept ni pravi! Kljub temu nam oba fizikalna koncepta praktično služita. Sodobnih komunikacijskih sistemov, si brez poznavanja klasične in kvantne fizike ne moremo predstavljati. Delovanje radijskih komunikacijskih sistemov opisuje elektromagnetna teorija. Globalni navigacijski sistem GPS bi brez upoštevanja teorije relativnosti sploh nebi mogel delovati. Sodobne kvantne komunikacije in kvantna kriptografija brez poznavanja kvantne fizike nebi obstajale. Kakšna je prihodnosti? Napovedi so vedno nehvaležne. Nedvomno pa je eden glavnih ciljev prihodnosti, kako zagotoviti komunikacije na velike, medplanetarne in medzvezdne razdalje. 0.1.2 Pregled osnovnih fizikalnih teorij V splošnem lahko teorije s katerimi proučujemo elektromagnetne pojave razdelimo na: III geometrijsko teorijo (lom, odboj, snellov zakon, Huygensovo načelo, ...) valovno teorijo (uklon, interferenca, absorpcija, Beer-Lambertov zakon, Fresnelove cone ...) elektromagnetno teorijo (polarizacija, optični pojavi v kristalih, nelinearni optični pojavi, Maxwellove enačbe...) kvantno teorijo (kvantna stanja svetlobe, interakcija z elektroni in vrzelmi, ...) Sprva so radijske valove in svetlobo obravnavali kot dva popolnoma ločena fizikalna pojava. Šele z elektromagnetno teorijo se je izkazalo, da gre v bistvu za isti fizikalni pojav. Osnovni teoriji, geometrijska in valovna teorija, sta bili sprva namenjeni samo proučevanju svetlobnih pojavov, kasneje so jih poskušali uporabiti tudi pri proučevanju pojavov v zvezi z radijskimi valovi. Vsaka izmed naslednjih teorij je uspela razložiti fizikalne pojave, ki jim prejšnja ni bila kos. Pri proučevanju radijskih valov in njihovi uporabi v telekomunikacijah večinoma zadoščata valovna in elektromagnetna teorija, s katerima se bomo ukvarjali v nadaljevanju te knjige. Pri proučevanju svetlobe in njeni uporabi v telekomunikacijah ter še kje, se je potrebno zateči tudi k kvantni teoriji. 0.1.3 Geometrijska teorija (geometrijska ali žarkovna optika) Geometrijska teorija obravnava svetlobo kot žarke. Žarki izvirajo iz svetlobnega izvira, se odbijajo skladno z odbojnim zakonom in lomijo v skladu z lomnim zakonom. Geometrijska teorija obravnava svetlobo ne upoštevajoč njeno valovno naravo. Zato je veljavna in uporabna le v primeru, ko je valovna dolžina svetlobe dosti manjša od razsežnosti najmanjše komponente optičnega sistema. Geometrijska teorija predstavlja temelj delovanja optičnih instrumentov z lečami ali zrcali, kot so astronomski daljnogled, mikroskop ali oko. Je tudi osnova žarkovnih modelov razširjanja radijskih signalov v prostorih. Slika 0.3: Odboj in lom IV 0.1.4 Valovna teorija (valovna optika) Težave pri geometrijski teoriji nastopijo že pri preprostih pojavih, kot sta uklon in interferenca, ki ju z geometrijsko optiko ne znamo razložiti. Do teh pojavov pride v primerih, ko so razsežnosti objektov na katerih nastopajo reda velikosti valovne dolžine svetlobe. Valovna teorija torej obravnava svetlobo kot valovanje. Predstavlja posplošitev geometrijske teorije, s tem ko žarke v valovni teoriji obravnavamo kot pravokotnice na valovno fronto. Slika 0.4: Odklon in interferenca Valovna teorija je uporabna tako na področju optičnih in radijskih komunikacij. Z njo je mogoče razložiti pojave, kot so uklon, interferenca, absorpcija, sipanje in polarizacija. 0.1.5 Elektromagnetna teorija (elektrodinamika) Elektromagnetna teorija sloni na Maxwellovih enačbah, ki jih je med leti 1867 in 1873 zapisal škotski matematik in fizik James Clerk Maxwell. Celotno teorijo je objavil leta 1873 v razpravi Treatise on Electricity and Magnetism. Izvirnih Maxwellovih enačb iz leta 1865 je bilo 20 z 20 spremenljivkami. Kasneje jih je Maxwell poskušal zapisati s kvaternioni, kar se je pokazalo za okorno. Sodoben zapis Maxwellovih enačb, sta izdelala Oliver Heaviside in Josiah Willard Gibbs, ki sta leta 1884 izvirne Maxwellove enačbe zapisala v obliki vektorskega računa. Sistem kvaternionov je leta 1843 iznašel William Rowan Hamilton in veljaja za eno od predhodnih oblik matematične algebre Operatorji vektorskega računa: rot, div, grad V Slika 0.5: Desno so enačbe kot jih je zapisal Maxwell, levo pa enačbe, kot sta jih zapisala Heaviside in Gibbs Maxwellove enačbe opisujejo osnovne zakone elektrodinamike, ki povezujejo električno in magnetno polje v elektromagnetno polje ter opisujejo njegove časovne spremembe in širjenje v prostoru. Posebej velja poudariti, da so Maxwellove enačbe predpostavile obstoj elektromagnetnega valovanja, ki ga je kasneje dokazal Heinrich Hertz. Kljub temu Hertz elektromagnetnemu valovanju ni pripisoval kakega praktičnega pomena, saj je menil, da je doseg elektromagnetnih valov kratek. Elektromagnetno valovanje je valovanje električnega in magnetnega polja. Električno in magnetno polje valujeta v smeri pravokotno eno na drugo in vzdržujeta druga drugo. VI Slika 0.6: Elektromagnetni val V praznem prostoru se elektromagnetno valovanje širi s hitrostjo svetlobe (c = 2,99792458 · 108 m/s) v smeri, pravokotni na smer valovanja električnega in magnetnega vala. Elektromagnetno valovanje prenaša gibalno količino in energijo, pri čemer je polovica te shranjena v električnem polju, druga polovica v magnetnem polju. Elektromagnetno valovanje lahko obravnavamo v okviru elektrodinamike. Vsak električni naboj, ki se giblje pospešeno, seva elektromagnetno valovanje, ki se od izvora v praznem prostoru oddaljuje s hitrostjo svetlobe. Ko po žici ali kateremkoli drugem električnem vodniku teče izmenični električni tok, deluje ta kot antena, ki seva elektromagnetno valovanje, enake frekvence, kot je frekvenca toka v vodniku. Ko opisujemo elektromagnetno valovanje kot valovanje, ga opišemo s hitrostjo razširjanja (ki je v praznem prostoru enaka hitrosti svetlobe) ter valovno dolžino ali frekvenco. V praznem prostoru potuje elektromagnetno valovanje vedno z enako relativno hitrostjo glede na opazovalca, to je hitrostjo svetlobe, ne glede na to, s kakšno hitrostjo se giblje opazovalec ali izvor valovanja, kar je svojevrsten paradoks! To je bilo spoznanje, ki se je pred tem skrivalo v Maxwellovih enačbah skoraj štirideset let. Ta nova ugotovitev o svetlobi je spremenila vse. Svetlobna hitrost je tako postala končna omejitev hitrosti gibanja vsega v našem vesolju, celo same sebe. To in še nekatera druga opažanje, ki so izhajala iz Maxwellove elektromagnetne teorije so navdihnila Alberta Einsteina, pri razvoju posebne teorije relativnosti. Za samo teorijo relativnosti bi bil sicer boljši izraz teorija invarjantnosti, ki je bil ljubši tudi Albertu Einsteinu. Glede na valovno dolžino delimo elektromagnetno valovanje na radijske valove, mikrovalove, infrardeče valovanje, svetlobo, ultravijolično valovanje, rentgenske žarke in žarke gama. Valovanje z daljšo valovno dolžino ima nižjo frekvenco in obratno. Skladno s Planckovo zvezo VII nosijo največ energije kvanti valovanja z najvišjo frekvenco (in najkrajšo valovno dolžino); med naštetimi so to žarki gama in trdi rentgenski žarki. Če elektromagnetno valovanje v vidnem delu spektra osvetljuje nek predmet, naše oko zazna mešanico valovanj z različnimi valovnimi dolžinami, kar vidni center v naših možganih interpretira kot različne barvne odtenke različnih svetlosti, ter nazadnje po še ne povsem pojasnjeni poti privede do našega »videnja« tega predmeta. Medtem ko zazna naše oko le vidni del elektromagnetnega valovanja z valovnimi dolžinami od 400 do 700 nm, lahko s postopki spektroskopije raziščemo dosti širši pas elektromagnetnega valovanja, s čimer dobimo vpogled v podatke o fizikalnih lastnostih atomov snovi, ki seva. Tako lahko v astrofiziki iz spektra elektromagnetnega valovanja, ki ga izsevajo oddaljene zvezde, sklepamo o njihovi sestavi. Značilno je, denimo, da vodikovi atomi v sevajo radijske valove z valovno dolžino 21.12 cm. Informacij, ki jih nosi elektromagnetno valovanje izven vidnega dela spektra, človeška čutila ne morejo zaznati. Ker v naravi obstajajo elektromagnetna valovanja v vseh območjih spektra, si lahko pri obdelavi teh pomagamo s pripomočki tehnologije. Tako lahko optično vlakno prenaša svetlobo, ki četudi je ne vidimo, prenaša podatke. Te podatke lahko pretvorimo v zvok ali sliko. Kodiranje podatkov uporabljamo tudi pri radiu. Radijski valovi prenašajo podatke tako, da spreminjajo (modulirajo) bodisi frekvenco, bodisi amplitudo nosilnega elektromagnetnega valovanja. Ko elektromagnetno valovanje vpada na električni prevodnik, se sklopi s prevodnikom, potuje po njem, ter v njem inducira električni tok, kar uporabljamo pri antenah. V neprevodnih snoveh lahko snov absorbira energijo elektromagnetnega valovanja in se na ta račun segreje; pojav izkoriščamo pri mikrovalovnih pečicah. 0.1.5.1 Teorija relativnosti in njen vpliv na komunikacije Albert Einstein je bil prvi, ki je prišel do zaključka, da svetloba lahko obstaja le, ko se svetlobni val aktivno premika naprej in da mirujoče svetlobe ni. Prišel je tudi do zaključka, da je svetlobna hitrost najvišja možna hitrost vsega v vesolju, celo same sebe. Elektromagnetni valovi so drugačni od vseh drugih poznanih vrst valov (valovanja vode, zraka, ...). Val pod deskarjem na morju navidez miruje, ker vsi deli vala zavzemajo stalne položaje glede na ostale dele. Zato vidite na deski, ko se ozrete okoli sebe, nepremično planjavo vode. S svetlobo je drugače. Svetlobni valovi napredujejo le zaradi lastnosti, da del, ki se premika naprej, ustvarja naslednji del (električni del valovanja ustvari magnetni del, ta pa nato ustvari naslednji električni del valovanja in tako naprej v VIII ponavljajočem se ciklusu valovanja). Kadarkoli mislite, da ste dohiteli svetlobni val, poglejte naprej in videli boste, da del, ki ste ga domnevno dohiteli, napaja naslednji svetlobni val, ki vam še vedno uhaja. Ujeti žarek svetlobe in ga pri tem videti bi bilo isto, kot videti zabrisane sledi žogic pri hitrem žongliranju v primeru da bi sliko žogic in žonglerja zamrznili tako da bi žogice obstale. To je seveda nemogoče, saj žogice lahko puščajo sledi samo če se gibljejo. Einstein je bil prvi, ki je prišel do zaključka, da svetloba lahko obstaja le, ko se svetlobni val aktivno premika naprej in da mirujoče svetlobe ni. Ravno tako je pomembna tudi ugotovitev, da svetloba vedno potuje z isto hitrostjo, ne glede na hitrost opazovalca. To dejstvo izhaja tudi iz rešitve Maxwellovih enačb, ki predpostavljajo elektromagnetno valovanje in nam dajo eno samo rešitev za hitrost tega valovanja. To in še nekatera druga opažanje, ki so izhajala iz Maxwellove elektromagnetne teorije so navdihnila Alberta Einsteina, pri razvoju posebne in kasneje splošne teorije relativnosti. Posebna teorija relativnosti temelji na dveh načelih invariantnosti: Načelu o hitrosti svetlobe: »Hitrost svetlobe oziroma hitrost elektromagnetnega valovanja v praznem prostoru je v vseh inercialnih opazovalnih sistemih konstantna.« Načelu relativnosti: »Zakoni narave imajo v vseh inercialnih opazovalnih sistemih enako obliko. Vsi inercialni opazovalni sistemi so med seboj enakovredni.« Splošna teorija relativnosti pa še na načeli ekvivalentnosti: Načelu o gravitaciji: »učinki gravitacije so ekvivalentni učinkom pospeševanja« Klasično Newtonovo razumevanje prostora in časa je bilo s tem dokončno pokopano. 0.1.5.1.1 Svetlobna hitrost Najprej se osredotočimo samo na svetlobno hitrost, kot najvišjo možno hitrost vsega v vesolju. S svetlobno hitrostjo se širita gravitacijsko in elektromagnetno valovanje, kar praktično pomeni, da je to tudi najvišja možna hitrost prenosa informacij. Zaradi velike vrednosti svetlobne hitrosti, ki znaša: c 2,99792458 ·10 8 m / s se nam na manjših razdaljah zdi, da je prenos informacij hipen. Kaj pa na večjih razdaljah? Pri večjih razdaljah temu ni več tako. Do umetnih satelitov na nizkih orbitah, na primer satelitov Globalstar na višini 1414 km potuje elektromagnetno valovanje 0,005 s, do geostacionarnih satelitov na višini 35786 km 0,1 s, do Lune približno 1,3s, do Marsa že približno 187,8s oziroma že dobre tri minute. IX Hitrost svetlobe, kot največja možna hitrost prenosa informacij preprečuje hitre dvosmerne izmenjave podatkov prek geostacionarnih satelitov. Na med-planetarnih razdaljah predstavlja že resen problem pri komuniciranju, da medzvezdnih razdalj niti ne omenjamo. Z razpoložljivo tehnologijo in ob današnjem razumevanju prostora in časa, je zmožnost našega medsebojnega komuniciranja močno omejena. Ali obstaja rešitev, ali smo trčili ob rob naravnih zakonitosti? Na to vprašanje ni možno dokončno odgovoriti. Odgovora tudi ni možno pričakovati v okviru klasične fizike oziroma teorije relativnosti. Mogoče se odgovor skriva v kvantni teoriji? 0.1.5.1.2 Posebna teorija relativnosti Končna hitrost svetlobe ima še eno posledico. Čas ni več absoluten temveč relativen. To pomeni, da čas povsod ne teče enako, ponekod celo stoji! Poglejmo si preprost miselni poskus. Poskusimo si izmeriti čas tako, da se enakomerno premočrtno peljemo v vagonu in s svetilko posvetimo v strop vagona. Slika 0.7: Miselni poskus meritve časa pri enakomernem premem gibanju Svetloba bo razdaljo med svetilko in stropom prepotovala v času t . Če poznamo hitrost svetlobe c lahko zapišemo, da je razdalja med svetilko in stropom enaka c t . Do tu vse lepo in prav. Kaj če našo merite nekdo opazuje od zunaj. Ker se ne pelje z nami vidi poskus drugače. Ko se peljemo mimo njega in vključimo svetilko vidi, da svetloba ne potuje navpično proti stropu temveč zaradi gibanja vlaka poševno. Ker svetloba vedno potuje z enako hitrostjo, bo tako po njegovem potovala po daljši poti in dlje časa. On trdi da potuje proti stropu v času t , ki je zato ker potuje svetloba po daljši poti nedvomno daljši od časa t . Razdalja, ki jo svetloba prepotuje pa je po njegovem c t . Kdo ima prav? Odgovor je preprost. Oba imata prav: Kako je to mogoče? X To je mogoče le, če pristanemo na dejstvo, da obema opazovalcema v času poskusa čas ne teče enako. S tem smo prekršili enega od temeljev klasične fizike, ki predpostavlja absolutnost časa. Razliko obeh časov si lahko preprosto izračunamo, če poleg povedanega upoštevamo še hitrost vlaka. (c t ) 2 (c t ) 2 (v t ) 2 (v t ) 2 v2 2 v2 2 2 2 2 t t t t 2 t t t (1 2 ) c2 c c 2 2 t t 1 v2 c2 0.1 v = hitrost gibanja gibajočega opazovalca c = svetlobna hitrost t = čas mirujočega opazovalca t´ = čas gibajočega opazovalca Dobili smo enačbo 0.1 imenovano tudi Lorentzova transformacija, ki predstavlja eno od ključnih enačb posebne teorije relativnosti, saj zagotavlja, da imajo zakoni narave v vseh inercialnih opazovalnih sistemih enako obliko (drugo načelo invarjantnosti imenovano tudi načelo relativnosti). Iz enačbe vidimo, da opazovalec, ki miruje vidi, da opazovalcu, ki se giblje teče čas počasneje kot njemu. To je tem bolj očitno, čim hitreje se drugi opazovalec giblje. Kakšen vpliv ima to na komunikacijske sisteme? Na to vprašanje si bomo odgovorili kasneje, ko si bomo pogledali še vpliv splošne teorije relativnosti. 0.1.5.1.3 Splošna teorija relativnosti Na relativnost časa ne vpliva samo gibanje temveč tudi gravitacija, to je tisto, kar vas sedaj drži prikovane v vaših sedežih, da ne lebdite prosto po prostoru. Splošna teorija relativnosti temelji na načelu ekvivalentnosti, ki XI pravi, da so učinki gravitacije ekvivalentni učinkom pospeševanja. Predpostavljajmo si, da smo zaprti v sobi brez oken, ki je postavljena nekje na zemlji. Ko sedimo v sobi zaradi gravitacije zemlje čutimo svojo težo, ki nas tišči v stol. Kaj če bi ta ista soba imela raketne motorje in bi se pospešeno gibala po vesolju? Ravno tako bi čutili svojo težo in če bi se gibala s pospeškom 9,8 m/s bi bila ta teža enaka kot smo jo čutili prej. Ker smo zaprti sobi ne vemo ali čutimo težo zaradi gravitacije ali zaradi pospešenega gibanja. Učinki so resnično enaki. Enako bi bilo tudi, če bi bila soba oblikovana tako, da bi v vesolju krožila okoli svoje osi. Na koncu sobe bi občutili centrifugalno silo, ki bi bila ekvivalentna sili gravitacije. Idejo kako ustvariti umetno gravitacijo v vesolju je prvi predstavil slovenski raketni inženir Herman Potočnik-Nordung leta 1929 v svoji knjigi Problem vožnje po vesolju. Ta ideja je bila kasneje predstavljena tudi v filmu Odisea 2001. Slika 0.8: Umetna gravitacija, levo predlog Hermana Potočnika, na sredini vesoljska postaja iz filma »Odisea 2001« in desno vesoljska postaja iz filma »Doroga k zvezdam« Če stojimo na robu vrtiljaka, čutimo centrifugalno silo, ki je ekvivalentna gravitaciji. Opazovalec, ki nas opazuje od zunaj ali iz sredine vrtiljaka vidi, da nam teče čas drugače, kot njemu, saj se mi glede na njega gibljemo. To je v skladu s posebno teorijo relativnosti. Ker pa se tokrat gibljemo enakomerno v krogu za razliko od prej, ko smo se gibali enakomerno premočrtno čutimo silo, ki je kot smo videli ekvivalentna gravitaciji. Po tem lahko sklepamo, da je kinetična energija, ki jo imamo zaradi kroženja enaka kot potencialna energija, ki bi jo imeli zaradi gravitacije (naš primer velja za kroglo, kar je dober približek za zemljo !) ali če zapišemo z enačbami 02. XII Slika 0.9: Miselni poskus meritve časa pri enakomernem gibanju v krogu Wk 1 m v2 2 Wp k mM r Wk W p 1 k mM m v2 2 r v2 2k M r Če tako dobljeno hitrost vstavimo v že poznano Lorentzovo transformacijo dobimo: t t 1 t t 1 v2 c2 2k M r c2 M = masa telesa, ki povzroča gravitacijo k = gravitacijska konstanta c = svetlobna hitrost r = oddaljenost od telesa t = čas v praznem prostoru t´ = čas v oddaljenosti r od telesa XIII 0.2 Iz enačbe 0.2 vidimo, da je čas odvisen od gravitacije oziroma da čim bližje smo masivnim telesom in čim masivnejša so ta telesa tem počasneje teče v primerjavi s časom v praznem prostoru. Čim višje na zemlji smo tem hitreje teče ura. Samo brez bojazni ta razlika je tako mala, da je s preprostimi urami niti ne opazimo, lahko jo le izmerimo s pomočjo preciznih atomskih ur. Bolj je ta pojav viden v bližini masivnih teles kot so na primer zvezde. To je v skladu s splošno teorijo relativnosti, ki pravi, da masa v prostoru ukrivi prostor in čas. Enačbo gravitacijskega polja 0.3, kot jo je zapisal Albert Einstein. Na levi strani enačbe je Einsteinov tenzor ukrivljenosti prostora, desna stran pa opisuje porazdelitev materije in energije v prostoru. Brez strahu, enačbo navajam samo kot zanimivost. 8 G T c4 G 0.3 Ukrivitev prostora se navzven kaže kot skrajšanje razdalj, ukrivitev časa pa kot upočasnitev ure. Slika 0.10: Simbolični prikaz ukrivljenja prostora (ene prostorske plasti) okoli krogle Na vprašanje: »Kakšen vpliv ima to na komunikacijske sisteme?« si odgovorimo kar s primerom: Izračunajmo si razliko med časom v nadzorni postaji GPS satelitov na zemlji in časom ki teče na GPS satelitu. Zaradi enostavnosti predpostavimo, da je nadzorna postaja satelitov na severnem ali južnem polu zemlje. S tem se izognemo dodatnemu izračunu razlike časa zaradi radialne hitrosti vrtenja zemlje. Osnovni podatki so: r 20200000 m višina orbite satelita v s 3872 m/s hitrost kroženja satelita R 6360000 m polmer zemlje M 5.97 10 24 kg masa zemlje XIV t 1 s trajanje 1 sekunde časa za mirujočega opazovalca v območju brez gravitacije k 6.67 10 -11 m 3 / s 2 kg gravitacijska konstanta c 2.99792458 10 8 m / s svetlobna hitrost t ? Razlika med časom v nadzorni postaji GPS satelitov na zemlji in časom ki teče na GPS satelitu je v bistvu razlika med trajanjem sekunde na obeh mestih. Za osnovo vzamemo trajanje sekunde mirujočega opazovalca v območju brez težnosti. Mesto brez težnosti od koder mirujoči opazovalec »opazuje« okolico je v središču zemlje. Tam opazovalcu traja 1s točno 1s. Mirujoči opazovalec v središču zemlje »vidi«, da čas na satelitu, zaradi gibanja satelita, teče počasneje. Koliko počasneje teče čas na satelitu si izračunamo po enačbi 0.1. t s t 1 v2 (3872 m / s ) 2 1s 1 0.999999999916593s c2 (2.99792458 108 m / s ) 2 Čas na satelitu dejansko teče počasneje, saj ko mirujočemu opazovalcu preteče ene sekunda, preteče na satelitu šele 0.999999999916593 s. Razlika resnici na ljubo ni velika vendar obstaja. Mirujoči opazovalec v središču zemlje tudi vidi, da čas na površini zemlje, na severnem ali južnem polu, zaradi gravitacije teče počasneje. Koliko počasneje teče čas na površini zemlje si izračunamo po enačbi 0.2. t z t 1 2 6.67 10 -11 m 3 / s 2 kg 5.97 10 24 kg 2k M 1s 1 r c2 6360000 m ( 2.99792458 10 8 m / s ) 2 0.99999999 9303371 s Čas na površini zemlje tudi teče počasneje, saj ko mirujočemu opazovalcu v središču zemlje preteče ene sekunda preteče na površini zemlje, na severnem ali južnem polu, samo 0.999999999303371 s. Tudi ta razlika ni velika. XV Razlika med časom v nadzorni postaji GPS satelitov na zemlji in časom ki teče na GPS satelitu izračunamo kot: t t z t s -6.13222583822903 10 -10 s Razlika v trajanju ene sekunde med nadzorno postajo GPS satelitov na zemlji in GPS satelitom je torej približno 0,6 ns . To razliko je potrebno upoštevati in posamezne ure medsebojno korigirati, drugače bi celoten sistem hitro prenehal delovati. Če nadzorno postajo satelitov prestavimo iz severnega ali južnega pola v neg drug kraj na zemlji, je razlika seveda drugačna, saj je v tem primeru potrebno upoštevati tudi radialno hitrost vrtenja zemlje na mestu nadzorne postaje. 0.1.6 Kvantna teorija (kvantna mehanika) Kvantna mehanika (tudi kvantna fizika) je fizikalna teorija, ki opisuje obnašanje snovi na izredno majhnih razdaljah. Nastajati je začela v času največjega triumfa klasične fizike (mehanike), podkrepljene z elektromagnetno in relativnostno teorijo. To je bil čas iskanja končne teorije, ki bi opisala vsa fizikalna dogajanja naše preteklosti, sedanjosti in prihodnosti. Bilo je kar nekaj fizikov, ki so verjeli, da je odkritje končne teorije le še vprašanje časa. Lord Kelvin je v tistem času zapisal, da je razvoj fizike končan, da poznamo vse njene zakone in principe, in samo vprašanje časa je, kdaj bomo odgovorili na vsa tehnična vprašanja, kakšne so točno vse (logične) posledice teh naravnih zakonov in principov. Zdelo se je, da človeštvo že ima nekakšno "končno teorijo". Da bi bila končna teorija res končna, bi morala znati opisati vsa fizikalna dogajanja. In zapletlo se je že pri sevanju črnega telesa. Kljub še tako obupnim poskusom, da bi s pomočjo klasične fizike in elektromagnetne teorije opisali sevanje črnega telesa to ni bilo mogoče. Črno telo, ki ima zvezen frekvenčni spekter sevanja elektromagnetna valovanja, bi po elektromagnetni teoriji sevalo neskončno energijo. Rezultat je bil, klub različnim poskusom, da bi prišli do rešitve, vedno isti in enako nesmiseln. Rešitev je ponudil Max Planck, s tem ko je uvedel energijske kvante. Uvedba energijskih kvantov je rešila problem sevanja črnega telesa, vendar hkrati prekršila načela klasične mehanike. Rodila se je nova, kvantna mehanika. Ta je vse do danes razcepila teorijo fizike na dva, med seboj zaenkrat še nezdružljiva dela, od katerih vsak dobro opisuje dogajanja v svojem svetu, zalomi se le v mejnih primerih na stiku teh dveh svetov. Eno je svet velikih dimenzij in mas, svet, ki ga poznamo in nas obdaja, svet planetov in vesolja, ki ga obvladuje klasična fizika XVI (mehanika) skupaj z elektromagnetno in relativnostno teorijo. Drugo je svet majhnih dimenzij in mas, atomov, kvarkov in drugih majhnih delcev, ki ga obvladuje kvantna mehanika. Na stiku teh dveh svetov, kot je bil na primer svet ob začetku našega vesolja, ko so bile dimenzije majhne a hkrati mase velike, obe teoriji odpovesta. Osnove kvantne mehanike so postavili v prvi polovici 20. stoletja fiziki: Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Vladimir Aleksandrovič Fok, Paul Dirac, Albert Einstein in drugi. Nekatere osnovne vidike teorije še vedno dejavno raziskujejo, po drugi strani pa izsledke kvantne mehanike že dolgo uporabljajo številne veje fizike in kemije, med njimi fizika kondenzirane snovi, kvantna kemija in fizika delcev. Kvantna mehanika je bistveno drugačna od klasične mehanike in od našega razumevanja fizike nasploh. Kljub svoji abstraktnosti in navidezni nesmiselnosti daje osupljivo točne rezultate in napovedi dogajanja v svojem mikro svetu. Trenutna stanja ne opisuje absolutno, kot klasična mehanika temveč z valovno funkcijo, s katero je povezana verjetnostna gostota vseh merljivih lastnosti ali opazljivk. Opazljivke sistema so lahko energija, lega, gibalna količina, vrtilna količina ipd. V kvantni mehaniki opazljivkam ne moremo pripisati določenih vrednosti, ampak lahko sklepamo le o njihovih verjetnostnih porazdelitvah. Valovno obnašanje snovi lahko pojasnimo z interferenco valovnih funkcij. Na kratko rečeno, za vsako opazljivko lahko določimo le verjetnost njenega stanja ne pa njeno absolutno stanje. Valovne funkcije so lahko odvisne od časa. V nekem trenutku lahko denimo delec v praznem prostoru opišemo z valovno funkcijo, ki je valovni paket s središčem v neki povprečni legi. V nekem poznejšem času se valovni paket spremeni, s tem pa je tudi večja verjetnost, da delec najdemo na nekem drugem mestu. Časovni razvoj valovnih funkcij opisuje Schrödingerjeva enačba. Z merjenjem določene opazljivke sistema vedno zmotimo valovno funkcijo, tako da ta zavzame eno od tako imenovanih lastnih stanj te opazljivke. Verjetnost za posamezno lastno stanje določa stanje valovne funkcije, tik preden smo jo zmotili. Za zgled si oglejmo delec, ki se giblje v praznem prostoru. Če izmerimo lego delca, bomo dobili neko naključno vrednost x. V splošnem njene natančne vrednosti ne moremo napovedati vnaprej, je pa verjetneje, da bomo izmerili vrednost blizu središča valovnega paketa, kjer je amplituda verjetnostne gostote večja. V trenutku, ko meritev izvedemo, pa se valovna funkcija »sesede« v lastno stanje, ki je ostro nakopičeno okoli izmerjene vrednosti x. XVII Ena od posledic sesedanja valovnih funkcij je ta, da določenih parov opazljivk, kot sta denimo lega in gibalna količina, ne moremo obenem določiti s poljubno natančnostjo. To je znano kot Heisebnergovo načelo nedoločenosti. Kvantna mehanika je Heisenbergova zasluga, ki je leta 1927 postavil svoje temeljno načelo nedoločenosti. Einstein je kvantno mehaniko zavračal, saj je menil, »da bog ne kocka«. S tem je poudaril svoje prepričanje, da naj bog pač ne bi prepuščal, da bi se stvari odvijale zgolj naključno. Angleški teorijski fizik Stephen Hawking, ki trpi zaradi bolezni gibalnih nevronov, zaradi česar je močno ohromljen, je ugotovil, da črne luknje v bistvu »izhlapevajo«. Za vrednost »izhlapevanja« je s pomočjo fizikalnih modelov določil vrednost 1060 let; to je enka s 60-imi ničlami, kar je veliko več od starosti Vesolja in jasno določenih starosti najstarejših zvezd (med 12 do 15 milijardami let). Hawking je ugotovil, kakor se je izrazil v svoji zbirki esejev Kratka zgodovina časa, in v zbirki Črne luknje in otroška vesolja, »... bog ne samo, da rad kocka, ampak vrže kocko tudi tja, kjer je mi ne moremo več zaznati ...« Naključja so prav glavna domena te zanimive teorije, ki je kot protiutež delovala splošni in posebni teoriji relativnosti. Ker so imeli fiziki in drugi znanstveniki veliko težav, ko so poskušali iznajti teorijo vsega in jim to do sedaj še ni uspelo. Ta teorija naj bi združila vse v eni preprosti fizikalni enačbi, ki bi bila prilagodljiva, in bi se jo dalo uporabiti povsod in bi dala odgovore na vsa znana vprašanja. Združila naj bi tudi vse štiri glavne fizikalne interakcije. 0.1.6.1 Heisenbergovo načelo nedoločenosti Heisenbergovo načelo nedoločenosti iz leta 1927 ni pomembno samo s fizikalnega temveč mogoče še bolj s filozofskega stališča. V svojem bistvu nasprotuje ideji o končni teoriji ki bi opisala vsa fizikalna dogajanja naše preteklosti, sedanjosti in prihodnosti, saj uvaja za nekatere nesprejemljiv pojem nedoločenosti. V klasični fiziki je vse predvidljivo in določljivo, ravno nasprotno od kvantne fizike, kjer lahko govorimo le še o verjetnosti, da se bo nekaj zgodilo. v kvantni fiziki je nemogoče istočasno poznati s poljubno natančnostjo določene pare opazljivk, kot sta na primer lega ali gibalna količina izbranega telesa, oziroma natančneje delca. Načelo nedoločenosti natančno določa to netočnost in je eno od temeljev kvantne mehanike. Včasih načelo nedoločenosti nepravilno pojasnijo s trditvijo, da meritev lege nujno zmoti gibalno količino delca. Prvotno je Heisenberg sam tako XVIII pojasnjeval načelo. Pravilneje je o delcu govoriti kot o valu in ne o točkastem predmetu, saj nima istočasno dobro določene lege in gibalne količine. Načelo nedoločenosti lahko zapišemo z enačbo: xp h 4 0.4 Δx = nedoločena lega delca Δp = nedoločena gibalna količina delca h = Planckova konstanta (6,6261 · 10-34 Js) Opazimo lahko, da je gornja neenakost lahko izpolnjena v vrsti različnih primerov: če je lega x določena z veliko natančnostjo, je gibalna količina p tem manj natančno določena, in obratno, če je določena gibalna količina p z veliko natančnostjo, tedaj lege x ne moremo določiti prav natančno. Podobno enačbo bi lahko zapisali tudi za pravokotne komponente gibalne količine delca. Ta primer si bomo podrobneje pogledali pri kvantnih komunikacijah. V vsakdanjem življenju nedoločenosti ne zaznamo, ker je vrednost h izjemno majhna. Kakšen je pomen Heisenbergovega načela nedoločenosti v komunikacijskih sistemih? Omenim naj samo en praktični primer. Na Heisenbergovem načelu nedoločenosti temelji zamisel kvantne kriptografije, ki predstavlja prvi resnično nezlomljiv kriptografski princip, saj temelji na enem od osnovnih in temeljnih fizikalnih zakonov. 0.1.6.2 Opis elektromagnetnega valovanja v kvantni fiziki Elektromagnetno valovanje lahko obravnavamo tudi v okviru kvantne fizike. Elektromagnetno valovanje se pri v tem primeru obnaša kot curek fotonov. Ko ga opisujemo kot curek fotonov, podamo njihovo energijo E, ki je prek Planckove konstante povezana s frekvenco f . Enačba se glasi: E = hf. Pri tem je Planckova konstanta h = 6.626 × 10-34 Js. 0.1.6.3 Nekaj misli slavnih fizikov Vsem, ki ste kljub vsemu vztrajali in prebrati ta odstavek do konca, čeprav niste nič ali skoraj nič razumeli, naj za konec v tolažbo zapišem nekaj misli znanih fizikov v zvezi s kvantno mehaniko: Ne maram je in žal mi je, da sem kdaj koli imel kaj opraviti z njo. XIX Erwin Schrödinger o kvantni mehaniki Tisti, ki niso pretreseni, ko prvič naletijo na kvantno mehaniko, je nikakor niso mogli razumeti. Niels Bohr Bog se z Vesoljem ne kocka. Albert Einstein Kdo ste, da bi bogu govorili kaj naj naredi? Niels Bohr v odgovoru Einsteinu Mislim, da je varno reči kako nihče ne razume kvantne mehanike. Richard Phillips Feynman Če se bo tisto izkazalo za resnično, se bom odkrižal fizike. Max von Laue, nobelovec 1914, o Brogliejevi trditvi, da elektroni kažejo valovno naravo. Na koncu bi skromno, v spomin na mojega žal že preminulega profesorja kvantne mehanike Sava Poberaja, dodal še misel, ki jo je izrekel na prvem predavanju: Vse, kar si kdorkoli od vas predstavlja v zvezi s kvantno mehaniko je napačno. 0.2 FIZIKALNI MEHANIZMI PRENOSA INFORMACIJ 0.2.1 Osnovne interakcije Osnovna interakcija je osnovni fizikalni mehanizem, s katerim delujejo delci drug na drugega. To velja tako v makro svetu planetov, zvezd, galaksij..., kot tudi v mikro svetu atomov, protonov, kvarkov... Interakcije včasih imenujemo tudi sile, kar fizikalno gledano ni ravno korektno. V primeru gravitacije v bistvu ne moremo govoriti o sili, saj je gravitacija v skladu s splošno teorijo relativnosti posledica ukrivljenja prostora in časa. Veliko bolje je zato uporabljati pojem interakcija saj gre v vseh primerih dejansko za neke vrste medsebojne vplive. Poznamo štiri osnovne interakcije: gravitacijo, elektromagnetno interakcijo, šibko jedrsko interakcijo in močno jedrsko interakcijo. Jakost posamezne interakcije in padanje vpliva z razdaljo je podano v tabeli 0.1. V valovni teoriji predpostavljamo, da telesa ne vplivajo neposredno ena XX na drugo temveč da ustvarjajo okoli sebe polje, ki vpliva na druga telesa. Vplivi se prek polja prenašajo v obliki valov. Z valovno teorijo je tako možno razložiti vse osnovne interakcije v makro svetu. Stvar pa se zaplete v mikro svetu, kjer posameznih pojavov z valovno teorijo ni mogoče opisati. Problem je rešila kvantna teorija, ki predpostavlja, da se medsebojni vplivi prenašajo z delci interakcije. Svetlobo, ki predstavlja elektromagnetno interakcijo tako lahko opisujemo kot širjenje elektromagnetnega vala ali kot curek fotonov. interakcija Medsebojni vpliv* Upadanje z oddaljenostjo Polje Delec elektromagnetna 7.3 10-3 1/r2 elektromagnetno foton -45 2 gravitacija 1.8 10 1/r gravitacijsko graviton močna jedrska 1.3 10-1 1/r7 polje močne j. s. gluon šibka jedrska 1.8 10-2 1/r5 – 1/r7 polje šibke j. s. bozon w * Medsebojni vpliv izražamo s sklopitveno konstanto, ki nam pove jakost interakcije. Okvirni doseg 1.4 10-15 m 2.5 10-18 m Tabela 0.1: Medsebojna primerjava osnovnih interakcij Koliko občutimo posamezno interakcijo je odvisno tako od njene jakosti interakcije kot tudi padanja vpliva z razdaljo. Iz tabele 0.1 vidimo, da imata močna jedrska in šibka jedrska interakcija relativno veliko jakost vendar njun vpliv z razdaljo zelo hitro upada in je omejen na mikro svet atomov, protonov, kvarkov in drugih delcev. Po drugi strani vpliva elektromagnetne in gravitacijske interakcije upadata relativno počasi, zato se njun vpliv širi pa makro svetu planetov, zvezd galaksij oziroma celotnega vesolja. Od tod lahko sklepamo, da nam edino elektromagnetna in gravitacijska interakcija lahko služita za prenos informacij na večje razdalje. 0.2.2 Gravitacija Rešitev enačbe gravitacijskega polja 0.3 so valovne enačbe, ki predvidevajo gravitacijske valove. Iz tabele 0.1, vidimo, da pada vpliv gravitacije obratno sorazmerno s kvadratom oddaljenosti. Isto velja tudi za elektromagnetno interakcijo. Okvirni doseg obeh je torej enak. Povem drugače je pri jakosti interakcije. Ta je pri gravitaciji občutno manjša kot pri elektromagnetni interakciji. Razmerje med obema interakcijama je približno 1 : 41042 v korist elektromagnetne interakcije. Jakost interakcije pri gravitaciji je torej strahovito majhna. Gravitacijskih valov oziroma gravitonov, ki bi nastali kot posledica pospešenega gibanja mas s tehnologijo, ki jo imamo na voljo še nismo sposobni zaznati. Na svetu XXI sicer obstajajo detektorji za gravitacijske valove, načrtujejo tudi izgradnjo enega detektorja v vesolju. Slika 0.11: Predvideni laserski detektor gravitacijskih valov v vesolju (LISA) Po ocenah fizikov so trenutno razpoložljivi detektorji na meji zmožnosti zaznave gravitacijskih valov, ki jih povzročajo pari masivnih zvezd, imenovani pulzarji. Torej je le vprašanje časa, kdaj bomo lahko eksperimentalno dokazali obstoj gravitacijskih valov. Čeprav neposrednega dokaza gravitacijskih valov še nimamo, imamo zelo dober posredni dokaz, ki sta ga leta 1974 našla astronoma Russell Hulse in Joseph Taylor. Opazovala sta sistem dveh zelo masivnih nevtronskih zvezd, od katerih je bila ena pulzar, ki sta se vrteli ena okoli druge z zelo veliko hitrostjo. Splošna relativnost napoveduje, da bi moral takšen sistem oddajati kar nekaj energije v obliki gravitacijskih valov. Če sistem res oddaja energijo tudi v takšni obliki, se mora razdalja med obema zvezdama počasi manjšati. Večletna opazovanja so pokazala, da se orbitalna perioda zvezd zmanjšuje natanko tako, kot napoveduje splošna relativnost, kar je zelo močan argument, da gravitacijski valovi res obstajajo. Gravitacijsko polje zaradi svoje šibkosti interakcije z danes razpoložljivo tehnologijo praktično ni uporabno za potrebe prenosa informacij. Nismo v stanju ustvarjati primernih gravitacijskih valov, »gravitacijski oddajniki«, niti jih nismo sposobni zaznavati, »gravitacijski sprejemniki«. Kdaj bo tehnologija to sposobna je težko napovedati, vsekakor brez kakega pomembnega odkritja verjetno ne v bližnji prihodnosti. XXII 0.2.3 Elektromagnetna interakcija Rešitev Maxwellovih enačb 9.1 so valovne enačbe, ki predvidevajo elektromagnetne valove. Elektromagnetna interakcija se pojavlja med telesi z električnim nabojem (leptoni in kvarki). Ta okoli sebe v splošnem ustvarijo elektromagnetno polje, s katerim vplivajo na druga telesa z električnim nabojem. V primeru pospešenega gibanja takega telesa se v elektromagnetnem polju pojavijo elektromagnetni valovi oziroma gledano s stališča kvantne teorije fotoni. Tako nastalo elektromagnetno valovanje, ki se širi po prostoru je osnova za prenos informacij na večje razdalje, torej osnova današnjih telekomunikacij. Elektromagnetno valovanje in Maxwellove enačbe so podrobneje opisane v devetem poglavju. Slika 0.12: Prvi patentirani radijski sprejemnik in oddajnik Lastnik patenta je Nikola Tesla 0.2.4 Kvantne komunikacije 0.2.4.1 Komunikacije z osnovnimi delci interakcije Informacije lahko prenašamo tudi s pomočjo posameznih osnovnih delcev interakcije. V tem primeru osnovni delec interakcije nosi najmanj en bit informacije. Bit informacije je lahko predstavljen z dvema stanjema osnovnega delca, na primer polarizacijo spina, poenostavljeno XXIII povedano smerjo osi, okoli katere se »vrti« delec. Sprva so mislili, da je spin posledica sukanja delca okrog svoje osi, a so že kmalu izračunali, da bi se morala po tej predstavi površina delca gibati hitreje od svetlobe, to pa ne gre. Spin danes razumemo kot notranjo lastnost delca. Pri fotonih je polarizacijo spina možno določiti z uporabo polarizatorja in svetlobnega detektorja. Fotoni, katerih polarizacija je enaka polarizaciji polarizatorja nemoteno preletijo polarizator in zadenejo detektor. Slika 0.13: Prehod navpično polariziranega fotona skozi navpično polariziran polarizator Vodoravno polarizirane fotone polarizator prestreže, tako da ne dosežejo detektorja. Slika 0.14: Vodoravno polariziran foton ne more skozi navpično polariziran polarizator Na ta način lahko ločimo med vodoravno polariziranimi fotoni, ki predstavljajo vrednost bita »0« in navpično polariziranimi fotoni, ki predstavljajo vrednost bita »1«. Potrebno število fotonov za prenos informacije je enako številu bitov informacije. Za uspešen sprejem informacije moramo poznati smer postavitve polarizatorja, da bomo pravilno zaznali posamezne fotone in s tem bite informacije, ki jo nosijo. Zavrtimo polarizator tako, da bo kot med polarizacijo fotona in polarizatorja 450. Kaj se bo zgodilo s posameznimi fotoni? Na vprašanje XXIV bomo odgovorili nekoliko pozneje. Prej si podrobneje poglejmo značilnosti spina fotona. Spin fotona si lahko poenostavljeno predstavljamo kot vrtenje fotona okoli njegove osi. Ta klasična predstava spina skriva v sebi tudi pasti razumevanja spina, saj gre pri fotonih za kvantne delce, ki se ravnajo po načelih kvantne mehanike. Ne smemo pozabiti, da za fotone velja Heisenbergovo načelo nedoločenosti, ki ga za spin lahko zapišemo z naslednjo enačbo: J x J y h J 4 0.5 J x = nedoločena projekcija spina na os x J y = nedoločena projekcija spina na os y h = Planckova konstanta (6,6261 · 10-34 Js) Če je polarizacija fotona 450, bi pričakovali, da se njegov spin porazdeli na projekcijo spina, ki kaže v vodoravni in projekcijo spina ki kaže v navpični smeri. S primerno meritvijo bi po pričakovanju lahko določili delež spina okrog navpične in vodoravne osi. Vendar v nasprotju s pričakovanji takoj, ko določimo spin elektrona okoli ene od obeh osi, ne moremo določiti deleža spina okoli druge osi. Istočasno torej lahko določimo projekcijo spina le na eno os, ne pa tudi na drugo, saj nam to preprečuje Heisenbergovo načelo nedoločenosti. To je tako, kot bi meritev sama prisilila foton, da zbere ves svoj spin in ga usmeri v eno smer. Kaj se bo torej zgodilo s fotoni, ki so polarizirani pod kotom 450 glede na polarizacijo polarizatorja? Pri zelo velikem številu poskusov bomo ugotovili, da polovica fotonov spremeni svojo polarizacijo v navpično in gre tako nemoteno skozi polarizator, polovica v vodoravno in jih zato polarizator zadrži. Kateri od fotonov bo zavzel navpično in kateri vodoravno polarizacijo seveda ne vemo, saj je to prepuščeno naključju. Za uspešen sprejem informacije je pravilna smer postavitve polarizatorja ključnega pomena. Nepravilno postavljen polarizator nam prepreči sprejem informacije. Poleg tega nam informacijo tudi dokončno uniči. Ta lastnost kvantnih komunikacij je še posebej zanimiva, saj nam omogoča absolutno zaščito pred prisluškovanjem. Na tem principu temelji tudi kvantna kriptografija. XXV Slika 0.15: Poševno polarizirani fotoni v polovici primerov pridejo skozi navpično polariziran polarizator Komunikacije z osnovnimi delci interakcije, v našem primeru fotoni, omogočajo prenos informacij z največ svetlobno hitrostjo. 0.2.4.2 Komunikacije s pomočjo kvantne prepletenosti. Gravitacijsko in elektromagnetno valovanje omogočata prenos informacij s hitrostjo svetlobe, ki naj bi bila tudi najvišja možna hitrost gibanja v našem vesolju. To je resna fizikalna omejitev, ki nam močno omejuje možnost komuniciranja že na med planetarnih razdaljah. Na tem mestu si lahko postavimo vprašanje. Ali je mogoče prenašati informacije s hitrostjo večjo od svetlobne oziroma v trenutku? V okviru klasične fizike in teorije relativnosti je odgovor NE! Kaj pa v okviru kvantne fizike? V kvantni fiziki poznamo tako imenovane prepletene delce. Prepleteni delci nastanejo v istem viru. Dva prepletena fotona lahko dobimo s pomočjo vzbujenega kalcijevega atoma. Ko se kalcijev atom povrne v prvotno stanje odda odvečno energijo v obliki dveh fotonov, ki odletita vsak v svojo smer. Če sedaj na enakih razdaljah od mesta nastanka fotonov postavimo enako polarizirana polarizatorja bomo v detektorju zaznali foton takrat, ko bo ta spremenil svojo polarizacijo tako, da bo ta enaka polarizaciji polarizatorja. XXVI Slika 0.16: Prepletena fotona izbereta vedno enako polarizacijo Pri meritvi polarizacije obeh fotonov pridemo do presenetljivega rezultata. Pri obeh fotonih vedno izmerimo enako polarizacijo. Vsakič, ko je polarizacija levega fotona navpična, je navpična tudi polarizacija desnega fotona. Če je polarizacija levega fotona vodoravna, je vodoravna tudi polarizacija desnega fotona. Kdaj bo polarizacija obeh fotonov navpična in kdaj vodoravna je stvar naključja, je pa v vseh primerih vedno enaka za oba fotona. Pri tem je zelo pomemben podatek, da detektorja zaznata fotona sočasno. To pomeni, da fotona sočasno spremenita svojo polarizacijo. Pri tem sploh ni pomembno kako daleč narazen sta si. Ali meritev polarizacije na enem fotonu vpliva na obnašanje drugega fotona? Kot smo videli zgoraj, sta obe meritvi med seboj usklajeni, torej takšen vpliv nedvomno obstaja. Vendar, ali lahko iz tega sklepamo, da lahko s kvantno prepletenostjo prenašamo informacije? Predpostavimo, da dva opravljata meritve polarizacije prepletenih fotonov, vsak na svojem fotonu in da sta si fotona daleč narazen. Pri tem se moramo zavedati, da smeri spina fotona, naj bo to ena ali drugi foton, ne moremo poljubno nastaviti, lahko jo le izmerimo. Vemo, da bosta oba izmerila sočasno za vsak par prepletenih fotonov enako polarizacijo. Vpliv med fotonoma je očitno trenuten, oba zavzameta vedno isto smer polarizacije. Vendar ali se pri tem med merilcema fotonov prenese kakšna informacija? Žal ne, saj merilca ne moreta nastavljati polarizacije fotonom. Čast teorije relativnosti je s tem rešena. Nič ne more potovati hitreje od svetlobe, tudi informacije ne. Je konflikt med kvantno mehaniko in teorijo relativnosti s tem rešen. Večina fizikov meni da je. Kljub temu moramo priznati, da je vsa stvar zapletena in da se je težko znebiti občutka, da prepletena delca nekako ostaneta povezana in da med njima potuje nekaj kar je hitrejše od svetlobe. XXVII 1 TELEKOMUNIKACIJSKI SISTEMI Prenos sporočil med ljudmi, stroji, ali med enimi in drugimi, kar razumemo v najširšem smislu, kot komuniciranje, je zelo kompleksen proces, ki je danes samo delno raziskan. Njegovo proučevanje je v domeni psihologije, biologije, filozofije in samo delno tudi telekomunikacij. Telekomunikacije se ukvarjajo predvsem z vprašanjem prenašanja sporočil na krajše ali daljše razdalje. Pri tem je predvsem pomembno, s kakšno točnostjo lahko prenašamo simbole, ki sestavljajo sporočilo, da jih bo tisti, ki je na drugi strani še lahko razumel. Vsako sporočilo je sestavljeno iz skupka simbolov, če govorimo o pisanem tekstu ali iz nekih časovnih funkcij, če govorimo o prenosu govora, glazbe ali slike. Zato se to vprašanje nanaša na točnost, s katero so simboli ali časovne funkcije prenesene od pošiljatelja sporočila do prejemnika. Pomen in smisel sporočila so pri proučevanju prvega vprašanja povsem nezanimivi. Proučuje se samo mehanizem prenosa. Dejstvo je, da za medij, po katerem prenos poteka, smisel sporočila nima nikakršnega pomena. V nadaljevanju si bomo pogledali tri primere telekomunikacijskih modelov. To so: - splošni model; - ISO/OSI model; - TCP/IP model. 1 1.1 Telekomunikacijski modeli 1.1.1 Splošni model telekomunikacijskega sistema Vsak telekomunikacijski sistem lahko v splošnem predstavimo z modelom, prikazanim na sliki 1.1. KANAL IZVOR INFORMACJE UPORABNIK SIGNAL SIGNAL ODDAJNIK SPREJEMNIK LINIJA ZVEZE IZVORŠUMA Slika 1.1: Splošni model telekomunikacijskega sistema Izvor informacij: objekt ali operater, ki proizvaja sporočila, ki jih je potrebno prenesti uporabniku. Sporočila so lahko v zelo različni obliki: pisane ali izgovorjene besede, številke, glazba, slike, itd. Oddajnik: ima nalogo, da izbrano sporočilo pretvori v električni signal, primeren za prenos. Takšen signal predstavlja električni ekvivalent prenašanega sporočila. V telefoniji se ta operacija vrši z linearno transformacijo zvočnega pritiska v električni tok. V telegrafiji, se med procesom kodiranja, sporočilo transformira v pulzirajoči električni tok. Linija: predstavlja medij, po katerem se signal prenaša od oddajnika do sprejemnika. To je lahko fizični vod ali del prostora, po katerem se širijo elektromagnetni valovi, snop svetlobe … Linija je zagotovo mesto, kjer se pojavljajo osnovne težave pri prenosu sporočil. Na liniji se pojavlja tudi šum. Zato je na sliki 1.1 prikazan izvor šuma. Sprejemnik: opravlja operacijo, ki je inverzna operaciji oddajnika. Pretvori sprejeti signal v sporočilo. Uporanik: predstavlja osebo ali stroj, kateremu je sporočilo namenjeno. 2 1.1.2 Telekomunikacijski model ISO/OSI ISO/OSI model je predstavila in standardizirala Mednarodna Organizacija za Standardizacijo (ISO). OSI model je danes mednarodno priporočilo za razvoj in proizvodnjo telekomunikacijskih sistemov in naprav. Slika 1.2 prikazuje OSI model, ki je narisan s stališča dveh različnih sistemov A in B. Najvišji, to je 7. sloj, nima več slojne nadgradnje. Na 7. sloju torej ne moremo organizirati storitve, ki bi bila namenjena višjemu sloju. Obrnjeno sliko imamo na 1. sloju. Pod 1. slojem obstaja le še medij prenašanja, kateremu lahko rečemo tudi sloj 0, vendar ne v smislu referenčnosti tako, kot pri pravih slojih modela. Uporabnik v sistem u A Uporabnik v sistem u B 7 SLOJ APLIKACIJA Aplikac ijski p rotokoli APLIKACIJA 7 SLOJ 6 SLOJ PREDSTAVITEV Predstavitveni protokoli PREDSTAVITEV 6 SLOJ 5 SLOJ Sejni p rotokoli SEJA 4 SLOJ TRANSPORT 3 SLOJ MREŽA Transportni protokoli SEJA TRANSPORT 4 SLOJ MREŽA 3 SLOJ Mrežni p rotokoli 2 SLOJ POVEZAVA 1 SLOJ FIZIČNOST Povezovalni protokoli Fizični protokoli 5 SLOJ POVEZAVA 2 SLOJ FIZIČNOST 1 SLOJ FIZIČNI MEDIJ ZA MEDSEBOJNO POVEZOVANJE (0 SLOJ) Slika 1.2: Referenčni model OSI Poglejmo si posamezne sloje OSI modela od zgoraj navzdol. Največjo medsebojno usklajenost in pomoč srečamo pri transportnih slojih, to je slojih 1 do 3. Sloji so naslednji: • 7 sloj oz. APLIKACIJSKI SLOJ: V tem sloju so zbrane fukcije, ki služijo kot vmesnik med lokalnimi uporabniškimi programi in procesi ter po omrežju porazdeljenimi informacijskimi viri. Te funkcije določajo usluge, ki jih telekomunikacijski sistem nudi uporabniku. Mednje spada prenašanje datotek, dostop do datotek, elektronska pošta, njegovo področje pa so tudi varnostni algoritmi… 3 6 sloj oz. PREDSTAVITVENI SLOJ: Že ime nam pove, da skrbi ta sloj za pravilno predstavitev podatkov, v obliki kod, različnih formatov. Računalniki sicer temeljijo na Boolovi algebri, vendar so podatki lahko različno kodirani (ASCII ali EBDIC). Cela števila so lahko zapisana v eniškem in dvojiškem komplementu. Če teh razlik ne upoštevamo, so lahko sprejeta ali poslana sporočila napačno razumljena. • 5 sloj oz. SEJNI SLOJ: Njegova skrb je nadzor nad sejami večih uporabnikov, vodi kontrolo dialoga – kdaj se podatke sprejema/oddaja, nadzoruje podatkovni promet pri obojesmernem pretoku podatkov; • 4 sloj oz. TRANSPORTNI SLOJ: Sprejema podatke od sejnega sloja in jih deli v manjše dele, če je to potrebno ter skrbi za pravilne priključitve sejnega sloja na omrežje. Ta sloj se ukvarja s kontrolo napak, s ponavljanjem zaradi napak in drugim. • 3 sloj oz. MREŽNI SLOJ: Ponuja transportnemu sloju točka točka komunikacije, za kvaliteto katerih pa mora poskrbeti omenjeni nadležni sloj. “Točka točka” pomeni, da se lahko podatki prenašajo preko več sistemov, kar je pravzaprav pravi transport. V osrčju ponujanih storitev mrežnega sloja so faze povezave: postavljanje zveze, neposreden prenos podatkov in rušenje zveze. • 2 sloj oz. SLOJ PODATKOVNE ZVEZE: Ta sloj se ukvarja z logiko povezave, ki je možna v sklopu določenega prenosnega medija. Tudi ta sloj ima faze povezave, ki so storitve za nadležni sloj. Med funkcijami tega sloja najdemo ugotavljanje in odprava napak, nadzor nad oddajo in sprejemom, omogoča in upravlja dostop do prenosnega medija. • 1 sloj oz. FIZIČNI SLOJ: Ta sloj je najnižji sloj v referenčnem modelu OSI. Opraviti ima s fizičnostjo, elektroniko, tokokrogi, električnimi in mehanskimi vmesniki, generatorji signalov itd. torej osnovnimi medijskimi postavkami, od katerih je odvisno vsako prenašanje podatkov. Ta sloj torej opravlja 4 fizične storitve prenašanja, sloj podatkovne zveze pa se ukvarja z logiko prenašanja. Sloji iz istega nivoja (npr.: sloji nivoja n) komunicirajo med seboj na osnovi določenih standardov imenovanih protokoli. Med sosednimi sloji (sloj n in sloj n-1) imamo vmesnike (interfaces), ki določajo operacije, ki jih opravlja spodnji sloj za zgornjega. Torej so vmesniki tudi pravila/standardi (vendar jih definira snovalec omrežja in so lahko specifični za posamezno omrežje). Slika 1.3: Potek PDU v okviru dveh sistemov Slika 1.3 nam prikazuje, kako potekajo podatkovni paketi (PDU), če delamo na terminalu v okviru določene aplikacije in želimo poslati podatke v podatkovno komunikacijski sistem. 1.1.3 Telekomunikacijski model TCP/IP Drug model skupka slojev pa je TCP/IP model. Ta model je dobil svoje ime po dveh njegovih osnovnih protokolih (TCP - Transmisson Control Protokol, IP - Internet Protokol). TCP je protokol transportnega sloja, IP pa je protokol medomrežnega sloja. TCP/IP skupek je sestavljen iz štirih 5 slojev, ki so zelo podobni istonivojskim slojem OSI modela. Pri TCP/IP modelu nimamo prezentacijskega in sejnega sloja. Prav tako v primerjavi z OSI-jem nista ločena fizični in podatkovno vezni sloj. OSI skupek slojev TCP/IPSKUPEKSLOJEV 7 APLIKACIJA APLIKACIJA 6 PREDSTAVITEV 5 SEJA POMEMBNEJŠI PROTOKOLI TCP/IPM ODELA Sloja 5 in 6 nista d efinirana 4 TRANSPORT TRANSPORT TCP,U DP 3 MREŽA MEDOMREŽJE IP SLOJ UPORABNIK- O MREŽJE Protokoli, ki naj bodo kom patibilni z medom režnimi IP 2 POVEZAVA 1 FIZIČNOST Slika 1.4: Model TCP/IP skupka slojev v primerjavi z OSI modelom Ker smo si posamezne sloje na kratko pogledali že pri opisu OSI modela, TCP/IP sloji pa so skoraj enaki OSI-jevim, si tukaj na kratko poglejmo le še nekatere protokole TCP/IP modela: • TCP protokol (Transmission Control Protocol): Ta protokol zagotovi prenos podatkov brez napak iz enega gostitelja v drugega. Protokol v oddajnem gostitelju razdeli poslane podatke v diskretna sporočila in vsako sporočilo posebaj posreduje medomrežni plasti, v sprejemnem gostitelju pa zloži sprejeta sporočila nazaj v podatke, in to v pravilnem zaporedju. Opravlja tudi nadzor pretoka podatkov. Pri tem skrbi, da hitri oddajniki ne morejo zasuti s sporočili počasnih sprejemnikov. • UDP protokol (User Datagram Protocol): Ta protokol je namenjen aplikacijam, ki ne želijo uslug TCP v nadzoru pretoka in pri zlaganju sporočil v pravo zaporedje, ampak želijo imeti za te namene svoje rešitve. Uporablja se tam kjer je hitra 'dostava' pomembnejša od pravilne (prenos govora ali slike); 6 • IP protokol (Internet Protocol) njegova naloga je omogočanje pošiljanja (in analogno tudi sprejemanje) podatkov v katerokoli omrežje. Oba modela oziroma obe omrežni arhitekturi imata svoje prednosti in svoje slabosti. Same lastnosti pogojuje tudi različen način razvoja teh dveh arhitektur: pri OSI arhitekturi je bil najprej razvit skupek slojev, šele potem pa protokoli za komunikacijo med sloji; TCP/IP arhitektura je ubrala nasprotno smer – najprej so bili izdelani protokoli in šele potem sloji. Izkazalo se je, da je OSI model slojev (brez sejnega in prezentacijskega) izredno uporaben v praksi, ne pa tudi OSI protokoli, namesto katerih se uporabljajo protokoli TCP/IP modela. Tako se uporablja boljše od teh dveh omrežnih arhitektur – OSI sloje in TCP/IP protokole. 1.2 Količina informacije in kapaciteta telekomunikacijskega kanala Informacije lahko v telekomunikacijskih sistemih predstavljamo na različne načine. Ena možnost je, da jih predstavljamo z veličinami, ki imajo lahko dve vrednosti, vrednost "0" in vrednost "1". V praksi je lahko vrednost "0" predstavljena z nizko napetostjo, vrednsota "1" z visoko napetostjo ali obratno. Vrednost "0" lahko pomeni tudi ni svetlobe in vrednost "1", je svetloba v svetlovodu ali obratno. Možne so tudi druge predstavitve informacije. Sisteme te vrste imenujemo digitalni sistemi. Količino informacije v digitalnih sistemih merimo z enoto imenovano "bit". Količino informacije I v informaciji, ki vsebije n neodvisnih sporočil lahko izračunamo z enačbo 1.1. I= log(n) log 2 (bit ) 1.1 Poglejmo si primer: Imamo informacijo, ki ima n=8 neodvisnih sporočil, naprimer katera vrata od osmih v nekem prostoru so odprata in katera so zaprta. Količina informacije v našem primeru I=3 bite. Pri prenosu informacij prek telekomunikacijskih sistemov je pomebna tudi kapaciteta telekomunikacijskega kanala, to je podatek o tem koliko 7 bitov informacije je telekomunikacijski sistem sposobem prenesti v eni sekundi. Kapaciteto C telekomunikacijskega kanala lahko izračunamo po Shannonovi enačbi 1.2. Ps ) ∆f ⋅ k b ⋅ T log 2 log(1 + C = ∆f (bit / s ) 1.2 Ps = moč signala ∆f = frekvenčna širina prenosnega kanala T = šumna temperatura kb = boltzmann-ova konstanta = 1,38 10-23 (J/K) Poglejmo si primer: Imamo telekomunikacijski sistem frekvenčne širine prenosnega kanala ∆f = 1000 Hz. Moč signala Ps = 1 W. Šumna temperatura T = 8000 K. Kapaciteta telekomunikacijskega kanala C = 5,301 104 bit/s. Izračunajmo si še teoretično največjo možno kapaciteto telekomunikacijskega kanala v primeru če bi imeli za frekvenčno širino prenosnega kanala na razpolago celoten frekvenčni pas. Ps ) ∆f ⋅ k b ⋅ T Ps = log 2 k b ⋅ T ⋅ ln 2 log(1 + lim C = lim ∆f ∆f →∞ ∆f →∞ 1.3 V našem primeru je teoretično največja kapaciteta telekomunikacijskega kanala C = 1.307 1019 bit/s. 8 2 TELEKOMUNIKACIJE Z UPORABO ELEKTRIČNIH SIGNALOV 2.1 Telegrafija Leta 1832 je Samuel F.B. Morse izumil elektronski telegraf in leta 1875 je Alexander Graham Bell izumil telefon. S temi izumi so telekomunikacije postale posel. To je bila seveda močna vspodbuda za načrtovanje kvalitetnih načinov prenosa sporočil. Slika 2.1: Samuel F.B. Morse in telegraf Morsejeva koda je bila na začetku kodni sistem, kjer so zaporedja dolgih in kratkih znakov, predstavljala cele besede. Koda je morala biti znana na obeh straneh, postavljalo pa se je seveda vprašanje, ali je to pravi način za prenos teksta iz ene strani na drugo. Ugotovili so, da ne. Pojavljale so se npr. precej dolge kode za kratke besede, kar je pomenilo dodatno delo za telegrafista. Kmalu je postalo jasno, da celobesedne kode niso idealne, zato so se odločili za abecedne kode. Te so bile relativno kratke in se jih je lahko zapomnil vsak uradnik. Morse se je zavedal, da bo koda učinkovitejša, če imajo pogostejše črke krajšo kodo. V splošnem ločimo 2 vrsti telegrafskih zvez: • stalna telegrafska zveza; • avtomatska telegrafska zveza. 2.1.1 Stalna telegrafska zveza O stalni telegrafski zvezi govorimo, če povezuje dva teleprinterja brez posredujoče telegrafske centrale. Pri tem ločimo dva primera: obratovanje 9 na enosmerni in obratovanje na izmenični tok. Na enosmerni tok lahko obratujeta dva teleprinterja do razdalje približno 30 km, če pa razdalja večja, morata teleprinterja obratovati na izmenični tok. 2.1.2 Avtomatska telegrafska zveza V avtomatskih telegrafskih centralah vzpostavi zvezo z drugim telegrafskim naročnikom pozivni naročnik z vrtenjem številčnika na svoji priključni omarici ali s tipkanjem številk na tastaturi teleprinterja. 2.2 Telefonija Namen telefonije je govorna povezava dveh uporabnikov preko odgovarjajočih naprav. Alexsander Graham Bell je bil prvi, ki mu je leta 1875 z odkritjem mikrofona in slušalke uspelo zračni pritisk, ki ga ustvarjamo z govorom pretvoriti v električni signal. S tem se je rodila telefonija, ki je dosegla nesluten razvoj. Slika 2.2: Alexsander Graham Bell s prvim telefonom Velik del telefonskih povezav je bil v preteklosti izveden v analogni obliki. To pomeni, da je vsak telefonski priključek za povezavo s telefonsko centralo potreboval svoj sukani par, za povezavo med telefonskimi centralami, pa so se prav tako uporabljale 2 ali 4 žilne analogne povezave. Seveda je bila komutacija znotraj takih analognih central izvedena v analogni obliki (analogni multipleks). 10 Slika 2.3: Analogne povezave Pri tem načinu je ogromno povezav, saj so telefonski aparati razvrščeni na velikem prostoru okrog central, med centralami pa je veliko povezav zaradi zagotavljanja ustrezne propustnosti med centralami. Tudi izvedba komutacije, to je analognega multipleksa, zahteva veliko povezav znotraj sistema. Prostorski (analogni) multipleks ima toliko horizontal, kot ima telefonska centrala priključkov (naročnikov), vertikal pa toliko, da zagotovimo zahtevam po prometni zmogljivosti centrale (prenosniki in lokalne zveze). Pri taki izvedbi centrale zavzema gola komutacija analognih govornih signalov velik del materialne opreme centrale. Slika 2.4: Analogni (prostorski) multipleks Telefonsko zvezo med telefonskima aparatoma 1 in 3 vzpostavimo tako, da zakrmilimo spojišče prve vertikale in prve horizontale ter spojišče prve vertikale in tretje horizontale. 11 2.2.1 Digitalizacija Danes vsi telefonski sistemi vse bolj uvajajo digitalizacijo na vseh nivojih. Da izkoristimo vse prednosti digitalne tehnike moramo analogni signal najprej spremeniti v digitalno obliko. Z razvojem elektronskih vezij je omogočena hitra in natančna pretvorba govornih signalov v digitalno obliko in s tem vpeljava digitalizacije govora tako v prenosnih sistemih, kot tudi v samih telefonskih centralah. Prva faza digitalizacije je povezovanje analognih central med seboj in analognih central z digitalnimi preko večkanalnih standardnih prenosnih naprav (multipleksorji). Namen te digitalizacije je zmanjšanje kabelskih povezav med centralami, saj lahko pri digitalnih povezavah prenašamo več govornih kanalov po eni parici (TDM - Time Division Multiplex). Pri osnovnem prenosnem sistemu (PCM30), ki je v uporabi v Evropi lahko po enem sukanem paru prenašamo 30 govornih kanalov v eno smer. Z uporabo digitalnih prenosnih naprav in multiplekserjev drastično zmanjšamo število povezav med centralami. Pri prenosu digitalnih podatkov po liniji pride do slabljenja signala, zato je potrebno digitalne impulze na določeno razdaljo regenerirati (to pomeni, da se ponovno postavijo v pravilno obliko) in pošljejo proti naslednjemu regeneratorju. Slika 2.5: Multipleksne prenosne naprave Danes pa se pri ISDN centralah pretvorba govornega signala v digitalno obliko izvaja že v telefonskem aparatu in v kombinaciji z drugimi napravami digitalni signal pošlje proti centrali (S in U vmesnik, 2B+D kanala). 12 2.2.2 Digitalno omrežje integriranih storitev - ISDN Tu se digitalna informacija prenaša iz ene strani na drugo direktno, to je brez vmesne pretvorbe v analogno, kar je povzročilo poplavo novih aplikacij, ki prej z uporabo modemskih analognih komunikacij, niso bile mogoče. ISDN se je že priljubil uporabnikom, ki se niso mogli sprijazniti s počasnimi hitrostmi modemov, priključenih na klasično analogno telefonsko linijo. ISDN je tehnologija, ki nudi veliko večjo fleksibilnost, kot analogne linije, pri integraciji prej različnih omrežij v eno obsežno omrežno infrastrukturo. Ta integracija je ob nastanku veliko obetala na vseh področjih telekomunikacij, od klasičnih aplikacij, kot so visoko kvalitetni prenos govora, priključevanje LAN omreži, do novejših aplikacij, kot so videokonferenca, multimedija in učenje na daljavo. 2.2.2.1 Kaj je ISDN? Izraz ISDN izhaja iz začetnic od “Integrated Services Digital Network”. “Integrated Services” se nanaša na sposobnost podpiranja številnih aplikacij in “Digital Network” pa je v zvezi z njegovimi “od-konca-dokonca” digitalnimi povezavami. V splošnem, se ISDN omrežje razširja med dvema oddaljenima uporabnikoma in vključuje vse vmesne telekomunikacijske in stikalne naprave. ISDN temelji na tehnologiji, ki je bila v sedemdesetih letih razvita za prenos digitalnih storitev po obstoječi telefonski infrastrukturi, temelječi na bakrenih žičnih vodnikih, ki so bili namenjeni za prenos analognih signalov. Kot prikazuje slika 2.6, lahko po analogni liniji prenaša sočasno podatke samo ena komunikacijska naprava. V tem primeru mora biti seveda PC računalnik opremljen z modemom, ki pretvarja digitalne signale v analogne, primerne za analogne telefonske (govorne) linije. Največja hitrost zanesljivega prenosa po tej metodi je okoli 56 Kbps. Nasprotno pa lahko PC računalnik in kaka druga naprava priključena na osnovno ISDN linijo prenaša podatke v njihovi prvotni digitalni obliki in pri tem dosega precej večje hitrosti (128Kbps). Visoka propustnost, ki jo ponuja ISDN, hitra vzpostavitev klica, in visoka stopnja zanesljivosti, ki je značilna za digitalni prenos, so glavne privlačnosti ISDN tehnologije. S temi lastnostmi, nam ISDN ponuja precej bolj zmogljiv dostop do informacij, kar omogoča različne nove aplikacije. ISDN zagotavlja te prednosti brez velikih novih investicij. 13 Slika 2.6: Analogni proti Digitalnemu ISDN prenosu 2.2.2.2 Osnove ISDN Fizično, ISDN linija v vaši hiši ali pisarni običajno izgleda kot neoklopljen sukan par ali kabel, ki je lahko v primeru odsotnosti ISDN storitev, uporabljen za običajne analogne telefonske zveze. Največkrat so številne naprave priključene na to, eno samo linijo, preko naprave imenovane NT1. Glej sliko 2.7. Slika 2.7: Primer ISDN konfiguracije Logično, se ISDN sestoji iz dveh tipov komunikacijskih kanalov: • B kanali, ki prenašajo podatke in storitve s hitrostjo 64 Kbps; • D kanal, ki običajno prenaša signalizacijo in upravno izvršilne informacije, ki se uporabljajo za vzpostavitev in porušitev zveze. Hitrost prenosa po D kanalu je odvisna od tipa ISDN storitve, na katero ste naročeni. ISDN dostope, ki so danes na razpolago lahko razdelimo v dve kategoriji: 14 • Basic Rate Interface (BRI), ki daje naročniku dostop do dveh B kanalov in 16 Kbps D kanala; • Primary Rate Interface (PRI), ki zagotavlja dostop do 23 B kanalov v Severni Ameriki in na Japonskem in 30 B kanalov v Evropi in večjem delu Azije, ter 64 Kbps D kanal v obeh primerih. 2.2.2.2.1 B kanali B kanali so logične digitalne “cevi”, ki se nahajajo na eni sami ISDN liniji. Npr., če bi vam vaše ISDN naročniško razmerje zagotavljalo dva B kanala, bi lahko ta dva združili, za npr. zelo hitro pobiranje podatkov iz Interneta na vaš računalnik. Če pa bi se odločili govoriti po vašem ISDN telefonu, bi se lahko en kanal sprostil, tako, da bi bil samo en kanal uporabljen za prenos podatkov in drugi za vaš telefonski pogovor. Vsak B kanal zagotavlja 64 Kbps čistega kanala. Beseda čisto pomeni, da je vsa pasovna širina na razpolago za podatke, saj vzpostavitev zveze in ostalo signaliziranje poteka po ločenem D kanalu. B kanali običajno tvorijo povezave s preklapljanjem linij. Prav tako kot običajna telefonska povezava, je B kanal “od-konca-do-konca” fizična linija, ki je občasno namenjena za prenos podatkov med dvema napravama. 2.2.2.2.2 D kanal D kanal se vglavnem uporablja za upravno signaliziranje, kot so navodila ISDN centrali za vzpostavitev ali porušitev zveze po B kanalu, zagotavljanje, da je B kanal na voljo za sprejem dohodnega klica, ali priskrbi informacije, ki jih zahteva npr. “caller identification” funkcija. D kanal uporablja paketna povezovanja, ki so najbolj prilagojena prenehajoči toda na zakasnitve občutljivi naravi signalnega prometa in tako precej skrajša čas vzpostavitve zveze. Pri ISDN klicih znaša ta čas 1 do 2 sekundi, medtem, ko znaša pri analognih zvezah ta čas 10 do 40 sekund. Odvisno od ISDN naročniškega razmerja, prenaša D kanal podatke s hitrostjo 16 Kbps (BRI) ali 64 Kbps (PRI). V nasprotju z B kanalom, ki se lahko obnaša kot preprosta “cev”, je D kanal povezan s protokoli na 2 in 3 sloju OSI modela, ki formirajo paketne povezave. 15 2.2.3 ADSL (Asymmertic Digital Subscriber Line) ADSL lahko prenaša podatke po običajnih telefonskih linij skoraj 200 krat hitreje kot današnji sodobni modemi in 90 krat hitreje kot ISDN. ADSL je zanimiv predvsem zaradi sledečih dejstev: • ADSL je zelo hiter. Isti 10 Mbayte video, ki ga z običajnim modemom prenašamo 90 minut, je ob uporabi ADSL modema prenešen že v 10 sekundah. Ti superhitri ADSL modemi lahko prenašajo podatke s hitrostjo do 8Mb/s. • ADSL je enostaven za inštalacijo. Med lokalno telefonsko centralo in naročnikovim domom ali pisarno uporablja obstoječe bakrene parice. Potrebno je zelo malo ali nič ponovnega ožičenja. • ADSL je cenovno ugoden. Ne zahteva velikih posegov v obstoječo infrastrukturo telefonskega omrežja. • ADSL je sposoben za življenje v tem trenutku. Ugotovitve, ki so upočasnile razvoj zelo hitrih optičnih omrežij (npr. zelo visoki stroški in težave pri inštalaciji) za ADSL ne veljajo. ADSL dela z obstoječim POTS (plain-old telephone service - preprosta-stara telefonska storitev). Hiter prenos podatkov lahko poteka istočasno z govornim klicem ali faksiranjem sporočila. 2.2.3.1 Kako ADSL deluje Za razliko od drugih hitrih tehnologij prenosa podatkov, ADSL ne zahteva ponovnega ožičenja dostopovnega omrežja. Čeprav največkrat govorimo o zadnjem kilometru omrežja, je prenosna razdalja običajno od 3,5 do 5,5 km. Dostopovno omrežje večinoma predstavlja bakren sukan par. ADSL zahteva vgradnjo novih naprav v lokalne telefonske centrale in pri naročniku. Tehnologija razvita za te naprave v lokalni telefonski centrali je ista kot ta, ki je uporabljena v PC modemih in domačih razdelilnih škatlicah. Z uporabo preizkušenih digitalnih signalno procesnih tehnik, ADSL modemi potiskajo skozi bakrene žice čim več podatkov. V primeru ADSL-a imamo namreč opraviti z analognim načinom prenosa digitalnih podatkov. To pa je primer, ki je že dodobra preizkušen pri analognih modemih. Razlika je predvsem v ADSL-ovem višjem, širšem in bolje izrabljenem prenosnem frekvenčnem spektru. Telefonsko omrežje ima 16 pasovno širino 4 kHz, toda 4 kHz predstavljajo samo pas uporabljen za analogni (glasovni) prenos. Z uporabo ADSL-a, lahko med uporabnikovim domom oz. pisarno in lokalno telefonsko centralo prenašamo po bakrenih vodih 1 MHz. ADSL ima to prednost, da del te pasovne širine ne uporabi za prenos govornih signalov. ADSL pravzaprav razdeli 1 MHz pasovne širine na tri informacijske kanale: • en zelo hiter navzdol (“downstream”) kanal; • en srednje hiter dupleksni navzgor/navzdol (“upstream/downstream”) kanal; • en običajen govorni kanal. Navzdol (“Downstream”) pomeni, da se podatki prenašajo v smeri od telefonskega omrežja proti uporabniku; navzgor (“upstream”) pa pomeni, da se podatki prenašajo v smeri od uporabnika proti omrežju. Vidimo, da poleg širokopasovnega prenosa podatkov, ADSL zagotavlja tudi govorno omrežje. Seveda pa ADSL razbremeni telefonske centrale stikala, saj jih podatki enostavno obidejo. Ta tro-kanalni dostop dovoljuje naročniku, da hkrati pošilja elektronsko pošto, “download-a” video in govori po telefonu. Poleg vsega tega pa ADSL omogoča tudi stalen priklop (always online) na Internet. 2.2.3.2 Optimiziranje pasovne širine z uporabo asimetrije Večina Internet aplikacij zahteva neenako navzgor (“upstream”) in navzdol (“downstream”) pasovno širino. Z drugimi besedami, uporabniki težijo k prenašanju večje količine podatkov v eni smeri kot v drugi. Splošno rečeno, Internet uporabniki sprejmejo več podatkov, kot jih oddajajo. To je narava Interneta. Uporabniki preberejo več elektronske pošte, kot jo pošlejo … “download-ajo” več videov, kot jih izdelajo. Uporabnikova navzgor (“upstream”) zmogljivost je običajno omejena na pošiljanje ukazov ali prenašanje majhnih podatkovnih datotek proti serverju. Veliko več informacij poteka v obratni smeri (navzdol “downstream”). ADSL je razvit tako, da izkoristi ta trend neenakih pasovnih širin. Zagotavlja hitrost prenosa podatkov v rangu od 1 do 8 Mb/s, v smeri od omrežja proti naročniku (navzdol - “downstream”) in v rangu od 64 do 640 kb/s v smeri od naročnika proti omrežju (navzgor “upstream”). 17 2.2.3.3 ADSL in telefonsko omrežje V nasprotju s prejšnjimi rešitvami, pa je ADSL preprost za inštalacijo. Slika 2.6 nam prikazuje primer zgradbe ADSL linije in njene okolice. Slika 2.8: ADSL priključitev Na sliki 2.8 vidimo celotno ADSL priključitev, tako na strani naročnika, kot na strani telefonske centrale. Namesto enega računalnika bi lahko imeli tudi LAN omrežje. DSLAM (DSL Access Multiplexer) je neke vrste kretnica, ki loči telefonski signal od ADSL signala. V sliki 2.6 je na strani naročnika narisan tudi razdelilec (splitter), ki omogoča, da poleg računalnika ali LAN-a, na ADSL linijo lahko priključimo analogni telefon in/ali faks. Slika 2.8 omenja tudi ATM. ATM tehnologija spada v drugi (Link) sloj ISO/OSI modela. ADSL bi tako lahko pripomogel tudi k razširjenosti ATM-a. 2.2.3.4 xDSL ADSL je le ena od številnih sodobnih načinov, kako zagotoviti hiter digitalni prenos po bakrenih naročniških linijah. Poznamo še HDSL, SDSL, VDSL, IDSL, ki jih boste spoznali podrobneje pri drugih predmetih. 2.3 Faksirni stroj Faksirni stroj (faks) je naprava, ki lahko pošilja ali sprejema slike in tekst preko telefonske linije. Faks deluje na principu digitalizacije slike – 18 razdeli jo na mrežo pik. Vsaka od pik je lahko vključena ali izključena, odvisno od tega ali je črna ali bela. Elektronsko gledano je vsaka pika predstavljena z bitom, ki ima vrednost 0 (izključena) ali 1 (vključena). Na ta način, faksirni stroj pretvori sliko v serijo ničel in enic, ki jih lahko prenašamo kot običajne računalniške podatke. Faksirni stroj na sprejemni strani prebere podatke, pretvori ničle in enke v pike in ponovno stiska sliko. Čeprav je ideja o faksirnem stroju že zelo stara, pa so ti postali popularni šele sredi osemdesetih let. Iskrica, ki je povzročila njihovo revolucijo je osvojitev standardnega protokola za pošiljanje faksov s hitrostjo 9.600 bit/sek. Standard je izdala CCITT. Sedaj so faksirni stroji zelo razširjeni. Predstavljajo poceni, hitro in udobno metodo za izmenjavo sporočil, slik, pogodb ... Faksirni stroji so sestavljeni iz optičnega skenerja, za digitalizacijo slike, printerja za printanje dohodne slike, in telefona za vzpostavitev povezave. Ti vgrajeni skenerji običajno niso tako kvalitetni (resolucija) kot samostoječi skenerji, so pa uporabni. Nekateri printerji v faksirnih strojih so termični in zahtevajo poseben papir. 2.4 Osnove radijske tehnike Leta 1893 je Nikola Tesla prvi demonstriral brezžičnega prenosa signalov. Leta 1897 pa je prvi prijavil patent sistema za radijski prenos signalov. Patent je bil v Združenih državah Amerike prijavljen pod številko 645576. Slika 2.9: Nikola Tesla izumitelj radia Kot primer radijske tehnike, si poglejmo zgradbo analognih celičnih terminalov. Sestojijo se iz zunanje antene za vozila ali prenosne terminale (pri prenosnih terminalih je antena včasih vgrajena); filtra, imenovanega 19 “duplexer”, ki loči oddane in sprejete signale; radijske demodulacijske sekcije, ki uporablja vmesno frekvenco, dobljeno iz frekvenčnega sintezatorja. Za oddajo, so signali modulirani in ustrezno ojačani. Logična sekcija pa krmili radijsko sekcijo in sestavne komponente vmesnika človek-stroj, kot sta tipkovnica in prikaz. Slika 2.10 prikazuje sestavne elemente analognega celičnega terminala. Digitalni celični terminali so precej kompleksnejši od analognih. Dodatna kompleksnost je povezana z digitalnim signalnim procesiranjem, ki vključuje analogno digitalno pretvorbo, izenačevanje (to je eliminiranje vpliva širjenja signala po večih poteh), dešifriranje, zaznavanje in korekcijo napak. Polek tega, pa digitalno omrežje ponuja precej več storitev kot analogno. V praksi je programska oprema v digitalnem celičnem terminalu približno pet krat odsežnejša kot v analognem. Slika 2.10: Blokovni diagram analognega celičnega terminala 2.5 Osnove televizijske tehnike Za glavnega od izumiteljev televizije štejemo Vladimirja K. Zworykina. Slika 2.11: Vladimir K. Zworykin, izumitelj televizije 20 Shemo televizije, ki jo je leta 1938 patentiral Vladimir K. Zworykin prikazuje slika 2.12 Slika 2.12: Shema televizije Vladimirja K. Zworykina Morda bi bilo dobro reči na začetku nekaj besed o karakteristikah človeškega očesa. Te karakteristike si lahko pogledamo na primeru projekcije nekega filma. Film, ki pri nas vzbuja vtis, da gledamo živo sceno, je dejansko sestavljen iz niza ločenih mirujočih slik. Te slike so posnete v določenih karakterističnih zaporednih trenutkih odvijanja žive scene. Če se pred očmi pojavlja najmanj 24 takšnih slik v sekundi, ima človek občutek, da gleda naravno gibajočo sliko. To je posledica t.i. vztrajnosti človeškega očesa. Tem pojavu se moramo zahvaliti za razvoj filma in televizije. Oba namreč izkoriščata dejstvo, če se nam zaporedne mirujoče slike gibljejo s hitrostjo vsaj 24 slik na sekundo, ima človek vtis, da gleda živo sceno. Za televizijo je bilo dogovorjeno 25 slik na sekundo. Poleg tega, je bilo tudi ugotovljeno, da je vseeno, ali se pojavi vsaka slika kakor celota, ali pa se postopoma izrisuje, in sicer črta za črto, podobno kot pri faksih, pomembno je le, da jih je 25 v sekundi. Oko zaradi svoje vztrajnosti ne bo opazilo razlike. Pričnimo s sintezo slike. Predpostavimo, da imamo signal, ki je nastal z analizo podrobnosti neke slike in ga želimo prenesti. Sinteza se vrši s pomočjo katodne cevi. Njen elektronski žarek ima dvosmerno gibanje. 21 Podobno kot čitamo tekst v knjigi. Počasi potuje v desno in hitro nazaj ter navzdol v sledečo vrsto. Obstaja samo majhna razlika, elektronski žarek ne potuje horizontalno, ampak se izrisuje po ekranu rahlo nagnjen navzdol. Ta postopek je prikazan na sliki 2.12. Po njem je slika sestavljena iz 2 polslik, tako da imamo v eni sekundi 50 polslik.. Žarek potuje najprej po polnih linijah, ki jih imenujemo neparne linije, potem se vrača na sredino vrha slike, da bi potoval še po prekinjenih, parnih linijah. Razlog za takšno potovanje žarka je v tem, da se poskušamo izogniti migetanju slike. Sedaj je lahko opisati nastanek same slike. Ekran katodne cevi, je premazan s fluorescentnim slojem, ki ima nalogo, da odvisno od intenzitete fokusiranega elektronskega snopa, ki ga bombandira, da svetlejšo ali temnejšo točko. Če sedaj opazujemo kompleksno gibanje žarka kot ga prikazuje slika 2.12 in če signal, ki je nastal z analizo slike menja intenziteto žarka, vidimo nastanek slike na ekranu. Postopek analize slike, ki ima za cilj pretvorbo slike v električni signal, je nekoliko bolj kompliciran. V njem je potrebno ustvariti odvisnost med osvetljenostjo diskretnih elementov slike in neke električne veličine. Ta postopek poteka v TV kamerah. Njihov glavni del je analizatorska cev. A C B D Slika 2.12: Potovanje elektronskega žarka po ekranu V sprejemnikih je potrebno sliko sestaviti v istem vrstnem redu, kakor smo jo na oddajni strani snemali, česar pa sprejemniki sami od sebe ne bodo mogli opraviti. Obenem s slikovnim signalom, je sprejemnikom potrebno pošiljati tudi znake – impulze, ki bodo sprejemnikom povedali, kako naj sestavljajo vrste in kdaj naj začnejo novo sliko. Celotni televizijski signal je torej sestavljen iz slikovnega spektra video signala in impulzne verige za vrstično ter slikovno sinhronizacijo. 22 Slika 2.13 kaže osnovno vezavo oddajne naprave, slika 2.10 pa načelno vezavo sprejemnika. Kamera pretvarja optično sliko v odgovarjajočo električno, ter jo nato razstavi v posamezne elemente. Delovanje kamere upravljamo s kontrolno napravo, ki je po kablu vezana s kamero. Sinhronizacijski generator daje potrebne impulze, s katerimi sinhroniziramo vrstično in slikovno odklonko stopnjo v kameri. V mešalni napravi mešamo sinhronizacijske signale z video signalom ter tako dobimo sestavljen TV signal, s katerim moduliramo oddajnik. KAMERA KONTROLNA NAPRAVA SINHRON. GENERATOR VF GENERATOR MEŠALNA NAPRAVA MODULATOR ODDAJNIK NAPAJANJE Slika 2.13: Osnovna vezava TV oddajne naprave Na sprejemni strani obdelujemo TV signal podobno kakor radio signal v super sprejemnikih. Demodulirani video signal vodimo preko video ojačevalnika. Video ojačevalnik krmili intenziteto elektronskega snopa katodne cevi v posameznih slikovnih točkah. Iz video ojačevalnika vodimo signal tudi v stopnje za vrstično in slikovno odklanjanje, kjer najprej ločimo video signal od sinhronizacijskih impulzov, s katerimi nato sinhroniziramo generatorje žagastih napetosti odklonskih stopenj. KAT VF OJAČENJE MEŠANJE VMESNA FREKVENCA DETEKTOR VIDEO OJAČEVALNIK VRSTIČNO ODKLANJANJE OSCILATOR SLIKOVNO ODKLANJANJE VMESNA FR. RATIO DETEKTOR NF OJAČEVALNIK Slika 2.14: Osnovna vezava TV sprejemnika 23 ODKLONSKE TULJAVE 2.6 Telekomanda, telemetrija in telesignalizacija Telekomanda ali upravljanje na daljino, je posebna oblika komuniciranja v kateri se sporočila, oziroma signali, pošiljajo na daljavo s ciljem, da se na mestu sprejema upravljajo različni procesi. Največkrat se ti procesi odražajo v določenih mehanskih premikih. Na primer, upravljanje z letalom brez posadke, krmiljenje leta rakete, vključevanje oz. izključevanje sklopk v elektroenergetskih omrežjih, prestavljanje kretnic na železniških progah, itd. Specifično pri tej vrsti prenosa, je zaupanje v delo sistema. Tisti, ki upravlja proces na daljavo, mora biti vedno prepričan v izvrševanje poslanih nalog. Zaradi tega, se pri teh zvezah običajno, na oddaljeno mesto sprejema poleg sprejemnika, namesti tudi oddajnik, ki s pošiljanjem povratnih signalov potrjuje, ali je sprejemnik prejel komando ali ne. Šele tedaj se s pošiljanjem posebnega ukaza izvrši željena operacija in o njej se ponovno pošlje poročilo. Telemetrija ali m erjenje n a d aljavo omogoča merjenje nekaterih merskih veličin na mestu, ki je oddaljeno od mesta, kjer se velčine dejansko merijo. Tako npr. v dispečarskih centrih elektroenergetskih sistemov daljinsko merijo določene električne veličine, gladino vode, razne veličine v jedskih reaktorjih, itd. Telesignalizacija služi za pošiljanje posebnih signalov na oddaljeno sprejemno mesto. Ti signali imajo za cilj, obvestiti uporabnika o trenutnem stanju v nekem procesu. Na primer, pri pomembnejših radio relejnih zvezah, obstaja poseben sistem zvez, po katerih se prenašajo ti signali in centralno mesto obveščajo o tem ali je na nekaterih oddaljenih radio relejnih postajah zadostna moč oddajika, ali je napetost vključena ali ne, ali je sprejemno polje dovolj močno ali ne, itd. Kakor lahko vidimo iz povedanega, so obvestila ki se tu pošiljajo primitivna, vedno je odgovor da ali ne. Po tem se telesignalizacija razlikuje od telemetrije, ki nam da zvezno sliko sprememb, ki se dogajajo v nekem procesu. Sistemi zvez za vse tri obravnavane vrste prenosa, so običajno zgrajeni kot večkanalne zveze, saj je redek slučaj da se opravlja samo z eno akcijo, ali da se meri samo ena veličina. Kar se tiče samih signalov, so ti enaki kot pri telegrafiji in telefoniji, le prenosne hitrosti so manjše. 2.7 Prenos podatkov V splošnem je lahko podatek sestavljen iz več osnovnih celic, ki jih imenujemo besede. Dolžine besede so lahko različne. V računalništvu se 24 uporabljajo 8, 16, 32 in več bitne besede. Njihova dolžina je odvisna predvsem od želene moči instrukcijske besede. V podatkovnih komunikacijah so sporočila običajno sestavljena iz 8bitnih besed. Te ponavadi določajo standardizirane znake, na primer alfanumerične, lahko pa so tudi le komponente večjih zapisov. V splošnem za njih uporabljamo ime oktet ali s tujko byte. 2.7.1 Paralelni in serijski prenos Podatke med dvema podatkovnima terminaloma lahko prenašamo na dva načina (slika 2.15): • hkratni prenos besede – govorimo o paralelnem prenosu; • zaporedni prenos bitov, ki tvorijo besedo – govorimo o serijskem prenosu. Pri paralelnem prenosu morajo obstajati fizične povezave med istoležnimi biti v besedi v oddajnem in sprejemnem podatkovnem terminalu. Biti, ki so medsebojno povezani, se prenesejo paralelno, znaki, ki jih tvorijo pa zaporedno. Tako govorimo o bitno paralelnem, znakovno serijskem prenosu. Paralelni prenos je zelo hiter in ga uporabljamo pri prenosu podatkov na krajše razdalje. Primera takih povezav sta paralelna računalniška vodila ISA in PCI. interval enega bita Slika 2.15: Principa prenosa podatkov: (a) paralelni in (b) serijski 25 Pri večjih razdaljah med postajami, to je več kot nekaj metrov, stroški paralelne povezave hitro narastejo. Poleg tega pa se večajo tudi tehnične težave. Zaradi neenakih zakasnitev po posameznih povezavah, je v tem primeru bolj ugodno uporabiti le eno povezavo in podatke prenašati bit za bitom. V tem primeru se vrši bitno serijski prenos. 2.7.2 Načini komunikacije Ločimo 3 osnovne načine komunikacije med ljudmi: - informacija se širi le v eni smeri; - informacija se širi izmenično v obe smeri; - informacija se širi hkrati v obe smeri. Podobno poznamo 3 načine komunikacije med podatkovnimi terminali: - Simpleksni p renos. To je prenos le v eni smeri. Primer takega prenosa je pošiljanje podatkov iz senzorja v regulator (senzor ima le oddajnik podatkov, regulator pa sprejemnik). - Poldupleksni p renos. Poldupleksni prenos omogoča izmenjavo podatkov med dvema povezanima terminaloma. Primer take komunikacije, je komunikacija med senzorjem in regulatorjem, kjer senzor odpošlje podatek, ko sprejme zahtevo od regulatorja. - Dupleksni pr enos. Dupleksni prenos imenujemo tudi popolni dupleksni prenos. Uporabljamo ga, ko hkrati prenašamo podatke v obe smeri med dvema povezanima terminaloma. Tok podatkov je medsebojno neodvisen. Ta način prenosa izberemo, kadar zahtevamo večjo propustnost povezave. 2.7.3 Načini prenosa Podatke, ki se prenašajo med dvema postajama, običajno povežemo v sporočilo dolgo n bytov, n je celo število. Da lahko to sporočilo, ki ga odpošlje ena postaja, korektno sprejme druga postaja, mora le-ta poznati naslednje: - hitrost prenosa in s tem čas trajanja enega bita; - začetek in konec vsakega informacijskega elementa (to mora biti znak ali byte); - začetek in konec okvira, v katerem se sporočilo nahaja. 26 Toraj moramo pri prenosu podatkov zagotoviti bitni ali urni sinhronizem, znakovni sinhronizem in sinhronizem okvira. To lahko dosežemo na dva načina, ki se razlikujeta v naslednjem: - ali sta uri v oddajni in sprejemni postaji neodvisni in se sinhronizem delovanja obeh postaj vzpostavi na novo ob vsakem pošiljanju znaka; - ali sta uri v obeh postajah sinhronizirani v daljšem časovnem razdobju, na primer med pošiljanjem sporočila, sestavljenega iz več znakov; V prvem primeru govorimo o asinhronem prenosu podatkov, v dugem primeru pa o sinhronem prenosu podatkov. 2.7.3.1 Asinhroni prenos Asinhroni prenos uporabljamo predvsem tam, kjer je med pošiljanimi podatki naključno dolg premor, zato je pri vsakem podatku nujno ponovno sinhronizirati oddajno in sprejemno postajo. Da to dosežemo, morajo biti poslani znaki okvirjeni s startnim bitom in z enim ali dvema stop bitoma (slika 2.16). sm er p renosa cas prenasani znak start bit stop interval osem b itni zn ak MSB LSB 1 mirovno stanje ali stop biti predhodnega znaka 0 1 0 1 0 1 trenutki otipavanja bitov sprejemnik detektira zacetek novega znaka 0 stop interval, dolg 1, 1.5 ali 2 stop bita, zagotovi razpoznavo naslednjega start bita - njegovo negativno (prvo) fronto Slika 2.16: Asinhroni prenos Da se startni in stop bit medsebojno razlikujeta, sta različnih nivojev. V stanju mirovanja (“idle state”) prenosa je v informacijskem kanalu prisoten signal istega nivoja kot ga ima stop bit. Ob prehodu signala iz nivoja mirovanja v startni bit (na primer 1 → 0), sprejemnik sproži svoj mehanizem bitne sinhronizacije tako, da pripadajoče bite otipava približno na sredini intervala trajanja posameznega bita. Po sprejemu zadnjega podatkovnega bita sprejme še enega do dva stop bita, ki imata nivo stanja mirovanja. 27 2.7.3.2 Sinhroni prenos Pri asinhronem prenosu podatkov, ko je med znaki daljši čas mirovanja, dodatni biti, ki okvirjajo znak in zagotavljajo sinhronizacijo delovanja sprejemne postaje, zmanjšujejo zmogljivost prenosa. Ko želimo prenesti velike količine pripravljenih in urejenih podatkov – tipični primer je prenos datotek med računalniki – izgubljamo dragoceni čas na prenosu startnih in stop bitov. Mehanizem sinhronizacije ne dovoljuje velikih prenosnih hitrosti. V teh primerih uporabimo zmogljivejši sinhroni prenos. V sinhronem načinu prenosa prenašamo bloke podatkov zgrajene iz znakov ali bytov, ki med seboj niso ločeni s startnimi in stop biti. Da lahko sprejemna postaja pravilno sprejme tako sporočilo in v njem razpozna posamezne znake ali byte, moramo zagotoviti več nivojev sinhronizacije. Zato je: • Pametno ob pošiljanju podatkov originalni binarni zapis prekodirati tako, da prenašani tok bitov vsebuje tudi informacijo o taktu pošiljanja bitov. Sprejemna postaja to informacijo izlušči iz zaporedja prihajajočih bitov ter jo uporabi za sinhronizacijo na bitnem nivoju. • Prihod podatkov (v sporočilu) je potrebno najaviti z vsaj enim posebnim znakom, ki se seveda ne sme pojaviti kot podatek. Ti znaki služijo postaji, da pravilno razmejuje byte ali znake v sprejemanem sporočilu in tako zagotovi znakovno sinhronizacijo. • Vsak okvir mora biti razmejen s parom posebnih, za ta namen rezerviranih znakov, ki postaji omogočijo, da loči posamezne okvire, oziroma prepozna začetek in konec okvira (slika 2.17). Slika 2.17: Sinhroni prenos V času med dvema zaporednima okviroma pride prenosni sistem v mirovno stanje, ki je pri sinhronem prenosu: • izpolnjen s pošiljanjem posebnih, nepodatkovnih znakov (sync, idle), ki zagotavljajo ohranitev sinhronizma med oddajno in sprejemno postajo; 28 • preide v konstantni nivo, če pošiljanje vsakega aktiviranja najavi več zaporednih posebnih znakov (sync), ki do začetka pošiljanja okvira zagotovijo sinhronizacijo oddajne in sprejemne postaje. 2.7.4 Naprave za prenos podatkov V podatkovnih terminalih so podatki podani v obliki binarnih besed. Dolžina besed je odvisna od vrste centralne procesne enote – CPE. Poznamo 4, 8, 16, 32 in 64 bitne CPE. S tem poudarimo, da je osnovna podatkovna enota dolga 4, 8, 16, … bitov. CPE podatke računalnika oziroma podatkovnega terminala premika tako, da vse bite v podatkovni enoti prenese sočasno, to je paralelno. Pri prenosu podatkov izven naprave pa se ponavadi uporablja zaporedni prenos bitov v podatku, to je bit za bitom. Za zaporedni oziroma serijski prenos podatkov imajo postaje med pomnilnikom in prenosnim medijem poseben vmesnik, ki poskrbi za: • paralelno – serijsko pretvorbo vsakega podatkovnega elementa ob njegovem oddajanju; • serijsko – paralelno pretvorbo sprejemanega bitnega toka podatkov tako, da tvori podatkovne elemente oziroma znake; • sinhronizacijo oddajnika in sprejemnika in to za bitno in znakovno sinhronizacijo ter za sinhronizacijo okvirjev; • testiranje pravilnosti prenosa podatkov in za to potrebno generiranje paritetnih bitov ali preveritvenih kod. Za izvedbo naštetih nalog danes obstaja več specializiranih integriranih vezij, ki jih na splošno imenujemo “univerzalni komunikacijski vmesniki”. 2.7.4.1 Asinhroni prenos Za vmesniško vezje, ki izvaja asinhroni serijski prenos med dvema postajama, se je uveljavila kratica UART, ki izhaja iz angleškega izraza “Universal Asynchronous Receiver and Transmitter”. Zakaj univerzalni? Zato, ker njegove konkretne lastnosti programiramo. V ta namen ima UART več registrov, v katere vpisujemo ukaze o načinu delovanja oziroma preberemo status delovnega stanja vmesnika (slika 2.18). Pred uporabo vezja UART moramo zato le tega najprej inicializirati. To storimo z vpisom ustreznega bitnega vzorca v krmilni register. 29 krm ilni register v a li iz m ikrokrm ilnika naprave oddajni pomikalni register oddajni vmesni p om nilnik statusni register Tx (oddaja) sprejem ni vmesni p om nilnik nadzorna logika sprejem ni pomikalni register notranje vodilo Rx (sprejem ) generator prenosnega takta Txu ra Rx u ra Slika 2.18: Shematski prikaz vezja UART 2.7.4.2 Sinhroni prenos Za vmesnik, ki podpira sinhroni prenos podatkov, se je uveljavila kratica USRT. Ponovno univerzalnost upravičimo z možnostjo programiranja značilnosti vmesnika. Zgradba vmesnika za sinhroni prenos podatkov se ne razlikuje veliko od zgradbe UART vmesnikov. Zato običajno integrirano vezje, ki je namenjeno serijskemu prenosu, podpira oba načina prenosa podatkov. Taka vezja zato običajno označujemo s kratico USART. Na tržišču je danes na voljo več različnih vezij USART. Ta se medsebojno ločijo po svoji kompleksnosti in zmogljivosti. Primer vezja USART je Intel 8251, njegova shema je na sliki 2.19. krm ilni register v a li iz m ikrokrm ilnika naprave oddajni pomikalni register oddajni vmesni p om nilnik statusni register nadzorna logika Tx sprejem ni vmesni p om nilnik sprejem ni pomikalni register Txu ra notranje vodilo Rx u ra Rx lokalna ura ekstrator ure Slika 2.19: Shema vmesnika USART – Intel 8251 30 3. RAZVRSTITEV IN PONAZARJANJE SIGNALOV 3.1 Vrste signalov S signali ponazarjamo spreminjanje fizikalnih veličin v odvisnosti od ene dimenzije prostora. Običajno opazujemo signale v časovnem prostoru, lahko pa tudi v frekvenčnem ali katerem drugem prostoru. V katerem prostoru bomo opazovali signale, je odvisno od tega, kaj želimo videti. Prostori so lahko realni, poznani v naravi, lahko pa so tudi imaginarni, fiktivni, izmišljeni. Signale ponazarjamo z grafi, pri katerih je na x osi ena izmed dimenzij prostora, v katerem opazujemo signal (čas, frekvenca, …), na y osi pa je veličina signala. Preden podrobneje spoznamo nekatere metode ponazarjanja signalov si oglejmo vrste signalov, s katerimi se v naravi srečujemo. Vrste signalov lahko delimo na več načinov. Ena delitev je na periodične in neperiodične signale. Druga možna delitev je na naključne in nenaključne signale. Omislili bi si lahko še kakšne druge delitve, vendar bodi zaenkrat dovolj. V nadaljevanju si bomo podrobneje ogledali posamezne vrste signalov in njihove lastnosti. 3.2 Periodični signali Periodični signal je tisti, pri katerem se ponavlja zaporedje njegovih vrednosti po točno določenem času imenovanem perioda. Signal y(t) je periodičen, če obstaja število T (perioda), tako da velja enačba: y (t ) = y (t + T ) , velja za vsak t! 3.1 T je najmanjše pozitivno število, ki ustreza enačbi in določa trajanje enega cikla oziroma ene periode signala. 31 Slika 3.1: Primer periodičnega signala Osnovna kotna frekvenca periodičnega signala je definirana z enačbo: ω= 2 ⋅π -1 T , osnovna kotna frekvenca periodičnega signala (s ) 3.2 3.3 Neperiodični ali aperiodični signali Neperiodični signali so signali, pri katerih ni mogoče najti nobene vrednosti za T, tako da velja neenačba: y (t ) ≠ y (t + T ) , velja za vsak t in T! 3.3 Neperiodični signali so zelo pomembna skupina signalov, saj obsega vse signale, ki jih oddajajo naravni fizikalni viri (ti signali se začnejo in ponavadi končajo ob končnih časih). Ugotovitev je zelo pomembna, saj govori o tem, da periodičnih signalov v naravi ni! Kljub temu pa lahko zelo dolgo trajajoče neperiodične signale dobro ponazorimo s periodičnimi. 32 Slika 3.2: Primer neperiodičnega signala 3.4 Naključni ali stohastični signali Naključni signali so signali, pri katerih obstaja določena stopnja nezanesljivosti in nedoločenosti nastopa in obnašanja teh signalov. Ker so ti signali naključne funkcije časa, jih ne moremo ali ne znamo izraziti z matematičnimi enačbami, lahko pa proučujemo njihove statistične lastnosti. Primer naključnega signala je šum. Šum je najpogostejši signal v naravi. Prisoten je povsod in vedno. Slika 3.3: Primer naključnega signala 33 3.5 Nenaključni ali deterministični signali Nenaključni signali so tisti, pri katerih ne obstaja nobena stopnja nezanesljivosti in nedoločenosti nastopa in obnašanja signalov. Vedno jih lahko izrazimo z matematičnimi enačbami. Nenaključni signal na sliki 3.4 lahko zapišemo z enačbo: y (t ) = 10 ⋅ sin(ω ⋅ t ) + 5 ⋅ cos(2 ⋅ ω ⋅ t + φ ) + 3 ⋅ sin(5 ⋅ ω ⋅ t + 2 ⋅ φ ) 3.4 Slika 3.4: Primer nenaključnega signala 3.6 Ponazarjanje signalov v časovnem prostoru Pri opazovanju signalov v časovnem prostoru nas zanima njihovo spreminjanje v odvisnosti o časa. Na x osi grafa je čas, na y osi pa je veličina opazovanega signala. Krivulja grafa kaže, kako se signal s časom spreminja. 34 3.6.1 Ponazarjanje periodičnih signalov Slika 3.5: Periodični signal v časovnem prostoru Pri tem si definirajmo: y = trenutna amplituda signala t = trenutna vrednost časa T = Perioda signala to = Časovni premik Y = Amplituda signala 2 ⋅π ω= T 3.5 = Osnovna kotna frekvenca signala Če je signal periodičen velja spodnja enačba:: y = y (t ) = y (t + T ) , trenutna vrednost signala je funkcija časa 3.6 Periodičen signal v eni periodi zavzame vse svoje vrednosti. Če poznamo eno periodo periodičnega signala torej poznamo ves signal, saj so vse predhodne in bodoče periode enake. 35 3.6.2 Harmonični signali Harmonični oscilatorji V naravi srečamo posebno vrsto signalov, ki jih imenujemo harmonični signali. Harmonične signale proizvajajo harmonični oscilatorji. Za začetek si poglejmo preprost primer iz mehanike. Na jekleni vzmeti je navpično obešena krogla. Predpostavimo, da na kroglo ne deluje sila teže in da ni nobenih izgub zaradi zračnega upora in izgub v vzmeti. Če kroglo povlečemo iz mirovne lege in jo spustimo prične nihati. Fv = k ⋅ l Fk = a ⋅ m Slika 3.6: Nihanje na vzmeti obešene krogle Na nihajočo kroglo delujeta ves čas nihanja dve sili. Sila zaradi pospešenega oziroma pojemajočega gibanja krogle in sila vzmeti. Vsota obeh sil, je v trenutkih mirovanja krogle enaka nič, kar lahko zapišemo z enačbo: Fk + Fv = 0 ⇒ a ⋅ m + k ⋅ l = 0 ⇒ 3.7 Silo zaradi pospešenega oziroma pojemajočega gibanja krogle, v skladu z Newton-ovo enačbo zapišemo kot produkt med pospeškom oziroma pojemkom krogle in maso krogle. Silo vzmeti pa zapišemo kot produkt med konstanto vzmeti in raztezkom oziroma skrčkom vzmeti. Pospešek a lahko izrazimo z odvodom hitrosti po času in nadalje kot drugi odvod poti po času. d d2 a= v= 2l dt dt 3.8 36 Končna enačba, ki jo imenujemo tudi enačba harmoničnega oscilatorja je diferencialna enačba drugega reda in se glasi: d2 k l + l=0 2 m dt enačba harmoničnega oscilatorja – nihanja krogle 3.9 Konstanta pri linearnem členu enačbe predstavlja kvadrat kotne frekvence nihanja krogle. od tod lahko zapišemo: ω= k m 3.10 Splošno enačbo harmoničnega oscilatorja, mehanskega, električnega ali drugega zapišemo z diferencialno enačbo drugega reda: d2 dt 2 y (t ) + ω 2 y (t ) = 0 3.11 Rešitvi diferencialne enačbe harmoničnega oscilatorja sta sinusni in kosinusni enačbi, ki ponazarjata harmonično nihanje: y (t ) = Y ⋅ sin(ω ⋅ t + Φ ) in y (t ) = Y ⋅ cos(ω ⋅ t + Φ* ) 3.12 Pri tem velja: ω = 2 ⋅π ⋅ f = Φ = Φ* + π 2 ⋅π T , kotna frekvenca 3.13 2 , faza, ki povzroča časovni zamik To Primer harmoničnega signala prikazuje slika 3.7. 37 3.14 Slika 3.7: Primer harmoničnega signala v časovnem prostoru Poglejmo si še primer električnega harmoničnega oscilatorja: Električni harmonični oscilator lahko zgradimo z vzporedno vezavo kondenzatorja in tuljave, ki jo imenujemo tudi vzporedni nihajni krog. Slika 3.8: Vzporedni nihajni krog kot električni harmonični oscilator Če predpostavimo, da sta kondenzator in tuljava idealna, na njiju ne bo prihajalo do izgube električne energije. Prav tako predpostavimo, da električne energije no bomo izgubljali z elektromagnetnim sevanjem v prostor. Ko nihajnemu krogu dovedemo električno energijo (napolnimo kondenzator na bateriji in ga priključimo vzporedno tuljavi), bosta električni tok v nihajnem krogu in napetost na obeh elementih pričela nihati. Vsota napetosti v nihajnem krogu je enaka nič, kar lahko zapišemo z enačbo: u L + uC = 0 ⇒ L ⋅ 1 d i+ i ⋅ dt = 0 ⇒ dt C ∫ 38 3.15 d2 dt i+ 2 ω= 1 i=0 L ⋅C 3.16 1 L ⋅C 3.17 Tok, ki teče v nihajnem krogu in napetost bosta nihala harmonično. Frekvenca nihanja je odvisna od kapacitivnosti kondenzatorja in induktivnosti tuljave, skladno z enačbo 3.17. Tok ki teče v nihajnem krogu lahko zapišemo z enačbo: i (t ) = I ⋅ sin(ω ⋅ t + Φ ) 3.18 Slika 3.9: Nihanje toka v vzporednem nihajnem krogu Podobno bi lahko zapisali tudi napetost na kondenzatorju oziroma tuljavi. uL (t ) = ωL ⋅ I ⋅ cos(ω ⋅ t + Φ ) = U L ⋅ cos(ω ⋅ t + Φ ) 3.19 1 ⋅ I ⋅ cos(ω ⋅ t + Φ ) = −U C ⋅ cos(ω ⋅ t + Φ ) ωC 3.20 uC (t ) = − 39 3.6.3 Ponazarjanje periodičnih signalov s harmoničnimi signali Za začetek si poglejmo primer signala, ki ga prikazuje slika 3.10. Zanima nas, ali lahko signal na sliki 3.10. dobimo s seštevanjem ortogonalnih (med seboj neodvisnih) harmoničnih signalov. Slika 3.10: Primer periodičnega signala v časovnem prostoru Izkaže se, da je to mogoče. Posamezne ortogonalne harmonične signale, katerih vsota nam da signal na sliki 3.10 prikazuje slika 3.11. Slika 3.11: Posamezne harmonske komponente signala Prišli smo do zelo pomembne ugotovitve, da lahko periodični signal kot vsoto ortogonalnih harmoničnih signalov. Izkaže se, da to velja za vse fizikalne signale, ki jih srečujemo v naravi in jih lahko ponazorimo kot periodične signale. 40 Matematično lahko periodičen signal zapišemo z enačbo, ki jo imenujemo Fourierjeva vrsta: n n a0 u (t ) = + a k ⋅ cos(k ⋅ ω ⋅ t ) + bk ⋅ sin(k ⋅ ω ⋅ t ) 2 k =1 k =1 ∑ ∑ 3.21 Koeficiente a0, ak, bk, Fourierjeve vrste izračunamo s pomočjo integralnih enačb: T ∫ 2 a k = ⋅ u (t ) ⋅ cos(k ⋅ ω ⋅ t )dt T 3.22 0 T ∫ 2 bk = ⋅ u (t ) ⋅ sin(k ⋅ ω ⋅ t )dt T 3.23 0 Poglejmo si primer pravokotnega periodičnega signala: Slika 3.12: Primer pravokotnega periodičnega signala T=1 U = 10 ω = 2π 41 Koeficienti Furierjeve vrste so: a0 = U 3.24 T sin( k ⋅ ω ⋅ ) 4 ak = U ⋅ T k ⋅ω ⋅ 4 3.25 bk = 0 3.26 Signal zapisan s Fourierjevo vrsto se glasi: T sin( k ⋅ ω ⋅ ) 1 4 ) ⋅ cos(k ⋅ ω ⋅ t ) u (t ) = U ⋅ + U ⋅ ∑ ( T 2 k =1 k ⋅ω ⋅ 4 N 3.27 Zapis signala s Fourierjevo vrsto je tem boljši približek originalnega signala, čim več harmonskih komponent (N) vzamemo. Pri N = 10 42 Pri N = 100 Pri N = 500 Pri N → 00 postane signal čisti pravokotni signal enak originalnemu signalu. Slike 3.13: Primer pravokotnega periodičnega signala pri različnih vrednostih N 43 3.7 Ponazarjanje signalov v frekvenčnem prostoru Signali so, kot smo spoznali v prejšnjem poglavju, sestavljeni iz vsote harmoničnih signalov, ki jih imenujemo tudi harmonske ali spektralne komponente signala. Spektralnih komponent signala je lahko končno ali neskončno mnogo, odvisno od oblike signala. Iz slike signala v časovnem prostoru večinoma ne moremo neposredno razbrati vrednosti posameznih harmoničnih komponent signala. Razvidne so šele v tako imenovanem frekvenčnem prostoru. Frekvenčni prostor je navidezni prostor, ki smo ga vpeljali z namenom lažje ponazoritve signalov oziroma njihovih spektralnih komponent. V frekvenčnem prostoru nas zanima odvisnost signala od frekvence. Simbolično lahko časovni in frekvenčni prostor prikažemo s sliko 3.14. Slika 3.14: Simbolično ponazorjena časovni in frekvenčni prostor Če si pogledamo signal v časovnem prostoru vidimo krivuljo, ki je enaka vsoti spektralnih komponent, ki sestavljajo signal. 44 Slika 3.15: Prikaz signala v časovnem prostoru V frekvenčnem prostoru vidimo amplitude posameznih spektralnih komponent. Če vzamemo absolutno vrednost amplitud dobimo sliko: Slika 3.16: Prikaz istega signala v frekvenčnem prostoru Signale iz časovnega v frekvenčni prostor preslikamo s pomočjo matematične transformacije, imenovane Fourierjeva transformacija. Poenostavljeno lahko Fourierjevo transformacijo zapišemo kot: u = u (t ) → U = U (ω ) 3.28 Izraz imenujemo tudi Fourierjev par. 45 Enačba Fourierjeve transformacije je integralna enačba, ki jo zapišemo: ∞ U (ω ) = ∫ u (t ) ⋅ e − j ⋅ω ⋅t dt 3.29 −∞ Iz frekvenčnega prostora lahko signal transformiramo nazaj s pomočjo inverzne fourierjeve transformacije, ki jo zapišemo z enačbo: u (t ) = 1 2 ⋅π ∞ ∫ U (ω ) ⋅ e j⋅ω ⋅t dω 3.30 −∞ 3.7.1 Definicija δ funkcije Preden si bomo podrobneje pogledali uporabo fourierjeve transformacije, si definirajmo δ funkcijo. δ funkcijo, imenovano tudi Dirackov impulz, dobimo iz pravokotnega impulza s ploščino 1 tako, da limitiramo širino impulza proti nič, pri čemer gre višina impulza proti neskončno, pri tem pa se ohranja ploščina impulza, ki je ves čas enaka ena. lim y ( x) → δ ( x) ∆x → 0 ∆y → ∞ ∆x ⋅ ∆y =1 3.31 Postopek limtiranja pravokotnega impulza v δ funkcijo ponazarja spodnja slika. y(x) y(x) 1 ∆y δ (x) ∆x x x Slika 3.17: Limitiranje pravokotnega impulza v δ funkcijo 46 δ funkcija ima pri x je enako nič, neskončno amplitudo, drugje pa je amplituda enaka nič. δ funkcijo v koordinatnem sistemu simbolično prikažemo z navpično puščico, katere višina simbolično ponazarja njeno ploščino. δ ( x) = ∞, pri x = 0 0, pri x ≠ 0 3.32 δ funkcijo lahko tudi premikamo po x osi. Če jo premaknemo za vrednost a v desno, se δ funkcija glasi: δ ( x − a) = ∞, pri x = a 0, pri x ≠ a 3.33 Določeni integral v splošnem predstavlja ploščino pod funkcijo v mejah integrala. Določeni integral δ funkcije v neskončnih mejah je enak ploščini δ funkcije, ki je enaka ena. ∞ ∫ δ ( x − a) = 1 3.34 −∞ Če poljubno zvezno funkcijo g(x) pomnožimo δ funkcijo δ(x-a), dobimo δ funkcijo, katere ploščina je enaka vrednosti funkcije g(x) pri x=a, oziroma g(a). g ( x) ⋅ δ ( x − a) = g (a) ⋅ δ ( x − a) 3.35 Če izraz integriramo v neskončnih mejah dobimo: ∞ ∫ g ( x) ⋅ δ ( x − a) = g (a) 3.36 −∞ Izraz predstavlja vzorec funkcije g(x). Zaradi te lastnosti δ funkcijo imenujemo tudi vzorčevalna funkcija. 47 y(x) y(x) g(x) g(a) g(a) δ (x-a) δ (x-a) a x a x Slika 3.18: Vzorčenje funkcije g(x) z δ funkcijo 3.7.2 Ponazoritev harmoničnih signalov v frekvenčnem prostoru Harmonični signal lahko zapišemo z enačbo, ki smo jo dobili kot rešitev enačbe harmoničnega oscilatorja: u (t ) = U a ⋅ cos(ω 0 ⋅ t + Φ ) 3.37 Slika 3.19: Predpostavljeni harmonični signal Če tako dobljeno enačbo vstavimo v izraz za Fourijerjevo transformacijo dobimo: ∞ U (ω ) = ∫ u (t ) ⋅ e −∞ − j ⋅ω ⋅t ∞ dt = ∫ Ua ⋅ cos(ω0 ⋅ t + Φ ) ⋅ e − j ⋅ω ⋅t dt −∞ Ko izračunamo integral dobimo: 48 3.38 U (ω ) = U a ⋅ π ⋅ e ( j ⋅ω ⋅Φ ω0 ) (δ (ω − ω 0 ) + δ (ω + ω 0 )) 3.39 U(ω) je kompleksna funkcija. V nadaljnji analizi nas bosta zanimali njena absolutna vrednost (amplitudni spekter) in argument (fazni spekter). Absolutna vrednost funkcije je: U (ω ) = U a ⋅ π ⋅ (δ (ω − ω 0 ) + δ (ω + ω 0 )) 3.40 Slika 3.20: Predstavitev amplitudnega spektra harmoničnega signala v frekvenčnem prostoru Vidimo da dobimo dva simetrična diskretna frekvenčna odziva, dve δ funkciji pri pozitivnih in negativnih frekvencah. Ploščina posamezne δ funkcije je enaka amplitudi harmoničnega signala pomnoženi s π (3,14). Argument je: Arg (U (ω )) = ( ω ⋅Φ ) ⋅ (δ (ω − ω 0 ) + δ (ω + ω 0 )) ω0 3.41 Slika 3.21: Predstavitev faznega spektra harmoničnega signala v frekvenčnem prostoru 49 Fourierjeva transformacija harmoničnega signala je diskretna kompleksna funkcija. Frekvenčni spekter sestavljata dve δ funkciji pri frekvencah ω0 in -ω0. Ploščini δ funkciji predstavljata amplitudo harmoničnega signala pomnoženo z vrednostjo π, na kar moramo biti še posebno pozorni! Fazni spekter sestavljata dve δ funkciji pri frekvencah ω0 in -ω0. Ploščini δ funkciji predstavljata fazo harmoničnega signala. 3.7.3 Ponazoritev periodičnih signalov v frekvenčnem prostoru Periodične signale lahko v frekvenčnem prostoru ponazorimo z vsoto frekvenčnih komponent posameznih harmoničnih signalov, ki skupaj sestavljajo periodični signal. Poglejmo si primer: Slika 3.22: Primer periodičnega signala v časovnem prostoru Periodični signal iz slike 3 lahko ponazorimo z vsoto harmoničnih signalov. Pri tem velja: u (t ) = U a1 ⋅ cos(ω 01 ⋅ t + Φ1 ) + U a 2 ⋅ sin(ω 02 ⋅ t + Φ 2 ) 3.42 Fourierjeva transformacija je: U (ω ) = U a1 ⋅ π ⋅ e U a2 ⋅π ⋅ e ( j ⋅ω ⋅Φ 2 ω 02 ) ( j ⋅ω ⋅Φ1 ω 01 ) (δ (ω − ω 01 ) + δ (ω + ω 01 )) + (δ (ω − ω 02 ) + δ (ω + ω 02 )) 50 3.43 Absolutna vrednost je: U (ω ) = U a1 ⋅ π ⋅ (δ (ω − ω 01 ) + δ (ω + ω 01 )) + U a 2 ⋅ π ⋅ (δ (ω − ω 02 ) + δ (ω + ω 02 )) 3.44 Slika 3.23: Primer amplitudnega spektra periodičnega signala v frekvenčnem prostoru Argument je: Arg (U (ω )) = ( ( ω ⋅ Φ1 ) ⋅ (δ (ω − ω 01 ) + δ (ω + ω 01 )) + ω 01 ω ⋅ Φ2 ) ⋅ (δ (ω − ω 02 ) + δ (ω + ω 02 )) ω 02 3.45 Slika 3.24: Primer faznega spektra periodičnega signala v frekvenčnem prostoru 51 Poglejmo si še frekvenčni spekter vlaka pravokotnih impulzov. Amplituda impulzov naj bo Ua, čas trajanja posameznega impulza pa naj bo T. Vlak pravokotnih impulzov nam prikazuje slika 3.25. Slika 3.25: Vlak pravokotnih impulzov Frekvenčni spekter Vlaka pravokotnih impulzov je tako kot pri vseh periodičnih signalih diskreten. Na sliki 3.26 je prikazana poleg frekvenčnega spektra tudi njegova ovojnica (črta, ki povezuje vrhove posameznih frekvenčnih komponent). V praksi se zaradi preglednosti namesto diskretnega spektra periodičnega signala ponavadi prikaže kar njegova ovojnica. Pri tem moramo paziti, da je ne zamenjamo s spektrom, saj bi nas to privedlo do napačnega zaključka, to je da je spekter periodičnih signalov zvezen, kar pa nikakor ni res! Slika 3.26: Frekvenčni spekter in ovojnica frekvenčnega spektra vlaka pravokotnih impulzov Največji del energije signala je v frekvenčnem območju med ω = -2π/T in ω = 2π/T. Fazni spekter je enak nič, zato ga ne bomo narisali. 52 Pri načrtovanju frekvenčne širine telekomunikacijskih kanalov, se v praksi običajno odločamo za kompromis, to je da ne prenašamo celotnega frekvenčnega spektra signala temveč le tisti del spektra, kjer je večina energije signala. Za prenos pravokotnega vlaka impulzov bi tako zadoščal telekomunikacijski kanal pasovne širine B = 4π/T. V tem primeru, pride do delne popačitve vlaka impulzov, kot je razvidno na sliki 3.27. Slika 3.27 : Vlak impulzov, ki smo ga prenesli prek telekomunikacijskega kanala pasovne širine B = 4π/T. Impulzi so popačeni, vendar še vedno prepoznavni tako da jih po potrebi lahko popolnoma obnovimo. Periodični signali imajo diskreten frekvenčni in fazni spekter, sestavljen iz posameznih spektralnih komponent. V splošnem lahko zapišemo: U (ω ) = n ∑U ak ⋅ π ⋅ (∆(ω − ω 0 k ) + ∆ (ω + ω 0 k )) k =1 Arg (U (ω )) = n ∑ k =1 ( ω ⋅ Φk ) ⋅ (∆(ω − ω 0 k ) + ∆ (ω + ω 0 k )) ω 0k 3.46 3.47 Število spektralnih komponent signala predstavlja konstanta n. Takšen rezultat je bil pričakovan, saj smo že pri fourierjevi vrsti spoznali, da periodične signale lahko dobimo s seštevanjem ortogonalnih harmoničnih signalov. Vsaka spektralna komponenta predstavlja en harmonični signal. Amplituda spektralne komponente v amplitudnem spektru predstavlja amplitudo harmonične komponente pomnožene s π, amplituda spektralne komponente v faznem spektru pa predstavlja fazo harmonične komponente, ki se v časovnem prostoru odraža kot časovno prehitevanje ali zaostajanje signala. 53 3.7.4 Ponazoritev neperiodičnih signalov v frekvenčnem prostoru Kakšen bo spekter neperiodičnih signalov še ne vemo, saj z njimi še nimamo nobenih izkušenj. Zato si poglejmo preprost primer neperiodičnega signala. Za Primer si oglejmo pravokotni impulz, ki je prikazan na sliki 3.28. Takšen signal lahko zapišemo kot: u (t ) = U a , pri − T1 ≤ t ≤ T2 0, pri t < T1 in t > T2 3.48 Slika 3.28: Primer neperiodičnega signala – pravokotni impulz Integral fourierjeve transformacije lahko izračunamo le v mejah trajanja signala, saj je drugje tako ali tako enak nič. ∞ ∫ u(t ) ⋅ e U (ω ) = −∞ − j ⋅ω ⋅t T2 ∫ dt = U a ⋅e − j⋅ω ⋅t dt ⇒ −T1 3.49 Rešitev je kompleksna funkcija U (ω ) = Ua ω (sin(ω ⋅ T2 ) + sin(ω ⋅ T1 ) + j ⋅ (cos(ω ⋅ T2 ) − cos(ω ⋅ T1 ))) 3.50 Funkcija amplitudnega spektra je zvezna in se glasi: U (ω ) = ( Ua ω ) 2 ((sin(ω ⋅ T2 ) + sin(ω ⋅ T1 )) 2 + (cos(ω ⋅ T2 ) − cos(ω ⋅ T1 )) 2 ) 54 3.51 Zvezna je tudi funkcija faznega spektra oziroma argument, ki se glasi: Arg ( U (ω )) = tan cos(ω ⋅ T2 ) − cos(ω ⋅ T1 ) sin(ω ⋅ T2 ) + sin(ω ⋅ T1 ) 3.52 Slika 3.29: Primer amplitudnega spektra neperiodičnega signala – pravokotni impulz Tudi funkcija faznega spektra, je zvezna, kot je razvidno na sliki 3.30. Slika 3.30: Primer faznega spektra neperiodičnega signala – pravokotni impulz Izkaže se, da imajo neperiodični signali zvezni frekvenčni in fazni spekter. To pomeni, da so sestavljeni iz neskončno mnogo spektralnih komponent, posejanih druga ob drugi. 55 Poglejmo si še poseben primer simetričnega pravokotnega impulza. Čas trajanja impulza naj bo T. Takšen impulz lahko zapišemo z enačbo: T T ≤t ≤ 2 2 u (t ) = T T 0, pri t < − in t > 2 2 U a , pri − 3.53 Slika 3.31: Primer simetričnega pravokotnega impulza Rezultat Fourierjeve transformacija se v tem primeru glasi: U (ω ) = 2 ⋅U a ω T sin(ω ⋅ ) 2 3.54 Funkcija amplitudnega spektra se glasi: U (ω ) = ( 2 ⋅U a ω T sin(ω ⋅ )) 2 2 3.55 Funkcija faznega spektra oziroma argument se glasi: Arg ( U (ω )) = 0 3.56 Amplitudni spekter prikazuje slika 3.32. Funkcija amplitudnega spektra ima vrednost nič pri frekvencah: 56 U (ω ) = 0 pri ω = ± 2 ⋅π 4 ⋅π ,± , ... T T 3.57 Slika 3.32: Amplitudni spekter simetričnega pravokotnega impulza Največji del energije signala je v frekvenčnem območju med ω = -2π/T in ω = 2π/T. Pri načrtovanju frekvenčne širine telekomunikacijskih kanalov, se v praksi običajno odločamo za kompromis, to je da ne prenašamo celotnega frekvenčnega spektra signala temveč le tisti del spektra, kjer je večina energije signala. Za prenos pravokotnega impulza bi tako zadoščal telekomunikacijski kanal pasovne širine B = 4π/T. 57 3.7.5 Tabela Fourierjevih transformacij nekaterih periodičnih in neperiodičnih signalov 58 59 3.7.6 Diskeretna fourierjeva transformacija (DFT) V praksi pogosto ne poznamo signala v celoti oziroma njegove matematične oblike temveč le izmerjene vrednosti signala v zaporednih časovnih intervalih, ki jih imenujemo tudi vzorce signala. Če jemljemo vzorce dovolj pogosto, lahko spoznamo signal v celoti. Iz poznanih vzorcev signala v časovnem prostoru lahko izračunamo vzorce signala v frekvenčnem prostoru z diskretno Fourerjevo transformacijo. Diskretna Fourierova transformacija signala je definirana z vsoto: U (ω k ) = N −1 ∑ u(t ) ⋅ e n − jΩkTn 3.58 n=0 N = število vzorcev T = interval časovnega vzorčenja k = 0,1,2, … , N-1 tn = n ⋅ T n-ti časovni vzorec (s) 60 Njena inverzna transformacija (IDFT) je podana kot: 1 u (t n ) = N N −1 ∑U (ω k)⋅e jΩkTn n = 0,1,2, … , N-1 3.59 interval frek. vzorčenja (1/s) 3.60 k-ati frekvenčni vzorec (1/s) 3.61 k =0 amplituda vhodnega signala v času tn Ω= 2⋅Π N ⋅T ωk = k ⋅ Ω Poglejmo si primer: Slika 3.33: Primer vzorcev signala v časovnem prostoru Iz vzorcev diskretne Fourijerjeve transformacije vidimo, da je zgornji signal sestavljen iz treh spektralnih komponent, pri čimer imata bočni komponenti približno polovico manjšo amplitudo pot srednja komponenta. 61 Slika 3.34: Primer vzorcev signala v frekvenčnem prostoru Diskretna Fourierjeva transformacija (DFT) oziroma njena različica hitra diskretna Fourierjeva transformacija (FFT) je primerna za izračunavanje na digitalnih računalnikih. V praksi se pogosto uporablja v inštrumentih, ki delujejo na principu vzorčenja signalov. Primer takšnega inštrumenta je digitalni vzorčevalni osciloskop, ki pogosto omogoča prikaz signala v časovnem in frekvenčnem prostoru. Slika 3.35: Baron Jean Baptiste Joseph Fourier, francoski matematik 62 4 MODULACIJE 4.1 Splošno o modulacijah Modulacija je postopek, s katerim prenesemo informacijske signale iz nižjih frekvenčnih področij v višja frekvenčna področja. Modulacija povzroči sorazmerno zvišanje frekvence vseh harmoničnih komponent, ki sestavljajo informacijski signal. Slika 4.1 simbolično prikazuje spekter informacijskega signala pred in po modulaciji. Slika 4.1: Informacijski signal pred in po modulaciji pri tem velja: ω 3 = ω1 + ω 0 ω4 = ω2 +ω0 Frekvenco ω0, za vrednost katere se zvišajo vse frekvenčne komponente informacijskega signala imenujemo tudi nosilna frekvenca Razlogov za uporabo modulacije je več. Informacijski signali večinoma niso prilagojeni za neposredni prenos prek komunikacijskih signalov. Pri radijskih prenosih se le signali višjih frekvenc lahko učinkovito širijo po prostoru. Po svetlovodih, se lahko širijo le signali v frekvenčnem območju svetlobe. Našli bi lahko še nekaj primerov. Problem nastane tudi, ko želimo prek enega prenosnega medija prenašati sočasno več neodvisnih informacijskih signalov. Če bi jih prenašali v prvotni obliki, bi se medsebojno motili. Zato jih je treba, s pomočjo modulacije, razporediti v različne frekvenčne pasove. Tako razporejenim informacijskim signalom v različnih frekvenčnih pasovih pravimo tudi frekvenčni sodostop. 64 4.1.1 Postopek in vrste modulacij Predpostavimo, da imamo na razpolago visokofrekvenčni harmonični signal nosilne frekvence ω0, in ga imenujmo nosilni signal. Takšen signal lahko zapišemo z enačbo: U ( t ) = U 0 ⋅ cos(ω0t + Φ 0 ) 4.1 Nosilni signal moduliramo (mu naprtimo informacijski signal) tako, da v ritmu informacijskega signala, ki ga imenujmo tudi modulacijski signal, spreminjamo enega od parametrov nosilnega signala. Od tod izvira več tipov modulacij: − amplitudna modulacija, pri kateri spreminjamo amplitudo nosilnega signala U0 v ritmu modulacijskega signala − frekvenčna modulacija, pri kateri spreminjamo frekvenco nosilnega signala ω0 v ritmu modulacijskega signala − fazna modulacija, pri kateri spreminjamo fazo nosilnega signala Ф0 v ritmu modulacijskega signala Glede na vrsto modulacijskega signala, ki je lahko analogen ali digitalen pa delimo modulacije na: − analogne − digitalne. Nosilni signali so večinoma harmonični signali. Lahko pa so tudi kakšni drugi signali na primer nizi pravokotnih impulzov in drugo. Mi se bomo v nadaljevanju ukvarjali le z modulacijami, pri katerih bodo nosilni signali harmonični signali. 4.1.2. Demodulacija Demodulacija je postopek, s katerim informacijski signal, ki smo ga z modulacijo prestavili v višje frekvenčno področje zopet povrnemo v prvotno nižje frekvenčno področje. Celoten postopek modulacije in demodulacije, si lahko predstavimo z naslednjim primerom: Za brezžični prenos glasbe, ki zaseda frekvenčno področje od približno 20 Hz do 20 kHz, moramo električni signal, ki neposredno prestavlja glasbo s pomočjo modulacije preseliti iz omenjenega frekvenčnega področja v področje na primer okoli 100 MHz ter ga oddati v prostor. Na sprejemni strani sprejmemo signal, ki je v področju okoli 100 MHz. Preden ga lahko predvajamo na zvočniku ga 65 moramo s pomočjo demodulacije preseliti ponovno v prvoten frekvenčni pas, to je v našem primeru približno 20 Hz do 20 KHz. Postopek modulacije, prenosa in demodulacije simbolično prikazuje slika 4.2. Slika 4.2: Simbolični prikaz prenosa signala s pomočjo modulacije in demodulacije 4.2 Amplitudne modulacije 4.2.1 Vrste amplitudnih modulacij Pri amplitudni modulaciji spreminjamo amplitudo nosilnega signala U0 v ritmu modulacijskega signala. Poznamo tri vrste amplitudne modulacije: − DSBLC, dvobočno amplitudno modulacijo s poudarjenim nosilcem − DSBSC, dvobočno amplitudno modulacijo z zadušenim nosilcem − SSBSC, enobočno amplitudno modulacijo z zadušenim nosilcem 4.2.2 Dvobočna amplitudna modulacija s poudarjenim nosilcem DSBLC Princip DSBLC amplitudnega modulatorja nam prikazuje slika 4.3. Slika 4.3: Amplitudni DSBLC modulator Modulacijski signal pomnožimo z nosilnim signalom in konstanto m, ki določa stopnjo modulacije. K tako dobljenemu zmnožku prištejemo nosilni signal. 66 Če bi si na izhodu modulatorja pogledali signal v časovnem prostoru, bi videli, da se amplituda nosilnega signala spreminja v ritmu modulacijskega signala oziroma mu sledi. Slika 4.4: Modulacijski signal in amplitudno DSBLC moduliran nosilni signal V frekvenčnem prostoru vidimo, da se je na mestu ω0 pojavil nosilni signal. Desno od nosilnega signala se je pojavil spekter modulacijskega signala, levo od nosilnega signala pa se je pojavil zrcalno obrnjeni spekter modulacijskega signala. Enaka slika se ponovi tudi v področju negativnih frekvenc. Pojav zrcalno obrnjenega spektra modulacijskega signala si lahko razložimo, če se spomnimo fourierjeve transformacije, ki nam da frekvenčne komponente tako pri pozitivnih kot tudi pri negativnih frekvencah. Zrcalni spekter modulacijskega signala je torej obstajal že pred modulacijo v področju negativnih frekvenc. Z modulacijo pa se je premaknil v področje pozitivnih frekvenc. Slika 4.5: Frekvenčni spekter amplitudno DSBLC moduliranega signala 67 Informacija se prenaša v obeh bočnih pasovih. Medtem ko nosilni signal na sredini ne vsebuje nikakršne informacije. S stališča prenosa informacije, bi zadostovalo, da prenašamo samo en bočni pas. Vidimo, da je dvobočna amplitudna modulacija s poudarjenim nosilcem potratna tako s frekvenčnim prostorom, kot tudi s porabo energije, saj polovico celotne energije nosi nosilec, ki pa sam po sebi ne prenaša nobene informacije. Njena prednost pa je v enostavnosti, še zlasti pri demodulaciji. Primer DSBLC amplitudnega demodulatorja prikazuje slika 4.6. polvalni usmernik NF sito Slika 4.6: Amplitudni DSBLC demodulator Amplitudni DSBLC demodulator je preprosto vezje sestavljeno iz polvalnega usmernika in preprostega nizkopropustnega filtra. Signal na izhodu polvalnega usmernika, pod predpostavko da nizkoprepustni filter ni priključen, prikazuje slika 4.7. Slika 4.7: Signal na izhodu polvalnega usmernika Signal na izhodu nizkoprepustnega filtra prikazuje slika 4.8. Slika 4.8: Signal na izhodu nizkoprepustnega filtra 68 Vidimo, da se demoduliran signal dosti dobro prilega originalnemu modulacijskemu signalu. Kljub temu pa nastanejo določena popačenja, ki so posledica preprostosti nizkoprepustnega filtra. 4.2.3 Matematični model amplitudne modulacije DSBLC 4.2.3.1 Časovni prostor Nosilni harmonični signal lahko zapišemo z enačbo: U (t ) = U 0 ⋅ cos(ω0t + Φ 0 ) 4.2 Modulacijski signal lahko zapišemo z enačbo: U m (t ) = f m (t ) 4.3 Pri amplitudni modulaciji moduliramo amplitudo nosilnega harmoničnega signala z modulacijskim signalom. Amplitudno moduliran signal lahko zapišemo z enačbo: U (t ) = U 0 ⋅ (1 + m ⋅ f m (t ) ) ⋅ cos(ω0t + Φ 0 ) 4.4 V enačbo smo vpeljali novo konstanto m, imenovano modulacijski indeks, pri predpostavki: f m (t ) maks = 1 ⇒ m ≤ 1, 4.5 Poglejmo si primer, ko je modulacijski signal harmonični signal, ki ga lahko zapišemo z enačbo: U m (t ) = U m ⋅ cos(ω m t + φ m ) 4.6 pri: φ0 = 0, φm = 0 4.7 69 Um = 1 Moduliran nosilni harmonični signal zapišemo z enačbo: U (t ) = U 0 ⋅ (1 + m ⋅ cos(ω m t )) ⋅ cos(ω 0t ) ⇒ U (t ) = U 0 ⋅ cos(ω 0 t ) + 4.8 mU 0 mU 0 cos((ω 0 − ω m ) ⋅ t ) + cos((ω 0 + ω m ) ⋅ t ) 2 2 4.9 Slika 4.9: Amplitudno DSBLC moduliran nosilni signal 4.2.3.2 Frekvenčni prostor Frekvenčni spekter amplitudno moduliranega signala dobimo s fourierjevo transformacijo. ∞ U (ω ) = ∫ u (t ) ⋅ e − j ⋅ω ⋅t −∞ ∞ = ∫ (U 0 ∞ = U 0 ( ∫ cos(ω 0 t ) ⋅ e −∞ − jωt ⋅ dt = ∫ U 0 ⋅ (1 + m ⋅ cos(ωmt )) ⋅ cos(ω0t ) ⋅ e − j ⋅ω ⋅t ⋅ dt = −∞ ⋅ cos(ω0t ) + −∞ ∞ mU 0 mU 0 cos((ω0 − ω m ) ⋅ t ) + cos((ω0 + ω m ) ⋅ t )) ⋅ e − jωt ⋅ dt = 2 2 ∞ ∞ m m ⋅ dt + ∫ cos((ω 0 − ω m ) ⋅ t ) ⋅ e − jωt ⋅ ⋅dt + ∫ cos((ω 0 + ω m ) ⋅ t )e − jωt ⋅ dt ⇒ 2 2 −∞ −∞ m δ (ω − ω 0 + ω m ) + 2 m m m + δ (ω + ω 0 − ω m ) + δ (ω − ω 0 − ω m ) + δ (ω + ω 0 + ω m )) 2 2 2 U (ω ) = U 0 ⋅ π (δ (ω − ω 0 ) + δ (ω + ω 0 ) + 70 4.10 Slika 4.10: Frekvenčni spekter amplitudno DSBLC moduliranega signala 4.2.4 Dvobočna amplitudna modulacija s potlačenim nosilcem DSBSC Pri amplitudni modulaciji s potlačenim nosilcem zadušimo srednjo frekvenčno komponento, ki predstavlja nosilni signal. Princip DSBLC amplitudnega modulatorja nam prikazuje slika 4.11. Slika 4.11: Amplitudni DSBSC modulator Modulacijski signal pomnožimo z nosilnim signalom. Če bi si na izhodu modulatorja pogledali signal v časovnem prostoru, bi videli, da se amplituda nosilnega signala na nek način spreminja v ritmu modulacijskega signala vendar drugače, kot pri amplitudni modulaciji s poudarjenim nosilcem. Signala na vhodu in izhodu modulatorja prikazuje slika 4.12. Slika 4.12: Modulacijski signal in amplitudno DSBSC moduliran nosilni signal 71 V frekvenčnem prostoru vidimo, da se je na mestu ω0 ni pojavil nosilni signal. Desno se je pojavil spekter modulacijskega signala, pa se je pojavil zrcalno obrnjeni spekter modulacijskega signala. Enaka slika se ponovi tudi v področju negativnih frekvenc. Pojav zrcalno obrnjenega spektra modulacijskega signala si lahko razložimo, enako kot pri dvobočni amplitudni modulaciji s poudarjenim nosilcem. Slika 4.13: Frekvenčni spekter amplitudno DSBSC moduliranega signala Frekvenčni spekter amplitudno moduliranega signala s potlačenim nosilcem vsebuje le dve bočni komponenti, ki nosita informacijo modulacijskega signala. Princip DSBSC amplitudnega demodulatorja nam prikazuje slika 4.14. Slika 4.14: Amplitudni DSBSC demodulator 72 Amplitudni DSBSC demodulator je kompleksnejši, saj moramo pri demodulaciji nadomestiti manjkajočo komponento nosilnega signala. To storimo s pomočjo lokalnega oscilatorja, katerega frekvenca mora biti enaka frekvenci nosilnega signala. Višjefrekvenčne komponente, ki pri tem nastanejo izločimo s pomočjo nizkopasovnega filtra. Slika 4.15: Frekvenčne komponente demoduliranega DSBSC signala Slika 4.16: Signal na izhodu nizkoprepustnega filtra 4.2.5 Enobočna amplitudna modulacija s potlačenim nosilcem SSBSC Pri enobočni amplitudni modulaciji s potlačenim nosilcem zadušimo srednjo frekvenčno komponento, ki predstavlja nosilni signal in eno bočno komponento. 73 Princip SSBSC amplitudnega modulatorja nam prikazuje slika 4.17. Slika 4.17: Amplitudni SSBSC modulator Modulacijski signal pomnožimo z nosilnim signalom, spodnjo bočno komponento pa odstranimo s SSB filtrom, ki je pasovno prepustni filter. Če bi si na izhodu modulatorja pogledali signal v časovnem prostoru, bi videli, da se amplituda nosilnega signala na nek način spreminja v ritmu modulacijskega signala vendar drugače, kot pri amplitudni modulaciji s poudarjenim nosilcem in amplitudni modulaciji z zadušenim nosilcem. Signala na vhodu in izhodu modulatorja prikazuje slika 4.18. Slika 4.18: Modulacijski signal in amplitudno SSBSC moduliran nosilni signal V frekvenčnem prostoru vidimo, da se je na mestu ω0 ni pojavil nosilni signal. Desno se je pojavil le spekter modulacijskega signala. Enaka slika se ponovi tudi v področju negativnih frekvenc. 74 Slika 4.19: Frekvenčni spekter amplitudno SSBSC moduliranega signala Frekvenčni spekter amplitudno SSBSC moduliranega signala vsebuje le eno bočno komponento, ki nosi informacijo modulacijskega signala. Energetsko je najugodnejša, saj je vsa energija v enem bočnem pasu, ki nosi informacijo. Princip SSBSC amplitudnega demodulatorja nam prikazuje slika 4.20. Slika 4.20: Amplitudni SSBSC demodulator 75 Slika 4.21: Frekvenčne komponente demoduliranega SSBSC signala Slika 4.22: Signal na izhodu nizkoprepustnega filtra 4.2.6 Primerjava posameznih tipov amplitudne modulacije med seboj DSBLC: Slab izkoristek moči oddajnika, zmerne zahteve za linearnost oddajnika, potreben dvojni frekvenčni pas. DSBSC: Boljši izkoristek moči oddajnika, zmerne zahteve za linearnost oddajnika, potreben dvojni frekvenčni pas. SSBSC: Dober izkoristek moči oddajnika, zmerne zahteve za linearnost oddajnika, zelo stroge zahteve za točnost frekvence. 76 4.3 Kotne modulacije 4.3.1 Vrste kotnih modulacij Pri kotni modulaciji spreminjamo frekvenco ω0 ali fazo Ф0 nosilnega signala v ritmu modulacijskega signala. Poznamo dve vrste kotne modulacije: − FM, frekvenčna modulacija − ΦM, fazna modulacija 4.3.2 Frekvenčna modulacija Pri frekvenčni modulaciji se frekvenca nosilnega signala spreminja v ritmu modulacijskega signala. Princip frekvenčnega modulatorja s fazno ujeto zanko prikazuje slika 4.23. Slika 4.23: Frekvenčni modulator delujoč na principu fazno ujete zanke Frekvenca nosilnega signala napetostno kontroliranega oscilatorja VCO se spreminja v odvisnosti od amplitude modulacijskega signala um(t). Za stabilnost frekvence modulatorja skrbi kristalni referenčni oscilator XCO. Primer, kako se spreminjanja frekvence nosilnega signala prikazuje slika 4.24. Slika 4.24: Spreminjanje frekvence nosilnega signala 77 Frekvenčno moduliran signal na izhodu frekvenčnega modulatorja prikazuje slika 4.25. Slika 4.25: Frekvenčno moduliran nosilni signal Frekvenčni spekter frekvenčno moduliranega signala v odvisnosti od modulacijskega indeksa D, ki predstavlja stopnjo modulacije, je prikazana na sliki 4.26. 78 Slika 4.26: Frekvenčni spekter frekvenčno moduliranega signala pri različnih modulacijskih indeksih D Princip frekvenčnega demodulatorja s fazno ujeto zanko prikazuje slika 4.27. 79 Slika 4.27: Frekvenčni demodulator delujoč na principu fazno ujete zanke 4.3.3 Matematični model frekvenčne modulacije Nosilni frekvenčno moduliran harmonični signal lahko zapišemo z enačbo: U (t ) = U 0 ⋅ cos(Φ *0 (t )) 4.11 Časovno spreminjanje kota, lahko zapišemo z enačbo: Φ *0 (t ) = ∫ ω *0 (t ) ⋅ dt 4.12 Frekvenco frekvenčno moduliranega signala, ki je časovno spremenljiva, lahko zapišemo kot: ω *0 (t ) = ω 0 + f (ω m ⋅ t ) 4.13 V nadaljevanju bomo kot modulacijski signal izbrali harmonični signal, kar nam bo poenostavilo račune. f (ω m ⋅ t ) = U m ⋅ cos(ω m ⋅ t ) ⇒ 4.14 ⇒ ω *0 (t ) = ω 0 + U m ⋅ cos(ω m ⋅ t ) 4.15 Kot izračunamo s pomočjo integrala: Φ *0 (t ) = ∫ (ω0 + U m ⋅ cos(ωm ⋅ t )) ⋅ dt = ∫ ω0 ⋅ dt + U m ∫ cos(ωm ⋅ t ) ⋅ dt = 80 = ω0 ⋅ t + Um ωm ⋅ sin(ω m ⋅ t ) + Φ 0 = ω 0 ⋅ t + D ⋅ sin(ω m ⋅ t ) + Φ 0 4.16 D je modulacijski indeks frekvenčno moduliranega signala Nosilni frekvenčno moduliran harmonični signal je: U (t ) = U 0 ⋅ cos(ω 0 ⋅ t + D ⋅ sin(ω m ⋅ t ) + Φ 0 ) 4.17 Če predpostavimo, da je φ0=0 se enačba glasi: U (t ) = U 0 ⋅ cos(ω 0 ⋅ t + D ⋅ sin(ω m ⋅ t )) 4.18 Slika 4.28: Primer frekvenčno moduliranega signala 4.3.4 Matematični model fazne modulacije Nosilni fazno moduliran harmonični signal lahko v splošnem zapišemo z enačbo: U (t ) = U 0 ⋅ cos(ω0 ⋅ t + Φ 0 (t )) 4.19 V nadaljevanju bomo kot modulacijski signal izbrali harmonični signal, kar nam bo poenostavilo račune. Φ 0 (t ) = U m ⋅ cos(ω m ⋅ t ) = D ⋅ cos(ω m ⋅ t ) 81 4.20 Nosilni fazno moduliran harmonični signal je: U (t ) = U 0 ⋅ cos(ω 0 ⋅ t + D ⋅ cos(ω m ⋅ t )) 4.21 Slika 4.29: Primer fazno moduliranega signala Frekvenčna in fazna modulacija sta si pri harmoničnih modulacijskih signalih na nek način zelo podobni. Pravo razliko med modulacijama bomo lahko spoznali šele pri digitalnih modulacijskih signalih. 4.3.5 Frekvenčni spekter kotno moduliranih signalov Frekvenčni spekter kotno moduliranega signala dobimo z fourierjevo transformacijo. Pri tem vzamemo za primer fazno modulacijo. Rezultat bi bil enak tudi pri frekvenčni modulaciji. ∞ U (ω ) = ∫ u(t ) ⋅ e −∞ − j⋅ω ⋅t ∞ dt = ∫U 0 ⋅ cos(ω 0 ⋅ t + D ⋅ cos(ω m ⋅ t )) ⋅ e − j⋅ω ⋅t dt −∞ 4.22 Rešitev integralne enačbe so Beslove funkcije. Rešitev lahko zapišemo z enačbo: 82 U (ω ) = U 0 ( J 0( D) ⋅ π ⋅ ((∆(ω − ω 0 ) + ∆(ω + ω 0 )) + ∞ + ∑ Jn(n, D) ⋅ (e n =1 1 π ( ⋅ j⋅ω ⋅n 2 ω 0 + n⋅ω ⋅D +e 1 π ( ⋅ j⋅ω ⋅n ) 2 ω 0 −n⋅ω ⋅D ⋅ π ⋅ ((∆(ω − ω 0 + n ⋅ ω ⋅ D) + ∆(ω + ω 0 − n ⋅ ω ⋅ D)) + ⋅ π ⋅ ((∆(ω − ω 0 − n ⋅ ω ⋅ D) + ∆(ω + ω 0 + n ⋅ ω ⋅ D))) 4.23 Slika 4.30: Frekvenčni spekter kotno moduliranega signala pri modulacijskem indeksu D=10 Frekvenčni spekter kotno moduliranih signalov obsega teoretično neskončno mnogo spektralnih komponent razporejenih v področju od -∞ do ∞. V praksi lahko potreben frekvenčni pas omejimo v področju, ki ga določa spodnja enačba: B = 2 ⋅ ( f 0 + f m ) = 2 ⋅ f m ⋅ (1 + D) 4.24 4.3.6 Primerjava z amplitudno modulacijo Kotna modulacija obsega precej širši frekvenčni pas kot amplitudna. Pri tipičnem modulacijskem indeksu D=5 je frekvenčni pas 12 krat večji od osnovnega frekvenčnega pasu modulacijskega signala in 6 krat večji od frekvenčnega pasu amplitudno moduliranega signala DSBLC ali DSBSC. Kotna modulacija je zato uporabna pri višjih frekvencah od VHF frekvenčnega področja naprej. 83 Pomembna je tudi prednost kotne modulacije pri razmerju S/N na izhodu demodulatorja, ki je pri enakih pogojih v prostoru približno za 20 dB ugodnejša kot pri amplitudni modulaciji. Kotna modulacija omogoča tudi visoke izkoristke izhodnih stopenj oddajnikov ob hkrati majhnih zahtevah za njihovo linearnost. Slika 4.31: Primerjava razmerja S/N na vhodu sprejemnika in izhodu demodulatorja za kotno in amplitudno modulacijo 4.4 Digitalne modulacije 4.4.1 Princip in vrste digitalnih modulacij Pri digitalnih modulacijah je modulacijski signal diskreten in lahko zavzame le končno število možnih vrednosti. Nosilni signal je praviloma periodičen harmonični signal. Tako kot pri analognih modulacijah lahko pri digitalnih modulacijah moduliramo amplitudo, frekvenco ali fazo nosilnega signala. Poznamo amplitudne, frekvenčne in fazne digitalne modulacije oziroma kombinacije le teh (ASK, FSK, PSK, QPSK, MSK, …). 84 4.4.2 Predstavitev digitalnih modulacij v kompleksnem prostoru Vrednosti, ki jih v frekvenčnem prostoru zavzame digitalno moduliran nosilni signal lahko predstavimo tudi v kompleksnem prostoru. Za začetek si poglejmo, kako lahko v kompleksnem prostoru predstavimo nemoduliran nosilni signal, ki ga zapišemo z enačbo: U (t ) = U 0 ⋅ cos(ω0t + Φ 0 ) 4.25 Enačbo nosilnega signala v frekvenčnem prostoru dobimo s pomočjo fourierjeve transformacije: ∞ U (ω ) = ∫ U 0 ⋅ cos(ω0 ⋅ t + Φ 0 ) ⋅ e − j⋅ω ⋅t dt = U 0 ⋅ e j⋅ω Φ0 ω0 ⋅ π ⋅ (δ (ω − ω0 ) +δ (ω + ω0 )) −∞ 4.26 Enačba signala v frekvenčne prostoru je kompleksna enačba, sestavljena iz realnega in imaginarnega dela, ki ju lahko zapišemo: U (ω ) = U 0 ⋅ e U 0 ⋅ (cos(ω j ⋅ω Φ0 ω0 Φ0 ω0 ⋅ π ⋅ (δ (ω − ω0 ) + δ (ω + ω0 )) = ) + j ⋅ sin(ω Φ0 ω0 4.27 )) ⋅ π ⋅ (δ (ω − ω0 ) + δ (ω + ω0 )) Realni del je enak: ReU (ω ) = U 0 ⋅ cos(ω Φ0 ω0 ) ⋅ π ⋅ (δ (ω − ω0 ) + δ (ω + ω0 )) 4.28 ) ⋅ π ⋅ (δ (ω − ω0 ) + δ (ω + ω0 )) 4.29 Imaginarni del je enak: ImU (ω ) = U 0 ⋅ sin(ω Φ0 ω0 Realni in imaginarni del enačbe imata rešitev pri vrednosti kotne frekvence ω = ω0 in ω = -ω0. V nadaljevanju nas bosta zanimali samo rešitvi pri pozitivnih kotnih frekvencah. Ob upoštevanju tega, se enačbi glasita: 85 Re U (ω 0 ) = U 0 ⋅ cos(Φ 0 ) ⋅ π 4.30 Im U (ω 0 ) = U 0 ⋅ sin(Φ 0 ) ⋅ π 4.31 ImU 1 IU(ωο)I φ (ωο) 1 ReU Slika 4.32: Predstavitev nemoduliranega harmoničnega nosilnega signala v kompleksnem prostoru Absolutna vrednost signala, ki predstavlja razdaljo od izhodišča do točke oziroma dolžino kazalca je: U (ω 0 ) = (U 0 ⋅ cos(Φ 0 ) ⋅ π ) 2 + (U 0 ⋅ sin(Φ 0 ) ⋅ π ) 2 = U 0 ⋅ π 4.32 Kot med kazalcem in realno osjo je: Φ (ω 0 ) = arctan( U 0 ⋅ sin(Φ 0 ) ⋅ π ) = Φ0 U 0 ⋅ cos(Φ 0 ) ⋅ π 4.33 4.4.3 Digitalne amplitudne modulacije Pri digitalnih amplitudnih modulacijah spreminjamo amplitudo nosilnega signala v ritmu diskretnega modulacijskega signala. 86 4.4.3.1 Dvonivojska digitalna amplitudna modulacija ASK Princip digitalnega amplitudnega modulatorja prikazuje slika 4.33. Slika 4.33: Princip digitalnega amplitudnega modulatorja Nosilni harmonični signal množimo z digitalnim modulacijskim signalom. Na izhodu modulatorja dobimo pakete harmoničnega signala tam, kjer je vrednost digitalnega modulacijskega signala enaka "1". Na mestih, kjer je vrednost digitalnega modulacijskega signala enaka "0" se nosilni harmonični signal ne pojavlja. Digitalno amplitudno moduliran signal prikazuje slika 4.34. Slika 4.34: Digitalno amplitudno moduliran nosilni signal V kompleksnem prostoru dobimo dve točki. Točka v izhodišču pripada vrednosti modulacijskega signala "0", druga točka pa pripada vrednosti modulacijskega signala "1". 87 ImU 1 1 ReU Slika 4.35: Digitalno amplitudno moduliran nosilni signal v kompleksnem prostoru Frekvenčni spekter amplitudno moduliranega signala prikazuje slika 4.34. Na spektru se poleg frekvenčne komponente nosilnega signala pojavljajo tudi bočne komponente. Najmočnejši sta bočni komponenti, ki ustrezata osnovni frekvenčni komponenti digitalnega modulacijskega signala. Ostale bočne komponente, ki imajo nižjo amplitudo, pripadajo višjim harmonskim komponentam digitalnega modulacijskega signala. Slika 4.36: Frekvenčni spekter digitalno amplitudno moduliranega nosilnega signala Originalni, modulacijski signal in pripadajoč digitalno amplitudno moduliran signal prikazuje slika 4.37. 88 Slika 4.37: Ovojnica diskretnega frekvenčnega spektra digitalno amplitudno moduliranega nosilnega signala Ovojnico frekvenčnega spektra digitalno amplitudno moduliranega signala prikazuje slika 4.38. ω0 BASK ω Slika 4.38: Ovojnica frekvenčnega spektra digitalno amplitudno moduliranega signala Potreben frekvenčni pas za prenos ASK moduliranega signala lahko ocenimo s pomočjo enačbe: B ASK ≈ 2 ⋅ ω m = 4 ⋅π T 4.34 4.4.4 Digitalne frekvenčne modulacije Pri digitalnih frekvenčnih modulacijah spreminjamo frekvenco nosilnega signala v ritmu digitalnega modulacijskega signala. 4.4.4.1 Dvonivojska digitalna frekvenčna modulacija FSK Princip digitalnega frekvenčnega modulatorja na osnovi fazno ujete zanke prikazuje slika 4.39. 89 Slika 4.39: Princip digitalnega frekvenčnega modulator na osnovi fazno ujete zanke Nosilnemu harmoničnemu signalu spreminjamo frekvenco v ritmu digitalnega modulacijskega signala. Na izhodu modulatorja dobimo pakete harmoničnega signala frekvence ω1 tam, kjer je vrednost digitalnega modulacijskega signala enaka "1" oziroma frekvence ω0 tam, kjer je vrednost digitalnega signala enaka "0". Digitalno frekvenčno moduliran signal prikazuje slika 4.40. ω0 ω1 Slika 4.40: Digitalno frekvenčno moduliran nosilni signal Frekvenčni spekter frekvenčno moduliranega signala prikazuje slika 4.41. Na spektru se pojavljata dve glavni frekvenčni komponenti na mestih ω0 in ω1. Bočne komponente, ki se pojavljajo v okolici dveh glavnih frekvenčnih komponent so posledica modulacije, lahko bi rekli tudi sekanja signala na prehodu iz "0" v "1" in obratno. 90 Slika 4.41: Frekvenčni spekter digitalno frekvenčno moduliranega nosilnega signala Originalni, modulacijski signal in pripadajoč digitalno frekvenčno moduliran signal prikazuje slika 4.42. Slika 4.42: Ovojnica diskretnega frekvenčnega spektra digitalno frekvenčno moduliranega nosilnega signala Ovojnico frekvenčnega spektra digitalno frekvenčno moduliranega signala prikazuje slika 4.43. ∆ω ω1 BFSK ω0 ω Slika 4.43: Ovojnico frekvenčnega spektra digitalno frekvenčno moduliranega signala 91 Potreben frekvenčni pas za prenos FSK moduliranega signala lahko ocenimo s pomočjo enačbe: BFSK ≈ 2 ⋅ ω m + ∆ω = 4 ⋅π + ∆ω T 4.35 4.4.4.2 Dvonivojska minimalna digitalna frekvenčna modulacija MSK Pri dvonivojski minimalni digitalni frekvenčni modulaciji je razlika med frekvencama ω0 in ω1 majhna. Slika 4.44: Ovojnica diskretnega frekvenčnega spektra minimalno digitalno frekvenčno moduliranega nosilnega signala Potreben frekvenčni pas za prenos MSK moduliranega signala lahko ocenimo s pomočjo enačbe: BMSK ≈ 3 ⋅π T 4.36 Vidimo, da je potreben frekvenčni pas za MSK modulirani signal manjši, kot je pri FSK moduliranem signalu. Slika 4.45: Primer frekvenčnega spektra pri GSM 92 4.4.5 Digitalne fazne modulacije Pri digitalnih faznih modulacijah spreminjamo fazo nosilnega signala v ritmu diskretnega modulacijskega signala. 4.4.5.1 Dvonivojska digitalna fazna modulacija PSK Slika 4.46: Dvonivojski digitalni fazni modulator Nosilnemu harmoničnemu signalu modulacijskega signala. Na izhodu prehodu modulacijskega signala iz prehodu modulacijskega signala iz spremeni za -180o. spreminjamo fazo v ritmu digitalnega modulatorja se harmoničnem signalu pri "0" v "1" spremeni faza za +180o, pri "1" v "0" pa se faza nosilnega signala Digitalno fazno moduliran signal prikazuje slika 4.47. Slika 4.47: Digitalno fazno moduliran nosilni signal V kompleksnem prostoru dobimo dve točki. Zgornja točka pripada vrednosti modulacijskega signala "0", spodnja točka pa pripada vrednosti modulacijskega signala "1". 93 ImU 1 1 ReU Slika 4.48: Digitalno fazno moduliran nosilni signal v kompleksnem prostoru Frekvenčni spekter fazno moduliranega signala prikazuje slika 4.49. Na spektru ni frekvenčne komponente nosilnega signala, pojavljajo pa se ostale harmonske komponente. Slika 4.49: Frekvenčni spekter digitalno fazno moduliranega nosilnega signala Slika 4.50: Spekter PSK modulacije posnet na spektralnem analizatorju 94 Originalni, modulacijski signal in pripadajoč digitalno fazno moduliran signal prikazuje slika 4.51. Slika 4.51: PSK modulacija Ovojnico frekvenčnega spektra digitalno fazno moduliranega signala prikazuje slika 4.52. ω0 ω BPSK Slika 4.52: Ovojnico frekvenčnega spektra digitalno fazno moduliranega signala Potreben frekvenčni pas za prenos PSK moduliranega signala lahko izračunamo s pomočjo enačbe: BPSK ≈ 2 ⋅ ω m = 4 ⋅π T 4.37 4.4.5.2 Diferencialna dvonivojska digitalna fazna modulacija DPSK Pri diferencialni dvonivojski digitalni fazni modulaciji vzamemo fazo predhodnega intervala za referenco. Pri vrednosti modulacijskega signala "0", bo faza nosilnega signala ostala enaka, kot v predhodnem intervalu, pri vrednosti modulacijskega signala "1", pa se bo faza spremenila za 1800 glede na fazo v 95 predhodnem modulacijskem intervalu. Spreminjanje faze nosilnega signala v odvisnosti od modulacijskega signala in primerjavo z dvonivojsko digitalno fazno modulacijo prikazuje slika 4.53. Slika 4.53: Razlika med dvonivojsko fazno in diferencialno fazno modulacijo Diferencialni dvonivojski fazni modulator prikazuje slika 4.54. Diferencialni enkoder v modulatorju deluje kot EXOR vezje. Vrednost digitalnega signala na izhodu diferencialnega enkoderja umdn je enaka: umd n = umd n −1 ⊕ um n 4.38 umdn-1 je vrednost na izhodu diferencialnega enkoderja v predhodnem modulacijskem intervalu, umn je trenutna vrednost modulacijskega signala na vhodu modulatorja. Slika 4.54: Blokovna slika DPSK modulatorja 4.4.5.3 Štirinivojska digitalna fazna modulacija QPSK Pri štirinivojski digitalni fazni modulaciji je modulacijski signal digitalen štirinivojski signal. Pri prehodu iz enega v drug sosednji nivo na primer pri prehodu iz "00" v "01" ali iz "01 v "10" in tako naprej, se faza nosilnega signala spremeni za +90o ali pri prehodu nazaj za –90o. Možen je tudi prehod med 96 dvema diametralnima nivojema na primer iz "00" v "11" ali "01" v "10" in teko naprej, se faza nosilnega signala spremeni za +180o ali pri prehodu nazaj za -180o. Posamezne možne prehode med nivoji in spremembo faze nosilnega signala prikazuje slika 4.56. Štirinivojski digitalni fazni modulator QPSK lahko sestavimo iz dveh običajnih PSK modulatorjev, pri čimer kot nosilni signal enkrat uporabimo kosinusni, drugič pa sinusni signal. Slika 4.55: Štirinivojski digitalni fazni modulator QPSK Signal na izhodu štirinivojskega digitalnega faznega modulatorja prikazuje slika 4.56. Slika 4.56: Štirinivojsko digitalno fazno moduliran nosilni signal V kompleksnem prostoru dobimo štiri točke. Vsaka izmed točk pripada eni izmed vrednosti modulacijskega signala "00", "01", "10", "11". 97 ImU 1 1 ReU Slika 4.57: Štirinivojsko digitalno fazno moduliran nosilni signal v kompleksnem prostoru Frekvenčni spekter štirinivojsko digitalno fazno moduliranega signala prikazuje slika 4.58. Slika 4.58: Frekvenčni spekter štirinivojsko digitalno fazno moduliranega nosilnega signala Prehodi med posameznimi nivoji so prikazani na sliki 4.59. 98 Slika 4.59: Prehodi med posameznimi vrednostmi Im Re Slika 4.60: Prehodi med posameznimi vrednostmi 99 4.4.5.4 Diferencialna π/4 štirinivojska fazna digitalna modulacija π/4 - DQPSK Na sliki 4.61 so prikazani prehodi med posameznimi nivoji pri π/4 – DQPSK modulaciji π/2 π/4 3π/4 0 π −3π/4 −π/4 −π/2 Slika 4.61: Prehodi med posameznimi vrednostmi pri π/4 – DQPSK modulaciji x um(t) x pretvornik y diferencialni fazni enkoder i q nosilec +90 o + pasovni filter x Slika 4.62: Blokovna shema 4π-DQPSK modulatorja Slika 4.63: Primer prehodov pri 4π-DQPSK modulaciji 100 u(t) Na sliki 4.64 so prikazani prehodi med posameznimi nivoji. Im Re Slika 4.64: Prehodi med posameznimi vrednostmi x x u(t) filter x zak. člen + nosilec podatkovni konverter +90 x odločitveno vezje filter zak. člen x + odločitveno vezje x Slika 4.65: Blokovna shema 4π-DQPSK demodulatorja 101 um(t) 4.4.6 Digitalne amplitudno fazne modulacije Pri digitalnih amplitudno faznih modulacijah spreminjamo amplitudo in fazo nosilnega signala v ritmu diskretnega modulacijskega signala. Poglejmo si primer: 16-QAM Im Re Slika 4.66: Posamezne vrednosto pri 16-QAM modulaciji 4.4.7 Odpornost na motnje Motnja in šum lahko povzročita premik točk, ki ponazarjajo posamezne nivoje modulacijskega signala. Im Šum + motnje 1 Šum + motnje d 0 Re P oddajnika Slika 4.67: Oddaljenost med dvema nivojema 102 Pomembno je, da se območja posameznih nivojev, v katerih lahko pride do premika točk zaradi šuma in motenj medsebojno ne sekajo, saj jih v tem primeru ne bi več mogli ločiti. Vidimo tudi, da se s povečevanjem moči oddajnika odpornost na šum in motnje povečuje. Po drugi strani, pa se s povečevanjem števila nivojev odpornost zmanjšuje. Im Re Slika 4.68: Premik točk, kot posledica šuma Odpornost na šum, pri različnih vrstah modulacij prikazuje slika 4.69. 10−1 −2 10 BER 10−3 PSK FSK OOK −4 10 −5 10 10−6 0dB 5dB S/N 10dB 15dB Slika 4.69: Odpornost na motnje pri različnih tipih digitalnih modulacij 103 4.5 Spektralna in močnostna učinkovitost modulacij Spektralna in močnostna učinkovitost modulacije se med seboj izključujeta. 4.5.1 Spektralna učinkovitost Za osnovo vzemimo shannonovo enačbo za kapaciteto prenosnega sistema: C = ∆f ⋅ log 2 (1 + PS ) PN 4.39 Če enačbo na obeh straneh delimo z ∆f dobimo izraz za spektralno učinkovitost. P PS C = log 2 (1 + S ) = log 2 (1 + ) ∆f ∆f ⋅ k B ⋅ T PN ( Bit / s / Hz ) 4.40 Sistem je tem bolj spektralno učinkovit, čim večja je vrednost koeficienta C/∆f, oziroma čim več bitov informacije na sekundo lahko prenesemo na Hz frekvenčnega pasu. PS → ∞ C ∆f max pri: ∆f → 0 4.41 Pri povečevanju moči signala Ps se moramo zavedati praktičnih omejitev moči in popačenj, tako da je spektralna učinkovitost omejena na: C <11 ( Bit / s / Hz ) ∆f 4.42 Pri digitalnih modulacijah je spektralna učinkovitost odvisna od števila nivojev modulacijskega signala oziroma kazalcev v kompleksnem prostoru N. Teoretično največjo spektralno učinkovitost tako lahko izračunamo po enačbi: C ≤ log 2 N ∆f (bit / s / Hz ) 104 4.43 V praksi so spektralne učinkovitosti praviloma dosti manjše, kot jih lahko izračunamo po zgornji enačbi. Teoretično najvišje spektralne učinkovitosti posameznih digitalnih modulacij so navedene v spodnji tabeli: MSK BPSK QPSK 1 bit/s/Hz 1 bit/s/Hz 2 bit/s/Hz 8PSK 16QAM 32QAM 3 bit/s/Hz 4 bit/s/Hz 5 bit/s/Hz 64QAM 156QAM 6 bit/s/Hz 8 bit/s/Hz 4.5.2 Močnostna učinkovitost Za izračun močnostne učinkovitosti je potrebno iz enačbe za kapaciteto prenosnega sistema izraziti moč signala PS. PS = PN ⋅ (2 C ∆⋅ f − 1) = ∆f ⋅ k B ⋅ T ⋅ (2 C ∆⋅ f − 1) 4.44 Sistem je tem bolj močnostno učinkovit, čim manjšo moč potrebujemo za prenos čim več bitov informacije na sekundo. PS → 0 PS min pri: ∆f → ∞ 4.45 Praktično omejitev lahko izračunamo tako, da izračunamo moč signala pod predpostavko, da je na razpolago celoten frekvenčni spekter. lim ∆f → ∞ PS = lim ∆f → ∞ PN ⋅ (2 C ∆f − 1) = C ⋅ k B ⋅ T ⋅ ln(2) ⇒ PS > C ⋅ k B ⋅ T ⋅ ln(2) 4.46 Glavna prednost spektralno učinkovitih modulacij je, da zasedajo relativno majhen (optimalen) frekvenčni prostor. Slabosti pa so: relativno visoka moč oddajnika, občutljivost na popačenja in občutljivost na motnje. Glavna prednost močnostno učinkovitih modulacij je relativno majhna potrebna moč oddajnika. Slabost pa je, da zasedajo širok frekvenčni prostor. 105 4.5.3 Nekaj primerov izračuna spektralne in močnostne učinkovitosti telekomunikacijskih sistemov a. Analogne modulacije Zemeljska analogna televizija – amplitudna modulacija 15625 vrstic/s 600 točk/vrstico 8 bitov/točko Izračunamo lahko potrebno kapaciteto, ki je: C = 75Mbit / s Potreben frekvenčni pas za prenos signala je: ∆f = 7 MHz Izračunamo lahko spektralno učinkovitost, ki je: C = 10.7bit / s / Hz ∆f Iz izračuna vidimo, da je zemeljska analogna televizija spektralno zelo učinkovit telekomunikacijski sistem, saj dosega skoraj mejno vrednost spektralne učinkovitosti telekomunikacijskih sistemov! Če predpostavimo šumno temperaturo neba čez dan (pogled stran od sonca): T = 2000 K Izračunamo lahko potrebno moč signala, ki znaša: Ps = 3.24 ⋅ 10 −10 W = −64.9dBm Satelitska analogna televizija – frekvenčna modulacija 15625 vrstic/s 600 točk/vrstico 8 bitov/točko 106 Izračunamo lahko potrebno kapaciteto, ki je: C = 75Mbit / s Potreben frekvenčni pas za prenos signala je: ∆f = 40MHz Izračunamo lahko spektralno učinkovitost, ki je: C = 1.875bit / s / Hz ∆f Iz izračuna vidimo, da je satelitska analogna televizija spektralno mnogo manj učinkovit telekomunikacijski sistem, kot analogna zemeljska televizija. Če predpostavimo šumno temperaturo neba čez dan (pogled stran od sonca): T = 2000 K Izračunamo lahko potrebno moč signala, ki znaša: Ps = 2.95 ⋅ 10 −12 W = −85.3dBm Profesionalni analogna sistemi radijskih zvez – frekvenčna modulacija Prenašamo govorni signal Ocenimo lahko potrebno kapaciteto, ki je: C = 30kbit / s Potreben frekvenčni pas za prenos signala je: ∆f = 12kHz Izračunamo lahko spektralno učinkovitost, ki je: C = 2.5bit / s / Hz ∆f 107 Če predpostavimo šumno temperaturo neba čez dan (pogled stran od sonca): T = 1000 K Izračunamo lahko potrebno moč signala, ki znaša: Ps = 7.71 ⋅ 10−13W = −91.13dBm b. digitalne modulacije Profesionalni digitalni sistemi radijskih zvez – TETRA Prenašamo govorni signal Ocenimo lahko potrebno kapaciteto, ki je: C = 36kbit / s Potreben frekvenčni pas za prenos signala je: ∆f = 25kHz Izračunamo lahko spektralno učinkovitost, ki je: C = 1.44 bit / s / Hz ∆f Teoretično največja možna spektralna učinkovitost je: C ≤ log 2 N = 2 bit / s / Hz ∆f Če predpostavimo šumno temperaturo neba čez dan (pogled stran od sonca): T = 1000 K Izračunamo lahko potrebno moč signala, ki znaša: Ps = 5.91 ⋅ 10−13W = −92.28dBm 108 4.6 Intermodulacija Intermodulacija je pojav, pri katerem se iz dveh ali več praviloma koristnih signalov različnih frekvenc ustvarijo motilni signali ravno tako različnih frekvenc. 4.6.1 Vzroki za nastanek intermodulacijskih motenj Motilni signali, kot produkt intermodulacije nastanejo z mešanjem dveh ali več praviloma koristnih signalov na nelinearnih elektronskih elementih, še v: − radijskih oddajnikih − radijskih sprejemnikih − drugih nelinearnih elementih (oksidne plasti raznih spojev in podobno) Za nastanek intermodulacije je pomembno, da ima element, na katerem pride do mešanja signalov nelinearno električno karakteristiko. Takšno karakteristiko imajo nekateri pasivni elektronski elementi (diode, nelinearni uporovni elementi in drugo) ter vsi aktivni elektronski elementi (bipolarni tranzistorji, unipolarni tranzistorji, FET tranzistorji in drugo). Za primer si poglejmo intermodulacijsko mešanje signalov na diodi. Dioda je nelinearni elektronski element, katerega odvisnost toka od napetosti na njem lahko zapišemo s funkcijo: UU 0 I = I 0 e − 1 I0 = tok zasičenja, reda nekja nA U0 = napetost kolena od 0,5 – 1,2 V 4.47 V nadaljevanju nas bo zanimal predvsem nelinearni del karakteristike v območju pozitivnih tokov in napetosti. Če funkcijo karakteristike diode razvijemo v Taylorjevo vrsto dobimo: i u 1 u 2 1 u 3 1 u 4 UU u 1 0 + + + + ... + I = I0 e − 1 = I0 u0 2 u0 6 u0 24 u0 i u0 4.48 109 Odvisnost toka od napetosti na diodi prikazuje spodnja slika: Slika 4.70: Tokovno napetostna karakteristika diode Predpostavimo, da se na diodi pojavi vsota dveh harmoničnih signalov različnih frekvenc, ki ju lahko zapišemo kot: u = U1 sin(ω1t ) + U 2 sin(ω2t ) 4.49 Na prvem linearnem členu enačbe 4.48 smo dobili zgolj vsoto obeh signalov, ni pa prišlo do intermodulacijskega mešanja. Na drugem kvadratnem členu enačbe 4.48 bomo dobili: u 2 = (U1 sin(ω1t ) + U 2 sin(ω2t ) ) = 2 = U1 sin(ω1t ) 2 + + 2U1 sin(ω1t )U 2 sin(ω2t ) + 4.50 + U 2 sin(ω2t ) 2 Analizirajmo vsak člen posebej. Pri tem dobimo: U1 sin(ω1t ) 2 = U1 (1 − cos(2ω1t ) ) 2 U 2 sin(ω2t ) 2 = U2 (1 − cos(2ω2t ) ) 2 4.51 110 V obeh primerih smo dobili signala še enkrat višjih frekvenc od prvotnih signalov. 2U1 sin(ω1t )U 2 sin(ω2t ) = U1U 2 (cos(ω1 − ω2 )t − cos(ω1 + ω2 )t ) 4.52 Dobili smo tudi signala katerih frekvenci sta enaki razliki in vsoti frekvenc prvotnih signalov. Na drugem kvadratnem členu enačbe 4.48 je prišlo do intermodulacijskega mešanja obeh signalov. Na enak način bi lahko analizirali tudi kubični člen, člen četrte in ostalih potenc. Pri tem bi opazili, da na vseh členih prihaja do intermodulacijskega mešanja signalov. V najpreprostejšem primeru mešanja dveh signalov so možne kombinacije: ω1 + ω 2 ω1 − ω 2 itermodulacijsko mešanje drugega reda 2ω1 + ω2 , 2ω1 − ω2 2ω2 + ω1 , 2ω2 − ω1 itermodulacijsko mešanje tretjega reda . . . 4ω1 + 3ω2 , 4ω1 − 3ω2 , ... 4ω2 + 3ω1 , 4ω2 − 3ω1 , ... itermodulacijsko mešanje sedmega reda ... 4.53 Intermodulacijska mešanja višja od sedmega reda lahko zanemarimo, saj ponavadi nimajo kakega bistvenega vpliva, zaradi majhnih moči. 111 Razmere se še bolj zapletejo v primeru intermodulacijskega mešanja treh ali več signalov. 4.6.2 Postopki za preprečevanje in zmanjšanje intermodulacijskih motenj Intermodulacijske motnje lahko po eni strani učinkovito preprečimo, tako da ne zagotovimo pogojev za njihov nastanek, po drugi strani pa jih lahko zmanjšamo, s skrbnim načrtovanjem postavitve anten in uporabe raznih filtrov ter izolatorjev tako na strani oddajnikov kot tudi sprejemnikov. Eden od pogostih vzrokov nastanka intermodulacijskih motenj je mešanje signalov na oksidnih plasteh med hladnimi kovinskimi spoji. Takšni spoji ponavadi povzročajo velike težave, saj jih je težko odkriti. V praksi se je zato potrebno izogibati kovičenim ali vijačenim spojem na antenskih stolpih, ozemljitvenih vodnikih in drugem. Namesto tega je bolje uporabiti varjene spoje. Do intermodulacijskega mešanja signalov lahko prihaja tudi na oddajnikih in sprejemnikih. Možnosti za preprečevanje ali zmanjševanje takšnih motenj je več. Prvo, na kar je treba še posebej paziti je postavitev anten. Te morajo biti na antenskih stolpih razporejene tako, da je med njimi kar se da veliko izolacijsko slabljenje. Izolacijsko slabljenje med antenami je v splošnem odvisno od razdalje med antenami. Pri tem pa je potrebno poudariti, da je pri vertikalnih postavitvah anten možno doseči veliko večja izolacijska slabljenja na istih razdaljah, kot pri vertikalno postavljenih antenah (slike 4.71, 4.72 in 4.73) Slika 4.71: Izolacijsko slabljenje pri vertikalni in horizontalni oddaljenosti anten 112 Slika 4.72: Izolacijsko slabljenje med vertikalno postavljenimi antenami Slika 4.73: Izolacijsko slabljenje med horizontalno postavljenimi antenami Dodatno izolacijsko slabljenje na strani oddajnikov lahko dosežemo tudi z vgradnjo pasovnega filtra in cirkulatorja. S pasovnim filtrom dodatno oslabimo signale izven prepustnega pasu filtra, s cirkulatorjem pa oslabimo vse signale prihajajoče iz smeri antene proti oddajniku. Oddajnik opremljen s filtrom in izolatorjem ima za 100 dB večjo izolacijo od oddajnika, ki je neposredno priključen na anteno. 113 Slika 4.74: Izolacijsko slabljenje pri uporabi filtrov in izolatorjev Primer izolatorja in filtra s pripadajočimi karakteristikami prikazuje slika 4.75. Slika 4.75: Primer izolatorja in filtra s pripadajočima karakteristikama Filtri so uporabni tudi za dodatno izolacijo pri sprejemnikih, medtem ko cirkulatorjev tam ne moremo uporabiti. 114 Slika 4.76: Uporaba filtrov Filtre lahko povežemo zaporedno, kot pasovno prepustne filtre ali vzporedno, kot pasovno zaporne filtre. Filtre moramo nujno uporabiti tudi v primeru ko povežemo oddajnik in sprejemnik na isto anteno. Takšni kombinaciji filtrov pravimo duplekser. V veji oddajnika je zaželeno vključiti tudi izolator, na strani sprejemnika pa po potrebi še dodatne filtre, kot je prikazano na sliki 4.77. Slika 4.77: Primer kombinirane uporabe filtrov in izolatorja 115 5. FREKVENČNO FILTRIRANJE 5.1 Uvod Frekvenčno filtriranje pomeni prepuščanje signalov oziroma posameznih frekvenčnih komponent signalov ob hkratnem blokiranju drugih signalov oziroma drugih frekvenčnih komponent signalov. Glede na obliko frekvenčne karakteristike filtra poznamo: nizko prepustne, visoko prepustne, pasovno prepustne in pasovno zaporne filtre. Idealne karakteristike omenjenih filtrov prikazuje slika 5.1. Prepustno območje Zaporno območje ω ω0 Prepustno območje Zaporno območje Prepustno območje Zaporno območje ω1 ω0 ω2 Prepustno območje Zaporno območje Visokoprepustni filter ω ω0 Zaporno območje Nizkoprepustni filter Pasovnoprepustni filter ω Pasovnozaporni filter Prepustno območje ω ω1 ω0 ω2 Slika 5.1: Idealne karakteristike filtrov v frekvenčnem prostoru 116 5.2 Predstavitev frekvenčnega filtriranja v frekvenčnem in časovnem prostoru Predpostavimo, da poznamo signal v frekvenčnem prostoru Uvh(ω), ki ga pripeljemo na vhod filtra s frekvenčno karakteristiko H(ω) in opazujemo signal na izhodu Uiz(ω). Slika 5.2: Filter s frekvenčno karakteristiko H(ω) Signal na izhodu je enak: U iz (ω ) = U vh (ω ) ⋅ H (ω ) 5.1 Frekvenčno filtriranje v frekvenčnem prostoru v bistvu predstavlja množenje vhodnega signala Uvh(ω) v frekvenčnem prostoru s frekvenčno karakteristiko filtra, ki jo imenujemo prevajalna funkcija filtra H(ω). = * Slika 5.3: Frekvenčno filtriranje v frekvenčnem prostoru Poglejmo si še frekvenčno filtriranje v časovnem prostoru. Signal na izhodu filtra v časovnem prostoru lahko izrazimo s pomočjo inverzne Fourierjeve transformacije: ∞ ∞ −∞ −∞ ∫ ∫ 1 1 u iz (t ) = ⋅ U iz (ω ) ⋅ e jωt dω = ⋅ U vh (ω ) ⋅ H (ω ) ⋅ e jωt dω ⇒ 2 ⋅π 2 ⋅π 5.2 ∞ uiz (t ) = ∫u vh (σ ) ⋅ h(t − σ ) dσ 5.3 −∞ 117 Dobljen izraz 5.3 imenujemo konvolucijski integral ali na kratko konvulucija. Prevajalna funkcija H(ω) se prek inverzne Fourierjeve transformacije iz frekvenčnega prostora preslika v funkcijo impulznega odziva filtra h(t). 1 h(t ) = ⋅ 2 ⋅π ∞ ∫ H (ω ) ⋅ e j ωt ∞ dω ⇔ H (ω ) = −∞ ∫ h(t ) ⋅ e − j ωt dt 5.4 −∞ Funkcijo impulznega odziva h(t) dobimo na izhodu filtra, če ga na vhodu vzbudimo z Diracovim impulzom δ(t). Slika 5.4: Primer Dirackovega impulza in odziva na Dirackov impulz Frekvenčno filtriranje v časovnem prostoru v bistvu predstavlja konvolucijo med vhodnim signalom uvh(t) in impulznim odzivom filtra h(t). 118 5.3 Prevajalne funkcije filtrov Prevajalno funkcijo filtra lahko zapišemo z enačbo: m m −1 m−2 U iz (ω ) am ⋅ ( jω ) + am −1 ⋅ ( jω ) + am − 2 ⋅ ( jω ) + ... + a0 H (ω ) = = U vh (ω ) bn ⋅ ( jω ) n + bn −1 ⋅ ( jω ) n −1 + bn − 2 ⋅ ( jω ) n − 2 + ... +b0 5.5 Prevajalna funkcije je v splošnem kompleksna racionalna funkcija. Ničle števca predstavljajo ničle funkcije, ničle imenovalca pa pole funkcije. Prevajalna funkcija je v splošnem kompleksna kar pomeni, da je sestavljena iz realnega in imaginarnega dela oziroma absolutne vrednosti in faze. Amplitudno karakteristiko filtra predstavlja absolutna vrednost prevajalne funkcije, fazno karakteristiko pa argument prevajalne funkcije oziroma faza. H (ω ) = Re H (ω ) 2 + Im H (ω ) 2 = A(ω ) ArgH (ω ) = arctan( 5.6 Im H (ω ) ) = Φ (ω ) Re H (ω ) 5.7 5.3.1 Filtri z enojnim polom Prevajalna funkcija filtrov z enojnim polom ima en sam pol. 5.3.1.1. Preprost nizko prepustni RC filter z enojnim polom. R Uvh C Uiz Slika 5.5: Primer preprostega nizko prepustnega RC filtra 119 Pod predpostavko, da je izhodni tok enak nič in da so tokovi skozi elementa in napetosti na elementih harmonični, se vhodna in izhodna napetost delita premo sorazmerno z impedancama obeh elementov. 1 1 U (ω ) Z C ( jω ) jω C RC = = = H (ω ) = iz 1 U vh (ω ) Z R ( jω ) + Z C ( jω ) R + 1 jω + j ωC RC 5.8 Če primerjamo dobljeno enačbo s splošno enačbo 5.5 vidimo, da je: 1 RC 1 b0 = RC b1 = 1 a0 = H (ω ) = 1 RC ω2 + ( 1 2 ) RC 5.9 ArgH (ω ) = − arctan(ωRC ) 5.10 Poglejmo si primer: R = 1kΩ C = 1 µF Ampiltudno karakteristiko filtra prikazuje slika 5.6. Zgornja frekvenca filtra je na mestu, kjer pade slabljenje filtra za 3 dB, to je v našem primeru pri 1000 s-1. Od tod naprej narašča slabljenje filtra z 20 dB/dekado. Zgornjo frekvenco pri tej vrsti filtrov lahko izračunamo po enačbi: 120 ω zg = 1 R ⋅C 5.11 Slika 5.6: Amplitudna karakteristika nizko propustnega filtra iz primera Fazno karakteristiko filtra prikazuje slika 5.7. Iz fazne karakteristike je razvidno, da filter povzroči -900 fazni zasuk pri signalih frekvenc, ki so večje od 10000 s-1. ArgH (ω ) = − arctan(ωRC ) ⋅ 180 π v stopinjah! Slika 5.7: Fazna karakteristika nizko propustnega filtra iz primera 121 5.12 5.3.1.2 Preprost visoko prepustni RC filter z enim polom. C Uvh R Uiz Slika 5.8: Primer preprostega visoko prepustnega RC filtra Pod predpostavko, da je izhodni tok enak nič in da so tokovi skozi elementa in napetosti na elementih harmonični, se vhodna in izhodna napetost delita premo sorazmerno z impedancama obeh elementov. H (ω ) = U iz (ω ) Z R ( jω ) R jω = = = 1 U vh (ω ) Z R ( jω ) + Z C ( jω ) R + 1 jω + j ωC RC 5.13 Če primerjamo dobljeno enačbo s splošno enačbo 5.5 vidimo, da je: a0 = 0 a1 = 1 1 RC b1 = 1 b0 = ω H (ω ) = ω2 + ( ArgH (ω ) = π 2 1 2 ) RC 5.14 − arctan(ωRC ) 5.15 122 Poglejmo si primer: R = 1kΩ C = 1 µF Ampiltudno karakteristiko filtra prikazuje spodnja slika Slika 5.9: Amplitudna karakteristika visoko propustnega filtra iz primera Spodnja frekvenca filtra je na mestu, kjer naraste slabljenje filtra za 3 dB, to je v našem primeru pri 1000 s-1. Pod to frekvenco narašča slabljenje filtra z 20 dB/dekado. Spodnjo frekvenco pri tej vrsti filtrov lahko izračunamo po enačbi: ω sp = 1 R ⋅C 5.16 Fazno karakteristiko filtra prikazuje slika. Iz fazne karakteristike je razvidno, da filter povzroči 900 fazni zasuk pri signalih frekvenc, ki so manjše od 100 s-1. ArgH (ω ) = ( π 2 − arctan(ωRC )) ⋅ 180 π v stopinjah ! 123 5.17 Slika 5.10: Fazna karakteristika visoko propustnega filtra iz primera 5.3.2 Filtri z dvojnim polom Prevajalna funkcija filtrov z dvojnim polom ima par polov, ki je lahko tudi konjugirano kompleksni par. 5.3.2.1 Nizko prepustni filter z dvojnim konjugirano kompleksnim polom. Prevajalna funkcija nizko prepustnega filtra kompleksnim parom lahko zapišemo z enačbo. z dvojnim konjugirano ω zg U (ω ) H (ω ) = iz = U vh (ω ) ( jω ) 2 + α ⋅ ω zg ⋅ jω + ω zg 2 2 Če primerjamo dobljeno enačbo s zgornjo splošno enačbo vidimo, da je: a0 = ω zg 2 b0 = ω zg 2 b1 = α ⋅ ω zg b2 = 1 124 5.18 H (ω ) = ω zg 2 ω 4 + ω 2 ⋅ ω zg 2 ⋅ (α 2 − 2) + ω zg 4 5.19 1 ω 1 ω ArgH (ω ) = − arctan( (2 + 4 − α 2 )) − arctan( (2 − 4 − α 2 )) α ω zg α ω zg 5.20 Poglejmo si primer: C R Uvh U1 R 1 2 3 Rb C Uiz Ra Slika 5.11: Primer nizko prepustnega filtra z dvojnim polom Ra = Rb = 1 kΩ R = 1 kΩ C = 1 µF Rb 1 )⋅ 2 2 Ra R ⋅ C H (ω ) = 1 1 + 2 2 ( jω ) 2 + jω ⋅ R ⋅C R ⋅C 1 ω zg = R ⋅C α =1 (1 + 5.21 Ampiltudno karakteristiko filtra prikazuje slika 5.12. 125 Zgornja frekvenca filtra je v našem primeru pri 1000 s-1. Od tod naprej narašča slabljenje filtra z 40 dB/dekado. Zgornjo frekvenco lahko izračunamo po enačbi: 1 ω zg = 5.22 R ⋅C Slika 5.12: Ampiltudna karakteristika nizko prepustnega filtra z dvojnim polom iz primera Fazno karakteristiko filtra prikazuje slika. Iz fazne karakteristike je razvidno, da filter povzroči -1800 fazni zasuk pri signalih frekvenc, ki so večje od 10000 s-1. 1 1 180 ω ω ArgH (ω ) = (− arctan( (2 + 4 − α 2 )) − arctan( (2 − 4 − α 2 ))) ⋅ α ω zg α ω zg π 5.23 Slika 5.13: Fazna karakteristika nizko prepustnega filtra z dvojnim polom iz primera 126 5.3.2.2 Visoko prepustni filter z dvojnim konjugirano kompleksnim polom. Prevajalna funkcija nizko prepustnega filtra kompleksnim parom lahko zapišemo z enačbo. z dvojnim konjugirano U iz (ω ) ( jω ) 2 = H (ω ) = U vh (ω ) ( jω ) 2 + α ⋅ ω sp + ω sp 2 5.24 Če primerjamo dobljeno enačbo s zgornjo splošno enačbo vidimo, da je: a0 = 0 a1 = 1 b0 = α ⋅ ωsp + ωsp 2 b1 = 0 b2 = 1 H (ω ) = ω2 5.25 ω 4 + ω 2 ⋅ ωsp 2 ⋅ (α 2 − 2) + ωsp 4 1 ω 1 ω ArgH (ω ) = π − arctan( (2 + 4 − α 2 )) − arctan( (2 − 4 − α 2 )) α ωsp α ωsp 5.26 Poglejmo si primer: R C Uvh C 1 2 R 3 Rb Uiz Ra Slika 5.14: Primer visoko prepustnega filtra z dvojnim polom 127 Ra = Rb = 1 kΩ R = 1 kΩ C = 1 µF Rb ) ⋅ ( jω ) 2 Ra H (ω ) = 1 1 ( jω ) 2 + jω ⋅ + 2 2 R ⋅C R ⋅C 1 ω sp = R ⋅C α =1 (1 + 5.27 Ampiltudno karakteristiko filtra prikazuje slika 5.14. Slika 5.15: Ampiltudna karakteristika visoko prepustnega filtra z dvojnim polom iz primera Spodnja frekvenca filtra je v našem primeru pri 1000 s-1. Pod to frekvenco narašča slabljenje filtra z 40 dB/dekado. Spodnjo frekvenco pri tej vrsti filtrov lahko izračunamo po enačbi: ω sp = 1 R ⋅C 5.28 128 Fazno karakteristiko filtra prikazuje slika 5. 16. Iz fazne karakteristike je razvidno, da filter povzroči 1800 fazni zasuk pri signalih frekvenc, ki so manjše od 100 s-1. 1 ω 1 ω 180 ArgH (ω ) = (π − arctan( (2 + 4 − α 2 )) − arctan( (2 − 4 − α 2 ))) ⋅ α ω0 α ω0 π 5.29 Slika 5.16: Fazna karakteristika visoko prepustnega filtra z dvojnim polom iz primera 5.3.2.3 Pasovno prepustni filter z dvojnim polom. Prevajalno funkcijo pasovno prepustnega filtra z dvojnim konjugirano kompleksnim parom lahko zapišemo z enačbo. H (ω ) = U iz (ω ) α ⋅ ω0 ⋅ jω = U vh (ω ) ( jω ) 2 + α ⋅ ω0 ⋅ jω + ω0 2 Če primerjamo dobljeno enačbo s splošno enačbo 5.5 vidimo, da je: a0 = 0 a1 = α ⋅ ω 0 b0 = ω 0 2 b1 = α ⋅ ω 0 b2 = 1 129 5.30 H (ω ) = α ⋅ ω0 ⋅ ω 5.31 ω 4 + ω 2 ⋅ ω 0 2 ⋅ (α 2 − 2) + ω 0 4 ArgH (ω ) = π 2 1 ω 1 ω − arctan( (2 + 4 − α 2 )) − arctan( (2 − 4 − α 2 )) α ω0 α ω0 5.32 Poglejmo si primer: R R Uvh C 1 2 R C 3 Rb Uiz Ra Slika 5.17: Primer pasovno prepustnega filtra z dvojnim polom Ra = Rb = 1 kΩ R = 1 kΩ C = 1 µF Rb 3 ) ⋅ jω ⋅ Ra R ⋅C H (ω ) = 3 2 + 2 2 ( jω ) 2 + jω ⋅ R ⋅C R ⋅C 2 ω0 = R ⋅C 3 α= 2 (1 + 5.33 130 Ampiltudno karakteristiko filtra prikazuje slika5.18. Centralna frekvenca filtra je v našem primeru pri 1414 s-1. Pod in nad to frekvenco pada slabljenje filtra z 20 dB/dekado. Pasovna širina filtra je razlika med zgornjo in spodnjo frekvenco, pri katerih naraste slabljenje filtra za 3 dB. Srednjo frekvenco lahko izračunamo po enačbi: ω0 = 2 R ⋅C 5.34 Amplitudno karakteristiko filtra prikazuje slika 5.18. Slika 5.18: Ampiltudna karakteristika pasovno prepustnega filtra z dvojnim polom iz primera Pasovno širino lahko izračunamo po enačbi: B = ω zg − ω sp = α ⋅ ω 0 5.35 Fazno karakteristiko filtra prikazuje 5.19. Iz fazne karakteristike je razvidno, da filter povzroči 900 fazni zasuk pri signalih frekvenc, ki so manjše od 100 Hz. ArgH (ω ) = ( π 2 1 ω 1 ω 180 − arctan( (2 + 4 − α 2 )) − arctan( (2 − 4 − α 2 ))) ⋅ α ω0 α ω0 π 5.36 131 Slika 5.19: Fazna karakteristika pasovno prepustnega filtra z dvojnim polom iz primera 5.3.2.4 Pasovno zaporni filter z dvojnim polom Prevajalno funkcijo pasovno prepustnega filtra z dvojnim konjugirano kompleksnim parom lahko zapišemo z enačbo. U iz (ω ) ( jω ) 2 + ω0 H (ω ) = = U vh (ω ) ( jω ) 2 + α ⋅ ω0 ⋅ jω + ω0 2 2 Če primerjamo dobljeno enačbo s zgornjo enačbo 5.5 vidimo, da je: a0 = ω 0 2 a1 = 1 b0 = ω 0 2 b1 = α ⋅ ω 0 b2 = 1 132 5.37 Poglejmo si primer: R1 R 2R R1 C C1 2R 1 2 Uvh C/2 U1 3 C/2 Rb Uiz Ra Slika 5.20: Primer pasovno zapornega filtra z dvojnim polom Ra = 1 kΩ Rb = 5 kΩ R1 = 4 kΩ C1 = 500 nF R = 1 kΩ C = 1 µF Rb 1 ) ⋅ (( jω ) 2 + 2 2 ) Ra R ⋅C H (ω ) = 4⋅ R 1 1 ⋅ + 2 2 ( jω ) 2 + jω ⋅ R1 R ⋅ C R ⋅ C (1 + 5.38 1 R ⋅C 4 ⋅ R 2 ⋅ C1 = α= R1 C ω0 = Ampiltudno karakteristiko filtra prikazuje spodnja slika 5.21. srednjo frekvenco lahko izračunamo po enačbi: ω0 = 1 R ⋅C 5.39 133 Slika 5.21: Ampiltudna karakteristika pasovno zapornega filtra z dvojnim polom iz primera Centralna frekvenca filtra je v našem primeru pri 1000 s-1. Fazno karakteristiko filtra prikazuje slika 5.22. Slika 5.22: Fazna karakteristika pasovno zapornega filtra z dvojnim polom iz primera 134 6 ŠUM IN MOTNJE V TELEKOMUNIKACIJSKIH SISTEMIH 6.1 Šum in motnje Vsi telekomunikacijski sistemi imajo določene omejitve, ki jih moramo poznati in razumeti, da lahko postavimo razumne meje njihovega delovanja. Osnovna naravna omejitev telekomunikacijskih sistemov je šum, ki delno prihaja iz okolice, delno pa ga ustvarjajo sistemi sami. Druga velika omejitev so motnje, ki jih ustvarjajo sistemi sami in motijo sami sebe ali druge sisteme. Med motnjami velja poudariti predvsem intermodulacijske motnje in popačenja. sonce radijski šum popačenja, šum oddajnika Tx slabljenje interferenca Tx odboj Tx Rx šum sprejemnika Slika 6.1: Primer motenj in šuma v sistemu radijskih zvez 6.2 Šum v telekomunikacijskih sistemih Šum je v splošnem posledica velikega nedoločnega števila dogodkov, z naključnim pojavljanjem. Kot tak je tipičen primer naključnega signala, zato lahko opazujemo le njegove statistične lastnosti in zakonitosti. To v grobem pomeni, da ne vemo, kakšna bo njegova trenutna vrednost, lahko pa določimo njegovo efektivno vrednost, frekvenčni spekter in drugo. Telekomunikacijske sisteme motijo različni šumi. Pri nižjih frekvencah, pri električnih telekomunikacijskih sistemih prevladujeta predvsem galaktični in termični šum ter razne različice barvastega šuma in atmosferski ter umetni šum. V optičnih telekomunikacijskih sistemih pa prevladuje šum spontane emisije. Pri zelo majhnih močeh signalov se pojavlja tudi tako imenovani zrnati oziroma kvantni šum, ki je posledica dejstva, da sta tako električni kot tudi svetlobni tok sestavljena iz delcev – kvantov. 135 6.3 Termični šum in šum spontane emisije Šum nastaja v vzbujeni snovi kot posledica neurejenega sevanja atomov in molekul. Frekvenca sevalnega šuma sega od najnižjih frekvenc radijskega spektra, do frekvenc onkraj optičnega spektra. Skupno gostoto spektralne šumne moči sevalnega šuma lahko zapišemo z Nayquist-ovo enačbo, ki vključuje šum toplotnega sevanja črnega telesa in spontano emisijo: dP = df h⋅ f e h⋅ f K b ⋅T + h⋅ f 6.1 −1 Kb = 1.38⋅10-23 J/K, Boltzmannova konstanta h = 6.626⋅10-34 Js, Planckova konstanta Prvi del enačbe opisuje šum zaradi toplotnega sevanja, drugi del pa šum zaradi spontane emisije. Na tem mestu si poglejmo še definicijo ekvivalentne šumne temperature. Ta je definirana z enačbo toplotnega sevanja: dP = K b ⋅ Te ⇒ df Te = 1 dP h ⋅ f ⋅ = ( K b df Kb 1 e h⋅ f K b ⋅T 6.2 + 1) −1 V radijskem spektru je vrednost produkta h⋅f << 1 , zato lahko enačbo 6.2 poenostavimo. Če razvijemo eksponent v imenovalcu enačbe v Taylorjevo vrsto in upoštevamo samo prve dva člena dobimo: x x2 x3 xn e = 1+ + + + ⋅⋅⋅ + + ⋅⋅⋅ 1! 2! 3! n! x 6.3 Zanemarimo tudi drugi člen h⋅f, ki je dosti manjši od člena Kb⋅T. 136 dP = df h⋅ f e h⋅ f K b ⋅T + h⋅ f = −1 h⋅ f + h ⋅ f ≈ Kb ⋅ T h⋅ f Kb ⋅ T dP ≈ Kb ⋅ T df 6.4 6.5 S tem smo dobili preprosto enačbo, ki opisuje gostoto spektralne šumne moči sevalnega šuma v radijskem spektru. Iz enačbe je razvidno, da v radijskem spektru prevladuje šum toplotnega sevanja. Te ≈ T 6.6 Ekvivalentna šumna temperatura je enaka dejanski temperaturi Šum toplotnega sevanja, imenujemo tudi beli šu m. Gostota spektralne šumne moči belega šuma je premo sorazmerna f 0 oziroma povedano preprosteje ni odvisna od frekvence! Zapišemo jo lahko kot: dP ∝ f0 df 6.7 V optičnem spektru prevladuje drugi člen enačbe. Gostota spektralne šumne moči sevalnega šuma v optičnem spektru se glasi: dP ≈ h⋅ f df 6.8 Iz enačbe je razvidno, da v optičnem spektru prevladuje šum spontane emisije. Te ≈ h⋅ f Kb 6.9 Ekvivalentna temperatura pri šumu spektralne emisije je definirana z enačbo 6.9. Razlagamo si jo kot temperaturo, ki bi v primeru, da bi šum povzročalo toplotno sevanje, povzročala enak šum, kot ga povzroča šum spontane emisije. 137 Šum spontane emisije, imenujemo tudi modri šum. Gostota spektralne šumne moči modrega šuma je premo sorazmerna f oziroma linearno narašča s frekvenco! Zapišemo jo lahko kot: dP ∝ f1 df 6.10 Šum v optičnem frekvenčnem področju je odvisen od frekvence in v splošnem ni beli šum, lahko pa ga kot takega obravnavamo le v ožjem frekvenčnem področju. V vmesnem področju frekvenc delujeta oba šumna mehanizma. Frekvenčno mejo, kjer sta oba prispevka šuma enakovredna lahko izračunamo z enačbo: f = Kb ⋅ T h 6.11 Pri sobni temperaturi T = 3 00 K , je frekvenčna meja f = 6 ⋅1012Hz. Pri temperaturi vesolja T = 3 K, je frekvenčna meja f = 6⋅1010Hz. 6.4 Galaktični, atmosferski in umetni šum Pri frekvencah nižjih od 1GHz, še zlasti pa pri frekvencah nižjih od 100 MHz se pojavlja izredno močan šum v okolju. Poleg galaktičnega šuma je pri frekvencah nižjih od 100 MHz potrebno upoštevati tudi atmosferski in umetni šum. Slednji je posledica delovanja različnih električnih naprav. 6.4.1 Galaktični šum Galaktični šum izvira iz vesolja. Glavni generator galaktičnega šuma je sonce, delno pa prispevajo k galaktičnem šumu tudi druga nebesna telesa. Za galaktični šum je značilno, da moč šuma pada s frekvenco. Gostota spektralne šumne moči galaktičnega šuma je premo sorazmerna f -2 : dP ∝ f −2 df 6.12 Ekvivalentno temperaturo galaktičnega šuma v odvisnosti od frekvence in smeri opazovanja prikazuje slika 6.2. 138 T (K) horizont zenit 1 000 000 100 000 galaktični šum v zenitu 10 000 1000 šum okolice na zemlji (290 K) 100 10 galaktični šum v horizontu 1 10 MHz 100 MHz 1 GHz 10 GHz f Slika 6.2: Ekvivalentna temperatura galaktičnega šuma 6.4.2 Atmosferski šum Atmosferski šum povzročata dva glavna fizikalna mehanizma. Šum ki nastaja v frekvenčnem pasu do nekako 50 MHz je še zlasti izrazit in ga povzročajo v glavnem atmosferska praznjenja. Moč šuma se s časom močno spreminja, različna je ponoči in podnevi, odvisna je od letnega časa in geografske širine. Drug fizikalni mehanizem, ki povzroča atmosferski šum v višjih frekvenčnih območij je posledica emisije molekul. Molekule kisika in vode pri določenih frekvencah še posebno močno absorbirajo elektromagnetno valovanje in ga ponovno oddajajo v prostor v obliki šuma. Atmosferski šum je najmanjši v frekvenčnem področju od 1 do 10 GHz, zato je s stališča šuma to najugodnejše področje za radijske telekomunikacije. Povprečno ekvivalentno šumno temperaturo atmosferskega šuma pri višjih frekvencah, kot posledico emisije molekul v primerjavi s kozmičnim, belim in kvantnim šumom v vesolju prikazuje slika 6.3. 139 Slika 6.3: Povprečna ekvivalentna šumna temperatura atmosferskega šuma v ekvatorialni geografski širini 6.4.3 Umetni šum Umetni šum povzročajo razne električne in elektronske naprave in sistemi. Moč umetnega šuma na posameznem območju je torej odvisna od velikega števila dejavnikov oziroma izvorov šuma in se s časom tudi spreminja. Natančno zato lahko določimo moč umetnega šuma le z meritvami. Kljub temu pa je možno predvideti povprečne vrednosti moči šuma v posameznih tipičnih okoljih, ki so bile dobljene na podlagi velikega števila meritev. Slika 6.4 prikazuje povprečne vrednosti šuma – oziroma ekvivalentne šumne temperature šuma v posameznih tipičnih okoljih in primerjavo z galaktičnim in atmosferskim šumom. Vidimo, da se umetni šum obnaša podobno kot galaktični šum, to je da pada s frekvenco. Gostota spektralne šumne moči umetnega šuma je premo sorazmerna f -2 : dP ∝ f −2 df 6.13 140 Rezultati temeljijo na meritvah izpred približno 25 let. Novejše meritve kaže na povečanje šuma predvsem v mestih in velemestih, kar je spričo povečanja števila elektronskih naprav tudi razumljivo. 300 000 000 galaktični šum 30 000 000 3 000 000 Te (K) podeželjska območja 300 000 urbana območja 30 000 3000 atmosferski šum 300 30 10 100 10 000 1000 f (MHz) Slika 6.4: Ekvivalentna šumna temperatura umetnega šuma v odvisnosti od frekvence in območja 6.5 Šum v elektronskih vezjih Generatorji šuma v elektronskih vezjih so elektronski elementi. Najizrazitejši je termični šum oziroma beli šum, katerega najmočnejši generatorji so v glavnem pasivni linearni elementi - upori, pasivni in aktivni nelinearni elementi pa so najmočnejši generatorji barvastega in zrnatega šuma. Seveda pa velja, da vsi elementi lahko povzročajo vse vrste šumov, la da so posamezne vrste šumov pri posameznih elementih izrazitejše. 6.5.1 Beli šum Naključno toplotno gibanje elektronov v uporovni snovi povzroča električno napetost termičnega šuma na priključkih upora. Upor si zato lahko predstavljamo kot napetostni šumni generator belega suma. Predpostavimo, da je upor, ki je izvor termičnega šuma, priključen na elektronsko vezje pasovne širine B, ki ga lahko ponazorimo s četveropolom. Rg B U Ng 141 R Slika 6.5: Upor kot generator šuma priključen prek četveropola brez izgub, pasovne širine B na breme Breme na izhodu četveropola, bo iz šumnega generatorja prejelo največ energije takrat, ko bo upornost bremena prilagojena – enaka notranji upornosti šumnega generatorja – upornosti upora, ki povzroča šum. Efektivno šumno napetost na odprtih sponkah šumnega generatorja lahko zapišemo z enačbo: U Ng = 2 ⋅ U N pri R = R g 6.14 Efektivno šumno napetost na bremenu lahko izračunamo iz enačbe gostote spektralne šumne moči sevalnega šuma v radijskem spektru oziroma enačbe termičnega šuma. f2 U N = PN ⋅ R = ∫ K B ⋅ T ⋅ R ⋅ df 6.15 f1 Od tod lahko, upoštevajoč tudi pasovno širino četveropola B=f2 – f1, izračunamo efektivno šumno napetost na odprtih sponkah šumnega generatorja. f2 U Ng = 2 ⋅ U N = 2 ⋅ ∫ K B ⋅ T ⋅ R ⋅ df = 2 ⋅ K B ⋅ T ⋅ R ⋅ B = 4 ⋅ K B ⋅ T ⋅ R ⋅ B f1 U Ng = 4 ⋅ K B ⋅ T ⋅ R ⋅ B 6.16 Upor, kot izvor termičnega šuma lahko ponazorimo tudi kot tokovni šumni generator. Efektivni šumni tok kratko sklenjenega tokovnega šumnega generatorja lahko zapišemo z enačbo: I Ng = 4 ⋅ KB ⋅T ⋅ B R 6.17 142 6.5.2 Barvasti šum Barvasti šum, za razliko od belega šuma pada s frekvenco. Gostota spektralne šumne moči barvastega šuma je premo sorazmerna f -α , kar lahko zapišemo kot: dP ∝ f −α df 6.18 V odvisnosti od vrednosti koeficienta α poznamo: Odvisnost od frekvence f α=0 α=1 α=2 Barva šuma beli šum rožnati šum rdeči / rjavi šum Rožnati šum v bipolarnem tranzistorju lahko predstavimo z efektivnim šumnim tokom, ki ga določa enačba: I N ( f ) = 2 ⋅ q ⋅ Ib ⋅ B ⋅ f1 f 6.19 Iz enačbe je razvidno, da je efektivni tok rožnatega šuma bipolarnega tranzistorje odvisen od frekvence f –1. Pri tem je q naboj elektrona, Ib je bazni tok tranzistorja, B je pasovna širina, f1 je mejna frekvenca, med 10 in 50 Hz, pri kateri je rožnati šum enak belemu šumu tranzistorja. Podobno lahko predstavimo tudi rožnati šum v FET tranzistorju. Enačba efektivnega šumnega toka rožnatega šuma v FET tranzistorju se glasi: I N ( f ) = 4 ⋅ K ⋅ T ⋅ c ⋅ gm ⋅ B ⋅ f1 f 6.20 Pri FET tranzistorju je mejna frekvenca f1 med 100 kHz in 1 MHz. 143 IN -16 10 -17 10 -18 10 -19 10 -20 10 -21 10 -22 10 0 10 102 101 103 104 105 f Slika 6.6: Šumni tok na ponoru FET tranzistorja 6.5.3 Zrnati šum Zrnati šum, je posledica dejstva, da je električni tok sestavljen iz kvantov – elektronov. V optičnih telekomunikacijah je svetlobni tok prav tako sestavljen iz kvantov – fotonov. Pri majhnih električnih tokovih, ko je število nosilcev toka – elektronov majhno, prihaja do neenakomernega pretoka elektronov v posameznih enakih časovnih intervalih, kar povzroča zrnati šum. Pretok elektronov je naključni proces, sestavljen iz zaporedja med seboj neodvisnih prihodov posameznih elektronov. Primer pretoka elektronov v posameznih enakih časovnih intervalih prikazuje slika 6.7. n= 5 n= 6 n= 8 n= 4 ∆t ∆t ∆t ∆t Slika 6.7: Primer pretoka elektronov v posameznih enakih časovnih intervalih Število elektronov v posameznem enakem časovnem intervalu ∆t, ki tvorijo pretok električnega toka, je popolnoma neodvisno od števila elektronov v enakem časovnem intervalu. Pri povprečnem pretoku n elektronov v časovnem intervalu ∆t, lahko zapišemo srednjo vrednost toka kot: I= n⋅e ∆t pri e = 1.6 ⋅ 10 −19 As 6.21 144 Zrnati šumni tok, lahko upoštevajoč Poissonovi porazdelitvi verjetnosti pretoka elektronov, zapišemo z enačbo: iZN = n ⋅e ∆t 6.22 Efektivna vrednost zrnatega šumnega toka je enaka: n ⋅ e2 = ∆t 2 I ZNef = I ⋅e = 2⋅e⋅ I ⋅ B ⇒ ∆t pri B 1 = ∆t 2 6.23 I ZNef = 2 ⋅ e ⋅ I ⋅ B 6.24 Iz enačbe 6.24 je razvidno, da efektivna vrednost zrnatega šumnega toka ni odvisna od frekvence, zato lahko rečemo da je ta šum tudi beli šum! Zrnati šum se intenzivneje pojavlja v vakuumskih elementih pri prehodih elektronov med posameznimi elektrodami in v PN spojih polprevodniških elementov. 6.6 Razmerje signal / šum in šumno število Bolj kot moč šuma samega, je pomembno razmerje med močjo koristnega signala in močjo šuma. Razmerje med močjo koristnega signala in močjo šuma ali na kratko razmerje signal / šum lahko v splošnem zapišemo z enačbo: (S / N ) = PS PN 6.25 Poglejmo si primer ojačevalnika z ojačanjem A, pasovno širino B in ekvivalentno šumno temperaturo Teoj. Slika 6.8: Moč signala in šuma na vhodu in izhodu ojačevalnika 145 Moč signala in šuma na vhodu ojačevalnika lahko zapišemo z enačbama: PSv = PS 6.26 PNv = K b ⋅ B ⋅ Tok Razmerje med signalom in šumom na vhodu ojačevalnika je tako enako: (S / N )v = PSv PS = PNv K b ⋅ B ⋅ Tok 6.27 Moč signala in šuma na izhodu ojačevalnika pa lahko zapišemo z enačbama: PSi = PS ⋅ A 6.28 PNi = K b ⋅ B ⋅ (Tok + Teoj ) ⋅ A Razmerje med signalom in šumom na izhodu ojačevalnika je tako enako: (S / N )i = PSi PS ⋅ A PS = = PNi K b ⋅ B ⋅ (Tok + Teoj ) ⋅ A K b ⋅ B ⋅ (Tok + Teoj ) 6.29 Vidimo, da se je razmerje signal šum na izhodu ojačevalnika poslabšalo, saj se je vhodnemu šumu, ki ga je ojačevalnik ojačil skupaj s signalom, pridružil še notranji šum ojačevalnika. Če združimo enačbi 6.27 in 6.29 dobimo: PSi Tok P = ⋅ Sv PNi (Tok + Teoj ) PNv 6.30 Poglejmo si še primer večstopenjskega - tristopenjskega ojačevalnika, pri katerem naj ima vsaka stopnja ojačevalnika ojačanje A1, A2 in A3 , pasovno širino B in ekvivalentno šumno temperaturo T1eoj, T2eoj i n T3eoj ki ga prikazuje slika 6.9. 146 T1eoj T3 eoj T2 eoj A1 A2 A3 Slika 6.9: Primer večstopenjskega – tristopenjskega ojačevalnika Skupno ojačanje vseh treh stopenj ojačevalnika je: A = A1 ⋅ A2 ⋅ A3 6.31 Skupna ekvivalentna temperatura tristopenjskega ojačevalnika je: Teoj = T 1eoj + T 2 eoj A1 + T 3eoj 6.32 A1 ⋅ A2 Enačba 6.32 je izredno pomembna, saj kaže, da ima v skupnem prispevku šuma največji delež šum prve ojačevalne stopnje. Če je ojačanje prve in ostalih stopenj veliko, so prispevki šuma ostalih stopenj lahko celo zanemarljivi. V praksi je zato zelo pomembno, da pri večstopenjskih ojačevalnikih zgradimo prvo stopnjo kar se da malo šumno. Definirajmo si še šumno število. To je definirano z razmerjem signal /šum na vhodu in signal / šum na izhodu pri temperaturi okolja Tok = 290 K. F= ( S / N ) v PS ⋅ K b ⋅ B ⋅ (Tok + Te ) Tok + Te T = = = 1 + e pri Tok = 290 K (S / N )i K b ⋅ B ⋅ Tok ⋅ PS Tok Tok 6.33 Šumno število tristopenjskega ojačevalnika iz prejšnjega primera, pri katerem so šumna števila posameznih stopenj F1, F2, F3, se glasi: F = F1 + F2 − 1 F3 − 1 + A1 A1 ⋅ A2 6.34 Če je ojačanje prve in ostalih stopenj veliko, je šumno število večstopenjskega ojačevalnika praktično kar enako šumnemu števili prve stopnje. 147 Poglejmo si še mejni primer, neskončne verige enakih ojačevalnikov, z ojačanjem A*, pasovno širino B* in šumnim številom F*. Skupno šumno število takšne verige ojačevalnikov se glasi: F* −1 F* −1 F* −1 F=F + + ⋅⋅⋅ ⇒ + + ⋅⋅⋅ + A A⋅ A A ⋅ A ⋅⋅⋅⋅ ⋅ A * A F = 1 + ( F − 1) ⋅ A −1 * pri A → ∞ ⇒ F ≈ F * 6.35 Tudi pri neskončni verigi enakih ojačevalnikov je šumno število verige praktično enako šumnemu številu prvega od ojačevalnikov v verigi, če je le njegovo ojačanje dovolj veliko. Šumno število lahko izrazimo tudi v decibelih: FdB = 10 ⋅ log( F ) = 10 ⋅ log(1 + Te ) pri Tok = 290 K Tok 148 6.36 7 SODOSTOPANJE 7.1 Sodostopanje (multipleksiranje) in vrste sodostopov (multipleksov) Sodostopanje je postopek izkoriščanja telekomunikacijskih prenosnih poti za prenos več med seboj neodvisnih komunikacij po eni telekomunikacijski poti. V splošnem poznamo več vrst sodostopov, ki jih v splošnem delimo na: Delitev zmogljivost: − Frekvenčni sodostop (FDMA) − Časovni sodostop (TDMA) − Kodni sodostop (CDMA) − Prostorski sodostop (SDMA) Zaseganje zmogljivosti: − Zaseganje na osnovi žetona − Zaseganje na osnovi detekcije trkov 7.2 Frekvenčni sodostop (FDMA) Pri frekvenčnem sodostopu ustvarimo medsebojno neodvisne komunikacijske kanale v frekvenčnem prostoru. Po vsakem tako zagotovljenem kanalu je možna ena neodvisna komunikacija. f t Slika 7.1: Frekvenčni sodostop Informacijske signale, ki jih želimo prenašati v frekvenčnem sodostopu moramo pred prenosom modulirati. Z izborom frekvence nosilnega signala izbiramo kanal po katerem bomo informacije prenašali. Širina kanala je odvisna od vrste uporabljene modulacije in predvidene kapacitete. Primer frekvenčnega sodostopa za enajst frekvenčno moduliranih signalov prikazuje slika 7.2. 149 Slika 7.2: Primer prenosa različnih neodvisnih informacij s frekvenčnim sodostopom Slika 7.3: FM radijski kanali pri frekvenčnem sodostopu 150 7.3. Časovni sodostop (TDMA) Pri časovnem sodostopu zagotovimo medsebojno neodvisne komunikacijske kanale v časovnem prostoru. Po vsakem tako zagotovljenem kanalu je mogoča ena neodvisna komunikacija. f t Slika 7.4: Časovni sodostop Posameznim med seboj neodvisnim informacijam, ki jih prenašamo v časovnem sodostopu zagotovimo svoja časovna okna. To pomeni, da za čas trajanja prvega časovnega okna prenašamo prvo informacijo, v času trajanja drugega časovnega okna drugo in tako naprej. Signali, ki nosijo informacije morajo biti diskretni, to pomeni, da morajo biti njihove vrednosti v času trajanja njim namenjenega časovnega okna praviloma različne od nič, izven pa enake nič! Ta pogoj lahko v splošnem zapišemo z enačbo: u(t ) → ≠ 0 pri t1 + T ≤ t < t2 + T = 0 drugje 7.1 t1 = začačet časovnega okna t 2 = konec časovnega okna T = perioda ponavljanja istih časovnih oken Prenos zveznih informacijskih signalov prek časovnega sodostopa in vzorčenje Zvezne informacijske signale ni mogoče neposredno prenašati s pomočjo časovnega sodostopa, saj se raztezajo prek vseh časovnih oken, to bi se pri prenosu medsebojno motili. Za primer predpostavimo, da je informacijski signal čisti harmonični signal. Prikazuje ga slika 7.5. 151 Slika 7.5: primer zveznega informacijskega signala Frekvenčni spekter zgornjega signala prikazuje slika 7.6. Slika 7.6: Frekvenčni spekter zgornjega signala Da bi zvezni informacijski signal pretvorili v diskretnega ga moramo vzorčiti. Čas med dvema zaporednima vzorcema naj bo konstanten in ga označimo s Tv. Od tod lahko izračunamo frekvenco vzorčenja ki je: ωv = 2 ⋅π Tv 7.2 Slika 7 prikazuje vzorce našega predpostavljenega informacijskega signala. 152 Slika 7.7: Vzorci zvezne informacijskega signala Če si pogledamo frekvenčni spekter tako vzorčenega signala, vidimo da si poleg osnovne frekvenčne komponente signala pojavijo še komponente pri višjih frekvencah, ki so posledica vzorčenja. Slika 7.8: Frekvenčni spekter vzorčenega informacijskega signala Iz vzorcev lahko rekonstruiramo prvotni informacijski signal tako, da s filtorm odrežemo frekvenčne komponente pri višjih frekvencah, tako da nam ostane samo osnovna frekvenčna komponenta. Vidimo, da nam za prenos informacije ni potrebno prenašati celotnega informacijskega signala temveč le njegove vzorce, saj ti vsebujejo vso potrebno informacijo! Vzorčenje nam tako omogoča prenos drugače zveznih informacijskih signalov s pomočjo časovnega sodostopa. Pri vzorčenju moramo paziti, da ne pride do prekrivanja osnovnih frekvenčnih komponent signala, ki ga vzorčimo s frekvenčnimi komponentami, ki nastanejo po vzorčenju in so praviloma pri višjih frekvencah. Da ne pride do prekrivanja, mora biti izpolnjen spodnji pogoj: 153 ω v ≥ 2 ⋅ ω s max 7.3 ωv = Frekvenca vzorčenja ωs = Frekvenca najvišje frekvenčne komponente informacijskega signala Zgornja enačba je poznana tudi kot Nyquistov kriterij za vzorčenje. Slika 7.9: Frekvenčni spekter pri različnih frekvencah vzorčenja Prenos s časovnim sodostopom zahteva dobro časovno sinhronizacijo med oddajnikom in sprejemnikom, saj bi se drugače lahko zgodilo, da bi sprejemnik sprejemal napačna časovna okna ter s tem napačno informacijo ali celo medsebojno pomešane informacije. 154 7.4 Kodni sodostop (CDMA) Pri kodnem sodostopu ustvarimo medsebojno neodvisne komunikacijske kanale tako, da informacijske signale množimo s posebnimi kodnimi signali in jih razpršimo v frekvenčnem prostoru. Slika 7.10: Kodni sodostop Vsi informacijski signali uporabljajo isti, širok frekvenčni pas. Signali so med seboj ločeni s kodami, ki so izbrane tako, da se signali med seboj ne motijo preveč (ortogonalne kode!). 7.4.1 Tehnika neposrednega sekvenčnega mešanja (DS) Predpostavimo, da je informacijski signal digitalni pravokotni signal, ki ga prikazuje slika 7.11. Slika 7.11: Predpostavljen digitalni informacijski signal 155 Frekvenčni spekter digitalnega informacijskega signala prikazuje slika 7.12. Slika 7.12: Frekvenčni spekter informacijskega signala Informacijski signal seštejemo po modula dve s kodnim signalom, ki je časovno mnogo bolj razgiban kot informacijski signal. Kodni signal prikazuje slika 7.13. Slika 7.13: Kodni signal Frekvenčni spekter kodnega signala je zaradi njegove velike časovne razgibanosti veliko bolj razpršen kot frekvenčni spekter informacijskega signala. Slika 7.14: Izsek razpršenega frekvenčnega spektra kodnega signala 156 Ko informacijskemu signalu po modulu dve prištejemo kodni signal vanj vgradimo kodo in ga hkrati razpršimo po frekvenčnem spektru. Informacijski signal s prištetim kodnim signalom prikazuje slika 7.15. Slika 7.15: Informacijski signal s prištetim kodnim signalom Frekvenčni spekter zgornjega signala prikazuje slika 7.16. Slika 7.16: Izsek frekvenčnega spektra informacijskega signala s prištetim kodnim signalom Slika 7.17: Slika frekvenčnega spektra posneta na spektralnem analizatorju Detalj seštevanja informacijskega in kodnega signala ter razpršitev spektra prikazuje slika 7.18. 157 Frekvenčni prostor Časovni prostor Informacijski signal Kodni signal CDMA signal +1 t -1 ω -2π/Td +1 2π/Td ω t -1 2π/Tc -2π/Tc +1 -1 ω t Tc -2π/Td - 2π/Tc Td 2π/Td + 2 π/Tc Slika 7.18: Detajl seštevanja informacijskega in kodnega signala ter razpršitev spektra Frekvenčno razpršen signal prestavimo na želeno mesto v frekvenčnem prostoru tako, da z njim moduliramo nosilni signal. Pri tem uporabimo eno izmed digitalnih modulacij, MSK, GMSK, ali drugo. ODDAJNIK Izvor Podatkov Generator kode Generator nosilnega signala x Modulator Um(t) CDMA U(t) U(t) SPREJEMNIK Vhodni filter Lokalni oscilator Generator kode Demodulator x CDMA Detektor Um(t) Slika 7.19: Postopek modulacije in demodulacije pri DS Za uspešen sprejem morata biti oddajnik in sprejemnik medsebojno sinhronizirana. 158 7.4.2 Tehnika frekvenčnega skakanja (FH) Pri tehniki frekvenčnega skakanja razširimo frekvenčni spekter tako, da skačemo z moduliranim nosilnim signalom po širšem frekvenčnem spektru. Zaporedne skoke določa posebna koda, ki je različna pri posameznih uporabnikih, tako da se ti med seboj ne motijo. Tipičen frekvenčni spekter kodnega sodostopa s frekvenčnim skakanjem kaže slika 7.20. Slika 7.20: Spekter kodnega sodostopa s frekvenčnim skakanjem 7.4.3 Potreben frekvenčni spekter pri kodnem sodostopu Potreben frekvenčni spekter pri kodnem sodostopu lahko izračunamo iz Shannonove enačbe, ki se glasi: C = ∆f ⋅ log 2 (1 + PS ) = ∆f PN PS ) PN P = 1.44 ⋅ ∆f ⋅ ln(1 + S ) PN ln(2) ln(1 + 7.4 Če upoštevamo, da je nivo signala pri kodnem sodostopu vsaj desetkrat nižji od nivoja šuma, enačbo lahko poenostavimo: C = 1.44 ⋅ ∆f PS PN velja pri : PS ≤ 0.1 PN Če iz zgornje enačbe izrazimo pasovno širino se ta glasi: 159 7.5 ∆f = PN ⋅ C 1.44 ⋅ PS 7.6 Poglejmo si primer: PN = 100 PS C = 500 kbit/s ∆f = PN ⋅ C = 35.56 MHz 1.44 ⋅ PS Za prenos podatkov s hitrostjo 500 kbit/s v kodnem sodostopu s tehnologijo razpršenega spektra ob predpostavki, da je nivo signala stokrat nižji od nivoja šuma potrebujemo frekvenčni pas 35.56 MHz. 7.4.4 Odpornost na motnje in motenje ter varnost pred prisluškovanjem Slika 7.21: Ozkopasovni motilni signal v spektru signala z razpršenim spektrom 160 Slika 7.22: Vpliv ozkopasovnega motilnega signala na informacijski signal prenesen s kodnim sodostopom 7.5 Prostorski sodostop (SDMA) 7.5.1 Celična mrežja Pri prostorskem sodostopu so posamezni signali ločeni prostorsko. To je pri radijskih sistemih mogoče doseči z delitvijo geografskega območja na posamezne celice in te nadalje na posamezne sektorje. Signali se tako prostorsko ne prekrivajo in se tudi ne motijo. V praksi to pomeni, da lahko v posameznih celicah in sektorjih uporabljamo za prenos signalov iste frekvenčne pasove. Primer prostorskega sodostopa v obliki celičnega omrežja prikazuje slika 7.23. Slika 7.23: Primer prostorskega sodostopa – radijsko celično omrežje 161 7.5.2 Minimalna dovoljena razdalja med istokanalnimi celicami Pri celičnih radijskih omrežjih celotno območje, ki ga želimo pokriti z radijskim signalom, razdelimo na celice. Pri tem je v poenostavljeni idealni celični strukturi velikost in razporeditev vseh celic enaka. Območje posamezne celice pokriva ena bazna postaja postavljena praviloma v središču celice. Okrog vsake celice je razporejenih šest istokanalnih celic, to je celic ki delujejo v istem frekvenčnem pasu. Minimalna oddaljenost med istokanalnimi celicami je določena z največjim dovoljenim razmerjem med koristnim radijskim signalom celice in vsoto motilnih signalov istokanalnih celic v okolici. Pri tem praviloma upoštevamo le motilne signale najbližjih šestih istokanalnih celic, medtem ko ostale oddaljene celice zanemarimo. Slika 7.24: Poenostavljena idealna celična struktura celičnega radijskega omrežja Razdalja med istokanalnimi celicami v celičnem radijskem omrežju je pomemben podatek, saj neposredno vpliva na potrebno število frekvenc v omrežju. Osnova za izračun minimalne dopustne razdalje med istokanalnimi celicami je model za izračun jakosti radijskega signala v prostoru. V praksi se v ta namen uporabljajo različni modeli. V strokovni literaturi se v ta namen zaradi enostavnosti modela največkrat uporablja enostaven teoretični model, ki opisuje širjenje radijskih valov v ravnini. Izračun je točnejši, če uporabimo boljši model, na primer model Okumura-Hata. Evropski telekomunikacijski inštitut za standardizacijo (ETSI) priporoča v svojem tehničnem priporočilu ETR 300-1 z maja 1997 modela Okumura-Hata za podeželsko in urbano okolje. Na osnovi enostavnega teoretičnega modela in modela HATA bomo izpeljali modela za neposredni izračun potrebne minimalne oddaljenosti med istokanalnimi celicami 162 v poenostavljenem idealnem celičnem omrežju. V obeh modelih bo upoštevan korekcijski faktor, ki upošteva dejansko oddaljenost sosednjih istokanalnih celic od roba motene celice. Razmerje med močjo koristnega signala PC in vsoto moči istokanalnih interferenčnih signalov PI ne sme nikjer v celici preseči minimalno dovoljeno vrednost, ki še zagotavlja normalno delovanje radijskih postaj. Pogoju bomo zadostili, če bomo na robu celice zagotovili minimalno dovoljeno razmerje vrednosti moči koristnega signala PC in vsote moči istokanalnih interferenčnih signalov PI. Moč koristnega signala na robu celice je: PC = Po L(R ) 7.7 Pri tem je Po moč koristnega oddajnika v celici. L(R) je slabljenje signala na razdalji R, ki je polmer celice. Vsota moči interferenčnih signalov na robu celice je: PI = 6 ∑ i =1 Po L( xi ) * PI = pri x1 = x2 = … = x6 = D⇒ 6 Po L(D* ) 7.8 Pri tem je Po moč posameznega interferenčnega oddajnika in je po predpostavki enaka za vse oddajnike. L(xi) je slabljenje signala na razdalji xi, ki je oddaljenost posameznega interferenčnega oddajnika od izbrane točke na robu motene celice. V enačbi smo upoštevali le šest okoliških intreferenčnih celic. Vpliv ostalih interferenčnih celic lahko zaradi zanemarljivega vpliva zanemarimo. Če predpostavimo enako oddaljenost D* vseh interferenčnih celic, se enačba močno poenostavi. Napako, ki smo jo pri tem napravili bomo odpravili s korekcijskim faktorjem pri končni enačbi. 163 Slika 7.25: Dejanska in predpostavljena razporeditev interferenčnih celic Razmerje med močjo koristnega signala PC in vsoto moči istokanalnih interferenčnih signalov PI je: L(D* ) PC = PI 6 L(R ) 7.9 Izraženo v decibelih je: 10 log PC = PC [dB ] − PI [dB ] = 10 log L(D* ) − 10 log L(R ) − 10 log 6 PI 7.10 Nekaj primerov največjih dovoljenih razmerja med močjo koristnega signala PC in vsoto moči istokanalnih interferenčnih signalov PI : SPREJEMNIK Analogni FM sprejemniki, 25kHz širina kanala Analogni FM sprejemniki, 12,5kHz širina kanala Digitalni sprejemnik FDMA (TETRAPOL) Digitalni sprejemnik TDMA (TETRA) 164 PC[dB] – PI[dB] 8 dB 12 dB 15 dB 19 dB PC[W]/PI[W] 6,3096 15,8489 31,6228 79,4328 7.5.3 Enostaven teoretični model, ki opisuje širjenje radijskih valov v ravnini Enostaven teoretični model za izračun jakosti radijskega signala na sprejemniku Ps(x) v odvisnosti od moči oddajnika Po, višine oddajnika ho in sprejemnika hs in razdalje med njima x lahko zapišemo z enačbo: Ps ( x ) P h h = o = Po ⋅ o 2 s L( x ) x 2 7.11 Slabljenje signala L(x) iz zgornje enačbe je: x2 L( x ) = ho hs 2 7.12 Če izraz za slabljenje signala 2.2 vstavimo v enačbo 1.3 dobimo enačbo za razmerje med močjo koristnega signala PC in vsoto moči istokanalnih interferenčnih signalov PI v odvisnosti od polmera celice R in oddaljenosti od istokanalne intrferenčne celice D*. L(D* ) D *4 PC = = PI 6 L(R ) 6 R 4 7.13 Od tod lahko izračunamo potrebno oddaljenost interfrenčnih celic D*. D* = 4 6 Pc *R PI 7.14 Vsoto moči interferenčnih signalov v izbrani točki izračunamo po enačbi: PI = 6 Po L(D * ) 7.15 165 Izračunana oddaljenost vsebuje napako, ki smo jo vnesli s poenostavitvijo enačbe 1.2 in jo je potrebno korigirati. V ta namen namesto predpostavljene oddaljenosti interferenčnih celic od izbrane točke na robu motene celice D* izračunamo dejanske oddaljenosti interferenčnih celic, x1, x2,…x 6 v odvisnosti od kota α, ki predstavlja odmik opazovane točke na robu motene celice od izhodišča, ki je v liniji z eno izmed interferenčnih celic. x1 2 = D 2 + (2 DR + 2 R 2 )(1 − cos(α )) x 2 2 = D 2 + (2 DR + 2 R 2 )(1 − cos(60 − α )) x3 2 = D 2 + (2 DR + 2 R 2 )(1 − cos(120 − α )) x 4 2 = D 2 + (2 DR + 2 R 2 )(1 − cos(180 − α )) x5 2 = D 2 + (2 DR + 2 R 2 )(1 − cos(120 + α )) x 6 2 = D 2 + (2 DR + 2 R 2 )(1 − cos(60 + α )) Slika 7.26: Geometrija za izračun interferenčnih signalov Vsoto moči interferenčnih signalov v izbrani točki izračunamo po enačbi: 166 7.16 PI = ∑ L( Po xi ( D ,α ) ) 7.17 Vsota moči interferenčnih signalov je največja pri kotih 00, 600, 1200,…, to je v točkah na robu motene celice, ki so v liniji z eno izmed interferenčnih celic. Z izenačitvijo izrazov dobimo povezavo med D* in D in s tem vrednost korekcijskega faktorja. 6 Po = L( D* ) 6 ∑ L( i =1 Po xi ( D ,α ) ) ⇒ D = D *kf ⇒ kf = D = 0,8296645 D* 7.18 Enačba za pravo vrednost oddaljenosti med robom motene celice in interferenčnim oddajnikom je: D=4 6 Pc ⋅ R ⋅ 0,8296645 PI 7.19 Slika 7.27: Geometrija med motenim in enim od šestih interferenčnih oddjnikov Razdalja med motenim in enim od šestih interferenčnih oddajnikv – razdalja med istokanalnimi celicami v omrežju K je: K = R+4 6 PC ⋅ R ⋅ 0,8296645 PI 7.20 167 Faktor ponovitve frekvence je: a= P K = 1 + 4 6 C ⋅ 0,8296645 R PI 7.21 Enačba za izračun medsebojne oddaljenosti istokanalnih celic v omrežju je dokaj enostavna. Temelji na preprostem modelu slabljenja radijskega signala enačba 7.20, ki ima dve bistveni pomanjkljivosti: − Model ni odvisen od frekvence, kar se v praksi izkaže za napačno. Meritve so pokazale, da je slabljenje signala odvisno od frekvence signala: Ps ( x ) ∝ f −n pri 2 ≤ n ≤ 3 7.22 − Model predvideva pri podvojitvi višine sprejemne antene zmanjšanje slabljenja radijskega signala za 6 dB. Meritve pa kažejo, da je to povečanje okoli 3 dB. PS ( x , 2 hs ) PS ( x ,hs ) 2h = s hs 2 = 4 ≈ 6dB 7.23 Model lahko služi le grobi oceni slabljenja radijskega signala v prostoru. Isto velja za enačbo za izračun medsebojne oddaljenosti istokanalnih celic v omrežju. Primer: Predlagana idealna celična struktura omrežja temelji na predpostavljenih celicah polmera 5 km, višina vseh oddajnikov je 50 m, moč oddajnikov je 20 W. Izračunane so moči elektromagnetnega polja v prostoru na višini 1.5 m, po modelu, ki temelji na enačbi: 168 h h Ps = Po * o 2 s d 2 (W) pri kateri je: Po - moč oddajnika (W) Ps - moč signala pri sprejemniku (W) ho - višina oddajnika (m) hs - višina sprejemnika (m) d - razdalja med oddajnikom in sprejemnikom (m) Slika 7.28: Predpostavljena celična struktura omrežja s celicami polmera 5 km Pri izračunu je upoštevano minimalno dovoljeno razmerje (10log(PC/PI) med koristnim signalom in šestimi motilnimi signali istokanalnih celic, ki pri TETRI znaša 19 dB oziroma PC/PI ki znaša 79,433. Minimalna razdalja med središčema dveh istokanalnih celic je izračunana po enačbi: K =R+4 6 PC * R * kf = 24,38 km PI K - razdalja med središčema istokanalnih celic (km) R - polmer celice (km) PC - moč koristnega signala (W) PI - moč motilnega signala (W) kf - korekcijski faktor = 0,8296645 (/) 169 Izračun je narejen na predpostavki, da so parametri vseh celic enaki. Izračunana minimalna razdalja med istokanalnima celicama je 24,38 km. a= P K = 1 + 4 6 C * 0,8296645 = 4,88 R PI Na tej podlagi je možno določiti minimalno potrebno število dupolesnih parov v omrežju, ki ob predpostavki, da je v vsaki celici uporabljen samo en dupleksni par, znaša 9. Omrežje s celicami polmera 5 km je predvidoma primerno za ročne radijske postaje. Jakost polja na robu celice je 58 dBuV/m, kar ustreza jakosti signala na sprejemniku radijske postaje -67,44 dBm. Minimalna potrebna jakost signala na sprejemniku radijske postaje je -112 dBm statično in -103 dBm dinamično. Jakost polja pri bazni postaji je ob predpostavki, da je moč ročne postaje 2W, 48 dBuV/m, kar ustreza jakosti signala na sprejemniku bazne postaje -77,44 dBm. Minimalna potrebna jakost signala na sprejemniku bazne postaje je -115 dBm statično in -106 dBm dinamično. 7.5.4 Statistični model okumura hata za izračun jakosti radijskega signala Enačbo za izračun oddaljenosti sitokanalnih celic po modelu Okumura-Hata bomo zgolj zapisali: PC [dB ]− PI [dB ]+10 log 6 44 , 9 − 6 , 55 log( ho ) ⋅ kf(ho ) K = R ⋅ 1 + 10 7.24 Faktor ponovitve frekvence je: K a = = 1 + 10 R PC [dB ]− PI [dB ]+10 log 6 44 , 9 − 6 , 55 log( ho ) ⋅ kf (ho ) 7.25 Korekcijski faktor je odvisen o višine oddajnika ho. Izračunane vrednosti korekcijskega faktorja za višine oddajnika od 30 do 200 m so v spodnji tabeli. 170 ho 30 40 50 100 150 200 kf 0,852227764100365 0,856757507899573 0,860398210036021 0,872386161362483 0,879837579222414 0,885301144426789 ho 500 550 600 650 700 750 kf 0,903496626164524 0,905442988703863 0,907227241918513 0,908873468242477 0,910401458362902 0,911826851572845 Približek korekcijskega faktorja za območje višin od 50 do 500 m lahko izračunamo iz spodnjega polinoma. kf = 0.834011 + 0.000635264 ⋅ ho − 3.02538 *10 −6 ⋅ ho 2 + 6.84729 *10 −9 ⋅ ho 3 − 5.57511*10 −12 ⋅ ho 4 velja pri: 50m ≤ ho ≤ 500m 7.26 0,91 0,9 0,89 kf 0,88 0,87 0,86 0,85 50 100150200250300350400450500 ho Slika 7.29: Korekcijski faktor kf (črna linija) in približek korekcijskega faktorja (rdeča linija) v odvisnosti od višine oddajnika ho Pri tem se je potrebno zavedati, da je model Okumura-Hata veljaven le do višine oddajnika 200 m in do razdalje 20 km. Zato je model veljaven v razmerah, ko interferenčne celice niso oddaljene več kot 20 km. Enačba za izračun medsebojne oddaljenosti istokanalnih celic v omrežju ni tako enostavna kot enačba prejšnja. Temelji pa na veliko boljšem modelu slabljenja radijskega signala Okumura-Hata za razgibano podeželsko območje. Zato lahko pričakujemo točnejše rezultate. Enačba je bila izpeljana na podlagi modela Okumura-Hata za razgibano podeželsko območje vendar jo lahko uporabimo tudi pri modelu Okumura-Hata za urbano območje. V tem primeru lahko pričakujemo sorazmerno nižje 171 vrednosti koristnega signala in interferenčnih signalov, medtem ko se njihovo medsebojno razmerje ohranja. Primer: Predlagana idealna celična struktura omrežja temelji na predpostavljenih celicah polmera 5 km, višina vseh oddajnikov je 50 m, moč oddajnikov je 20 W. Izračunane so moči elektromagnetnega polja na višini 1,5 m, po modelu, Okumura-Hata za razgibano podeželsko območje ki temelji na enačbi: Ps = Po − 69.55 − 26.16 log( f c ) + 13.82 log(ho ) + (1.1 log( f c ) − 0.7)hs − (1.56 log( f c ) − 0.8) − (44.9 − 6.55 log(ho )) log( R) + 4.78(log( f c )) 2 − 18.33 log( f c ) + 40.94 − 10 [dB ] pri kateri je: Po - moč oddajnika (dBm) Ps - moč signala pri sprejemniku (dB) ho - višina oddajnika (m) hs - višina sprejemnika (m) d - razdalja med oddajnikom in sprejemnikom (km) fc - frekvenca oddajnika (MHz) Slika 7.30: Predpostavljena celična struktura omrežja s celicami polmera 5 km Pri izračunu je upoštevano minimalno dovoljeno razmerje (PC [dB] – PI [dB]) med koristnim signalom in šestimi motilnimi signali istokanalnih celic, ki pri TETRI znaša 19 dB. Minimalna razdalja med središčema dveh istokanalnih celic je izračunana po enačbi: 172 PC [dB ]− PI [dB ]+10 log 6 44 , 9 − 6 , 55 log( ho ) K = R ⋅ 1 + 10 ⋅ kf(ho ) = 31,65 km Rezultat presega mejo veljavnosti modela Okumura-Hata, zato je izračunana razdalja večja kot bi pričakovali! K - razdalja med središčema istokanalnih celic (km) R - polmer celice (km) PC - moč koristnega signala (dBm) PI - moč motilnega signala (dB) ho - višina oddajnika (m) kf – korekcijski faktor (/) Polinom za izračun približka korekcijskega faktorja: kf = 0.834011 + 0.000635264ho − 3.02538 *10 −6 ho + 6.84729 *10 −9 ho − 5.57511*10 −12 ho 2 3 4 velja pri: 50m ≤ ho ≤ 500m Izračun je narejen na predpostavki, da so parametri vseh celic enaki. Izračunana minimalna razdalja med istokanalnima celicama je 31,67 km. Na tej podlagi je možno določiti minimalno potrebno število dupolesnih parov v omrežju, ki ob predpostavki, da je v vsaki celici uporabljen samo en dupleksni par, znaša 13. a= K = 6,33 R Število potrebnih frekvenc oziroma velikost skupine je: a2 S= = 13,3 ⇒ S = 13 3 Omrežje s celicami polmera 5 km je predvidoma primerno za ročne radijske postaje. 173 Jakost polja na robu celice je 46,31 dBuV/m, kar ustreza jakosti signala na sprejemniku radijske postaje -79,14 dBm. Minimalna potrebna jakost signala na sprejemniku radijske postaje je -112 dBm statično in -103 dBm dinamično. Jakost polja pri bazni postaji je ob predpostavki, da je moč ročne postaje 2W, 36,31 dBuV/m, kar ustreza jakosti signala na sprejemniku bazne postaje -89,14 dBm. Minimalna potrebna jakost signala na sprejemniku bazne postaje je -115 dBm statično in -106 dBm dinamično. 7.5.5 Nekaj primerov celičnih omrežij Velikost skupine, določa število celic, v okolici opazovane celice, z različnimi frekvencami. Velikost skupine lahko zapišemo z enačbo: S = i 2 + ij + j 2 S i,j 7.27 velikost skupine najmanjši zamik med sosednjima celicama z istim naborom frekvenc Možne vrednosti velikosti skupine celic so naslednje: S ∈ {1, 3, 4, 7, 9, 12, 13, 16, 19, 21, 25, 27, 28, 31, ... } Na spodnji sliki je prikazan primer za velikost skupine S=7. Pri tem je i=2 in j=1. Slika 7.31: Primer celičnega omrežja pri S=7 174 Povezavo med faktorjem ponovitve in velikostjo skupine podaja spodnja enačba: a= K = 3⋅ S R 7.28 Primer Poglejmo si primer celičnih omrežij z velikostjo skupine S=16 in 21 Slika 7.32: Primer celičnega omrežja pri S=16 Slika 7.33: Primer celičnega omrežja pri S=21 175 7.6 Sodostop z zaseganjem zmogljivosti Zaseganje zmogljivosti prenosne je na nek način podobno časovni delitvi zmogljivosti, saj uporabnik za določen čas zasede celoten zarpoložljivi frekvenčni prostor. Pri zaseganju na osnovi žetona posamezni uporabnik prične oddajati šele, ko mu je to dovoljeno, simbolično povedano ko dobi žeton, ki kroži med vsemi uporabniki. Ko uporabnik odda svoj paket informacije mora žeton predati naslednjemu uporabniku. Naslednji paket informacije lahko odda šele ko ponovno dobi žeton, ki je med tem obšel vse uporabnike. Pri zaseganju na osnovi detekcije trkov uporabnik posluša, kaj se dogaja na prenosni poti in začne oddajati takrat, ko je ta prosta. Pri tem se lahko zgodi, da dva uporabnika pričneta z oddajo sočasno. V tem primeru pride do trka med informacijama. V primeru da pride do trkov uporabniki prenehajo oddajati. Da ne bi prišlo pri ponovnem oddajanju do ponovnega trka vsak uporabnik počaka nek naključen čas, ki je zato ker je naključen praviloma različen od uporabnika do uporabnika. Pri tej tehniki zasedanja prenosne poti, postanejo trki pri zasedenosti prenosne poti več kot 50% zelo pogosti! 7.6.1 Nekaj primerov sodostopa z zaseganjem zmogljivosti 7.6.1.1 Ethernet računalniško omrežje Med danes prevladujočimi standardi za lokalna računalniška omrežja je pri nas najbolj razširjen Ethernet. Prvotni standard za Ethernet je nastal ob sodelovanju firm Xerox, Intel in DEC, kasneje pa ga je sprejela organizacija IEEE, kot standard z oznako IEEE 802.3. Ethernet je topološko gledano vodilo in je zasnovan na protokolu CSMA/CD, ki določa način pristopa postaj do skupnega vodila, po katerem se prenaša promet med njimi in fizične značilnosti pri zaseganju vodila in prenosu. Standard IEEE 802.3 opredeljuje spodnji del drugega sloja (MAC) in fizični sloj po modelu OSI. Standard IEEE 802.3 pravzaprav opredeljuje protokol CSMA/CD, Ethernet pa je le implementacija tega protokola. Prenosna hitrost po vodilu je v večini primerov 10 Mbit/s, možno pa je tudi 100 Mbit/s. Protokol oddajanja in sprejemanja podatkovnih paketov Vodilo si delijo in zanj tekmujejo postaje v omrežju. Postopek pristopa do vodila je sestavljen iz več delov, ki se izvajajo na podsloju MAC in na fizičnem 176 sloju komunikacijskega modela OSI. Osnovni postopek je prikazan na sliki 7.32. Slika 7.34: Postopek pristopa do vodila CSMA/CD okvir V okvirju sloja podatkovne zveze (data link layer) se na podsloju MAC dokočno oblikuje paket oziroma okvir (frame), kakršen potem potuje po omrežju Ethernet. Podatkovni paket se vloži (encapsulation) v CSMA/CD okvir (včasih označen tudi kot MAC okvir). V MAC sloju se na oddajni strani tvori CSMA/CD okvir (802.3 okvir ali tudi MAC okvir). Podatkovnemu paketu se doda izvorni (source) in ciljni (destination) naslov postaje (gre za fizični naslov ustreznega omrežnega vmesnika, pogosto imenovan Ethernet naslov), prav tako pa se doda izračunano kontrolno polje za odkrivanje napak (FCS - Frame Chech Sequence). Skupna dolžina takega okvira je lahko najmanj 64 byt-ov in največ 1514 byt-ov. Spodnja omejitev je zaradi postopkov pri trkih, ki so opisani v nadaljevanju. Tak okvir pogosto imenujemo Ethernet okvir oziroma paket. Okvir potuje po omrežju še z dvemi dodatnimi polji - Preamble in Start of frame delimiter. Celotni 802.3 okvir prikazuje slika 7.33. 177 Slika 7.35: Celotni 802.3 okvir Na sprejemni strani se tak okvir “odvije” (decapsulation). Najprej se preveri kontrolno polje za odkrivanje napak in ugotovi, če je okvir sploh veljaven. Zatem se izvede še preverjanje naslova in primerjava z naslovom sprejemne strani. Če sta enaka, je okvir namenjen tej postaji, v nasprotnem primeru, pa ga postaja ignorira. Zaradi narave širjenja signala, ki predstavlja okvir, sprejmejo okvir namreč vse postaje na vodilu. Nekoliko natančneje si oglejmo še vsa polja v Ethernet okviru: Preamble (7 byt-ov) - bitni vzorec 10101010; uporablja se za sinhronizacijo pri sprejemu paketa; ta vzorec se tvori ob oddaji (na fizičnem sloju) in ob uporabljenem kodiranju povzroči pravokotni signal frekvence 10 MHz, ki traja 5,6 µs. Start of frame delimiter (Začetek okvira, 1 byt), bitni vzorec 10101011. Destination a ddress (Ciljni naslov, 2 ali 6 byt-ov, uporablja se v glavnem velikost 6 byt-ov). Source address (Izvorni naslov, 2 ali 6 byt-ov); naslov pošiljajoče postaje. Length (Dolžina podatkovnega polja, 2 byt-a). Data (Podatkovno polje, 0 do 1500 byt-ov). Pad (Zapolnitev, dolžina je razlika med številom byt-ov podatkovnega polja in 46); s pomočjo tega polja je zagotovljeno, da gre tudi pri prekratkih podatkovnih poljih v omrežje veljaven okvir, ki je skupaj z naslovnimi polji in kontrolno vsoto dolg vsaj 64 byt-ov. 178 FCS (Frame Check Sequence, Checksum, kontrola vsota, 4 byt-e); uporabljeno na sprejemni strani za odkrivanje napak pri prenosu; kontrolna vsota je izračunana na osnovi posebne funkcije preko vseh byt-ov podatkovnega polja. Nadzor pristopa do vodila Pri nadzoru pristopa do vodila potekajo nasledni postopki: • zadrževanje okvira (buffering) pri oddaji (dokler ni vse oddano) ali pri sprejemu (dokler ni sprejet celoten okvir); • oddajanje in sprejem okvira; • nadzor nad dogajanjem na vodilu (Carrier Sensing); • v primeru trka (Collision Detection) ustrezno reagiranje. Postopek oddaje okvira na vodilo je sledeč: • zaznavanje zasedenosti vodila (Carrier Sensing); • ko je vodilo prosto, zaseženje vodila in pričetek oddaje okvira; • v primeru trka (dve postaji sta zaznali prosto vodilo in hkrati začeli oddajati) izvedba posebnega postopka (t.i. backoff): • oddaja posebnega zaporedja dolžine 32 - 48 byt-ov (jam), s čimer je zagotovljeno, da vse postaje res zaznajo trk; zaporedje je omejeno na to dolžino zato, da ga sprejemne postaje ne bi slučajno prepoznale kot veljaven MAC okvir (ki je sicer dolg vsaj 64 byt-ov) • takojšna prekinitev oddajanja (da pri dolgih okvirih trk ne traja predolgo) in sprostitev vodila • ponovno pošiljanje (retransmission) čez naključen čas, ki pa z vsakim ponovnim pošiljanjem eksponentno raste. Fizični sloj Ta sloj je seveda odvisen od uprabljenega prenosnega medija. Standard za Ethernet omogoča uporabo koaksialnega kabla, parice in optičnega kabla. Pri postopku oddaje okvira se najprej tvori posebno sinhronizacijsko polje, t.i. Preamble, ki ga sprejemne postaje uporabljajo za sinhronizacijo. Zatem se na oddajni strani izvrši kodiranje (Manchester kodiranje) celotne vsebine okvira; na sprejemni strani se prejeti okvir dekodira. Oddajna in sprejemna stran vseskozi zaznavata dogajanje na vodilu (Carrier Sensing), oddajna stran pa zaznava tudi trke (Collision De tection). V primeru zasedenosti vodila ali trka se na MAC podsloju izvedejo ustrezni postopki. 179 Iz zgoraj opisanih postopkov je razvidno, da so zakasnitve v omrežju Ethernet pri veliki obremenjenosti lahko zelo velike. Pri veliki količini trkov, ki nastajajo zaradi sočasnih poskusov zasedbe vodila, čas potovanja paketa preko omrežja zaradi zakasnjene ponovne oddaje narašča. Normalna zasedenost omrežja Ethernet naj bi bila okrog 30%, pri višjih odstotkih začno odzivni časi naglo naraščati. Prav tako je pomembno poudariti, da v omrežju Ethernet pri določeni konfiguraciji, iz istih razlogov, ni možno izračunati največje možne zakasnitve. Tako je Ethernet zelo primeren za aplikacije, ki niso neobhodno vezane na omejen odzivni čas. V primeru aplikacij, ki tega dejstva ne morejo zaobiti, je potrebno uporabiti nek drug tip omrežja, denimo obroč z žetoni. Ethernet naslov Že pri oddaji in sprejemanju Ethernet okvirov smo omenjali izvorne in ciljne naslove, ki se pojavljajo v okvirih. Najpogosteje jih imenujemo Ethernet naslovi in predstavljajo fizični naslov ustreznega omrežnega vmesnika (kartice) določene postaje v omrežju. Ta naslov je po standardu 802.3 dolg 6 byt-ov. Prenosni medij za Ethernet in priključevanje postaj nanje Prvotno je bil pri Ethernetu edini uporabljeni medij za prenos koaksialni kabel, ki nastopa v dveh oblikah: debeli in tanki Ethernet. Kasneje sta bila standardizirana tudi parica in optična vlakna. Logična topologija omrežja Ethernet je sicer vodilo, glede na fizično ožičenje, pa se pojavlja tudi kot zvezda ali drevo. V postajah, ki se priključujejo v omrežje Ethernet, mora biti ustrezni vmesnik za komunikacijo z omrežjem (t.i. Ethernet kartica). Priključitev na vodilo je lahko neposredna preko ustreznega konektorja ali pa posredna, preko prenosnega kabla. 7.6.1.2 Token ring (obroč z žetonom) Obroč z žetonom (Token ring) je tip lokalnega računalniškega omrežja, ki je bolj razširjen v ZDA. Zaradi nekaterih lastnosti pa postaja zanimiv tudi v našem okolju, še posebno tam, kjer prevladuje oprema IBM. Firma IBM, kjer so prvotno različico obroča z žetonom tudi razvili in predlagali standard, je namreč kot osnovno tehnologijo za svoja lokalna omrežja izbrala prav omenjeni tip omrežja. 180 V okviru organizacije IEEE je bil leta 1985 sprejet standard z oznako 802.5, ki natančno opredeljuje obroč z žetonom kot lokalno računalniško omrežje. Logično gledano je to omrežje obroč, fizična izvedba ožičenja pa je najpogosteje zvezda. Pristop postaj do prenosnega medija je omogočen z uporabo posebnega okvira - žetona, ki kroži med postajami v omrežju. Pri obroču z žetonom sta določeni dve prenosni hitrosti - 4 in 16 Mbit/s. Protokol oddajanja in sprejemanja paketov Standard IEEE 802.5 za obroč z žetonom opredeljuje le sloj podatkovne zveze, kjer se izvajajo postopki oddaje in sprejemanja paketov in fizični sloj, kjer so določeni prenosni mediji, njihove fizične značilnosti in struktura ožičenja. V tem poglavju bom opisal obliko žetona in postopke v zvezi z zaseganjem obroča, zatem pa še obliko podatkovnega okvira. V nadaljevanju bomo opisali različne oblike obroča z žetonom, kot jih dopušča standard 802.5 in opisali posebnosti postopkov zaseganja prenosnega medija, oddaje in sprejema podatkovnih paketov. Osnovna oblika obroča z žetonom Značilnost obroča z žetonom je, da lahko naenkrat v omrežju oddaja le ena postaja, kar zagotavlja uporaba posebnega okvira (frame) - žetona, ki kroži po omrežju. Žeton (token) je dolg tri zloge, njegova oblika pa je prikazana na sliki 7.34. Spodaj navajam kratek pregled polj v podatkovnem okviru, katerih uporabo podrobneje opisujem v nadaljevanju. SD, Starting delimiter (začetek okvira, 1 zlog); AC, Access Control (polje za kontrolo dostopa, 1 zlog) - na osnovi tega polja postaje zasegajo prenosni medij in oddajajo; FC, Fr ame Co ntrol (kontrola okvira, 1 zlog) - s tem poljem je določeno podatkovno polje v okviru; podatkovno polje je lahko MAC - okvir (kontrola in vzdrževanje obroča) ali LCC - okvir (uporabnikovi podatki, podatki aplikacije, podatki za usmerjanje ipd.); 181 Destination address (ciljni naslov, 2 ali 6 zlogov) - t.i. MAC-naslov postaje, kamor pošiljamo okvir; za te naslove velja vse, kar velja za Ethernet-naslove; Source a ddress oddaja okvir; (izvorni naslov, 2 ali 6 zlogov) - MAC-naslov postaje, ki Data (podatkovno polje, 1 - 4442 zlogov pri obliki 4 Mbit/s ali 1 - 17946 zlogov pri obliki 16 Mbit/s), podatkovno polje, ki vsebuje konkretne podatke uporabnikove aplikacije ipd (LLC-okvir) ali pa podatke za kontrolo in vzdrževanje obroča (MAC-okvir); FCS, Checksum (kontrolna vsota, 4 zlogi) - kontrolna vsota; ED, Ending delimiter (konec okvira, 1 zlog); FS, Frame status (status okvira, 1 zlog) - to polje se uporablja pri nadzoru poti okvira po obroču (opisano v nadaljevanju); SD 1 Access control 1 Frame control 1 Destination address 2 ali 6 Žeton Source address 2 ali 6 SD PPP MAC ali LLC-okvir Data 1-4442 (4 Mbit/s) 1-17946 (16 Mbit/s) Access control T M FCS ED 4 1 Frame status 1 ED RRR Slika 7.36: Token ring - Okvir na drugem sloju modela OSI Postaje spremljajo promet, ki teče mimo njih. Na osnovi polja SD (Sta rting delimiter) ugotovijo, da gre za veljaven okvir. Temu zlogu sledi najpomembnejši - polje AC ( Access Control), ki služi za kontrolo dostopa do medija. Polje na osnovi bita T (T oken bi t) služi postajam za ugotavljanje, kakšen je okvir, ki potuje mimo njih - ali je to žeton (T=0) ali pa je to podatkovni okvir (T=1). Polji PPP in RRR se uporabljata pri obliki obroča z žetoni, ki pri oddajanju v omrežju upošteva tudi prednosti in rezervacije (priority schemes) in ki jih opisujem v enem od naslednjih poglavij. 182 Postaja, ki ima pripravljene podatke za oddajo, zaseže prvi žeton (bit T v polju AC postavljen na 0). Namesto običajnega postopka - oddaje žetona naprej, v tem primeru postaja spremeni bit T v 1, na osnovi česar bodo sprejemne postaje ugotovile, da to ni žeton, pač pa podatkovni okvir. Postaja vstavi celotni podatkovni paket (LLC-okvir) v okvir in ga pošlje naprej. Obroč z žetonom s predčasno sprostitvijo le-tega Pri običajnem obroču z žetonom postaja tvori nov žeton šele, ko se podatkovni okvir, ki ga je poslala, vrne po omrežju (obroču) nazaj in ko se ji izteče čas držanja žetona (THT - token holding time). Dodatek k standardu 802.5 omogoča tudi uporabo protokola, ki predvideva tvorbo novega žetona takoj zatem, ko postaja po zaseženju žetona pošlje svoj podatkovni okvir v omrežje ali neposredno po izteku njenega časa držnja žetona (THT). Ta oblika protokola se imenuje ETR (Early Token Release), uporablja pa se pri obročih s hitrostjo prenosa 16 Mbit/s. V takem primeru dejansko po omrežju lahko potuje naenkrat več podatkovnih okvirov. Programska oprema, ki izvaja omenjene postopke, je ponavadi zasnovana tako, da uporabi obliko ETR šele, ko promet v omrežju preseže neko kritično mejo (predtem se uporablja običajna oblika obroča z žetonom). Obroč z žetonom ob upoštevanju prednosti Pri opisu žetona smo v polju AC (Access Control) omenjali polji PPP (priority prednost) in RRR (reservation - rezervacija). Obe polji se uporabljata pri obroču z žetoni, kjer se pri oddajanju paketov upošteva tudi prednost. Način, ki je uporabljen, zagotavlja postajam na enakem prednostnem sloju enakovreden dostop do obroča. Vsak paket, pripravljen za oddajo, ima določeno vrednost, ki določa njegovo prednost (Pm - priority of frame) pri oddaji glede na druge postaje. Postaja, ki ima pripravljen tak paket za oddajo, sprejme podatkovni okvir, ki potuje mimo nje in primerja vrednost RRR s prednostjo pripravljenega paketa Pm. Če je prednost paketa za oddajo višja od tiste v rezervacijskem polju, potem postaja polje RRR postavi na vrednost Pm in pošlje okvir naprej. S tem si rezervira žeton, ko bo prost oziroma, ko ne bo nobena postaja medtem zahtevale rezervacije z višjo vrednostjo. V nasprotnem primeru pošlje naprej nespremenjen okvir. Ko se poslani okvir vrne do izvorne postaje (glejte opis sprejema podatkovnih paketov), le-ta tvori žeton, v katerega se vstavi v polje PPP vrednost rezervacijskega polja RRR, rezervacijsko polje pa postavi na vrednost 0. Ko postaja, ki ima prednostni paket pripravljen za oddajo, sprejme žeton, primerja 183 vrednost polja PPP v žetonu s prednostjo pripravljenega paketa (Pm). Če je slednja višja ali enaka vrednosti PPP, postaja vloži podatkovni paket v žeton in ga odda kot podatkovni okvir. Zgornji opis je precej poenostavljen, saj je protokol, ki upošteva prednost, dokaj kompleksen. Sprejem podatkovnih paketov Podatkovni paket (žeton z vstavljenimi podatki - polje T = 1) vsaka postaja sprejme, preveri ciljni naslov in v primeru, da je le ta enak naslovu te postaje, napravi lokalno kopijo paketa. V obeh primerih pošlje zatem paket naprej po omrežju (zakasnitev 1 bit). Ko se paket vrne do izvorne postaje (razen v primeru oblike obroča s predčasno sprostitvijo žetona), torej do tiste, ki ga je poslala, ga le-ta uniči in tvori nov žeton. Edinole oddajna postaja ima pravico do odstranitve podatkov in spremembe paketa nazaj v običajen žeton (postavitev polja T na vrednost 0). Postaja tvori nov žeton v primerih, ko nima ničesar več za pošiljanje ali če se ji je medtem iztekel njen čas držanja žetona (THT - Token Holding Time), ki je 10 milisekund, če ni drugače določeno. Na tem mestu omenimo še mehanizem, ki oddajni postaji omogoča ugotavljanje, kaj se je s poslanim okvirom zgodilo. Polje Frame st atus vsebuje bita A (Active) in C (Copied), ki sta v polju podvojena zaradi varnosti, saj sicer omenjeno polje ni vključeno v kontrolno vsoto FCS (Frame Check Sequence). Bita A in C predstavljata določeno obliko potrjevanja (acknowledgment) prejema. Ko pride poslani podatkovni okvir do naslovne postaje, le-ta postavi bit A na vrednost 1, kar pomeni, da je naslovna postaja aktivna. Če ta postaja tudi izvede kopiranje okvira (sprejme okvir), postavi bit C na vrednost 1. Na osnovi kombinacije bitov pošiljanja postaja ugotovi, kaj se je s podatkovnim okvirom zgodilo: A 0 1 1 C 0 0 1 naslovna postaja ni aktivna in ni sprejela okvira naslovna postaja je aktivna, vendar okvira ni sprejela naslovna postaja je aktivna in je sprejela poslani okvir Pošiljajoča postaja v primeru, da je naslovna postaja aktivna, ni pa sprejela poslanega okvira, lahko le-tega pošlje ponovno (retransmission). Postopki v primeru izgube žetona in vzdrževanje obroča 184 Pomembno je, da se žeton v omrežju ne izgubi. V ta namen standard predpisuje posebne postopke za primere, ko iz kakršnegakoli razloga (npr. električne motnje pri priključevanju postaj) žeton v omrežju izgine. V omrežju je posebna postaja - aktivni m onitor (active monitor), ki spremlja tok žetona. Postaja v primeru, da žeton izgine, tvori novega. Možno je še, da odpove tudi aktivni monitor. V takem slučaju se izvede postopek izbire novega monitorja, v katerem je izmed preostalih postaj “izvoljena” tista, ki prevzame to vlogo - zanjo so namreč sposobne vse postaje. Postaja, ki prva zazna, da v obroču ni več aktivnega monitorja, pošlje v omrežje poseben paket, t.i. Claim token, s katerim zahteva tvorbo novega monitorja. Če poslana zahteva pripotuje po obroču nazaj, ne da bi katera postaja med tem prevzela zahtevano vlogo, potem aktivni monitor postane postaja, ki je opisano zahtevo poslala. Vsi opisani postopki spadajo v okvir vzdrževanja obroča (ring maintenance). Aktivni monitor v primeru prekratkega obroča (odpoved več postaj) tvori umetne zakasnitve. Med pomembne postopke pri vzdrževanju obroča sodijo še odkrivanje izgubljenih okvirjev, (orphan frame) ki nastanejo takrat, ko neka postaja preneha delovati, še preden se je okvir, ki ga je poslala, vrnil do nje nazaj. Tak okvir zatem kroži po obroču, odstrani pa ga lahko le aktivni monitor. Omenimo še poseben okvir, imenovan Beacon, ki ga v obroč pošlje postaja, kadar ugotovi, da je ena od sosednjih postaj odpovedala. Na osnovi tega se v vozlišču izvedejo premostitve (bypass), ki okvarjeno postajo začasno izločijo iz obroča. Fizična izvedba povezav pri obroču z žetonom V nadaljevanju najprej podajamo opis konfiguracije obroča z žetonom in komunikacijskih naprav, ki se v njem uporabljajo, zatem pa razložimo kabelske razvode, dovoljene dolžine segmentov in celotno ožičenje stavb. Konfiguracija obroča z žetonom in komunikacijske naprave v njem Četudi ves čas govorimo o obroču, je fizična izvedba večine današnjih postavitev tega omrežja obroč v obliki zvezde (star-shaped r ing). Zaradi nevarnosti odpovedi posamezne postaje v obroču so namreč le-te vezane na vozlišča (wiring c enter) oziroma koncentratorje, iz katerih potekajo veje priključni kabli (lobe) do postaj (slika 1.10). V primeru izpada postaje se v vozlišču izvede ustrezna premostitev (bypass), s katero se okvarjena postaja izloči iz obroča. Pogoste konfiguracije, ki vključujejo več vozlišč, ki so povezana med seboj v fizični obroč npr. po eno vozlišče za posamezno nadstropje stavbe. Povezava 185 med vozlišči predstavlja osnovni obroč, t.i. deblo (trunk). Iz vozlišč do postaj pa segajo priključni kabli. Kot vozlišče se pojavlja koncentrator, ki ima vstopno (RI - Ring In) in izstopno (RO - Ring Out) točko za osnovni obroč in poljubno število priključenih točk (TCU ports) za veje, ki vodijo do priključenih postaj. V priključenih točkah obstajajo mehanizmi za premostitve (bypass) v primeru izpada priključene postaje. Pojavljata se dve obliki koncentratorjev: Aktivni koncertratorji obnovijo signal, ki prihaja na vstopno točko RI iz osnovnega obroča (s tem omogočijo podaljšanje celotnega obroča), medtem ko pasivni koncentratorji tega ne počno. Vloga aktivnih koncentratorjev je podobna vlogi ponavljalnikov. Slika 7.37: Osnovna konfiguracija omrežja Poleg vozlišč - koncentratorjev se za podaljševanje obroča uporabljajo ponavljalniki (repeater), ki obnovijo signal, ki prihaja vanje. Najpogosteje jih srečujemo na povezavah med koncentratorji, saj s tem povečujejo celotno dolžino osnovnega obroča. Tako aktivni koncentratorji kot ponavljalniki lahko služijo kot pretvorniki iz enega prenosnega medija v drogega (najpogosteje iz oklopljene parice v optični kabel). Pretvorniki (converter) lahko nastopajo tudi kot samostojne naprave. V veliko primerih pa se uporabljajo naprave - vozlišča (hub), ki so kombinacija opisanih naprav in vsebuje funkcije tako ponavljalka, koncentratorja kot pretvornika. Zaradi povečanja zanesljivosti delovanja se uporablja oblika obroča z žetonom, ki vključuje redundarno povezavo. Tako dobimo dvojni obroč, od katerih je eden le za primer odpovedi drugega. 186 Prenosni mediji Kot prenosni medij se pri osnovnem obroču (trunk cable) uporablja oklopljena parica (STP - shielded twisted pair), ki je tudi standardizirana, za hitrosti 4 Mbit/s pa tudi neoklopljena (UTP - unshielded twisted pair). V zadnjem času pa se vse več uporabljajo tudi optična vlakna (fiber), saj so zaradi neobčutljivosti na motnje primernejša - omogočajo tudi daljše segmente in s tem večjo dolžino osnovnega obroča. Za povezavo postaj z vozlišči preko priključnih kablov oziroma vej (lobe) se uporabljata oba tipa parice - tako oklopljen kot neoklopljena (UTP - unshielded TP). Možna je tudi priključitev postaj preko optičnega kabla. 7.7 Za konec V praksi ponavadi ne uporabljamo ene vrste sodostopa temveč jih med seboj kombiniramo. Sistemi mobilne telefonije GSM na primer uporabljajo kombiniran časovni, frekvenčni in prostorski sodostop. Tehnike zaseganja zmogljivosti so uporabljene v lokalnih računalniških omrežjih. 187 8 FIKSNE ZVEZE 8.1 Razdelitev fiksnih omrežij Omrežje povezav lahko po funkcionalnosti razdelimo na tri plasti, kot prikazuje slika 8.1. Slika 8.1: Razdelitev omrežja na tri plasti • Najvišja plast predstavlja hrbtenično omrežje, s katerimi so povezani veliki ponudniki informacij v globalnem prostoru. Te informacije potujejo po hrbteničnih optičnih omrežjih telekomov in za internet zgrajenih omrežjih izredno velikih prenosnih hitrosti. Zaradi tehnološkega napredka izredno hitro naraščajo prenosne hitrosti na obstoječih (predvsem optičnih) vodih in je teh kapacitete glede na potrebe zagotovo dovolj. • Srednjo plast tvorijo dostopovna omrežja, preko katerih so informacije iz hrbteničnega omrežja posredovane posameznim končnim uporabnikom. Sedaj do njih vodijo dejansko le žične telefonske zveze, ki niso bile načrtovane za hiter podatkovni prenos. Poleg telefonskega omrežja uporablja velik del prebivalstva tudi omrežja kabelske televizije, ki so v zadnjem času že prilagojena podatkovnemu prenosu. V bližnji prihodnosti bodo postala zelo pomembna brezžična dostopovna omrežja v frekvenčnih področjih nad 2 GHz. • Najnižjo plast predstavljajo hišna ali stanovanjska omrežja. 188 8.2 Lastnosti žičnega telekomunikacijskega voda Lastnosti žičnega telekomunikacijskega voda in njegovo prenosno zmogljivost določajo predvsem naslednji dejavniki: − Slabljenje in disperzija − Odboji − Šum, pri katerem prevladuje šum zaradi signalov v sosednjih dvovodih 8.2.1 Slabljenje Pri žičnih vodih se pojavljajo porazdeljena upornost, induktivnost, prevodnost in kapacitivnostk ji jih podajmo z vrednostjo na meter dolžine linije. To ima za posledico slabljenje signalov na linijah, ki se kaže v spreminjanju električne napetosti in toka na liniji v odvisnosti od razdalje merjene od začetka linije dolžine l na sliki 8.2. I C G L R U l Slika 8.2: Spreminjanje napetosti in toka na liniji v odvisnosti od razdalje merjene od začetka linije Zelo majhen odsek linije dolžine ∆x lahko ponazorimo z nadomestnim vezjem, ki ga prikazuje slika 8.3. L ∆x I U C ∆x R ∆x I + ∆I U+∆U G ∆x ∆x Slika 8.3: Nadomestno vezje majhnega odseka linije dolžine ∆x 189 Razliko toka, ki teče med linijama prek kondenzatorja C in prevodnosti G na kratkem odseku linije lahko zapišemo: ∆I ( x ) = −(G + jωC ) ⋅ U ( x ) ⋅ ∆x ⇒ 8.1 ∆I ( x ) = −(G + jωC ) ⋅ U ( x ) ∆x Če odsek linije limitiramo proti nič, dobimo prvo telegrafsko enačbo linije. lim ∆I ( x ) ∆x ∆x→0 ⇒ dI ( x ) dx = −(G + jωC ) ⋅ U ( x ) = −Y ⋅ U ( x ) 8.2 Padec napetosti na upornosti R in induktivnosti L na kratkem odseku linije lahko zapišemo z enačbo: ∆U ( x ) = −( R + jωL) ⋅ ( I ( x ) + ΛI ( x ) ) ⋅ ∆x ≈ − ( R + jωL) ⋅ I ( x ) ⋅ ∆x ⇒ ∆U ( x ) ∆x 8.3 = − ( R + j ωL ) ⋅ I ( x ) Ker je tok ΛI ( x ) dosti manjši od toka I ( x) ga lahko zanemarimo. Če odsek linije limitiramo proti nič, dobimo drugo telegrafsko enačbo linije: lim ∆x→0 ∆U ( x ) ∆x ⇒ dU ( x ) dx = −( R + jωL) ⋅ I ( x ) = − Z ⋅ U ( x ) 8.4 Zapišimo si skupaj obe telegrafski enačbi, ki sta diferencialni enačbi prvega reda. dI ( x ) dx = −(G + jωC ) ⋅ U ( x ) = −Y ⋅ U ( x ) 8.5 190 dU ( x ) dx = −( R + jωL) ⋅ I ( x ) = − Z ⋅ U ( x ) 8.6 Če drugo enačbo ponovno odvajamo po x in jo kombiniramo s prvo enačbo dobimo: d 2U ( x ) dx 2 = − ( R + j ωL ) ⋅ I ( x) dx = ( R + jωL) ⋅ (G + jωC ) ⋅ U ( x ) = Z ⋅ Y ⋅ U ( x ) 8.7 Dobili smo diferencialno enačbo drugega reda, ki nam pove kako se spreminja električna napetost na liniji. Splošna rešitev enačbe se glasi: U ( x ) = C1 ⋅ e Y ⋅Z ⋅ x + C2 ⋅ e − Y ⋅Z ⋅ x 8.8 C1 in C2 sta konstanti, ki ju določimo iz robnih pogojev. Na začetku linije, pri x=0, se enačba glasi: U (0) = C1 + C2 ⇒ C1 = 0 in C2 = U (0) 8.9 Vrednost eksponenta pri konstanti C1 narašča z razdaljo, to pomeni da bi se morala napetost povečevati, kar pa ne drži. Koeficient C1 torej mora biti enak nič. Nasprotno pa vrednost eksponenta pri konstanti C2 pada z razdaljo, to pomeni da se napetost z razdaljo zmanjšuje, kar pa ustreza dejanskemu stanju. Koeficient C2 torej mora biti enak U(0) to je vrednosti napetosti na začetku linije. Ko poznamo vrednosti obeh konstant, lahko zapišemo končno rešitev skupne telegrafske enačbe, ki se glasi: U ( x ) = U ( 0) ⋅ e − Y ⋅Z ⋅ x 8.10 191 Definirajmo si konstanto razširjanja signala na vodniku v Neprih/m: U (l ) 1 Piz 1 Z ⋅ U 2 (l ) 1 U (l ) 2 γ = − ln = − ln = − = − ln( ) ln( ) U ( 0) 2 Pvh 2 Z ⋅ U 2 ( 0) 2 U ( 0) 8.11 Če v enačbo vstavimo rešitev telegrafske enačbe, dobimo konstanto razširjanja na liniji: γ = − ln( U (l ) U ( 0) ) = − ln e − Y ⋅Z ⋅ x = Y ⋅Z ⋅x 8.12 Konstanto razširjanja lahko izrazimo tudi v decibelih na meter: γ ( dB / m) =8,69⋅γ ( Np / m) 8.13 Definirajmo si še karakteristično impedanco linije Z0 in fazno hitrost v, to je hitrost potovanja posameznih spektralnih komponent signala po liniji. Z0 = Z = Y ( R + j ωL ) ≈ (G + jωC ) Pri višjih frekvencah je Z0 ≈ R << jωL , 8.14 Zato se enačba poenostavi: L C Pri nižjih frekvencah, pri Z0 ≈ ( R + j ωL ) j ωC 8.15 R >> jωL pa je karakteristična enačba linije enaka: R ≈R j ωC 8.16 192 Fazna hitrost je hitrost razširjanja posameznih frekvenčnih komponent signala in je definirana z izrazom: v= ω β 8.17 Konstanta razširjanja γ enačbo: je v splošnem kompleksna, kar lahko zapišemo z γ = α + j ⋅ β = Y ⋅ Z = ( R + jωL) ⋅ (G + jωC ) = 8.18 − ω LC + jωLG + jωCR + RG 2 Pri tem je α slabljenje v (Np/m) in β je fazna konstanta v (rad/m). a. Nizkoizgubne linije pri višjih frekvencah Za začetek si poglejmo dogajanje na nizkoizgubnih linijah pri višjih frekvencah. Pri nizkoizgubnih vodih in pri visokih frekvencah velja da je R<<ωL in G<<ωC. V tem primeru lahko zadnji člen v enačbi 8.18 zanemarimo. Enačba se tako glasi: γ = − ω 2 LC + jωLG + jωCR + RG = j − ω 2 LC ⋅ 1 − ( Če sta člena ( jG jR + )≤ ωC ωL jG jR ) + ωC ωL 8.19 1, se lahko znebimo zadnjega korena v enačbi tako, da enačbo razvijemo v Taylorjevo vrsto in obdržimo samo prve dva člena: γ = jω LC ⋅ (1 − ( jG jR G ⋅ LC R ⋅ LC + )) = + + jω LC 2ωC 2ωL 2C 2L 8.20 Prvi člen enačbe 8.20 predstavlja izgube v dielektriku vodnika, drugi člen predstavlja izgube v vodniku, tretji člen pa prestavlja fazno konstanto. V večini primerov lahko izgube v dielektriku zanemarimo. Slabljenje električnih vodnikov pri višjih frekvencah se tako glasi: 193 α= G ⋅ LC R ⋅ LC R ⋅ LC R C R + ≈ = = 2C 2L 2L 2 L 2Z 0 8.21 Fazna konstanta pa se glasi: β = ω LC 8.22 Pri upornosti vodnika R je potrebno upoštevati naraščanje upornosti pri povečevanju frekvence zaradi izrivanja toka iz sredine vodnika proti plašču, ki je posledica kožnega pojava. Debelino plasti v vodniku, po kateri bo tekel tok lahko izračunamo po enačbi: δ = 1 8.23 π ⋅ µr ⋅ µ0 ⋅ σ ⋅ f Pri bakrenih vodnikih si debelino plasti lahko izračunamo po enačbi: δ = 66.7 ⋅ 10 −3 f ( m) 8.24 Upornost vodnika R ob upoštevanju kožnega pojava zaradi katerega teče električni tok pretežno po kolobarju ob plašču vodnika, se tako glasi: R= 1 2 ⋅σ ⋅π ⋅ r ⋅δ = π ⋅ µr ⋅ µ0 ⋅ σ ⋅ f = K1 f 2 ⋅σ ⋅π ⋅ r 8.25 Če vrednost za upornost R vstavimo v enačbo 8.21 dobimo: α= π ⋅ µr ⋅ µ0 ⋅ σ ⋅ f R = = K1 f 2Z 0 4 ⋅ σ ⋅ π ⋅ r ⋅ Z0 ( Np / m) 8.26 Fazno konstanto lahko zapišemo kot: β = 2 ⋅ π ⋅ f ⋅ LC = K 2 ⋅ f (rad / m) 194 8.27 Fazno hitrost lahko zapišemo kot: v= 1 c = LC (m / s) εr 8.28 Konstante v prvi enačbi združimo v skupno konstanto K1, v drugi enačbi pa v K2. Slabljenje α je premosorazmerno drugemu korenu frekvence, fazna konstanta β pa je premosorazmerna frekvenci. Vidimo, da se slabljenje povečuje s korenom frekvence, to je nelinearno. Ta model slabljenja zato imenujemo tudi f model. Po drugi strani pa je fazna konstanta linearno odvisna od frekvence. Sočasno pa vidimo, da fazna hitrost ni odvisna od frekvence. To je značilnost nedisperznih linij. b. Nizkoizgubne linije pri nižjih frekvencah Poglejmo si še dogajanje na nizkoizgubnih linijah pri nizkih frekvencah frekvencah. Pri nizkih frekvencah, če zanemarimo izgube v dielektriku, se enačba slabljenja glasi: γ = jωCR = (1 + j ) ⋅ ωCR 2 1+ j 1+ j = jωCR = (1 + j ) ⋅ ωCR 2 + j⋅ jωCR jωCR j = + ⋅ = ( 1 ) 1+ 2 j −1 (1 + j ) 2 ωCR 2 8.29 Izraz za slabljenje je enak izrazu za fazno konstanto. Slabljenje linije pri nizkih frekvencah se glasi: α= ωCR 2 = K3 ⋅ f ( Np / m) 8.30 195 Fazna konstanta linije pri nizkih frekvencah je: β= ωCR 2 = K3 ⋅ f (rad / m) 8.31 Fazno hitrost lahko zapišemo kot: v= 2 ⋅ω ω (m / s) = CR ωCR 8.32 2 Konstante v obeh enačbah združimo v skupno konstanto K3. Slabljenje, fazna konstanta in fazna hitrost sto premosorazmerni drugemu korenu frekvence. Pri nizkih frekvencah se na liniji pojavlja disperzija. Dejanski potek slabljenje in izračunani potek slabljenja po modelu vzporednih vodnikih prikazuje slika 8.4. Slika 8.4: Dejanski potek slabljenja in potek po 196 f f modelu pri dveh 8.2.2 Disperzija Disperzija je posledica razlik v fazni hitrosti v spektralnih komponent signala. Fazno hitrost pri linijah si lahko izračunamo s pomočjo izrazov 8.28 in 8.32. Neposredna posledica disperzije je časovna razpršitev signala na prenosni liniji. Pojav disperzije je izrazitejši na linijah z spremenljivim slabljenjem. Na linijah z digitalnim prenosom informacij povzroča disperzija intersimbolno interferenco. Interferenco lahko v sprejemnikih kompenziramo z izravnalnikom (equaliser). Slika 8.5: Disperzija digitalnega signala na prenosni liniji 8.2.3 Odboji Odboji so posledica sprememb karakteristične impedance linije, ki jih povzročajo različne nehomogenosti še zlasti pri spojih. Karakteristično impedanco linije si lahko izračunamo z izrazoma ___ in ___. Na sprejemniku dobimo poleg glavnega signala še različne oslabljene in zakasnjene komponente istega signala. Odboje lahko izločimo s samodejno nastavljivim sitom v sprejemniku. Slika 8.6: Odboji na liniji 197 8.2.4 Presluh Presluh med dvovodi je posledica elektromagnetnega sklopa, ki nastopa zaradi bližine različnih parov dvovodov. Presluh med pari lahko močno zmanjšamo s prepletanjem žic dvovodov. Postopek kompenzacije presluha s prepletanjem je učinkovit predvsem pri nižjih frekvencah, zato s frekvenco presluh narašča. Glede na vrsto nastanka ločimo bližnji (NEXT) in oddaljeni (FEXT) presluh. Slika 8.7: Model bližnjega in oddaljenega presluha Poleg presluha se v vodih pojavlja tudi šum drugih izvorov. 8.3 Prenosne tehnike po fiksnih vodih in stopnja učinkovitosti prenosa Dvosmerni prenos po eni liniji lahko poteka na več načinov: − Sočasno v istem frekvenčnem pasu z uporabi izločevalnikom odbojev − S časovnim multipleksom v istem frekvenčnem pasu − Sočasno v različnih frekvenčnih pasovih z frekvenčnem multipleksom 198 Slika 8.8: Prenosne tehnike po fiksnih dvovodih Stopnjo učinkovitosti prenosa določa izbira vrste modulacije. Različne modulacijske postopke prikazuje spodnja slika Slika 8.9: Modulacijski postopki 199 8.4 Fiksna telekomunikacijska omrežja Še pred nekaj leti je veljalo, da je razvitost telekomunikacij odraz ter hkrati merilo gospodarske in družbene razvitosti neke države. Danes je ravno obratno. Razvitost telekomunikacij je pogoj za vsestranski ter hiter razvoj vsakega gospodarstva, vsake družbe ter slehernega posameznika. Pravica dostopa posameznika do informacij javnega značaja je že dolgo ena temeljnih človekovih pravic in osnovni postulat informacijske družbe. Vendar ta pravica ostaja zgolj navidezna, če nimamo na voljo načinov za njeno uresničevanje. Eden od načinov so gotovo telekomunikacijska omrežja, ki s hitrim razvojem v zadnjih letih prinašajo nove možnosti. V preteklosti je nastalo več omrežij, katerih razvoj je bil pogojen s storitvijo, ki jo je zagotavljalo določeno omrežje. Tako se je razvilo telefonsko omrežje, katerega osnovna storitev je bila govorna komunikacija. Radiodifuzijsko radijsko omrežje in omrežja kabelske televizije so bila namenjena za distribucijo radiodifuzijskega signala. Slika 8.10: Rast števila uporabnikov Interneta Razvil se je internet, ki je bil namenjen izključno za podatkovne komunikacije. Radijski mobilni sistemi, kot npr. NMT in GSM, so nastali zaradi zagotavljanja mobilne govorne komunikacije, zaradi podobnih razlogov so bili razviti tudi satelitski sistemi. Energetska omrežja so zagotavljala distribucijo električne energije. Silovit razvoj tehnologije, ki je omogočil neslutene zmogljivosti ter cenenost računalniške in telekomunikacijske materialne opreme, pa danes vodi v združevanje teh omrežij. Tako danes v večini naštetih omrežjih že poteka tako govorni kot podatkovni promet. 200 Zgodovinsko gledano so prve telekomunikacijske povezave temeljile na kovinskih vodih. Te vode so vgrajevali v kable, ki so jih večinoma zakopavali v zemljo ali v mestih položili v kabelsko kanalizacijo. Kabelska omrežja so rasla, tako da imamo sedaj večino telefonskih naročnikov priključenih na omrežja kovinskih vodov. Omrežja predstavljajo ogromno vrednost in pretežni del te vrednosti je v polaganju kablov. Telefonski priključki vode zelo slabo izkoriščajo, večinoma le za prenos govornega signala širine okoli 3 kHz (govor se prenaša v frekvenčnem pasu od 300 Hz do 3400 Hz), čeprav so prenosne sposobnosti vodov znatno večje. 8.4.1 Telefonsko omrežje Ali bo v prvotni izvedbi skromna telefonska napeljava, ki je izredno vplivala na razvoj družbe v 20. stoletju, sposobna s posodobitvijo zadovoljiti komunikacijske potrebe ob začetku 3. tisočletja? Pomembno je dejstvo, da je na vsem svetu okoli 800 milijonov telefonskih priključkov. Telefonsko naročniško omrežje, ki je načrtovano za prenos govornih signalov, želimo danes uporabiti za hitri prenos digitalnih signalov s hitrostjo vsaj 1 Mbit/s. Razvoj govornih komunikacij se je začel ob koncu prejšnjega stoletja z izumom telefona. Ljudje so hitro spoznali prednosti sporazumevanja na daljavo, kar je botrovalo hitremu razvoju telefonije. Na začetku so telefone prodajali v parih in uporabniki so si morali sami potegniti žice med aparatoma. Če si se hotel pogovarjati z več ljudmi na različnih lokacijah, si moral do vsake potegniti ločeno žično povezavo. Ob hitrem naraščanju števila telefonov so mesta postala en sam velik splet žic, ki so se brez pravega reda prepletale med hišami. Kot rešitev tega problema so se začeli pojavljati preklopni centri, iz katerih so tekle povezave do vsakega uporabnika. Pri vzpostavljanju zveze je posredoval telefonist, ki je ročno povezal klicanega in klicočega. Pri tem pa se je pojavil nov problem, saj se uporabniki, priklopljeni na različne preklopne centre, med seboj niso mogli poklicati. To je pripeljalo do povezovanja preklopnih centrov najprej v krajevnem okviru in kasneje tudi medkrajevno. S tem se počasi izoblikovala hierarhična struktura povezav, ki v veliki meri velja še dandanes. Izoblikoval se je javni telefonski sistem, kakršnega poznamo danes. Največji del telefonskega omrežja in s tem tudi največjo ekonomsko vrednost predstavljajo žične povezave med naročniki in lokalno telefonsko centralo. Omrežje takšnih povezav imenujemo naročniško omrežje. 8.4.1.1 Analogni telefonski sistemi Analogna telefonska omrežja so popolnoma prilagojena prenosu govora in signal je na celotni poti med dvema uporabnikoma analogen. Zaradi lastnosti človeškega govora je lahko vsak govorni kanal v analognem omrežju omejen na 201 frekvence med 300 Hz in 3400 Hz. Čeprva lahko slišimo in govorimo z nižjimi in višjimi frekvencami, je govorna komunikacija med 300 Hz in 3400 Hz čista in efektivna za telefonsko omrežje. Govorni kanal sega od 0 Hz do 4000 Hz in s tem preprečuje prekrivanje med ostalimi govornimi kanali. 1 Slika 8.11: Govorni kanal v analognem telefonskem omrežju Na sliki 4 je prikazan govorni kanal med dvema uporabnikoma analognega telefonskega omrežja. Govorni signal se med uporabnikoma in telefonskima centralama, na kateri sta priključena, prenaša v osnovnem frekvenčnem pasu (300-3400 Hz) in se po potrebi ojačuje. Med centralami se govorni signal prenaša preko frekvenčnega sodostopa (FDM – Frequency Division Multiplex), pri čemer je vsakemu izmed njih dodeljen kanal s pasovno širino 4 kHz. Sodostopiran signal se na poti med centralami ojačuje vsakih nekaj kilometrov. V končni centrali se govorni signal desodostopira, prestavi nazaj v osnovni pas in posreduje uporabniku. Slika 8.12: Analogno telefonsko omrežje V skrajnih mejah obsega človeški govor frekvence med 80 Hz in 12 kHz, tipično pa le med 100 – 200 Hz na spodnji meji in 7 - 8 kHz na zgornji meji. Moški imajo v povprečju nižje glasove s spodnjo frekvenčno mejo 80 – 120 Hz, ženske pa višje s spodnjo mejo med 120 – 250 Hz. V govoru vse frekvence niso enakomertno zastopane, glavnina moči leži v frekvenčnem območju med 200 in 500 Hz in z višanjem frekvence gostota te moči hitro upada. Nad frekvenco okoli 4 kHz je je le še malo in ne prispeva bistveno k razumljivosti govora. 1 202 Opisani primer komunikacije je seveda zelo poenostavljen. Govorni signal med dvema uporabnikoma ima ponavadi bolj zapleteno pot, kar je razvidno iz slike 5, ki ponazarja zgradbo analognega telefonskega omrežja. Centrale so urejene hierarhično, uporabniki pa so priključeni na končne centrale, ki njihove govorne signale frekvenčno sodostopirajo in posredujejo vozelni centrali. Ta jih potem posreduje glavni in slednja tranzitni centrali. Signal od tu potuje po hierarhiji navzdol do neke druge končne centrale, ki signal desodostopira in pošlje uporabniku. Hierarhija povezav ni popolnoma toga, ampak so možne tudi prečne povezave med nižjimi hierarhičnimi nivoji, na primer med glavnimi centralami. Ker signal ostane na celi poti analogen, morajo biti tudi vsa vezja na poti analogna. To pomeni, da so vsi ojačevalniki, sodostoporji, pasovna sito in drugo analogni in v koristni signal vnašajo mnogo aditivnega šuma. Ta slaba lastnost analognih telefonskih omrežij je v veliki meri vzpodbudila uvajanje digitalnih komponent. 8.4.1.2 Prednosti digitalnih signalov pred analognimi Kadar v telekomunikacijah prenašamo signalne oblike, ki neposredno ustrezajo obliki signala (govornega, avdio, video, …), ki ga v osnovi želimo prenašati, govorimo o analognem prenosu; kadar pa prenašamo sporočilo, ki ga ne predstavlja signalna oblika, temveč je zapisano z nizom znakov (simbolov), govorimo o digitalnem prenosu. Pri analognem prenosu zelo težko definiramo zmogljivost, saj na kvaliteto vpliva pasovna širina, linearno in nelinearno popačenje, šum in slabljenje. Pri digitalnem prenosu je zmogljivost nekoliko lažje definirati. Vsako sporočilo lahko namreč zapišemo kot niz binarnih simbolov – bitov. Zmogljivost binarne poti je zato določena z maksimalnim bitnim pretokom, to je z največjim številom bitov, ki jih po prenosni poti prenesemo v eni sekundi. Čeprav so analogni signali natančnejši od digitalnih, lahko njihovo točnost le redko izkoriščamo. To pa predvsem zato, ker analogne signale le brez vpliva okolice obdelujemo, odčitavamo ali pa merimo z veliko natančnostjo. Na drugi strani pa je hiter razvoj elektronskih komponent omogočal digitalne pretvorbe, obdelave in velike kapacitete spomina za nizko ceno in na majhnem prostoru. Obdelava digitalnih signalov je enostavna, enostavno je shranjevanje in prenos je praktično brez napak. Digitalna informacija je s pomočjo uporabljenih metod praktično neobčutljiva na šum in motnje. 203 8.4.1.3 Kombinirano analogno – digitalno telefonsko omrežje Slika 8.13: Kombinirano analogno - digitalno telefonsko omrežje Zaradi prednosti digitalnih signalov so začeli v analogno telefonsko omrežje uvajati digitalne telefonske centrale. Digitalne telefonske centrale so začeli uvajati od zgoraj navzdol, ali pa so digitalizirali celotne dele omrežja, na primer na območju ene glavne centrale. Na sliki 6 je primer kombiniranega analogno – digitalnega telefonskega omrežja, v katerem so lahko uporabniki priključeni tako na analogno kot na digitalno telefonsko centralo. Del povezave med centralo in uporabnikom (dostopovno omrežje) je praviloma še vedno analogen in govorni signal uporabnika se digitalizira v prvi digitalni centrali na svoji poti. Primer govornega kanala je prikazan na sliki 7. Prenos govornega signala se na poti od uporabnika priključenega na analogno telefonsko centralo, do prve digitalne centrale, ne razlikuje od tistega v popolnoma analognem omrežju: analogni prenos, 3100 Hz pasovne širine, frekvenčni sodostop govornih kanalov. Slika 8.14: Govorni kanal v kombiniranem telefonskem omrežju Na digitalni centrali se analogni signal izloči iz frekvenčnega sodostopa, pretvori v digitalnega in v časovnem sodostopu (TDM – Time Division Multiplex) pošlje naslednji digitalni centrali. Zadnja digitalna centrala na poti iz 204 časovnega sodostopa izloči pravi govorni signal, ga pretvori nazaj v analognega in posreduje uporabniku. Uvedba digitalnih central v analogno telefonsko omrežje je za uporabnika neopazna (transparentna), vendar v veliki večini primerov močno izboljša kvaliteto prenosa govornega signala. Zaradi lastnosti digitalnega prenosa signal na digitaliziranem delu poti ne izgublja na kakovosti, kar pa ne velja za analogni del poti, kjer se signalu prišteva šum, ki ga ne moremo popolnoma izločiti in niža njegovo kakovost. 8.4.1.4 Digitalno telefonsko omrežje Pri digitalnem telefonskem omrežju nimamo več analognega prenosa in govorni signal ostaja digitalen na celotni poti: govor se namreč digitalizira že pri uporabniku samem (v telefonskem aparatu, računalniku, itd.). Pri govornih komunikacijah digitalno telefonsko omrežje še nekaj časa ne bo izpodrinilo kombiniranega analogno – telefonskega omrežja, ki je danes najbolj razširjeno. Slika 8.15: Govorni kanal v digitalnem telefonskem omrežju Na sliki 8 je prikazan govorni kanal v digitalnem telefonskem omrežju, v katerem morajo biti vse centrale digitalne in signal na celotni poti ostaja digitalen. Namesto ojačevalnikov signala imamo na delih povezav, daljših od nekaj kilometrov, obnavljalnike impluzov (regeneratorje digitalnega signala), ki verno obnavljajo digitalni signal. Govorni kanali so med centralami časovno sodostopirani. Digitalno telefonsko omrežje zagotavlja visoko kakovost govornih komunikacij in omogoča tudi mnoge druge storitve, kot je prenos podatkov. 8.4.1.5 Digitalno omrežje integriranih storitev ISDN je, po mnenju mnogih, posledica naravnega razvoja hitre digitalne komunikacijske infrastrukture. To je tehnologija, ki bo omogočila vsakemu, ki bo voljan zamenjati svojo klasično telefonsko linijo z ISDN linijo, hitrejšo vzpostavitev zveze, komunikacijo pri višjih hitrostih in prenos govora, slike in podatkov preko istega medija. Izraz ISDN izhaja iz začetnic od “Integrated Services Digital Network”. “Integrated Services” se nanaša na sposobnost podpiranja številnih aplikacij in 205 “Digital Network” pa je v zvezi z njegovimi “od-konca-do-konca” digitalnimi povezavami. V splošnem, se ISDN omrežje razširja od lokalne telefonske centrale do oddaljenega uporabnika in vključuje vse vmesne telekomunikacijske in stikalne naprave. ISDN temelji na tehnologiji, ki je bila v sedemdesetih letih razvita za prenos digitalnih storitev po obstoječi telefonski infrastrukturi, temelječi na bakrenih žičnih vodnikih, ki so bili namenjeni za prenos analognih signalov. Fizično, ISDN linija v vaši hiši ali pisarni običajno izgleda kot neoklopljena parica ali kabel, ki je lahko v primeru odsotnosti ISDN storitev, uporabljen za običajne analogne telefonske zveze. Zamenjava obstoječega bakrenega telefonskega omrežja, v izgradnjo katerega so bila v preteklosti vložena ogromna sredstva, z optičnimi vlakni je realna le v daljšem časovnem obdobju. ISDN sestoji iz dveh tipov komunikacijskih kanalov: • B kanali, ki prenašajo podatke in storitve s hitrostjo 64 Kbit/s; • D kanal, ki običajno prenaša signalizacijo in upravno izvršilne informacije, ki se uporabljajo za vzpostavitev in porušitev zveze. Hitrost prenosa po D kanalu je odvisna od tipa ISDN storitve, na katero ste naročeni. Slika 8.16: Kanali v ISDN telefonskem omrežju ISDN dostope, ki so danes na razpolago lahko razdelimo v dve kategoriji: • Osnovna kategorija dostopa - Basic Rate Interface (BRI), ki daje naročniku dostop do dveh B kanalov in 16 Kbit/s D kanala (slika 9); • Primarna kategorija dostopa - Primary Rate Interface (PRI), ki zagotavlja dostop do 23 B kanalov v Severni Ameriki in na Japonskem in 30 B kanalov v Evropi in večjem delu Azije, ter 64 Kbit/s D kanal v obeh primerih (slika 10). Slabosti osnovnega dostopa sta omejena hitrost prenosa na 2x64 kbit/s=128 kbit/s in maksimalna dolžina direktne linije od naročnika do centrale, ki ne sme presegati 8 km (pri 0,8 mm premera žice). ISDN nam omogoča veliko dopolnilnih storitev, omenimo le nekatere: • prikaz identitete kličočega (CLIP), 206 • • • • • • • • • • • • • omejitev identifikacije kličočega (CLIR), prenosljivost terminala (TP), čakajoči klic (CW), dokončanje klicanja zasedenega uporabnika (CCBS), obvestilo o ceni (AOC), prikaz identitete priključka v zvezi (COLP), omejitev identifikacije priključka v zvezi (COLR), identifikacija zlonamernega klica (MCID), konferenčna zveza, preusmerjanje klica, zavrnitev s preusmeritvijo (CD), zadržanje zveze (HOLD), zaračunavanje klicanemu (REV). ISDN nudi veliko različnih aplikacij, kot so: • udobno in računalniško podprto telefoniranje, • ekonomično povezovanje LAN omrežij s pasovno širino po želji, • učinkovit in hiter dostop do interneta, • telenakupi preko ISDN, • poslovanje podjetij preko ISDN (uprava nadzoruje zaloge artiklov,..), • video konferenca in nadzor. 8.4.1.6 Razpoložljive tehnologije za prenos podatkov v telefonskih omrežjih V začetku 70. let se je zaradi nastale potrebe prenosa podatkov med računalniki pričel razvoj modemov za podatkovni prenos v pasovni širini telefonskega kanala med 300 Hz in 3400 Hz. Prenosne hitrosti so se z izpolnjevanjem elektronike povečale več kot stokrat od 300 Hz bit/s do 33600 bit/s. Z omenjenimi modemi lahko prenašamo digitalne signale preko javnega telefonskega omrežja med telefonskimi naročniki različnih lokacij. Zadnji dosežek izpred nekaj let je modem V.90, kjer lahko preko ene analogne linije znotraj telefonskega kanala 4 kHz dosežemo proti odjemalcu prenosno hitrost do 56 kbit/s. 207 Slika 8.17: Prenos podatkov Računalnik ali kakšna druga naprava priključena na osnovno ISDN linijo prenaša podatke v njihovi prvotni oblik in pri tem lahko doseže hitrost 128 kbit/s, če za prenos podatkov zasede oba B kanala. Slika 8.18: Shema delovanja Siol ADSL Velik napredek pri uporabi naročniških vodov za prenos digitalnih signalov velikih hitrosti je posledica ogromnega napredka digitalne obdelave podatkov, ki omogoča zelo zapletene postopke modulacije in detekcije signalov, izločanje odbojev na liniji, zelo izpopolnjeno ločitev prenosa signalov v obe smeri na paru kovinskih žic telefonske linije… Eden takih sistemov je tudi ADSL (Asymetric Digital Subscriber Line) s hitrostjo do 8 Mbit/s k naročniku in do 0,8 Mbit/s k ponudniku. Uporabnik ADSL ima vedno na razpolago osnovni telefonski 208 priključek in neprekinjeno zvezo s strežnikom interneta. Na sliki 15 je trenutna shema delovanja Siol ADSL omrežja: • na DSLAM v telefonski centrali so priključene vse ADSL povezave, • obstoječi bakreni par sta dve žički, ki vodita od našega stanovanja do telefonske centrale, • razcepek znotraj stanovanja razdeli frekvenčno območje na dva dela: za ISDN in za ADSl, 8.4.2 Omrežje kabelske televizije Hiter razvoj televizijskih kabelskih omrežij v 90. letih je spodbudila želja televizijskih gledalcev po širšem izboru programov TV, ki bi presegli lokalni in nacionalni značaj. Na ta omrežja še do pred nekaj leti ni nihče ni resno računal, čemur pa danes ni več tako. Ta obsežna infrastruktura se je izkazala kot primerna osnova za širokopasovni dostop do interneta. Zagotavljala je dovolj pasovne širine, edina pomanjkljivost je bila le v enosmerni komunikaciji od ponudnikov programov proti naročnikom. Slika 8.19: Dopolnitev kabelska omrežja iz enosmernega v dvosmerni sistem Slika 8.20: Povezovanje kabelskega omrežja 209 Za dostop do interneta potrebujemo dvosmerne povezave med strežnikom v glavni postaji in naročniki. Dvosmerno kabelsko omrežje omogoča širokopasovni prenos velikosti od 10 do 40 Mbit/s do naročnikov in nazaj z nižjo hitrostjo približno med 1 in 10 Mbit/s. Za prenos do uporabnikov je izbran TV kanal v frekvenčnem območju 50 – 570 MHz, za povratni kanal pa je izbran po frekvenci nižje ležeči TV kanal (5 – 45 MHz). Omenjene hitrosti niso na razpolago le enemu naročniku temveč vsem naročnikom, ki so povezani na posamezen kabelski krak omrežja. To število obsega od 600 do 2000 naročnikov. Ker si delijo prenosno pot, bodo v času večjega prometa lahko posamezni naročniki razpolagali z zmanjšano hitrostjo prenosa. Zmanjševanje hitrosti naročniku mora biti nadzorovano, tako da se razpoložljiva pasovna širina enakomerno deli med naročniki. Tudi v času velikega prometa lahko uporabniki dosegajo prenosne hitrosti okrog 1Mbit/s, kar je popolnoma zadovoljivo. 8.4.3 Energetsko omrežje Pri medmestnih povezavah za internet bodo kot konkurenti telekomom nastopala elektrogospodarska in železniška podjetja s svojimi obsežnimi in zmogljivimi optičnimi omrežji, prvi na daljnovodih in drugi ob železniških progah. Za dostop do hišnih vrat pa imajo možnosti le distribucijska elektrogospodarska podjetja. Slika 8.21: Omrežje elektrogospodarstev za dostop do interneta Do transformatorskih postaj bodo morali napeljati optične vodnike, od tam naprej pa obstoja žično omrežje sorazmerno kratkih razdalj, ki je za silo uporabno kot dostopovno omrežje. Obstajajo že rešitve za prenos s hitrostjo 2 Mb/s. 210 9 RADIJSKE ZVEZE 9.1 Brezžične prenosne poti Brezžična prenosna pot je za razliko od žične prenosne poti precej neprijazna za prenos signalov. To še zlasti velja pri mobilnih radijskih zvezah, ko se uporabnik in / ali okolica gibljeta. Pri tem prihaja do stalnega spreminjanja prenosne poti. Poleg tega pa se signali običajno vedno širijo sočasno tudi po različnih prenosnih poteh. Na poti širjena signalov prihaja do slabljenja, odbojev, lomov sipanja in drugo. Osnovna teorija za opis brezžičnih prenosnih poti temelji na eni strani na teoriji elektromagnetnega valovanja, ki ima za osnovo Maxwell-ove diferencialne enačbe, na drugi strani pa zaradi velikega števila nedoločenih dejavnikov na statistični teoriji. 9.2 Zgodovina radijskih zvez Clerk James Maxwell je leta 1873 združil do tedaj ločene teorije s področja elektrostatike, magnetostatike, elektrodinamike in magnetodinamike v enotno elektromagnetno teorijo. Pri tem je upošteval dela svojih predhodnikov Gaussa, Ampera in Faradya in v štirih med seboj povezanih diferencialnih enačbah postavil temelje elektromagnetne teorije. Enačbe so v strokovni javnosti poznane kot Maxwellove diferencialne enačbe. rot H (r , t ) = ∂ D(r , t ) + j (r , t ) ∂t rot E (r , t ) = − ∂ B(r , t ) ∂t 9.1 div B(r , t ) = 0 div D(r , t ) = ρ (r , t ) 211 E (r , t ) vektor električne polske jakosti (V/m) H (r , t ) vektor magnetne polske jakosti (A/m) D(r , t ) vektor gostote električnega polja (Culomb/m3) B (r , t ) vektor gostote magnetnega polja (T) ρ električni naboj (Culomb) Maxwellove enačbe na prvi pogled izgledajo zapletene, vendar so le matematični zapis preprostih fizikalnih pojavov. Posamezne enačbe tako lahko opišemo z besedami: Prva Maxwellova enačba: »Vrtinec magnetne p oljske j akosti je p osledica gostote konduktivnega, konvektivnega ali poljskega električnega toka« (Enačba izhaja iz Amperovega zakona) = Vrtinec magnetne poljske jakosti + Gostota konduktivnega ali konvektivnega toka Gostota poljskega toka Druga Maxwellova enačba: »Vrtinec električne poljske j akosti je posledica spreminjanja gostote m agnetnega p olja« (Enačba izhaja iz Faradayovega zakona) = Vrtinec električne poljske jakosti Spreminjanje gostote magnetnega polja 212 Tretja Maxwellova enačba: »Silnice gostote magnetnega polja nimajo izvora« (Enačba izhaja iz Gaussovega zakona) 0 = Izvor silnic gostote magnetnega polja Ni izvora Četrta Maxwellova enačba: »Silnice gos tote električnega polja izvirajo i z električnega naboja« (Enačba izhaja iz Gaussovega zakona) = Izvor silnic gostote električnega polja Naboj Na podlagi Maxwellovih enačb je bilo mogoče predpostaviti obstoj elektomagnetnega valovanja (enačba 9.2), ki predstavlja fizikalni temelj radijskih zvez. ∂ E (r , t ) 2 2 = c div E (r , t ) 2 ∂t 2 9.2 Slika 9.1: Elektromagnetni val 213 Leta 1888 je Heinrich Rudolf Hertz z eksperimentom dokazal dejanski obstoj elektromagnetnih valov. S tem je bila potrjena teorija eletromagnetnega valovanja, ki je temeljila na Maxwellovih enačbah. Leta 1893 je Nikola Tesla prvi demonstriral brezžičnega prenosa signalov. Leta 1897 pa je prvi prijavil patent sistema za radijski prenos signalov. Patent je bil v Združenih državah Amerike prijavljen pod številko 645576. Leta 1901 je Gugliemo Marconi demonstriral prvi brezžični prenos radijskega signala prek Atlantika. Pri tem je uporabil radijski sistem, ki je temeljil na predhodnjih odkritjih Nikole Tesle. Vse do leta 1943 je sledil spor med Nikolo Teslo in Gugliemom Marconijem o tem, kdo je dejanski izumitelj radija. Leta 1943 je Ameriško vrhovno sodišče razveljavilo Marconijev patent, saj po mnenju sodišča ni vseboval nič novega, kar pred tem ne bi bilo vsebovano v patentu Nikole Tesle iz leta 1897. S tem je bil največji genij na področju elektrotehnike Nikola Tesla, dokončno razglašen za izumitelja in pionirja na področju radija. Maxwell Faraday Ampere Gauss Hertz Marconi 214 Slika 9.2: Nikola Tesla in prvi patent sistema za prenos radijskih signalov 215 9.3. Slabljenje signala na poti od oddajnika do sprejemnika Moč signala na poti od oddajnika do sprejemnika se spreminja in ima tendenco upadanja. Spreminjanje moči je posledica pojavov slabljenja, odbojev, lomov in sipanja na poti potovanja signala. V splošnem lahko vzroke spreminjanja moči signala na poti razdelimo v tri skupine: − Izgube na prenosni poti (path loss) − Senčenje (shadowing) − Presih (feding) 9.4 Izgube na prenosni poti 9.4.1 Izgube v praznem prostoru Predpostavimo, da imamo v praznem in neomejenem prostoru kot vir valovanja točkasto anteno, ki jo imenujemo tudi izotropna antena. Smer razširjanja Slika 9.3: Točkasta antena v praznem in neomejenem prostoru Moč na namišljenem plašču krogle na oddaljenosti d od točkaste antene lahko zapišemo z enačbo: Pa = Pt 4 ⋅π ⋅ d 2 (W / m 2 ) 9.3 Slika 9.4: Moč pada s kvadratom razdalje 216 Pt = Moč na oddajni točkasti anteni 2 4πd = Površina krogle z radiem d Moč na sprejemni anteni, ki je na plašču namišljene krogle lahko zapišemo z enačbo: Pr = Ae ⋅ Pa (W ) 9.4 Ae = Efektivna površina sprejemne antene Efektivno površino točkaste antene lahko zapišemo z enačbo: λ2 Ae = (m 2 ) 4 ⋅π 9.5 S pomočjo zgornjih enačb lahko zapišemo enačbo moči na sprejemni anteni v odvisnosti od moči oddajne antene: Pr = Ae ⋅ Pa = Ae ⋅ Pt 4 ⋅π ⋅ d 2 = Pt ⋅ λ2 (4 ⋅ π ⋅ d ) 2 (W ) 9.6 V zgornji enačbi sta predpostavljeni točkasti anteni , ki imata dobitek 1 oziroma 0 dB. Če predpostavimo, da imata točkasti anteni dobitek, ki je večji od 1 dobimo enačbo: Pr = Gt ⋅ Gr ⋅ Pt ⋅ λ2 (4 ⋅ π ⋅ d ) 2 (W ) 9.7 Gt = dobitek oddajne antene Gr = dobitek sprejemne antene Če upoštevamo povezavo med valovno dolžino in frekvenco signala: C = f ⋅λ 9.8 Dobimo enačbo, v kateri je namesto valovne dolžine frekvenca: Pr = Gt ⋅ Gr ⋅ Pt ⋅ C 2 (4 ⋅ π ⋅ d ⋅ f ) 2 (W ) 9.9 217 c = 2,99792458 ·10 8 m / s , svetlobna hitrost! Zgornjo enačbo lahko poenostavljeno zapišemo z enačbo: Pr = Pt (W ) a 9.10 a = slabljenje v praznem prostoru ! Slabljenje v praznem in neomejenem prostoru je: 2 (4 ⋅ π ⋅ d ⋅ f ) 2 (4 ⋅ π ⋅ d ( km) ⋅ 1000 ⋅ f ( MHz ) ⋅ 1000000) = a= Gt ⋅ Gr ⋅ C 2 Gt ⋅ Gr ⋅ C 2 9.11 Slabljenje ponavadi izrazimo v decibelih. Izraz za slabljenje v praznem in neomejenem prostoru v decibelih se glasi: a( dB ) = 32.44 + 20 ⋅ log d ( km) + 20 ⋅ log f ( MHz ) − 10 ⋅ log Gt − 10 ⋅ log Gr 9.12 Moč signala pri sprejemniku v decibelih izračunamo po enačbi: Pr ( dB )= Pt ( dB ) − a( dB ) = Pt ( dB ) − 32.44 − 20 ⋅ log d ( km) − 20 ⋅ log f ( MHz ) + 9.13 + 10 ⋅ log Gt + 10 ⋅ log Gr Enačba 9.12 je relativno enostavna. Ne gre pa spregledati omejitev pri katerih velja: − Sprejemna in oddajna antena morata biti točkasti. − Prostor razširjanja radijskega vala mora biti prazen in neomejen Kljub temu, da v praksi točkaste antene ne obstajajo, lahko vsako anteno obravnavamo kot točkasto, če jo le opazujemo iz primerno velike razdalje. V naravi tudi ni praznega in neomejenega prostora, se pa temu kriteriju najbolj približa vesolje. Zaključimo lahko, da je enačba primerna za izračun moči na sprejemni anteni na večji razdalji od oddajne antene v vesolju. 218 9.4.2 Izgube na ravninskih območjih (dvo-žarkovni model) Predpostavimo, da imamo na ravninskem območju dve točkasti anteni. Prva oddajna je na višini hb in druga sprejemna na višini hm od terena. Razdalja med obema antenama naj bo d. Slika 9.5: Oddajna in sprejemna antena v ravninskem območju V tem primeru prideta do sprejemne antene dva radijska valova. Neposredni val, ki potuje po poti dd in odbiti val, ki potuje po poti dr. Pot neposrednega vala lahko zapišemo z enačbo: d d = d + (hb − hm ) = d ⋅ 1 + 2 2 (hb − hm ) 2 d2 9.14 Pot odbitega vala lahko zapišemo z enačbo: (hb + hm ) 2 d r = d + (hb + hm ) = d ⋅ 1 + d2 2 2 9.15 V primeru, da je d >> hb in hm lahko zgornji enačbi razstavimo v Taylorjevo vrsto, s čimer se znebimo korenov. Pri d >> hb in hm zadostuje, da upoštevamo samo prvi člen Taylorjeve vrste. Pri tem se poenostavljeni enačbi glasita: 1 h −h d d ≈ d ⋅ (1 + ⋅ ( b m ) 2 ) 2 d 9.16 1 hb + hm 2 ⋅( ) ) 2 d 9.17 d r ≈ d ⋅ (1 + 219 Razliko obeh poti zapišemo z enačbo: hb 2 + 2 ⋅ hb ⋅ hm + hm 2 − hb 2 + 2 ⋅ hb ⋅ hm − hm 2 2 ⋅ hb ⋅ hm ∆d = d r − d d = = 9.18 d 2⋅d Iz poznane razlike poti neposrednega in odbitega vala lahko izračunamo fazno razliko med obema valovoma na sprejemni anteni. ∆Φ = 2 ⋅π ⋅ ∆d = λ 4 ⋅ π ⋅ hb ⋅ hm λ ⋅d 9.19 Slika 9.6: Fazna razlika med neposrednim in odbitim valom na sprejemni anteni Pri izračunu moči na sprejemni anteni moramo upoštevati tako neposredni kot tudi odbiti val. V primeru popolnega odboja lahko zapišemo moč na sprejemni anteni z enačbo: Pr = Pt⋅ ⋅ Gt ⋅ Gr ⋅ λ2 (4 ⋅ π ⋅ d ) 2 ⋅ 1 − e j⋅∆Φ 2 9.20 Poenostavimo najprej drugi del enačbe: 1 − e j ⋅∆Φ = 1 − cos(∆Φ) − j ⋅ sin(∆Φ) 9.21 2 1 − e j ⋅∆Φ = (1 − cos(∆Φ))2 + (sin(∆Φ))2 ⇒ 220 pri: (sin(∆Φ)) 2 + (cos(∆Φ)) 2 = 1 ⇒ (sin(∆Φ)) 2 = 1 − (cos(∆Φ)) 2 ⇒ 1 − 2 ⋅ cos(∆Φ) + (cos(∆Φ)) 2 + 1 − (cos(∆Φ)) 2 = 2(1 − cos(∆Φ)) ⇒ 1 2 Pri: (sin(∆Φ)) 2 = ⋅ (1 − cos(2 ⋅ ∆Φ)) ⇒ 4 ⋅ (sin( ∆Φ 2 )) 2 9.22 Moč na sprejemni anteni lahko zapišemo z enačbo: Pr = Pt⋅ ⋅ Gt ⋅ Gr ⋅ λ2 (4 ⋅ π ⋅ d ) 2 ⋅ 4 ⋅ (sin( ∆Φ 2 )) 2 9.23 Pri majhnih kotih ∆Φ < 1 velja: sin(∆Φ) = ∆Φ oziroma (sin(∆Φ)) 2 = ∆Φ 2 Gt ⋅ Gr ⋅ λ2 Gt ⋅ Gr ⋅ λ2 4 ⋅ π ⋅ hb ⋅ hm 2 ∆Φ 2 Pr = Pt⋅ ⋅ 4 ( ) P 4 ( ) ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ t 2 2⋅λ ⋅d (4 ⋅ π ⋅ d ) 2 (4 ⋅ π ⋅ d ) 2 Pr = Pt⋅ ⋅ Gt ⋅ Gr ⋅ ( hb ⋅ hm d 2 )2 ravninski model 9.24 Moč na sprejemni anteni je odvisna od dobitka obeh anten, kvadrata višine obeh anten in pada s četrto potenco razdalje Zgornjo enačbo lahko poenostavljeno zapišemo z enačbo: Pr = Pt (W ) a 9.25 a = slabljenje v prostoru ! a= d4 9.26 Gt ⋅ Gr ⋅ hb 2 ⋅ hm 2 221 Slabljenje v prostoru ponavadi izrazimo v decibelih a( dB ) = 120 + 40 ⋅ log d ( km) − 20 ⋅ log hb ( m) − 20 ⋅ log hm ( m) − 10 ⋅ log Gt − 10 ⋅ log Gr Moč signala pri sprejemniku v decibelih izračunamo po enačbi: 9.27 Pr ( dB )= Pt ( dB ) − a( dB ) = Pt ( dB ) − 120 − 40 ⋅ log d ( km) + 20 ⋅ log hb ( m ) + 20 ⋅ log hm ( m ) + + 10 ⋅ log Gt + 10 ⋅ log Gr 9.28 Vidimo da moč signala pada s 40dB/dec razdalje oziroma s četrto potenco razdalje, kar je bilo potrjeno tudi z meritvami na terenu. Z meritvami je bilo tudi potrjeno, da moč signala narašča z 20dB/dec višine oddajne antene oziroma s kvadratom višine oddajne antene. Enačba kaže, da moč signala narašča z 20dB/dec višine sprejemne antene oziroma s kvadratom višine sprejemne antene, kar pa so meritve na terenu ovrgle! V praksi se pokaže, da z višino sprejemne antene moč narašča manj kot kaže enačba. Glavna pomanjkljivost enačbe pa je, da ne upošteva frekvence. V praksi se pokaže, da je moč odvisna od frekvence. Pr ∝ f − n pri 2 ≤ n ≤ 3 Enačba velja pri večjih oddaljenostih med obema antenama, ko sta vpadni in odbojni kot odbitega vala majhna in ko obe anteni lahko smatramo za točkasti. Slika 9.7: Padanje moči signala v odvisnosti od oddaljenosti 222 9.4.2.1 Egli model za izračun izgub na ravninskih območjih Enačba Egli modela za izračun izgub na ravninskih območjih odpravlja glavno pomanjkljivost prejšnje enačbe 9.26, s tem ko upošteva odvisnost slabljenja od frekvence. Vidimo, da je slabljenje linearno odvisno od frekvence. d4 ⋅ f a= 2 2 Gt ⋅ Gr ⋅ hb ⋅ hm ⋅1600 9.29 Slabljenje izraženo v decibelih a( dB ) = 148 + 40 ⋅ log d ( km ) + 10 ⋅ log f ( MHz ) − 20 ⋅ log hb ( m ) − 20 ⋅ log hm ( m ) − 10 ⋅ log Gt − 10 ⋅ log Gr 9.30 Moč signala pri sprejemniku v decibelih izračunamo po enačbi: Pr ( dB )= Pt ( dB ) − a( dB ) = Pt ( dB ) − 148 − 40 ⋅ log d ( km ) − 10 ⋅ log f ( MHz ) + 20 ⋅ log hb ( m ) + 20 ⋅ log hm ( m ) + + 10 ⋅ log Gt + 10 ⋅ log Gr 9.31 9.4.2.2 Okumura-Hata model za izračun izgub na ravninskih območjih Enačba modela Okumura-Hata za razliko od za razliko od prejšnjih analitičnih enačb temelji na statističnih podatkih pridobljenih s pomočjo meritev na terenu. Enačbe zato ne moremo izpeljali temveč jo bomo le zapisali: Pr ( dB ) = Pt ( dB ) − 69.55 − 26.16 log( f ( MHz ) ) + 13.82 log(hb ( m ) ) + (1.1 log( f ( MHz ) ) − 0.7)hm ( m ) − − (1.56 log( f ( MHz ) ) − 0.8) − (44.9 − 6.55 log(hb ( m ) )) log(d ( km ) ) + 4.78(log( f ( MHz ) )) 2 − − 18.33 log( f ( MHz ) ) + 40.94 − 10 9.32 a( dB ) = 69.55 + 26.16 log( f ( MHz ) ) − 13.82 log(hb ( m ) ) − (1.1log( f ( MHz ) ) − 0.7)hm ( m ) + + (1.56 log( f ( MHz ) ) − 0.8) + (44.9 − 6.55 log(hb ( m ) )) log(d ( km ) ) − 4.78(log( f ( MHz ) )) 2 + + 18.33 log( f ( MHz ) ) − 40.94 + 10 9.33 223 Model Okumura-Hata je veljaven v območju: 30 ≤ hb ≤ 200 m 1 ≤ hm ≤ 10 m 150 ≤ f ≤ 1500 MHz Zaradi opisanih omejitev in pomanjkljivosti sta enačbi 9.26 in 9.29 primerni le za enostavne in grobe izračune. Za natančnejše izračune pa je bolje uporabiti enačbo modela Okumura-Hata. Za lažji izračun slabljenja na ravninskih območjih lahko uporabimo program Kalkulator Radio (gtk.hopto.org). Poglejmo si primer radijske zveze med oddajnikom na Krimu in sprejemnikom na Krvavcu. Slika 9.8: Direktni in odbiti val 224 Slika 9.9: Ovira med oddajnikom in sprejemnikom Podatki o radijski zvezi Krim oddajnik Krvavec sprejemnik geografska širina 45 55 40,73 N 46 18 19,30 N geografska dolžina 14 28 24,09 E 14 32 30,37 E 1051,2042 + 10 1731,1479 + 10 azimut (°) 7,16° 187,21° frekvenca (MHz) 150,0 150,0 1 1 višina (m) dobitek antene (dB) razdalja (km) 42,27 Izgube v praznem prostoru (dB) * 104,21 Izgube po ravninskem modelu (dB) 59,7 Izgube po modelu Okumura (dB) 48,6 Odboji Razd. od oddajnika Faza ∆Ф slabljenje 1. točka odboja 14,82 km 153,29° +2,77 dB 2. točka odboja 14,85 km 345,52° -14,98 dB 3. točka odboja 14,88 km 92,81° +0,21 dB * Izgube v praznem prostoru, predstavljajo izgube ki bi bile med oddajnikom in sprejemnikom če bi bila ta nameščena v praznem prostoru! Poleg omenjenih modelov za izračun slabljenja radijskega signala obstajajo še mnogi drugi, od katerih naj omenim le modela Longley-Rice in Bullington. Vsak ima svoje prednosti in slabosti. Poleg priporočil kdaj uporabiti katerega od modelov so zelo pomembne tudi izkušnje, saj so si območja po svetu precej različna, kar velja tako za urbane kot tudi ruralne predele. 225 9.4.3 Izgube v notranjosti stavb V notranjosti stavb se pogoji za razširjanje radijskega signala ponavadi zelo spreminjajo. K temu največ prispevajo ljudje, ki se gibljejo v stavbi in dejstvo katera vrata prostorov so trenutno odprta in katera zaprta, pa tudi drugo. Slika 9.10: Ovire na poti signala v notranjosti stavb Poleg glavnega vala na posameznih mestih v prostoru se pojavlja še cela množica odbitih valov različnih amplitud in faz. Modra črta na sliki 9.11 kaže primer spreminjanja moči polja v posameznih točkah v odvisnosti od oddaljenosti od oddajnika v prostoru. Črna črta kaže srednjo vrednost moči signala. Slika 9.11: Nihanje moči signala v oddaljenosti od oddajnika Ker pa se razmere v prostoru ponavadi zelo spreminjajo, to povzroča tudi precej močan hiter presih signala (glej poglavje 9.6). Takšno okolje praktično ne moremo natančno analitično opisati, zato si tudi pri izračunu pokritosti z radijskim signalom ne moremo pomagati z analitičnimi modeli. Namesto tega raje uporabimo čiste statistične ali kombinirane statistično analitične modele. Ti nam kot rezultat dajo izračun moči radijskega signala v posameznih točkah prostora (slika 9.11). Pri tem upoštevamo padanje moči signala z oddaljenostjo, število in vrsto sten prek katerih potuje signal in drugo. 226 Slika 9.12: Izračunana moč signala v posameznih točkah prostora 9.4.3.1 ITU model za izračun izgub v notranjosti stavb Po ITU modelu je mogoče izračunati izgube v notranjosti stavb, v odvisnosti od oddaljenosti od oddajnika, frekvence oddajnika ter izgub v stenah in nadstropjih. Model je uporaben v frekvenčnem območju od 900 MHz do 5,2 GHz. a( dB ) = 20 log( f ) + N log(d ) + a f (n) − 28 9.34 a(dB ) = izgube v notranjosti stavbe (dB). f = frekvenca (MHz). d = oddaljenost (m). N = izgubni koeficient n = število nadstropij med oddajnikom in sprejemnikom a f (n) = faktor izgube signala med nadstropji. Izgubni koeficient N je vrednost, ki izraža izgube signala v nadstropju. Ta koeficient je empiričen. Posamezne vrednosti koeficienta so prikazane v spodnji tabeli. frekvenca 900 MHz bivalno okolje / pisarne 33 industrijsko okolje 20 1.2 GHz / 32 22 1.3 GHz / 32 22 1.8 GHz 28 30 22 4 GHz / 28 22 5.2 GHz / 31 / Tabela 9.1: Izgubni koeficient N 227 Faktor izgube signala med nadstropji je odvisen od števila nadstropij skozi katera potuje signal. Posamezne vrednosti faktorja so prikazane v spodnji tabeli. frekvenca 900 MHz nadstropja 1 bivalno okolje / pisarne 9 industrijsko okolje / 900 MHz 2 / 19 / 900MHz 3 / 24 / 1.8 GHz n 4n 15+4(n-1) 6 + 3(n-1) 2.0 GHz n 4n 15+4(n-1) 6 + 3(n-1) 5.2 GHz 1 / 16 / Tabela 9.2: Faktor izgube signala med nadstropji 9.4.4 Splošni model za izračun izgub Vse do sedaj predstavljene modele lahko v splošnem zapišemo s sledečo enačbo: d Pr (d )( dB )= Pr (d0 )( dB ) − 10 ⋅ n ⋅ log d0 Pr (d0 )( dB ) 9.35 = moč signala na razdalji d0 (dB) n = eksponent izgube na poti signala Vrednosti eksponenta izgub na poti signala za tipične vrste okolja so podane v spodnji tabeli: Okolje Prazen prostor Urbana okolja Urbana okolja s senčenjem Hodniki stavb pri vidni razdalji do oddajnika Notranjosti stavb s senčenjem Večje hale Eksponent izgube na poti signala 2 2,7 do 3,5 3 do 5 1,6 do 1,8 4 do 6 2 do 3 Tabela 9.3: Eksponent izgub na poti signala n Potrebno je poudariti, da splošni model že upošteva izgube zaradi senčenja, ki so opisane pod točko 9.5. 228 9.5 Izgube zaradi senčenja O senčenju govorimo takrat, ko je med oddajnikom in sprejemnikom ovira. Ta lahko delno ali v celoti zakriva njuno medsebojno vidno polje in tako povzroča dodatno slabljenje radijskega signala na njegovi poti. Pri izračunu radijske zveze moramo zato k osnovnim slabljenjem (slabljenju v praznem prostoru ali slabljenju v ravninskih območjih) prišteti še slabljenja zaradi senčenja in druga slabljenja (slabljenje zaradi vegetacije, položaja radijske postaje in drugo). Slika 9.13: Ovira med oddajnikom in sprejemnikom Slika 9.14: Ovira med oddajnikom in sprejemnikom V nadaljevanju se osredotočimo zgolj na ozke koničaste ovire. Iz položaja oddajnika in sprejemnika ter višine koničaste ovire si izračunajmo normalizirani parameter senčenja, ki ga podaja spodnja enačba: 229 v = h⋅ 2 ⋅ f d1 + d 2 ⋅ c d1 ⋅ d 2 9.36 h = višina koničaste ovire nad linijo ki povezuje oddajnik in sprejemnik (m) f = frekvenca (Hz) c = svetlobna hitrost, 3⋅108 m/s d1 = razdalja med oddajnikom in oviro (m) d2 = razdalja med oviro in sprejemnikom (m) Slabljenje ovire lahko izračunamo po spodnjih enačbah. Od vrednosti v je odvisno, katero enačbo bomo uporabili: a ( dB ) = 0 pri − 0.8 > v a( dB ) = 6.02 + 9.0 ⋅ v + 1.65 ⋅ v 2 pri − 0.8 ≤ v < 0 a( dB ) = 6.02 + 9.11⋅ v − 1.27 ⋅ v 2 pri 0 ≤ v < 2.4 a( dB ) = 13 + 20 ⋅ log(v) pri v ≥ 2.4 9.37 V primeru, ko se linija med oddajno in sprejemno anteno dotika ovire, je višina koničaste ovire nad linijo ki povezuje oddajnik in sprejemnik h = 0 . Slika 9.15: Linija med oddajnikom in sprejemnikom se dotika ovire Slabljenje zaradi senčenja si izračunamo po enačbi 9.31 in v tem primeru znaša 6.02 dB. Rezultat je na prvi pogled nekoliko presenetljiv, saj bi pričakovali, da 230 bo slabljenje enako 0 dB. Razlog leži v dejstvu, da se energije med oddajnikom in sprejemnikom ne prenaša izključno po liniji, ki ju povezuje, temveč v širšem prostoru okoli te linije. Slabljenje se torej pojavi takoj, ko ovira poseže v ta prostor. Prostor razdelimo v tako imenovane Fressnelove cone. Te si lahko predstavljamo kot elipsoide, ki se razprostirajo med oddajnikom in sprejemnikom. Slika 9.16: Prostorski prikaz ene Fressnelove cone Prerez prvih treh Fressnelovih con je na sliki 9.15 predstavljen z elipso. Fressnelove cone označujemo z zaporednimi številkami od prve najožje, naprej. V praksi je zaželeno, da je prva Fressnelova cona, v kateri se prenaša največ energije v celoti prosta, medtem ko so ostale lahko zasenčene. Pri večjih oddaljenostih med oddajno in sprejemno anteno je potrebno pri višini ovire upoštevati korekcijski faktor zaradi ukrivljenosti zemlje. Korekcijski faktor izračunamo po spodnji enačbi: d ⋅d ∆h = 1 2 2 ⋅ k ⋅ R0 d1 = razdalja med oddajnikom in oviro (m) d2 = razdalja med oviro in sprejemnikom (m) k = 4/3 pri standardni atmosferi R0 = radij zemlje 6370000 (m) 9.38 Enačba za normalizirani parameter senčenja se ob upoštevanju ukrivljenosti zemlje glasi: 231 v = (h + ∆h) ⋅ 2 ⋅ f d1 + d 2 ⋅ d1 ⋅ d 2 c 9.39 Na spodnjih slikah je prikazano, kako računamo slabljenje v primeru dveh in več ovir: Slika 9.17: Izračun slabljenja pri dveh in več ovirah Poglejmo si primer izračuna slabljenja zaradi senčenja. Oddajnik A in sprejemnik B sta postavljena tako, da je med njima hrib, ki pokriva njuno vidno polje. Hrib je koničast, tako da ustreza vsem kriterijem za koničasto oviro. Slika 9.18: Primer slabljenja radijske zveze zaradi senčenja 232 Iz geografske karte ali digitalnega modela reliefa Slovenije, ki vsebuje podatke o nadmorskih višinah na mreži 30 krat 30 km, si izrišemo prerez reliefa na liniji med oddajnikom in sprejemnikom. V našem primeru je bil za ta namen uporabljen program TAP (www.softwright.com). Slika 9.19: Prerez reliefa na liniji med oddajnikom in sprejemnikom Za lažji izračun slabljenja na klinasti oviri lahko uporabimo program Kalkulator Radio (gtk.hopto.org/postnuke). Podatke o višinah in razdaljah dobimo iz prereza reliefa. Slika 9.20: Izračun slabljenja na klinasti oviri V našem primer je slabljenje zaradi hriba 18,59 dB. 233 9.6 Presih polja Presih polja je posledica širjenja signala po različnih poteh. Na vsaki poti signal oslabi, zakasni, in se fazno premakne. V sprejemniku se tako signali, ki so prispeli po različnih poteh seštejejo. Signal na sprejemniku je tako vsota oslabljenih, zakasnjenih in fazno premaknjenih ponovitev oddanega signala. Posamezni signali, prispeli po različnih poteh se lahko seštevajo konstruktivno ali destruktivno. Pri konstruktivnem seštevanju je vsota moči večja od moči najmočnejše komponente, pri destruktivnem seštevanju manjša. Ker se razmere v prostoru neprestano spreminjajo, se spreminjajo tudi poti signalov, s čimer se spreminja tudi njihova vsota na sprejemniku, ki niha v odvisnosti od kraja in časa. Presih je zato možno opisati le statistično z uporabo različnih statističnih porazdelitev. Pri hitrem presihu polja razmere najbolje opisuje tako imenovana Reyleighjeva porazdelitev, ko ni neposredne poti signala med oddajnikom in sprejemnikom in Reiceova porazdelitev, ko je neposredna pot signala med oddajnikom in sprejemnikom. V primeru, da je neposredni val še posebej izrazit, preide Reiceova statistična porazdelitev gostote verjetnosti v normalno statistično porazdelitev verjetnosti, imenovano tudi Gausova. Počasni presih, kot posledico senčenja statistično opišemo z lognormalno statistično porazdelitvijo verjetnosti. Slika 9.21: Moč signala na prenosni poti – vpliv presiha 234 9.6.1 Rayleighova porazdelitev Rayleighovo porazdelitev za določitev hitrega presiha radijskega signala uporabimo v primeru, ko nimamo neposredne vidne povezave z oddajnikom. To pomeni, da pridejo na vhod sprejemnika samo dobiti radijski signali iz istega oddajnika, ki so prepotovali različne poti. Slika 9.22: Različne poti signala Slika 9.23: Nihanje moči signala pri Rayleighovi porazdelitvi presiha 235 Posamezne prispevke signala na sprejemniku lahko ponazorimo v kompleksnem prostoru s kompleksorji, katerih dolžina predstavlja amplitudo signala, smer pa fazni kot signala. Im Re Slika 9.24: Prikaz posameznih prispevkov signala na vhodu sprejemnika Vsoto posameznih prispevkov signala na sprejemniku lahko zapišemo z enačbo: E= n ∑E k ⋅ e j⋅Φ k 9.40 k =1 Predpostavimo, da je amplituda sprejetega električnega polja signala v mejah, ki jih določa spodnja enačba: 0≤E<∞ Tako teoretični izračuni, kot tudi meritve kažejo, da se porazdelitev gostote verjetnosti električnega polja in s tem moči posameznih komponent tega polja ujemajo s tako imenovano Rayleighjevo statistično porazdelitvijo, ki je prikazana na spodnji sliki. 236 Slika 9.25: Rayleighova porazdelitev gostote verjetnosti posameznih komponent Gostoto porazdelitve moči posameznih komponent po Rayleighovi porazdelitvi lahko zapišemo z enačbo: PDF ( p) = σ p σ2 ⋅e − p2 2 ⋅σ 2 9.41 = Standardna deviacija, ki opisuje razpršenost vzorcev signala Verjetnost, da pade moč signala pod določeno vrednostjo p0 je enaka ploščini pod krivuljo gostote verjetnosti posameznih komponent. Slika 9.26: Ploščina pod krivuljo, ki določa verjetnost 237 Verjetnosti, da pade moč signala pod določeno vrednost p0 lahko izračunamo z enačbo: p0 CDF ( p0 ) = ∫ PDF ( p ) ⋅ dr = 0 CDF ( p0 ) = 1 − e − p0 p ∫σ 2 ⋅e − p2 2 ⋅σ 2 ⋅ dr ⇒ 0 p0 2 2 ⋅σ 2 9.42 Pri tem velja: CDF ( p0 = 0) = 0 CDF ( p0 → ∞) = 1 Slika 9.27: Verjetnost, da pade moč signala pod določeno vrednost p0 238 9.6.2 Reiceova porazdelitev Reiceova porazdelitev za določitev hitrega presiha radijskega signala uporabimo v primeru, ko poleg neposrednega radijskega signala med oddajnikom in sprejemnikom sprejemamo še večje število odbitih radijskih signalov iz istega oddajnika. Slika 9.28: Nihanje moči signala pri Reiceovi porazdelitvi presiha Posamezne prispevke signala na sprejemniku lahko ponazorimo v kompleksnem prostoru s kompleksorji, katerih dolžina predstavlja amplitudo signala, smer pa fazni kot signala. 239 Slika 9.29: Prikaz posameznih prispevkov signala na vhodu sprejemnika Gostota porazdelitve moči signala pri Reiceovi porazdelitvi je prikazana na sliki: 9.30. Vrednost parametra v je odvisna od moči neposrednega radijskega signala v primerjavi z močjo odbitih radijskih signalov. V primeri da je v = 0 , ni neposrednega radijskega signala. Reiceova porazdelitev v tem primeru preide v Rayleighovo porazdelitev. Pri veliki vrednosti parametra v, ko je moč neposrednega radijskega signala velika v primerjavi z močjo posameznih odbitih radijskih signalov preide Reiceova porazdelitev v Normalno porazdelitev. Slika 9.30: Reiceova gostota porazdelitve moči signala 240 9.6.3 Normalna porazdelitev Normalno porazdelitev za določitev počasnega presiha radijskega signala uporabimo zato, da opišemo počasno spreminjanje moči signala, ki je predvsem posledica senčenja. Slika 9.31: Nihanje moči signala pri normalni porazdelitvi presiha Slika 9.32: Normalna oziroma Gaussova gostota porazdelitve moči signala 241 Gostota porazdelitve moči signala je določena z normalno, imenovano tudi Gaussovo, porazdelitvijo. Zapišemo jo lahko z enačbo: PDF ( p) = 1 ⋅e σ ⋅ 2 ⋅π 1 p− p − 2 σ 2 9.43 Verjetnost, da pade moč signala pod določeno vrednostjo p0 je enaka ploščini pod krivuljo gostote verjetnosti porazdelitve moči signala. Zapišemo jo z enačbo: CDF ( p0 ) = p0 ∫ p( p) ⋅ dr = 0 CDF ( p0 ) = p0 1 ∫0 σ ⋅ 2 ⋅ π ⋅ e p − p 1 ⋅ 1 + erf 0 2 σ ⋅ 2 − 1 p− p 2 σ 2 ⋅ dr ⇒ 9.44 Verjetnost, da pade moč signala pod določeno vrednost p0 je grafično prikazana na sliki: 9.33. Slika 9.33: Verjetnost, da pade moč signala pod določeno vrednost p0 242 9.6.4 Pokritost območja z radijskim signalom in bilanca radijske zveze Predpostavimo, da upoštevamo počasni presih signala, kot posledico senčenja. Verjetnost pokritosti z radijskim signalom na robu območja pokrivanja z lahko izračunamo iz srednje vrednosti moči signala p , želene moči signala na sprejemu p0 in razpršenosti vzorcev signala σ na robu območja pokrivanja. Porazdelitev gostote verjetnosti moči signala je v splošnem določena z normalno porazdelitvijo: PDF ( p ) = 1 ⋅e σ ⋅ 2 ⋅π − 1 p− p 2 σ 2 9.45 Verjetnost da bo moč signala na robu območja pokrivanja večja ali enaka želeni moči signala p0 je enaka: ∞ CDF ( p0 ) = ∫ PDF ( p0 ) ⋅ dr = p0 ∞ 1 ∫p σ ⋅ 2 ⋅ π ⋅ e 0 p0 − p 1 CDF ( p0 ) = ⋅ 1 − erf 2 σ ⋅ 2 − 1 p− p 2 σ 2 ⋅ dr ⇒ 9.46 Večja ko je verjetnost, da bo moč signala na robu območja pokrivanja večja ali enaka želeni moči signala p0 , manjše je območje pokrivanja. Za izračun verjetnosti pokrivanja celotnega območja moramo poznati izgube moči radijskega signala na poti od oddajnika in od tod izhajajočo srednjo vrednost moči signala. Zapišemo jo lahko s splošnim modelom: r p(r ) = p( R ) + 10 ⋅ n ⋅ log R 9.47 243 Slika 9.34: Verjetnost pokritosti roba območja pokrivanja Tako definirano srednjo vrednost moči signala vstavimo v enačbo ____ in dobimo enačbo verjetnosti, da bo moč signala na posamezni razdalji r večja ali enaka želeni moči signala p0 . r p0 − p( R ) + 10 ⋅ n ⋅ log 1 R CDF ( p0 , r ) = ⋅ 1 − erf 2 σ⋅ 2 9.48 Predpostavimo, da je območje pokrivanja krog. Verjetnost pokritosti celotnega območja z radijskim signalom, katerega vrednost bo večja ali enaka želeni moči signala p0 je enaka: 244 Fu = 1 ⋅ CDF ( p0 , r ) ⋅ dA ⇒ π ⋅ R 2 ∫A 1 Fu = 1 − erf (a ) + e 2 1− 2 ⋅ a ⋅ b b2 1 − a ⋅ b ⋅ 1 − erf b 9.49 Pri: a= p0 − p( R ) σ⋅ 2 , Čim večja je vrednost radijskim signalom. b= p 0 − p( R ) 10 ⋅ n ⋅ log(e) σ⋅ 2 tem večja je verjetnost pokritosti območja z Vrednosti eksponenta izgub na poti signala za tipične vrste okolja so podane v tabeli 9.3. Za model Okumura-Hata (9.32) sta eksponent izgub na poti signala in srednja vrednost moči signala določena z izrazoma: n = 4,49 − 0,65 ⋅ log(ho ) p( R ) ( dB ) = Pt ( dB ) − 69.55 − 26.16 log( f ( MHz ) ) + 13.82 log(ho ( m ) ) + (1.1log( f ( MHz ) ) − 0.7)hm ( m ) − − (1.56 log( f ( MHz ) ) − 0.8) − (44.9 − 6.55 log(ho ( m ) )) log( R( km ) ) + 4.78(log( f ( MHz ) )) 2 − − 18.33 log( f ( MHz ) ) + 40.94 − 10 9.50 V bilanci radijske zveze moramo upoštevati med drugim moč oddajnika in občutljivost sprejemnika ter izgube zaradi slabljenja na poti, dodatek zaradi počasnega presiha in po potrebi dodatek zaradi hitrega presiha. 245 Slika 9.35: Bilanca radijske zveze Z izračunom bilance radijske zveze določimo njen domet glede na zahtevano verjetnost pokritosti območja z radijskim signalom. Večja kot je zahtevana pokritost območja z radijskim signalom, manjši je domet radijske zveze. 246 9.7 Radijska telekomunikacijska omrežja 9.7.1 Brezžična razdelilna omrežja Slika 9.36: Princip brezžičnega razdelilnega omrežja To so omrežja, ki jih uporabljamo za brezžično premostitev razdalje do uporabnikov v zadnjih kilometrih. Takšen način je zanimiv zaradi hitrejšega in cenejšega pokrivanja terena z omrežjem brez polaganja žic ali optičnih vlaken. Značilnost teh omrežij je, da niso namenjeni mobilnemu naročniku. Sprejemna antena uporabnika je fiksna, ponavadi montirana na strehi ali steni stavbe, do katere je speljan signal, slika 26. Bazna postaja oddaja signal in pokriva celico v polmeru od 2 do 5 km. Postaje uporabnikov imajo stalno lokacijo in ostajajo stalno povezane v isti celici. Prehajanj med celicami ni, kar v primerjavi z mobilnim sistemom zelo poenostavi rešitev. Antena bazne postaje mora biti na visoki stavbi, tako da lahko zagotavlja zveze do postaj uporabnikov. Te so nameščene na stenah ali strehah, da zagotavljajo vidno zvezo do antene bazne postaje. 9.7.2 Sistemi mobilne telefonije Fiksnim telefonskim omrežjem so v določenem smislu podobna mobilna omrežja. Tudi ta so bila prvenstveno načrtovana izključno za prenos govora in so si druge storitve vanj utrle pot šele v zadnjih letih. Tudi mobilna omrežja lahko glede na način prenosa govornega signala ločimo na analogna in digitalna. Obstaja kar nekaj sistemov mobilnih omrežij, ki so med seboj večino nezdružjiva. V Sloveniji lahko trenutno uporabljamo različne, bolj ali manj uveljavljene, mobilne sisteme. Med vsemi brezžičnimi omrežji so danes v najširši uporabi mobilna telefonska omrežja. Osnovni namen teh omrežij je zagotavljanje komunikacij mobilnim 247 uporabnikom. Do nedavnega so bile to v glavnem govorne storitve, danes pa so razvojne aktivnosti močno usmerjene v smeri podatkovnih prenosov. Na sliki 27 je prikazana načelna arhitektura mobilnih omrežij, ki so sestavljena iz baznih postaj, kontrolerjev baznih postaj in preklopnih centrov. Bazne postaje sprejmajo uporabnikov signal in ga posredujejo kontrolerju, ki ga pošlje preklopnemu centru. Ta ga lahko preko javnega telefonskega omrežja ali samega mobilnega omrežja posreduje uporabniku na drugi strani zveze. Slika 9.37: Mobilno omrežje Mobilna telefonska omrežja delimo na tri generacije. Ko govorimo o hitrem razvoju mobilnih komunikacij, imamo predvsem v mislih sistem GSM, ki je tudi v svetovnem merilu presegel vsa pričakovanja. Glavni tok razvoja v tem trenutku je nadgrajevanje sistema GSM na poti proti tretji generaciji. Satelitski sistemi niso zaživeli tako, kot je bilo mogoče pričakovati. Kljub temu satelitski sistemi imajo bodočnost, saj je manj kot 20% zemeljske oble pokrite z zemeljskimi mobilnimi sistemi. To pomeni, da so satelitski sistemi za globalno pokrivanje v prihodnosti nujni. analogni sistemi digitalni sistemi 1G 2G 3G 1981 1984 1985 1986 1991 1993 1995 1999 2001 2002 2003 Evropa C(Nemčija) Net Evropa NMT NMT (Skandinavija) 450 900 Evropa TASC GSM DCS- PCS- HSCSD GPRS EDGE UMTS 1800 1900 ZDA AMPS DCDMA CDMA AMPS One 2000 Japonska PDC Tabela 9.3: Generacije mobilne telefonije 248 Brezvrvični sistem DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) je v Sloveniji prisoten predvsem v privatnih stanovanjih kot brezvrvična slušalka za govorno telefonijo. 9.7.2.1 Sistemi prve generacije so analogni sistemi, ki jih časovno uvrščamo med leti 1980 in 1990. Prvo generacijo mobilnih telekomunikacij predstavlja analogni sistem NMT, ki se je v 80-ih letih pojavil v Skandinaviji. Od tod izhaja tudi ime NMT (Nordic Mobile Telephone). Ni trajalo dolgo, da so omrežja mobilnih telekomunikacij vzpostavile še druge evropske države. Sistemi so imeli različna imena (AMPS, C-Netz, Radiocom 2000, TACS) in so bili med seboj nezdružljivi. Med vsemi evropskimi sistemi je največ uspeha doživel sistem NMT, ki se je iz skandinavskih držav (Norveška, Švedska, Danska in Finska) razširil po vsej Evropi, uporabljati pa so ga začele tudi nekatere države drugih celin. Slika 9.38: Razvoj mobilne telefonije v Sloveniji Načrtovani so bili izključno za prenos govornega signala, zato so za dostop do podatkovnih storitev neuporabni. Sistemi prve generacije za dostop uporabljajo frekvenčni sodostop. Prvotni sistemi so uporabljali vsesmerne antene, kar je pomenilo skromno zmogljivost in malo naročnikov. Analogni celični sistemi 90. let so že uporabljali sektorske antene, to pa je pomenilo večkratno povečanje zmogljivosti. Kasneje so večjo zmogljivost dosegli še z oženjem kanalov iz 25 kHz na 12,5 kHz. 249 Sistem te generacije, ki deluje v Sloveniji, je NMT, ki ga je z veliko zamudo v primerjavi z Evropo podjetje Mobitel d.d. ponudilo slovenskemu trgu junija 1991. Deluje na frekvencah okrog 410 MHz (411,675 – 415,850 MHz in 421,675 – 425,850 MHz), kar je posebnost v primerjavi z Evropo, kjer so NMT omrežja delovala na frekvenci okrog 450 MHz. Ker je bilo to območje v bivši državi namenjeno vojaški uporabi, realizacija NMT 450 ni bila mogoča. Zato lahko slovenski NMT uporabljamo le še na Hrvaškem, gostovanje v drugih državah pa ni mogoče. NMT omrežje v Slovenija ima kanalski razmik 25 kHz, uporablja 166 kanalov in je razdeljeno na približno 220 celic. Eden od hudih problemov slovenskega sistema NMT je v slabi sledljivosti. Ker se radijski signali nižjih frekvenc bolje razširjajo po prostoru, sistem NMT v določenih predelih še dandanes izkazuje boljše pokrivanje od novejšega sistema GSM, ki deluje na višjih frekvencah. Tehnološko zastareli NMT vse do danes še ni prenehal z delovanjem, Mobitel načrtuje delovanje sistema vsaj še 2 do 3 leta, saj pravijo, da ima sistem dovolj uporabnikov (slika 29), ki so nanj vezani zaradi ugodne cene ali boljše pokritosti s signalom v hribovit predelih Slovenije, kamor signal GSM ne seže. Sistem je ekonomsko učinkovit, ker so stroški vzdrževanja minimalni. V tujini je večina operaterjev že ukinila NMT, delujejo le še tri omrežja v EU (Španija, Švedska, Italija). Slika 9.39: Rast števila naročnikov NMT v letih od 1992 do 2004 Dodatne storitve, ki jih ponuja NMT, so telefonski predal, preusmeritev klica, omejitev klicanja, obveščanje o naslednjem klicu. 250 9.7.2.2 Sistemi druge generacije so digitalni sistemi, ki so se začeli pojavljati od leta 1990 naprej in so v zadnjih letih doživeli silovit razmah. Sistem GSM, ki so ga uvedli v Evropi (ETSI), ni le evropski standard, ampak je prerasel v svetovni standard, ki se je uveljavil že v 194 državah po vsem svetu (število operaterjev pa se je doslej povzpelo že na več kot 500) in doživel v svetovnem merilu največji uspeh. Sistem GSM (Global System for Mobile Communications) zagotavlja visoko kakovostne ter varne glasovne in podatkovne storitve, poleg tega pa imajo uporabniki možnost gostovanja v omrežjih številnih operaterjev po vsem svetu. Za razliko od NMT sistema uporablja GSM digitalni prenos zvoka, sporočil in drugih podatkov. V približno desetih letih je GSM uspel postati vodilni in najhitreje rastoč svetovni mobilni standard. V Evropi, Aziji in Avstraliji deluje GSM v frekvenčnih območjih 900 MHz in 1800 MHz, kjer ga označujemo z DCS 1800 (Digital Cellular System 1800), v Severni Ameriki ter delih Latinske Amerike in Afrike pa na 1900 MHh (imenovan PCS, Personal Communicaton Services). Frekvenčni pas v Sloveniji si delijo trije operaterji mobilne telefonije: • GSM 900: Mobitel in Simobil, • DCS 1800: Mobitel, Simobil in Western Wireless. Odločilni za uspeh GSM so trije dejavniki. Prvi dejavnik je dejstvo, da je celotna Evropa z vsemi proizvajalci telekomunikacijske opreme, ki so vodilni tudi v svetovnem merilu, poenotila in sprejela en sam standard. Drugi dejavnih so tehnične značilnosti sistema, med katerimi je zelo pomembna zlasti možnost prehajanja uporabnika med omrežji različnih operaterjev. Tretji dejavnik je sprostitev monopolov na trgu telekomunikacij, kar je povzročilo padec cen storitev mobilnih komunikacij. Slika 9.40: TDMA časovni okvirji v GSM GSM za dostop uporablja časovni sodostop: radiofrekvenčni nosilec, ki ima kanalski razmik 200 kHz, si v časovno razdeli 8 uporabnikov, kot je prikazano 251 na sliki 30. Sistem omogoča vrsto novih storitev: SMS sporočila, hitrejši prenos podatkov, identifikacijo klica... GSM za dostop uporablja časovni sodostop: radiofrekvenčni nosilec, ki ima kanalski razmik 200 kHz, si v časovno razdeli 8 uporabnikov, kot je prikazano na sliki 30. Sistem omogoča vrsto novih storitev: SMS sporočila, hitrejši prenos podatkov, identifikacijo klica... Signali GSM baznih postaj razdeljujejo prostrana naseljena območja v celice različnih velikosti, od nekaj 100m v centrih mest do 35 km na deželi. V mestih so celice majhne, saj je tam veliko uporabnikov, kapaciteta celice pa je omejena. Izven mest je manj uporabnikov, zato se uporabljajo krovne celice, ki pokrivajo večja območja. Slika 9.41: Razdelitev območij pokrivanja na celice Sistem GSM je bil v osnovni različici načrtovan prioritetno za prenos govornega signala in za podatkovne hitrosti do 9600 bit/s. Poznamo tri nadgradnje sistema GSM, znane kot generacija 2+ ali 2.5, ki gredo v smeri učinkovitejšega in hitrejšega prenosa podatkov. V bistvu gre za pot iz sistema GSM proti tretji generaciji. Mobilni terminal, bazna postaja in centrala - ti trije pojmi so za razumevanje delovanja mobilnega omrežja GSM najpomembnejši. Signal namreč potuje od terminala preko bazne postaje do centrale, ki signal sprejme in ga posreduje drugi bazni postaji, v območju katere se trenutno nahaja iskani mobilnik, ali drugemu omrežju, v katerega kliče uporabnik. Povezava med terminalom in bazno postajo temelji na radijski povezavi, bazna postaja pa je s centralo povezana z optičnimi vlakni, radijskimi zvezami ali žičnimi povezavami. Bazna 252 postaja ima vsaj eno do tri celice. V trenutku, ko vklopimo svoj mobilni terminal, ta poišče bazno postajo, v območju katere smo. Bazna postaja to naprej sporoči centrali. Od tu naprej obstajata dve možnosti. V primeru, da nas nekdo pokliče, centrala poskrbi za to, da bazni postaji, v območju katere smo, posreduje klic, ki nam je namenjen. Druga možnost je, da kličemo mi. Ko pa pritisnemo tipko za klicanje, terminal sporoči bazni postaji, kdo smo, bazna postaja pa to informacijo naprej prenese centrali. Za tem centrala mobilniku določi prosti kanal, na katerem se bomo lahko pogovarjali, mobilnik nanj napoti in dobi od njega informacijo, koga kličemo. Nato centrala poskrbi za vzpostavitev zveze s tistim, ki ga kličemo. Če se med pogovorom premikamo in prehajamo iz območja ene bazne postaje v območje druge, si te med seboj podajajo naš signal in nam tako omogočajo nemoten pogovor. AUC (Authentication Centre) Avtentifikacijski center preverja identifikacijo naročnika zapisano na SIM modulu in skrbi za varen prenos podatkov preko radijske povezave med bazno postajo in naročnikovim mobilnikom. BSS (Base Station Subsystem ali podsistem baznih postaj) Vsebuje celoten radijski del: BSC (kontroler baznih postaj) in BTS (bazne postaje) mobilnega omrežja. BSC (Base Station Controller ali kontroler baznih postaj) Naloga kontrolorja baznih postaj je zagotavljanje kakovostne radijske povezave med bazno postajo (BTS) in mobilnim terminalom (MS). Nadzira delovanje radijskega dela - to je: prehajanje med celicami in dodeljevanje kanalov. Slika 9.42: Arhitektura GSM omrežja BTS (Base Transceiver Station ali bazna postaja) 253 Bazna postaja se sestoji iz ene do treh celic, ki tvorijo celično omrežje. Celica je enota v bazni postaji in hkrati geografsko območje, ki ga pokriva z radijskim signalom. Celica v bazni postaji se sestoji iz oddajno-sprejemne enote. Preko ene celice lahko storitev opravlja več naročnikov. EIR (Equipment Identity Register) Je register, ki vsebuje podatke o mobilnem terminalu (IMEI) in pravicah uporabnika. Namenjen je preprečevanju zlorab. Ukradene ali zlorabljene postaje se lahko blokirajo ali celo izsledijo. HLR (Home Location Register) Baza podatkov o naročnikih GSM operaterja. Podatke posreduje ostalim bazam in tujim mobilnim omrežjem. MS (Mobile Station ali mobilna postaja) Žargonski izraz za mobilni terminal. (G)MSC ((Gateway) Mobile Services Switching Centre ali telefonska centrala (GSM) To je telefonska centrala GSM, ki povezuje vse klice v in iz mobilnega omrežja. Naloge GMSC so tudi povezovanje z ostalimi omrežji (PSTN, ISDN). PSTN (Public Switched Telephone Network) Javno stacionarno telefonsko omrežje. VLR (Visitor Location Register ali register uporabnikov določenega mobilnega omrežja) Baza podatkov o domačih in tujih mobilnih uporabnikih, ki se trenutno nahajajo na območju pokrivanja. HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) – hitri prenos podatkov je prva nadgradnja sistema GSM, katerega slabost je bila predvsem počasnost prenosa podatkov. Storitev HSCSD je primerna predvsem za vse tiste, ki pogosto dostopajo do Interneta, do svoje elektronske pošte ali do datotek, ki so shranjene nekje drugje. HSCSD omogoča združevanje časovnih intervalov (Time Slot) prenosnega kanala. Normalno si 1 prenosni kanal deli 8 uporabnikov. Do njega dostopajo zaporedno, drug za drugim, torej ima vsak od njih prenosni kanal na voljo 1/8 časa (en časovni interval). V prvi fazi je predvidena dodelitev največ štirih kanalov v smeri k uporabniku, kar omogoča podatkovne hitrosti do 4 krat 9600 bit/s = 38400 bit/s pri navadnem kanalu. Te hitrosti so že kar solidne in primerljive z dostopi z analognim modemom preko telefonskega omrežja. 254 Teoretično bi en uporabnik lahko zasegel vseh 8 časovnih intervalov in dosegel hitrosti prenosa do 67,2 kbit/s, kar je primerljivo z enim B kanalom fiksnega ISDN priključka. Visoke prenosne hitrosti pa bodo na voljo, če bo imel operater omrežja zadosti prostih kapacitet, saj ima govorni prenos prednost pred HSCSD podatki. V omrežju Mobitel GSM se tako s HSCSD hitrost prenosa podatkov poveča do 43,2 kbit/s. GPRS (General Packet Radio Service) – paketni prenos podatkov je druga nadgradnja sistema GSM. Glavna slabost sistema HSCSD je v vodovnem prenosu podatkov, kar pomeni, da je povezava med dvema točkama (aparat – omrežje) stalna, tudi ko ni dejanskega prenosa podatkov in s tem se obračuna čas trajanja zveze tako kot pri prenosu govora. Pomembna prednost sistema GPRS je prenašanje podatkov v paketih, saj je tako omrežje obremenjeno samo med prenašanjem podatkov. Uporabniku po potrebi dodeljuje kanal za prenos posameznih paketov podatkov dinamično in v skladu s prostimi kapacitetami. Maksimalne hitrosti naj bi presegle 100 kbit/s. Vendar obstajajo določene tehnične težave, zaradi katerih so hitrosti precej nižje od navedenih. Storitev se obračunana podlagi dejanske količine prenesenih podatkov in na podlagi časa trajanja podatkovne zveze. GPRS omogoča bolj prijetno uporabo mnogih storitev, ki so prej sicer že delovale, ampak v manj prijazni obliki, in tudi čisto nove storitve, ki pred tem sploh niso bile možne: Dostop do interneta ali intraneta, elektronska pošta, faks sporočila, en poštni predal za vsa raznovrstna sporočila. Informacijske storitve, igrice. E-poslovanje – bančne storitve, nakup vstopnic,... Lokacijske storitve – navigacija, informacije o prometu, vremenu, okolici,... Oglaševanje. Multimedijsko sporočanje. EDGE (Enhanced Data Rates for GSM/Global Evolution) je zadnja (tretja) iz serije nadgradenj sistema GSM. Predviden je tako vodovni prenos, ki se sedaj uporablja v GSM, kot tudi paketni prenos, ki ga uporablja GPRS. EDGE omogoča podatkovne hitrosti do 384 kbit/s in je v tem trenutku konkurenčen sistemu 3. generacije UMTS. Za uvedbo nadgradnje so potrebni obsežni posegi v elektroniko in programsko opremo celotnega omrežja, saj je potrebno nadgraditi prav vsako bazno postajo sistema. Med slovenskimi operaterji ponuja tehnologijo EDGE Simobil, ki je marca 2004 že pokril območja Maribora in Ljubljane (četrtino slovenskega prebivalstva). Sistemi tretje generacije V Evropi je sistem tretje generacije UMTS (Universal Mobile telecommunications System). Sistem predvideva integracijo satelitske in prizemne komponente v navidez en sam sistem. UMTS deluje v frekvenčnem 255 pasu okrog 2000 MHz. Na sliki 33 je prikazana natančnejša razdelitev frekvenc sistema UMTS. Slika 9.43: Načrtovana razdelitev frekvenc UMTS sistemov Čeprav je Slovenija vzpostavila GSM sistem med zadnjimi v Evropi, pa je v decembru 2003 med prvimi v Evropi začelo delovati v Sloveniji komercialno UMTS omrežje. Sistem UMTS omogoča hitrejši in bolj kakovosten prenos podatkov, s tem pa razvoj in uporabo že znanih in novih storitev. Veliko vsebin in storitev se lahko že danes uporablja v sistemu GSM/GPRS, nekatere bodo v sistemu UMTS pokazale vse svoje prednosti, spet druge se bodo razvile, saj so vezane na zahtevnejši prenos podatkov, ki ga omogoča šele UMTS. Poleg razvoja novih storitev in vsebin se bodo pri vsakdanji uporabi najbolj "čutile" višje prenosne hitrosti. Prav vse podatkovne storitve, ki so na voljo že v tem trenutku (npr. dostop do ali pošiljanje raznih informacij, prenosi datotek in podatkov, pošiljanje sporočil, ...) bodo lahko tekle hitreje. UMTS napoveduje hitrejši prenos podatkov, vse tja do 2 Mbit/s. Hitrost prenosa podatkov je odvisna predvsem od tega, v kakšnem okolju bomo in kako hitro se bomo gibali: na podeželju bodo do 144 kbit/s, v urbanem okolju do 384 kbit/s in znotraj stavb v urbanem okolju do 2 Mbit/s. UMTS omogoča vsebine, ki so prijaznejše za uporabo in zanimivejše od današnjih: • videotelefonija, • stalen in hiter dostop do aplikacij in vsebin na Internetu in intranetu, • popoln razvoj multimedijskih sporočil (MMS-ov), ki vsebujejo barvne slike, glasbo in video posnetek, 256 • popoln razvoj lokacijske storitve z večjo natančnostjo barvnih zemljevidov, • obogatene novice (vremenska napoved, šport, kinospored...). Slika 9.44: Pokritost Slovenije z UMTS signalom v začetku leta 2005 9.7.3 Lokalna radijska omrežja O lokalnih radijskih omrežjih govorimo, ko je domet naprav od nekaj metrov do nekaj sto metrov. V ta okvir spadajo tako sistemi brezvrvnične telefonije, lokalna brezžična računalniška omrežja in drugo. 9.7.4 Satelitska omrežja Prihodnosti komunikacij si ne moremo zamisliti brez satelitskih sistemov. Satelitski sistemi imajo nedvomno kar nekaj prednosti pred prizemnimi sistemi. Najbolj očitni sta globalno pokrivanje ter enostavno doseganje nedostopnih in redko naseljenih predelov. V ZDA naj bi bila to edina rešitev za tretjino prebivalstva. Po oceni je okrog 80% zemeljske površine nepokrite s signali prizemnih sistemov. Vendar so v zadnjem času, predvsem po neuspehu satelitskega sistema Iridium, napovedi bolj zadržane. Problem satelitskih sistemov je predvsem v velikih zagonskih stroških, saj satelitskega sistema ni moč graditi postopno. To predstavlja veliko začetno tveganje, ki ga nezrela tehnologija (spomnimo se številnih neuspelih izstrelitev raket s sateliti) še dodatno povečuje. Na področju javnih satelitskih komunikacij ločimo dve vrsti sistemov: • satelitski sistemi za mobilno telefonijo. Ti so načrtovani za zagotavljanje mobilnih govornih komunikacij na celi zemeljski obli. Sem padajo npr. Iridium, Globalstar, ICO, Odyssey, Inmarsat, Thuraya. 257 • satelitski sistemi za širokopasovne podatkovne komunikacije. Ti so načrtovani za podatkovne prenose velikih histrosti in opravljajo funkcijo razdelilnega omrežja (npr. SkyBridge, Teledesic, Spaceway, Astrolink). Slika 9.45: Vzpostavitev klica s satelitskim telefonom Iridium 9.7.4.1 Sateliti za mobilno telefonijo Ti sateliti morajo biti v nizkih ali na nižjih višinah srednjih tirnic, ker bi bile sicer zaradi prevelike oddaljenosti od zemlje zakasnitve signala prevelike ter moteče za govorno komunikacijo in ker je zaradi manjših razdalj moč signala na sprejemniku večja, kar omogoča žepne izvedbe terminalov. Sistemi omogočajo tudi prenos podatkov, vendar zelo majhnih prenosnih hitrosti, npr. 9600 bit/s v sistemu Globalstar. 9.7.4.2 Sateliti za širokopasovne podatkovne komunikacije Pravi širokopasovni satelitski sistemi so šele v načrtovanju. Po napovedih bodo zagotavljali uporabnikom interneta cenene zveze s hitrostmi od 2 do 155 Mbit/s za fiksne uporabnike. te hitrosti bodo primerljive s tistimi, ki jih bodo nudili prizemni sistemi. Cene sistemov so zastrašujoče, saj so ocenjene za globalne sisteme med 3 in 10 milijardami USD. 258 Slika 9.46: Primeri satelitskih telefonov Slika 9.47: Predvidena razporeditev satelitov pri sistemu Teledesic 9.7.5 Aeronavtične ploščadi V zadnjih letih intenzivno razvijajo tako imenovane stratosferske aeronavtične ploščadi, ki naj bi lebdele na višini od 20 do 30 km nad zemljo v geostacionarni legi. Ploščadi bi nosile radijsko opremo za sprejem in oddajo radijskih signalov in bi predstavljale višinsko bazno postajo. Postaje bodo predstavljale veliko konkurenco satelitom v nizkih krožnicah, saj bo tako izdelava, kot tudi postavitev mnogo cenejša. Preprostejši bodo tudi potrebni sprejemniki za sprejem signalov iz aeronavtičnih ploščadi. 259 Za praktično realizacijo aeronavtičnih ploščadi bo potrebnih nekaj novih tehnoloških rešitev. Ploščadi bodo morale imeti zadosten vzgon, da se bodo obdržale na želenem mestu tudi v primeru močnejših vetrov. Pogon bo verjetno narejen na principu sončnih celic in električne energije. Ploščad bi z višine 21 km lahko pokrivala območje 200 km2, katerega bi pokrila z do 700 snopi. Slika 9.48: Aeronavtična ploščad 9.7.6 Sistemi profesionalnih radijskih zvez 9.7.6.1 Prva generacija profesionalnih sistemov radijskih zvez Profesionalni analogni sistemi v Sloveniji so povečini konvencionalni, kar pomeni, da je vsaki skupini uporabnikov za čas uporabe dodeljen določeni kanal, kar posledično pomeni slabo izkoriščenost kanalov. V konvencionalnem načinu delovanja lahko znotraj skupine vzpostavimo zvezo na dva načina: − en član skupine govori vsem drugim ali − dve člana skupine vzpostavita zvezo med seboj. Vsi drugi v teh dveh primerih ne morejo početi nič drugega, kot poslušati zvezo, saj je na razpolago za delo skupine le en kanal. 260 Konvencionalni princip 4 postaje 1 Princip snopov - trunking 1 postaja s 4 kanali 3 3 1 3 3 3 3 3 3 Slika 9.49: Konvecionalni in snopovni način delovanja V Evropi so se sredi 80. let pojavili analogni snopovni sistemi, kar pomeni, da je vsak uporabnik član določene skupine, sistem pa poskrbi za vzpostavitev zveze. Snopovni način delovanja pomeni manj čakanja na vzpostavitev zveze, omogoča večnivojsko hierarhijo in boljšo izkoriščenost frekvenčnega prostora. Sistem vzpostavlja zvezo s pomočjo kontrolnega kanala. Člani določene skupine niso več omejeni na uporabo le njim dodeljenega kanala, ampak lahko vzpostavijo toliko zvez, kolikor prostih kanalov je na razpolago. Snopovni način pomeni manj čakanja, saj sistem kličočemu dodeli prvi prosti kanal. Poleg tega omogoča prioritetne klice, kar pomeni, da ima tisti z višjo prioriteto prednost pri dodeljevanju prostega kanala. Klicu v sili je vedno na razpolago prvi prosti kanal. Snopovni način delovanja pomeni tudi boljši izkoriščenost frekvenčnega prostora, saj je v konvencionalnem načinu delovanju za sto skupin potrebnih sto kanalov, v snopovnem načinu pa določeni grupi ni dodeljen posebni kanal. 261 9.7.6.2 Druga generacija profesionalnih sistemov radijskih zvez po standardu TETRA Kaj je TETRA? Kratica TETRA pomeni Terrestrial Trunked RAdio – prizemni snopovni radio. TETRA je standard digitalnih snopovnih radijskih sistemov, ki ga je razvil evropski telekomunikacijski standardizacijski inštitut ETSI. To je standard digitalnih snopovnih radijskih sistemov, ki naj bi: − izboljšal učinkovitost tako PMR1 kot PAMR 2, − optimiziral prenos podatkov, − izboljšal organizacijo prometa. TETRA je popolnoma digitalen mobilen radijski sistem, ki zagotavlja visoko stopnjo zaščite in zanesljivosti ter ga podpira večina svetovnih proizvajalcev opreme. Frekvenčno področje TETRA sistemi so bili načrtovani za delo v VHF frekvenčnem področju. Sistem TETRA je zasnovan tako, da omogoča prehod z analognih profesionalnih radijskih zvez. Razmak med nosilcema TETRA znaša 25 kHz, kar omogoča direktno zamenjavo enega analognega 25 kHz VHF kanala. Organizacija CEPT je v Evropi je za potrebe nacionalne varnosti sistemom TETRA dodelila frekvenčni pas od 380 do 400 MHz. Za komercialno uporabo je namenjen pas od 410 do 430 MHz, ki naj bi omogočal tudi gostovanje v drugih TETRA omrežjih. Na voljo so še tudi pasovi od 450 do 470 MHz, od 870 do 876 MHz in od 915 do 921 MHz. TDMA Vsak 25 kHz kanal podpira štiri logične kanale, ki si delijo časovni sodostop z uporabo TDMA (Time Divison Multiple Access). Slika 9.50: TDMA v TETRA sistemih 1 2 PMR = Private Mobile Radio, zaprti, namenski telekomunikacijski sistemi, ki niso dostopni širši javnosti PAMR= Public Access Mobile Radio, javno dostopni telekomunikacijski sistemi. 262 Navadni govorni klici uporabljajo en logični kanal, za prenos podatkov pa lahko uporabimo od enega do štiri logične kanale. To pomeni, da uporabnikom, ki potrebujejo večjo pasovno širino, npr. za pošiljanje slik, lahko dodelimo do 4 logične kanale. Storitve v sistemu TETRA Storitve, ki se nanašajo na prenos podatkov so: − podatkovne storitve vodovne zvrsti, − prenos paketiranih podatkov, − prenos kratkih sporočil (statusi, kratka sporočila) Govorne storitve v sistemu TETRA so: − individualni klic, − skupinski klic, − skupinski klic s potrditvijo, − razpršeni klic. Poleg naštetih storitev ponuja standard TETRA tudi dopolnilne storitve, ki se delijo na profesionalne dopolnilne storitve (npr. poslušanje okolice, neopazno poslušanje, prednostni klic, klic v sili…) in dopolnilne storitve telefonskega tipa (identifikacija kličočega oziroma klicanega, zadržanje klica, zapora dohodnih / odhodnih klicev, …) TETRA in GSM Razlike med TETRA in GSM sistemi so popolnoma jasne, saj sistema nista bila načrtovana zato, da bi tekmovala med seboj. GSM je standard na področju mobilne telefonije in ponuja možnosti in storitve na področju telefonije. TETRA pa ima vse značilnosti, ki se jih pričakuje od mobilnega radijskega sistema in ponuja nove možnosti, ki niso na razpolago v analognih mobilnih radijskih sistemih. Glavne razlike so: − hitra vzpostavitev zveze: TETRA zagotavlja vzpostavitev zveze v 300 ms, v GSM celični telefoniji to traja nekaj sekund, − način klicanja: TETRA omogoča klicanje s pritiskom na PTT tipko, pri GSM je potrebno klicati številko, − skupinski klic: GSM omogoča le zvezo dveh uporabnikov sočasno, TETRA pa omogoča da en uporabnik nagovori veliko uporabnikov hkrati, − pokritost: TETRA ima velike celice za pokritje geografskega območja, pri GSM so celice manjše in je pomembna pokritost prebivalstva, − mreža: v TETRA sistemih lahko vzpostavite direkten klic med uporabnikoma, pri GSM sistemih gre klic vedno s posredovanjem bazne postaje. 263 9.7.6.3 Tretja ge neracija p rofesionalnih si stemov r adijskih z vez – projekt MESA MESA so standardi tretje generacije profesionalnih radijskih zvez, ki nastajajo ob sodelovanju evropskega telekomunikacijskega standardizacijskega inštituta ETSI in ameriškega združenja telekomunikacijske industrije TIA. Kombinacija velike hitrosti prenosa podatkov, mobilnosti in samodejno vzpostavljajočega se omrežja je ključni element standardov MESA. Eden od glavnih izzivov bo čim večja frekvenčna učinkovitost, kar je s pričo predvidenih velikih hitrosti prenosa zelo pomembno. Radijsko omrežje bo kombinacija fiksnega celularnega omrežja, satelitskega omrežja in samodejno vzpostavljajočega se omrežja (ad-hoc omrežja). GLOBALNI INTERNET MOBILNI TERMINAL AD-HOC OMREŽJE VSTOPNA TOČKA INTRANET MOBILNI TERMINALI LOKALNI MOBILNI TERMINAL MOBILNI TERMINAL Slika 9.51: Omrežje tretje generacije profesionalnih radijskih zvez 264 9.7.7 WiMAX WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) je brezžična dostopovna tehnologija, ki omogoča brezžični širokopasovni prenos prometa ethernet, IPv4 in IPv6. Tehnologija temelji na skupini standardov IEEE 802.16. Ker je možen širok nabor končnih izvedb, je skrb za medsebojno združljivost naprav in opreme posameznih proizvajalcev prevzel forum WiMAX, neprofitna organizacija, ki so jo ustanovili vodilni proizvajalci komunikacijske opreme in komponent. V to organizacijo je sedaj včlanjenih že več kot štiristo podjetij s celega sveta, med njimi tudi slovenski Iskratel. Namen organizacije je promovirati in potrjevati ustreznost in združljivost širokopasovne brezžične opreme, ki je narejena po standardu IEEE 802.16. Brezžična tehnologija WiMAX je dobrodošla rešitev za območja, kjer ni dovolj kapacitet v bakrenih kablih in kamor še nekaj časa ne bo mogoče rentabilno napeljati optičnega kabla, predvsem zaradi majhnega števila potencialnih uporabnikov. Ena glavnih prednosti WiMAX-a je hitra in razmeroma poceni implementacija omrežja v določeno okolje. Tako se lahko dokaj hitro opremi končne uporabnike s širokopasovnim dostopom. 9.7.7.1 Osnove tehnologije WiMAX WiMAX je širokopasovna brezžična tehnologija. Namenjena je prenosu najrazličnejših vrst podatkov in informacij po zračnem mediju. Starejši standardi brezžičnih tehnologij IEEE 802.11, znani tudi pod imenom Wi-Fi, so se že dodobra zasidrali pri uporabnikih. Določen krog uporabnikov je pogrešal nekatere lastnosti, ki jih starejše tehnologije brezžičnega krajevnega omrežja niso omogočale, to je zlasti visoka hitrost prenosa podatkov na daljše razdalje (do oko 50 km). In prav to omogoča WiMAX. Primeri uporabe tehnologije WiMAX: • kot fiksna brezžična dostopovna tehnologija, predstavlja alternativo omrežjem DSL in kabelskim sistemom; • kot tehnologija za zagotavljanje zalednih povezav tipa point-to-pint in point-to-multipoint omogoča transport prometa Ethernet, IPv4/IPv6 in ATM. Z razvojem standarda IEEE 802.16e, ki podpira mobilnost, omrežja WiMAX postajajo alternativa tudi mobilnim dostopovnim sistemom GPRS in UMTS. Slika 9.42 na preprost način prikazuje povezave v omrežju WiMAX. 265 Slika 9.52 Omrežje WiMAX 9.7.7.2 Koncept delovanja tehnologije WiMAX Tehnologija WiMAX je bila v osnovi načrtovana za zagotavljanje brezžičnih širokopasovnih povezav tipa točka-več-točk (PM – point-to-multipoint), ki omogočajo prenos prometa Ethernet, IPv4, IPv6 ali ATM. Osnovni komponenti sistema WiMAX predstavljata bazna postaja (BS – Base Station), ki je tipično povezana v hrbtenično omrežje in uporabniške postaje (SS – Subscriber Station). Kontrola dostopa in upravljanje s pasovno širino radijskega kanala sta popolnoma prepuščeni bazni postaji. Prometni tokovi med postajo BS in postajami SS so lahko simetrični ali asimetrični. 9.7.7.3. Standardizacija Kot smo že omenili, poteka standardizacija WiMAX pod okriljem IEEE v delovni skupini 802.16. Prvi standard 802.16-2001 je bil potrjen oktobra leta 2001 in je določal tehnologijo za fiksni brezžični dostop, ki omogoča delovanje v radijskem spektru od 10 do 60 GHz. Zaradi visokega frekvenčnega področja je potrebna neposredna vidljivost, tako imenovana LOS (Line of Sight), ki za 266 implementacije v urbanih okoljih ni najbolj primerna. Z dopolnitvijo osnovnega standarda se je področje delovanja razširilo tudi na frekvence pod 10 GHz. Z izbiro ustreznega modulacijskega in kodirnega postopka je tako omogočeno delovanje tudi na lokacijah, kjer med bazno postajo (BS – Base Station) in naročniškimi postajami (SS – Subscriber Station) ni direktne vidljivosti (NLOS – Non Line-of-Sight). V tabeli 1 so navedeni štirje najpomembnejši standardi in njim pripadajoči osnovni parametri, ki so osnova za delovanje sistema WiMAX. Tabela 1: Standardizacija WiMAX ( povz. po Sweeney, 2006, str. 6) 802.16 802.16a 802.16-2004 802.16e Sprejet 2001 2003 2004 2005 Spekter 10 do 66 GHz od 2 do 11 GHz od 2 do 11 GHz < 6 GHz Tip povezave LOS OLOS NLOS NLOS do 134 Mb/s do 100 Mb/s do 100 Mb/s Do 15 Mb/s (28 MHz kanal) (20 MHz kanal) (20 MHz kanal) (5 MHz kanal) OFDMA (16QAM, Enaka modulacija kot 64QAM, 256QAM pri 802.16-2004 Bitni pretok Modulacija Pasovna širina kanala QPSK, 16QAM, 64QAM Ločitev smeri prenosa Način sodostopa UL/DL 64QAM, 256QAM) 3, 6 MHz; 20, 25, 28 MHz 3.5, 7, 14 MHz; 10, 20 MHz Mobilnost Tipičen radij celice OFHD (16QAM, Prilagodljivo od 1.25 MHz do 20 MHz fiksno fiksno in nomadsko fiksno in nomadsko od 1,5 do 5 km, od 5 do 8 km, od 5 do 8 km, maksimalni doseg do maksimalni doseg maksimalni doseg do 50 km do 50 km 50 km FDD, H-FDD, TDD TDMA / TDM FDD, TDD, HFDD 5 MHz mobilno, roaming 1,5 do 5 km FDD, TDD TDMA, TDMA, OFDMA/TDM OFDMA/TDM SOFDMA 9.7.7.4 Fizični sloj Ker se frekvenčni pas standarda IEEE 802.16a tako zelo razlikuje od frekvenčnega pasu standarda IEEE 802.16, je bilo potrebno zanj uvesti nekatere spremembe na nivoju fizičnega sloja, ki bi ustrezale potrebam frekvenčnega pasu med 2 in 11 GHz. To je predvsem uvedba sodostopa OFDMA. Precej pa so v standardu 802.16a izboljšali tudi sloj dostopa do medija MAC (Media Access Control). 267 9.7.7.4.1 Radijske značilnosti Na sliki 9.43 so zbrani frekvenčni pasovi v območju med 2 in 11 GHz, kjer je možna uporaba tehnologije WiMAX. Licenčni frekvenčni prostor, ki je v Evropi predviden za uporabo v brezžičnih lokalnih zankah (WLL – Wireless Local Loop), se giblje med frekvencama 3,4 in 3,8 GHz. Razpoložljivi spekter je tako širok 400 MHz. V Sloveniji za storitve FWA, v našem, primeru za WiMAX, na voljo frekvenčni pas med 3410 in 3600 MHz. Frekvenčni pas je torej širok 190 MHz. V Sloveniji sta dovoljenje za uporabo frekvenc v tem frekvenčnem pasu dobila Telekom Slovenije in Tok telekomunikacije. Telekom Slovenije je dobil dvakrat po 21 MHz. Spodnji pas je med 3473 in 3494 MHz, zgornji pas pa med 3573 in 3594 MHz. Pasovna širina posameznega prenosnega kanala je tako 7 MHz, kar omogoča ob predpostavljeni teoretični spektralni učinkovitosti 5 bit/s/Hz v zraku, prenosne hitrosti do 35 Mbit/s. Ob souporabi treh kanalov se teoretična hitrost poveča na 105 Mbit/s. Realna hitrost, ki jo lahko pričakujemo na nivoju ethernet v 7 MHz kanalu, je nižja in se v optimalnih pogojih predpostavlja na približno 19 Mbit/s oziroma, sorazmerno večjo ob souporabi več kanalov. Slika 9.53: Frekvenčni pasovi WiMAX 268 9.7.7.4.1.1 Tipi radijske vidljivosti Glede na različno vidljivost oddajnika in sprejemnika ločimo tri tipe radijskih povezav: LOS – Line of Sight – linija optične vidljivosti, OLOS – Obstructed Line of Sight - omejena optična vidljivost NLOS – Non Line of Sight – brez optične vidljivosti. Za povezave LOS mora biti zagotovljena optična vidljivost širine najmanj 60 % prve Fresnelove cone (slika 9.44), ki je odvisna od oddajne frekvence in dolžine optične poti. Če je zakritega več prostora med oddajnikom in sprejemnikom in je hkrati optična vidljivost še mogoča, gre za radijsko povezavo tipa OLOS. Radijske povezave brez optične vidljivosti so tipa NLOS. Slika 9.54: Določanje tipa radijske vidljivosti (http://www.wimaxforum.org/technology/downloads/WiMAXNLOSgeneral-versionaug04.pdf) 269 9.7.7.4.2 Tehnike prenosa podatkov pri tehnologiji WiMAX 9.7.7.4.2.1 Ortogonalno frekvenčno multipleksiranje - OFDM Frekvenčno multipleksiranje (FDM – »Frequency Division Multiplexing«) je tehnologija s katero se prenaša več signalov istočasno po skupni prenosni poti, kot sta kabel ali zrak. Vsak izmed signalov potuje po svojem frekvenčnem podnosilcu, ki je moduliran s podatki, kot so besedilo, zvok, video itd. Med frekvenčnimi podnosilci je potreben določen frekvenčni razmik (varovalni pas). Frekvenčno multipleksiranje je prikazano na sliki 9.45. Slika 9.55: Frekvenčno multipleksiranje (FDM) Ortogonalno frekvenčno multipleksiranje (OFDM – »Ortogonal Frequency Division Multiplexing«) pa je tehnika razpršenega spektra, ki prenaša podatke preko velikega števila, na gosto posejanih podnosilcev, ki so med seboj ortogonalni oz. pravokotni. Dva podnosilca sta ortogonalna, kadar vrh enega podnosilca sovpada z ničlo sosednjega podnosilca. Ortogonalnost prepreči, da bi demodulatorji videli druge frekvence kot le svoje. V OFDM sistemih, je velik tok podatkov razdeljen na več manjših paralelnih tokov. Vsak takšen manjši podatkovni tok je dodeljen posameznemu podnosilcu, ob uporabi PSK (Phase Shift Keying) ali QAM (Quadrature Amplitude Modulation) modulacije. OFDM predstavlja boljši izkoristek pasovne širine kot FDM, kar prikazuje slika 5. Prednosti OFDM so velika spektralna učinkovitost, odpornost na interference in majhne motnje pri sprejemu signala iz več virov oziroma odbojev. Največja slabost prenosne tehnike OFDM je zahteva po popolni sinhronizaciji med sprejemnikom in oddajnikom. Slika 9.56: Ortogonalno frekvenčno multipleksiranje (OFDM) (http://www.tec.gov.in/technology%20updates/study%20paper%20on%20s-ofdma-N%20divn.pdf) 270 Kljub omenjeni slabosti vsebuje OFDM veliko pozitivnih lastnosti, kar je glavni razlog njegove uporabe. Klasično slabljenje (typical fading) vpliva le na določene podpasove, kar kompenziramo z uporabo razpršenosti in kanalskih kodiranj. Komunikacija med oddajnikom in sprejemnikom pa je pol-dupleksna. 9.7.7.4.2.2 Sodostop OFDMA Sodostop OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) uporablja mnogo podnosilcev, ki so si zelo blizu skupaj. Podnosilci (sub-carriers) so razdeljeni v skupine podnosilcev. Vsako tako skupino imenujemo podkanali (sub-channels). Podnosilci, ki tvorijo podkanal, si morajo biti blizu. Na slik 9.47 podnosilci iste barve oz. odtenka predstavljajo en podkanal. Slika 9.57: Porazdelitev podkanalov OFDMA (http://www.tec.gov.in/technology%20updates/study%20paper%20on%20s-ofdma-N%20divn.pdf) 9.7.7.4.2.3 Struktura OFDMA simbolov in porazdelitev podkanalov Pri OFDMA je vsak simbol (slika 9.48) sestavljen iz: - podnosilcev za prenos podatkov oziroma informacije, (Data sub-carriers) - podnosilcev za sinhronizacijo, (Pilot sub-carrieres) - podnosilca, ki predstavlja centralno frekvenco, (DC sub-carrier) ter - varnostnih podnosilcev, namenjenih za zagotavljanje ločevanja posameznih signalov OFDMA. (Guard sub-carriers – tudi Guard Bands) 271 Slika 9.58: Struktura podnosilcev pri OFDMA (http://www.tec.gov.in/technology%20updates/study%20paper%20on%20s-ofdma-N%20divn.pdf) Aktivni podnosilci (sub-carriers), to so podnosilci data in pilot, so združeni v skupine, imenovane podkanali. 9.7.7.4.3 Načini dostopa pri WiMAX-u – FDD in TDD Standard 802.16e podpira dostope TDD, FDD in half–duplex HD-FDD. Trenutno standard zahteva le dostop TDD zaradi določenih prednosti, ki jih ima pred FDD. Prednosti tega dostopa so: TDD potrebuje samo eno frekvenčno območje za delovanje, medtem, ko FDD potrebuje dva; implementacija TDD je manj kompleksna; TDD omogoča nastavljanje asimetričnega uplink/downlink. Pri FDD je le ta simetričen oziroma nastavljanje asimetričnega težje izvedljivo. 9.7.7.4.3.1 Dostopa FDD in HD-FDD Dostop FDD (Frequency Division Duplex - Frekvenčno deljen dupleks) zahteva, v istem časovnem oknu, en frekvenčni kanal za prenos v smeri UL (Up link) in drugega za prenos v smeri DL (Down link) - slika 9.49. Kot primer, kjer se uporablja FDD, lahko omenim dvosmerno govorno storitev, ki zavzame enako velik spekter v smeri DL in UL. Večinoma se FDD uporablja pri celičnih omrežjih druge in tretje generacije. Razlika med FDD in HD-FDD je, da pri FDD uporabniška postaja sprejema in oddaja istočasno, pri pol dupleksu pa uporabniška postaja lahko v danem trenutku le sprejema ali oddaja. 272 Slika 9.59: Frekvenčno deljeni dupleks - FDD (http://www.conniq.com/WiMAX/tdd-fdd.htm) FDD je neučinkovita pri asinhronih podatkovnih storitvah, ker lahko v določenem trenutku podatkovni promet zavzame le majhen del pasovne širine kanala. 9.7.7.4.3.2 Dostop TDD Pri TDD (Time Division Duplex - Časovno deljen dupleks) za prenos informacije v smeri UL (Up link) in DL (Down link) uporabimo le en frekvenčni kanal v dveh različnih časovnih oknih (slika 9.50). Iz tega dejstva razberemo, da ima TDD večjo spektralno učinkovitost kot FDD, saj poleg ločenih frekvenčnih kanalov za oddajo in sprejem pri FDD potrebujemo še okoli 100 Hz frekvenčnega pasu za ločitev oddaje in sprejema, da ne pride do medsebojnih motenj. Z uporabo TDD se dinamično prilagaja tudi razmerje DL/UL, zato ga lahko uporabljamo tako pri simetričnem kot asimetričnem podatkovnem prometu. Slika 9.60: Časovno deljeni dupleks – TDD (http://www.conniq.com/WiMAX/tdd-fdd.htm) Večina izvedb WiMAX uporablja dostop TDD. Glavni razlog za to sta prihranek frekvenčnega pasu, saj za TDD porabimo le pol frekvenčnega pasu, ki ga za prenos uporabi dostop FDD in manj zapletena oprema, ki je zaradi tega tudi cenejša. Prve izvedbe fiksnih sistemov WiMAX so omogočale uporabo TDD in FDD, medtem ko mobilni WiMAX uporablja samo dupleks dostop TDD. 273 9.7.7.5 Sloj MAC (Media Access Control) – sloj dostopa do medija Sloj MAC zagotavlja povezavno usmerjenost storitev. V osnovi določa način dostopa uporabnikov do prenosnega kanala. Standard IEEE 802.16a uporablja časovno porazdeljen sodostop TDMA (Time Division Multiple Access), ki ga uravnava bazna postaja tako, da dovoljuje posameznim naročniškim enotam dostop do medija v določenih časovnih presledkih. Sodostop TDMA, skupaj z ustreznim pametnim krmiljenjem omogoča, da so sistemi WiMAX zmožni prenašati podatke z visoko hitrostjo in da so primerni tudi časovno občutljive informacije, kot sta zvok in video ali pa dostop do velikih zbirk podatkov. 274 10 VARNOST V TELEKOMUNIKACIJSKIH SISTEMIH 10.1 Uvod Tajno komuniciranje ima dolgo in burno zgodovino. Iz zgodovinskih virov lahko razberemo, da so preprosto kriptografijo uporabljali že stari Egipčani pred 4000 leti. Poznana je tudi kriptografska metoda Julija Cezarja, ki je sporočila svojim vojaškim poveljnikom šifriral tako, da je vsako črko v sporočilu zamenjal s črko, ki je v abecedi tri mesta desno. Med obema svetovnima vojnama, še zlasti pa v drugi svetovni vojni, je kriptografija odigrala eno od svojih najpomembnejših vlog. Brezmejno zaupanje Nemcev v nezlomljivost šifrirnega stroja Enigma in očitno napačna ocena kriptografske zaščite podatkov ki jo je nudil, je do dobra vplivala na potek in trajanje druge svetovne vojne. Če je bila dolga leta domena kriptografije zaščita vojaških in državnih skrivnosti, je z razvojem računalniških omrežij in informacijskih tehnologij, postala orodje za vsesplošno zaščito podatkov. K temu je v veliki meri prispevala tudi iznajdba asimetrične kriptografije s kombiniranimi javnimi in tajnimi ključi. Moderna kriptografija tako ni več zgolj orodje za zaščito podatkov temveč postaja vse bolj tudi orodje za zaščito človekovih pravic opredeljenih v Splošni deklaraciji o človekovih pravicah, ki jo je sprejela Generalna skupščina OZN. V ta namen pa je potrebno zagotoviti zanesljiva in varna kriptografska orodja brez tako imenovanih "zadnjih vrat", namenjenih prisluškovanju. Zal je takšnih orodij zaenkrat še zelo malo, pa še ta niso v splošni komercialni uporabi. To je lahko tema kakšne od razprav o spoštovanju človekovih pravic ali celo predmet dopolnitve že prej omenjene deklaracije o človekovih pravicah. 10.2 Osnove tajnega komuniciranja Tajno komuniciranje temelji na skrivanju ali preoblikovanju sporočil. Obe metodi lahko uporabimo ločeno ali skupaj. Prenašanje sporočil na način, da prikrijemo njihov obstoj imenujemo tudi stegnografija. Beseda izvira iz grških besed steganos (prikrit) in graphein (pisati). Stegnografija je bila v zgodovini verjeten prva metoda tajnega komuniciranja. Načini, kako skriti sporočila na njegovi poti so bili bolj ali manj domiselni. Med bolj domiselne vsekakor spada pisanje sporočil na trdo kuhana jajca. Sporočilo napišemo na lupino trdo kuhanega jajca z mešanico kisa in 278 galuna. Tako zapisano sporočilo na lupini ni vidno, se pa prek nje prenese na jajce. Slika10.1: Osnovne oblike tajnega komuniciranja Preberemo ga preprosto tako, da jajce olupimo. Drug pogost način skrivanja sporočil je pisanje z nevidnim „črnilom“. Če na list papirja zapišemo sporočilo z limoninim sokom ostane to nevidno toliko časa, dokler papir ne segrejemo in postane zapis zaradi toplote temno rjav. Stegnografijo, kot način prikrivanja podatkov lahko uporabimo tudi v modernih informacijskih sistemih. Originalna fotografija Fotografija s skritim besedilom Sliki 10.2: Originalna fotografija in fotografija s skritim besedilom 279 Sporočila lahko skrivamo v slikovne, zvočne ali kakšne druge datoteke. Fotografiji na sliki 10.2 sta si na prvi pogled identični. Razlikujeta se v tem, da je v desni skrito sporočilo. Stegnografija sama po sebi nudi določeno stopnjo zaščite vendar samo toliko časa, dokler sporočilo ni odkrito. Ko sporočilo odkrijemo, ga lahko tudi preberemo. Boljša metoda od prikrivanja obstoja sporočila je njegovo preoblikovanje v obliko, ki bo razumljiva samo naslovniku Prenašanje sporočil na način, da ga preoblikujemo v nerazumljivo obliko imenujemo kriptografija. Beseda izvira iz grških besed kryptos (skriti) in graphein (pisati). V splošnem lahko besedilo preoblikujemo v nerazumljivo obliko z mešanjem (transpozicijo) črk iz katerih je sestavljeno ali z zamenjavo črk oziroma besed z drugimi črkami oziroma znaki (substitucijo). Tako preoblikovana sporočilo za razliko od originalnega sporočila, čistopisa (cleartext) imenujemo tajnopis (ciphertext). Postopku preoblikovanja sporočila iz čistopisa v tajnopis pravimo kriptografija. Pri transpoziciji črke besedila razporedimo po drugačnem vrstnem redu. Pri zelo kratkih besedah je ta postopek nezanesljiv, saj je število možnih kombinacij relativno majhno. S povečevanjem števila besed se število možnih kombinacij drastično poveča. Zgornji stavek sestavlja 65 črk, ki jih lahko razporedimo na 8,2476506 ⋅ 10 90 načinov. Takšno naključno razporejanje črk nam daje teoretično veliko stopnjo zaščite. Praktična težava je v načinu kako „premetati“ črke, da jih bo naslovnik lahko „premetal“ v prvotni vrstni red. Da bi bila transpozicija uporabna, se morata pošiljatelj in naslovnik dogovoriti o priročnem sistemu „premetavanja“ črk, ki bo dal zadovoljivo stopnjo zaščite in bo kljub temu enostaven. Ena od možnosti je da vsako drugo črko zapišemo spodaj, tako da nastaneta dva stavka, zgornji z lihimi in spodnji s sodimi črkami. Nato spodnji stavek zapišemo v nadaljevanju zgornjega. Soeeajmtvlbsdetvlmžikmiaidatčooea pvčvnešeiaeesšeioonhobncjrsinpvč Tako nastali stavek se glasi: Soeeajmtvlbsdetvlmžikmiaidatčooeapvčvnešeiaeesšeioonhobncjrsinp vč. Naslovnik mora dokaj enostavni postopek transpozicije v obratnem vrstnem redu, da bo dobil nazaj prvotni stavek. 280 izvesti V zgodovini šifriranja je najbolj poznan postopek transpozicije sporočil Scytale. Scytale je papirnat trak navit na okroglo palico Na tako navit trak napišemo sporočilo. Ko trak odvijemo se posamezne črke sporočila med seboj premešajo. Sporočilo lahko preberemo samo, če trak ponovno navijemo na palico enake debeline. Slika 10.3: Scytale Pri substituciji posamezne elemente besedila, beseda ali črke zamenjamo z drugimi nadomestnimi znaki. Nadomestni znaki so lahko črke, številke ali drugi dogovorjeni znaki. Postopek zamenjave besed se imenuje kodiranje, zamenjave črk pa šifriranje. Za šifriranje slovenskih tekstov je potrebno vsako od 25 črk slovenske abecede nadomestiti z drugo črko, številko ali znakom. Takšno šifro imenujemo monoalfabetska šifra Popolnoma vseeno je s čim in kako nadomestimo posamezne črke. Pomembno je le, da nadomestimo vse črke, saj s tem dosežemo največjo stopnjo zaščite. Načinu, kako smo nadomestili posamezne črke pravimo ključ. Za uspešen in varen prenos šifriranih sporočil morata ključ poznati in ga skrbno varovati pošiljatelj in naslovnik sporočila. V zgodovini je poznana Cezarjeva metoda šifriranja sporočil, pri kateri je Cezar preprosto zamenjal vsako črko abecede s črko ki stoji tri mesta pred njo. Po Cezarjevi metodi bi črko A zamenjali s črko Č, črko B s črko D in tako naprej. Po tej metodi lahko v slovenski abecedi naredimo 24 premikov, kar pomeni 24 različnih ključev šifriranja. Tako malo število ključev ne predstavlja velike varnosti, zato si je nujno potrebni izmisliti še dodatne metode zamenjave črk. Teoretično lahko izbiramo med 1,551121 ⋅ 10 25 ključi. Še večje število ključev lahko dobimo, če uporabimo metodo šifriranja, pri kateri eno črko ne zamenjamo samo z drugo temveč z več drugimi. Takšno šifro imenujemo polialfabetska šifra. Katera od več drugih jo nadomešča je odvisno od ključa. V zgodovini je bila prva takšna metoda šifriranja z Vigenerovim kvadratom. Pri šifriranju z Vigenerovim kvadratom predstavlja ključ vrstico, kjer so nadomestne črke. Čim daljši je ključ, tem večja je stopnja zaščite. Idealno bi bilo, ko bi bil ključ enake 281 dolžine, kot je sporočilo. Poglejmo si primer šifriranja z Vigenerovim kvadratom. Besedilo: „Napadli b omo zjutraj ob osmih“ šifriramo s ključem „geslo“. n a p a d l i b o m o z j u t r a j o b o s m i h g e s l o g e s l o g e s l o g e s l o g e s l o t e h l r r m t z a u d b f h x e b z p u w e t v Šifrirano besedilo se glasi: „teglrrmtzaudbfhxebzpuwetv“. A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I K L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J L M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K M N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L N O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M O P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N P Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O Q R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P R S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q S T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R T U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S U V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T V W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U W X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V X Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W Y Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Z A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Slika 10.4: Vigenerov kvadrat za angleško abecedo Pri kodiranju sporočil nadomestimo z dogovorjenimi znaki posamezne besede sporočila. Besedilo: „Napadli bomo zjutraj ob osmih“ lahko kodiramo tako, da se za vsako besedo sporočila dogovorimo za kodo. 001 napadli 102 bomo 405 zjutraj 206 ob Kodirano besedilo se tako glasi: „001102405206444“. 282 444 osmih Na prvi pogled izgleda kodiranje varnejše od šifriranja. V splošnem to drži, vendar ima eno bistveno slabost. Zaradi velikega števila možnih besed je knjiga kodov obsežna in nerodna za uporabo. Veliko težje je tudi uporabljati različne ključe, saj vsak ključ pomeni svojo kodno knjigo. Ravno zaradi te pomanjkljivosti so se v zgodovini veliko pogosteje uporabljale šifre. Kot knjigo kodov je mogoče uporabiti tudi običajno knjigo. Iz zgodovine je poznan primer kodiranja sporočil, ki jih je nemški vohun Alex Wollf kodiral s pomočjo Daphne du Maurier's ove novele Rebecca. Alex Wollf je bil nemški vohun, ki je z vojaškimi načrti Britancev oskrboval nemškega generala Erwina Rommela, poveljnika afriškega korpusa. V svetu kriptografije je zanimiva tudi knjiga znana pod imenom »Vojničev rokopis«. To je knjiga neznanega avtorja napisana v neznanem jeziku okvirno med letoma 1450 in 1520. Knjiga je zanimiva predvsem zato, ker do sedaj še nihče ni uspel dešifrirati niti ene besede iz knjige. Ravno to dejstvo je prineslo Vojnovičemu rokopisu veliko slavo. Po drugi strani pa vzbudilo pomisleke, da je knjiga samo spretna potegavščina brez kakršne koli logične vsebine. Na spodnji sliki je odlomek iz ene strani, tako da lahko presodite sami. Slika 10.5: Odlomek iz Vojnovičevih rokopisov 283 10.3 Tajno komuniciranje v komunikacijskih sistemih 10.3.1 Kriptografija v komunikacijskih sistemih Z razvojem komunikacijskih sistemov se je pojavila potreba po razvoju hitrejših in varnejših načinov zaščite informacij. Klasične ročne metode kriptiranja so postale prepočasne in premalo varne za zaščito velikih količin podatkov. Razvoj tehnologije na področju telekomunikacij je omogočil tudi avtomatizacijo postopkov zaščite informacij. Prve mehansko električne kriptirne naprave so delovale na principu šifriranja podatkov z uporabo polialfabetskih šifer. Postopek je bil zelo podoben klasičnemu šifriranju z Vigenerovim kvadratom. Ker je za postopek šifriranja sedaj skrbel stroj, je bilo mogoče uporabiti bolj zapletene načine medsebojne zamenjave črk, kar je pomenilo večjo varnost šifriranja. Najbolj poznana mehansko električna kriptirna naprava iz tistega časa je nemška Enigma. Imela je tipkovnico, nad katero je bilo polje žarnic, ki so predstavljale posamezne črke zapisane v enakem vrstnem redu kot na tipkovnici. Ob vsakokratnem pritisku na eno tipko, se je prižgala ena od žarnic. Črka, pri kateri se je prižgala, je predstavljala nadomestno črko črki, ki smo jo pritisnili na tipkovnici. Kripter je s tem ko je tipkal besedilo sporočila na enigmi dobil za vsako črko sporočila njeno nadomestno črko. Zaporedje vseh nadomestnih črk je predstavljalo šifrirano prvotno sporočilo. Da bi dobili nazaj prvotno sporočilo, je bilo potrebno šifrirano sporočilo ponovno odtipkati na Enigmi. Tehnično gledano se je s pritiskom na tipko vsakič vzpostavil električni tokokrog, v katerem se je prižgala žarnica. O tem, katera žarnica se bo prižgala oziroma kateri tokokrog se bo vzpostavil je so odločale povezave na prednji plošči in tri vrteča se kolesa na vrhu. Povezave na prednji plošči in postavitev vrtečih se koles so določale ključ po katerem je Enigma šifrirala sporočilo. Za uspešno dešifriranje šifriranega sporočila je bilo potrebno imeti Enigmo in poznati ključ, s katerim je bilo sporočilo šifrirano. 284 Slika 10.6: Šifrirni stroj Enigma Bistveni element ključa Enigme so bila tri vrteča se kolesa. Ob vsakem pritisku na tipko se je prvo kolo zavrtelo in tako spremenilo tokokrog. Slika 10.7: Vrteča se kolesa ki so omogočala polialfabetsko šifriranje Ista črka je bila tako vsakič nadomeščena z drugo nadomestno črko, kar je omogočalo polialfabetsko šifriranje. Po šestindvajsetih premikih oziroma enem obratu prvega kolesa seje drugo kolo premaknilo za eno pozicijo. 285 Prvotna Enigma je imela tri takšna kolesa, tako da je bilo prvotnih pozicij koles 17576. c n = 26 3 = 17576 10.1 c = število črk n = število uporabljenih koles V primerjavi z Vigenerovim kvadratom, ki je imel le 26 možnih kombinacij, je to občutno več. Vsaka Enigma je imela na razpolago pet koles z različnimi povezavami vhodnih in izhodnih priključkov. Vsakič je bilo tako možno uporabiti tri od petih razpoložljivih koles, kar skupaj pomeni 60 možnih kombinacij (5 ⋅ 4 ⋅ 3 ) . n −1 ∏ (m − i) = i =0 2 ∏ (5 − i) = 60 10.2 i =0 n = število uporabljenih koles m = število razpoložljivih koles Slika 10.8: Povezave tokokrogov v Enigmi Na sprednji plošči Enigme je možno uporabiti trinajst povezovalnih kablov. Možnih je 532.985.208.200.576 kombinacij povezav kablov. c! = ∑ i i = 0 (c − 2 ⋅ i )! ⋅ i! ⋅ 2 k 13 26! ∑ (26 − 2 ⋅ i)! ⋅ i! ⋅ 2 i =0 i 286 = 532.985.208.200.576 10.3 c = število črk k = število povezovalnih kablov Skupno število ključev šifrirnega stroja Enigma je produkt vseh gornjih kombinacij 60 ⋅ 17576 ⋅ 532.985.208.200.576 = 562.064.881.159.999.500.000 ključev Enigma je v svojem času predstavljala resnično zmogljiv šifrirni stroj. Razlogov za razbitje njene šifre je bilo več. Po eni strani gre zasluga Poljakom, ki so pod vodstvom Mariana Rejewskega prvi „razbili“ šifro predvojne različice Enigme. Večji delež zasluge gre nedvomno genialnemu angleškemu matematiku Alanu Turingu, ki je uspešno „razbil“ šifre vseh medvojnih različic Enigme. Slika 10.9: Alan Turing Za uspešno razbitje Enigme nosijo krivdo tudi Nemci sami, zaradi mnogokrat nepremišljene in nepravilne uporabe. Kakor koli že, razbitje Enigme je pomenilo velik uspeh dekripterjev in hkrati tudi zaton klasičnih mehansko električnih šifrirnih strojev. Obdobje, ki je sledilo je bilo obdobje računalnikov. To je predvsem zasluga prvega računalnika z imenom Colossus, ki je triumfiral pri „razbitju“ šifre drugega manj znanega in od Enigme zmogljivejšega nemškega šifrirnega stroja 287 Lorenza. Colossus je bil predhodnik sodobnih računalnikov, ki so omogočili še boljše in sposobnejše metode šifriranja podatkov. Bitka med kripterji in dekripterji se je tako preselila v svet digitalnih podatkov. Slika 10.10: Šifrirni stroj Lorenz in računalnik Colossus 10.3.2 Kriptofonija v komunikacijskih sistemih Posebno poglavje je kriptiranje klasičnih analognih govornih komunikacija ali na kratko kriptofonija. Osnovna ideja kriptofonije je kako preoblikovati govorno sporočila, da bo postalo nerazumljivo za vse ki jim ni namenjeno in hkrati razumljivo tistemu, ki mu je namenjeno. Za razliko od kriptografije, ki ima svoje korenine že daleč v zgodovini, je kriptofonija dokaj nova veda, saj je postala aktualna šele s prihodom analognih govornih komunikacijskih sistemov. Prvi patentirani kriptofonski telefon iz leta 1881 je deloval na principu preklapljanja med dvema neodvisnima linijama. Pri prisluškovanju samo ene linije je bilo tako mogoče prestreči v povprečju le 50% celotnega sporočila. V nasprotju s pričakovanjem je bila razumljivost prestreženega sporočila dobra. Kriptofonsko je mogoče govorna sporočila zaščititi s spreminjanjem sporočila v časovnem ali frekvenčnem prostoru. Lahko uporabimo tudi kombinacijo obeh metod. 10.3.2.1 Kriptofonija v frekvenčnem prostoru Najstarejši postopek kriptofonije v frekvenčnem prostoru je inverzija frekvenčnega spektra. Inverzijo frekvenčnega spektra je v dvajsetih letih 288 prejšnjega stoletja prva uporabila Poštna uprava v Združenih državah Amerike za zaščito telefonskih pogovorov. Frekvenčni spekter govora v obsegu od 300 Hz do 3400 Hz so obrnili okoli sredinske frekvenca 1850 Hz. Najnižja frekvenčna komponenta 300 Hz se premakne na mesto 3400 Hz in obratno. Na enak način se premaknejo tudi ostale frekvenčne komponente. Edina ki ohrani mesto je centralna. Slika 10.11: Inverzija frekvenčnega spektra Z inverzijo frekvenčnega spektra dobimo popolnoma nerazumljiv govor. Težava te metode kriptofonije je v tem, da obstaja samo en način oziroma en ključ zaščite. Težavo lahko rešimo tako, da frekvenčni spekter razdelimo v podspektre. Posamezne podspektre lahko medsebojno poljubno zmešamo, in obračamo. Slika 10.12: Inverzija in mešanje frekvenčnih podspektrov Pri petih podspektrih dobimo 3840 možnih kombinacij oziroma kriptofonskih ključev. 289 p! ⋅ 2 p = 5! ⋅ 2 5 = 3840 10.4 p = število podspektrov V praksi se izkaže, da je od 3840 možnih kriptofonskih ključev praktično uporabnih le 12 oziroma da jih le 12 da takšno zaščito govornega sporočila, da ta po kodiranju ni več razumljiv. S povečevanjem števila frekvenčnih podspektrov večamo število možnih kriptofonskih ključev. Kljub temu se število praktično uporabnih kriptofonskih ključev ne povečuje temveč prej obratno. Ena od možnosti kriptofonske zaščite govora v frekvenčnem prostoru je zaščita s frekvenčno modulacijo. Frekvenčni spekter govora preoblikujemo tako, da govor frekvenčno moduliramo. S frekvenčno modulacijo premaknemo posamezne frekvenčne komponente govora v ritmu modulacijskega signala. Frekvenčni spekter tako dobljenega kriptiranega govora je širši od frekvenčnega spektra originalnega govora. Razširitev spektra je odvisna od stopnje frekvenčne modulacije in predstavlja največjo pomanjkljivost te metode kriptofonske zaščite govora. 10.3.2.2 Kriptofonija v časovnem prostoru Govorno sporočilo lahko kriptofonsko zaščitimo s spreminjanjem njegove oblike v časovnem prostoru. Ena od možnosti je dodajanje odmevov. Odmeve lahko dodajamo z različnimi močmi in časovnimi zakasnitvami. V praksi se izkaže, da mora biti odmev zakasnjen vsaj 50 ms ali več. Slika 10.13: Dodajanje odmevov 290 Druga in hkrati najboljša metoda kriptofonske zaščite govornega signala je zaščita s časovno sekvencizacijo. Govor razdelimo na časovne odseke v trajanju od 40 do 80 ms in jih po dogovorjenem ključu medsebojno pomešamo. Slika10.14: Časovna sekvencizacija Časovni odseki dolžine od 40 do 80 ms so po trajanju enaki posameznim glasovom govora. Na ta način v bistvu torej medsebojno mešamo glasove govornega sporočila. Če medsebojno mešamo odseke, ki so si zadosti oddaljeni, vsaj pet ali več mest, postane tako kodiran govor nerazumljiv. Medsebojni premiki posameznih sekvenc govora so majhni v primerjavi s trajanjem govora samega oziroma faz v govoru. Zato se tok in ritem kodiranega govora v primerjavi z ne kodiranim govorom ne menjata. Izkušeni poslušalci lahko s poslušanjem kodiranega govora ugotovijo spol in jezik govornika ter način na katerega govori, vključno z emocijami. Ključ mešanja časovnih odsekov je lahko eden, lahko pa jih je tudi več. V primeru več ključev, jih v določenih časovnih intervalih menjamo. Zaščita je večja v primeru ko uporabljamo več ključev. Za uspešno dekodiranje moramo poznati ključ oziroma ključe s katerimi je govor kodiran ter interval in način njihove uporabe. Govor kodiran s časovno sekvencizacijo mora vsebovati tudi sinhronizacijo, saj v nasprotnem primeru dekodiranje ni mogoče. Ravno potreba po sinhronizaciji je največja pomanjkljivost kodiranja s časovno sekvencizacijo. Z digitalizacijo govornih komunikacij je klasična kriptofonija izgubila na svojem pomenu. Z digitalizacijo dobi govor enako obliko kot podatki. Pri kriptografski zaščiti v digitalnih komunikacijskih sistemih zato več ne ločujemo med govorom in ostalimi podatki. Edina omejitev pri govoru je v tem, da mora kriptografija potekati v realnem času, saj v nasprotnem primeru pride do prekinitev v samem govoru. 291 10.3.3 Definicija stopnje kriptografske zaščite Stopnja kripto zaščite podatkov se meri z časom, ki ga potrebuje usposobljen kriptoanalitik da ob pomoči razpoložljivih tehničnih sredstev razbije šifrirane ali kodirane podatke z namenom da razbere njihovo vsebino. Stopnja kriptografske zaščite je vedno neznanka, saj praviloma ne poznamo stopnje znanja kripto analitika in moči razpoložljivih tehničnih sredstev. Stopnjo kriptografske zaščite te tako mogoče le bolj ali manj dobro oceniti na podlagi javno znanih podatkov o stopnji razvoja kripto analitskih tehnik in razpoložljivih tehničnih sredstev ob upoštevanju določene varnostne rezerve. Kako pomembna je realna ocena stopnje kriptografske zaščite kažejo izkušnje v zgodovini. Brezmejno zaupanje Nemcev v nezlomljivost šifrirnega stroja Enigme in očitno napačna ocena kriptografske zaščite podatkov ki jo je nudil, je do dobra vplivala na potek in trajanje druge svetovne vojne. Le ugibamo lahko kaj bi se zgodilo, če bi Nemci namesto treh oziroma štirih kolesc uporabljali pet ali več kolesc na svojem šifrirnem stroju že v začetku vojne in kar je še bolj pomembno, če bi stroj uporabljali pravilno. Na stopnjo kriptografske zaščite nedvomno vplivajo uporabljeni kriptografski algoritmi, dolžina uporabljenih ključev in stopnja zaščite tajnih ključev. Pomembna pa je tudi uporabljena programska oprema, ki ji moramo zaupati, da nima vgrajenih tako imenovanih zadnjih vrat, ki proizvajalcu opreme omogoči nepooblaščeno dešifriranje podatkov. 10.3.4 Moderni kriptografski postopki v komunikacijskih sistemih Postopek šifriranja in dešifriranja navadno poteka ob kombinaciji uporabe kriptografskega algoritma in ustreznega ključa. Pri šifriranju podatke pretvorimo iz odkrite v prikrito obliko. Stopnja zaščite tako prikritih podatkov je predvsem odvisna od moči kriptografskega algoritma in tajnosti ključa. Slika 10.15: Šifriranje in dešifriranje podatkov 292 Pred šifriranjem je zaželeno odpraviti redundanco v podatkih. Z odpravo redundance se na eni strani zmanjša obseg podatkov, na drugi strani pa se odpravijo ponavljajoči se vzorci. Zmanjšanje obsega podatkov pohitri postopek šifriranja. Odprava redundance pa poveča stopnjo zaščite. Za stiskanje podatkov, ki odpravlja redundanco so primerni brez izgubni postopki stiskanja, s katerimi dosegamo stopnje stiskanja 1 : 2. Splošno poznani programi za brez izgubno stiskanje so ARJ, ZIP in drugi. 10.3.4.1 Simetrični kriptografski postopki Pri simetričnih postopkih kriptografije se tako pri šifriranju kot tudi pri dešifriranju podatkov uporablja isti tajni ključ. Pošiljatelj s tajnim ključem s pomočjo kriptografskega postopka (algoritma) zašifrira podatke. Naslovnik mora za dešifriranje podatkov uporabiti enak tajni ključ in kriptografski postopek. Kriptografski postopek praviloma ni tajen, zato je varnost tako šifriranega sporočila odvisna izključno od tajnosti ključa. Tajnost ključa je pri masovni uporabi praktično nemogoče ohraniti. To je ključna pomanjkljivost simetrične kriptografije. Slika10.16: Simetrični postopek kriptografije Med prednosti simetričnega postopka kriptografije lahko štejemo relativno enostavne in močne kriptografske postopke (algoritme) ki omogočajo hitro šifriranje in dešifriranje podatkov, kar je še zlasti pomembno pri uporabi kriptografije na podatkih v realnem času. 293 10.3.4.2 Asimetrični postopek kriptografije Simetrična kriptografija zaradi dejstva, da uporablja en sam ključ, v praksi ni uporabna za množično uporabo. Zato je bilo nujno potrebno najti način, kako se izogniti izmenjave ključev. Bistveno vprašanje, ki se pri tem postavlja je, ali je za uspešno šifriranje podatkov izmenjava ključev potrebna? To je na prvi pogled trivialno vprašanje, saj kako pa naj dešifriramo podatke, če ne poznamo ključa po katerem so bili šifrirani? In vendar je to mogoče. Recimo, da želimo svojemu prijatelju poslati tajno sporočilo tako, da položimo v skrinjo, jo zapremo in zaklenemo z obešanko. Ko prijatelj dobi skrinjo jo seveda ne more odpreti, ker nima ključa. Kaj lahko stori? Domisli se genialne rešitve. Skrinjo, ki je že zaklenjena z našo obešanko preprosto zaklene še s svojo obešanko tako da jo doda vzporedno k naši in nam jo pošlje nazaj. Ko dobimo skrinjo zaklenjeno z obema obešankama lahko svojo odstranimo in jo ponovno pošljemo prijatelju. Ker je sedaj zaklenjena le z njegovo obešanko, za katero ima ključ, jo lahko odklene in tako pride do sporočila. Kaj smo pravzaprav storili s tem medsebojnim pošiljanjem skrinje? Prijatelju smo varno in skrito poslali sporočilo, brez da bi si z njim izmenjali ključ. V bodoče se s prijateljem dogovorimo, da nam pošlje nekaj svojih odklenjenih obešank, da jih bomo lahko uporabili pri zaklepanju skrinje, s katero mu bomo pošiljali podatke. Tako zaklenjene skrinje bo lahko odklepal samo on, saj je edini, ki ima ključ za odklepanje obešank. Zgornja preprosta zgodba odkriva nov revolucionaren postopek šifriranja podatkov, ki sta ga odkrila Whitfield Diffie in Martin Hellman ter z njim v temeljih spremenil dotedanje razumevanje šifriranja podatkov. Revolucionarnost njegovega odkritja je bila predvsem v dejstvu, da se je izognil potrebi po neposredni izmenjavi ključev. V telekomunikacijskih sistemih seveda informacij ne pošiljamo v skrinjah, zato opisani postopek praktično ni uporaben. Za šifriranje podatkov uporabljamo matematične algoritme, ki poskrbijo za transformacijo podatkov iz odkrite v prikrito obliko. Najti je treba takšno matematično transformacijo, za katero je težko ali skoraj nemogoče izvesti inverzno transformacijo brez privatnega ključa. Za take transformacije se v teoriji uporablja izraz One-Way Functions oziroma Trap-door one-way functions: inverzna operacija je lahka, če imamo neko dodatno informacijo (trap-door), sicer pa skoraj nemogoča. Diffie-Hellman-ov protokol za izmenjavo ključev je bil prvi protokol, ki je omogočal varno izmenjavo podatkov o ključih, brez da bi si ključa neposredno izmenjali. Celoten postopek poteka na sledeč način: 294 Prvo določimo števili p in g. Število p je praštevilo, število g pa je celo število, ki mora biti manjše od praštevila p. Obe števili javno objavimo. Pošiljatelj izbere naključno število a, ki predstavlja tajni ključ in ga mora zato ohraniti v tajnosti. S pomočjo tajnega števila a in obeh javno objavljenih števil p in g izračuna svoj javni ključ po sledeči enačbi: A = g a mod p 10.5 Prejemnik izbere svoj tajni ključ b in na enak način izračuna svoj javni ključ: B = g b mod p 10.6 Pošiljatelj in prejemnik si javno izmenjata svoja javna ključa. Pošiljatelj si iz svojega tajnega ključa a in javnega ključa prejemnika B izračuna ključ s katerim bo šifriral sporočila, ki jih bo pošiljal prejemniku. Ključ si izračuna po spodnji enačbi: K = B a mod p = g b⋅a mod p 10.7 Prejemnik si prav tako iz svojega tajnega ključa b in javnega ključa pošiljatelja A izračuna ključ s katerim bo dešifriral sporočila, ki jih bo dobil od pošiljatelja. Ključ si izračuna po spodnji enačbi: K = Ab mod p = g a⋅b mod p = g b⋅a mod p 10.8 Ključ, ki si ga je izračunal prejemnik je enak ključu, ki si ga je izračunal pošiljatelj. b⋅a Če je praštevilo p dovolj veliko, je skoraj nemogoče izračunati g mod p a b a iz g mod p in g mod p . Najti bi morali diskretni logaritem a iz g mod p , kar je izredno težko, če je p veliko število. Pri asimetričnem postopku kriptografije se pri šifriranju uporablja javni ključ, pri dešifriranju pa tajni ključ. Javni ključ javno objavi naslovnik sporočila in je praviloma dostopen širši javnosti. Vsi ki želijo poslati prikrite podatke posameznemu naslovniku uporabijo njegov javno objavljeni ključ za šifriranje podatkov. Tako prikrite podatke lahko dešifrira le naslovnik s svojim tajnim ključem. 295 Slika 10.17: Diffie-Hellman-ov Protokol za „izmenjavo ključev“ Bistvena prednost asimetričnega postopka kriptografije je v tem, da mora edino tajni ključ ostati tajen in ga ni potrebno distribuirati, zato ne obstaja nevarnost da pride v neprave roke. Slika 10.18: Whitfield Diffie in Martin Hellman, izumitelja asimetrične kriptografije Distribucija javnega ključa načeloma ni kritična, saj je ta lahko dostopen vsem zainteresiranim. Asimetrična kriptografija omogoča učinkovito zaščito zaupnosti podatkov kot tudi učinkovito zaščito pristnosti in celovitosti podatkov. 296 Slika 10.19: Asimetrični postopek kriptografije Asimetrični kriptografski postopki (algoritmi) so kompleksnejši kot primerljivi kriptoalgoritmi pri simetričnih postopkih kriptografije. Počasnejše je tudi šifriranje in dešifriranje podatkov, kar je še zlasti neugodno pri uporabi kriptografije na podatkih v realnem času. Ključi morajo biti dosti daljši od primerljivih ključev pri simetričnih postopkih kriptografije, poleg tega pa obstaja tudi nevarnost lažnih javnih ključev. 10.3.4.2.1 Kriptografski algoritmi in ključi Kriptografski algoritem je zapisani postopek za šifriranje in dešifriranje sporočil, ki temelji na eni ali več ustreznih matematičnih funkcijah. Ob uporabi ustreznega ključa s kriptografskim algoritmom pretvorimo odkrita sporočila v prikrita sporočila. Kriptografski algoritem vsebuje enega ali več postopkov šifriranja, ki temeljijo na zamenjavi (substituciji) in mešanju (transpoziciji) bitov ki sestavljajo sporočilo. Postopki šifriranja v kriptografskih algoritmih so lahko blokovni ali pretočni. Pri pretočnih postopkih šifriranja šifriramo posamezne bite sporočila po vrsti njihovega prihajanja. Slika 10.20: Pretočno šifriranje Pri blokovnih postopkih šifriranja šifriramo posamezne bloke sporočila v naprej določene dolžine. 297 Slika 10.21: Blokovno šifriranje Kriptografski algoritmi so lahko tajni ali javni. Tako eni kot drugi imajo svoj prednosti in slabosti. Med javnimi kriptografskimi algoritmi so poznani: − DES (Data Encryption Standard) je 64 bitni simetrični kriptografski algoritem, pri katerem so uporabljeni 128 bitni ključi. V uporabi je že od leta 1979 in spada med šibkejše kriptografske algoritme. − Triple DES je postopek kriptografije pri katerem trikrat za povrstjo uporabimo DES algoritem vsakič z drugačnim ključem − RSA je asimetrični kriptografski algoritem − IDEA (International Data Encryption Standard) je 64 bitni simetrični kriptografski algoritem, pri katerem so uporabljeni 128 bitni ključi. Spada med boljše algoritme − RC2 (Rivest Cipher 2) ) je 64 bitni simetrični kriptografski algoritem, pri katerem so uporabljeni ključi različne dolžine − RC4 (Rivest Cipher 4) je privatni algoritem podjetja RSA Data Security, pri katerem so uporabljeni ključi različne dolžine − SAFER (Secure And Fast Encryption Routine) je simetrični kriptografski algoritem, pri katerem so uporabljeni 46 bitni kriptografski ključi. Algoritem nima licence in je v prosti javni uporabi. Avtor algoritma je Massey, ki je razvil tudi algoritem IDEA − FEAL je 64 bitni kriptografski algoritem, pri katerem so uporabljeni 64 bitni ključi. Avtorja algoritma sta A. Shimizu in S. Miyaguchi iz podjetja NTT. − Skipjack je algoritem pri katerem so uporabljeni ključi dolžine 80 bitov. Algoritem je last NSA. − Blowfish je 64 bitni simetrični kriptografski algoritem in je v prosti javni uporabi. Avtor algoritma je Bruce Schnider. 298 Prednosti in slabosti tajnih in javnih kriptografskih algoritmov so: − tajni algoritmi: Prednosti (tajnost, nepoznavanje slabosti, ...) Slabosti: (preverjanje kvalitete, ustreznosti, ...) − javni algoritmi: Prednosti (stalno na očeh strokovne javnosti, ...) Slabosti (javno znane slabosti, ...) 10.3.4.2.1.1 Simetrični algoritmi Pri simetričnih algoritmih uporabimo za šifriranje in dešifriranje isti ključ. Najpreprostejši simetrični kriptografski algoritem ki temelji na logični XOR funkciji je leta 1919 patentiral Gilbert Sandford Vernam (U.S. Patent 1,310,719). Z XOR funkcijo sporočila šifriramo po metodi substitucije. Posamezne bite, ki sestavljajo sporočilo pomnožimo s posameznimi biti ključa s pomočjo XOR funkcije. S K S⊕K 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 S = odkrito sporočilo K = ključ P = prikrito sporočilo ⊕ = XOR funkcija za šifriranje (kriptografski algoritem) P=S⊕K postopek šifriranja S = P ⊕ K = S ⊕ K ⊕ K = S ⊕1 = S postopek dešifriranja 10.9 10.10 Postopka šifriranja in dešifriranja sta simetrična. Ključ mora biti enake dolžine kot sporočilo in mora biti popolnoma naključen. Tako šifriranega sporočila ni mogoče razbiti, zato je ta postopek šifriranja absolutno varen. Glavna težava tega postopka je v ključu, ki ga je potrebno izmisliti za vsako sporočilo posebej ter ga na varen način dostaviti naslovniku. V splošnem so kriptografski algoritmi bolj zapleteni. Na spodnji sliki je primer simetričnega kriptografskega algoritma IDEA z blokovnim šifriranjem. 299 Slika 10.22: Šifrirni algoritem IDEA ⊕ = XOR funkcija. = Seštevanje po modulu 216 = Množenje po modolu 216 + 1 , ničle so interpretirane kot 216 Kriptografski algoritem IDEA kriptirna bloke dolžine 64 bitov deljene na 16 bitne podbloke. Algoritem je sestavljen iz šestnajstih vzporednih šifrirnih algoritmov od katerih ima vsak štiri vhode in izhode. Za kriptiranje se uporablja ključ dolžine 128 bitov vendar je ob iteraciji kriptiranja uporabljenih samo 96 bitov ključa. 10.3.4.2.1.2 Asimetrični algoritmi Pri asimetričnih algoritmih uporabimo za šifriranje in dešifriranje različna ključa. Tipičen primer asimetričnega algoritma je RSA. RSA uporablja javni in privatni ključ, ki sta v osnovi sestavljena iz dveh velikanskih praštevil p in q ter števila e. Praštevili p in q morata ostati tajni, medtem ko število e objavimo kot del javnega ključa. Javni ključ je določen kot: N = p⋅q modul javnega ključa e p q eksponent javnega ključa tajno praštevilo tajno praštevilo 10.11 300 Eksponent javnega ključa e izberemo tako, da ta nima skupnega delitelja z ( p − 1) ⋅ (q − 1). Modul javnega ključa N in eksponent javnega ključa e javno objavimo. Tajni ključ je določen kot: N = p⋅q modul javnega ključa d = e mod(( p − 1) ⋅ (q − 1)) eksponent tajnega ključa −1 10.12 10.13 Eksponent tajnega ključa lahko določimo samo, če poznamo tajni praštevili p in q. Tajni ključ ostane tajen, s tem ko v tajnosti ohranimo obe praštevili in s tem tudi eksponent tajnega ključa. Kriptografski ključ je eden bistvenih elementov kriptografije, saj je to ponavadi edini tajni element v celotnem postopku. Ključ je v splošnem neko veliko število. Čim večje je to število tem večja je pričakovana stopnja zaščite. Ključi pri asimetričnih postopkih kriptografije morajo biti vedno dosti daljši (1024 bitov pri RSA), od primerljivih ključev pri simetričnih postopkih kriptografije (64 – 128 bitov) za pričakovano enako stopnjo zaščite. Ko smo si ustvarili par sestavljen z javnim in tajnim ključem, lahko šifriramo in dešifriramo sporočila ter jih elektronsko podpisujemo. Vsaki črki sporočila moramo določiti številčno vrednost. Ta je lahko enaka vrednostim, ki jih določa ACSI tabela, lahko pa je tudi drugačna. Šifriranje sporočila: Sporočilo šifriramo s pomočjo javnega ključa tako, da šifriramo črko po črko sporočila. Posamezne šifrirane črke sporočila dobimo po enačbi: C = M e mod N M C 10.14 posamezna črka ki sestavlja sporočilo (črka je izražena v obliki številčne kode!) šifrirana posamezna črka sporočila (črka je izražena v obliki številčne kode!) Eksponenti so v modularni aritmetiki enosmerne funkcije, zato iz izračunane vrednosti C ni možno dobiti nazaj vrednosti M kljub temu, da poznamo zgornjo enačbo. 301 Dešifriranje sporočila: Sporočilo lahko dešifriramo izključno z uporabo privatnega ključa kar pomeni, da ga lahko dešifrira samo naslovnik. Posamezne črke šifriranega sporočila dešifriramo po enačbi: M = C d mod N 10.15 Za dešifriranje moramo poznati eksponent tajnega ključa. Asimetrični algoritmi omogočajo poleg šifriranja sporočila tudi njegovo elektronsko podpisovanje. 10.3.4.2.1.3 Zgoščevalne funkcije in elektronski podpis Zgoščevalna funkcija (HASH funkcija) je matematična transformacija, ki da kot odgovor, na vhodne podatke različnih končnih dolžin, podatkovne nize fiksnih dolžin. Vsebina izhodnega podatkovnega niza zgoščevalne funkcije je odvisna od vsebine vhodnih podatkov, pri čemer dva različna vhodna podatka nikoli ne moreta imeti enakega izhodnega podatkovnega niza. Poleg tega je zgoščevalna funkcija enosmerna, to pomeni da iz poznanega izhodnega podatkovnega niza ni mogoče restavrirati vhodnega podatka. Primer zgoščevalne funkcije je funkcija MD5. MD5 nam na vhodna 64 sporočila poljubnih dolžin, vendar ne daljših kot 2 bitov vrne 128 bitov dolg niz podatkov različen za vsako vhodno sporočilo. Slika 10.23: Zgoščevalna funkcija Postopek zgoščevanja začnemo tako, da vhodno sporočilo zapolnimo z dodatnimi biti dokler ne doseže dolžine, ki je za 64 bitov krajše od najbližjega večkratnika 512. Kot prvi polnilni bit v tem postopku uporabimo enico, vsi ostali so ničle. Tako dopolnjenemu sporočilu nato 302 na koncu dodamo 64 bitov dolg podatek o dolžini originalnega sporočila. Sporočilo razdelimo na bloke dolžine 512 bitov. Pred začetkom zgoščevanja določimo začetne vrednosti vseh štirih spremenljivk a, b, c in d. Zgoščevanje začnemo s ponavljajočim se postopkom, ki traja toliko časa, dokler ne obdelamo vseh 512 bitnih blokov vhodnega sporočila. V vsaki ponovitvi izračunamo zgoščeno vrednost trenutnega bloka sporočila. Vsaka ponovitev je sestavljena iz štirih med seboj zelo podobnih s korakov, pri katerih vsakič uporabimo eno od nelinearnih funkcij. F ( x, y , z ) = ( x ∧ y ) ∨ ( − x ∧ z ) G ( x, y , z ) = ( x ∧ z ) ∨ ( y ∧ − z ) H ( x, y , z ) = x ⊕ y ⊕ z I ( x, y , z ) = y ⊕ ( x ∨ − z ) 10.16 funkcije imajo lastnost, da ohranjajo neodvisnost med posameznimi biti. V vsakem koraku se uporabimo drugo funkcijo (v prvem F, v drugem G itd.). Potek enega koraka je prikazan na spodnji sliki. Slika 10.24: Algoritem MD5 zgoščevalne funkcije V posameznem koraku najprej, na treh od štirih spremenljivk a,b,c in d izvedemo eno izmed zgornjih nelinearnih funkcij. Dobljenemu rezultatu dodamo četrto spremenljivko ter nato še trenutni blok sporočila Mj. Nato rezultatu dodamo še konstanto ti, ki smo jo določili na začetku. Dobljeni rezultat nato zamaknemo za s bitov, mu dodamo še eno od osnovnih štirih spremenljivk, ter tako dobljeno vrednost uporabimo kot novo vrednost ene od verižnih spremenljivk (v primeru na sliki priredimo novo vrednost spremenljivki a). Ta postopek nato 16-krat ponovimo za posamezni blok sporočila. Nekaj primerov odgovora zgoščevalne funkcije MD5: 303 a → 0cc175b9c0f1b6a831c399e269772661 sifrirano sporocilo → e0520466bd8bc996ff59e1e8205ef21b V tabeli 10.1 so navedene nekatere od najbolj razširjenih zgoščevalnih funkcij. Zgoščevalna funkcija MD4 MD5 SHA-1 SHA-256 SHA-384 SHA-512 RIPEMD-128 RIPEMD-160 Haval Dolžina izhodnega niza v bitih 128 128 160 256 384 512 128 160 128, 160, 192, 224, 256 Tabela 10.1: Zgoščevalne funkcije Z elektronskim podpisom ne ščitimo zaupnosti podatkov temveč zagotavljamo zgolj njihovo pristnost in celovitost. V asimetričnih postopkih kriptografije uporabi avtor podatkov za elektronski podpis svoj tajni ključ. Naslovnik pa preveri avtentičnost in celovitost podatkov z javnim ključem avtorja podatkov. Slika 10.25: Postopek digitalnega podpisa podatkov Če seveda želimo poleg zagotavljanja zaščite avtentičnosti vsebine podatkov zagotoviti tudi zaščito celovitosti podatkov, mora biti v podpis 304 nekako vključena tudi vsebina podatkov, ki jo podpisujemo. Zaščito celovitosti podatkov zagotovimo tako, da na vsebini podatka izvedemo transformacijo z zgoščevalno funkcijo. Tako dobljeni podatkovni niz fiksne dolžine avtor podatkov šifrira s tajnim ključem. Tako dobljeni šifrirani podatkovni niz fiksne dolžine predstavlja digitalni podpis. Slika 10.26: Uporaba zgoščevalne funkcije pri digitalnem podpisu Šifrirani podatkovni niz fiksne dolžine lahko dešifriramo z javnim ključem avtorja podatkov. S tem preverimo pristnost podatkov. Na vsebini podatkov izvedemo transformacijo z zgoščevalno funkcijo. Dobljeni podatkovni niz fiksne dolžine primerjamo s predhodno dešifriranim podatkovnim nizom fiksne dolžine. Če sta niza enaka je podatek celovit in pristen, torej enak izvornemu podatku. Slika 10.27: Preverjanje pristnosti in celovitosti vsebine 305 Digitalni podpis je v splošnem neko veliko število. Iz praktičnih razlogov ga lahko predstavimo z nizom znakov. Število ki predstavlja digitalni podpis pretvorimo v heksadecimalno število. Po dve in dve cifri heksadecimalnega števila nato pretvorimo prek ASCI tabele v posamezne znake. Digitalno podpisan elektronski dokument natisnemo tako, da na koncu dokumenta natisnemo še niz znakov, ki predstavlja digitalni podpis. Pristnost in celovitost tako natisnjenega dokumenta lahko vedno preverimo tako, da ga pretipkamo v elektronsko obliko in s pomočjo ustreznega kriptografskega programa ob uporabi javnega ključa pošiljatelja preverimo njegovo pristnost in celovitost. Pri pretipkavanju moramo paziti, da verno prepišemo besedilo z vsemu velikimi in malimi črkami ter presledki, saj bo v nasprotnem primeru kriptografski program javil, da dokument ni pristen oziroma celovit! Z RSA algoritmom podpišemo sporočilo tako, da ga prvo obdelamo z zgoščevalno funkcijo, ki je lahko MD5 ali katera druga, ter ga nato podpišemo s svojim tajnim ključem. Posamezne črke podpisa dobimo po enačbi: d S = M h mod N Mh d 10.17 sporočilo obdelano z zgoščevalno funkcijo Naslovnik preveri pristnost sporočila tako, da ga tudi sam obdela z zgoščevalno funkcijo in primerja s podpisom, ki ga je dešifriral s pomočjo našega javnega ključa. To naredi s pomočjo spodnje enačbe: M h = S e mod N 10.18 Če sta si niza dešifriranega ključa in z zgoščevalno funkcijo obdelanega sporočila enaka, je sporočilo pristno. Prstni odtis je kratek podatkovni niz, s katerim lahko preverimo pristnost javnega ključa. Prstni odtis dobimo kot rezultat HASH funkcije nad javnim ključem. S prstnim odtisom lahko zgolj preverimo pristnost javnega ključa, ne moremo pa ga iz prstnega odtisa rekonstruirati. Prstni odtis nam imetnik javnega ključa lahko posreduje v elektronski ali pisni obliki. Dostopno geslo (PHASSPHRASE) je geslo ki nam omogoča zgolj uporabo kriptografskega programa in ustreznih ključev, v same postopku 306 kriptografije pa ne sodeluje. Dostopnega gesla zato ne gre zamenjevati s kriptografskimi ključi, algoritmi, digitalnimi podpisi in drugim. 10.3.4.2.1.4 Varnost asimetrične kriptografije Varnost asimetrične kriptografije je neposredno odvisna od varnosti javnih ključev, ki v sebi skrivajo informacijo o tajnem ključu. Enačba po kateri je pošiljatelj izračunal svoj javni se je glasila: 10.19 A = g a mod p Enačba vsebuje tajni ključ, ki ga je v principu možno izračunati po enačbi: a = log g A 10.20 V splošnem to drži, vendar je potrebno upoštevati, da je enačba za izračun javnega ključa enačba modularne algebre, zato je rešitev za tajni ključ lahko izjemno veliko. Postavi se vprašanje, v kolikšnem času jih je vse mogoče izračunati in preveriti? Izkaže se, da je ta čas nerazumno dolg tudi v primeru da uporabimo še tako zmogljive računalnike. Povečevanje moči računalnikov in postopki vzporednega procesiranja podatkov po eni strani omogočajo vse hitrejše izračunavanje rešitev enačbe 10.20 in s tem razbitje javnega ključa, po drugi strani pa nam omogočajo tudi učinkovitejše šifriranje in uporabo daljših ključev. S podaljševanjem ključev se linearno podaljšuje tudi potreben čas kriptiranja, hkrati pa se eksponentno podaljšuje potreben čas za razbitje javnega ključa. Ta podatek nam je v veliko uteho, saj se s tem varnost asimetričnega šifriranja s povečevanjem zmogljivosti računalnikov v bistvu povečuje. Klasični računalniki tako ne predstavljajo nevarnosti za razbitje javnega ključa asimetrične kriptografije. Za razliko od klasičnih računalnikov, kvantni računalniki s pomočjo kvantne prepletenosti problem izračuna diskretnega logaritma 10.20 rešujejo zelo hitro in učinkovito. To jim omogoča poseben algoritem P.W. Shora opisan v knjigi "Polynomial-Time Algorithms for Prime Factorization and Discrete Logarithms on a Quantum Computer". Pri tem ne pomaga niti podaljševanje ključa, saj se tako čas za kriptiranje, kot tudi čas za razbitje javnega ključa linearno podaljšujeta. Ta podatek je skrajno zaskrbljujoč, saj kvantni računalnik predstavlja resno nevarnost obstoječi asimetrični kriptografiji. Le vprašanje časa je, kdaj bo postala 307 popolnoma neuporabna. Obeti za prihodnost niso tako črni, saj je na obzorju kvantna kriptografija, ki ji kvantni računalniki ne bodo kos. 10.3.5 Kvantna kriptografija 10.3.5.1 Osnovne ideje kvantne kriptografije Kvantna kripografija za razliko od do sedaj poznanih kriptografskih metod ščiti podatke absolutno. To pomeni, da ne ščiti zgolj njihove vsebine temveč tudi njihovo nedotakljivost. Ta njena moč izhaja iz osnovnega principa delovanja, ki temelji na kvantnih principih obnašanja osnovnih delcev svetlobe, fotonov. S tem ko kvantna kriptografija uporablja Haisenbergovo načelo nedoločenosti, zagotavlja absolutno zaščito. Absolutna je zato, ker temelji na osnovnem zakonu kvantne fizike, na katerem temelji fizika sama. Zlom kvantne kriptografije bi tako pomenil tudi zlom kvantne fizike same. Dosedanji kriptografski postopki so se ukvarjali s tem kako zaščititi podatke pred nepooblaščenimi prejemniki. Ko smo tako zaščitene podatke poslali prejemnikom, nismo vedeli ali so jih v roke dobili tudi nepooblaščeni prejemniki in ali so jih uspeli razbrati. Pri pošiljanju podatkov po telekomunikacijskih sistemih, še zlasti radijskih, je bila verjetnost, da so ti padli v roke nepooblaščenim prejemnikom še toliko večja. Kvantna kriptografija odpravlja to bistveno pomanjkljivost kriptografije. Podatke, ki jih pošiljamo v obliki fotonov ni mogoče prestreči, brez da bi jim spremenili določenih kvantnih vrednosti. Ti zato informacijo da so bili prestreženi odnesejo s seboj. Naslovnik tako v vsakem trenutku ve, ali se mu prisluškuje ali ne. Sam postopek kvantne kriptografije poteka v dveh korakih. V prvem koraku si pošiljatelj in naslovnik absolutno varno izmenjata popolnoma naključen ključ, s katerim bosta šifrirala sporočilo. V drugem koraku s pomočjo tako izmenjanega popolnoma naključnega ključa šifrirata podatke z Gilbert Sandford Vernam-ovim algoritmom, ki temelji na XOR funkciji in velja v teh pogojih za absolutno varnega. 10.3.5.2 Protokol za izmenjavo ključev BB84 Kvantno kriptografijo uporabljamo v komunikacijskih sistemih z optičnimi vlakni, kjer kot nosilce informacije uporabljamo posamezne fotone. Fotoni lahko nosijo informacijo s svojo polarizacijo. V splošnem 308 so lahko polarizirani linearno ali krožno. V nadaljevanju nas bodo zanimali samo linearno polarizirani fotoni z različnimi koti polarizacije. Maska + + × × Polarizacija fotona ↔ Logična vrednost 0 1 0 1 Tabela 10.2: polarizacije fotonov Slika 10.28: Prehajanje fotonov skozi navpično polarizirano masko Pri protokolu za izmenjavo ključev BB84 uporabljamo horizontalno/vertikalne polarizacijske maske, ki jih označimo s + in poševne 45 stopinj/135 stopinj polarizacijske maske, ki jih označimo s × . Izmenjava ključev po protokolu BB84 poteka na sledeč način: Pošiljatelj naključno izbere polarizacijske maske + ali × za vsak bit naključnega binarnega niza posebej. Nato v skladu z izbrano polarizacijsko masko in zaporedjem bitov naključnem binarnem nizu polarizira posamezne fotone in jih pošlje prejemniku. Poarizacijsko masko ohrani tajno, dokler prejemniku ne pošlje vseh fotonov. 309 Pošiljatelj najprej ustvari naključni binarni niz enic in ničel. Slika 10.29: Pošiljanje naključnega niza fotonov Prejemnik ne ve kako je pošiljatelj uporabil polarizacijske maske, zato jih pri sprejemu fotonov sam uporabi naključno. Pri tem izmeri, katere fotone je zaznal in katere ne. Slika 10.30: Sprejem naključnega niza fotonov Iz rezultatov meritev prejemnik določi naključni binarni niz, tako kot ga je on sprejel. Ker je naključno postavil polarizacijske maske, pri čemer se je lahko vsakič odločal med dvema enakovrednima možnostma je, upoštevajoč zelo veliko število fotonov, v povprečju narobe postavil 50 % vseh mask. Ko je prenos vseh fotonov končan pošiljatelj in prejemnik med seboj javno izmenjata podatke o postavitvi polarizacijskih mask. Ko poznata obe postavitvi polarizacijskih mask, obdržita samo tiste bite naključnega binarnega niza, pri katerih sta oba izbrala enako postavitev polarizacijske maske. 310 Slika 10.31: Pošiljatelj in prejemnik izbereta samo tiste bite pri katerih sta izbrala enako polarizacijsko masko Tako izbrani biti naključnega binarnega niza predstavljajo ključ, ki je absolutno tajen in ki sta si ga na absolutno varen način izmenjala pošiljatelj in prejemnik. S tem ključem bo pošiljatelj po Gilbert Sandford Vernam-ovem algoritmu, ki temelji na XOR funkciji, šifriral podatke, ki jih bo poslal prejemniku. Te bo lahko dešifriral samo prejemnik, saj le on pozna ključ s katerim so bili šifrirani. 10.3.5.3 Prisluškovanje kvantni kriptografiji Pri sprejemu fotonov prejemnik ni poznal postavitve polarizacijskih mask pošiljatelja. Zato je moral svoje polarizacijske maske postavljati naključno. Verjetnost da na ta način zadane pravo vrednost posameznih bitov naključnega podatkovnega niza je enaka vsoti verjetnosti, da zadane pravilno polarizacijsko masko in verjetnosti da kljub napačno izbrani polarizacijski maski foton zavzame pravilno vrednost. Skupna verjetnost je torej enaka: P = 0.5 ⋅1 + 0.5 ⋅ 0,5 = 0,75 = 75% 10.21 Vsi biti, ki pridejo do prejemnika so pravilni, vendar jih kot take s pomočjo izbora polarizacijskih mask zazna le polovico. Od preostale polovice, ki jih zaradi neprave izbire polarizacijskih mask neposredno ne more zaznati kot pravilne, polovica fotonov sama zavzame pravilne vrednosti. Nepooblaščeni prejemnik lahko prisluškuje komunikaciji, po kateri potujejo fotoni. To lahko počne tako, da s svojim detektorjem s pomočjo polarizacijskih mask prestreza fotone. Ker ne pozna originalne postavitve polarizacijskih mask, ki jo je izbral pošiljatelj, mora polarizacijske maske postaviti naključno. S prestrezanjem fotonov nepooblaščeni prejemnik 311 spremeni četrtino vrednosti vseh fotonov. V tem primeru je verjetnost da prejemnik zadane pravo vrednost posameznih bitov naključnega podatkovnega niza enaka: P = 0.5 ⋅ 0.75 + 0.5 ⋅ 0,5 = 0,625 = 62.5% 10.22 Verjetnost je manjša zato, ker je nepooblaščeni prejemnik prisluškoval komunikaciji. Prejemnik torej lahko s izračunom pravilno sprejetih bitov naključnega binarnega niza neposredno ugotovi, ali so mu prisluškovali. Pomembno je, da to lahko ugotovi že v času izmenjave ključa, zato izmenjava podatkov sploh ni ogrožena. Velja pripomniti, da zgornji izračuni določajo statistično verjetnost sprejema pravilnega bita iz naključnega binarnega niza. Zato veljajo le v primeru zelo velikega števila sprejetih fotonov, ko se njihova porazdelitev verjetnosti v skladu s centralnim limitnim izrekom približa Gaussov porazdelitvi. V praksi je temu skoraj vedno zadoščeno. Za primer stran te knjige v povprečju vsebuje okoli 10.000 bitov teksta, kar že zadošča centralnemu limitnemu izreku. 10.3.6 Tehnologiji IPSec, TSL 10.3.6.1 IPSec Prenos sporočil v paketnih podatkovnih omrežjih poteka v obliki paketov, v katere zapakiramo posamezne dele sporočila oziroma podatkov ki sestavljajo sporočilo. V omrežju Internet se v ta namen uporabljajo tako imenovani IP paketi. IP paket je sestavljen iz glave paketa, v kateri sta poleg ostalih podatkov tudi podatka o IP naslovu pošiljatelja in prejemnika. Ta dva podatka sta ključna za usmerjanje paketa v paketnem omrežju. V nadaljevanju glave paketa so IP podatki, med katerimi so tudi deli našega sporočila. Slika 10.32: Originalni IP paket 312 Celoten mehanizem prenosa podatkov v obliki IP paketov v paketnem omrežju sam po sebi ne nudi nobene zaščite le teh, saj jih lahko prebira vsak, ki prestreže pakete. Če hočemo podatke zaščititi moramo vzpostaviti mehanizem za overovitev IP paketov ali jih šifrirati. Pri overovitvi paketov ne zaščitimo njihove vsebine pred nepooblaščenim branjem. Zagotovimo samo njihovo verodostojnost. Pri šifriranju paketov pa jih zaščitimo tudi pred nepooblaščenim branjem. Pri tem lahko zaščitimo samo podatkovne dele paketa ali pakete v celoti. 10.3.6.1.1 IPSec – izmenjava ključev Izmenjava ključev poteka po internetnem protokolu za izmenjavo ključev IKE. V njem se pošiljatelj in prejemnik dogovorita o varnostnih mehanizmih, ki jih bosta uporabljala (Security Association - SA) in si izmenjata javne ključe ter vse potrebne informacije za izračun ključa, s katerim bosta ščitila podatke. Izmenjava ključev poteka po DiffieHellman-ovem protokolu za izmenjavo ključev. Slika 10.33: Izmenjava ključev 10.3.6.1.2 IPSec – transportni način zaščite Pri transportnem načinu zaščite IP paketov ščitimo samo podatkovni del paketa, glavo paketa pa ohranimo v nespremenjeni obliki. Verodostojnost podatkovnega dela paketa zaščitimo tako, da podatkovnemu delu paketa dodamo tako imenovano avtentikacijsko glavo 313 (AH), ki je v bistvu elektronski podpis podatkov v podatkovnem delu paketa. Slika 10.34: IPSec paket zaščiten z avtentikacijsko glavo v transportnem načinu zaščite Postopek za izračun avtentikacijske glave (AH) je enak postopku elektronskega podpisovanja s ključem, ki smo si ga izmenjali na začetku vzpostavitve IPSec povezave. Prejemnik preveri istovetnost sprejetega paketa z istim ključem. Vsebino podatkovnega dela paketa lahko zaščitimo tudi pred nepooblaščenim branjem, tako da ga šifriramo. V tem primeru dodamo podatkovnemu delu paketa tako imenovano enkapsulacijsko zaščitno glavo (ESP) ki vsebuje informacije o verodostojnosti in šifriranju podatkovnega dela paketa. Slika 10.35: IPSec paket zaščiten z enkapsulacijsko glavo v transportnem načinu zaščite Postopek za izračun enkapsulacijske glave (ESP) je enak postopku elektronskega šifriranja s ključem, ki smo si ga izmenjali na začetku vzpostavitve IPSec povezave. Prejemnik dešifrira sprejeti paket z istim ključem. 314 10.3.6.1.3 IPSec – tunelski način zaščite Pri tunelskem načinu zaščite IP paketov ščitimo pakete v celoti. Za prenos paketov ustvarimo v omrežju navidezni tunel, tako da na začetku zaščitenih paketov dodamo novo glavo v kateri sta poleg ostalih podatkov tudi podatka o IP naslovu začetka in konca navideznega tunela. Verodostojnost paketa zaščitimo tako, da pred paketom dodamo tako imenovano avtentikacijsko glavo (AH), ki je v bistvu elektronski podpis paketa. Slika 10.36: IPSec paket zaščiten z avtentikacijsko glavo v tunelskem načinu zaščite Postopek za izračun avtentikacijske glave (AH) je enak postopku elektronskega podpisovanja s ključem, ki smo si ga izmenjali na začetku vzpostavitve IPSec povezave. Prejemnik preveri istovetnost sprejetega paketa z istim ključem. Vsebino paketa lahko zaščitimo tudi pred nepooblaščenim branjem, tako da ga šifriramo. V tem primeru dodamo paketu tako imenovano enkapsulacijsko zaščitno glavo (ESP) ki vsebuje informacije o verodostojnosti in šifriranju paketa. Slika 10.37: IPSec paket zaščiten z enkapsulacijsko glavo v tunelskem načinu zaščite Postopek za izračun enkapsulacijske glave (ESP) je enak postopku elektronskega šifriranja s ključem, ki smo si ga izmenjali na začetku 315 vzpostavitve IPSec povezave. Prejemnik dešifrira sprejeti paket z istim ključem. 10.3.6.2 TSL Transport Layer Security TLS in njegov predhodnik Secure Sockets Layer SSL sta kriptografska protokola, ki omogočata varno uporabo spletnih storitev in aplikacij. Varnost je zagotovljena z overovitvijo identitete ponudnika spletne storitve in šifriranjem podatkov med ponudnikom spletne storitve in uporabnikom. TSL protokol se ugnezdi med transportni sloj, ki mora biti obvezno TCP in aplikacijski sloj. Slika 10.38: Umestitev TLS protokolov TSL protokol v bistvu sestavljajo štirje protokoli razporejeni v dveh slojih. Zgornji sloj sestavljajo usklajevalni protokoli, spodnji sloj pa je TLS transportni protokol. TLS transportni protokol pri pošiljanju prevzame sporočilo od aplikacijskega sloja, ga stisne, zaščiti z MAC poljem in zašifrira ter preda transportnemu TCP sloju. Pri sprejemu poteka celoten postopek po obratnem vrstnem redu. Za šifriranje podatkov se uporablja simetrični algoritem in dva para simetričnih ključev, en par za oddana in en par za sprejeta sporočila. Za izmenjavo parov simetričnih ključev se uporablja asimetrični algoritem šifriranja in par sestavljen iz javnega ter tajnega ključa. Vzpostavitev varne TLS seje poteka v treh korakih. V prvem koraku pride do izmenjave podatkov o razpoložljivih kriptografskih algoritmih, oziroma kriptografskih algoritmih ki se bodo uporabljali med sejo. V drugem koraku se izmenjata ključa. Po izmenjavi ključev se med ponudnikom spletne storitve in uporabnikom vzpostavi varna, šifrirana seja. 316 Transport Layer Security TLS lahko uporablja naslednje kriptografske algoritme: − Za izmenjavo ključev: RSA, Diffie-Hellman, ECDH, SRP in PSK − Za overovitev: RSA, DSA in ECDSA − Za simetrično šifriranje: RC4, Triple DES, AES, IDEA, DES ali Camellia. Starejše različice SSL uporabljajo tudi RC2 − Za zgoščevalne funkcije: HMAC-MD5 ali HMAC-SHA se uporabljata pri TLS, MD5 in SHA pri SSL. Starejše različice SSL uporabljajo tudi MD2 in MD4. Za uporabo TLS mora imeti ponudnik spletne storitve TSL certifikat. TLS certifikat je potrdilo, ki ga mora strežniku oz. spletni strani izdati za to pooblaščena organizacija, in obiskovalcu zagotavlja, da je komunikacijski kanal med njim in strežnikom zares varen. TLS certifikat naj bi uporabljala vsaka spletna stran, ki od obiskovalca zahteva vnos osebnih podatkov, še posebej pa je to pomembno pri vnosu informacij o osebnih in drugih občutljivih podatkih. 317 11 MIKROPROCESORJI V TK 11.1 Številski sestavi Potreba po številih se je pojavila z nastankom agrarne dobe, to je približno 10.000 let pred našim štetjem. Zgodnji številski sestavi so temeljili na preprostih znakih - npr. črticah. Skupino takih znakov pa je bilo moč nadomestiti z nekim novim znakom, ki je imel višjo vrednost. Oglejmo si npr. decimalno število 1296. Število je sestavljeno iz zaporedja štirih koeficientov. Njihovo težo ugotovimo iz položaja posameznega koeficienta v številu. Število 1296 bi lahko zapisali bolj na dolgo kot: 1x103+2x102+9x101+6x100 11.1 Pri pisanju števil gre torej za to, da pišemo le koeficiente k potencam, njihovo težo pa ugotavljamo iz lege koeficienta v številu. Decimalni ali desetiški sestav je dobil svoje ime, ker so koeficienti številk množeni s potencami osnove 10 in ker uporablja deset številk. V digitalni tehniki pa uporabljamo binarni ali dvojiški sestav. Koeficienti tega sestava imajo lahko samo dve vrednosti: 0 in 1. 11.1.1 Binarni številski sestav Ljudje smo v vsakdanjem življenju navajeni uporabljati decimalni številski sestav. Ta sestav pa ni primeren za neposredno obdelavo z elektronskimi vezji. Koeficienti v decimalnem številu imajo lahko deset različnih vrednosti: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 in 9. Vsako vrednost koeficienta pa mora v elektronskem vezju predstavljati velikost neke fizikalne veličine. Največkrat je to električna napetost. Vezje, ki bi delovalo v decimalnem sestavu, bi moralo poznati 10 različnih napetostnih nivojev. To je sorazmerno draga in komplicirana rešitev. Že sama narava delovanja nekaterih osnovnih gradnikov elektronskih vezij je verjetno precej pripomogla k temu, da so se elektroniki odločili za binarni številski sestav. Stikalo je sklenjeno ali razklenjeno, tranzistor prevaja ali ne prevaja, … Ti gradniki imajo torej dve osnovni enolično določeni stanji: 318 • element prevaja električni tok; • element ne prevaja električnega toka. Zato potrebujemo za obdelavo v elektronskih vezjih zapis števil, katerih koeficienti poznajo samo dve vrednosti. To je binarni ali dvojiški številski sestav. Tema dvema vrednostima koeficientov pa v elektronskem vezju ustrezata dve vrednosti neke fizikalne veličine. Koeficienti binarnega sestava imajo torej lahko dve vrednosti: 0 in 1. Vsak koeficient aj je pomnožen z 2j . Število 101101,11(2) bi lahko zapisali bolj na dolgo kot: 1x25+0x24+1x23+1x22+0x21+1x20+1x2-1+1x2-2 11.2 Če to zmnožimo in seštejemo, dobimo decimalno število 45,75. Gledano s stališča informacije pa koeficient z vrednostjo 0 oziroma 1 v binarnem številskem sestavu predstavlja enoto binarne informacije, ki jo imenujemo bit. Informacija je običajno sestavljena iz več bitov: 4, 8, 16, 32, 64, … Informacijo sestavljeno iz 4 bitov imenujemo nibble, iz 8 bitov byte, iz 16 bitov word in iz 32 bitov long. 11.1.1.1 Pretvarjanje števil iz binarnega št. sestava v decimalnega in obratno Kako pretvarjamo binarna števila v decimalna števila je bilo pokazano že na zgornjem primeru. Vidimo, da posamezne koeficiente pomnožimo z ustrezno potenco števila 2 in jih med seboj seštejemo. Poglejmo si še en primer: 11101,011 = 1x24+1x23+1x22+0x21+1x20+0x2-1+1x2-2+1x2-3 = = 29,375 11.3 Oglejmo si še, kako pretvarjamo števila zapisana v decimalnem sestavu v binarni sestav. Za primer vzemimo število 25,16. Število najprej razstavimo na celi in neceli del. Celi del je 25, neceli del pa 0,16. Najprej se lotimo pretvorbe celega dela: 319 25 : 2 = 12 12 : 2 = 6 6:2=3 3:2=1 1:2=0 ost. 1 ost. 0 ost. 0 ost. 1 ost. 1 koeficient z najnižjo utežjo koeficient z najvišjo utežjo 11.4 Sedaj prepišemo ostanke od spodaj navzgor in dobimo rezultat celega dela: 25 = 11001 11.5 Lotimo se še pretvorbe necelega dela: 0,16 x 2 = 0,32 0,32 x 2 = 0,64 0,64 x 2 = 1,28 0,28 x 2 = 0,56 0,56 x 2 = 1,12 . . . 0 0 1 0 1 koeficient z najvišjo utežjo 11.6 Rezultat necelega dela zapišemo v obliki: 0,16 = 00101 11.7 Neceli del decimalnega števila pretvorimo v binarni številski sestav tako, da ga množimo z 2. Če je rezultat manjši od 1, zapišemo 0, če ni pa 1. Rezultatu, ki je večji od 1 odštejemo 1 in tako dobljeni rezultat zopet množimo z 2. Postopek ponavljamo dokler ne dosežemo želene natančnosti. Zapisane 1 oz. ničle prepišemo od zgoraj navzdol in dobimo rezultat necelega dela. Pretvorili smo celi in neceli del. Končni rezultat zapišemo v obliki: 25,16 = 11001,00101(2) 11.8 320 Poglejmo si še primer pretvorbe decimalnega števila 1,25: Celi del: 1:2=0 ost. 1 11.9 Neceli del: 0,25 x 2 = 0,5 0,5 x 2 = 1 0 1 11.10 Rezultat: 1,25 = 1,01(2) 11.11 Pri številu 1,25 je neceli del tudi v binarnem številskem sestavu točno določen. 11.1.2 Oktalni številski sestav Oktalni ali osmiški številski sestav je dobil svoje ime, ker so koeficienti številk množeni s potencami osnove 8 in ker za koeficiente uporablja osem števil: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 in 7. V elektroniki ga uporabljamo, ker nam olajša delo z binarnim sestavom. Število 653,47(8) lahko zapišemo bolj na dolgo kot: 653,47(8) = 6x82+5x81+3x80+4x8-1+7x8-2 11.12 Če to sedaj zmnožimo in seštejemo dobimo število 653,47(8) pretvorjeno v decimalni številski sestav: 653,47(8) = 6x82+5x81+3x80+4x8-1+7x8-2 = 427,609375(10) 11.13 Najbolj pa nas zanima povezava med binarnim in oktalnim številskim sestavom. Binarno število spremenimo v oktalno tako, da binarni zapis razdelimo od desne proti levi v skupine po tri koeficiente (23 = 8). Za vsako skupino potem določimo oktalno vrednost. 11100011101,11011(2) = 011 100 011 101, 110 110 = 3 4 3 5, 6 6 = = 3435,66(8) 11.14 321 Oktalno število spremenimo v binarno tako, da vsakemu oktalnemu koeficientu priredimo trimestno binarno število: 462,32(8) = 4 6 2, 3 2 = 100 110 010, 011 010 = 100110010,011010(2) 11.15 11.1.3 Heksadecimalni številski sestav Heksadecimalni ali šestnajstiški številski sestav je dobil svoje ime, ker so koeficienti številk množeni s potencami osnove 16 in ker za koeficiente uporablja šestnajst števil: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F. V elektroniki ga uporabljamo, podobno kot oktalni sestav, ker nam olajša delo z binarnim sestavom. Število A59,47C(16) lahko zapišemo bolj na dolgo kot: A59,47C(16) = 10x162+5x161+9x160+4x16-1+7x16-2+12x16-3 11.16 Če to sedaj zmnožimo in seštejemo dobimo število A59,47C(16) pretvorjeno v decimalni številski sestav: A59,47C(16) = 10x162+5x161+9x160+4x16-1+7x16-2+12x16-3 = = 2649,280273 11.17 Najbolj pa nas zanima povezava med binarnim in heksadecimalnim številskim sestavom. Binarno število spremenimo v heksadecimalno tako, da binarni zapis razdelimo od desne proti levi v skupine po štiri koeficiente (24 = 16). Za vsako skupino potem določimo heksadecimalno vrednost. 11100011101,11011(2) = 0111 0001 1101, 1101 1000 = 7 1 D, D 8 = = 71D,D8(16) 11.18 Heksadecimalno število spremenimo v binarno tako, da vsakemu heksadecimalnemu koeficientu priredimo štirimestno binarno število: 71D,D8(16) = 7 1 D, D 8 = 0111 0001 1101, 1101 1000 = = 11100011101,11011(2) 322 11.19 11.3 Osnovne logične funkcije in vezja Osnovne logične funkcije izhajajo iz Boolove algebre. George Boole je bil angleški filozof, ki se je v sredini devetnajstega stoletja ukvarjal z matematično analizo logike. Vendar pa so njegovo delo in ideje koristno uporabili precej kasneje pri poenostavljanju preklopnih vezij v telefonski tehniki. Od tedaj se je njegovo delo precej razširilo in pomeni danes osnovo pri načrtovanju vezij v digitalni tehniki. 11.3.1 Osnovne logične funkcije Boolova ali preklopna, kakor jo tudi pogosto imenujemo, algebra temelji na binarnem številskem sestavu in zato pozna le dve vrednosti spremenljivk: 0 in 1. Spremenljivke pa povezuje med seboj z tremi osnovnimi logičnimi funkcijami: • • • IN (AND) funkcija ali konjunkcija, ALI (OR) funkcija ali disjunkcija, NE (NO) funkcija ali negacija. V literaturi srečamo različne oznake za označevanje logičnih funkcij. Tako se označuje: • • • konjunkcijo s simboli: &, ., ∧ ali pa je simbol opuščen, disjunkcijo s simboloma ∨ ali +, negacijo pa s ali n. V teh zapiskih uporabljam znak “.” za konjunkcijo, znak “+” za disjunkcijo in “n” za negacijo. Za konjunkcijo uporabljam tudi krajšo obliko, to je brez simbola. 11.3.1.1 Pravila Boolove algebre Boolova ali preklopna algebra temelji na določenih pravilih oz. aksiomih, ki jih ne dokazujemo. Ti aksiomi so (polek algebraičnega zapisa so shematsko ponazorjeni s stikali): 323 X + 0 = X oz. X . 1 = X 11.20 X X 1 oz. 0 X + Y = Y + X oz. X . Y = Y . X X 11.21 Y X Y = Y oz. X Y X = X + (Y . Z) = X + Y . Z = (X + Y) . (X + Z) oz. X . (Y + Z) = X . Y + X . Z 11.22 Y Z X = X X Y Z Y X Y X Z X oz. Z = X + nX = 1 oz. X . nX = 0 11.23 X X 1 = oz. nX 0 = nX Na osnovi teh aksiomov pa so izvedeni določeni teoremi, ki pa so dokazljivi. Dokaze na tem mestu ne bomo posebaj obravnavali. Shematsko ponazoritev teh teoremov s stikali naj si za vajo napravi bralec sam! Teoremi z eno spremenljivko: • • • • • X+1=1 X+X=X X.X=X nnX = X X.0=0 11.24 11.25 11.26 11.27 11.28 324 Teoremi z dvema spremenljivkama: • • • • • • • • X+X.Y=X X . (X + Y) = X (X + nY) . Y = X . Y X . nY + Y = X + Y (X + Y) + nX = 1 (nX . nY) . X = 0 n(X + Y) = nX . nY n(X . Y) = nX + nY 1. De Morganov teorem 2. De Morganov teorem 11.29 11.30 11.31 11.32 11.33 11.34 11.35 11.36 Te aksiome in teoreme uporabljamo v glavnem pri poenostavljanju logičnih funkcij, kot bomo videli v enem od naslednjih poglavij. Tudi v preklopni algebri veljajo pravila komutativnosti, asociativnosti in distributivnosti: • komutativnost: X.Y.Z = Y.X.Z = Z.Y.X = …. X+Y+Z = Y+ X+Z = Z+Y+X = …. • asociativnost: X.Y.Z = (X.Y) .Z = …. X+Y+Z = (X+Y)+Z = …. • distributivnost: X.(Y+Z) = (X.Y)+(X.Z) X+(Y.Z) = (X+Y).(X+Z) 11.37 11.38 11.39 11.40 11.41 11.42 Tri osnovne logične funkcije v elektroniki realiziramo z: • IN (AND) ali konjunktivnim vezjem, • ALI (OR) ali disjunktivnim vezjem, • NE (NO) ali negatorjem. Predno pa preidemo iz same algebre na elektroniko, moramo reči še nekaj besed o pozitivni oz. negativni logiki in napetostnih nivojih. 11.3.2 Pozitivna oz. negativna logika in napetostni nivoji Kot smo že omenili, v elektronskem vezju predstavlja logično vrednost fizikalna veličina. Najpogosteje je to električna napetost. Za pravilno delovanje vezja moramo najprej določiti, kateri napetostni nivo ustreza logični vrednosti 0 in kateri napetostni nivo ustreza logični vrednosti 1. 325 Kadar je logična vrednost 0 določena z nižjim potencialom, logična vrednost 1 pa z višjim potencialom govorimo o pozitivni logiki. Napetostne nivoje, ki ustrezajo pozitivni logiki prikazuje slika 11.1. +U →t Vcc=1 0V=1 0V=0 -Vcc=0 →t -U b) a) Slika 11.1: Napetostni nivoji - pozitivna logika Kadar pa je logična vrednost 0 določena z višjim potencialom, logična vrednost 1 pa z nižjim potencialom, govorimo o negativni logiki. Napetostne nivoje, ki ustrezajo negativni logiki prikazuje slika 11.2. +U →t Vcc=0 0V=0 0V=1 -Vcc=1 →t -U a) b) Slika 11.2: Napetostni nivoji - negativna logika V teh zapiskih bomo govorili samo o pozitivni logiki in to z napetostnimi nivoji, ki jih prikazuje slika 11.1.a. Ta logika se tudi najpogosteje uporablja. Seveda pa ti napetostni nivoji višjega oz. nižjega potenciala niso ozko definirani, ampak so to napetostna območja. Vedeti moramo namreč, da napetosti v vezju niso konstantne. Napetosti lahko nihajo zaradi nihanja napajalne napetosti, zaradi obremenitev logičnih vezij, raznih motenj, … 326 Zato je vedno določeno napetostno območje v katerem velja logična vrednost 1 in napetostno območje v katerem velja logična vrednost 0. Ta napetostna območja so lahko za različne družine logičnih vezij različne. Praktično vse družine logičnih vezij imajo svoja napetostna območja. Kot primer si poglejmo napetostna območja bipolarne družine logičnih vezij TTL.. Ta napetostna območja prikazuje slika 11.3. Vcc 5V 1 2V 0,8V 0 Ground Slika 11.3: TTL vhodni napetostni nivoji Za TTL vhode velja: • dobro vezje spozna napetost > 2V kot logično 1 in pri tem ne vodi več kot 40µA toka (ponor); • dobro vezje spozna napetost < 0,8V kot logično 0 in pri tem ne vodi več kot 1,6mA toka (izvor). Za TTL izhode velja: • V primeru logične 1 mora biti pri max. obremenitvi (400µA - izvor) na izhodu min. 2,4V; • V primeru logične 0 mora biti pri max. obremenitvi (16mA - ponor) na izhodu max. 0,4V. 327 Vcc 5V 1 2,4V 0,4V Ground 0 Slika 11.4: TTL izhodni napetostni nivoji Iz vsega zgoraj povedanega lahko zaključimo, da na en TTL izhod lahko priključimo do 10 TTL vhodov. To pomeni, da je “Fan Out” 10. Seveda pa gre danes trend razvoja sodobnih družin logičnih vezij v različnih CMOS tehnologijah proti nižjim vrednostim napajalnih napetosti: 3,3V, 2,4V in 1,8V. Vendar, pa ima veliko teh nizkonapetostnih logičnih družin vhode in izhode, ki dopuščajo 5V-ne TTL nivoje. 11.3.3 Osnovna logična vezja Pri ponazarjanju osnovnih logičnih vezij si bomo pomagali s kontakti. Vhode vezij bomo označevali s črkami A, B, C, izhode pa z X. Sklenjen kontakt bo predstavljal logično vrednost 1, odprt kontakt pa logično vrednost 0. V tem primeru je fizikalna veličina s katero ponazarjamo logične vrednosti električni tok. Če tok teče je kontakt sklenjen, žarnica sveti in to pomeni logično 1 na izhodu. Če pa je kontakt razklenjen, tok ne teče, žarnica ne sveti in to pomeni logično 0 na izhodu. Z diodnim vezjem bomo ponazorili princip delovanja osnovnega logičnega vezja, kjer je fizikalna veličina s katero ponazarjamo logične vrednosti električna napetost. Tu bo vhod (A, B ali C) v logičnem stanju 1, ko bo na pozitivnem potencialu (napajalna napetost) in v logičnem stanju 0 pa, ko bo na potencialu mase. Izhod diodnega vezja X bo v logičnem stanju 1, ko bo na izhodu pozitivni potencial (približno napajalna napetost) in v logičnem stanju 0, ko bo na izhodu približno potencial mase. 328 V teh zapiskih bomo za ponazarjanje logičnih vezij uporabili simbole, ki jih predpisujejo IEC (International Electrotechnical Commission) standardi. Ti simboli so tudi najbolj razširjeni. 11.3.3.1 IN (AND) logično vezje Slika 11.5 prikazuje ponazoritev IN logičnega vezja s kontakti. Vsi trije kontakti so vezani zaporedno. Žarnica bo svetila (izhod v stanju logične 1) le, ko bodo vsa stikala vključena (vsi vhodi v stanju logične 1. Če je kateri izmed kontaktov razsklenjen (vhod v logičnem stanju 0) žarnica ne sveti (izhod v logičnem stanju 0). A B C X U Slika 10.5: IN logično vezje - ponazoritev s kontakti Slika 11.6 prikazuje ponazoritev IN logičnega vezja z diodnim vezjem. Na izhodu X bo približno napajalna napetost VCC (stanje logične 1) samo v primeru, da bodo na vseh vhodih (A, B in C) napetost VCC (stanje logične 1). Če pa je kateri od vhodov na potencialu mase, pa ta dioda prevaja in na izhodu je približno potencial mase (stanje logične 0). Vcc R A X B C GND Slika 11.6: IN logično vezje - ponazoritev z diodnim vezjem Opisane razmere zelo nazorno prikazuje t.i. pravilnostna tabela (tabela 11.1). Tudi tu črke A, B in C označujejo vhode, črka X pa izhod. Vidimo, da je izhod X v stanju logične 1 samo v primeru, ko so vsi trije vhodi v stanju logične 1, drugače pa je v stanju logične 0. 329 ¸A 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 C 0 1 0 1 0 1 0 1 X 0 0 0 0 0 0 0 1 Tabela 11.1: Pravilnostna tabela - IN logično vezje IEC simbol IN logičnega vezja prikazuje slika 11.7. A & X B C Slika 11.7: IN logično vezje: IEC simbol 11.3.3.2 ALI (OR) logično vezje Slika 11.8 prikazuje ponazoritev ALI logičnega vezja s kontakti. Vsi trije kontakti so vezani paralelno. Žarnica bo svetila (izhod v stanju logične 1), če je vsaj en kontakt vključen (vsaj en vhod v stanju logične 1). Če pa so vsi kontakti razklenjeni (vhodi v logičnem stanju 0) žarnica ne sveti (izhod v logičnem stanju 0). U A B C X Slika 11.8: ALI logično vezje - ponazoritev s kontakti Slika 11.9 prikazuje ponazoritev ALI logičnega vezja z diodnim vezjem. Na izhodu X bo pozitivni potencial (stanje logične 1), če bo vsaj na enem od vhodov (A, B in C) pozitivni potencial. Če so vsi vhodi na potencialu mase, pa diode ne prevajajo in na izhodu je približno potencial mase (stanje logične ničle). 330 A X B C R Slika 11.9: ALI logično vezje - ponazoritev z diodnim vezjem Opisane razmere zelo nazorno prikazuje t.i. pravilnostna tabela (tabela 11.2). Tudi tu črke A, B in C označujejo vhode, črka X pa izhod. Vidimo, da je izhod X v stanju logične 0 samo v primeru, ko so vsi trije vhodi v stanju logične 0, drugače pa je v stanju logične 0. ¸A 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 C 0 1 0 1 0 1 0 1 X 0 1 1 1 1 1 1 1 Tabela 11.2: Pravilnostna tabela - ALI logično vezje IEC simbol ALI logičnega vezja prikazuje slika 11.10. A ≥1 B X C Slika 11.10: ALI logično vezje: IEC simbol 11.3.3.3 NE (NO) logično vezje Slika 11.11 prikazuje ponazoritev NE logičnega vezja s kontakti releja. Ko je stikalo A izključeno (vhod v stanju logične 0), je mirovni kontakt releja vključen in žarnica sveti (vhod v stanju logične 1). 331 X A U U Slika 11.11: NE logično vezje - ponazoritev s kontakti Slika 11.12 prikazuje ponazoritev NE logičnega vezja s tranzistorjem. Ko je na vhodu A potencial mase (stanje logične 0) tranzistor ne prevaja in na izhodu X je približno napajalna napetost VCC (stanje logične 1). Če pa se pojavi na vhodu napetost VCC (stanje logične 1), tranzistor prevaja in na izhodu X se pojavi približno potencial mase (stanje logične 1). Vcc R2 R1 X A Slika 11.12: NE logično vezje - ponazoritev s tranzistorjem Opisane razmere zelo nazorno prikazuje t.i. pravilnostna tabela (tabela 11.3). Tu črka A označujejo vhode, črka X pa izhod. Vidimo, da je izhod X vedno v nasprotnem logičnem stanju kot vhod A. A 0 1 X 1 0 Tabela 11.3: Pravilnostna tabela - NE logična funkcija IEC simbol Ne logičnega vezja prikazuje slika 11.13: 1 Slika 11.13: NE logično vezje - IEC simbol Slika 11.14 nam prikazuje primer realizacije osnovnih logičnih vezij v integrirani obliki. Edino ta oblika se danes v elektroniki uporablja. Najdemo jih v različnih ohišjih. 332 IN ALI NE Slika 11.14: Realizacija osnovnih logičnih vezij v integrirani obliki 11.4 Sestavljene logične funkcije in vezja Z v prejšnjem poglavju opisanimi osnovnimi funkcijami in vezji lahko realiziramo katerokoli kompleksnešo logično funkcijo oz. vezje. Seveda pa je rešitev s temi funkcijami oz. vezji lahko precej komplicirana in tudi draga. Zato obstajajo nekatere sestavljene logične funkcije in vezja, ki služijo kot elementarni člen kompleksnih logičnih funkcij oz. vezij. Te funkcije in vezja si bomo ogledali v tem poglavju. 11.4.1 Sestavljene logične funkcije Ogledali si bomo naslednje sestavljene logične funkcije: Schefferjeva funkcija NAND, Piercova funkcija NOR, Vsota po modulu dva oz. EXOR in Ekvivalenca. Te funkcije so opisane v tabeli 11.4. X1 X2 1 1 0 0 1 0 1 0 simbol Izražava z osn. logičnimi funkcijami Opis 0 1 1 1 X1 X 2 n(X1. X2) = n X1+ nX2 Schefferjeva funkcija NAND 0 0 0 1 X1 ↓ X 2 n(X1+ X2) = n X1. nX2 Pierceova funkcija NOR 0 1 1 0 X1 ⊕ X2 X1.nX2+nX1.X2 Izključena ALI funkcija oz. EXOR 1 0 0 1 X1 ≡ X2 nX1.nX2+X1.X2 Ekvivalenca Tabela 11.4: Sestavljene logične funkcije Obstajajo še druge sestavljene logične funkcije, ki pa jih tu ne bomo obravnavali. 11.4.2 Sestavljena logična vezja Ogledali si bomo logična vezja, ki pripadajo v prejšnjem poglavju omenjenim logičnim funkcijam. Realizirali jih bomo z osnovnimi 333 logičnimi vezji, pokazali njihov IEC simbol in primer integriranega vezja, ki ta sestavljena vezja vsebuje. 11.4.2.1 Negirani IN ali NAND Realizacijo tega vezja z osnovnimi logičnimi vezji prikazuje slika 11.15. Uporabljeni sta osnovni logični vezji IN in NE. Na izhod vezja IN priključimo vezje NE. A & 1 X B Slika 11.15: NAND logično vezje Pravilnostna tabela (tabela 11.5) nam pove, da je izhod v logičnem stanju 0 samo takrat, ko so vsi vhodi v logičnem stanju 1. ¸A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 X 1 1 1 0 Tabela 11.5: NAND logično vezje - pravilnostna tabela Slika 11.16 prikazuje IEC simbol NAND logičnega vezja. A & X B Slika 11.16: NAND logično vezje - IEC simbol V praksi NAND logična vezja nastopajo v različnih integriranih vezjih. Enega od njih prikazuje slika 11.17. Ta integrirana vezja se razlikujejo predvsem po tem, koliko NAND vezij vsebujejo oz. koliko vhodna NAND vezja vsebujejo. 334 Slika 11.17: Integrirano vezje (74HC00), ki vsebuje NAND logična vezja 11.4.2.2 Negirani ALI ali NOR Realizacijo tega vezja z osnovnimi logičnimi vezji prikazuje slika 11.18. Uporabljeni sta osnovni logični vezji ALI in NE. Na izhod vezja ALI priključimo vezje NE. ≥1 A 1 X B Slika 11.18: NOR logično vezje Pravilnostna tabela (tabela 11.6) nam pove, da je izhod v logičnem stanju 1 samo takrat, ko so vsi vhodi v logičnem stanju 0. ¸A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 X 1 0 0 0 Tabela 11.6: NOR logično vezje - pravilnostna tabela Slika 11.19 prikazuje IEC simbol NOR logičnega vezja. A ≥1 X B Slika 11.19: NOR logično vezje - IEC simbol V praksi NOR logična vezja nastopajo v različnih integriranih vezjih. Enega od njih prikazuje slika 11.20. Ta integrirana vezja se razlikujejo 335 predvsem po tem, koliko NOR vezij vsebujejo oz. koliko vhodna NOR vezja vsebujejo. Slika 11.20: Integrirano vezje (74HC02), ki vsebuje NOR logična vezja 11.4.2.3 Izključeni ALI ali EXOR Realizacijo tega vezja z osnovnimi logičnimi vezji prikazuje slika 11.21. Uporabljena so vsa tri osnovna logična vezja. A nA 1 nA.B X=(nA.B)+(A.nB) X=nAB+AnB & ≥1 & B 1 A.nB nB Slika 11.21: EXOR logično vezje Na izhodih posameznih osnovnih logičnih vezij, so na sliki 11.21, napisane tudi pripadajoče logične funkcije. Pravilnostna tabela (tabela 11.7) nam pove, da je izhod v logičnem stanju 1 samo takrat, ko sta vhoda v različnih logičnih stanjih. ¸A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 X 0 1 1 0 Tabela 11.7: EXOR logično vezje - pravilnostna tabela Slika 11.22 prikazuje IEC simbol EXOR logičnega vezja. 336 A =1 X B Slika 11.22: EXOR logično vezje - IEC simbol V praksi EXOR logična vezja nastopajo v različnih integriranih vezjih. Enega od njih prikazuje slika 11.23. Ta integrirana vezja se razlikujejo predvsem po tem, koliko EXOR vezij vsebujejo oz. koliko vhodna EXOR vezja vsebujejo. Slika 11.23: Integrirano vezje (74HC86), ki vsebuje EXOR logična vezja 11.4.2.4 Ekvivalenca Realizacijo tega vezja z osnovnimi logičnimi vezji prikazuje slika 11.24. Tudi tu so uporabljena vsa tri osnovna logična vezja. nA A 1 nA.nB & ≥1 nB B X=(nA.nB)+(A.B) X=nAnB+AB & 1 A.B Slika 11.24: Ekvivalenca - logično vezje Na izhodih posameznih osnovnih logičnih vezij, so na sliki 11.24, napisane tudi pripadajoče logične funkcije. Pravilnostna tabela (tabela 11.8) nam pove, da je izhod v logičnem stanju 1 samo takrat, ko sta vhoda v enakih logičnih stanjih. 337 ¸A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 X 1 0 0 1 Tabela 11.8: Ekvivalenca - pravilnostna tabela Slika 11.25 prikazuje IEC simbol ekvivalence. A =1 X B Slika 11.25: Ekvivalenca - IEC simbol Iz vsega povedanega vidimo, da ekvivalenca v bistvu EXOR logično vezje z negiranim izhodom. 11.5 Analiza in sinteza logičnih vezij 11.5.1 Analiza logičnih vezij Analiza logičnega vezja je postopek s katerim določimo logično funkcijo in pravilnostno tabelo že realiziranega logičnega vezja. Logično vezje, ki ima npr. “n” vhodov opisuje logična funkcija z “n” spremenljivkami oz. zanj velja pravilnostna tabela z 2n kombinacijami. Analizo vezja izvajamo po naslednjih korakih. ELEKTRONSKO VEZJE LOGIČNA FUNKCIJA VEZJA PRAVILNOSTNA TABELA Slika 11.26: Analiza logičnih vezij Predlagam, da se analize lotite na izhodu logičnega vezja. V veliko pomoč vam bo, če si boste v vezju pripisali ustrezne logične funkcije pri izhodih posameznih elementarnih logičnih vezij. Analizo logičnega vezja si bomo ogledali na primeru. 338 Primer 1: ABC A 1 & X’ & X’ nC C 1 ≥1 X nB 1 nA & X’’ C Zapišimo izhodno logično funkcijo: X = X’ + X’’ + X’’’ Zapišimo še vse tri vmesne logične funkcije: X’ = A.nC X’’ = C.nB X’’’ = nA.C Izhodno logično funkcijo lahko sedaj zapišemo kot: X = (A.nC) + (C.nB) + (nA.C) ali krajše: X = AnC + CnB + nAC Sledi pravilnostna tabela: ¸A 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 C 0 1 0 1 0 1 0 1 339 X 0 1 0 1 1 1 1 0 Primer 2: ABC A X’ & 1 nC A & X’ ≥1 X B 1 nA & X’’ C Zapišimo izhodno logično funkcijo: X = n(X’ + X’’ + X’’’) Zapišimo še vse tri vmesne logične funkcije: X’ = n(A.nC) X’’ = n(A.B) X’’’ = n(nA.C) Izhodno logično funkcijo lahko sedaj zapišemo kot: X = n(n(A.nC) + n(A.B) + n(nA.C)) Funkcija v taki obliki je videti precej komplicirana. Poizkusimo jo malo poenostaviti. Uporabimo pravila Boolove algebre. Iz poenostavljene oblike bomo lažje napisali pravilnostno tabelo. X = n(n(A.nC) + n(A.B) + n(nA.C)) X = nn(A.nC) . nn(A.B) . nn(nA.C) X = (A.nC) . (A.B) . (nA.C) X = A.A.nA .nC.C.B X = A.nA.nC.C.B X = 0.0.B X=0 1. De Morganov teorem nnX = X asociativnost, komutativnost X.X = X X.nX = 0 X.0 = 0 Vidimo, da bo izhod tega logičnega vezja vedno na logičnem nivoju 0, neglede na to, v kakšnem logičnem stanju se nahajajo vhodi. 340 Sledi pravilnostna tabela: ¸A 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 C 0 1 0 1 0 1 0 1 X 0 0 0 0 0 0 0 0 To sestavljeno vezje bi lahko nadomestili samo z nivojem logične 0, npr. s potencialom mase. 11.5.2 Sinteza logičnih vezij Sinteza je postopek s katerim realiziramo logično vezje, ki je rešitev nekega tehničnega problema. Sinteze se bomo lotili postopoma - po korakih. Glej sliko 11.27. TEHNIČNI PROBLEM PRAVILNOSTNA TABELA LOGIČNA FUNKCIJA ELEKTRONSKO VEZJE NE DA PREIZKUS VEZJA OK REŠITEV Slika 11.27: Sinteza logičnih vezij Najprej moramo ugotoviti število vhodnih in izhodnih spremenljivk bodočega vezja. Sledi zapis pravilnostne tabele. Iz te lahko takoj zapišemo logično funkcijo vezja. Logično funkcijo po potrebi preoblikujemo v obliko, ki jo je možno realizirati z elementarnimi logičnimi vezji - to je vezji, ki jih dobimo že realizirane v integriranih vezjih. Sledi realizacija elektronskega vezja in preizkus delovanja. Če vezje zadovoljivo deluje, je sinteza končana. V primeru napake, pa se vrnemo v fazo, v kateri je napaka nastala. 341 Primer 1: Konstruirajmo elektronsko vezje s tremi vhodi in enim izhodom, ki ima sledečo pravilnostno tabelo. ¸A 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 C 0 1 0 1 0 1 0 1 X 0 1 0 1 1 1 1 0 Vhode smo označili s črkami A, B, C, izhod pa s črko X. Iz pravilnostne tabele lahko takoj zapišemo logično funkcijo. Pri zapisu logične funkcije si pomagamo s stanji vhodnih spremenljivk, pri katerih je izhod v stanju logične 1 oziroma zapišemo logično funkcijo v normalni ali kanonični obliki kot Boolovo vsoto tistih mintermov, katerih vrednost je logična 1. X = nAnBC + nABC + AnBnC + AnBC + ABnC Funkcijo poizkušamo nekoliko poenostaviti oz. minimizirati. Pri tem se poslužujemo pravil Boolove algebre. X = nAnBC + nABC + AnBnC + AnBC + ABnC X = nBC(nA+A) + AnC(nB+B) + nABC X = nBC + AnC + nABC X = C(nB+nAB) + AnC X = C(nB+nA) + AnC X = CnB + CnA + AnC Seveda pa lahko izhodno funkcijo minimiziramo tudi drugače in tako dobimo enakovredno funkcijo. X = nAnBC + nABC + AnBnC + AnBC + ABnC X = nAC(nB+B) + AnB(nC+C) + ABnC X = nAC + AnB + ABnC X = nAC + A(nB + BnC) X = nAC + A(nC+nB) X = nAC + AnC + AnB 342 Narišemo še ustrezni elektronski vezji, izvedemo preizkus delovanja in če vezji pravilno delujeta, je naloga končana. Preizkus delovanja izvedemo tako, da postavimo na vhode vezja vse možne logične kombinacije in nato sledimo spreminjanju teh po vezju (spodnji sliki), do izhodov. Če dobimo za vse kombinacije vhodnih logičnih spremenljivk ustrezne izhodne logične vrednosti (glej pravilnostno tabelo) je naloga končana. Če ne, poiščemo in odpravimo napako. Elektronsko vezje, ki ustreza izhodni logični funkciji po prvi minimizaciji: ABC A 1 & X’ & X’ nC C 1 ≥1 X=AnC+CnB+nAC nB 1 nA & X’ C Elektronsko vezje, ki ustreza izhodni logični funkciji po drugi minimizaciji: ABC A 1 & X’ & X’ nC A 1 nB 1 nA & X’’ C 343 ≥1 X=AnC+AnB+nAC Primer 2: Konstruirajmo elektronsko vezje s tremi vhodi in enim izhodom, ki ima sledečo pravilnostno tabelo. ¸A 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 C 0 1 0 1 0 1 0 1 X 0 1 1 0 1 0 0 0 Vhode smo označili s črkami A, B, C, izhod pa s črko X. Iz pravilnostne tabele lahko takoj zapišemo logično funkcijo v normalni ali kanonični obliki kot Boolovo vsoto tistih mintermov, katerih vrednost je logična 1. X = nAnBC + nABnC + AnBnC Tu poenostavljanje funkcije odpade, saj se funkcije ne da še bolj poenostaviti. Narišimo še elektronsko vezje, ki ustreza zgornji logični funkciji. ABC nAnBnC nA nB 1 C 1 nA B & X’ & X’ ≥1 X nC 1 X=nAnBC+nABnC+AnBnC A & nB nC 344 X’’ 11.6. Poenostavljanje logičnih funkcij Realizacija neke logične funkcije je tembolj zapletena, čimbolj je zapleten njen algebraični zapis. Pravilnostna tabela neke logične funkcije je ena, toda algebraičnih zapisov je lahko več različnih. Ker običajno želimo, da bi bilo elektronsko vezje za neko logično funkcijo čimbolj enostavno, poizkušamo čimbolj poenostaviti tudi ustrezne algebraične zapise. Najenostavnejši način poenostavljanja logičnih funkcij je uporaba pravil Boolove algebre. Ta način je uporabljen v prejšnjih primerih. Pomanjkljivost tega načina je, da pri njem ni sistematskega zmanjšanja izrazov in zato ne vemo, ali imamo najenostavnejšo obliko. Poznamo pa nekaj metod za sistemsko minimizacijo logičnih funkcij. Najbolj znane so grafične metode poenostavljanja in eno od teh si bomo ogledali v tem poglavju. Imamo npr. n spremenljivk. Če se odločimo, da bomo pisali funkcijo v obliki vsote Boolovih produktov, nas najprej zanima, kakšno je največje število možnih členov te vsote. Ob treh spremenljivkah (npr. A, B, C), se na mestu vsake spremenljivke lahko pojavi 1, 0 ali pa spremenljivka odpade. Gre toraj za tri možnosti. Pri treh spremenljivkah dobimo 3.3.3 = 27 možnosti. Ker pa možnost, da na nobenem od mest ni nobene spremenljivke nima smisla, dobimo 27 -1 = 26 možnosti. Za n spremenljivk je torej največje število kombinacij: 3n – 1 11.43 Naloga minimizacije Boolovih funkcij je torej, da od 3n - 1 kombinacij izberemo čim manjše število, ki še zadošča zahtevam neke logične funkcije oz. Pravilnostne tabele. Primer 1: Imamo dve spremenljivki X in Y. Koliko možnih členov za vsoto Boolovih produktov lahko dobimo? Kot rečeno jih lahko dobimo 32 - 1 = 8. Ti členi so: X, Y, nX, nY, XY, nXY, XnY, nXnY 345 Kot smo že rekli, so najbolj znane grafične metode poenostavljanja funkcij, od teh pa je verjetno najbolj znana metoda z Veitchevimi diagrami. To metodo opisuje podpoglavje 11.6.2. Preden si podrobneje pogledamo Veitcheve diagrame in njihovo uporabo pri minimizaciji logičnih funkcij, moramo razložiti predvsem, kaj je to minterm. 11.6.1 Kanonične oblike Boolovih funkcij - mintermi in makstermi Minterm n spremenljivk je Boolov produkt teh n spremenljivk, kjer se spremenljivka lahko pojavi v nenegirani ali negirani obliki. Npr., za spremenljivki A, B so mintermi npr.: AB, nAB, AnB, nAnB. Logična vsota vseh mintermov je vedno enaka 1. AB + nAB + AnB + nAnB = B(A+nA) + nB(A+nA) = B + nB = 1 11.44 Maksterm n spremenljivk je Boolova vsota teh n spremenljivk, kjer se vsaka spremenljivka lahko pojavi v nenegirani ali negirani obliki. Npr., za spremenljivki A, B so makstermi npr.: A+B, nA+B, A+nB, nA+nB. Logični produkt vseh makstermov je vedno enak 0. (A+B) (nA+B) (A+nB) (nA+nB) = (B+(A.nA)) (nB+(A.nA)) = B.nB = 0 11.45 Mintermi so označeni z mi, makstermi pa z Mi. Vrednost indeksa “i” pišemo kot dekadno število, ki izraža vrednost mi ali Mi. Npr.: ABnC 110 = 0.20 + 1.21 + 1.22 = 6 ABnC = m6 Podobno je nA + nB + nC = M0 Za n spremenljivk dobimo 2n mintermov in 2n makstermov. Za tri spremenljivke A, B, C imamo naslednje minterme oz. maksterme: 346 A 0 0 0 0 1 1 1 1 B 0 0 1 1 0 0 1 1 C 0 1 0 1 0 1 0 1 Mintermi m0=nAnBnC m1=nAnBC m2=nABnC m3=nABC m4=AnBnC m5=AnBC m6=ABnC m7=ABC Makstermi M0=nA+nB+nC M1=nA+nB+C M2=nA+B+nC M3=nA+B+C M4=A+nB+nC M5=A+nB+C M6=A+B+nC M7=A+B+C Tabela 11.9: Mintermi oz. Makstermi Logične funkcije, ki so zapisane kot vsote mintermov ali produkt makstermov so zapisane v normalni ali kanonični obliki. Minterme lahko nazorno prikažemo v Venovih diagramih. Tu je spremenljivka ponazorjena s krogom. Površina levega kroga je npr. A, površina desnega kroga pa B. Vsaka delna površina diagrama predstavlja en minterm. Unija vseh mintermov je celotna površina, ki jo označimo z 1. AnB ∪ AB ∪ nAB ∪ nAnB = 1 11.46 Slika 11.28: Vennov diagram Z oznakami Boolove algebre dobimo: AnB + AB + nAB + nAnB = A (B + nB) + nA(B + nB) = 1 11.47 11.48 Posebna vrsta Vennovega diagrama je Veitchev diagram. Iz Vennovega diagrama dobimo Veitchev diagram, če kroge spremenimo v pravokotnike, ki jih simetrično razporedimo. Glej sliko 11.29. 347 Slika 11.29: Pretvorba Vennovih v Veitcheve diagrame Na rob diagrama napišemo spremenljivke, ki se v ustreznem stolpu ali vrstici pojavijo v svoji nenegirani obliki. Opazimo, da predstavlja en kvadrat en minterm. Kot rečeno, ob robu diagrama pišemo spremenljivke, ki so za ustrezno skupino kvadratov (vertikalno ali horizontalno) enako ena. Tako velja pri diagramu z dvema spremenljivkama, da je v levem zgornjem kotu A=1, B=1, v desnem zgornjem kotu pa A=0, B=1, itd. Vsak kvadrat je torej en minterm logične funkcije. Minterm torej predstavimo kot najmanjšo površino Veitchevega diagrama. Maksterm pa je (razen celotne površine) največja površina Veitchevega diagrama. A A B A + nB = M2 B B B nA + B = M1 A A nA + nB = M0 nM0 = m3 nM1 = m2 nM2 = m1 nM3 = m0 A + B = M3 Slika 11.30: Primerjava mintermov in makstermov Nešrafirani kvadratki so nAB = m1, AnB = m2, AB = m3, nAnB = m0. Vidimo, da so ti mintermi dejansko negacije makstermov, kar lahko dokažemo tudi z de Morganovimi teoremi. nM2 = n(A + nB) = nAB = m1 nM1 = n(nA + B) = AnB = m2 nM0 = n(nA + nB) = AB = m3 nM3 = n(A + B) = nAnB = m0 11.49 11.50 11.51 11.52 348 Kanonična disjunktivna oblika logične funkcije je, kakor smo že omenili, logična vsota mintermov: f ( x1 x 2 ... x n ) = 2 n −1 ∑a m i =0 i 11.53 i Simbol ∑ predstavlja disjunkcije oz. logično vsoto, ai pa je lahko 0 ali 1. Analogno definiramo kanonično konjunktivno obliko logične funkcije, kot logični produkt makstermov: 2 n −1 f ( x1 x 2 ... x n ) = ∏ (ai + M i ) 11.54 i =0 Simbol Π predstavlja konjunkcije oz. logični produkt, ai pa je zopet lahko 0 ali 1. Če je funkcija v disjunktivni obliki, se v vsoti pojavijo le členi, ki imajo ai = 1, če pa je v konjunktivni obliki, pa le členi z ai = 0. Primer 1: f(ABC) = nAnBC + nABC + AnBC Določite ai pri disjunktivni kanonični obliki! Prvi člen predstavlja m1, drugi m3 in tretji m5, torej so a1, a3 in a5 = 1, ostali ai pa so 0. Funkcijo zato lahko izpišemo kot: f(ABC) = 0m0 + 1m1+ 0m2 + 1m3 + 0m4 + 1m5 + 0m6 + 0m7 = = m1 + m3 + m5 Primer 2: f(A,B,C) = (A + B + C) (A + B + nC) Določite ai pri konjunktivni kanonični obliki! Vidimo, da je prvi člen M7 in drugi člen M6. Če hočemo, da se v f(A,B,C) pojavi npr. M7, mu moramo logično prišteti 0. Če bi mu prišteli 349 1, bi postal celotni člen 1 in bi tako v celotnem produktu makstermov izginil. Zato sta a7 in a6 = 0, ostali ai pa so enako 1. V razširjeni obliki lahko zgornjo funkcijo zapišemo: f(A,B,C) = (1+M0) (1+M1) (1+M2) (1+M3) (1+M4) (1+M5) (0+M6) (0+M7) = M6M7 Seveda lahko vsako logično funkcijo zapišemo v kanonični obliki. Ta oblika običajno ni najenostavnejša. Z uporabo pravil Boolove algebre in s pomočjo uporabe Veitchevega diagrama pa lahko logično funkcijo znatno poenostavimo. Včasih pa seveda želimo določeno logično funkcijo razširiti v kanonično obliko. Potrebno je dodati določene neškodljive člene, ki funkcijo privedejo v to obliko. Primer 3: Razširite f = (A+nB) (B+nC) v konjunktivno kanonično obliko! f = (A+nB+CnC) (B+nC+AnA) Ker velja X + CnC = (X+C) (X+nC) oz. Y + AnA = (Y+A) (Y+nA) lahko zapišemo: f = (A+nB+C) (A+nB+nC) (B+nC+A) (B+nC+nA). 11.6.2 Veitchev diagram Veitchev diagram je posebna oblika Vennovega diagrama. Z manjšo spremembo pa dobimo iz Veitchevega diagrama Karnaugh-jev diagram, ki pa ga na tem mestu ne bomo obravnavali.. Kot smo že videli, je Veitchev diagram sestavljen iz kvadratkov. Vsak kvadratek predstavlja en minterm. Ker lahko vsako logično funkcijo zapišemo kot vsoto mintermov, lahko vsako tako funkcijo zapišemo v Veitchev diagram, kot določen vzorec kvadratkov, katerih mintermi so vsebovani v funkciji. V Veitchevem diagramu so spremenljivke razporejene tako, da se ob prehodu iz enega kvadratka v poljubnega, sosednega, spremeni le ena spremenljivka. Kvadratke ob skrajnem robu diagrama, ki so v isti vrsti ali istem stolpcu, tudi štejemo kot sosedne. 350 Sosednost kvadratov je osnova za poenostavljanje funkcij po grafični poti, saj združevanje sosednih izrazov zmeraj eliminira tisto spremenljivko, ki se je v obeh kvadratih pojavila v komplementarni obliki. Verjetno si bomo poenostavljanje funkcij najlažje razložili na primerih. Najprej pa si še narišimo Veitcheve diagrame za dve, tri in štiri spremenljivke. A B m6 m7 m3 m2 m4 m5 m1 m0 C A B A m3 m1 m2 m0 B m12 m14 m6 m4 m13 m15 m7 m5 m9 m11 m3 m1 m8 m10 m2 m0 D C Slika 11.31: Veitchev diagram z dvemi, tremi ali štirimi spremenljivkami Veitcheve diagrame z večimi spremenljivkami ne bomo uporabljali, so pa v praksi seveda možni. 351 Primer 1: Narišite naslednjo logično funkcijo v Veitchevem diagramu: f = nAnD + ABnD + AnBnCD + nAnBCnD + BCD A B 1 1 1 1 1 1 D 1 1 1 C Vsak člen zgornjega izraza ponazorimo z enicami v ustreznih kvadratkih. Lahko vidimo, da se prvi člen (nAnD) razširi v štiri enice: debelo tiskani v zgornjem diagramu. Podobno dobimo enice še za ostale člene. Vsak minterm da eno enico. Členi z manjšim številom spremenljivk pa v diagram prispevajo več enic. Vidimo, da se nam logična funkcija avtomatično razširi do vsote mintermov, to je v kanonično obliko. Primer 2: Poenostavite funkcijo: f = nABCnD + nABnCnD + nABCD + nABnCD + AnBCD + nAnBCD + AnBnCnD Narišemo najprej Veitchev diagram za zgornjo funkcijo: A B 1 1 1 1 1 D 1 1 C (Obkrožili bomo na predavanjih!) 352 Kot smo že omenili, je osnova poenostavitve v Veitchevih diagramih eliminacija spremenljivk v dveh sosednjih kvadratih. Obkrožena minterma na sredini diagrama se po poenostavitvi reducirata iz AnBCD + nAnBCD v nBCD. Tako smo izločili spremenljivko A, ki se v enem členu pojavlja kot nenegirana, v drugem členu pa kot negirana. Uporabili smo torej pravilo A + nA = 1: AnBCD + nAnBCD = nBCD(A + nA) = nBCD. Enica v spodnjem levem kotu nima soseda, zato ostane kot minterm AnBnCnD. Nasprotno pa lahko vse štiri enice desno zgoraj obkrožimo. Vsem štirim je skupno nAB, ostali dve spremenljivki pa se razlikujeta. Zato se vsi štirje mintermi poenostavijo v nAB. Do tega rezultata pridemo tudi z uporabo Boolove algebre: nABCnD + nABnCnD + nABCD + nABnCD = nABnD (C+nC) + nABD(C+nC) = nABnD + nABD = nAB (nD + D) = nAB. Dobljena poenostavljena funkcija je torej: f = nAB + nBCD + AnBnCnD. Za zgornji primer poenostavitve bi lahko rekli, da je nekoliko poseben, saj ga je možno poenostaviti samo na opisani način. V splošnem pa se lahko isti Veitchev diagram poenostavi na več načinov. Primere bomo pokazali na predavanjih. 11.7 Pomnilniki Pomnilniki so logična vezja, ki omogočajo shranjevanje podatkov oziroma besed pod določenim naslovom. Pomnilnik si v splošnem lahko predstavljamo kot omaro s predalčki. Glej sliko 11.32. 353 000 001 010 011 100 101 110 111 Slika 11.32: Zgradba pomnilnika Vsak izmed predalčkov ima svoj naslov (slika 11.32). V predalčkih se skrivajo podatki. V trenutku, ko na naslovne vhode pripeljemo določeno vrednost, se na podatkovnih izhodih pojavi vrednost, ki je shranjena v določenem predalčku (v primeru branja iz pomnilnika). Vsi podatki v takem pomnilniku imajo isto število mest. Običajno je to število 4, 8, 16, 32, 64, 128. Kapaciteto pomnilnika (število podatkov) lahko izračunamo po formuli: kapaciteta = 2število naslovnih vhodov 11.55 Obratno, lahko določimo tudi število naslovnih vhodov iz kapacitete pomnilnika po formuli: število naslovnih vhodov = log2 (kapaciteta) 11.56 Pomnilnik na sliki 11.32 lahko shematsko prikažemo, kot to kaže slika 11.33 (predpostavimo, da se v predalčkih skriva osem bitni podatek). Podatkovno vodilo Enable 8x8 Naslovno vodilo Slika 11.33: 8 x 8 bitni pomnilnik - shematski prikaz 354 Na sliki opazimo tudi posebno sponko - Enable. Potencial log. 1 na tej sponki povzroči odklop pomnilnika z linije, potencial log. 0 pa priključitev na linijo. 11.7.1 Bralni pomnilnik - ROM (Read Only Memory) Bralni pomnilnik je logična struktura, ki omogoča le branje podatkov, ki so v pomnilniku shranjeni. Vsebine pomnilnika ne moremo spreminjati. Vsebina se vpiše v pomnilnik v tovarni, kjer ta pomnilnik izdelujejo. Ker je za vsak tak pomnilnik potreben specialni razvoj integriranega vezja, uporabljamo te pomnilnike predvsem v velikoserijskih izdelkih. Notranja zgradba takega pomnilnika je sorazmerno preprosta. Slika 11.34 prikazuje primer notranje zgradbe in pravilnostne tabele takšnega ROM pomnilnika. Slika 11.34: Shematski prikaz zgradbe ROM pomnilnika Na sliki 11.34 je prikazan bralni pomnilnik z vpisano vsebino, ki je prikazana s pomočjo pravilnostne tabele. Osnovo tega vezja predstavlja razdruževalnik oz. demultipleksor. Ta ob vsaki kombinaciji binarnega števila, ki se nahaja na naslovnih vodilih, priredi vrednost 1 pripadajočemu izhodu razdruževalnika, medtem ko imajo vsi ostali izhodi vrednost 0. Povezave, ki določajo podatkovno linijo, so speljane povprek preko naslovnih linij. Diode povzročijo, da se v primerih, ko ima določena naslovna linija vrednost 1, tudi na pripadajoči podatkovni liniji ( linija na katero je dioda povezana) pojavi vrednost 1. Če potrebujemo vrednost 0, dioda ni potrebna, ker je vsaka podatkovna linija preko upora povezana na maso (0), stika z naslovno linijo pa brez diode nima. Vezava večih diod na eno podatkovno ali naslovno linijo ne povzroča težav, saj se log. 1 (visok napetostni nivo) v določenem trenutku pojavi le na eni naslovni liniji. Ker dioda prevaja le takrat, kadar je anoda bolj pozitivna kot 355 katoda, so aktivne le diode na tisti naslovni liniji, na kateri se nahaja vrednost logične 1. Slika 11.34 prikazuje bralni pomnilnik za 8 x 4 bite. Gradnja večjega pomnilnika zahteva večje število podatkovnih in naslovnih linij. V praksi seveda uporabljamo samo večje ROM pomnilnike, namesto diod pa se največkrat uporabljajo MOSFET tranzistorji. 11.7.2 Bralni pomnilnik z možnostjo vpisa - PROM (Programable ROM) Glede na način delovanja in notranjo zgradbo spada med pomnilnike, ki smo jih obravnavali v prejšnjem podpoglavju. Razlika je le v tem, da zapis podatkov v tak pomnilnik opravimo sami. To pomeni, da se diode nahajajo na vseh križiščih podatkovnih in naslovnih linij. Vsaka dioda pa ima zaporedno vezano še varovalko, ki jo pri programiranju uničimo. Slika 11.35 prikazuje tako križišče naslovne in podatkovne linije z diodo in varovalko. Slika 11.35: Križišče naslovne in podatkovne linije - shematsko Če bi preverili vsebino novega PROM-a, bi morale biti vrednosti vseh podatkov na vseh naslovih 1. To je logično, saj nobena varovalka še ni uničena. Uničimo jih s tokovnimi impulzi, ki jih generira poseben programator za PROM pomnilnike. Te varovalke so seveda dimenzionirane tako, da pri napetostni razliki, ki ni višja od max. napajalne napetosti, še (z določeno rezervo) ne pregorijo. Programiranje PROM-a poteka na zgoraj opisan način od prvega do zadnjega naslova. Ko smo ustrezne varovalke uničili, ostane na tem mestu za vselej izhodna vrednost 0. PROM se torej ne da preprogramirati. Vsebino zato vanj vnesemo le enkrat. Od tod tudi ime OTP ROM (one time programable), ki ga najdemo v literaturi. 356 11.7.3 Bralni pomnilniki z možnostjo vpisa in reprogramiranja EPROM-i Ti pomnilniki imajo praktično vse lastnosti prejšnjega pomnilnika. Edina večja razlika je v tem, da jih lahko zbrišemo in ponovno vpišemo. Brisanje poteka tako, da varovalke, ki smo jih pri vpisovanju poškodovali zopet obnovimo. Ker so tudi varovalke v polprevodniški obliki, lahko nosilce elektrine, ki smo jih pri preboju na silo odvedli, s silo tudi pripeljemo nazaj ali pa jih nadomestimo z novimi. Brisanje lahko izvedemo z ultravijolično svetlobo (UV EPROM) ali pa električno (EEPROM, FLASH). EPROM, ki ga lahko zbrišemo z ultravijolično svetlobo, moramo za nekaj časa izpostaviti svetlobi ustrezne valovne dolžine. Ta EPROM običajno označimo kot UV E PROM. Njegova značilnost je okrogla odprtina na zgornji strani ohišja pokrita s steklom. Da se UV EPROM ob uporabi nebi zbrisal, to okence prelepimo s folijo, ki UV žarkov ne prepušča. Glavna slabost tega EPROM-a je, da ga moramo, v primeru ponovnega vpisovanja, izvleči iz naprave, izpostaviti UV svetlobi in ponovno vpisati z ustreznim programatorjem - sorazmerno dolgotrajen postopek. EPROM, ki ga lahko brišemo električno (z električnim poljem) pa lahko brišemo in ponovno vpisujemo kar v napravi sami. Seveda pa ga lahko sprogramiramo tudi s programatorjem.Ta EPROM običajno označujemo kot EEPROM (Electrical Erasible Program Read Only Memory). Število reprogramiranj je tu omejeno na 300.000 do tipično 1.000.000. Prvi EEPROM-i so imeli veliko pomanjkljivost v tem, da je bilo potrebno električno zbrisati celoten spomin preden se ga je dalo ponovno vpisati. Za programiranje so zahtevali tudi višje napetosti (večje od napajalne). Danes pa je razvoj prišel tako daleč, da je brisanje (posamezne besede, seveda) sestavni del pisalnega cikla, vse višje napetosti pa se generirajo na samem chipu. FLASH pomnilniki združujejo električno zbrisljivost EEPROM-ov in višjo gostoto ter nižjo ceno po bitu UV EPROM-ov. Flash pomnilnik je tako skoraj idealna izbira za tiste aplikacije, ki zahtevajo reprogramiranje v sistemih. FLASH pomnilniki imajo življensko dobo omejeno na nekaj 100.000 reprogramiranj. S posebnimi prijemi lahko to življensko dobo precej podaljšamo. Tudi med FLASH pomnilniki najdemo take, ki omogočajo brisanje posameznih delov pomnilnika, imenovanih sektorji, za reprogramiranje pa ne rabimo višjih napetosti. 357 11.7.4 Pomnilnik z naključnim dostopom - RAM (Random Acces Memory) Kot nam že samo ime (naključni dostop) pove, lahko poljubno spreminjamo vrednost binarnega števila, to je podatka, na kateremkoli naslovu. V tak pomnilnik lahko vrednosti vnašamo ali pa jih iz njega beremo. Podatkovno vodilo ima tu, podobno kot pri EEPROM in FLASH pomnilniku, dvojno vlogo (vhodi - pri vpisovanju, izhodi - pri branju). RAM pomnilniku moramo torej povedati, kdaj beremo in kdaj vpisujemo. To povemo preko posebnega krmilnega vhoda (R/nW). Kadar imamo na tem vhodu nivo logične 1, iz tega pomnilnika beremo, kadar pa imamo nivo logične 0, v RAM vpisujemo. Sama struktura RAM pomnilnika vsebuje D flip-flope kot spominske elemente. Ti D flip-flopi oz. D pomnilne celice so vezane v registre. Dolžina spominske besede je določena s številom teh spominskih elementov v registru, posamezen register pa dosežemo z ustreznim naslovom. Velikost naslova je torej odvisna od števila registrov v RAMu. Slika 11.36 shematično prikazuje RAM pomnilnik. Poglejmo si najprej vpisovanje v RAM pomnilnik: Binarno besedo, ki jo želimo vpisati v ta pomnilnik, damo na podatkovno vodilo D. Kje v spominu bo ta beseda vpisana določimo z naslovnim vodilom A. Vhod nEN (Enable) mora biti aktiven (na nivoju logične 0). Na vhod R/nW damo nizek nivo. Vhod nOE (output enable) pa mora biti neaktiven (na nivoju logične 1) saj ga uporabljamo za hiter dostop pri branju iz RAM-a. V kolikor so vsi ti krmilni vhodi na ustreznih nivojih, se nam podatek na podatkovnem vodilu vpiše na naslov, ki ga določa naslovno vodilo. Pri tem pa je pomembna tudi časovna usklajenost vseh teh signalov (timing). Naslovno vodilo RAM Podatkovno vodilo nEN R/nW nOE Slika 11.36: Simbol RAM pomnilnika 358 Poglejmo si še branje iz RAM pomnilnika: Na naslovno vodilo postavimo določeno kombinacijo 1 in 0 ter s tem določimo iz katerega naslova RAM pomnilnika želimo prebrati podatek. Vhod nEN mora biti tudi tu aktiven (na nivoju logične 0). Na vhod R/nW damo visok nivo. Vhod nOE mora biti sedaj aktiven (na nivoju logične 0). V kolikor so vsi ti krmilni vhodi na ustreznih nivojih, se nam podatek prenese iz ustreznega naslova v RAM-u na podatkovno vodilo. Seveda je tudi tu pomembna časovna usklajenost vseh teh signalov (timing). Tudi RAM pomnilniki obstajajo v dveh izvedbah: statični RAM (SRAM) in dinamični RAM (DRAM). Statične RAM-e smo pravkar spoznali, sedaj pa bomo zelo nakratko spoznali še dinamične RAM-e. Pri dinamičnih RAM-ih uporabljamo CMOS tehnologijo in kot pomnilne enote kondenzatorje z majhno kapacitivnostjo, da jih lahko hitro napolnimo. Na teh kondenzatorjih se zadržujeta dva različna nivoja napetosti (logična 0 in 1). Vsebino teh kondenzatorjev moramo neprestano osveževati, da se zaradi praznenja le-teh shranjene vrednosti nebi izgubile. To osveževanje poteka tako, da se znotraj samega pomnilnika doda vezje, ki periodično preverja stanja na posameznih lokacijah in jih na novo zapisuje - osvežuje. V primeru, ko pa se vsebina posameznega pomnilnega mesta zaradi zunanjega ukaza spremeni, zapiše vezje za osveževanje v kondenzator novo vrednost (nov napetostni nivo). Ker imamo v zgradbi tega pomnilnika dinamične gradnike (kondenzatorje), ki jih moramo osveževati vsakih nekaj milisekund, jih imenujemo dinamični RAM-i. Prednost DRAM-ov v primerjavi z SRAM-i je predvsem v enostavnosti pomnilniške celice. Tako je na en DRAM čip možno vgraditi približno štirikrat več celic kot na en SRAM čip. DRAM-i so tudi cenejši. Slabost DRAM-ov pa je osveževanje in daljši časi dostopa. Obe vrsti RAM-a pa imata skupno slabost - ob izklopu ali izpadu napajalne napetosti izgubita vpisane podatke. Kadar si tega ne smemo privoščiti rešujemo problem na dva načina: • ob izklopu napajanja preklopimo RAM na baterijsko napetost (običajno litijeva baterija ali posebni “backup” kondenzator (npr. 1F). Preklop moramo pravilno in dovolj hitro izvesti, da ne izgubimo podatkov v RAM-u. • namesto RAM-a uporabimo posebno pomnilniško vezje - NOVRAM (Nonvolatile RAM). NOVRAM je kombinacija RAM-a in EEPROM359 a realizirana v enem chipu. Dokler je prisotna napajalna napetost, so podatki v RAM-u, kjer jih tudi obdelujemo. V primeru izpada napajalne napetosti, pa se ti podatki prepišejo v EEPROM, ki jih varno shrani. Ko pa se napajalna napetost vrne, se podatki prepišejo nazaj v RAM. 11.8 Mikroprocesorji, mikrokrmilniki in mikroračunalniki Tu bomo najprej podali zgodovinski razvoj mikroprocesorjev. Ker pa moramo na nastanek mikroprocesorjev gledati kot na dogodek na področju računalniških sistemov smo v to poglavje vključili tudi osnove arhitekture računalnikov. Pobuda za razvoj prvega mikroprocesorja je prišla iz Japonske. Sredi leta 1969 je japonska firma Busicom, ki je izdelovala namizne kalkulatorje in je kasneje propadla, ponudila ameriški firmi Intel pogodbo za razvoj družine integriranih vezij. Ta integrirana vezja naj bi uporabili pri izdelavi nove serije programabilnih kalkulatorjev. Za pregled in oceno zahtev Busicoma je bil zadolžen Marcian E.”Ted” Hoff, ki se je zaposlil pri firmi Intel pred enim letom kot njen dvanajsti zaposleni. Hoff je prišel do sklepa, da so Busicomovi načrti prezahtevni, da bi jih bilo mogoče realizirati po takrat običajni poti. Ker je Hoff, preden se je pridružil Intelu, pri svojem delu uporabljal miniračunalnik PDP-8 firme DEC, ni in ni mogel razumeti, zakaj bi morala biti zgradba Busicomovega kalkulatorja bolj zapletena od zgradbe PDP-8. Ugotovil je, da bi bilo tak kalkulator mnogo lažje realizirati z uporabo univerzalnega procesorskega elementa kot pa z uporabo zapletene fiksno ožičene logike. Podobno kot pri PDP-8 bi delovanje kalkulatorja določali v pomnilniku shranjeni programi. Busicomu ideja sprva ni bila preveč všeč. Ker pa je Intel, kot mlada firma iskal nova tržišča in ker je Intelov management ocenil, da bi tak element lahko povečal prodajo njihovih lastnih pomnilniških elementov, so Hoffu dovolili, da nadaljuje z delom. Tako je nastal osnutek 4-bitnega procesorja, ki je pod oznako 4004 postal kasneje znan kot prvi mikroprocesor. Ob tem je zanimivo, da veliko ljudi pojav mikroprocesorjev opisuje kot logično posledico nadaljevanja mikroelektronske tehnologije. To pa ne drži, še posebej če vemo: 360 • da v projekcijah razvoja mikroelektronskih komponent, ki jih vsako leto objavlja več za to področje specializiranih ustanov, leta 1969-71 nihče ni predvideval elementov z lastnostmi mikroprocesorjev; • da se celo pri Intelu niso zavedali kaj so spočeli. Glavni motiv za proizvodjo mikroprocesorja je bil boljša prodaja ostalih komponent; • da so bili strokovnjaki precej skeptični o množični proizvodnji cenenih računalnikov. Tudi kasneje pojav prvega mikroprocesorja ni povzročil revolucije na tržišču. Tudi potem, ko se je Busicom kljub vsemu odločil uporabiti Hoffov izdelek in je Intelu dovolil svobodno prodajo procesorja 4004, se je leta srečeval z veliko obotavljivostjo managementa. Celo pri Intelu so ocenili svetovne potrebe po mikroprocesorjih na nekaj tisoč letno in sicer kot zamenjavo za miniračunalnike. Odbor direktorjev Intela se je končno odločil, da gredo s projektom naprej. V novembru 1971 so v reviji Electronic News objavili prvo reklamo za njihov “microprogrammable computer-on-a-chip”. V naslednjem desetletju se je uporaba njihovega izdelka močno razširila. Istočasno z razvojem 4004 so se v Intelu ukvarjali tudi z razvojem močnejšega 8-bitnega mikroprocesorja 8008. Prav ta in njegovi potomci pri Intelu in drugih firmah so povzročili veliko mikroprocesorsko eksplozijo v naslednjih letih. Čeprav so 4004 in 8008 že slavili kot izdelek desetletja, se je moral mikroprocesor kot naprava za dodajanje inteligence v stroje in naprave šele dokazati. Ta dokaz je prišel leta 1974 z novim Intelovim mikroprocesorjem 8080. 11.8.1. Kaj je mikroprocesor Beseda, s katero so poimenovali Hoffov procesorski element, je bila v tem pomenu prvič uporabljena leta 1972. Razlog za tako poimenovanje je seveda v fizični majhnosti mikroprocesorja. Silicijeva ploščica, oz. čip, na katerem je zgrajen, je tipično velika nekaj deset kvadratnih milimetrov. Mikroprocesor je centralna procesna enota (CPE) računalnika zgrajena na eni sami Si ploščici (čipu). Z mikroprocesorjem torej lahko zgradimo računalnik. To tudi pogosto delamo, vendar večina naprav, v katere so vgrajeni mikroprocesorji, niso računalniki. Bolj natančno povedano, navzven ni videti, da so te naprave računalniki ali, da vsebujejo računalnik. Lahko rečemo, da današnja razširjenost mikroprocesorjev ni toliko posledica njihove uporabe v računalnikih, kot njihove uporabe v 361 drugih napravah. Razlog za to je v tem, ker mikroprocesor omogoča nov način gradnje digitalnih sistemov. Pred pojavom mikroprocesorjev so bili digitalni sistemi običajno grajeni s tako imenovano fiksno ožičeno logiko - to je z množico med seboj povezanih logičnih vrat in pomnilniških celic, ki ji delovanje določa fiksna povezava med njimi. S spremembo teh fiksnih povezav je delovanje naprave mogoče spremeniti, vendar pa taka sprememba zahteva fizično spreminjanje povezav, kar je počasna in pogosto tudi draga operacija.V večini primerov je bistveno preprosteje zamenjati pomnilniški čip, ki vsebuje stari program, z novim pomnilniškim čipom, ki vsebuje novi program. Mikroprocesor omogoča torej drugačen pristop k gradnji digitalnih sistemov. Tako lahko realiziramo poljuben digitalni sistem ali celo poljubno zaporedje digitalnih sistemov tako, da s programom predpišemo lastnosti dane naprave. Namesto fiksno ožičene logike imamo sedaj programsko krmiljeno logiko, ki ima naslednje prednosti pred fiksno ožičeno logiko: • • • • manjše število komponent, več različnih naprav z istimi komponentami in povezavami, sposobnost hitrega prilagajanja spremembam, preprostejše vzdrževanje - samotestiranje. Ima pa tudi programsko krmiljena logika svoje slabosti. Ena takih slabosti je njena hitrost delovanja, ki je pri enaki tehnologiji čipov vedno nižja od hitrosti fiksno ožičene logike. Druga slabost pa pride do izraza pri kompleksnih sistemih, ki jim delovanje določajo zelo obsežni programi. Spreminjanje ali popravljanje takih programov je lahko zelo zahtevno in drago opravilo. 11.8.2. Mikroprocesor, mikroračunalnik in mikrokrmilnik Pojma mikroprocesor in mikroračunalnik se pogosto zamenjujeta. Vendar je strogo vzeto razlika med njima točno določena. Mikroprocesor je, kot smo že povedali, centralna procesna enota računalnika - mikroračunalnik pa je računalnik, ki ima za svojo centralno procesno enoto mikroprocesor. Drugače povedano, v mikroračunalniku je mikroprocesor samo eden od njegovih delov. Med ostalimi deli naj omenim pomnilnik in vhodnoizhodne enote, poleg tega pa še logiko in povezovalne poti, ki te dele povezujejo. Mikroprocesor je torej eden od sestavnih delov (pogosto 362 najmanjši) mikroračunalnika. Tipičen primer mikroračunalnika prikazuje slika 11.37. Urin generator Mikroprocesor Glavni pomnilnik Vhodno-izhodne naprave Slika 11.37: Zgradba tipičnega mikroračunalnika Mikroprocesorji se kot nadomestilo fiksno ožičene logike pogosto uporabljajo v aplikacijah, ki imajo zelo malo skupnega z že bolj ali manj ustaljeno predstavo o tem, kaj naj bi računalnik bil. Včasih se zato namesto pojma mikroračunalnik uporabi izraz mikroprocesorski sistem ali tudi mikroprocesorsko krmilje. Pri današnji stopnji razvoja mikroelektronske tehnologije je razmeroma lahko na isti čip poleg mikroprocesorja vgraditi tudi enega ali več od na sliki 11.37 prikazanih delov. Takih čipov je veliko in proizvajalci jih pogosto imenujejo mikroračunalniki. Z njihovo uporabo je mogoče zmanjšati število komponent, ki so potrebne za realizacijo nekega sistema. Posebna vrsta mikroračunalnikov na enem čipu so tako imenovani mikrokrmilniki. To so mikroračunalniki, ki so narejeni za uporabo v aplikacijah, kot so vodenje in nadzor procesov in naprav. V ta namen imajo poleg elementov, ki jih srečujemo pri običajnih mikroračunalnikih, pogosto vgrajene še elemente kot so analogno-digitalni in digitalnoanalogni pretvorniki, časovna vezja, močnostni vhodi in izhodi ter podobno. Z njihovo uporabo je zopet mogoče zmanjšati število komponent, ki so potrebne za realizacijo zgoraj omenjenih aplikacij. 11.8.3 Mikroprocesorska tehnologija V tehnologiji integriranih vezij razlikujemo bipolarno in MOS tehnologijo. Pri bipolarni tehnologiji je integrirano vezje zgrajeno iz bipolarnih tranzistorjev, pri MOS tehnologiji pa iz MOSFET (“Metal Oxide Semiconductor Field Effect Tranzistor”) tranzistorjev. Ti 363 tranzistorji in spremljajoče pasivne komponente (predvsem upori in diode) so med seboj povezani na isti kristalni ploščici (čipu), ki sestavlja njih same. Takemu vezju pravimo monolitno integrirano vezje. Monolitno integrirano vezje je torej zgrajeno na eni sami kristalni ploščici; ta ploščica je skoraj vedno iz silicijevega kristala. Samo za najhitrejša vezja se uporablja kristalna ploščica iz galijevega arzenida. Hitrost elektronov v galijevem arzenidu je višja kot v siliciju, vendar je za sedaj pri proizvodnji še veliko težav. Glede na število komponent (tranzistorjev, diod in uporov), ki sestavljajo integrirano vezje, razlikujemo več stopenj integracije: • SSI (“Small-Scale Integration”) vezja z največ 10 logičnimi vrati na vezju (do približno 100 komponent); • MSI (“Medium-Scale Integration”) vezja z 10 do največ 100 logičnimi vrati (do približno 1000 komponent); • LSI (“Large-Scale Integration”) vezja s 100 do največ 1000 logičnimi vrati na vezju (do približno 10.000 komponent); • VLSI (Very Large-Scale Integration) vezja z več kot kot 1000 logičnimi vrati na vezju (več kot 10.000 komponent). Zgornja meja števila komponent se nenehno veča in se danes giblje po naših podatkih okoli 20.000.000. Pri MOS tehnologiji so upori realizirani s tranzistorji, ki zasedajo manj prostora kot pravi upori. Tudi sicer je MOS tehnologija tehnološko preprostejša in omogoča doseči višjo stopnjo integracije. Večina LSI in praktično vsa VLSI so zato izdelana v MOS tehnologiji. Ker je za realizacijo mikroprocesorjev in mikroračunalnikov potrebno veliko komponent, so skoraj vsi mikroprocesorji zgrajeni v MOS tehnologiji. Danes seveda prevladuje CMOS tehnologija. Vezja, izdelana v tej tehnologiji, imajo nekatere pomembne prednosti (manjša poraba energije, odpornost proti šumu, višja hitrost delovanja), so pa zaradi bolj zahtevnega tehnološkega procesa dražja. 11.8.4. Osnovni principi delovanja računalnikov Že v uvodnem poglavju smo omenili, da je mikroprocesor v bistvu centralna procesna enota (CPE) von Neumannovega računalnika. Posebnost in pomembnost mikroprocesorjev je v njihovi majhnosti in cenenosti, ki je omogočila uporabo računalnikov na novih področjih. Večina sistemskih rešitev, ki se danes uporabljajo v računalnikih in mikroračunalnikih, je bila namreč znanih in uporabljenih pri računalnikih že veliko pred pojavom mikroprocesorjev. Za boljše razumevanje 364 delovanja in uporabe mikroprocesorjev je zato koristno poznati osnovne principe zgradbe in delovanja računalnikov. Najprej si poglejmo Turingov st roj, ki je le mehanična metafora za model računanja, ki je bila v pomoč tudi samemu Turingu. Tak stroj ne obstaja, je samo za pomoč pri dokazovanju neizračunljivosti. Von Neumannov model je inačica Turingovega stroja, ki pa je osnova vsem kasnejšim računalnikom. Njegov model je realen, ker pomnilnik ni neskončen, ampak dovolj dolg za navadne potrebe. Njegov model je učinkovito hiter. To so osnovne zahteve za vsak računalnik. 11.8.4.1 Turingovi stroji V začetku 20 stoletja se je Anglež Alan Turing ukvarjal z raziskavami teoretičnih modelov računanja. Njegov model računanja danes poznamo pod imenom Turingov stroj. Vsak Turingov stroj je mogoče na preprost način opisati z uporabo mehanskih delov, kot so trak, bralno – pisalna glava in mehanizem za pomik traku. Ob tem se moramo zavedati, da kakršnakoli fizična osnova stroja, ni bistvena in je samo sredstvo za laže razumevanje Turingove ideje. Turingov stroj je samo eden od številnih matematičnih modelov računanja. Mehanična ponazoritev je bila v pomoč Turingu, ki je bil kasneje tudi eden od pionirjev pri razvoju digitalnih računalnikov. Slika 11.38 prikazuje eno od možnih zgradb Turingovega stroja. Pomnilniški trak M je neskončno dolg in je razdeljen na segmente. Vsaka celica je ali prazna ali pa vsebuje en znak iz končne množice znakov. Tej množici znakov pravimo abeceda. Procesor P ima končno število notranjih stanj in je vedno v enem od njih. Bralno-pisalna glava lahko bere vsebino celice, ki je pod njo, piše na to celico in se premakne za eno celico levo ali desno. PROCESOR Bralno - pisalna glava Pomnilniški trak Slika 11.38: Turingov stroj 365 Procesor P zna izvršiti kateregakoli iz končne množice ukazov in jih, ko ga poženemo, opravlja enega za drugim, vendar ne nujno po vrsti. Vsak ukaz lahko zapišemo z izrazom (St, Za, Ob, Sc), kjer St pomeni trenutno stanje procesorja, znak Za pomeni znak pod brano-pisalno glavo procesorja, Ob pomeni operacijo, ki jo zahteva ukaz in Sc pomeni notranje stanje procesorja po koncu ukaza. Kateri od ukazov se bo izvršil v nekem trenutku je določeno s stanjem St in znakom Za. Kaj bo ukaz naredil določa operacija Ob. Novo stanje Sc določa kateri iz množice ukazov bo sledil trenutnemu. Vidimo torej, da vrstni red, v katerem so v množici podani ukazi, ni pomemben. Za vsako možno kombinacijo stanja St in znaka Za obstaja ukaz, ki določa, kaj se bo zgodilo. Preden stroj lahko prične z delom moramo definirati začetno notranje stanje procesorja. Operacije Ob so pri Turingovih strojih preproste: • Ob = Zb ; na trak se zapiše znak Zb, ki zamenja znak Za, • Ob = D ; bralno-pisalna glava se premakne za eno celico v desno, • Ob = L ; bralno-pisalna glava se premakne za eno celico v levo, • Ob = H ; stroj se ustavi. Reševanje nekega problema na Turingovem stroju običajno prevedemo na računanje neke funkcije z = f(x). Funkcija f(x) je izračunljiva, če obstaja postopek, s katerim lahko določimo njeno vrednost za vse vhodne podatke x, za katere je definirana. To pomeni, da znamo izraziti funkcijo f(x) kot zaporedje funkcij f1, f2, ... fn tako, da velja: y1 = f1(x) y2=f2(y1) . . . yn-1=fn-1(yn-2) z=fn(yn-1). Funkcije f1, f2, ..., fn morajo biti take, da jih je možno izračunati. Za izračun funkcije z = f(x), moramo najprej izbrati primeren Turingov stroj – to je, definirati abecedo, število notranjih stanj in začetno stanje. Nato določimo končno množico ukazov, ki bo izračunala funkcijo. V našem primeru poznamo algoritem kot zaporedje funkcij f1, f2, ... fn. Vsako od funkcij lahko pretvorimo v ukaz za Turingov stroj. Tako dobljen množici ukazov pravimo program. Vhodni podatek x zapišemo v kodirani obliki z znaki abecede na trak. Stroj, ki je na začetku vedno v začetnem stanju poženemo in prične se izvajanje ukazov. Po končanem izvajanju ukazov se mora stroj ustaviti in na traku mora biti z znaki abecede napisan 366 rezultat z. Ustavitev stroja je bistvena – če se stroj ne ustavi, ni rešil problema. Primer seštevanja dveh naravnih števil s Turingovem strojem. Videli bomo, da seštevanje lahko rešimo s strojem, ki ima šest notranjih stanj S0, S1, ... , S5, abecedo z dvema znakoma (1 in _, kjer _ pomeni prazno celico in množico ukazov oz. program, ki je prikazan na sliki 11.39. Začetno stanje je S0. Vsako naravno število N predstavimo z zaporedjem N znakov 1, ki ima levo in desno najmanj eno prazno celico. Gre za unarno predstavitev naravnih števil. Števili N1 in N2, ki ju želimo sešteti, najprej napišemo na trak v naslednji obliki. _11...1_11...1_ N1 N2 Na začetku je bralno-pisalna glava nad prazno celico, ki je levo od prvega znaka 1. Stroj izračuna vsoto N1+N2 tako, da najprej zamenja znak _, ki loči N1 od N2, z 1. Nato zamenja najbolj levo 1 z _ in se ustavi. Na traku dobimo zaporedje __1...111...1_, N1+N2 ki pomeni vsoto N1+N2. Program prikazuje slika 11.39. Ukaz (S0, _, D, S0) (S0, 1, D, S1) (S1, 1, D, S1) (S1, _, 1, S2) (S2, 1, L, S3) (S3, 1, L, S3) (S3, _, D, S4) (S4, 1, _, S5) (S5, _, H, S0) Komentar Pomik glave v desno do prve 1 Pomik glave v desno za N1 celic Znak _ med N1 in N2 zamenjaj z 1 Pomik glave v levo do prvega _ Pomik glave v desno do najbolj leve 1 Zamenjaj najbolj levo 1 z _ Stoj: na traku je vsota N1+N2 Slika 11.39: Program za seštevanje dveh unarno predstavljenih naravnih števil 367 11.8.4.2. Von Neumannov računalniški model Velika večina vseh današnjih računalnikov, vključno z mikroračunalniki, spada v skupino tako imenovanih von Neumannovih računalnikov. Imajo namreč von Neumannovo arhitekturo. Imenujejo se po ameriškem matematiku madžarskega porekla Johnu von Neumannu, ki je leta 1945 napisal predlog za gradnjo novega elektronskega računalnika s shranjenim programom. Slika 11.40 prikazuje zgradbo tipičnega von Neumannovega računalnika. Vidimo, da von Neumannov računalnik sestavljajo trije glavni deli: • Centralna p rocesna e nota ( CPE). Tej enoti pogosto pravimo kar procesor. V von Neumannovem računalniku se večina dogajanja odvija v CPE ali pod njeno kontrolo. To odraža tudi oznaka centralna, s katero se želi poudariti osrednjo vlogo te enote. Glavna naloga te enote je, da iz glavnega pomnilnika jemlje ukaze in jih izvršuje. Običajno jo delimo na tri dele: kontrolno enoto, aritmetično-logično enoto (ALE) in registre. Ena od možnih realizacij CPE je mikroprocesor. • Glavni pomnilnik. Glavni pomnilnik se včasih imenuje tudi primarni pomnilnik. V njem so shranjeni ukazi in operandi, ki jih uporablja CPE. Z besedo glavni ga označujemo zato, da ga ločimo od drugih pomnilnikov, ki nastopajo v današnjih računalnikih. Glavni pomnilnik je sestavljen iz pomnilniških besed. Vsaka taka beseda ima svoj enoličen naslov. • Vhodno-izhodni ( V/I) sistem. V CPE in v glavnem pomnilniku je informacija shranjena v obliki, ki zunanjemu svetu ni dostopna. Vsak računalnik ima zato del, ki ga imenujemo vhodno-izhodni sistem in je namenjen za prenos informacije v in iz zunanjega sveta. Del vhodnoizhodnega sistema so pogosto tudi vhodno-izhodne naprave (npr. tipkovnica, tiskalniki, prikazovalniki, magnetni diski, telefonske linije in drugo), ki pretvarjajo informacijo iz oblike, ki jo uporablja CPE, v obliko, ki je primerna za človeka ali kakega drugega uporabnika (npr. stroje, merilne instrumente ipd.). 368 Centralna procesna enota Kontrolna enota Aritmetično logična enota Glavni pomnilnik Register 1 Register 2 Register N Vhodno-izhodni sistem Vhodno-izhodne naprave Slika 11.40: Zgradba tipičnega von Neumannovega računalnika Te tri dele srečamo praktično pri vsaki vrsti računalnikov. V von Neumannovem računalniku je celotno dogajanje pod nadzorom CPE, ki jemlje iz glavnega pomnilnika ukaze in jih izvršuje. Opišemo ga lahko kot zaporedje naslednjih dveh korakov: 1. Jemanje u kaza iz gl avnega p omnilnika ( “fetch”). Temu koraku pravimo tudi prevzem ukaza ali tudi branje ukaza. Te ukaze označujemo z izrazom strojni ukazi, da jih razlikujemo od ostalih vrst ukazov, ki jih poznamo pri računalnikih. Zaporedju strojnih ukazov, ki jih prevzema CPE pravimo program. Strojni ukaz se vedno bere iz tiste besede glavnega pomnilnika, na katero kaže vsebina CPE registra, ki mu pravimo programski števnik PC. Programski števnik PC vedno vsebuje pomnilniški naslov, na katerem je naslednji ukaz. 2. Izvrševanje v prvem koraku prevzetega ukaza (execute). Vsak ukaz vsebuje informacijo o operaciji in operandih, na katerih naj se operacija izvrši. CPE izvrši operacijo in poskrbi, da je po končanem izvrševanju v programskem števniku PC naslov naslednjega ukaza. Pri tem upošteva pravilo, da so ukazi v pomnilniku shranjeni po naraščajočih naslovih. To pravilo lahko ponazorimo z izrazom 369 PC←PC+ 1. Izjema so tako imenovani skočni ukazi, s katerimi lahko v programski števnik PC zapišemo poljuben naslov. Po zaključku drugega koraka prične CPE zopet s prvim korakom. To se ponavlja, dokler računalnik deluje. Izjema v tem zaporedju se pojavi, kadar pride do prekinitve. Ob prekinitvi CPE po zaključku drugega koraka ne prevzame naslednjega ukaza. Namesto tega se izvrši skok na neki drugi ukaz. Naslov tega ukaza je določen z načinom delovanja prekinitev, ki jih uporablja CPE. Ukaz, na katerega se izvrši skok, je prvi ukaz tako imenovanega prekinitvenega strežnega programa. Ob tem skoku se vedno shrani programski števnik. S tem je omogočeno, da po zaključku prekinitvenega strežnega programa CPE lahko nadaljuje z izvajanjem ukaza, ki bi se izvršil, če prekinitve ne bi bilo. Zaporedje dogodkov ob prekinitvi je torej naslednje: • tekoči program se prekine, • izvede se prekinitveni strežni program, • tekoči program se nadaljuje. Zahteve za prekinitev prihajajo v CPE največkrat iz vhodno-izhodnih naprav. Vidimo, da je delovanje von Neumannovega računalnika v bistvu zaporedno prevzemanje in izvrševanje ukazov. Celotno delovanje je torej pod nadzorom ukazov. Pri vsakem von Neumannovem računalniku imamo pravilo, s katerim je določeno, kje je shranjen prvi ukaz (npr. po vklopu). Od tu naprej pa je vse določeno z ukazi iz glavnega pomnilnika. Ta pravila so različna pri različnih računalnikih. 11.8.4.3. Prenosi podatkov v mikroračunalniku Za dobro razumevanje dogajanja v von Neumannovem računalniku je potrebno poznati podrobnosti pri prenosu podatkov. To še posebej drži pri mikroprocesorju, ki je pravzaprav CPE zgrajena na enem čipu. Pri gradnji računalnika z mikroprocesorjem je ena od glavnih nalog prav realizacija prenosa podatkov med mikroprocesorjem in glavnim pomnilnikom ter mikroprocesorjem in vhodno-izhodnimi napravami. Skoraj vsi današnji mikroprocesorski sistemi uporabljajo za prenose podatkov povezovalno strukturo, ki jo povezuje slika 11.41. Naslovni, podatkovni in kontrolni signali skupaj tvorijo prenosno pot, ki ji pravimo vodilo. Fizično ni vodilo nič drugega kot skupek povezovalnih linij, po katerih potujejo električni signali. Običajno so te linije izvedene v obliki 370 tiskanega vezja, vendar to ni nujno. Pri mikroračunalnikih in mikrokrmilnikih pa se ta vodila vsaj delno nahajajo kar v samem čipu tako, da imamo tu notranja in zunanja vodila. V nekem trenutku poteka po enem vodilu največ en prenos. Enoti, ki zahteva in vodi ta prenos, pravimo gospodar vodila. Gospodar vodila generira naslovne, podatkovne in kontrolne signale. Na vodilu je v danem trenutku lahko gospodar samo ena enota - vse ostale so takrat sužnji. V sistemih, ki ne uporabljajo neposrednega dostopa do pomnilnika, je mikroprocesor vedno gospodar, pomnilnik in vhodno-izhodne naprave pa vedno sužnji. Nasprotno pa je v sistemih, ki uporabljajo neposreden dostop do pomnilnika, gospodarjev več (poleg mikroprocesorja tudi vsi DMA krmilniki). Za pravilno delovanje skrbi poseben mehanizem dogovarjanja med gospodarji o tem, kdo bo imel nadzor nad vodilom. VODILO CPE Glavni pomnilnik Krmilnik V/I naprave V/I naprava Krmilnik V/I naprave V/I naprava V/I naprava 11.41: Prenos podatkov v mikroračunalniku 11.8.5 Primer konkretnega mikrokrmilnika - Motorola MC68332ACFC20 MC68332ACFC20 je 32 bitni visoko integrirani mikrokrmilnik v 132 nožičnem PQFP ohišju, ki združuje veliko sposobnost upravljanja s podatki z močnimi perifernimi podsistemi: sistemski integracijski modul (SIM), vrstni serijski modul (QSM) in časovno procesorska enota (TPU). Vsi ti periferni podsistemi so priključeni na centralno procesno enoto CPU32 preko notranjega vodila (IMB). Izdelan je v HCMOS tehnologiji. Centralno procesna enota CPU32 zagotavlja, kot je že bilo rečeno, veliko sposobnost upravljanja s podatki, pri tem pa uporablja zelo razširjeno programsko bazo družine Motorola M68000. 371 Lastnosti: • modularna zgradba v enem čipu; • centralna procesna enota: 32-bitna: • od MC68010 navzgor programsko kompatibilna; • novi ukazi za krmilne aplikacije; • nizka poraba: • 600mW maksimalno; • 500µW v načinu mirovanja; • frekvenca, programsko nastavljiva: • fazno ujeta zanka realizirana v čipu (PLL), 131kHz do 20MHz (5V napajanje); • uporablja cenen kristal frekvence 32,768kHz; • tehnologija: • 1-mikronska HCMOS; • statični model; • število tranzistorjev: 422.000; • ohišje: 132-nožično PQFP; • inteligentna 16 bitna časovno procesorska enota (TPU): • poseben mikro-koprocesor, ki dela neodvisno od centralno procesne enote; • 16 neodvisnih programabilnih kanalov in priključkov; • vsak kanal lahko izvaja katerokoli časovno funkcijo; • dva časovno števna registra; • prioritetni nivoji posameznih kanalov; • dva serijska vhodno/izhodna podsistema: • serijski komunikacijski vmesnik - univerzalni asinhroni sprejemnik gonilnik (UART); • serijski periferni vmesnik z vhodno/izhodno vrsto (QSPI); • vgrajeni pomnilnik: 2k bajta statičnega RAM-a; • vgrajena programabilna “chip select” logika; • do 12 signalov za pomnilnike in vhodno-izhodne naprave; • zaščita sistemskih napak: • programski “watchdog timer”; • periodični prekinitveni števnik; • HALT in BUS monitorja; • do 32 ločenih vhodno-izhodnih priključkov. Na sliki 11.42 vidimo razpored priključkov mikrokrmilnika. 372 Slika 11.42: Razpored priključkov MC68332 Slika 11.43 pa prikazuje funkcijski diagram mikrokrmilnika. Čeprav velikost blokov v diagramu ponazarja ralativno velikost fizičnih modulov, pa vseeno ne obstoja popolna skladnost med lego in velikostjo blokov v diagramu in lego in velikostjo integriranih modulov v mikrokrmilniku. 373 Slika 11.43: Blokovni diagram MC68332 11.8.6 Razvoj mikroprocesorjev Slika 11.44 prikazuje razvoj mikroprocesorjev od leta 1972 do leta 1996. Vidimo, da se je število tranzistorjev v enem mikroprocesorju v dvajsetih letih povečalo za približno tisočkrat. 374 Slika 11.44: Naraščanje zmogljivosti mikroprocesorjev Leto 1996 je bilo npr. zelo delavno v industriji mikroprocesorjev in mikrokrmilnikov. MIPS je desegel zelo dobre prodajne rezultate, saj je prodal 5,5 milijona procesorjev. Intelov PentiumPro je prejel EDN-ovo nagrado za novost leta. Pojavilo se je mnogo novih arhitektur, kar je povzročilo nastanek obilice novih naprav. Število tranzistorjev v procesorju je lahko tudi več sto milijonov. V novejšem času so se začeli pojavljati več jedrni procesorji. Na istem čipu je več CPE. Več jedrni procesorji so razviti z namenom, da lahko opravljajo več opravil hkrati. Obstajajo že 16-jedrni procesorji, vendar so še redki. Trenutno so najpogostejši dvo in štiri jedrni procesorji. 375 11.9 Osnove mehke logike Mehka logika (fuzzy logic) je matematična razširitev Boolove logike, ki pozna samo dve stanji (0 in 1) na neskončno število stanj. Meka logika se kot običajna logika ukvarja z izjavami. V običajni logiki so lahko izjave pravilne ali napačne, torej njihova zaloga vrednosti zasede vrednosti 0 in 1. Mehka logika dovoljuje vmesne vrednosti, torej dovoljuje delno pravilnost. Temu rečemo stopnja pravilnosti (degree of truth). Začetek razvoja teorije mehke logike sega v šestdeseta leta, ko je Lofti A. Zadeh (slika 11.45) v svojem članku prvič obravnaval tako imenovane mehke veličine, ki jih ni možno opisati s formalnim matematičnim zapisom, vključno s teorijo verjetnosti. Potrebo za njihovo uvedbo, kot tudi za razvoj ustreznih matematičnih postopkov, je utemeljil z dejstvom, da je človeško zaznavanje in opisovanje bioloških in mehanskih sistemov daleč od natančno definiranega matematičnega izrazoslovja. V naslednjem članku iz leta 1973 je svoje delo nadaljeval z uvedbo pojma lingvistične spremenljivke, to je spremenljivke katere vrednost ni določena s številčnimi vrednostmi, pač pa z besedami iz naravnega jezika. Slika 11.45: Prof. Lofti A. Zadeh Danes se je mehka logika uveljavila na mnogih področjih, kot so razpoznavanje vzorcev, procesiranje signalov, elektronika, zlasti pa na področju vodenja in identifikacije sistemov. Pogosta je tudi uporaba mehke logike v raznovrstnih krmilnikih, od krmilnikov semaforjev do grelcev in pralnih strojev. Mehko logiko Zadeh definira kot edino tehniko, ki namesto števil uporablja za računanje in odločanje kar besede naravnega jezika. Druga 376 pogosta definicija označuje mehko logiko kot skupek postopkov, ki se uporabljajo pri delu z mehkimi množicami. 11.9.1 Mehka množica Mehka množica A v prostoru U je množica elementov x ∈ U z različno stopnjo pripadnosti tej množici (11.57). Stopnja pripadnosti se običajno določi s pripadnostno funkcijo, v množicah s končnim številom elementov pa se lahko določi tudi za vsak element posebej. µA(x): A→[0,1]. (11.57) Od normalne ali »ostre« množice se mehka množica torej razlikuje po tem, da imajo lahko njeni elementi stopnjo pripadnosti mehki množici v intervalu [0,1] in je prehod od elementov, ki ne pripadajo množici do tistih, ki ji pripadajo, postopen in določen s pripadnostno funkcijo. Mehko množico torej lahko predstavimo kot posplošitev koncepta običajne množice in jo simbolično zapišemo: A={x|µA(x)}. (11.58) Kot alternativa stopnji pripadnosti mehki množici se pojavlja tudi mera mehkosti. Mera mehkosti nekega elementa mehke množice je največja, če je njegova stopnja pripadnosti 0,5. Mera mehkosti in stopnja pripadnosti sta povezani z naslednjim izrazom: (11.59) c A = ∫ µ A ( x) − 0,5 dx . x Funkcije pripadnosti mehki množici so lahko različnih oblik in normalne, tako da določajo normalne mehke množice, saj sicer nekateri v nadaljevanju opisani postopki mehke logike več niso ustrezni. Mehko množico označimo kot normalno, če zanjo velja: supx µA(x) = 1 . (11.60) V praksi se najpogosteje uporabljajo: naslednje oblike pripadnostnih funkcij (slika 11.46): • Trikotna • Trapezoidna • Sigmoidna • Gaussova. 377 Slika 11.46: Najpogostejše oblike pripadnostnih funkcij (http://graph-srv.uni-mb.si/Damjan/Assets/vaja2.pdf) Pri uporabi prvih dveh funkcij je potrebno upoštevati, da je aproksimacija neznane funkcije, ki jo dosežemo z odsekoma linearnimi pripadnostnimi funkcijami tudi odsekoma linearna. V zadnjem času pa se zaradi povečane procesorske zmogljivosti krmilnikov tudi v praksi vse bolj uveljavljajo sigmoidne, Gaussove in poenostavljene zvončaste oblike. Primer Opazujemo skupino ljudi. Definirajmo množico: A={x; x je človek in x je mlad} Torej množica vsebuje vse ljudi, ki so mladi. Če na množico gledamo kot na običajno množico, ji lahko posamezen človek v celoti pripada ali pa v celoti ne pripada. Problem nastopi z definicijo mladosti. Lahko rečemo, da je človek, ki je mlajši od tridesetih let mlad. Iz tega sledi, da človeka, ki je star trideset let in en mesec nimamo več za mladega, kar je nesmisel. Medtem, ko so pri običajnih množicah prehodi med pripadnostjo in nepripadnostjo ostri, diskretni, so pri mehkih množicah le ti počasni, zvezni. Če gledamo na množico A kot na mehko množico, ji bo človek, ki je star 30 let in en mesec pripadal z za malenkost manjšo pripadnostjo kot človek, ki je star 29 let in 11 mesecev. Primer pripadnostne funkcije za množico A ilustrira slika 11.47. 378 Slika 11.47: Primer pripadnostne funkcije za mehko množico »mlad človek«. Kot je razvidno s slike, je pripadnost 30 let starega človeka množici A enaka 0,4. Izbira pripadnostne funkcije je lahko zelo subjektivna. (http://sl.wikipedia.org/wiki/Mehka_logika) 11.9.2 Lingvistična spremenljivka je spremenljivka, katere vrednosti so izrazi naravnega jezika, najpogosteje opisni pridevniki lastnosti, ki jo spremenljivka opisuje. Vrednosti lingvistične spremenljivke pravimo lingvistična ali mehka vrednost in opisuje pripadnost določeni mehki množici. Primer: Imamo mehko spremenljivko starost z možnimi mehkimi vrednostmi {mlad, s rednje m lad, srednje st ar, star}. Za vse mehke vrednosti podamo pripadnostne funkcije v odvisnosti od istega vhodnega numeričnega podatka, kot je prikazano na spodnji sliki 11.48. Slika 11.48: Lingvistična spremenljivka s vsemi pripadajočimi lingvističnimi vrednostmi (http://graph-srv.uni-mb.si/Damjan/Assets/vaja2.pdf) 379 Za osebo, staro 38 let lahko sedaj ugotovimo, da je 0 mlada, 0.4 srednje mlada, 0.6 srednje stara in 0 stara. 11.9.3 Mehki operatorji in operacije Računske operacije z mehkimi elementi se izvajajo s mehkimi operatorji. Nabor originalnih operatorjev, kot jih je definiral Zadeh, sestavljajo unija, presek in komplement. Nabor je znan iz teorije množic in je funkcijsko poln. Če sta A in B mehki množici v prostoru x ∈ U, za kateri poznamo stopnji pripadnosti µA(x) in µB(x) so te operacije definirane kot: Presek: µA∩B(x) = min[µA(x), µB(x)] (11.61) (11.62) Unija: µA∪B(x) = max[µA(x), µB(x)] Komplement: µ A ( x) = 1 − µ A ( x) . (11.63) Čeprav se operatorja max in min pogosto uporabljata pri mehkem vodenju, pa nista najbolj primerna za uporabo v problemih aproksimacije neznane funkcije, saj povzročata nezveznosti. Zato so raziskovalci kasneje predlagali več drugih naborov operatorjev. Izbira med temi operatorji je odvisna predvsem od uporabnikove interpretacije mehkih logičnih operacij preseka, unije in komplementa. Za operacijo preseka se največ uporablja razred T-norm, za operacijo unije pa razred S-norm. Nad mehkimi množicami definiramo naslednje relacije in operacije: 1. enakost: mehki množici A in B sta enaki, če velja μA(x) =μB(x) za ∀x∈U, 2. vsebovanost: mehka množica A je podmnožica mehke množice B (A⊂B), če za ∀x∈U velja μA(x) ≤ μB(x), 3. komplement: mehke množice A je mehka množica B z definirano pripadnostjo μB(x) = 1 - μA(x) za ∀x∈U, 4. p resek: mehkih množic A in B je mehka množica C s pripadnostjo μC(x) = t(μA(x), μB(x)) za ∀x∈U, pri čemer je funkcija t(a,b) ti. t-norma, ki izpolnjuje naslednje pogoje: • komutativnost: t(a,b) = t(b,a) • asociativnost: t(a,t(b,c)) = t(t(a,b),c) • monotonost: če a ≤ c in b ≤ d potem t(a,b) ≤ t(c,d) • robna pogoja: t(0,a) = 0 in t(1,a) = a V praksi se najpogosteje uporablja naslednja t-norma: • t(μA,μB) = min{μA,μB} 5. unija: mehkih množic A in B je mehka množica C s pripadnostjo μC(x) = s(μA(x), μB(x)) za ∀x∈U, pri čemer je funkcija s(a,b) ti. s-norma, ki izpolnjuje enake pogoje kot t-norma, le da sta robna pogoja drugačna: s(0,a) = a in s(1,a) = 1. 380 V praksi se najpogosteje uporablja naslednja s-norma: • s(μA,μB) = max{μA,μB} Primer: Podano imamo mehko množico vročega zraka s pripadnostno funkcijo iz slike 11.49 in mehko množico suhega zraka s pripadnostno funkcijo s slike 11.50. Koliko je vroč IN suh zrak, ki ima temperaturo 70°C in vlažnost 65%? Pripadnosti vročemu in suhemu zraku lahko odčitamo iz grafa pripadnostne funkcije (slika 11.51). Tako dobimo, da je dotični zrak 0.25 vroč in 0.70 suh. Pripadnost vročemu in suhemu zraku hkrati se izračuna kot presek ločenih pripadnosti, kar pri uporabi t-norme min pomeni pripadnost 0.25. µVroč 1 50°C 100°C Temperatura (°C) Slika 11.49: Pripadnostna funkcija za topel zrak µSuh 1 50 100 Vlažnost (%) Slika 11.50: Pripadnostna funkcija za suh zrak 381 Koliko je vroč ALI vlažen ta isti zrak? Pri rešitvi tega vprašanja si moramo pomagati z definicijo vlažnega zraka, ki naj bo kar komplement suhega zraka, tj. µvlažen(x) = 1 -μsuh(x) (slika 11.52). Pripadnost vlažnemu zraku je torej enaka 0.3. Pripadnost vročemu ALI vlažnemu zraku hkrati izračunamo kot unijo ločenih pripadnosti, kar pri uporabi snorme max pomeni pripadnost 0.3. µSuh µVroč 1 1 0,7 0,3 50 65 100 Vlažnost (%) 50°C 70°C 100°C Temperatura (°C) Slika 11.51: Odčitavanje pripadnosti toplemu in suhemu zraku iz grafa pripadnostnih funkcij µVlažen 1 0,3 50 65 100 Vlažnost (%) Slika 11.52: Pripadnost vlažnemu zraku, kot komplement pripadnosti suhemu 11.9.4 Mehka števila Mehka števila uporabljamo v primerih, ko nimamo točnega podatka, na osnovi katerega bi izračunali pripadnost nekega elementa mehki množici. Najpreprostejša oblika mehkih števil so trikotna mehka števila, ki jih predstavimo z grafom trikotne oblike okoli osrednje vrednosti. Tako bi mehko število za starost približno 25 opisali z grafom na sliki 11.53. Na vprašanje kako mlad je približno 25 let star človek, bi odgovor poiskali z iskanjem sečišča grafov mehkega števila s pripadnostno funkcijo mehke množice. Kadar je sečišč več, izberemo tistega z maksimalno vrednostjo rezultata (slika 11.54). 382 Slika 11.53: Mehko število približno 25 (http://graph-srv.uni-mb.si/Damjan/Assets/vaja2.pdf) Slika 11.54: Določanje pripadnosti z mehkimi števili (http://graph-srv.uni-mb.si/Damjan/Assets/vaja2.pdf) 11.9.5 Sistemi mehkega sklepanja Sistemi mehkega sklepanja predstavljajo osnovo krmilnikov, ki temeljijo na mehki logiki. Struktura in delovanje takšnega sistema sklepanja sta prikazana na spodnji sliki 11.55. Slika 11.55: Struktura mehkega sistema sklepanja (http://graph-srv.uni-mb.si/Damjan/Assets/vaja2.pdf) Baza zn anja (»knowledge base«) vsebuje definicijo lingvističnih spremenljivk s pripadajočimi mehkimi vrednostmi, ter mehka pr avila (»fuzzy rules«). Mehka pravila so pravila oblike IF –THEN, pri katerih 383 kot pogoji in sklepi nastopajo mehke vrednosti. Pri tem so lahko pogoji povezani z logičnimi operatorji in negacijami. Primer: Imamo definirani dve vhodni lingvistični spremenljivki z njunima zalogama vrednosti starost={mlad, srednje_mlad, srednje_star, star} in višina={nizek, srednje visok, visok} z očitnim pomenom. Imamo tudi eno izhodno lingvistično spremenljivko košarkaš = {neprimeren, manj_primeren, primeren, zelo_primeren}, ki opisuje primernost neke osebe za košarkaša. Ker gre za abstrakten pojem, lahko definiramo mehke vrednosti za spremenljivko košarkaš kar na intervalu [0,1] s poljubno oblikovanimi pripadnostnimi funkcijami, kot kaže slika 11.56. Slika 11.56: Pripadnostne funkcije za vrednosti lingvistične spremenljivke košarkaš (http://graph-srv.uni-mb.si/Damjan/Assets/vaja2.pdf) Sedaj lahko definiramo nekaj mehkih pravil, ki povezujejo vhodne in izhodno spremenljivko, in predstavljajo naše izkušnje: IF starost.mlad AND višina.visok THEN košarkaš.zelo_primeren IF starost.star OR višina.nizek THEN košarkaš.manj_primeren Proces mehkega sklepanja je sestavljen iz treh korakov (slika 11.55): • omehčanja ali fuzifikacije, pri katerem iz numeričnih vhodnih podatkov izračunamo pripadnosti posameznim mehkim množicam oz. mehke vrednosti za vse lingvistične spremenljivke, • mehkega sk lepanja, pri katerem izračunamo ti. aktivacije posameznih mehkih pravil oz. sklepov, • razmehčanja ali defuzifikacije, pri katerem iz kombinacije mehkih sklepov sestavimo končen sklep in ga pretvorimo v izhodni numeričen podatek. Sprva so bili mehki (fuzzy) krmilniki realizirani v obliki programskih izvedb. Z razvojem teh krmilnikov, ki delujejo z visokimi procesnimi 384 hitrostmi, naletimo na problem fizične realizacije mehkega krmilnika, saj programska rešitev ne zadosti zahtevam po visoki hitrosti delovanja. Primerna rešitev je uporaba programabilnih logičnih polj CPLD, ki omogocajo aparaturno izvedbo mehkega krmilnika. 11.9.6 Primer uporabe mehke logike Kot primer uporabe mehke logike, si poglejmo sistem nadzora hitrosti vrtenja enosmernega električnega motorja. Sistem prikazuje slika 11.58. Os motorja je spojena z osjo generatorja. Napetost generatorja je proporcionalna hitrosti vrtenja motorja. Izhod generatorja je povezan na analogni vhod Fuzzy logic k rmilnika. Uporabljen je npr. krmilnik 40-8 proizvajalca Prairie Digital Company (slika 11.57). Slika 11.57: Fuzzy logic krmilnik 40-8 Krmilnik je preko standardnega RS232 serijskega vmesnika in kabla povezan z osebnim PC računalnikom. Program, ki teče na računalniku (napisan npr. v Quick BASIC-u) komunicira s krmilnikom in tako odčita npr. velikost napetosti na analognem vhodu ter na izhod postavi ustrezen pulzno-širinsko moduliran signal. Spreminjanje širine impulza je tako ustrezen ekvivalent spreminjanju hitrosti motorja. Izhod iz krmilnika preko tranzistorja (npr. 2N3053) krmili 12V napajanje enosmernega električnega motorja. 385 DC generator DC motor 12 Vdc Fuzzy Logic krmilnik Tranzistor PC Rs232 Slika 11.58: Sistem nadzora hitrosti vrtenja enosmernega električnega motorja (http://www.fuzzy-logic.com/ch3.htm) 11.10 Osnove nevronskih mrež Že leta 1943 sta gospoda McCulloch in Pits prvič predstavila matematični model živčne celice oziroma nevrona. Ta model se do danes ni bistveno spremenil. Model sestavlja poseben element, katerega vhodi so uteženi, izhod pa se ravna po tem, kakšen je produkt vrednosti vhodnih spremenljivk z ustreznimi utežmi glede na neko posebno vrednost. Če je vrednost produkta nad to vrednostjo, potem ima izhod eno vrednost, sicer pa ima drugo vrednost. Izhod ima torej le dve možni vrednosti. To posebno vrednost običajno imenujemo prag, takšen element pa tudi pragovni element. Ta element je zanimiv tudi z vidika preklopne logike, saj omogoča realizacijo več preklopnih funkcij, le uteži je potrebno prirediti za vsako funkcijo posebej. Druga zanimivost pragovnega elementa je, da so vhodne vrednosti lahko analogne, izhodne pa običajno digitalne. Ta element torej predstavlja tudi poseben A/D pretvornik. Uteži in prag so najpomembnejši parametri elementa, saj določajo njegove lastnosti. Postavlja se vprašanje, kako jih spreminjati. Enega prvih odgovorov je dal že leta 1949 Hebb s svojim znamenitim učilnim pravilom, ki omogoča postopno iskanje vrednosti za uteži in prag tako, da le-te ustrezajo našim zahtevam. S tem je pragovni element oziroma model nevrona ali kratko nevron postal predmet številnih raziskav, saj je postalo očitno, da je z njim mogoče reševati zelo zapletene probleme. V prvi fazi je bil razvoj adaptivnih sistemov. Za osnovo so imeli model nevrona, kateremu je bila dodana povratna zanka, ki je omogočala 386 adaptacijo uteži in prag. Vendar pa s takšnimi sistemi ni bilo mogoče realizirati tako preproste preklopne funkcije, kot je EX-OR. Pričeli so razmišljati o večnivojskih nevronskih strukturah – mrežah. Šele leta 1986 je bil objavljen učilni algoritem, ki je zmogel adaptacijo uteži tudi pri večnivojskih nevronskih strukturah. S tem je bil rešen tudi problem EXOR. 11.10.1 Biološki nevron Nevron je osnovna celica živčnega sistema vsakega živega organizma. Človek ima približno 1011 nevronov. Ti nevroni so med seboj prepleteni tako, da obstaja približno 1015 povezav med njimi. Vsaka povezava ima svojo utežno funkcijo, ki se spreminja skladno z razvojem človekove osebnosti. Slika 11.59 prikazuje zgradbo biološkega nevrona. Vidimo, da je sestavljen iz treh bistvenih elementov: telo celice, dendriti in akson. Funkcionalno dendriti sprejemajo signale od drugih celic na stičnih mestih, ki se imenujejo sinapse. Od tod signali potekajo do celičneg telesa, kjer se v bistvu povprečijo z ostalimi podobnimi signali. Če je povprečenje v nekem kratkem časovnem intervalu dovolj veliko, celica »vžge«, kar pomeni, da generira impulz in ga usmeri vzdolž aksona ter dalje preko sinaptičnih povezav do drugih celic. Telo celice Večina aktivnosti se odvija ravno v celičnem telesu, kjer se proizvaja široka paleta različnih molekul. Od tod se tudi nadzira poraba energije in regulira večina ostalih aktivnosti v celici. Zunanja membrana telesa ima sposobnost generiranja živčnih impulzov. Obstaja več sto tipov nevronov, ki se razlikujejo po oblikah in velikosti telesa. Dendriti Večina zunanjih signalov od drugih nevronov vstopa v telo celice preko dendritov, številnih drobnih izrastkov iz telesa celice. Na dendritih so sinaptične povezave, kjer vstopajo signali v celico od drugod. Poleg tega je znatno število sinaptičnih povezav tudi med aksoni, med aksoni in telesom in med dendriti. Akson Akson predstavlja glavno prenosno pot v nevronu. Dolg je od 0,1mm do 1m in se razprostira vzdolž celega telesa. Blizu konca se razcepi na množico končičev, ki se zaključujejo s sinapsami, kjer signal prehaja na dendrite ali pa telo druge celice. Na ta način lahko en sam nevron generira impulz, ki bo aktiviral ali zavrl na stotine drugih nevronov.Ti 387 nadalje zopet vplivajo na svoje sosede in postopek se ponavlja brez konca. Slika 11.59: Zgradba biološkega nevrona (Andrej Dobnikar, Nevronske mreže) 11.10.2 Umetni nevron Kot je zapisano v uvodu, je bil prvi poizkus modeliranja nevrona opravljen že leta 1943. Model je bil v bistvu pragovni element, ki ga pozna teorija preklopnih vezij in se je ohranil do danes. Zgradbo umetnega nevrona prikazuje slika 11.60. Slika 11.60: Zgradba umetnega nevrona (Andrej Dobnikar, Nevronske mreže) 388 Značilnost umetnega nevrona (ali kratko nevrona) je, da združuje vhode z ustreznimi utežmi in da odgovarja z diskretnim odgovorom glede na primerjavo vsote delnih produktov s posebno vrednostjo, ki ji rečemo prag. Delovanje nevrona podajamo z izrazom: η = σ ( f ) = σ (∑ ω j ξ j − P ) (11.63) j ξ j pri j = 1...n : primarne spremenljivke, ki imajo lahko digitalne ali analogne vrednosti; ω j pri j =1...n: uteži vhodnih spremenljivk P: pragovna vrednost σ : izhodna funkcija – akcijska funkcija η : izhod nevrona, ki je odvisen od izhodne funkcije Če je izhodna funkcija nelinearna stopničasta funkcija, npr.: σ ( f ) = 1 , če je (f)›0, σ ( f ) = 0 , če je (f)≤0, (11.64) potem je nevron digitalen in ima lahko le vrednosti 0 ali 1. Včasih si želimo analognih vrednosti tudi na izhodu. Takrat uporabimo za izhodno funkcijo eno tako imenovanih sigmoidnih funkcij. Najpogosteje uporabljeni sigmoidni funkciji sta: σ( f ) = 1 1 + e− f (11.65) ali σ ( f ) = tanh( f ) (11.66) Njuni obliki prikazuje slika 11.61. Če želimo premikati funkcijo in ji spreminjati naklon, moramo vpeljati ustrezne parametre, npr. kot sledi: σ= 1+ e 1 ∑ ω j .ξ j − P − (11.67) N 389 Slika 11.61: Sigmoidni funkciji, podani z enačbama (slika a) in (slika b) (Andrej Dobnikar, Nevronske mreže) V primeru funkcije, ki jo predstavlja enačba (11.67) parameter P premika sigmoidno funkcijo levo ali desno, parameter N pa vpliva na njen naklon. 11.10.3 Nevron kot preklopni element V preklopni logiki je pomembna lastnost funkcijska popolnost elementov, s katerimi realiziramo logična vezja. Sistem elementov je funkcijsko popoln, če z njim lahko realiziramo poljubno preklopno funkcijo iz nabora Boolovih funkcij. Elementarni sistem, ki zadošča pogoju funkcijske popolnosti, predstavljajo osnovna logična vezja: NE logično vezje, ALI logično vezje in IN logično vezje. Nekoliko drugače pa je s pragovnim elementom. Z njim lahko realiziramo ALI in IN logični funkciji, kar prikazuje slika 11.62. Slika 11.62: Realizacija ALI in IN logičnih funkcij (Andrej Dobnikar, Nevronske mreže) Žal pa s pragovnim elementom, ni mogoče realizirati negacije. Zato pragovni element ne predstavlja funkcijsko popolnega sistema. Z njim lahko, s spreminjanjem uteži in praga, realiziramo določeno družino preklopnih funkcij, ki jih imenujemo pragovne funkcije. 390 11.10.4 Povezovanje nevronov v nevronsko mrežo Nevroni so lahko med seboj povezani na najrazličnejše načine. Od načina povezovanja sta močno odvisni hitrost in uspešnost učnega algoritma. Če bi poznali postopka razvoja človeških možganov in učenja, bi lahko izdelali popoln računalniški model. Žal pa ne poznamo ne prvega in ne drugega postopka, zato smo v veliki večini primerov prisiljeni uporabljati enostavne načine povezovanja, za katere je mogoče izdelati dokaj uspešne učne algoritme. 1 0 0 1 1 o12 o 2 2 2 ξ1 1 ω103 ω113 ω123 1 ηR ω13N ξ 20 20 oN2 N 1 - vhodni nivo 2 - skriti nivo 3 - izhodni nivo Slika 11.63: Trinivojska usmerjena nevronska mreža (U. Lotrič, Nevronske mreže in njihova uporaba v Savi) Nevrone pogosto združujemo v skupine nevronov, ki jih imenujemo nivoje. Nevroni v nivoju niso povezani med seboj. Vsak nevron je povezan z vsemi nevroni na prejšnjem nivoju, njegov izhod pa gre na vse nevrone v naslednjem nivoju, kot je prikazano na sliki 11.63 Opisana nevronska mreža sprejema signale na vhodnem nivoju. Ti nato potujejo čez vse skrite nivoje do izhodnega nivoja, kjer dobimo odgovor na vhodne signale. Signali vedno potujejo v opisani smeri, zato tako zgrajeno nevronsko mrežo imenujemo večnivojsko usmerjeno nevronsko mrežo. 391 11.10.5 Učenje večnivojske usmerjene mreže Nevronsko mrežo si na začetku lahko predstavljamo kot učenca, ki o stvari, ki se jo uči, ne ve popolnoma nič. Zato bo na začetku rezultat vrednost na izhodu, zelo verjetno napačna, saj nevronska mreža sploh ne ve, kaj naj dela. Preden bo delovala pravilno, jo moramo naučiti povedati ji moramo pravilen rezultat. Iz pravilnega rezultata in iz rezultata, ki ga je mreža izračunala, z učnim algoritmom prilagodimo uteži vhodnih spremenljivk tako, da bo nevronska mreža ob ponovnem računanju dobila rezultat, ki bo bližji pravilnemu. Napako na izhodu nevronske mreže navadno merimo s kvadratnim odstopanjem od prave vrednosti, E= 1 N ∑ (C j − η j ) 2 . 2 j =1 (11.68) Pri tem gre indeks j čez vse nevrone na izhodnem nivoju, η j je izhod jtega nevrona, Cj pa pravilna vrednost. Bistvo učenja je torej tako prilagajanje uteži vhodnih spremenljivk, da se napaka E med izračunano in pravilno vrednostjo kar najbolj zmanjša. Povedano z drugimi besedami, učenje je iskanje globalnega minimuma zelo zapletene funkcije več parametrov. Pri učenju najprej naključno izberemo enega od vzorcev. Vrednosti njegovih parametrov damo na vhodni nivo nevronske mreže, ki nato izračuna ustrezen izhod. Napako, izračunano po enačbi 11.68, nato zmanjšujemo z vzvratnim postopkom učenja, pri katerem vrednosti uteži vhodnih spremenljivk spreminjamo v nasprotni smeri gradienta napake E, ∆ω j (t + 1) = − µ ∂E + α∆ω j (t ) . ∂ω j (11.69) V zgornji enačbi smo z ωj označili j-to utež vhodne spremenljivke enega od nevronov, s t zaporedno številko ponovitve in zμ učilni parameter. Večji ko je ta parameter, hitreje se spreminjajo vrednosti uteži. Ker se pri iskanju globalnega minimuma mreža pogosto ujame v lokalnem minimumu, navadno dodamo še en izkustveno določen člen, moment s faktorjem α. Z njim zahtevamo, da se uteži spreminjajo na podoben način, kot so se spreminjale v nekaj prejšnjih korakih. S tem dodatkom se problem lokalnih minimumov močno zmanjša. Potem, ko smo po enačbi 392 11.69 popravili uteži, naključno izberemo naslednji vzorec. Ta postopek nato nadaljujemo, dokler napaka E ne pade pod zahtevano vrednost. 393 12 NAČRTOVANJE VEZIJ S SODOBNO LOGIKO 12.1 Uvod Elektronska vezja in naprave so mnogokrat postavljena zelo blizu skupaj. Zato je pomembno, da njihovo delovanje ni moteno zaradi zunanjih elektromagnetnih motenj, ali bolje rečeno, da so odporne na določen nivo teh motenj. Pomembno je tudi, da same niso izvor prevelike količine elektromagnetnih motenj. Ta odnos se imenuje elektromagnetna skladnost ali angleško “elektromagnetic compatibility” (EMC). Elektromagnetna interferenca ali angleško “electromagnetic interference” (EMI) pa je elektromagnetna emisija iz nekega elektronskega vezja ali naprave, ki moti normalno delovanje drugih vezij ali naprav. Vsak EMC problem je sestavljen iz treh bistvenih elementov (glej sliko 12.1): • izvor elektromagnetnih motenj, • sprejemnik ali žrtev, • sklopna pot. Slika 12.1: Predstavitev EMC problema Slika 12.1 nam lepo prikazuje možne tipe sklopnih poti: 1. prevodnost, 2. sevanje, 3. prevodnost in sevanje, 4. sevanje in prevodnost. Izvor elektromagnetnih motenj je v napravi ali elektronskem vezju, ki te motnje oddaja. Sprejemnik ali žrtev pa je naprava ali elektronsko vezje, katerega delovanje je ovirano zaradi elektromagnetnih motenj. 394 EMC problem se vedno pojavi v eni od dveh oblik: • elektromagnetna emisija, • dovzetnost na zunanja elektromagnetna polja. Obe obliki sta lahko prevodne (preko električnega priključka) ali sevalne narave. Na možni EMC problem moramo pomisliti že na začetku razvoja določenega elektronskega vezja. Pri načrtovanju moramo upoševati določena pravila za zmanjšanje EMC problema. Odkritje EMC problema v redni proizvodnji je vedno povezano z velikimi stroški, saj obvezno zahteva ponovno načrtovanje PTIV. EMC predpisi držav članic EU, kakor tudi mnogih drugih, temeljijo na različnih standardih. Tako npr. standard EN 55022 razvršča proizvode v razred A (primerni za industrijsko okolje) in razred B (primerni za gospodinjsko okolje). Določa pa tudi testne postopke in zgornje dopustne meje emisije. Za EMC emisijo sevalne narave je predpisana zgornja dopustna meja sledeča: 30MHz - 230MHz: 30 dBµV/m (razred B) 40 dBµV/m (razred A) 230MHz - 1GHz: 37 dBµV/m (razred B) 47 dBµV/m (razred A) 12.2. Pravila za načrtovanje PTIV in izbiro elementov Vsak EMC problem najprej poskušamo rešiti z upoštevanjem nekaterih pravil pri načrtovanju PTIV in izbiri elementov. V nadaljevanju bom najprej na kratko opisal teoretično ozadje EMC problematike elektronskih vezij in omenjenih EMC pravil. 12.2.1 Opis EMC problematike elektronskih vezij Osnovni elementi elektronskih vezij pri visokih frekvencah spremenijo lastnosti, s tem se jim spremenijo karakteristike iz osnovnih funkcij pri nizkih frekvencah v neke spremenjene – nadomestne, pri visokih frekvencah. Posledica teh sprememb so spremenjeni odzivi in elektromagnetna emisija. To najbolje vidimo na sliki 12.2. 395 Slika 12.2: Karakteristike elementov pri visokih frekvencah Vezi in linije PTIV imajo pri nizkih frekvencah ohmski značaj, pri visokih frekvencah pa dobijo karakteristike tuljave. Večina anten učinkovito seva na 1/4 ali 1/2 valovne dolžine (λ). Da nam vezi in linije ne postanejo učinkovite antene, se v notranjosti polja EMC (na PTIV) priporoča uporaba vezi, ki so krajše od dvajsetinke valovne dolžine (λ/20), saj le tako ne dobimo nepotrebnih sevanj. Valovna dolžina (λ) se nanaša na opazovano frekvenco, ki nam povzoča težave. Pri kondenzatorjih imamo kapacitivno reaktanco XC = 1/2πfC, pomembna pa sta faktorja ESL in ESR (nadomestna serijska induktivnost in serijska upornost). Pri tuljavah imamo induktivno reaktanco XL = 2πfL. Transformatorje največkrat srečamo v napajalnikih in pri galvanskih ločitvah vhodno – izhodnih linij. Med primarnim in sekundarnim navitjem je priporočljivo dati na ozemljitev povezan zaslon. 12.2.1.1 EMC problem emisije sevalne narave Sinhrona digitalna vezja zelo dobro oddajajo elektromagnetne motnje (emisija). Skoraj vedno gre za diskusijo glede delovne frekvence oscilatorja oziroma procesorja, ki ustvarja elektromagnetne motnje. Ker lahko vsak periodični signal predstavimo v časovnem in frekvenčnem prostoru, je za pretvorbo med tema dvema prostoroma pomembna pravilna uporaba Fourierove analize. Hitrost vezij je odvisna od frekvence in dvižnega časa posameznega signala. Iz Fourierove analize tipičnega periodičnega signala (trapezoidne oblike) vidimo, da je njegov frekvenčni spekter sestavljen iz diskretnih 396 frekvenčnih komponent. Trapezoidni pulz je namreč običajni mikroprocesorski signal. Signal, s periodo T, širino pulza Th in strmino Tr ima frekvenčni spekter, ki se začne pri F0=1/(π.T). Amplituda energije v frekvenčnem področju je funkcija amplitude in širine pulza signala. Spekter sestavljajo harmoniki osnovne frekvence F0. Slika 3.2 prikazuje ovojnico teh harmonikov. Tri frekvence (F0, F1 in F2), ki se nanašajo na periodo, širino pulza in strmino, določajo potek energije v frekvenčnem prostoru. Z uporabo hitrejših tehnologij in višjih sistemskih frekvenc narastejo tudi te tri pomembne frekvence (F0, F1, F2), kar pomeni generiranje več energije v višjefrekvenčni konec spektra. V enačbi 12.1 smo predstavili periodični signal kot serijo sinusnih in cosinusnih funkcij, enačbe 12.2 – 12.5 pa dopolnjujejo enačbo 12.1. () f t = ∞ + ∑ An cos nω 0 t + Bn sin nω 0 t n =1 2 A0 ( ω0 = 2π , T A0 = 2 T An = Bn = 2 T 2 T ( ) ( )) , 12.1 12.2 t 0 +T ∫ f (t )dt , 12.3 t0 t 0 +T ∫ f (t ) cos(nω t )dt 0 , 12.4 t0 t0 +T ∫ f (t ) sin(nω t )dt , 12.5 0 t0 kjer je: ω0 – osnovna krožna frekvenca, T – perioda signala, t0 – čas v trenutku opazovanja. Slika 12.3 nam prikazuje fourierovo ovojnico trapezoidnega signala, vključno s tremi značilnimi frekvencami F0, F1 in F2. 397 ČASOVNI PROSTOR 1A Th 0,5A (A) Tr T FREKVENČNI PROSTOR 2ATh/T -20 d B/DEKADO -40 d B/DEKADO F1 F0 (B) F0= 1/(Π T) F1= 1/(Π Th) F2 Fknee F2= 1/(Π T)r Slika 12.3: Fourierova ovojnica trapezoidnega signala Količina energije, ki jo vezje oddaja (izseva) v prostor, je določena z velikostjo tokovne zanke in s frekvenčnimi lastnostmi signala – medvodniški način sevanja. Pri vodniškem načinu sevanja pa je oddaja energije v prostor je direktno sorazmerna velikosti antene. Antena je najbolj občutljiva, kadar je njena velikost enaka valovni dolžini signala in seveda manj učinkovita, kadar je valovna dolžina večja od velikosti antene. Torej je pri nižji frekvenci (večja valovna dolžina) sevanje energije manjše. Ločimo torej dve vrsti sevanja: Medvodniški način (“differential m ode - DM”), ki ga povzroča tok visoke frekvence, ki teče po t.i. tokovnih zankah. Tokovne zanke tvorijo signalne poti, Vcc in GND priključitve in vhodno/izhodni kabli. Tipična tokovna zanka nastane, s preklopom izhoda logičnega elementa na Vcc ali GND, signalno potjo in Vcc ali GND povratno priključitvijo. V splošnem moramo biti pozorni na večje tokovne zanke. Te večje tokovne zanke običajno tvorijo podatkovna ali naslovna vodila in dolgi vhodnoizhodni kabli. Zanke se obnašajo kot velike antene, ki sevajo elektromagnetno energijo v okolico in inducirajo tok v bližnjih vezeh in žicah. Merjeno sevano električno polje DM tokov je prispevek razlike polj, ki jih povzročata toka I1 in I2. Če sta tokova I1 in I2 natančno enaka, nimamo sevanja zaradi DM tokov. Princip vidimo na sliki 12.4. 398 I1 I2 Slika 12.4: Medvodniški sklop in dušenje šuma Vodniški način (“common mode - CM”): Merjeno sevano električno polje CM tokov je prispevek seštevka polj, ki jih povzročata toka I1 in I2. CM tokovi so običajno glavni izvor EMI. Princip vidimo na sliki 12.5. I1 I2 Slika 12.5: Vodniški sklop in dušenje šuma Pri načrtovanju elektronskih vezij je potrebno max. pozornost posvetiti potencialnim izvorom šuma, saj so šumni signali običajno bogati na višjih harmonskih komponentah. Poznamo več vrst izvorov šuma: presluh, poskakovanje mase, šum napajalnega vezja in EMI šum. 12.2.1.2 Presluh Presluh je pojav, pri katerem se elektromagnetna energija prenese iz aktivnega signala na pasivni signal. Ta prenos se izvrši preko medsebojne kapacitivnosti in induktivnosti teh dveh signalnih linij. Običajno sta ti dve signalni liniji dve vezi na ploščici tiskanega vezja. Obstojata dve vrsti presluha: napredujoči presluh in obrnjen presluh. Napredujoči presluh merimo na daljnem koncu pasivne linije, medtem ko obrnjen presluh merimo na bližnjem koncu. Oba presluha sta posledica sprememb tokov in napetosti na aktivni liniji. Tok in sprememba napetosti na pasivni liniji sta posledica prehoda signala na aktivni liniji. Slika 12.6 prikazuje prehod 399 signala iz nizkega v visoko stanje na aktivni liniji. Napetostna strmina potuje od gonilnika proti sprejemniku in tok teče v isti smeri. Potovanje napetostne strmine po aktivni liniji povzroči zaradi kapacitivnega sklopa in medsebojne induktivnosti tok v pasivni liniji. Velikost kapacitivnega sklopa in medsebojne induktivnosti pa je odvisna od medsebojne lege teh dveh signalnih linij. Dolge soležne linije zagotavljajo močan kapacitivni sklop in višjo medsebojno induktivnost. Sprememba napetosti na medsebojni kapacitivnosti med tema dvema linijama povzroči kapacitivni tok Ic v pasivni liniji, ki teče v obe smeri. Spreminjanje toka v aktivni liniji pa povzroči induktivni tok IL v pasivni liniji, ki ima obratno smer kot tok v aktivni liniji (transformatorski pojav). Nastanek teh tokov je lepo prikazan na sliki 12.6. Seštevek induktivne in kapacitivne komponente toka nam da skupni tok Ic+IL, ki teče proti bližnjemu koncu (pasivna linija) in Ic-IL, ki teče proti daljnjemu koncu (pasivna linija). Na večini tiskanih vezij je induktivna komponenta toka precej večja kot kapacitivna in tako ima skupni tok pasivne linije smer od daljnjega konca proti bližnjemu koncu. Ta tok povzroči na pasivni liniji padec napetosti zaradi njene impedance (U=I.Z). Napredujoči presluh se pojavi kot napetostna konica v tisti točki pasivne linije, ki sovpada s trenutno lego napetostne strmine, potujoče po aktivni liniji. Širina konice je enaka času naraščanja aktivnega signala (tr). Skupni tok, ki teče proti bližjemu koncu povzroči, da je ta napetostna konica negativna glede na maso daljnjega konca. Amplituda šumne konice je direktno proporcionalna sklopljeni dolžini teh dveh linij. Obrnjen presluh lahko merimo na bližnjem koncu pasivne linije. Pojavlja se v obliki šumnega impulza. Širina impulza je enaka dvakratnemu času zakasnitve linije (2td). Aktivni signal potrebuje en čas zakasnitve linije (td), da pride od gonilnika do sprejemnika. Čas zakasnitve linije (td) je odvisen od hitrosti razširjanja aktivnega signala (v) in dolžine linije (L). V večini primerov bo hitrost (v) razširjanja približno 5,57ns/m. Ko se strmina signala razširja po aktivni liniji, se ta obnaša kot izvor toka, ki vzdržuje tok razširjajoč se proti bližnjemu koncu pasivne linije. Ko pa aktivna strmina doseže konec poti, ta preneha delovati kot izvor toka. Zaradi prenosno linijskih efektov, pa preteče še dodatni čas zakasnitve linije (td), da breztokovno stanje pripotuje iz daljnega konca na bližnji konec pasivne linije. Ta drugi čas zakasnitve povzroči, da je pulzna širina obrnjenega presluha 2td. Če je dolžina linije taka, da je 2td<tr, potem obrnjen presluh nikoli ne doseže svoje polne amplitude. Ob predpostavki, da moramo omejiti obrnjen presluh na vrednost nižjo od maksimalne 400 amplitude, lahko rečemo, da je maksimalna dolžina sklopljenih linij enaka Lmax= td/v = tr/2v. Za AC logiko je tr=3,8ns, torej je Lmax=34cm. NAPREDUJOČI PRESLUH OBRNJEN PRESLUH C C L L L I m BLIŽNJI KONEC AKTIVNA LINIJA I-I I +I PASIVNA LINIJA DALJNJI KONEC C C AKTIVNI SIGNAL L m GONILNIK T SPREJEMNIK d T AKTIVNI SIGNAL r T d T r NAPREDUJOČI PRESLUH MASA 2T d OBRNJEN PRESLUH Slika 12.6: Induktivni in kapacitivni sklop Fizično razmerje med gonilniki in sprejemniki na aktivnih in pasivnih linijah je pomembno vedno, ko je problem napredujoči ali obrnjen presluh. AC izhodi niso občutljivi na nobeno od teh dveh oblik presluha, ker imajo zelo nizko impedanco. Vhodi sprejemnikov so bolj problematični. Če namestimo aktivni in pasivni sprejemnik na ista konca obeh linij, bo pomembnejši napredujoči presluh, v nasprotnem primeru pa bo obrnjen presluh predstavljal večji problem. Polek tega pa obrnjen presluh zahteva večjo pozornost načrtovalca, predvsem zaradi večje pulzne širine. Ko načrtujemo elektronsko vezje z željo minimizacije presluha, moramo najprej določiti, kateri signali so občutljivi na presluh. Sinhrone linije v splošnem niso občutljive na preslušni šum. Asinhroni signali so bolj občutljivi na preslušni šum. Zato moramo asinhrone signale speljati daleč proč od dolgih sinhronih signalov in po 401 kar se da kratki poti. Kjer je le mogoče, moramo med sinhronimi in asinhronimi signali potegniti maso, ki deluje kot neke vrste zaslon. Seveda je takšno gledanje na občutljivost signalov na preslušni šum povezano z možnostjo funkcijske odpovedi naprave. V pogledu oddaje elektromagnetnih motenj pa je pomemben vsak šumni signal. 12.2.1.3 Poskakovanje mase Poskakovanje mase je nasledja vrsta šuma, ki postane problem pri uporabi AC logike in ostalih hitrih logik. Seveda je poskakovanje mase prisotno tudi pri ostalih vrstah logike, le da je pri AC logiki bolj izrazito. Eden ali več izhodov, ki preklopijo iz logične 1 na logično 0 povzročijo nastanek tega šuma. Ta preklop omogoča praznenje kapacitivnosti bremena (CL) preko spodnjega izhodnega tranzistorja in notranje induktivnosti ohišja na maso (slika 12.7). Poskakovanje mase, VGB, je drugi odvod izhodne oblike napetosti V. Ta šum je sestavljen iz pozitivne konice (Volp), ki jo povzroči zgornji vogal izhodne oblike napetosti in negativne konice (Volv), ki jo povzroči hitra izključitev izhodnega toka. Amplituda šuma je direktno sorazmerna številu izhodov, ki preklopijo, kajti tok se sešteva preko skupne induktivnosti ohišja. Te motnje se sklopijo preko skupne mase na mirujoče izhode in tako inicirajo nezaželeno konico v sistem (slika 12.7). Velikost šuma je težko predvideti. Običajno se giblje od 0,5 do 1V. Za merjenje tega šuma se uporabljajo posebna testna podnožja, ki pa emulirajo dva do trikrat večji nivo šuma. V C C L ZGORNJI VOGAL V=IZHODNA NAPETOST SPODNJI VOGAL P kanal I=C dV/dT L V O L P N kanal V I + C V =L dI/dT G B L G B P L V P - O L V Slika 12.7: Prikaz nastanka poskakovanja mase 402 Podobno kot presluh, tudi poskakovanje mase predstavlja problem samo pri asinhronih signalih, ker se ta šum dogodi v času porasta ali upada sinhronih preklapljajočih se izhodov. Na teh signalih (asinhronih) lahko poskakovanje mase povzroči spremembo stanja neaktivnega signala. Če želi dejansko povzročiti sistemsko napako, mora ta sprememba stanja neaktivnega signala (nizek nivo) preseči vhodni prag sprejemne naprave. Pri CMOS vezjih znaša ta prag 3V, pri nekaterih TTL vezjih pa 1,7V. Ti nivoji so v dejanskih napravah, kjer uporabljamo AC logiko, redko doseženi. Za dosego nivoja 1,7V rabimo vsaj sedem izhodov, ki preklopijo istočasno. Širina šumnega impulza je enaka širini strmine aktivnega signala in je tipično manj kot 4 ns. Kot vidimo, predstavlja ta vrsta šuma problem samo pri osmih AC gonilnikih integriranih v skupnem ohišju, ki pošiljajo asinhrone signale v sprejemnike s TTL vhodnimi nivoji. Obstojajo različne tehnike, s katerimi znižamo amplitudo poskakovanja mase. Najlažji način je peljati asinhrone signale skozi priključke bližje priključku mase. Na ta način znižamo šumne nivoje za približno 40% glede na najbolj oddaljene priključke. Preudarno se je potrebno lotiti tehnike načrtovanja vezi na ploščici tiskanega vezja. Uporabimo večslojne ploščice tiskanega vezja s posebnima slojema za napajanje in maso. Napajalni in GND priključek prispajkamo neposredno na za to predvideno blazinico na tiskanem vezju. Kolikor se le da, se izogibajmo uporabi ozemljitvenih vezi, saj prinesejo dodatno ozemljitveno induktivnost. Uporabimo SMD komponente. Če pa slučajno nekje napajalni priključki niso neposredno priključeni na napajalni površini, naj bodo priključki čim krajši. Izogibamo se uporabi podnožij in “wire-wrap” tehnike za končne proizvode. Sklopimo vsak gonilnik (čip) na maso preko 100nF tantalovega kondenzatorja in sicer tako, da namestimo kondenzator čim bližje gonilnikovemu priključku GND. Če pa nič ne pomaga, zamenjamo problematično AC komponento z enako izdelano z neko drugo tehnologijo (FAST, LS, AHC...). Podobno kot pri preslušnem šumu, je trditev, da so na šum, ki je posledica poskakovanja mase, občutljivi le asinhroni signali, povezana z možnostjo funkcijske odpovedi naprave. V pogledu oddaje elektromagnetnih motenj pa je pomemben vsak šumni signal. 12.2.1.4 Šum napajalnega vezja Veliki, hitri tokovni prehodi, ki povzročajo poskakovanje mase, povzročajo tudi motnje na sistemskem napajanju. Zaradi hitre narave AC vezij in ostalih visoko zmogljivih logičnih družin moramo obravnavati 403 Vcc in GND vezi kot prenosne linije in ne le kot brez-impedančne priključitve. Uporaba dobrega napajalnega vezja je nujna za dosego zanesljivosti vezja in zmanjšanje šuma. Impedanca napajalnega vezja lahko znaša od več kot 100Ω do 2Ω. Največjo impedanco imajo običajno napajalna vezja na enostranskih ploščicah tiskanega vezja. Pomembna sta oba pola napajanja, tako Vcc kot GND, saj imajo AC vezja enako izvorno kot ponorno tokovno zmogljivost. Poglejmo si primer, ki osvetljuje potrebo po nizki impedanci izvorov toka. Zamislimo si integrirano vezje, ki vsebuje osem gonilnikov, priključenih na sredino osmih 100Ω-skih linij (slika 12.8). Dve stoohmski liniji na vsaki strani gonilnika delujeta kot dva upora vezana paralelno, s skupno bremensko upornostjo 50Ω za vsak gonilnik. Za preklop bremena iz nizkega v visoko stanje mora vsak gonilnik zagotoviti 94 mA toka (4,8V/50Ω). Če vseh osem gonilnikov preklopi istočasno, mora to integrirano vezje zagotoviti 750 mA toka. V primeru, da napajalno vezje ne more zagotoviti vsega tega toka zaradi visoko-impedančne priključitve, nastane znaten Vcc padec in zmanjšana zanesljivost delovanja. To osemgonilniško integrirano vezje, ki istočasno krmili osem 100Ω linij z napajanjem prikjučenim preko 100 Ω napajalnega vezja, bi povzročilo Vcc padec 75V (750 mA x 100Ω). Seveda do tega padca ne more priti. Ko gonilniki začnejo preklapljati, bo Vcc padec omejil tok, ki je na razpolago za krmiljenje linij in strmina izhodnega signala se zmanjša. Posledica je počasen sistem s šumnimi signalnimi potmi. PODATKOVNO VODILO 100 Ohm POVRŠINA MASE GONILNIK GONILNIK ČUTI NA IZHODU 50 OHMSKO BREME 1 od 8 100 Ohm 4,9V V O U T 0,1V 4nSEK 94mA I O H 0 Slika 12.8: Primer priključitve osmih gonilnikov na sredino 100 ohmskih linij 404 Če želimo ohraniti prednosti hitrih logičnih vezij, moramo uporabiti površine Vcc in GND. Če pa smo že prisiljeni uporabiti povezave, se izogibajmo dolgega marjetičnega povezovanja. V primeru marjetičnega povezovanja, integrirana vezja, ki so dlje od izvora napajanja, sprejemajo šum po napajalnih linijah zaradi preklapljanja vezij bližjih izvoru napajanja. Skupni šum se sklaplja na izhode oddaljenih vezij in povzroča šumne izhode. Torej, ko uporabljamo napajalne vezi, jih razporedimo mrežasto, to je, napravimo čim več povezav med vsako istoimensko napajalno vezjo, da minimiziramo nastanek šuma na Vcc in GND. Uporaba ploskev za Vcc in GND je samo del rešitve, ki omogoča uporabo hitrih vezij. Celo 2Ω Vcc impedanca povzroči pri toku 750mA (zgornji primer) 1,5V Vcc padca. Drugi del rešitve pa je blokiranje. Blokirni kondenzatorji delujejo kot neke vrste lokalni izvori toka med preklopi. Pravilno blokiranje lahko zmanjša Vcc in GND šum na manj kot 100mV. Standardno bipolarno blokirno pravilo pravi, da moramo blokirne kondenzatorje razporediti po plošči tako, da pride po en na vsak gonilnik (“buffer”) in po en na tri ostale logične elemente. To seveda velja za bipolarno tehnologijo, kjer le gonilniki lahko zagotavljajo velike preklopne tokove za krmiljenje linij. Ostali bipolarni logični elementi pa imajo zelo nizke izhodne krmilne sposobnosti in lahko zagotavljajo samo majhne preklopne tokove. Nasprotno pa se pri AC tehnologiji vsak logični element obnaša kot gonilnik. Zato velja za AC logiko preprosto pravilo, ki pravi, da mora vsak element imeti svoj blokirni kondenzator. Preprosto pravilo pravi, da je bolje imeti več blokirnih kondenzatorjev kot pa premalo. Vrnimo se na prejšnji primer in izračunajmo priporočeno kapacitivnost. Iz enačbe za tok kondenzatorja I=C(dV/dT) izrazimo C in dobimo C=(IdT)/dV. Če vzamemo, da je tok 750mA, dT je čas preklopa in znaša za AC tehnologijo 4ns, in dV je največja dovoljena amplituda šuma. Recimo, da je dV=100mV, potem dobimo za C vrednost 30nF. Izbrati moramo torej blokirni kondenzator, ki je vsaj tako velik. Tudi tip kondenzatorja je pomemben. Predvsem je važno, da ima majhno serijsko induktivnost. Zelo primerni so SMD kondenzatorji. Pri bipolarnih elementih smo običajno namestili blokirne kondenzatorje v bližini priključka GND, da smo na ta način izboljšali ponorne sposobnosti toka teh elementov in jih tako približali njihovim izvornim sposobnostim. Pri vezjih AC lega blokirnega kondenzatorja ni pomembna, saj so njihove izvorne in ponorne sposobnosi enake. 405 12.2.1.5 EMI šum Naslednja oblika šuma, ki ga bomo obravnavali je EMI šum. To je šum, ki nastane na pasivnem signalu zaradi spreminjanja električnih in magnetnih lastnosti potujočega naboja aktivnega signala. EMI šum je lahko problematičen na več načinov. V digitalnih sistemih lahko EMI šum popači signal. Pasivni signal lahko oddaja EMI v okolico in tako povzroči še več EMI šuma. Analogne naprave so bolj občutljive na EMI šum. Kako EMI šum nastane? Tok, ki teče po zanki, povzroči električno in magnetno polje. Ta polja sklapljajo energijo na ostale pasivne signale. EMI šum lahko minimiziramo z upoštevanjem nekaterih pravil, ki so opisana v poglavju 12.3.1.2. Vse kar zmanjšuje ostale vrste šuma v sistemu, zmanjšuje tudi oddajo energije in s tem EMI šum. Šum je namreč izvor elektromagnetnih motenj, saj je običajno bogat na višjefrekvenčnih harmonikih. 12.2.2 Ukrepi za zmanjšanje EMC emisije Kot sem že omenil lahko z upoštevanjem nekaterih pravil minimiziramo EMC emisijo. Zlato pravilo je, da vse, kar zmanjšuje šum v sistemu, zmanjšuje tudi oddajo energije. V nadaljevanju podajam nekaj teh pravil. 12.2.2.1 Dobro napajalno vezje Načrtovanje za nizek nivo emisije se običajno začne pri napajanju. Če napajanje določenega logičnega elementa ni čisto, je nemogoče doseči čiste izhodne signale. Dobro načrtovanje napajalnega vezja in dobra tehnika blokiranja sta bistvena za dosego nizkega nivoja emisije. Vcc in GND vezja sta lahko zelo induktivna in zato težita k nihanju, ko sta vzbujana. To nihanje se lahko sklopi na aktivne signale in povzroči šum na njih. Kakršenkoli šum na Vcc in GND se pozna tudi na izhodih že v samem ohišju. Na slabšem so vezja, ki ležijo blizu vezij, ki preklapljajo. Ta bližnja vezja bodo gotovo občutila Vcc in GND šum; ta šum, ki se sklepa na njihove izhode, povzroči še več motenj. Uporaba Vcc in GND površin zmanjša količino Vcc in GND šuma, ko vezje preklaplja. 12.2.2.2 Uporaba ustreznih blokirnih kondenzatorjev Tudi blokirni kondenzatorji minimizirajo energijo, ki jo oddajajo površine Vcc in GND, saj vzdržujejo lepše napajanje. Preklopi ustvarijo veliko tokovno motnjo v Vcc ali GND površini; večja je površina, kjer ta 406 tokovna motnja poteka, večja je količina sevane energije. Blokirni kondenzatorji delujejo tako, da lokalizirajo izvorni ali ponorni tok in tako zmanjšajo površino poteka tokovne motnje. Z zmanjšanjem antene se seveda zmanjša tudi količina sevane energije. Paziti moramo, da imajo ti kondenzatorji čim manjšo nadomestno induktivnost. Ponavadi namestimo večje blokirne kondenzatorje (npr. 1-10µF) na mestih, kjer napajanje vstopa na ploščo, po plošči pa manjše (od 0,047µF do 0,1µF) pri vsakem logičnem elementu. Lahko uporabimo tako SMD kot klasične blokirne kondenzatorje. Prvi so boljši, saj imajo manjšo nadomestno induktivnost in ugodnejšo prenosno karakteristiko. Tudi na splošno je bolje uporabiti SMD kondenzatorje, saj zaradi krajših priključkov zmanjšajo celotno sevalno površino tokovnih zank. Na trgu so se pojavili tudi posebni troterminalski kondenzatorji (EMI filtri), ki bolje ohranjajo kapacitivni značaj pri visokih frekvencah. Za zmanjšanje problemov EMC emisije priporočam njihovo uporabo. 12.2.2.3 Preprečevanje poskakovanja mase Podrobnejši opis pojava poskakovanja mase podajam v poglavju 12.2.1.3. Na tem mestu si poglejmo le nekatere tehnike, s katerimi znižamo amplitudo poskakovanja mase. Potencialno problematične signale (signale, ki tvorijo velike antene in zanke ter asinhrone signale) moramo peljati skozi priključke bližje priključku mase. Na ta način znižamo šumne nivoje za približno 40% glede na najbolj oddaljene priključke. Preudarno se je potrebno lotiti tehnike načrtovanja vezi na ploščici tiskanega vezja. Uporabimo večslojne ploščice tiskanega vezja s posebnima slojema za napajanje in maso. Napajalni in GND priključek prispajkamo neposredno na za to predvideno blazinico na tiskanem vezju. Kolikor se le da, se izogibajmo uporabi ozemljitvenih vezi, saj prinesejo dodatno ozemljitveno induktivnost. Uporabimo SMD komponente. Če pa slučajno nekje napajalni priključki niso neposredno priključeni na napajalni površini, naj bodo priključki čim krajši. Izogibajmo se uporabi podnožij in “wire-wrap” tehnike za končne proizvode. Sklopimo vsak gonilnik (čip) na maso preko 100nF tantalovega kondenzatorja in sicer tako, da namestimo kondenzator čim bližje gonilnikovemu priključku GND. 12.2.2.4 Preprečevanje nastanka presluha Podrobnejši opis pojava poskakovanja mase podajam v poglavju 12.2.1.2. Gledano s stališča znižanja nivoja elektromagnetne emisije je pomembno, da je presluh čim manjši. Razdalje med signali morajo biti zato čim večje, 407 sklopne dolžine linij čim krajše, linije na nasprotnih straneh pa se morajo srečevati pravokotno. 12.2.2.5 Izogibajmo se uporabi podnožij Uporaba podnožij na ploščici lahko povzroči dodatni šum in dodatno emisijo. Večina podnožij je namreč visoko induktivnih. Njihova uporaba poveča delež, ki ga k skupnim VCC in GND motnjam prispeva v podnožje vstavljeno integrirano vezje. Zato se moramo izogibati uporabi podnožij, če pa so nujno potrebna, uporabimo nizka podnožja, ki imajo nižjo induktivnost. 12.2.2.6 Pravilna izbira vgrajenih elementov Pravilna izbira vgrajenih elementov je izredno pomemben faktor pri načrtovanju naprav. Zato naj ne bi nikoli izdelali vezja s hitrejšimi elementi, kot je nujno. 12.2.2.7 Pravilna izbira ohišij Zaradi stalne minimizacije in s tem povezane tudi boljše odpornosti proti motnjam se vse več uporablja tehnologija SMT 1 in s tem komponente SMD2. Še vedno uporabljamo tudi klasične komponente v ohišjih DIL 3, vendar jih komponente SMD vse bolj izpodrivajo. Glede na to, s katero tehnologijo so komponente narejene in v katero ohišje so zapakirane (govorimo o čipih), imamo tudi različne vrednosti induktivnosti dolžine zunanjega priključka na ohišju do notranjega spoja (bonda) na substratu. V tabeli 12.1 imamo navedenih nekaj vrednosti induktivnosti dolžine priključka v odvisnosti od različnih ohišij. 1 Sourface mounted technology. Sourface mounted device. 3 Dual in line. 2 408 Velikost ohišja in tip 14 pin DIP 20 pin DIP 40 pin DIP 20 pin PLCC 28 pin PLCC 44 pin PLCC 68 pin PLCC 14 pin SOIC 20 pin SOIC Induktivnost dolžine priključka 2,0-10,2 nH 3,4-13,7 nH 4,4-21,7 nH 3,5-6,3 nH 3,7-7,8 nH 4,3-6,1 nH 5,3-8,9 nH 2,6-3,6 nH 4,9-8,5 nH Tabela 12.1: Induktivnost dolžine priključkov v odvisnosti od različnih ohišij Da se pri povezavah na plošči TIV ustvarja električno polje, ki seva določeno elektromagnetno motnjo, že vemo, da pa ima tu pomembno vlogo tudi pravilno projektiranje same izgradnje komponente lahko vidimo na sliki 12.9. Slika 12.9: Starejša in novejša izdelava komponente DIL Še posebno pri komponentah SMD je zelo pomembno (razni procesorji), da se uporabi zadostno število priključkov za napajanje in maso. Pomembno je tudi to, da so ti priključki pravilno izvedeni. Primer vidimo na sliki 12.10. 409 Slika 12.10: Starejša in novejša izdelava komponente SMD 12.2.2.8 Pravilna izvedba ozemljitev Običajno je v praksi opisanih le malo ozemljitev, ki so povezane s tiskanimi vezji. Vsako vezje je izvirno in neponovljivo. Izvori mas so ključnega pomena za pravilno delovanje vezja, zato jih moramo načrtovati že na samem začetku. Želene lastnosti niso enostavno dosegljive oz. ponovljive. Ne smemo si domišljati, da problem ozemljitve zadovoljivo rešimo samo s kovinskim ohišjem. Ozemljitev je ena od osnovnih metod za minimiziranje neželenih šumnih motenj in delitev vezja na segmente. Primerna vgradnja metod ozemljitve na tiskanih vezjih in oklop kablov bosta zadostna zaščita pri večini šumnih problemov. Ena od prednosti dobrega načrtovanja ozemljitvenega sistema je zaščita proti neželeni interferenci in emisiji. Mislim, da je na tem mestu potrebno omeniti tudi zaslanjanje. Zaslanjanje je v RF-območju učinkovit ukrep, vedeti moramo le, kateri material bomo uporabili. Običajni kovinski materiali zadoščajo za ločitev signalov v celotnem RF-območju, le pri nizkih frekvencah moramo uporabiti posebne materiale. Pri zaslanjanju in kovinskih ohišjih se pojavljajo tudi nezveznosti na stikih med posameznimi deli ohišja ali zaslona, odprtinah itd. 12.2.2.9 Pazimo na pravilno izvedbo vhodno - izhodnih vezij in linij Še posebno pozornost moramo posvetiti vezjem, kateri generirajo signale, ki zapustijo naš načrtovani sistem. Tem vezjem moramo zagotoviti najboljše napajanje in jih zato običajno namestimo čim bližje izvoru napajanja. 410 Elektromagnetne motnje so posebno problematične, ko pasivna linija zapušča ohišje. Te izhodne linije povzročijo največ EMC problemov sevalne narave, ker so praviloma dolge in neoklopljene. Vedno moramo držati izhodne linije kar se da kratke. Vezje, ki generira izhodni signal, moramo postaviti kar se da blizu izstopni točki. Ravno tako moramo te pasivne izhodne linije voditi daleč proč od hitrih digitalnih signalov in če je le mogoče, potegnemo GND plast kot zaslon med njima. EMC strokovnjaki pravijo, da vhodno/izhodni kabli povzročajo največ EMC problemov sevalne narave, zato moramo pazljivo zgraditi ožičenje. Frekvence vhodno/izhodnih signalov morajo biti kar se da nizke. V primeru, da moramo hitre digitalne signale voditi iz ohišja, morajo biti kabli obvezno oklopljeni. Najbolje je uporabiti koaksialne kable. Oklopi kablov pa morajo biti seveda dobro ozemljeni. 12.2.2.10 Pazimo na pravilno izvedbo ohišij Tudi odprtine v ohišju so lahko hud problem, saj oddajajo energijo v okolico, podobno kot antena. Seveda so nekatere odprtine v ohišju nujno potrebne, zato jih moramo, če je mogoče, oklopiti. Pri tem lahko uporabimo posebno žično mrežo z majhnimi prezračevalnimi luknjicami ali posebna tesnila. 12.2.2.11 Povzetek napotkov za zmanjšanje EMC emisije V prejšnjih podpoglavjih sem naštel le nekaj napotkov, s katerimi lahko zmanjšamo elektromagnetno emisijo, v splošnem pa velja, da z minimiziranjem vseh motenj v sistemu, minimiziramo tudi elektromagnetno emisijo. Kot vidimo iz vsega zgoraj povedanega, moramo biti pri načrtovanju vezij pazljivi in dosledno upoštevati zgoraj našteta pravila za omejevanje elektromagnetne emisije. Na koncu tega poglavja prilagam tabelo 12.2, v kateri je povzeta večina v tem poglavju omenjenih načrtovalskih pravil za zmanjšanje emisije. 411 Načrtovalska pravila za zmanjšanje elektromagnetne emisije na soležnih nivojih naj se vezi srečujejo pravokotno dolžine sklopov naj bodo čim manjše oklopljene asinhrone vezi loči analogne linije uporabi napajalne plasti izogibaj se tehnike “wire wrap” izogibaj se podnožjem uporabljaj blokirne kondenzatorje uporabi zaključitev uporabi kratke V/I linije minimiziraj dolžine linij minimiziraj impedanco napajanja uporabljaj elektromagnetno nepropustna ohišja Tabela 12.2: Načrtovalska pravila za zmanjšanje elektromagnetne emisije 12.3 Uporaba filtrov EMI Z upoštevanjem načrtovalskih pravil in izbiro ustreznih elementov lahko do neke mere rešimo problem elektromagnetne emisije sevalne narave. Kadar to ne zadostuje, uporabimo filtre EMI. Zelo pomembno je, da uporabimo ustrezne filtre EMI. Pomembno je tudi, da jih uporabimo na pravem mestu. Obstoječe metode za izbiro ustreznih filtrov EMI opisujemo v naslednjem poglavju. 12.3.1 Pregled metod za izbiro ustreznih filtrov EMI Te metode niso jasno definirane in opisane. Izbira ustreznih filtrov EMI je bolj ali manj prepuščena razvojnim inženirjem. Iz študija literature in razgovora z eksperti s področja elektromagnetne združljivosti lahko izoblikujeno tri metodi za izbiro ustreznih filtrov EMI. Prva metoda za izbiranje filtrov EMI temelji na izdelavi filtrov EMI s pomočjo masnih površin. Vse signalne linije morajo biti obdane z maso (slika 12.11). Na ta način dosežemo precej dober kapacitivni odvod visokofrekvenčnega šuma na maso. Takšen kapacitivni odvod je neke vrste filter EMI. Ta kapacitivni sklop je boljši, če je sklopna pot med signalno linijo in masno površino daljša. Pri načrtovanju PTIV je zelo pomembno, da masno površino načrtujemo tako, da je kapacitivni sklop med signalnimi linijami in masnimi površinami čim boljši. Mnogokrat že 412 na takšen način rešimo problem elektomagnetne emisije. Če pa to ne zadostuje, moramo uporabiti prave filtre EMI. Slika 12.11: Pravilna izvedba mase Druga metoda za izbiranje filtrov EMI temelji na merjenju sevanja celotne naprave. Preden začnemo z uporabo te metode oziroma preden začnemo sploh razmišljati o uporabi filtrov EMI, moramo narediti vse, da čim bolj zmanjšamo elektromagnetno emisijo sevalne narave s pravilnim načrtovanjem PTIV oziroma s pravilno izbiro elementov. Pri tej metodi merimo sevanje celotne naprave in določimo diskretno frekvenčno komponento z maksimalno amplitudo. Izberemo filtre EMI, ki imajo maksimalno dušenje najbližje tej frekvenčni komponenti. Seveda je potrebno paziti tudi na tokovno ustreznost filtra. Slabost te metode je v tem, da imajo vsi filtri EMI praktično enako karakteristiko, kar običajno ni optimalno. Poleg tega ta metoda nima izdelanega jasnega kriterija, katere signalne linije je potrebno opremiti s filtri EMI in katere ne. Pogosto se dogaja, da predvsem začetniki na tem področju opremijo vse signalne linije s filtri EMI. To pa je drago in neracionalno. Največkrat pri tej metodi ne opremimo s filtri EMI zgornjih naslovnih vodil, ki običajno manj dinamično preklapljajo, in kratkih signalnih linij. Slednje predstavljajo slabe antene in nam zato ne delajo težav. Omenjeni metodi nista optimalni. Tretja metoda je boljša, saj z njeno pomočjo poiščemo ustrezen filter EMI za vsako signalno linijo posebaj. To se morda sliši kot zelo zamudno opravilo, dejansko pa nam prihrani kar nekaj ponovnih načrtovanj PTIV in eksperimentiranj z različnimi vrednostmi filtrov EMI. Metoda je opisana v 12.4 poglavju. Preden si jo ogledamo, si poglejmo še nekaj osnov filtrov EMI. Z omenjenimi metodami neposredno rešujemo EMC-problem emisije sevalne narave, posredno pa tudi prevodno emisijo. 12.3.2 Predstavitev značilnih filtrov EMI EMI je elektromagnetna emisija iz nekega elektronskega vezja ali posameznega elementa, ki moti normalno delovanje drugih vezij ali 413 elementov. Problemi EMI se pojavljajo takrat, kadar sta izvor motenj in naprava ali element, občutljiv na te motnje, postavljena precej blizu. Kot prikazuje slika 12.12, se elektromagnetne motnje prenašajo od izvora do občutljive naprave s prevajanjem, sevanjem in indukcijo. Da bi premagali elektromagnetno interferenco, moramo reducirati količino motenj, ki jo generira izvor motenj, ali pa povečati odpornost občutljive naprave. Maksimalno dušenje dosežemo, če postavimo filter zelo blizu izvoru motenj. Slika 12.12: Načini razširjanja in filtriranja motenj 12.3.2.1 Sestava filtrov EMI Ti filtri se uporabljajo za dušenje motenj prevodnega značaja. Z njimi dosežemo dušenje motenj, ustrezno karakteristiki filtra. V grobem lahko filtre EMI delimo na: • filtre, ki vsebujejo kondenzator; • filtre, ki vsebujejo tuljavo; • filtre, ki vsebujejo kondenzator in tuljavo; • posebno skupino pa tvorijo t. i. balančni filtri EMI. 12.3.2.2 Filtri s kapacitivnim dušenjem “Bypass” kondenzator namestimo med signalno linijo in maso. Njegova impedanca s frekvenco upada. Ker so motnje VF-pojav, je za njih impedanca takšnega kondenzatorja minimalna. Kondenzator zato motnje preusmeri na maso ter jih tako izloči iz vezja. Za nižje frekvence koristnega signala pa ima kondenzator zelo veliko impedanco. Te frekvence se ne odvajajo na maso (slika 12.13). 414 Slika 12.13: Dušenje motenj s kondenzatorjem Za dušenje se uporabljajo kondenzatorji različnih tipov, ki imajo različne resonančne krivulje. Seveda se lahko uporabljajo tudi običajni kondenzatorji. Vedeti pa moramo, da so te motnje običajno zelo visokih frekvenc. Zato se običajni kondenzatorji mnogokrat ne obnašajo kot dobri “bypass” kondenzatorji, saj imajo preveliko serijsko induktivnost (slika 12.13). Pri uporabi običajnih kondenzatorjev največkrat napajalne pine povežemo z dvema ali tremi kondenzatorji vzporedno. Kapacitivnost mora biti različna za faktor 100-krat, npr. 0,1 µF in 1 nF. Skupna kapacitivnost vseh kondenzatorjev ni pomembna, pomembna je paralelna reaktanca vseh kondenzatorjev (lastna resonančna frekvenca). Na sliki 12.14 vidimo karakteristiko kondenzatorja, v tabeli 12.3 pa imamo vrednosti lastnih resonančnih frekvenc. Slika 12.14: Karakteristika kondenzatorja 1 nF SMD 0805 Vrednost kondenzatorja – tip SMD 0805 1,0 µF 0,1 µF 0,01 µF 1000 pF 500 pF 100 pF 10 pF Za SMD je L = 1 nH. Frekvenca 5 MHz 16 MHz 50 MHz 159 MHz 225 MHz 503 MHz 1,6 GHz Tabela 12.3: Približki lastnih resonančnih frekvenc kondenzatorjev 415 Triterminalska ali skozniška struktura se uporablja za minimizacijo vpliva serijske induktivnosti. Nižja serijska induktivnost se odraža v višji resonančni frekvenci filtra, kar poviša frekvenčno področje uporabe. Tako lahko te triterminalske filtre uporabljamo do frekvence 1 GHz (slika 12.15). Slika 12.15: Primerjava kondenzatorjev 12.3.2.3 Filtri z induktivnim dušenjem Ko je v vezje, ki poleg koristnega signala prenaša tudi motnje, serijsko vključena tuljava, njena impedanca s frekvenco narašča. Signali nižjih frekvenc pa lahko tuljavo prečkajo nemoteno, saj ima ta pri nižjih frekvencah nizko impedanco. Motnje, ki so običajno višjih frekvenc, so ustrezno dušene in se ne širijo po vezju (slika 12.16). Slika 12.16: Induktivno dušenje motenj Seveda se za takšno dušenje motenj lahko uporabljajo običajne dušilke. Vendar se v tem primeru signalna valovna oblika lahko popači, pri visokih motilnih frekvencah pa ne dosežemo zadostne impedance (slika 12.17). Tuljave, ki se uporabljajo v filtrih EMI, so načrtovane tako, da se pri motilnih frekvencah obnašajo skoraj kot upori, kar precej zmanjša 416 možnost popačenja. Ker je zadostna impedanca dosežena pri nekaj 100 MHz, so te posebno načrtovane tuljave učinkovite pri dušenju VF-motenj (slika 12.17). Slika 12.17: Impedančna karakteristika 12.3.2.4 Filtri s kapacitivno-induktivnim dušenjem Če dušilne karakteristike tuljave in kondenzatorja združimo, lahko dobimo veliko bolj zmogljiv filter. Dva takšna visokozmogljiva filtra lahko tvorita filter “Pi” ali “T”. Filtri “Pi” so primernejši za hitre signalne linije zaradi naglega zmanjšanja dušenja izven frekvence rezanja. Filtri “T” pa so bolj primerni za nižje frekvence in napajalne linije zaradi širokopasovnih karakteristik in višjih nazivnih tokov (slika 12.18). Filter “L” L L ali C C L Filter “T” L C L Filter “Pi” C C Slika 12.18: Večkomponentni filtri 12.3.3 Podajanje učinkovitosti filtrov EMI Učinkovitost filtrov EMI podajamo z dušenjem (“insertion loss”). Slika 12.19 prikazuje 50-ohmsko impedančno vezje. Dušenje je opredeljeno kot logaritem razmerja izhodne napetosti brez filtra in izhodne napetosti s 417 filtrom v vezju. Logaritem je pomnožen z 20 in izražen v dB (enačba 12.6). Tako npr. dušenje 20 dB predstavlja razmerje izhodnih napetosti (B/C) 10. To pomeni, da bo nova izhodna napetost samo 1/10 prvotne napetosti (slika 12.19). Slika 12.19: Dušenje Dušenje = 20 log B(V ) C( V ) [dB] (12.6) 12.3.4 Strmina rezanja filtrov EMI Vsaka (idealna) reaktivna komponenta filtra prispeva 20 dB na dekado k dušenju filtra. Trikomponentni filter ima torej večjo strmino rezanja kot enokomponentni filter. Strmina rezanja je še posebno pomembna, ko uporabljamo filtre v digitalnih vezjih. Da ohranimo rob signalne oblike, morajo biti ohranjeni vsi harmoniki signalne frekvence do desetega. Povedano drugače, če imamo signal frekvence 5 MHz, morajo biti vse frekvence do 50 MHz nedotaknjene s strani filtrov. Nepravilna izbira tipa filtra ali vrednosti komponente lahko uniči valovno obliko signala (slika 12.20). 418 Slika 12.20: Popačenje oblike signala zaradi neustreznega filtra 12.3.5 Optimalnejša metoda za izbiro ustreznih filtrov EMI Prej opisane metode za izbiro ustreznih filtrov EMI, niso optimalne, ker ne obravnavajo parcialno vsake linije posebej. Metoda, katere teoretično ozadje je predstavljeno v tem poglavju ponuja več. Ta metoda temelji na meritvi hitre diskretne Fourierjeve transformacije signala. Takšna izbira je optimalnejša, saj optimizira filter za vsako signalno linijo posebej. 12.3.5.1 Kritična dolžina linije V teoriji hitrih prenosnih poti poznamo izraz, imenovan “kritična dolžina linije”. Kaj je kritična dolžina linije? To je dolžina linije, pri kateri lahko pričakujemo težave s prekomerno elektromagnetno emisijo sevalne narave. Odvisna je od frekvenc signalov, ki jih želimo prenašati prek linije. Spekter digitalnega periodičnega signala trapezoidne oblike prikazuje slika 12.3A. Sestavljen je iz diskretnih frekvenčnih komponent fn = nfT, kjer je fT = 1/T. Če narišemo asimptote na ta spekter, dobimo horizontalno linijo do prve kolenske frekvence (sl. 12.3B) f1 = 1 , π ⋅ th (12.7) od tu naprej pa dobimo padajočo linijo, ki pada z naklonom 20 dB/dekado do druge kolenske frekvence (sl. 12.3B) 419 f2 = 1 . π ⋅ tr (12.8) Od tu naprej dobimo padajočo linijo, ki pada z naklonom 40 dB/dekado (sl. 12.3B). f knee = 1 2 ⋅ tr (12.9) Frekvenca fknee je tako rekoč maksimalna frekvenca in je približno 1,5 x f2. S pomočjo frekvence fknee bomo določili kritično dolžino linije. Znano je, da sevanje narašča s frekvenco, dokler polovična valovna dolžina signala, ki se širi po liniji, ne doseže dolžine linije. f knee = λknee 2 1 2 ⋅ tr [Hz] - = dolžina linije lastnost signala (12.10) [m] - lastnost linije (12.11) Hitrost širjenja signala po liniji je: max = t pd v prop = 1 µε [m/s]. (12.12) Zakasnitev signala je tpd. Sedaj lahko valovno dolžino (12.11) zapišemo kot: λ knee = v prop [m]. f knee (12.13) S pomočjo enačb 12.10 in 12.12 dobimo kritično dolžino linije max : 1 v prop max = λknee 2 = f knee 2 µε 1 2t r = 2 = 1 µε tr [m]. (12.14) Pri kritični dolžini linije se prehodni pojav, ki nastane s prehodom signala iz nizkega v visoko stanje, natančno ujame z dolžino linije. Zato to 420 razdaljo imenujemo tudi “dolžina pozitivne flanke”. Poudariti je treba, da je pri kritični dolžini linije max upoštevana celotna dolžina linije – potovanje signala od oddajnika do sprejemnika in nazaj. Za poenostavitev enačbe 12.14 uporabimo dejansko vrednost časa zakasnitve signala za material FR-4. Tako dobimo enačbi 12.15 in 12.16, po katerih lahko izračunamo polovično kritično dolžino linije ′max = lmax/2. Ti izračuni veljajo za dielektrično konstanto εr = 4,6. Ta dielektrična konstanta velja za material FR-4 in je dobljena na podlagi referenčnega signala 1 MHz. ′max = 9 ⋅ t r (tr vstavimo v [ns]) (za tehnologijo mikrostrip – v cm) (12.15) ′max = 7 ⋅ t r (12.16) (tr vstavimo v [ns]) (za tehnologijo stripline – v cm) Linija, katere dolžina je večja ali enaka kritični dolžini, se obnaša kot prenosna linija. To pomeni, da moramo upoštevati karakteristično impedanco, zakasnitev in odboje. Istočano pa se takšna linija obnaša kot učinkovita antena, kar ima za posledico porast problema elektromagnetne emisije sevalne narave in porast problema odpornosti proti elektromagnetni motnji sevalne narave. 12.3.5.2 Tipična frekvenca, opazovana kot EMI Tipična frekvenca, opazovana kot EMI, je frekvenca, pri kateri lahko pričakujemo največ problemov EMI. Odvisna je od uporabljenih logičnih elementov in mikrokrmilnika. Bolje rečeno, odvisna je od dvižnih časov signalov, ki jih oddajajo ti elementi (glej enačbo 12.17). Pri razvoju strojne opreme je zelo pomembna pravilna odločitev gleda izbire ustrezne logične družine in mikrokrmilnika. Če npr. namesto LS-TTL (“low power schottky – tranzistor tranzistor logic”) vzamemo hitrejši HCT (“highspeed CMOS with TTL inputs”), bo emisija električne poljske jakosti narasla za trikratni faktor. Zato naj ne bi nikoli izdelali vezja v širšem pasovnem območju, kot je nujno. Seveda pa ta tipična frekvenca pride do izraza v smislu emisije sevalne narave šele pri določeni dolžini vezi, ko ta postane učinkovita antena. f max = 10 π tr (12.17) 421 Tabela 12.4 podaja pregled dvižnih časov in tipičnih frekvenc za nekatere najbolj pogosto uporabljene logične družine. Čim krajša sta dvižni in upadni čas logične družine, tem višja je tipična frekvenca opazovana kot EMI. Logična družina Tipični dvižni in upadni časi tr/tf Glavni harmonik, ustrezajoč f = (1/πtr) 74L xxx 74C xxx 74HC xxx 74 xxx 74LS xxx 74HCT xxx 74ALS xxx 74ACT xxx 74 F xxx 31-35 ns 25-60 ns 11-15 ns 10-12 ns 9,5 ns 5-15 ns 2-10 ns 2-5 ns 1,5-1,6 ns 10 MHz 13 MHz 24 MHz 32 MHz 34 MHz 64 MHz 160 MHz 160 MHz 212 MHz Tabela 12.4: Tabela logičnih družin Tipična frekvenca, opazovana kot EMI (10-ti harmonik) fmax =10*f 100 MHz 130 MHz 240 MHz 320 MHz 340 MHz 640 MHz 1,6 GHz 1,6 GHz 2,1 GHz Pri načrtovanju elektronskih vezij v smislu EMC so zelo pomembne tipične frekvence posameznih elementov − opazovane kot EMI. Da bi preverili pravilnost enačbe 12.17, smo opravili tudi meritev harmonika pri tipični frekvenci, opazovani kot EMI. Ker merilna oprema ni bila povsem ustrezna za hitrejše logike, smo morali meritev nivoja harmonika pri tipični frekvenci, opazovani kot EMI, izvesti na logiki 74HC, ki ima tipično frekvenco pri 270 MHz. Najboljši nam dostopen osciloskop je imel frekvenčno omejitev pri 500 MHz, kar pa je za logiko AC (“advanced CMOS”) prenizko. Tipična frekvenca, opazovana kot EMI, se za logiko AC nahaja pri 1,6 GHz. Izhodni signal iz logičnega vezja 74HC245 prikazuje slika 12.21. Slika 12.21: Čas porasta pravokotnega signala na izhodu iz logičnega vezja 74HC245 422 Slika 12.22 prikazuje frekvenčno analizo (FFT) signala na izhodu iz logičnega vezja 74HC245. Tipična frekvenca – opazovana kot EMI – je lepo vidna pri 265,258 MHz. Prepoznali smo jo po ponovni rasti harmonikov nekje med 220 MHz in 300 MHz, z vrhom pri tipični frekvenci 265,3 MHz. Slika 12.22: FFT signala na izhodu iz logičnega vezja 74HC245 Na sliki 12.22 vidimo, da je nivo harmonika pri tipični frekvenci, opazovani kot EMI – 28,64 dB. Z meritvijo časa rasti signala tr smo dobili za tr vrednost 12 ns. Iz časa rasti signala tr smo lahko po enačbi 12.17 izračunali tipično frekvenco, opazovano kot EMI. Dobili smo vrednost 265,258 MHz. Rezultat 12.18 se popolnoma sklada z meritvijo. f max = 10 10 = = 265,258MHz π ⋅ t r π ⋅ 12ns (12.18) Tipično frekvenco – opazovano kot EMI – lahko torej izračunamo dokaj preprosto. Pravilnost izračuna smo potrdili z meritvijo. 12.3.5.3 Izbiranje ustreznih filtrov EMI Postopek izbire optimalnega filtra EMI je naslednji: • izmerimo čas rasti signala tr; 423 • izračunamo (lahko tudi izmerimo) tipično frekvenco, opazovano kot EMI; • glede na aplikacijo izberemo ustrezno družino filtrov EMI; • iz izbrane družine filtrov EMI vzamemo tistega, ki ima maksimum dušenja čim bliže tipični frekvenci. Potreba po filtrih EMI je pogojena s kritično dolžino linije. To potrjujejo tudi naše izkušnje. Če je dvosmerna dolžina linije krajša od predhodno izračunane max (kritična dolžina linije) in ni na liniji nobene skozniške povezave, razen pri priključkih integriranega vezja (ohišje DIP), uporaba filtra EMI ni nujna]. Slika 12.22 prikazuje FFT signala na izhodu iz integriranega vezja 74HC245. Tipična frekvenca – opazovana kot EMI – je lepo vidna pri 265,258 MHz. V to signalno linijo smo vstavili filter EMI, ki smo ga izbrali s pomočjo zgoraj opisanega postopka. To je bil filter EMI NFW31SP506X1E4 firme Murata. Ta filter ima maksimalno dušenje pri tipični frekvenci. Na sliki 12.23 vidimo, da se je nivo harmonika pri tipični frekvenci zmanjšal z 28,64 dB na 21,20 dB. Uporaba filtra EMI se je torej obrestovala. Slika 12.23: FFT signala za Muratinim filtrom EMI NFW31SP506X1E4 – izhod iz logike 74HC245 424 12.3.6 Prilagoditev in filtriranje Prilagoditve impedanc so izrednega pomena, vendar je to včasih zelo težavna naloga zaradi različnih tipov uporabljenih elementov. Mnogokrat se vhodno izhodne impedance ne preračunavajo. Recimo, da smo na linije, ki so daljše od kritične dolžine linije ( max ), namestili filtre EMI. Postavili smo jih blizu izvora motenj. S filtri lahko poleg filtriranja signala izboljšamo tudi prilagoditev. Pri tem moramo paziti na strukturo uporabljenih filtrov EMI. V katalogih proizvajalci podajajo dušenje filtrov EMI pri vhodni in izhodni impedanci 50 Ω. Po navadi pa v realnih vezjih nimamo take impedance. Znano je, da je učinkovitost filtrov močno odvisna od vhodne in izhodne impedance, to je od impedanc vezja, kamor je vgrajen filter. Veljajo neka splošna pravila, ki se jih navadno držimo. Ta pravila prikazuje slika 12.24 . Slika 12.24: Izbira ustreznega filtra EMI glede na vhodno oz. izhodno impedanco Vemo, da je kondenzator učinkovitejši pri dušenju motenj v visokoimpedančnih vezjih, tuljava pa je učinkovitejša v nizkoimpedančnih vezjih. Slika 12.24 prikazuje tabelo, s pomočjo katere izberemo ustrezen filter glede na vhodno in izhodno impedanco. 425 13 NEIONIZIRAJOČE ELEKTROMAGNETNO POLJE IN VPLIV NA ČLOVEKA 13.1 Pojav elektromagnetnega polja Elektromagnetna polja danes opisujemo z Maxwellovimi enačbami (glej stran xx). Elektromagnetna polja - EM polja običajno opazujemo v odvisnosti od frekvence, saj se prav s frekvenco zelo spreminjajo njegove lastnosti. Pri frekvenci nič imamo statično električno ali magnetno polje. Čim se to spreminja električno polje generira magnetno in obratno - torej nastopata vedno kot dvojčka. Zato govorimo o EM polju. Intenzivnost indukcijskih pojavov raste pri isti jakosti polja s hitrostjo njegove spremembe, torej s frekvenco. V uporabi so polja v izredno širokem frekvenčnem pasu od f = 0 do 1020 Hz. V tem področju so polja od 0 Hz, z nizkimi frekvencami, največ močnostne frekvence 50 Hz, do 10 kHz. Te frekvence še ne povzročajo pomembnih termičnih učinkov. Sledijo radijske frekvence amplitudne modulacije do nekaj MHz in radijske frekvence frekvenčne modulacije od 10 kHz do 300 GHz. Tu se nahaja tudi področje mikrovalov - MW do nekako 10 GHz (1010 Hz). V tem področju je nastajanje vrtinčnih tokov zelo intenzivno, zato te frekvence uporabljamo za segrevanje. So pa v tem področju tudi televizijske frekvence in vsa današnja brezžična telefonija. Do teh frekvenc polje gladko prehaja skozi organizem, čeprav ta sposobnost prodiranja s frekvenco upada. Do nekako 1012 Hz človek nima čutil, da bi EM polje zaznaval. Potem pa se začne najprej infrardeče sevanje - IR, ki ga zaznamo kot toploto, in nato relativno ozko področje vidne svetlobe. Govorimo o področju, kjer EM polje povzroča elektronsko vzbujanje (elektroni menjujejo energetske nivoje), ki vodi v fotokemične efekte. Globina prodiranja teh valov v organizem ni velika. Sledi ultravijolično področje - UV (okrog 1016 Hz) in temu rentgensko sevanje (od 1018 Hz naprej), ki pa že spadata v ionizirajoče sevanje (torej s sposobnostjo izbijanja elektronov iz atomske strukture) z možnostjo večjih poškodb človeškega organizma, tudi DNK. Tudi za ta frekvenčna področja človek nima razvitih čutil. 13.2 Vpliv na človeški organizem Človeški organizem sestavlja ~ 60.000 celic. Celice pa niso vse enake niti po vrsti niti po velikosti in obliki. Celic je 360 vrst: kožne, mišične, možganske (nevroni), kostne, srčne itd. Vse pa imajo enake sestavne dele kot kaže slika 13.1. Notranji deli celice so zaščiteni pred zunanjimi vplivi z membrano, ki je na določenem električnem potencialu. Pri zdravih celicah se gibljejo ti potenciali med 70 in 90 mV; npr. živčne celice imajo 70 mV, srčne 80 mV in mišične 90 mV. Če je celica bolna, se potencial spremeni. Ugotovljeno je, da lahko tudi z EM poljem vplivamo na potencial membrane, posebej če to deluje v impulzih 426 zelo nizkih frekvenc. EM polje seveda lahko deluje direktno na membrano, deluje pa tudi na notranje dele celice, tudi na zelo občutljivo jedro, ki nosi genski material. Vse to lahko vpliva na zdravstveno stanje celice. Celico, ki je bolna lahko pozdravimo, lahko pa zdravo celico napravimo bolno. Predstavljati si moramo celico kot biološki elektrokemični sistem, v katerem se pretakajo ionski in elektronski tokovi, ki so posledica notranjih in zunanjih električnih in magnetnih potencialov. Ti procesi v celicah pa niso kontinuirani temveč delujejo v časovnih intervalih, ki so zelo nizkih frekvenc, do nekaj pojavov na sekundo. Tako ima npr. naše bitje srca frekvenco 0,8 - 3 Hz = 50 - 180 udarcev na minuto, dihanje pa je še počasnejše. Slika 13.1: Prikaz tipične človeške celice Če so energije EM polja večje, lahko povzročajo večje tokove in ionske premike tako v celici kot med celicami, kar lahko povzroči segrevanje tkiva, takrat govorimo o termičnih učinkih. Učinki pa so lahko tudi na posamezne dele celice, s čimer lahko povzročimo funkcijske motnje v delovanju celice; najhuje je lahko, če pride do sprememb v jedru celice, kjer je spravljen genetski material. Če se pri tem celica ne segreje, govorimo o netermičnih učinkih. 13.2.1 Termični učinki Pri termičnih učinkih gre za segrevanje tkiva, ki je pod vplivom EM polja. To se praviloma pojavi pri višjih frekvencah, posebej v področju mikro valov. V tkivu se inducirajo napetosti, ki v odvisnosti od impedance tkiva poženejo vrtinčne tokove - govorimo o absorbirani moči, oz. energiji. V angleščini nosi oznako SA 427 (specific absorption oz. energijska gostota v J/kg), oz SAR (specific absoption rate, oz specifična absorpcijska stopnja-moč v W/kg). Funkcioniranje tkiva se s temperaturo spremeni. Eksperimenti so pokazali, da se pri povprečni specifični absorpcijski moči 4 W/kg t elesne t eže, ki traja dalj časa, ko se telo ogreje za 1 °C, pojavi pri trenirani živalih »vedenjska prekinitev« (behavioral disruption) že naučenih kompliciranih funkcij. Takrat žival ne more več izvajati treniranih dejavnosti na ukaz. Podobno je pri človeku. Pred 20 leti, ko se je pojavila mobilna telefonija in je industrija zahtevala standarde po katerih je želela razvijati naprave, so bile narejene prve meritve v okviru IEEE. Prav 4 kW/kg so določili za mejno absorpcijsko moč. Ker pa do tega nivoja moči v praksi sploh ne bi smelo priti, so določili na osnovi 10-kratne varnosti zgornjo mejo moči polja (0,4 W/kg), ki ga smejo sevati naprave (tudi mobilni telefoni) v časovnem intervalu najmanj 6 min. V ogroženih primerih pa predpisi določajo dodatni 5 kratni varnostni faktor, tako da je največja dopustna SAR < 0,08 W/kg. Pojav vedenjske prekinitve, ki je dejansko posledica spremenjenih funkcij delovanja tkiva je pripisati termičnim efektom - segrevanju celice. Novejše raziskave so pokazale, da se pri uporabi mobilnega telefona pojavi lokalna koncentracija moči, ki je lahko 20-krat večja od te povprečne, torej 20 x 0,4 = 8 W/kg, kar je pa preveč (sl. 13.2). Pri takšnih močeh že lahko pričakujemo vedenjsko prekinitev. To je seveda nevarno pri določenih opravilih, npr. pri vožnji avtomobila, gašenju požara, reševanju na stolpu oddajnika, itn. Takrat je nevarnost posebej velika, ker se človek koncentrira na pogovor ali delo in ni pozoren na dogodke okrog sebe, če pa telefonira dolgo, se lahko deli možganov ogrejejo do meje, ko pride do vedenjske prekinitve, in npr. voznik takrat ne more več reagirati, tudi če bi hotel. Pojav vedenjske prekinitve pa je samo eden od pojavov, ki so posledica segrevanja. Spremenijo se lahko tudi druge vedenjske funkcije ali kognitivne funkcije, reakcije, glavobol, zmanjšana koncentracija, povečana razdražljivost, hitrejše bitje srca, povečan krvni tlak, zaspanost, pozabljanje, itn. Pri manjših segrevanjih pa je vpliv lahko celo pozitiven. Neki nemški raziskovalci so izmerili pri manjših SAR hitrejše reakcije poskusnih oseb za 3,5 ms ali 0,9 % (drugi znanstveniki trdijo, da je to sporno). V fizioterapiji se uporablja segrevanje z EM polji za zdravljenje artroz in drugih degenerativnih sprememb na hrbtenici in sklepih. Količina absorbirane energije je odvisna od električne impedance obsevanega tkiva. Če ima tkivo nizko impedanco je SAR večji. Ker je impedanca (posebej ohmska upornost) otroških tkiv zelo nizka je pri otrocih SAR temu ustrezno velik. Zelo dobro to stanje ponazarjajo globinske slike absorpcije EM skozi možgansko tkivo ob prislonjenem mobilnem aparatu ob uho. Pri mladih otrocih celotni možgani absorbirajo precejšnjo EM energijo, medtem ko pri starejših prodre absorpcija EM morda le do tretjine ali četrtine globine možganov. Samo povečanje temperature - in s tem nastanek bolezni ali vedenjske prekinitve - je seveda 428 odvisno od velikosti glave, notranje upornosti in od odvajanja toplote segrevanega mesta. Slika. 13.2: Globine sevanja mobilnega telefona prislonjenega na uho lobanje. Levo-odrasli, sredina-otrok 10 let, desno-otrok 5 let Kot vidimo, moramo razlikovati med SAR, ki je dejansko specifična moč nasproti SA, ki je energija. Z SA torej opisujemo dozo EM polja, ki smo ga absorbirali. Če npr. govorimo iz mobilnega telefona, ki ima danes tržno običajen SARMT = 1,2 W/kg eno uro, iz bližnje bazne postaje GSM (npr. 6 x 8 W) v oddaljenosti 20 m pa dobimo SARBP = 0,05 W/kg, moramo upoštevati, da nas bazna postaja obseva 24 h na dan, mobilni telefon pa le toliko časa, kolikor telefoniramo. Iz bazne postaje dobimo v 24 urah x 0,05 W/kg = 1,2 Wh/kg, torej enako dozo kot pri enournem telefoniranju (na srečo bazne postaje ne delajo s konstantno močjo). Če hočemo dobiti celotno dozo s katero smo obsevani, moramo sešteti vplive vseh baznih, radijskih, TV, policijskih, vojaških in satelitskih postaj idr., ki sevajo praviloma ves dan in mi na njih nimamo nikakršnega vpliva. Predpisi določajo, kako moramo seštevati razne vplive EM polja glede na frekvenco in trajanje. 13.2.2 Netermični učinki V netermične učinke štejemo različne biološke pojave, ki niso odvisni od segrevanja. Poleg bioloških vplivov se tu lahko pojavijo podobni funkcijski pojavi kot pri termičnih stanjih, glavobol, krči, motnje spanja, spremenjene reakcije, okvara vida, spremembe delovanja organov itd. Nekateri znanstveniki opozarjajo na možnost sprožitve rakastih obolenj posebej v najmehkejših tkivih, kot so možgani in žleze (posebej levkemija pri otrocih in imunski sistem). Tako so npr. nekateri znanstveniki našli v možganskih celicah po delovanju EM polja albumin, (ta naznanja rak), ki tam ne bi smel biti. Ker je albumin transportno sredstvo v krvi; pomeni pa, da je popustila možganska opna (ker nekateri znanstveniki pri enakem eksperimentu te beljakovine v možganih niso našli, je odkritje sporno). 429 13.2.3 Raziskovanje vpliva EM polja na človeka in živali Trenutno poteka po vsem svetu ogromno raziskav o vplivu EM polj na človeka in živa bitja na sploh. Raziskave obsegajo tako ugotavljanje pozitivnih, torej zdravilnih učinkov, kakor tudi negativnih, torej bolezenskih učinkov. Znanstveniki skušajo najti splošni model, po katerem bi lahko vedeli, katera polja pri katerih frekvencah in jakostih povzročajo katere učinke. Ugotavljajo, da so na tem področju še vedno na začetku poti. Nekateri učinki pa so danes vendarle znani. Tako so ugotovili, da EM polja v frekvenčnem področju do 1000 Hz in gostotah magnetnega pretoka do okrog 10 mT delujejo pozitivno na nekatere organe, oz. funkcije. Posebej učinkovita so polja v obliki impulzov nizkih ali celo zelo nizkih frekvenc, ki so lahko raznih oblik. Torej so impulzi sestavljeni iz višjih frekvenc, kot je impulzna frekvenca. Pogosto je 50 Hz osnovna frekvenca, ki je razsekana na impulze nižjih frekvenc. Najbolj prijetna za telo so polja sinusne oblike, ne pa tudi najučinkovitejša. Nekaj primerov zdravljenja z EM polji na posamezne organe, ki jih raziskujejo tudi v Bolnišnici Maribor (doc. dr. Zmago Turk in prim. dr. Jože Barovič): Tabela 13.1: Nekateri zdravilni učinki EM polja na človeka f (Hz) < 10 primer: 5 1 - 10 primer: 6 8 - 15 primer: 12 20 25 - 30 10 - 70 primer: 25-50 > 100 > 1000 B (mT) 1-3 < 10 3 < 10 5-9 < 10 < 10 < 10 5 < 10 < 10 Učinkovanje 1 - 5 delovanje možganov v smislu boljšega spanja in sprostitve zdravljenje visokega krvnega tlaka harmoniziranje imunskega sistema zdravljenje vnetij in s tem povezanih bolečin izboljšanje koncentracije in kratkotrajnega spomina, poglobljeno dihanje zdravljenje nizkega krvnega tlaka poboljšanje prekrvavitev, boljša oskrba s kisikom izboljšanje presnove, oskrbe s hranili izboljšano izločanje hormonov, boljša prebava zdravljenje ortroz, sklepov, zlomov kosti, osteoporoze, hrbtenice pospeševanje razstrupljanja, čiščenje veznega tkiva, izločanje stimulacija delovanja mišičevja, srca in pljuč Tem dobrim lastnostim stojijo nasproti negativni stranski učinki: nezavest, krči, klavstrofobija in glavobol. Ali se pri dalj časa trajajočih terapijah pojavljajo še kakšni drugi stranski učinki, npr. rakasto obolenje, ni znano. Mnogi raziskovalci pa raziskujejo predvsem bolezenske pojave, ki so posledica stalnega ali občasnega življenja v EM poljih, ki se jim danes pri tem stanju tehnike, ne moremo izogniti. Glede na nadaljnji razvoj telekomunikacij za domače, pa tudi profesionalne namene, se nam obeta še povečana izpostavljenost EM poljem, posebej visokih frekvenc. Omenimo nekaj naslovov upoštevanja vrednih študij, ki jih je mogoče dobiti na medmrežju: • Indipendent expert group on mobile phones, Mobile Phones and Health (mobilni telefoni in zdravje), Cherman Sir William Steward, 2000. To je 430 danes verjetno najbolj kompetentna študija iz tega področja popularno znana kot »Stewardovo poročilo«). • Medical College of Wisconsin, General Clinical Research Center, http://www.mcw.edu/gcrc/cop.html: (1) John Moulder, Professor of Radiation Oncology, Powerlines and Cancer (močnostni vodi in rak), 2004, obravnava problematiko povezano z daljnovodi, hišno elektriko in rakom, vključujoč biofiziko vplivov elektromagnetnih virov, z zbirnimi podatki laboratorijskih raziskav in raziskav na ljudeh, informacije o standardih in obsežno bibliografijo, (2) John Moulder, Professor of Radiation Oncology, 2004, Static Power lines and Cancer (enosmerni močnostni vodi in rak), obravnava vprašanja in odgovore v zvezi z vplivi statičnih EM polj na razvoj raka, opis virov EM polja, podatke o laboratorijskih in človeških raziskavah, informacije o standardih in pripadajočo literaturo in (3) John Moulder, Professor of Radiation Oncology, Cell Phonne Antenas and Human Helth (antene mobilne telefonije in rak), 2004, obravnava vprašanja in odgovore o vplivu radijskih frekvenc, sevanja mobilnih telefonov in baznih postaj na človekovo zdravje, vključujoč biofiziko, rezultate tako laboratorijskih raziskav kot raziskav na ljudeh, informacije o standardih in bibliografijo. Zgoraj navedeni viri zelo temeljito obravnavajo probleme vseh vrst EM polj na človekovo zdravje. Pri teh študijah so bili raziskani vplivi na razvoj raka, levkemije, posebej pri otrocih so merili genotoksine, ki kažejo na genske spremembe, Alzheimerjevo bolezen, multiplo sklerozo, splave, defekte pri rojstvu otrok, samomorilnost, nespečnost, degenerativne pojave, smrtnost ipd., tako v domačih okoljih, v laboratorijih, pod raznimi dodatnimi pogoji, kot je radioaktivni plin radon, izpušni plini itd. Pri tem so uporabljali priznane znanstvene metode kot so laboratorijske študije na prostovoljcih, laboratorijske raziskave na živalih, laboratorijske raziskave na celicah, računalniške simulacije in epidemiološke preiskave na terenu na ljudeh. Za ocenjevanje so uporabljali običajne znanstveno relevantne statistične metode, ki so razdeljene v več kriterijev. Primer takšnega znanstvenega ocenjevanja na EM poljih nizkih frekvenc predstavljamo v naslednjem tekstu: Prvi k riterij določa nivo relativnega rizika (tveganja, nevarnosti) - RR, kjer vrednost RR = 1 pomeni brez rizika, oz riziko pod normalnimi pogoji, vrednosti RR < 1 pomenijo manjši riziko, RR > 1 pomeni večji riziko. Govorimo o močni povezavi med vzrokom in posledico, če je RR > 5. Kajenje tobaka, npr. v povezavi z obolevnostjo za rakom na pljučih, kaže RR = 10 - 30 nasproti nekadilcem, ki jim pripišemo RR = 1. Če je RR < 5 menimo, da gre za šibke povezave; pri RR < 1,5 menimo, da so povezave nepomembne, nastale zaradi nekih drugih vplivov. Raziskave npr. kažejo za povezavo EM polja frekvence 50 Hz za razvoj otroške levkemije RR med 0,8 in 2,0 (rizični interval, interval 431 zaupanja), za razvoj raka na možganih pa 0,8 in 1,6. Pogosto izračunamo srednjo vrednost (mean) in to primerjamo z RR = 1 in tako ocenjujemo povezave. Drugi k riterij temelji na primerjavi skladnosti rezultatov raznih študij. Pri tobaku prav vse študije kažejo visoke RR v povezavi z rakom na pljučih. Raziskave o vplivu EM polja na človekovo zdravje pa si pogosto niso enotne. Tretji k riterij temelji na opazovanju RR v odvisnosti od doze, kateri je bil človek izpostavljen. Pri tobaku vse študije kažejo povečani RR v odvisnosti od količine pokajenega tobaka. Nekatere raziskave kažejo povečevanje RR v bližini visokonapetostnih vodov, vendar v realnih razmerah ta odvisnost ni prepričljiva. Četrti kriterij se sprašuje ali laboratorijske raziskave kažejo na odvisnost doze in bolezni? Laboratorijske raziskave na 50 Hz kažejo, da imajo polja teh frekvenc mali ali nikakršni vpliv na delovanje celic in na razvoj raka pri živalih ali ljudeh. Peti kriterij se sprašuje, ali obstaja kakšen prepričljiv biološki mehanizem, ki bi razlagal kakšno povezavo med EM poljem in pojavom bolezni? Dosedanje znanje trenutno ne pozna takih mehanizmov. Če se povrnemo k cigaretam in pljučnemu raku, potem moramo reči, da takšnih mehanizmov takrat še ni bilo, našli so jih kasneje. Današnje stanje raziskovanja v skladu z zgoraj navedenimi kriteriji ni našlo dovolj trdnih povezav, ki bi sklepale na močnejše povezave med izpostavljenostjo EM polj frekvenc 50 Hz in boleznimi, če so jakosti teh polj v predpisanih mejah. Ker pa so nakazane določene RR povezave, postavljajo vendarle nekaj opozoril, da si ne bi zapirali vrat pred novimi raziskavami, ki bodo potrdile povezave ali jih dokončno ovrgle. Razvoj nekaterih bolezni, npr. raka traja več let, zato je za končne sodbe potrebno počakati na rezultate novih, ali še trajajočih raziskav. Današnje študije temeljijo na relativno kratkih rokih opazovanja, s časom pa bodo potrjeni tudi dejanski učinki na dolgi rok. Podobno kot nizkofrekvenčna, tudi enosmerna polja ne povzročajo sevanja, pač pa opazujemo bližinska polja. Povezanost med boleznimi in enosmernim EM poljem je še šibkejša kot pri nizkofrekvenčnih poljih. Pač pa nekatere raziskave kažejo, da pri moških v aluminijski industriji, izpostavljenim visokim gostotam magnetnega pretoka, obstaja možnost zmanjšanja plodnosti. To je npr. pokazala raziskava na živalih, ki so pokazale zmanjšano plodnost v enosmernem polju 1,5 T (slovenska Uredba dovoljuje na delovnem mestu, t.j. za II. območje največ 40 mT, torej mnogo manj). Ker druge raziskave to niso potrdile - gl. drugi kriterij ostaja dvom. Podobno je pri opazovanju pogostosti splava in defektov 432 novorojenčkov pri ženskah, ki so nosile plod v takšnih poljih. Nekateri raziskovalci so raziskovali tudi možnost nastajanja ozona in dušičnih oksidov pri električnih napravah visokih napetosti na enosmernih in nizkofrekvenčnih vodih. Ugotovili so, da je količina teh plinov prenizka, da bi škodila ljudem. V današnjem času so mnogo bolj aktualne raziskave, ki skušajo ugotoviti, kakšen je vpliv visokofrekvenčnega EM polja na človeka. Z dvigovanjem frekvence, ko postane valovna dolžina polja podobna dimenzijam antene že lahko govorimo o EM sevanju. Prihajamo v področje, ki lahko povzroči segrevanje tkiva. Tako moramo ločiti biološke vplive od termičnih. Medtem, ko pri bioloških vplivih ne opazimo razlike med nizkofrekvenčnim in visokofrekvenčnim EM poljem, je situacija pri termičnih vplivih povsem drugačna. V prejšnjem poglavju smo ugotovili, da ima že temperatura povišana za 1 °C določen škodljiv vpliv na delovanje celice, je nadaljnje poviševanje za njo usodno in jo lahko usmrti (mikrovalovna pečica). To dejansko uporabljamo v medicini za uničevanje rakastih tumorjev, ki jih uničimo z visoko temperaturo. Videli smo, kako je postavljena najvišja zgornja dopustna meja in vse raziskave kažejo, da v dovoljenih mejah ne pride do škode. Najnovejše genotoksiološke študije kažejo npr. da se pojavljajo poškodbe na genetskem materialu, ki je v jedru celice, šele pri SAR = 5 - 10 W/kg, kar je pa bistveno višje od dovoljenega. Epidemiološke študije na visokofrekvenčnem področju so bile posebej narejene na RF (radio in TV), mikrovalovnem sevanju in posebej sevanju v mobilni telefoniji. Opazovani so bili pojavi bolezni kot je rak, levkemija, posebej pri otrocih, smrtnost ipd., v odvisnosti od oddaljenosti virov sevanja, frekvence in jakosti polja. Zanimivo je, da so nekatere študije za nekatere bolezni kazale na prepričljive RR; potem pa so isti raziskovalci na drugih terenih ugotovili, da teh povezav ni. To si razlagajo z dejstvom, da v bližini oddajnikov živi običajno premalo ljudi in vzorec ni reprezentativen, tako da prevladajo drugi vplivi. Podobni so rezultati epidemioloških študij na mikrovalovnem področju in v bližini baznih postaj mobilne telefonije, ki veljajo za popolnoma varne. Drugače je pri uporabnikih mobilne telefonije, ki telefonirajo tako, da telefon pritiskajo ob uho. V ZDA so do sedaj pregledali tkiva kakšnih 300.000 umrlih ljudi, ki so pogosto uporabljali mobilne telefone. Na njihovih tkivih niso našli nobenih sprememb, ki bi bile drugačne kot pri ljudeh, ki teh telefonov ne uporabljajo. Edino, kar je bilo opaženo pri vzrokih za povečano smrtnost je prepričljiv RR za voznike motornih vozil, ki so uporabljali mobilni telefon med vožnjo. Ker pa so nekateri evropski raziskovalci odkrili RR do 4 in 6 v povezavi z rakom na možganih in ušesni mečici pri uporabnikih mobilni telefonov, ostaja dvom o neškodljivosti še vedno prisoten. Te študije pa niso zadovoljile drugi kriterij. 433 Posebno poglavje predstavljajo vplivi impulzno moduliranega EM polja, ki se uporablja v telekomunikacijski tehniki novejših generacij. Oddajniki - bazne postaje in mobilniki - oddajajo visokofrekvenčne modulirane impulze nizkih frekvenc. Mnogi raziskovalci menijo, da je ta oblika sevanja EM polja nevarnejša, ker so impulzne frekvence že blizu biološkim frekvencam v človeškem organizmu. Na tem področju je še najmanj rezultatov raziskav. Nekatere pa nakazujejo na določene nevarnosti. Tako so na podganah ugotovili poškodbe na genetskem materialu že pri impulznih poljih frekvence 2450 MHz pri SAR = 0.6 in 1.2 W/kg po 2 urah obsevanja. Na primatih so odkrili razne degenerativne spremembe na celicah, ki so občutljive na svetlobo, kot je očesna mrežnica. Nekateri povsem zdravi ljudje slišijo pri impulzno moduliranih RF poljih frekvenc med 200 MHz in 6.5 GHz zvoke kot so brenčanje, tleskanje, žvižganje ali pokanje. Ta zelo stresni učinek je možno odpraviti le z manjšo močjo impulznega polja. Druge raziskave, tudi na ljudeh, to ne potrjujejo tako, da danes končne sodbe še ni. Vsekakor pa ostajajo svarila pred pretirano uporabo mobilnih telefonov, ki jih dajemo na uho, posebej pri otrocih. Bistveno lahko vplivamo na obsevanost z uporabo ločenih slušalk, tako da je mobilnik bolj oddaljen od najbolj občutljivega človeškega organa, tj. možganov. S takšnimi ugotovitvami uradne znanosti pa se ne strinjajo predstavniki civilne družbe v okviru ekoloških gibanj. Eno od takšnih institucij je npr. Internationale Gesellschaft fiir Elektrosmog-Forschung - IGEF (http://elektrosmog.com/hompage/), ki se občasno pojavlja tudi v Sloveniji. Ti delujejo na principu klica neke osebe ali lokalne civilne družbe, da se je pojavila težava, bolezen ali se škodljiv pojav obeta s postavitvijo npr. nove bazne postaje. Takrat predstavniki te družbe pridejo s svojimi instrumenti in izmerijo gostoto pretoka moči EM polja. Njihovi eksperti nato ugotavljajo možne ali obstoječe zdravstvene probleme in svetujejo rešitev problema. Po ne povsem znanstvenih metodah nato epidemiološko ugotavljajo RR med bolezenskim pojavom in EM poljem. Na osnovi dolgoletnih opazovanj pa ti ugotavljajo škodljivost pri mnogo manjših gostoto pretoka moči EM polja, kot trdi uradna znanost. Zgornja institucija trdi da: • če je gostota pretoka moči polja med 1 µW/m2- 10 µW/m2 nastanejo pri 10 % ljudi že manjše kognitivne motnje (spanje, učenje, pomnjenje, glavobol itd), • pri gostotah pretokov moči polj med 10 µW/m2 - 50 µW/m2 se manjše zdravstvene motnje pojavijo pri 20 % ljudi, • med 50 µW/m2 - 100 µW/m2 se lahko večji zdravstveni problemi pojavijo pri naslednjih 20 % ljudi. IGEF meni, da je moč 100 µW/m2 zgornja še morda dopustna sprejemljiva meja, ki bi jo bilo možno opravičiti v okolju v določenih primerih, • pri nadaljnjem povečevanju se zdravstveni problemi kopičijo, tako da pri močeh EM polja med 500 µW/m2 in 10.000 µW/m2 že lahko pričakujemo, da bo zbolelo 50 ljudi za najtežjimi boleznimi kot so rak, levkemija ipd. 434 Postavili so vrednost 1 µW/m2 kot zgornjo dopustno mejo glede na škodljivost zdravju ljudi. Svetovna zdravstvena organizacija - WHO (oz. ICNIRP) podobno tudi evropski standard za splošno prebivalstvo s povečanim varstvom pa dovoljuje gostoto pretoka moči pri trajni frekvenci 900 MHz do 4,500.000 µW/m2. Slovenski predpis, ki ureja mejne dopustne vrednosti, t.j. Uredba o elektromagnetnem sevanju v naravnem in življenjskem okolju, dovoljuje mejne dopustne vrednosti v odvisnosti od frekvence (tako kot tudi vsi mednarodni predpisi), npr. za I. območje, ki potrebuje povečano varnost (npr. šole, bolnišnice, stanovanja) pred sevanjem pri izpostavljenosti elektromagnetnim poljem 900 MHz le 450.000 µW/m2. IGEF imenuje vsako EM polje, ki ni naravnega izvora »elektrosmog« s čimer že v naprej obsoja EM polje, ki ga ustvarjajo tehnične naprave. Ne glede na to, da je normativ IGEF za »elektrosmog« izmerjen širokopasovno in vrednosti ni možno enostavno primerjati, je več sto tisoč- do več milijon- kratna razlika očitna in pelje pri uveljavitvi IGEF vrednosti v znatne konflikte z državo in telekomunikacijskimi podjetji. Ni potrebno posebej poudarjati, da bi bila izvedba telekomunikacijskega sistema današnje generacije močno ogrožena, če bi se kriterij IGEF upošteval v nacionalnih standardih ali predpisih. 13.3 Standardizacija Osnovni namen standardov je, da določijo takšne vrednosti izpostavljenosti EM polju, ki niso škodljive za živa bitja in okolje, proizvajalcem pa omogočijo izdelavo produktov. Vsaka država je pristojna, da si postavi svoje kriterije za dopustne obremenitve z EM polji. Večina nacionalnih in tudi mednarodnih standardov pa se vendarle upošteva na priporočila dveh institucij, t.j. WHO (World Health Organization - Svetovna zdravstvena organizacija) in ICNIRP (International Comission on Non-Ionizing Radiation Protection - Mednarodna komisija za zaščito pred neioniziranim sevanjem). Posebej aktivni na tem področju so še v IEEE in v evropski standardizaciji. 13.3.1 Slovenski predpisi Uredba o elektromagnetnem sevanju v naravnem življenjskem okolju (Uradni li st R S, št . 70/ 96). Ta uredba določa v zvezi z elektromagnetnim sevanjem* v okolju (v nadaljnjem besedilu: sevanje) mejne vrednosti veličin elektromagnetnega polja v okolju, stopnje varstva pred sevanjem v posameznih območjih naravnega in življenjskega okolja, način določanja in vrednotenja obremenitve okolja zaradi sevanja ter ukrepe za zmanjševanje in preprečevanje čezmernega sevanja. Uredba opisuje vse pojme v zvezi s sevanjem. Za vire sevanja imenuje transformator, razdelilno transformatorsko postajo, nadzemni ali podzemni vod za prenos električne energije, odprt oddajni sistem za 435 brezžično komunikacijo, radijski ali televizijski oddajnik, radar ali druga naprava ali objekt, katerega uporaba obremenjuje okolje z: • nizkofrekvenčnim elektromagnetnim sevanjem od 0 Hz do vključno 10 kHz (nizkofrekvenčni vir sevanja) in je nazivna napetost, pri kateri vir sevanja obratuje, večja kot 1 kV ali • visokofrekvenčnim elektromagnetnim sevanjem od 10 kHz do vključno 300 GHz in je njegova največja oddajna moč večja od 100 W (visokofrekvenčni vir sevanja). Uredba nadalje deli glede na občutljivost naravnega in življenjskega okolja (območje) v I. in II. stopnjo. V I. območje spadajo predeli, ki potrebujejo povečano varstvo pred sevanjem: bolnišnice, zdravilišča ipd., površine za rekreacijo, javni parki ipd., poslovno-stanovanjsko območje, skratka območja, kjer se ljudje trajno zadržujejo. V II. območje spadajo območja, kjer se ljudje ne zadržujejo trajno, ampak le občasno, to so industrijske in obrtne cone, transportne poti, skladišča, servisi in vsa tisti predeli, ki v niso zajeta v I. območju. V nadaljnjem vsebuje uredba vse mejne dopustne vrednosti tako za nizkofrekvenčno, kot visokofrekvenčno sevanje, vključno z impulznim EM poljem za I. in II. območje. Kontrolirajo se: električno E (V/m) polje, magnetna H (A/m) poljska jakost in gostota pretoka moči S (W/m2). Opisano je tudi določanje in vrednotenje obremenitve s sevanjem, ukrepi za zmanjšanje sevanja, nadzor in kazenske določbe. Praviloma se vse vrednosti merijo, mogoče pa je v določenih primerih uporabiti tudi računske postopke, ki jih predpiše minister. Če primerjamo obremenitve s sevanjem med I. in II. območjem, so vrednosti večinoma v I. območju za faktorje med 3,2 in 10 nižje. Pravilnik o p rvih meritvah in ob ratovalnem monitoringu z a v ire elektromagnetnega sevanja t er o p ogojih z a n jegovo izvajanje ( Uradni list RS, št. 70/96). Ta pravilnik določa vrste veličin EM polja, ki so predmet prvih meritev in obratovalnega monitoringa EM sevanja v okolju kot posledica uporabe ali obratovanja vira sevanja, metodologijo merjenja veličin, vsebino poročila o prvih meritvah in obratovalnem monitoringu ter način in obliko sporočanja podatkov ministrstvu, pristojnem za varstvo okolja. Pravilnik določa tudi pogoje, ki jih mora izpolnjevati oseba (izvajalec), ki izvaja prve meritve ali obratovalni monitoring. Pri opisovanju metodologije merjenja veličin EM polja pa nas zakonodajalec napoti pri meritvah nizkofrekvenčnega polja na načine, ki so določeni v standardu SIST ENV 50166 in v tehnični specifikaciji IEEE Std. 644-1987, pri visokofrekvenčnem EM polju pa na standard SIST ENV 50166-2 in tehnično specifikacijo IEEE Std. C95.3-1991. 436 13.3.2 Evropski predpisi SIST E NV 5 0166-1 H uman e xposure t o e lectromagnetic f ields. L owfrequency (0 Hz to 10 kHz), CENELEC January 1995. Ta evropski standard je torej prevzeti standard za potrebe na področju RS, vendar le za načine meritev nizkofrekvenčnega polja, ne pa tudi za mejne vrednosti in vrste EM veličin. Standard deli učinke EM polja na direktne in indirektne. Direktni učinki so tisti, ki rezultirajo iz direktne povezave električnega ali magnetnega polja na človeško telo. Tako električno polje inducira površinske naboje na izpostavljeno telo, kar lahko povzroča ščemenje kože, gibanje dlak, oz. las in manjše praznitve k oblačilom. Močno enosmerno polje lahko povzroči slabost ali vrtoglavico. Izmenično električno ali magnetno polje povzroča inducirane tokove v telesu, ki vplivajo na živčevje in tkiva. Indirektni učinki so tisti, ko električno ali magnetno polje vpliva na druge objekte in ti delujejo na organizem. Npr. dotik kovinskih predmetov v katerih se inducirajo električne napetosti lahko požene skozi telo tokove, ki imajo lahko usodne posledice. Mejne vrednosti so različne za delavce in splošno prebivalstvo. Pri delavcih na delovnih mestih so razlike še v tem ali sevanje deluje na glavo in osrednje telo ali na okončine. Standard predpisuje mejne in referenčne vrednosti ter meritve gostote induciranega toka (mA/m2) in toka dotika (mA), seveda za delavce in splošno prebivalstvo različno (razlika je približno za faktor 2,5) ter električno polje E (kV/m) in magnetno polje B (T). Tudi tu so razlike med delavci in splošnim prebivalstvom (od 2 do 50 krat), s tem, da je pri delavcih čas obsevanja omejen in sicer odvisno od velikosti polja. SIST E NV 501 66-2 H uman e xposure t o e lectromagnetic f ields. H igh frequency ( 10 k Hz t o 300 GHz), CE NELEC J anuary 1995. Ta evropski standard je torej prevzeti standard za potrebe na področju RS, vendar le za načine meritev visokofrekvenčnega polja, ne pa tudi za mejne vrednosti in vrste EM veličin. Standard najprej podrobno opisuje strokovne izraze z oznakami in definicije. Tudi ta uporablja enako delitev na delavce in splošno prebivalstvo. Normativi so določeni za gostoto toka J (mA/m2) za frekvenčno področje od 10 kHz - 10 MHz, SAR (W/kg), SA (mJ/kg), E (kV/m), H (A/m) in S (W/m2). V homogenem polju direktna meritev S ni potrebna, saj jo lahko izračunamo po enačbi S = E⋅H = E2/377 = 377 H2 (pri frekvencah nad 300 MHz računamo moč samo z meritvijo E). Tudi tu so razlike med obsevanjem delavcev in splošnim prebivalstvom znatne (1,7 - 5 krat) in izpostavljenosti različnim delom telesa in različnih časov. Merilne metode, merilna oprema so v tem standardu podrobneje opisane. Če so meritve oddaljenih virov sevanja (oddaljena polja) dokaj preproste (ob upoštevanju zahtevanih lastnosti merilnih inštrumentov), pa so meritve v bližini izvora (bližinska polja) nekaj čisto drugega. Tu si lahko pomagamo samo z 437 induciranimi polji in absorpcijo energije v tkivu. Probleme rešujemo ali računsko ali z dozimetričnimi postopki in fantomi. Ta standard se nagiba bolj k računskim metodam, saj je po njem izdelava fantomskih modelov preveč nezanesljiva in imajo rezultati velika odstopanja. Tiste veličine, ki so vektorske je potrebno tudi tako izmeriti. Če je več izvorov sevanja, je potrebno efektivno vektorsko upoštevati vse tiste, ki sevajo vsaj z jakostjo večjo od 30% dovoljene. Normirati in sešteti je potrebno vse, ki lahko pridejo v poštev. Njihova normirana vsota mora biti manj kot 1. Večina meritev bazira na meritvi poljske jakosti in S. 13.3.3 Primerjava med slovenskimi in evropskimi standardi Primerjava ustreznih dokumentov slovenske in evropske standardizacije kaže nekatere bistvene razlike: • slovenska Uredba v primeru nizkofrekvenčnega vira sevanja v primerjavi z evropskim standardom ne kontrolira niti induciranih niti kontaktnih tokov, • slovenska Uredba ne vsebuje normativov za SA in SAR za visokofrekvenčno področje in torej ne opravlja kontrole sevanja iz bližnjih objektov, npr. mobilnikov, tega pa tudi ne prevzema po evropskih normativih, • slovenska Uredba deli dovoljene intenzivnosti sevanja na I. in II. območje, medtem, ko evropski standardi določajo različne obremenitve za delavce, industrijo (workers) za splošno prebivalstvo (general public). Na prvi pogled je to morda isto, saj so v slovenskem II. območju mišljeni proizvodni objekti. Vendar je v praksi verjetno vprašljivo, kako kategorizirati mešana področja, • primerjava mejnih vrednosti je težko izvedljiva, saj pri frekvenčnih območjih ni popolne skladnosti, enako je tudi med kategorijami objektov obsevanja. Pa vendar, če vzamemo, da je I. območje pri nas enako kot evropsko za splošno prebivalstvo in II. območje kot za delavce, potem ugotovimo, da je slovenska zakonodaja mnogo strožja od evropske. Največje razlike so na nizkofrekvenčnem področju, kjer najdemo razmerja od 2,5 do 20, največkrat je faktor 10. Nekoliko manjše razlike so na visokofrekvenčnem področju in I. območju, kjer zahteva slovenska zakonodaja pri E in H za faktor 3,17 manjše dovoljene vrednosti pri S pa celo 10-krat manjšo gostoto pretoka moči. Pri II. območju so razlike za E in H 2,5, za S pa 5-krat. Po izjavah odgovornih, naj bi slovenske bazne postaje dejansko sevale toliko manj. Ne glede na slovenske normative in želji po čim manj EM pa se bomo morali slej ko prej prilagoditi evropski zakonodaji tudi na tem področju. Strnjen pregled nudi naslednja tabela (WHO = ICNIRP): 438 Tabela 13.2: Poenostavljena primerjava nekaterih dovoljenih vrednosti EM polja Evropska močnostna frekvenca Frekvenca Veličina Splošno prebivalstvo I. območje Delavci II. območje 50 Hz Frekvence baznih postaj mobilne telefonije 50 Hz 900 MHz 1,8 GHz 2,45 GHz 2 E (kV/m) B (mT) S (W/m ) S (W/m ) S (W/m2) 5 10 0,5 10 301 10 0,1 0,64 0,01 0,5 1,6 0,1 4,5 4,5 0,45 22,5 22,5 4,5 9 9 0,9 45 45 9 10 WHO EU SLO WHO EU SLO 2 Frekvenca Mikrovalovnih pečic Opomba: zgornja tabela prikazuje poenostavljene razmere. 13.3.4 Standardi IEEE IEEE Std 644-1994 IEEE Standard Procedures for Measuremen of Power Frequency Electric and Magnetic Fields From AC Power Lines Ta standard je dopolnitev slovenske Uredbe in tudi evropskega ENV 50166-1, vendar le za delovne frekvence 50 ali 60 Hz. V njem so zelo podrobni opisi merilnih postopkov, kalibracije, senzorjev ipd., kar v zgoraj navedenih standardih manjka. IEEE S td C95.1, 19 99 Edition IE EE Standard f or Safety Levels wit h Respect to Human Exposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields, 3 kHz to 300 GHz (ni prevzet v slovenskem pravilniku). Ta standard vsebuje normativne vrednosti in način meritev E, H, S, SAR, inducirane tokove za vse veličine, ki jih opazujemo. Vrednosti so različne za kontrolirano in nekontrolirano okolje (podobno kot slovenski). Metodologija je nekoliko drugačna kot pri slovenski Uredbi ali EVN, tako da primerjava ni povsem enostavna. Po prvih primerjavah se dovoljene vrednosti enake kot pri evropskih normativih, torej so slovenski normativi nekaj posebnega. Podrobnejša študija bi pokazala na kvantitativne razlike. IEEE Std C95.3-1991 IEEE Recommended Practice for the Measurement of Potentially Hazardous Electromagnetic Fields-RF and Microwave Tudi ta standard je dopolnilo naši Uredbi in obema evropskima standardoma na frekvenčnem področju 3 kHz do 300 GHz za stresana in bližnja polja vključno s SAR, v bioloških tkivih, inducirane in kontaktne tokove v zvezi izpostavljenosti EM polju z meritvijo parametrov. Zato vsebujejo ta priporočila opis konceptov, tehnik in instrumentacije, ki jo lahko uporabimo za določitev teh veličin. Ta priporočena navodila so prvenstveno namenjena inženirjem, biologom in ostalim specialistom, ki poznajo teorijo in prakso EM polja ter potencialne poškodbe, ki iz tega izhajajo. 439 DODATEK A MODULARNA ARITMETIKA Modularna aritmetika računa s števili, ki ne morejo biti večja od najvišjega določena z vrednostjo modula. Vsi računi v modularni aritmetiki se na nek način »vrtijo v krogih«, saj ko presežemo vrednost ki je določena z modulom začnemo zopet od začetka. Modularna aritmetika je delo Karla Fridriha Gausa, ki jo je objavil v svojem delu Disquisitiones Arithmeticae, leta 1801. Najbolj znan primer uporabe modularne aritmetike je merjenje časa. Ura meri čas na cele ure od 00:00 do 23:00, tako da vmes preteče 24 celih ur. Po preteku 24 ur meri ura čas od začetka, kar pomeni da je v tem primeru vrednost modula 24. Na preprostem primeru bi to izgledalo takole. Služba se vam začne ob 8:00, delati morate 8 ur to je do 16:00. Do tu vse lepo in prav. V primeru nočne izmene začnete z delom ob 22:00 uri in če morete delati 8 ur pomeni da delate do 30:00 ?? Rezultat seveda ni pravilen, saj smo presegli vrednost modula, ki je v našem primeru 24. Delati morate do 6:00. Matematično bi zgornji primer zapisali: 30 ≡ 6 mod(24) Zgornji matematični zapis imenujemo kongruenca in ga v splošnem lahko zapisali s celimi števili a, b in n a mod(n ) = b mod(n ) ali poenostavljeno a ≡ b mod(n ) A.1 Zapis preberemo: » a je kongruentno z b po modulu n «. Zapis A.1 je matematično pravilen, če obstaja celo število q tako da velja enačba: a =b + q ⋅ n A.2 Pravilnost enačbe A.1 lahko dokažemo tudi z deljenjem, pri čemer morata imeti a n in b n isti ostanek pri deljenju. Rešitev kongruence A.1 je v bistvu rešitev enačbe z eno neznanko A.2. 440 Lastnosti modularne algebre so: Ekvivalentnost Refleksivnost Simetričnost Tranzitivnost a ≡ b mod(0 ) → a = b a ≡ a mod(n ) a ≡ b mod(n ) → b ≡ a mod(n ) a ≡ b mod(n ) in b ≡ c mod(n ) → a ≡ c mod(n ) Računanje v modularni algebri Komutativnost: (a + b ) mod(n )= (b + a )mod(n ) Asociativnost: [a + (b + c )] mod(n )= [(a + b ) + c] mod(n ) Distributivnost: [a ⋅ (b + c )] mod(n )= [(a ⋅ b ) + (a ⋅ c )] mod(n ) Identičnost: (0 + a ) mod(n )= a mod(n ) (1⋅ a ) mod(n )= a mod(n ) Seštevanje in odštevanje kongruenc: [a mod(n ) + b mod(n )]mod(n ) = (a + b ) mod(n ) [a mod(n ) − b mod(n )]mod(n ) = (a − b ) mod(n ) Množenje kongruenc: [a mod(n )⋅ b mod(n )]mod(n ) = (a ⋅ b ) mod(n ) 441 Množenje kongruenc z naravnim številom z : a mod(n ) = b mod(n ) → z ⋅ a mod(n ) = z ⋅ b mod(n ) Potenciranje kongruenc z naravnim številom m : a mod(n ) = b mod(n ) → a m mod(n ) = b m mod(n ) Računanje kongruenc z inverznimi vrednostmi: a ≡ b −1 mod(n ) → a ⋅ b ≡ 1 mod(n ) pri gcd (a, n ) = 1 gcd (a, n ) je skupni delitelj števil a in n Inverzne vrednosti ni mogoče neposredno izračunati. Lahko jo izračunamo posredno s pomočjo Evklidovega algoritma, ki se našem primeru glasi: a ⋅b+ y ⋅ n = 1 Evklidov algoritem je enačba z dvema neznankama, neznanko a, ki jo želimo izračunati in predstavlja inverzno vrednost ter neznanko y, ki sama po sebi ne predstavlja ničesar, potrebna je le za pravilni izračun enačbe. Primeri računov: 1. primer 30 mod(24) = ? 30 : 24 = 1 ost 6 30 mod(24) = 6 mod(24) rešitev je ostanek pri deljenju → 30 ≡ 6 mod(24) Grafična rešitev je prikazana na sliki na naslednji strani. 442 2. primer [30 mod(24) + 6 mod(24)]mod(24) = ? [a mod(n ) + b mod(n )]mod(n ) = (a + b ) mod(n ) → [30 mod(24) + 6 mod(24)]mod(24) = 36 mod(24) 36 : 24 = 1 ost 12 36 mod(24) = 12 mod(24) 3. primer a ≡ 37 −1 mod(40) a =? a ⋅b+ y ⋅ n = 1 → a ⋅ 37 + y ⋅ 40 = 1 enačbo rešimo s poskušanjem 13 ⋅ 37 + (− 12) ⋅ 40 = 1 → a =13 Algoritem za izračun gornje enačbe je ne naslovu: http://banach.millersville.edu/~bob/math478/ExtendedEuclideanAlgorithmApplet.html 443 4. primer Primer šifriranja in dešifriranja z RSA algoritmom Izberimo dve praštevili p = 61 in p = 53 Izračunamo N = p⋅q → N = 61 ⋅ 53 = 3233 Izračunamo ( p − 1) ⋅ (q − 1) (61 − 1) ⋅ (53 − 1) = 3120 Izberemo e > 1 tako da mina skupnega delitelja z ( p − 1) ⋅ (q − 1) e = 17 Izračunajmo eksponet tajnega ključa d ≡ e1 mod(( p − 1) ⋅ (q − 1)) d = 2753 2753 ⋅17 + (− 15) ⋅ 3120 = 1 Javni ključ je (n = 3233, e = 17) c ≡ m e mod(n ) , Privatni ključ je (n = 3233, d = 2753) m ≡ c d mod(n ) c je številčna vrednost, ki predstavlja črko šifriranega besedila m je številčna vrednost, ki predstavlja črko odprtega besedila 444 VIRI L. V odovnik, S . R eberšek. Uvod v digitalno t ehniko, L jubljana, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, 1987. D. Kodek. Mikroprocesorski sistemi, Ljubljana, BI-TIM, d.o.o., 1993 V. P inter. Osnove e lektrotehnike 1 in 2 , Za greb, Te hniška kn jiga Zagreb, 1980. M. Podberšič. Napajanje t er E MC, Zb ornik ER K’99, P ortorož, Slovenska sekcija IEEE, 1999. H. William, P. Charles. Limit noise in designs using advanced CMOS logic, EDN magazine, str. 215 - 226, November 9, 1989. A. Wedam. Radiotehnika, Ljubljana, DZS, 1955. V. Ko rošec. ADSL sp lošni p regled, D iplomsko delo, L jubljana, Univerza v Ljubljani, FE, 1999. M. Brad aško. Tehnologije računalniških omrežij – gradivo z a seminar, Ljubljana, NIL, 1992. A. Jagoda & M. de Villepin. Mobile C ommunicationes. P aris, F rance, Dauphine University, 1993. J. D . G ibson. The mobile c ommunications h andbook, D allas, T exas, ZDA, Sauthern Methodist University Dallas, 1999. Ž. Čučej. Komunikacije v sistemih daljinskega vodenja – prva knjiga, osnove podatkovnih komunikacij, M aribor, Un iverza v Mariboru, F ERI, 2002. I. Vidav. Višja matematika I, Ljubljana, DZS, 1981. I. Vidav. Višja matematika II, Ljubljana, DZS, 1981. B. Tavčar. Model za izračun oddaljenosti istokanalnih celic v celičnih radijskih omrežjih, Zbornik ERK’00, Portorož: Slovenska sekcija IEEE, 2000. 445 M. Štular, A. Umek, S. Leonardis. Tehnologija dostopovnih omrežij v informacijsko povezani družbi, Elektrotehniška zveza Slovenije, 2000. J. M . H ernando, F . P erez-Fontan. Intoduction t o M obile Communication Enggineering, Artech House Publishers, 1999. S. T abbane. Handbook of M obile R adio N etworks, Ar tech Hou se Publishers, 2000. N. Blaunstein. Radio Propagation in Celular Networks, Artech House Publishers, 2000. J. Dunlop, D. Grima, J Irvine. Digital Mobile Communications and the TETRA Systems, Wiley, 2000. L. Gyergyek. Signali in statistične metode, Fakulteta za elektrotehniko v Ljubljani, 1987. P. Š uhel. Operacijski ojačevalnik, F akulteta z a e lektrotehniko v Ljubljani, 1979. J. Budin. Optične komunikacije, Fakulteta za elektrotehniko v Ljubljani, 1997. W. F. Lieske. Intermod Control, Wiesner Book Company, 1984 D. Bodanis. E=mc2 življenjepis najslavnejše enačbe na svetu, Učila International, 2004 Wikipedia. Maxwellove enačbe, http://sl.wikipedia.org, 2005 Wikipedia. Elektromagnetno valovanje, http://sl.wikipedia.org, 2005 Wikipedia. Kvantna Mehanika, http://sl.wikipedia.org, 2005 A. U mek. Lastnosti žičnega kanala in prenosna kapaciteta, Fakulteta za elektrotehniko, Univerza v Ljubljani A. Ko s. Prenos go vora preko podatkovnih om režij, magistrsko de lo, Ljubljana, marec 1998 446 M. Štular. Mobilne komunikacije v S loveniji in razvoj v p rihodnjem obdobju, Zbornik 10. delavnice VITEL, maj 2000 S. Tomažič. Tehnike prenosa v dostopovnih om režjih, F akulteta z a elektrotehniko, Univerza v Ljubljani S. Tomažič. Varne ko munikacije p reko i nterneta, F akuleteta z a elektrotehniko, Univerza v Ljubljani S. Tomažič. Varnost v telekomunikacijah in kako jo zagotoviti, Fakuleteta za elektrotehniko, Univerza v Ljubljani B. Tavčar. Varnost v z asebnih sistemih r adijskih zvez, Zbornik 14. delavnice VITEL, maj 2003 B. Greene. Čudovito vesolje, Učila, 1999, ISBN 961-233-621-0 B. Greene. Tkanina vesolja, Učila, 2004, ISBN 961-233-745-4 Kvarkadabra. www.kvarkadabra.net/index.html?/vesolje/teksti/ relativnost_posebna.htm, 2006 Kvarkadabra. www.kvarkadabra.net/index.html?/vesolje/teksti/ relativnost_splosna.htm, 2006 Kvarkadabra. www.kvarkadabra.net/index.html?/vprasanja/teksti/ gravit_val.htm, 2006 Kvarkadabra. www.kvarkadabra.net/index.html?/snov/teksti/skrivnost ni_svet_kvantov.htm, 2000 Kvarkadabra. www.kvarkadabra.net/index.html?/snov/teksti/kvantna_ mehanika.htm, 2000 J. Visočnik. Gravitacijski va lovi in detekcija gr avitacijskih valo v, Seminar – mentor dr. Robert Blinc, november 2005 V. M atko. Prvo poročilo za projekt: Raziskava elektromagnetnega sevanja radijskih telekomunikacijskih sistemov in postopki človeka pri ra vnanju s t emi n apravami, U niverza v M ariboru, F akulteta z a elektrotehniko, računalništvo in informatiko, CRP Znanost za mir, 2006 447 P. Gajšek, D. Miklavčič. Vpliv n eionizirnih e lektromagnetnih sevanj na b iološke si steme, Un iverza v Lj ubljani, F akulteta z a e lektrotehniko, Ljublajana, 1999. P. W. Shor. Polynomial-Time Algorithms for Prime Factorization and Discrete Logarithms on a Quantum Computer, 1996 John Ke nnedy, Modular Ar ithmetic For RS A Cr yptography, S anta Monica College, What did the Germans do wrong, www.cromwell-intl.com/Security/ history/enigma.html A. J. Menezes, Paul C. van Oorschot, Scott A. Vanstone. Handbook o f Applied Cryptography, CRC Press, 1997, ISBN: 9780849385230 Coutinho, S. C. The M athematics of C iphers: Number T heory and RSA Cryptography. Wellesley, MA: A K Peters, 1999. A. I. M. R ae. Quantum Physics,Illusion or Reality?, 2nd Edition, University of B irmingham,2004, I SBN-13: 978 0511227417, I SBN-10: 0511227418) S. Singh. Knjiga Šifer, Učila, 2003, ISBN 961-00-0097-5 D. Poljak. Kriptoanaliza, seminarski rad, sveučilište u zagrebu, fakultet elektrotehnike i računarstva, lipanj 2005 PGP, Version 6.0. An Introduction to Cryptography, 1998 RSA La boratories. Frequently A sked Q uestions A bout T oday’s Cryptography, version 3.0, 1996 A. Makarović, J. Kapković. Osnovi p rimopredajne t ehnike, Naučna knjiga Beograd, 1989, ISBN 86-23-4 2043-9 S. J. Lo monaco, Jr . A Q uick G lance at Q uantum C ryptography, University of Maryland Baltimore County, November, 1998 M. Žnidarič. Kvantna kriptografija II. - varna izmenjava ključa, julij 2007 448 B. Tavčar, A. Š. Tavčar. Organizacija radijskih zvez v predorih, Ujma, 2007, ISSN 0353-085X G. Lai. Analysis of Modular Inverse GF(p) Implementations, 2004 S. J amnik, Brezžična širokopasovna tehnologija WiMAX: d iplomska naloga v višješolskem strokovnem izobraževalnem programu, L jubljana, 2007 A. Rojko, Mehka logika, http://www.ro.feri.uni-mb.si/~andreja/Andreja/Poglavje3_1.pdf D. Strnad, Mehka logika, http://graph-srv.uni-mb.si/Damjan/Assets/vaja2.pdf Wikipedia. Mehka logika, http://sl.wikipedia.org/wiki/Mehka_logika A. Dobnikar, Nevronske mreže, teorija in aplikacije, Radovljica, 1990 U. Lotrič, Nevronske mreže in njihova uporaba v Savi, Obzornik, 1996 Wikipedija. Nevronske mreže, http://sl.wikipedia.org/wiki/Nevronska_ mre%C5%BEa T. E. Sowell, Fuzzy Logic for "Just Plain Folks", http://www.fuzzylogic.com/ch3.htm M. Podberšič, Algoritmi z a z manjšanje digitalnih p reklopnih motenj in izbiranje ustreznih filtrov EMI z meritvijo in frekvenčno analizo merilnih signalov v e lektronskih ve zjih, Doktorska diz ertacija, Univerza v Mariboru, Fakulteta za računalništvo in informatiko, Maribor, 2006 D. K odek, Arhitektura in organizacija računalniških sistemov, Ljubljana, BI-TIM, d.o.o., 2007. F. P erez F ontan, P. M arino E spinejra, Modeling t he Wi reless Propagation Channel, Wiley, 2008, ISBN 978-0-470-72785-0 (HB). J. D. Parsons, The Mobile Radio Propagation Channel, Wiley, 2000, ISBN 0-471-98857X. 449 Kazimierz Siw iak, Radiowave P ropagations an d A ntennas f or Professional Communications, Artech H ouse, 1995, IS BN-0-89006755-4 Johan S. Sey bold, Introduction t o R F P ropagation, W iley, 200 5, ISBN-13 978-0-471-65596-1, ISBN-10 0-471-65596-1. 450