Vhodno-izhodne naprave naprave 1 Uvod VIN - 1 2018, Igor Škraba, FRI
Vsebina 1 Uvod Signal električni signal Zvezni signal Diskretni signal Digitalni signal Lastnosti prenosnih medijev Slabljenje Pasovna širina Hitrost prenosa Šum Popačenje Karakteristična impedanca Z 0 Zakasnitev Vrste prenosnih medijev Električne povezave Optične povezave Brezžične povezave VIN - 1 2 2018 Igor Škraba, FRI
1 Signal električni signal Signal: je neka fizikalna veličina, ki se spreminja v odvisnosti od časa. Električni signal: običajno nas zanima napetost signala in kako se spreminja s časom. Zakaj? Ker sta stanji 0 in 1 predstavljeni z napetostjo signala (nizka 0V in visoka od 0,1V do 15V odvisno od tehnologije) u(t) [V] 0 t [s] VIN - 1 3 2018, Igor Škraba, FRI
Signal Signal: je neka fizikalna veličina, ki se spreminja v odvisnosti od časa. Električni signal: običajno nas zanima napetost signala in kako se spreminja s časom. Zakaj? Ker sta stanji 0 in 1 predstavljeni z napetostjo signala (nizka 0V in visoka od 0,1V do 15V odvisno od tehnologije) u(t) [V] VH min VL max 0 t [s] Napetostni pas za stanje 1 Napetostni pas za stanje 0 VIN - 1 4 2018, Igor Škraba, FRI
Signal Signal: je neka fizikalna veličina, ki se spreminja v odvisnosti od časa. Električni signal: običajno nas zanima napetost signala in kako se spreminja s časom. Zakaj? Ker sta stanji 0 in 1 predstavljeni z napetostjo signala (nizka 0V in visoka od 0,1V do 15V odvisno od tehnologije) u(t) [V] VH min VL max 0 Idealni digitalni signal t [s] Napetostni pas za stanje 1 Napetostni pas za stanje 0 VIN - 1 5 2018, Igor Škraba, FRI
Signal Lastnosti signala: npr. sinusni signal: x ( t ) A sin(2ft ) x(t): trenutna amplituda signala (velikost signala - npr. pri električnem signalu napetost signala u(t), ali tok i(t)) ob času t A: amplituda signala f: frekvenca signala (signal je periodičen, zato je f število period v sekundi) : faza (tudi fazni kot) premik signala glede na začetno stanje ali glede na drug signal u(t) u(t-) u(t) A u(t 1 ) u ( t 1) A sin(2f t 1) t 1 t perioda T = 1/f VIN - 1 6 2018, Igor Škraba, FRI
Signal Zvezni signal: Trenutna amplituda signala je definirana za vse vrednosti časa (t = zvezni čas). u(t) [V] u(t 1 ) u(t 2 ) u(t 3 ) 0 t 1 t 2 t 3 t [s] VIN - 1 7 2018, Igor Škraba, FRI
Signal Diskretni signal: Trenutna amplituda signala je definirana samo za določene vrednosti časa (n = celo število = diskretni čas) Vmes signal ni definiran (ni enak 0, temveč ne vemo kakšen je) u(n) [V] 0 1 2 3 4 5 6 7 n VIN - 1 8 2018, Igor Škraba, FRI
Signal Diskretni signal: Trenutna amplituda signala je definirana samo za določene vrednosti časa (n = celo število = diskretni čas) Vmes signal ni definiran (ni enak 0, temveč ne vemo kakšen je) u(n) [V] 0 1 2 3 4 5 6 7 n VIN - 1 9 2018, Igor Škraba, FRI
Signal Digitalni signal (idealni): Zvezni signal, ki po amplitudi zavzame samo dve vrednosti, ki predstavljata stanji 0 in 1 stanje 1 stanje 0 0 t [s] VIN - 1 10 2018, Igor Škraba, FRI
Signal Prednosti predstavitve podatkov v digitalni obliki? Digitalne podatke prenašamo preko prenosnih medijev: Na kratke razdalje kar v obliki pravokotnih (zveznih) napetostnih signalov Na večje razdalje digitalne informacije vtisnemo običajno na zvezni sinusni signal ( moduliramo zvezni sinusni signal) VIN - 1 11 2018, Igor Škraba, FRI
Prenosni mediji Vrste prenosnih medijev Električne povezave Optične povezave Brezžični medij VIN - 1 12 2018, Igor Škraba, FRI
2 Lastnosti prenosnih medijev Slabljenje signala (Attenuation) Pasovna širina (Bandwidth, frekvenčni pas, frekvenčni odziv) Hitrost prenosa Občutljivost na šum (Razmerje Signal/Šum, S/N = Signal-to-Noise Ratio) Popačenje Karakteristična impedanca Zakasnitev Cena VIN - 1 13 2018, Igor Škraba, FRI
Slabljenje Slabljenje: (Attenuation) se nanaša na zmanjšanje jakosti (slabljenje) signala pri prenosu na večje razdalje. Slabljenje narašča z razdaljo in s frekvenco signala. Slabljenje se podaja z logaritemskim razmerjem moči ali napetosti oddanega in sprejetega signala v decibelih. A[ db ] 10 log10 P P oddana sprejeta [ W ] [ W ] Razmerje moči U A[ db ] 20 log10 U oddana sprejeta [ V ] [ V ] Razmerje napetosti VIN - 1 14 2018, Igor Škraba, FRI
Pasovna širina Pasovna širina: (Bandwidth = B enota [Hz]) je v teoriji signalov in elektronskih komunikacijah frekvenčno območje, ki ga signali uporabljajo na določenem prenosnem mediju. B[Hz] = fmax fmin Pasovna širina signala je razlika med najvišjo frekvenco in najnižjo frekvenco komponent signala. Pasovna širina medija je razlika med najvišjo in najnižjo frekvenco, ki jo medij še lahko prenaša (- 3 db) VIN - 1 15 2018, Igor Škraba, FRI
Pasovna širina Pasovna širina: (Bandwidth, označimo z B) v računalništvu in računalniških komunikacijah je količina podatkov, ki se lahko prenesejo od ene do druge točke v določenem času. Enota je [biti/s = b/s], lahko tudi [bajti/s = B/s] ali [prenosi/s = T/s]. Pasovna širina se v računalništvu običajno uporablja kot sinonim za hitrost prenosa podatkov v bitih na sekundo (oziroma bitna hitrost). Vrsta povezave Pasovna širina (bitna hitrost) Klicni modem ADSL2+ Wi-Fi 802.11g Fast Ethernet Wi-Fi 802.11n Gigabit Ethernet USB 3.0 PCIe 2.0 (x16) 56Kb/s 24/1,1 Mb/s 54 Mb/s 100 Mb/s 600 Mb/s 1 Gb/s 5 Gb/s 64 Gb/s VIN - 1 16 2018, Igor Škraba, FRI
Šum Šum: je neželen električni signal, ki poslabša kvaliteto signala ali podatkov. Z imenom šum označujemo vse možne motilne vplive, ki se pojavijo na nekem prenosnem mediju in se dodajo koristnemu signalu. Razmerje Signal/Šum (Signal to Noise Ratio = S/N ali SNR) je logaritemsko razmerje med napetostjo signala in napetostjo šuma, ali med močjo signala in močjo šuma in se podaja v decibelih (db). U SNR[ db ] 20 log10 U signal šum [ V ] [ V ] Razmerje napetosti SNR[ db ] 10 log10 P signal P šum [ W ] [ W ] Razmerje moči VIN - 1 17 2018, Igor Škraba, FRI
Popačenje oblike Popačenje: Na obliko signala vpliva slabljenje, pasovna širina in šum. Samo sinusnemu signalu se pri prehodu skozi linearna vezja oblika ne spremeni (spremeni se lahko samo amplituda in faza). Pravokotni signal sestavljajo sinusne komponente višjih frekvenc kot pa je frekvenca pravokotnega signala. Primer: f = 100MHz tr = 1ns tr =1ns t =10ns Največja frekvenca, ki jo je pri prenosu še smiselno upoštevati je: f max 0,5 0,5 1 9 0,5 10 9 t r 1 10 s Hz 500MHz VIN - 1 18 2018, Igor Škraba, FRI
Pasovna širina Karakteristična impedanca Z 0 : impedanca (upornost), ki jo čuti signal, ko potuje po liniji. Definicija: Karakteristična impedanca Z 0 [ ] je vhodna impedanca neskončno dolge linije. Vrsta linije Koaksialni kabel UTP kabel Cat 5e USB kabel VGA kabel HDMI kabel PCIe kabel Linije na tiskanem vezju Karakteristčna impedanca 50 ali 75 100 15 90 15 75 15 95 15 85 15 50 120 VIN - 1 19 2018, Igor Škraba, FRI
Pasovna širina Zakasnitev [ns/m]: je čas v katerem signal prepotuje razdaljo 1m. Teoretična hitrost električnega signala je enaka svetlobni hitrosti to je 300 000 km/s = 3 10 8 m/s. Signal bi s to hitrostjo prepotoval razdaljo 1m v času 3,3 ns. Resnična hitrost je odvisna od vrste povezave in je približno 2/3 svetlobne hitrosti. Vrsta linije Koaksialni kabel UTP kabel Cat 5e Linije na tiskanem vezju Zakasnitev < 5 ns/m 5,3 ns/m 5 7 ns/m VIN - 1 20 2018, Igor Škraba, FRI
Grafična predstavitev signalov ali 1 0 Signal je stabilen Signal se spreminja iz stanja 0 v stanje 1 Signal se spreminja iz stanja 1 v stanje 0 D0 - D31 npr. 0x0000F02B Predstavitev skupine signalov npr. na podatkovnih linijah Vsaka od linij je lahko v stanju 0 ali 1 Vse linije so odklopljene - tretje stanje (Hi-Z izhod) VIN - 1 21 2018, Igor Škraba, FRI
Grafična predstavitev signalov urin signal Urin signal - periodičen pravokoten signal T1 T2 Tn Ura t =10ns Perioda - cikel 1 sekunda Pri f = 100 MHz je v 1 sekundi 100.000.000 period Frekvenca periodičnega signala f = število period (ciklov) v 1 sekundi Enota za frekvenco je Hertz (Hz) : 1 Hz = 1 perioda/s = 1 s -1 Čas trajanja ene periode t = 1 / f Primer: f = 100 MHz 1 6 1 1 t 0,01 10 s 0,01s 10ns f 100MHz 6 1 100 10 s RA - 10 22 2018, Igor Škraba, FRI
Grafična predstavitev signalov Uporaba urinega signala Signali se spreminjajo Signali so stabilni Signali se spreminjajo D0 - D31 Urin signal Signali na D0 D31 se preberejo npr. ob prvi pozitivni fronti ure po vzpostavitvi stabilnega stanja na D0 - D31 VIN - 1 23 2018, Igor Škraba, FRI
3 Vrste prenosnih medijev Električne povezave Optične povezave Brezžične povezave VIN - 1 24 2018, Igor Škraba, FRI
Električne povezave Električna povezava: 2 žici (sklenjen tokokrog) najpogosteje bakreni Najpogostejše oblike električnih povezav: Ploščati kabel (dve ali več vzporednih žic) Parica (twisted pair prepleteni žici)) Koaksialni kabel Povezave na tiskanem vezju Ploščati kabel Neoklopljena parica Koaksialni kabel Bakreni vodnik Izolacija Pleten zunanji vodnik Plašč Linije na tiskanem vezju VIN - 1 25 2018, Igor Škraba, FRI
Električne povezave Primer lastnosti električnih linij: Parica UTP Cat 5e (Unshielded Twisted Pair) Frekvenčni pas: do 100MHz Slabljenje pri f = 1MHz 1,8 db/100m pri f = 100 MHz 20,7 db/100m Hitrost prenosa 100 Mb/s Karakteristična impedanca Z 0 = 100 ± 15 Zakasnitev = 5,3 ns/m https://web.archive.org/web/20120316111058/http://communications.draka. com/sites/eu/datasheets/supercat5_24_u_utp_install.pdf VIN - 1 26 2018, Igor Škraba, FRI
125m Optične povezave Optične povezave - optični vodniki Zelo čisto kremenčevo steklo, na krajše razdalje tudi plastika Standardni premer: sredica (jedro) z oblogo 125μm Primarna zaščita Sekundarna zaščita Svetloba z valovno dolžino 850 nm na krajše razdalje in 1300 nm na daljše Zgradba optičnega kabla Jedro Obloga Plašč Ojačitev Plašč kabla VIN - 1 27 2018, Igor Škraba, FRI
Optične povezave Multimode Mnogorodovno optično vlakno Stopničast profil lomnega količnika Nestandardiziran premer sredice Gradientni profil lomnega količnika Single mode Enorodovno optično vlakno VIN - 1 28 2018, Igor Škraba, FRI
Single mode Multimode Optične povezave Jedro Obloga Plašč Ojačitev Plašč kabla Lomni količnik Vhodni signal Izhodni signal VIN - 1 29 2018, Igor Škraba, FRI
Optične povezave Multimode optični kabel s stopničastim lomnim količnikom. Rumeni žarek zaradi prevelikega vstopnega kota uide iz kabla Multimode optični kabel z gradientnim (zvezno spreminjajočim) lomnim količnikom. Singlemode optični kabel VIN - 1 30 2018, Igor Škraba, FRI
Brezžične povezave On uporablja WLAN VIN - 1 31 2018, Igor Škraba, FRI
Brezžične povezave Signali se po brezžičnem mediju razširjajo z elektromagnetnim valovanjem. Elektromagnetni valovi različnih frekvenc (različnih valovnih dolžin) imajo različne lastnosti razširjanja. Višja kot je frekvenca valovanja (krajša valovna dolžina) manjši je obseg pokritosti s signalom pri enaki moči oddajnika. Elektromagnetni signali so podvrženi atmosferskim vplivom in vplivom okolja. Nižja frekvenca signala Višja frekvenca signala Manjša hitrost - večji domet 2,4 GHz 5 GHz Večja hitrost - manjši domet VIN - 1 32 2018, Igor Škraba, FRI
Brezžične povezave Elektromagnetno valovanje področja uporabe različnih frekvenc Koaksialni kabel Optični kabel UTP TV Satelitske kom. AM FM Mikrovalovne kom. 10 4 10 6 10 8 10 10 10 12 10 14 frekvenca [Hz] 10 KHz 1 MHz 100 MHz 10 GHz 1 THz 100THz Radijski valovi Mikrovalovi IR Svetloba UV Infra Rdeča Ultra Vijolična 2,4 GHz in 5 GHz frekvenca 430 THz Vidna svetloba 790 THz valovna dolžina 700 nm 400 nm VIN - 1 33 2018, Igor Škraba, FRI