Villamosságtan | Felsőoktatás » Kiss Domokos - Mérő automatika rendszerek

Mérö automatika rendszerek 2010 Vizsga Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga összeállította: Esztergár-Kiss Domokos -2- Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga Bevezetés: • komplex rendszerek, magas minőségi követelmények – kalibráció és tesztelés új módjai, nem a költséghatékonyság a legfontosabb; új ötletek, új kombinációk; • konvergencia: méréstech/híradástech: VISA (= Virtual Instrument Software Architecture)/OSI (= Open System Interconnenction), virtuális műszerek/SDR (= Software Defined Radio), rekonfigurálható rendszer/kognitív rádió, többmagos processzálás/ többmagos processzálás;; • digitális kommunikáció: információ- source encoder (adattömörítő encoderadattitkosító encoder)- csatornakódoló- modulátor ~ csatorna ~ demodulátorcsatornadekódoló- (source decoder (adattitkosító dekódoló, adattömörítő dekódoló); SE: redundanciát csökkent, CE: redundanciát ad;; • rétegzett

felépítés: o OSI modell: alkalmazási, megjelenési, viszonylati, szállítási, hálózati, adatkapcsolati, fizikai réteg; SAP (= Service Access Point), becsomagolás (packing): header, PDU (= Protocol Data Unit), footer; mindegy, hogy kábelen, WiFI-n v GPIB-n megy;; o VISA: application (user interface, processing, instrument drivers), command (common, standard, specific commands), communication (IEEE 488.2), data link+physical layer (serial: RS 232, GPIB, VXIbus);; • • • • analóg jel: zajt nem lehet kiszedni; digitális jel: nincs zaj, amíg nem lépi át a döntési küszöböt, de hiba, ha átlépi; minél nagyobb mintavételi fr, annál egyszerűbb szűrő; parazita kap miatt mindig aluláteresztő szűrő; jelek ált sáváteresztőek; időtart: integrálás, átlagolás  frtart: aluláteresztés;; műveleti sorrend: préselés (fröccsöntött műa házat lemezházba), paszta és fedelező (adagolni pasztát, szerelt fedelet a műa házba), melegelnyomó

(rögzítés), tömörség ellenőrzés (tömítőgyűrű felrakása);;; -3- Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga Nyomonkövethetőség: • trace rendszer: gyártási folyamat minden lépése teljesen dokumentált, adatbázisból visszakereshető;; • traceability: egymást követő gyártási lépések során termékek azonosítása, ell; ; • QP (= Quality Pass): átment teszten, de nem követhető vissza;; • magasabb kategóriás termékek (pl: BMW, NI); ha made in china, akkor a vevők tesztelik és visszaküldik;; • elemei: adatok, időrend, fázisok közti összefüggések elmentése;; • jellemzői: nyomonkövető/adatgyűjtő rendszer: online döntés/batch működés (időközönként, automatikusan); kétirányú kommunikáció+kontroll/másodlagos szerep; válaszidő/ nincs válaszidő; SW állapotgépek/puffer; nem vezérlő, csak felügyel/nincs kontroll; szinkronitás probléma/nincs állapotgép;; • munkaállomás: logikai egység (SW); munkahely:

fizikai gép (HW);; • követelménye: o folyamatközi ellenőrzés és validálás; o hibás termék nem kerülhet következő munkahelyre, ki a gyártósorrólblokkolás, elkülönítés; o gyártásközi adatok elmentése, 10 évre visszamenőleg visszakereshetőség; o termékanalízishez szükséges elemzési adatok szolgáltatása;; • munkafolyamat: workplace- jó? i: tovább, n: barcode- out item store- analízisjavítható? i: vissza, n: scrap; azonosításhoz leolvassa a kódot (barcode), lekérdezi adatokat; ha nem jó, addig blokkolja munkahelyet, amíg megérkezik a kieső darab a tárolójába;; -4- Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga • munkaállomás: vonalkód olvasás- adatbázis lekérdezés- engedélyezés? n: riasztásmunkaáll letiltása- termék kivétele- adatbázis frissítése- munkaáll indítása; i: cselekvés- mérés- jó? i: adatbázis frissítése (átment, mérési adatok), n: riasztás;; • nyomonkövethető rendszer felépítése:

workplace1, 2, 3, . – wokplace controller1, 2, 3, . – workflow controller- SQL- archiver- server- reports; workflow control-ból: individual process stations; workflow controlból: monitoring controlling- monitoring és SAP interface; o követelmények: elosztott, kétszintű adatbázis (folyamatvezérlés, adattárház), online monitorozás, management riportok készítése; o jogosultságok: gyártói, kiesett darabok javítása, folyamatvezérlés, management riportok késztése, hozzáférés adatbázishoz;;; -5- Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga HW és folyamat oldali tervezés: • folyamatfelügyelő rendszerek követelményei: o belső adatstruktúra tükrözze teljes munkafolyamatot, o minden darabot nyilvántartani (munkafázisok, teszteredmények), o munkahelyek duplikálhatósága, o kiesett és selejt darabok nyilvántartása, o beavatkozások nyilvántartása, o többszintű jogosultságok kezelése, o grafikus folyamatmegjelenítés és beavatkozási

lehetőség, o egyszerű grafikus konfigurálhatóság, o folyamatos átállás több terméktípus gyártása között;; • jogosultságok kezelése: o típusai: operátor (gyártási), karbantartói, technológusi (folyamatfelügyelő); o jogosultságok kiadása: csak magasabb jogosultsággal rendelkező, naplózni kell, személyi azonosítót is kiadnak;; • munkahely: PC/PLC (= Programmable Logic Controller) és vezérlőSW, szolgáltat és lekér adatokat a rendszertől; o üzemmódjai: normál (gyártás), egyedi mérés (kiesett darab ellenőrzése), hitelesítés (gyártás előtt); o adatstruktúrája: munkadarab, mérések elfogadási adatai, mért adatok; o kezelői felülete: egyértelmű (nagy gombok, piros/zöld), semmi felesleges infó, paraméterek lekérdezhetősége, limitált kezelői panel;; • ergonómia: o ha rossz, csökkentheti a termelékenységet; o figyelmet irányítja, motoros akciók (hiba: kihagyás); o szabály alapú akciók (konzisztencia,

hiba: rossz szabály hívása, rossz jelzésfelismerés); o ingerküszöb; o egyszerű és határozott döntés támogatása;; • cél: konzisztenciára törekvés, szabályok betartása; shortcut, informatív visszacsatolás; rövid távú memória (kb 7 szabály); operátori hibák megelőzése (határozott jelzések, döntéshelyzetek számának minimalizálása, bizonytalan helyzetekre általános megoldás); o hibakezelés; o rendezett folyamatok;; o o o o • kieső munkadarabok kezelése: elkülönített tárolóba; okok: nem járt előző munkafázison, tesz alapján rossz, vizuális ellenőrzés alapján rossz; selejt: olyan kieső darab, ami már nem javítható; o javító munkahely: kieső darabok ide kerülnek, javítói jogosultsággal rendelkező személy lekérdezheti a darab élettörténetét, méréseket (egyedi mérés) és javításokat végezhet rajta, amiket adminisztrál; o javító személy: egyedi mérés üzemmódban leellenőrzi a munkadarabot és

esetleg a munkahelyet; érvényesíti adatokat; -6- Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga o kieső munkadarab: munkahely blokkolódik, csak javító engedélyével kerülhet vissza a gyártósorra, javítási adatok adatbázisba kerülnek (selejt soha); o javítás folyamata:  javító azonosítja magát,  azonosítja a javítandó munkadarabot és lekéri az információit,  megállapítja a hibát,  bejegyzi a rendszerbe,  nem javítható hibát selejttárolóba tesz, javíthatót megjavítja,  elvégzi a szükséges méréseket,  visszahelyezi a folyamatba;; • folyamatmonitorozás: gyártási folyamat grafikus megjelenítése, beavatkozási lehetőség biztosítása; elemei: o munkadarab követése, élettörténetének lekérdezése; o munkahelyek állapotának, paramétereinek lekérdezése; o gyártósor átkonfigurálhatóságának biztosítása; o műszak felügyelete; o gyártás pillanatnyi állapotával kapcsolatos statisztikák, kimutatások

készítése; o naplózás;; • adatok nyilvántartása: o gyártási folyamatot irányító szerver adatbázisban (gyártásban lévő munkadarabok adatai, pillanatnyi helyzetük); o központi adattárházban (már elkészült termék adatai, már biztosan nem kerülnek vissza a gyártási folyamatban; batch);; adatcsoportok: termék adatai, gyártósor adatai, gyártó személyzet adatai;;; • -7- Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga SW oldali tervezés: • SWrendszer felépítése: munkaállomások- protokoll driver; munkaállomásokmodulok- folyamatvezérlő- javítómodul, felügyelő UI, MYSQL, Legacy; MYSQLarchiver- Oracle warehouse;; • SW összetevői: o munkaállomások: vezérlő, munkadarab azonosítás, paraméterek értékei, mérési adatok feldolgozása, szolgáltatott adatok; o folyamatvezérlő: gyártósor működésének szinkronizálása; o MSSQL adatbázis: adatok tárolása, lokális; o folyamatfelügyelet: beavatkozási lehetőség,

javítással kapcsolatos műveletek, adatok kezelése, technológiai adatok megjelenítése, kezelői felületek biztosítása, előre definiált online kimutatások szolgáltatása; o legacy interface: online hozzáférés korábbi, már működő folyamatfelügyeleti rendszerekhez, kompatibilitás korábbi eszközökkel; o javító modul: dedikált szgépekkel rendelkező munkahelyek, integrálás a felügyeleti rendszerbe; o archiver: munkadarabok adatainak adattárházba való átadása;; • modulok feladatai: alapelv: minden munkahelynek és egységnek SWrendszerben leképezés; a belső reprezentáció vezérlő objektum vagy komponens; o RS485 protocoll driver: soros busz kezelése, címzés, adatok küldése és fogadása; o munkaállomás vezérlő: saját vezérlőkkel rendelkező egységek belső leképzései; -8- Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga o összetett munkahelyek: nincs dedikált PC, de van adatszolgáltatás RS232 porton keresztül, vezérlős a

vezérlőn keresztül, szinkronizáció folyamatirányító modulon keresztül; o javító modul: szgépen futó alkalmazás; o felügyelő UI: kezelőfelület; o folyamatvezérlő: központi vezérlő komponens, munkadarabok nyomonkövetése, munkahelyek adatainak összehangolása, rajta keresztül érhetőek el egyes munkahelyekhez tartozó vezérlő komponensek, kapcsolattartás, szinkronizáció; o MSSQL: Microsoft SQL server, adatbázis kezelő rendszer; o archiver: fix időközönként adatok küldése adatbázisba; o warehouse: központi adattárház Oracle szerveren;; • SW megvalósításának alapelvei: o cél: sebesség és robosztusság biztosítása; o kétszintű rendszer (MSSQL: pillanatnyi termeléssel kapcsolatos információk; központi adattárház: kész termékek adatai); o elosztott rendszer .NET keretrendszerrel; o Ethernet LAN hálózaton kommunikál; o folyamatvezérlő és munkaállomás vezérlő között RS485-ös busz (= Recommended Standard, soros port,

1 központi vezérlő több egység címzés alapon, 3 állapot: beszél, vesz, hagyja);; • munkaállomás kezelői felülete: o egyértelmű üzenetek, semmi fölös infó; o egyszerű kezelőfelület (PASS/FAIL: zöld/piros); o egyedi azonosító; o adatátvitel RS485-ön, RS232, 24V, analóg bemenetek;;; Biztonsági előírások: • EU szabvány: kockázat-gráf: szisztematikus, hivatalosan elfogadott eljárás kockázat felmérésére; kiadja vezérlési kategóriát; S n , F n , P n .kockázati események, ahol: o S.sérülések súlyossága (S1súlyos, S2halálos, gyógyíthatatlan), o F.veszély gyakorisága és időtartama (F1ritka, ill rövid, F2gyakori, ill hosszú), o P.veszélyeztetés elkerülésének lehetősége (P1bizonyos felt mellett lehetséges, P2.alig lehetséges); o B1,B4.vezérlési kategóriák, o teli°.ajánlott vezérlési kategória, o x.lehetséges választás, de további intézkedés szükséges, o °.túlméretezett;; -9- Mérö automatika

rendszerek 2010 - Vizsga • vezérlési kategória: hibás működés esetén milyen ellenálló képesség; meghatározza alkalmazandó kapcsolást, felhasználható eszközök típusát; o B1: követelmények: technika mindenkori állapotának megfelelő vezérlés, alkatrészek ellenálljanak a várható hatásoknak, bevált elemek, gyakorlatban bizonyított elvi megoldás; vezérlés: biztonsági funkció esetenként használhatatlan, egyszeres hibát nem ismer fel; o B2: követelmények: B1 és megadott időközönként a biztonsági funkció ellenőrzése; vezérlés: egy hibát kimutat, ellenőrzések közötti hiba kinyírja biztonsági funkciót; o B3: követelmények: B2 és egy hiba nem vezethet biztonsági funkció kieséséhez, hibát fel kell ismerni; vezérlés: egyhiba-biztonság, működőképes marad, több hiba esetén hatástalan; o B4: követelmények: B3 és hiba felismerésekor a gépet nem lehet tovább működtetni, biztonsági funkció több hiba esetén is

üzemképes; vezérlés: minden elsőként fellépő hibát felismer, nincs hiba miatti kiesés;; o pl: vészleállító kapcsoló (B1: egyszerű leállítás; B4: redundáns, önellenőrző, felismerni a mágneskapcsoló beragadását, vezetékszakadást, zárlatot);;; Virtuális műszerezés: • története: 1970: minden távvezérlehető műszer; 2000: SW-en keresztül vezérelhető műszer modulok; új: mintafv-en alapuló dig jelfeldolgozás, modulszerű felépítés, egyértelmű megfeleltetés a fizikai blokkokkal, teljes felhasználói szabadság;; • virtuális műszer: PC (műszermag) végzi jelfeldolgozást és megjelenítést, DAQ kártya végzi jelek generálását és digitalizálását; felhasználó tervezi és építi adott feladatra; • SW: leglényegesebb eleme, biztosítja rugalmas funkcionalitást, PC-vel összekapcsolhatóságot, újrafelhasználhatóságot, átkonfigurálhatóságot, fejlesztési hatékonyságot;; • műszerjellemzők:

hagyományos/virtuális: gyártó/felhasználó által, funkcióspecifikus/alkalmazásorientált, önállóan működő/PC kell, korlátozott/széles körű csatlakoztathatóság, HW/SW fontos, zárt/nyitott funkcionalitás, lassú/gyors fejlesztés, magas/alacsony fejlesztési és fenntartási költségek;; • pl: Rohde-Schwartz szignálgenerátor: HW alapú, de virtuális, csak a modulokhoz nem lehet kívülről hozzáférmi, moduláris felépítés; • pl2: NI-PXI szignálgenerátor: SW alapú, komplex burkolón alapuló jelszintézis (upkonverter és hullámforma generátor);;; - 10 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga Adatkommunikációs rendszerek elmélete: • a digitális kommunikáció alapötlete: o digitális kommunikáció: információ- source encoder (adattömörítő encoderadattitkosító encoder)- csatornakódoló- modulátor ~ csatorna ~ demodulátorcsatornadekódoló- (source decoder (adattitkosító dekódoló, adattömörítő dekódoló); SE:

redundanciát csökkent, CE: redundanciát ad;; o AWGN: csak csatorna csillapítását figyelik, vett jel zajjal terhelt, PSD= N 0 /2; N 0 .természeti állandó (-174 dBm/Hz);; o minőségmérés:  analóg: SNR (= Signal to Noise Ratio);  digitális: analóg hullámformákban megfigyelős idővel, BER (= Bit Error Rate), PER (= Packet Error Rate);  cél: BER v PER elérése min E b -vel (bitenergia, egy bit átvitelére mennyi energiát használ); (keskenysávban: legjobb spektrumhatékonyság);  minőség: E b /N 0 ; E b = S*T, ami adott rendszerre jellemző, ahol: E b .bitenergia, Sjelenergia, Tbitidő; zajenergia demodulátornál: N= 2*N 0 /22B= 2BN 0 ; E b /N 0 = ST/ (N/2B)= 2BT* S/N= 2BT SNR;; o teljesítményillesztés: generátor belső impedanciájára (R g ) terhelő ell-t (R t ); cél: P t max!, ekkor R g =R t ;; - 11 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga • moduláció: o digitális jeleket T idejű analóg hullámformákká (s m ) alakít-

jelkészlet elemei; s m (t), ahol: m= 1,2,., Mjelkészlet; g j (t), ahol: j=1,2,, N < M valós bázisfvek ([0,T]-n kívül 0 értékű, ortonormális, minden elem egyszerű reprezentációja a bázisfv-ek súlyozásával, levezetés Gram-Schmidt ortogonalizációval); o modulátor: átvinni kívánt hullámformát (s m (t)) generál a szimbólumnak (s m ), a jelkészlet elemeit generálja, meghatározza az elemek közötti max szeparációt, azaz felső határt ad a zajteljesítményre; s m (t)= Sum[j=1,N] s mj *g j (t), ahol: 0<= t<= T; s m .N dim jelvektor; működés: bit szimbólum jelvektor (s m ) analóg hullámforma;; o BPSK (= Binary Phase Shift Keying):  bázisfv: g(t)= gyök(2/T)*cos(wt);  jeltér: 2 szimbólum, s m : +/- gyök(E b ); antipodális: max távolság az üzenetpontok között a konstellációs diagramon- legjobb zajteljesítmény;; o OOK (= On-Off Keying):  bázisfv: g(t)= gyök(2/T)*cos(wt);  jeltér: 2 szimbólum, s m : gyök(E b

), 0;; o FSK (= Frequency Shift Keying):  bázisfv: g 1 (t)= gyök(2/T)*cos(w 1 t), g 2 (t)= gyök(2/T)cos(w 2 t);  jeltér: 2 szimbólum, s m : (0 gyök(E b )), (gyök(E b ) 0);; o QPSK (= QuadriPhase Shift Keying):  bázisfv: g 1 (t)= gyök(2/T)*cos(wt), g 2 (t)= gyök(2/T)sin(wt);  jeltér: 4 szimbólum, s m : (gyök(E b /2) gyök(E b /2)), (-gyök(E b /2) gyök(E b /2)), (gyök(E b /2) -gyök(E b /2)), (-gyök(E b /2) -gyök(E b /2));; - 12 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga o sávszélesség: függ adatrátától, modulációs technikától és paraméteritől, üzenetpontok közötti tranzíciótól;; o demodulátor: r m (t)= s m (t)+n(t);  a priori ismeri a jelkészletet vagy a bázisfv-eket,  zajos hullámformát kap,  jel-összehasonlítás korrelációval,  megfigyelési változó (a kapott jel és a jelkészlet elemeihez adja meg a közelséget),  döntés a legközelebbire;  detektor: egy izolált szimbólumot kap; 

demodulátor: szimbólumsorozatot kap;; • koherens vevő: jelvektort kell visszaállítani, a bázisvektorok Fourier eühatói pontosan ismertek a vevő oldalon(!), teljesen kihasználja az a priori információt; o megfigyelési vektor: z mj = Int[0,T] r m (t)*g j (t) dt= s mj Int[0,T]g j (t)2 dt + Int[0,T] n(t)*g j (t) dt = s mj + Int[0,T] n(t)g j (t) dt; o visszaállítás: E[z m ]= s m ; o detekció lépései:  megfigyelési vektor meghatározása (teljes bitidőig figyel);  megfigyelési és jelvektor összehasonlítása;  döntés a legközelebbire; csatornazaj miatt lehetnek rossz döntésekszimbólumhiba;; o blokkdiagram: vett zajos jel- szorzás: bázisfv-el (ha több, akkor több ág)integrálás (minél tovább átlagolom a bitidőt, annál kevésbé számít a zaj, mert frtart-ban szűrő szélessége csökken)- döntő áramkör;; - 13 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga o implementáció:  vevővisszaállító és korrelációs

vevő(analóg, RF, a priori infó a vivőből- kitalálja, időtart),  illesztett szűrő (digitális, alapsáv, a priori infó az impulzusválaszbóleltárolja, frtart);  ha fekete doboz, akkor kT (k=0,1,2,.) időpontokban nem tudom megállapítani, hogy melyik;; • illesztett szűrő: analóg hullámforma detektálása, a priori tudás, nem akarom visszaállítani a jelet, csak felismerni, hogy melyik volt (nincs torzítás!); o cél: kimeneti jelet (g 0 (t)) minél nagyobbra a kimeneti zajhoz képest: n 0 (t)); n= |g 0 (T)|2 / E(n 0 2(t), ahol: |g 0 (T)|2 .kimenő jel energiája, E(n 0 2(t)).átlagos zajenergia; o h illesztése: az adott hullámformához, h opt = k*g(T-t), ahol: k.skálázási faktor; felosztani sávokra: középen jó SNR, ezt nagyon súlyozással veszem figyelembe; o blokkdiagram: vett zajos jel- LTI filter- kapcsoló; o tulajdonságai:  kimenet t=T időben egyenesen arányos a bitenergiával: g 0 (T)= k*E b ;  csúcs SNR csak az energia-zaj PSD (=

Power Spectral Density)-től függ: n max = 2*E b /N 0 ;  jeldetekcióra, nem torzításmentes átvitelre;; - 14 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga - 15 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga • BPSK rendszer - koherens: o blokkdiagram: b k jel- kódoló: s m1 - szorzás: g 1 (t)- csatorna: r m (t)- szorzás: bázisfv ( bázisfv recovery)- integrálás (time recovery)- kapcsoló (time recovery): z m1 - döntés: s^ m1 - dekódoló: b^ k ; o a jelkészlet elemei: 0<= t <= T, m= 1,2; o a bázisfv: o a jelvektorok: o a jeltér: konstellációs diagram; antipodális; o demodulátor: koherens; zajmentes esetben: g 1 ^(t)= g 1 (t) és n(t)= 0;; - 16 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga o megépített blokkdiagram: valós rendszer; o analízishez blokkdiagram: b k jel- kódoló: s m1 (bit csak számsorozat, hold áramkörrel kapcsolja időhöz- 0. rendű tartó- FT: sin x/x)- adószűrő: (ZoHaluláteresztő szűrő)- MOD- csatorna: r m

(t)- DEM- vevőszűrő- kapcsoló: z m1 döntés: s^ m1 - dekódoló: b^ k ; o minden sávszűrő rendszer helyettesíthető aluláteresztő szűrővel komplex burkoló, alapsávi modell;; o adószűrő: kisugárzott jel spektrumának limitálása (dmulátor), interferencia más csatornákkal megelőzése; emelt cos, de szemábra szélesebb; - 17 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga o csatornaszűrő: kiválasztja a vett csatornát;  probléma: valóságban nemlineáris áramkörök- nem konzervatív gerjesztő fr-ra nézve, így: nemlineáris kétpólus: be: f 1 ,f 1 , ki: nf 1 +mf 2 , ahol: n=0 v m=0 harmonikusok, n/=0 és m/=0 intermoduláció, kombinációk; 3.rendű intermodulációs termékek zavarják venni kívánt jelet: nf 1 +mf 2 = -f 1 + 2f 2 = -f 1 + 2(f 1 + đf)= f 1 + 2*đf= f D ;  megoldás: csatornaszűrő, ami nem engedi át f 1 és f 2 jeleket (pl: TV szellemkép); vagy áramkört linearizálni- nagy áramot neki- nagy fogyasztás; o

adó+csatorna+vevő: Nyquist kritérium teljesítése, ISI megelőzése (adatátviteli seb és aluláteresztő szűrő sávszélességének jó megválasztása);; o ideális Nyquist csatorna:  frválasz: P(f)= 1/2W, ha –W< f< W, 0, ha |f|> W;  sávszélesség: W/ R b /2= 1/ 2T;  Nyquist csatorna kimenete: p(t)= sin(2PiWt)/ 2PiWt;  csatorna sávszélessége: BW alapsáv = k*R b /2= k/ 2T, ahol: k= 1,2,.;  valóság: emelt cos (ára: nagyobb sávszélesség); B= (1+α)W= (1+α)*R b /2, ahol: α.rolloff faktor;; - 18 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga • FSK és OOK – nem koherens: o nem koherens modulációs séma: túl drága, túl komplex, túl sokat fogyaszt, túl nagy csatornazaj; kevesebb a priori információ, így rosszabb zajteljesítmény; o demoduláció: nem limitálják a zaj-sávszélességet; ekvivalens zaj-sávszélesség: négyzetes szűrő ua zajtelj-t csinálja, mint a sávszűrő rendszer;; • OOK (= On-Off Keying): o a

bázisfv: csak g 1 (t); o a jeltér: o demodulátor blokkséma: s m (t)- szorzás: magával- integrálás- gyökvonásdöntő áramkör; o hátrány: optimális döntési küszöb függ SNR-től (Bayes-döntés);; • FSK (= Frequency Shift Keying): o a jeltér: o demodulátor blokkséma: vett zajos jel- (párhuzamosam: f 1 és f 2 ) f 1 - erősítődöntő áramkör; - 19 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga • zajteljesítmény összehasonlítása: o koherens BPSK, QPSK, MSK: 1/2*erfc((gyök(E b /N 0 )); o koherens bináris FSK: 1/2*erfc((gyök(E b /2N 0 )); o DPSK optimális vevővel: 1/2*erfc((-E b /N 0 )); o nemkoherens FSK: 1/2*erfc((-E b /2N 0 ));; • modulációs sémák konstans burkolóval: o trade-off: spektrális és energiahatékonyság között; o konstans burkoló: x(t)= A(t)*cos(wt+fi(t)), ha A(t) konstans, pl: QPSK, FSK; o probléma: sávkorlátozás miatt (szűrés- modulálj az amplitúdót) spectral regrowth; o megoldás: magasabb linearitású

rendszer szükséges az adónál, de lineáris erősítőknek rossz energiahatékonyságuk van;; - 20 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga o Offset QPSK: páros és páratlan index in-phase és q-phase vivőre modulálva fél-sin pulzustolással, pl: ZigBee, 2,4 GHz;  blokkdiagram: páros- p(t)- szorzás: cos(wt)- összejön; ptlankésleltetés T c -vel- p(t)- szorzás: sin(wt)- összejön; összejövés(+): s m (t); p(t)= sin(Pi*t/ 2T c ), ha 0<= t<= 2T c , 0, különben; T c .chip duration; bejövő bitfolyamot 2 fele rátájú folyammá: T c = T/2;; - 21 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga • SS (= Spectrum Spreading) technikák: nincs többutas terjedési probléma, többszörös hozzáférést biztosít, ellenálló keskenysávú zajra és zavarásra; o DS-SS (= Direct Sequence Spread Spectrum): keskenysávú moduláció, külső PN (= Pseudo Noise)-al (pl: Barker code), alapsáv, időtart, a spektrum nő az adatsebességgel, pl: WiFi, ZigBee;

 blokkdiagram: jel (b(t))- BPSK (s(t))- PN kódgenerátor (c(t))csatorna(j(t))- helyi PN kódgenerátor (u(t))- koherens vevő- becsült jel (b^(t));; o FH-SS (= Frequency Hopping Spread Spectrum): ua, csak frtart, pl: BT;;  M-FSK (= M-ary FSK): 2 bit egy szimbólum, 2 szimbólum ugrásonként átküldve, 4-FSK;  nemkoherens demodulátor, mivel fr.szintetizáló nem tudja a fáziskoherenciát tartani;  hátrány: demodulációhoz szinkronizáció kell, ezért pl: Bluetooth 3 s hálózati kapcsolási idő;; o impulzusrádió: szélessávú vivő, UWB (= UltraWide Band) rádió, gaussi RF jel a vivő;; o kaotikus kommunikáció: ua, csak szélessávú kaotikus jel a vivő;;; - 22 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga • Szuperheterogén vevő: o cél: fix és viszonylag alacsony fr-n csatornakiválasztás és demodulálás, egyszerű implementáció; o megoldás: frtranslation; analóg mixer: lineáris áramkör (RF input és IF (= Intermediate Frequency)

output ; o blokkdiagram: input- szorzás: OSC- erősítő- csatornaszűrő- erősítő- DEMvett jel; o kép probléma: ua w IF 2 inputra is: w 1 = w LO -w IF és w 2 = w LO +w IF , mivel cos(w 1 -w LO )t= cos(w 2 -w LO )t; o megoldás: RF filter, de jó minőségűnek kell lennie (nagy csillapítás), ami drága, növeli zajt;;; - 23 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga Komplex burkoló: • tulajdonságok: o minden sávkorlátozott jel teljesen leírható a komplex burkolójával és a komplex impulzusválaszával; o sávkorlátozott RF jelfeldolgozást az alapsávban is lehet alacsony fr-jú áramkörökkel; o a komplex burkolóból teljesen visszanyerhető az RF jel; o mérnöki gyakorlat: sávkorlátozott jelek és rendszerek;; o véges hosszú mintafv-ek; időtart: integrálás, átlagolás  frtart: aluláteresztés;; • • • • cél: szimulációs idő csökkentése- min mintavételezési időt Nyquist kritérium határozza meg; CMOS-t is lehet

használni, alacsonyabb fogyasztás;; felhasználás: virtuális műszerek (jelfeldolgozás), mérőeszközök, implementációk (TV vevő, WiFi vevő), rendszer szintű szimulációk;; spektrumanalizátor: keskenysávszűrő (RBW= Resolution BandWidth, f center )- RMS (telj.mérő)- VBW (= Video BandWidth); középfr-t (f center ) változtatjuk, a keskeny sávszűrőt végigtoljuk a teljes sávon;; Hilbert transzformáció: o cél: sávkorlátozott RF jelet (x(t)) egy lassan változó komplex burkolóra (x~(t)) és vivőre (exp(jwt)) dekomponálni; x(t)= Re[x~(t)*exp(jwt)]; egyoldalú spektrumot létrehozni; o módszer:  sávkorlátozott RF jel (FT: 1 értékű, 2 oldali f c vivővel, 2*2B széles),  pre-envelope (poz oldalra, 2, f c , 2B),  complex envelope (középen, 2, 0, 2B);; • Hilbert tr: x~(t)= 1/Pi* Int[-Inf,Inf] x(τ)/ t- τ đτ; lineáris tr; konvolúcióval: x(t)*h(t)= Int[-Inf,Inf] x(τ) h(t- τ) đτ = Int[-Inf,Inf] x(τ) 1/ Pit- τ đτ = x(t)* 1/ Pit;

frtart-ban: X~(f)= -j*sgn(f)X(f);; - 24 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga • pre-envelope= analitikus jel: x + (t)= x(t)+ jx^(t); frtart-ban: X + (f)= X(f)+ j*[-jsgn(f)X(f)]= X(f)[1+sgn(f)]= 2X(f), ha f>0, X(f), ha f=0, 0, ha f<0; egyoldali spektrum, ekkor időtartományban komplex;; • komplex burkoló: eltolás 0 fr-ra;; • tulajdonságai: fr.tartományban aluláteresztő jel, időtartományban lassan változó jel; a komplex burkoló tartalmazza az összes információ a vivő fr-n kívül; nincs információvesztés!!! (vivőfr infója: melyik adón akarom venni);; • ára: komplex értékű fv időben; x~(t)= x I (t)+ j*x Q (t)= x + (t)exp(-jwt); 2 ág (I és Q), amin párhuzamosan kell vezetni a jelet és nem lehet időkülönbség (CMOS tökéletes erre);; korlát: tfh ideális szűrők, akkor átlapoló spektrumok;; szűrőkarakterisztika: meredekség fokszámtól függ (hány db LC elem van benne? ha n=1, akkor 20 dB/dek); emelt cos (dig

jelfeldolg), Butterworth (dig jelfeldolg), Csebicsev, Kaner;; • • • implementáció: 2 párhuzamos áramkör: in-phase és kvadratúra ág;; x(t)- szorzás: cos(wt)- aluláteresztő- 2- x I (t); x(t)- szorzás: sin(wt)- aluláteresztő- 2- x Q (t);; • kvadratúra keverő: x + (t)= x(t)+ jx~(t) x(t)= Re[x + (t)]= Re[x~(t)*exp(jwt)]; kvadratúra keverővel visszaállítható a sávszűrt jel (tökéletesen, mivel az összes információt tartalmazza); I-ből és Q-ból nagyfr jelet csinál, x I (t)- szorzás: cos(wt) (+) – x(t); x Q (t)- szorzás: sin(wt) (-) – x(t);; - 25 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga • definíciók: o komplex burkoló: x~(t)= x I (t)+ j*x Q (t)= a(t)exp(jΦ(t)); a(t).burkoló, ha konstans, akkor amplitúdó; Φ(t)fázis; o sávszűrt jel: x(t)= Re[x~(t)*exp(jwt)]= Re[a(t)exp(j(wt+Φ(t))]= a(t)cos(wt+ Φ(t)); o burkoló: AM: a(t)= |x~(t)|= gyök(x I (t)2 +x Q (t)2); o fázis: PM és FM: Φ(t)= arctan(x I (t)/ x Q (t))=

Im(ln(x~(t))); PM: fázis arányos a moduláló jellel; FM: teljes fázis deriváltja arányos a moduláló jellel;; • komplex impulzusválaszfv: LTI (= Linear Time Invariant); h(t)= Re[h~(t)*exp(jwt)]= Re[(h I (t)+jh Q (t))exp(jwt)]; x~(t)(h~(t)) 2y~(t); • LTI rendszer kimeneti jelének komplex burkolója: y~(t)= 1/2* Int[-Inf,Inf] h~( τ)x~(t- τ) d τ = 1/2 h~(t)x~(t)= (( itt: =konv)) 1/2 [h I (t)+j*h Q (t)][x I (t)+jx Q (t)]; 2 komplex értéket kell konvolválni- 4 konvolúció;; dig: zéró-fázisú filter: h Q (t)= 0, ekkor csak 2 konvolúció;; - 26 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga • • • • • • • • • zaj: nincs DC összetevő, stacionárius; zaj hatása jelre: amplitúdót, fázist változtatja- sztochasztikus folyamat; demoduláció nem lineáris, így zaj nem jósolható; o AM demod: fáziszaj nem zavarja, detektor nem érzékeny; o FM demod: amplitúdózaj nem zavaró (FM rádió elterjedése: el el eszközök

amplitúdóváltozást okoznak (spike), ezeket le lehet vágni akár négyszögjelekre- nem zavaró);; sztochasztikus: mintafv-t veszek, ami nem állandó, de autokorrelácó mindig állandó; gyengén stacionárius: összes átlag közül néhány állandó; erősen stacionárius: összes átlag közül minden állandó; ergodikus: halmazátlag = időátlag (sok generátort rövid ideig = 1 generátort nézek sokáig, akkor ua eloszlásfv); legerősebb; ortogonális: fglen; véletlen szám generálás: o kaotikus algoritmus: determinisztikus, csak rövid időre jósolható meg- r érzékeny kezdeti felt-re, instabil; o determinisztikus: megjósolható; o sztochasztikus: nem megjósolható; seed: kezdeti felt változik, mert szgép véges állapotú gép, de így is marad tranziens;; keskenysávú zaj: n(t); gaussi véletlen folyamat (azaz várható értékkel és szórásnégyzettel leírható, azaz DC és teljesítmény) 0 várható értékkel, 2B spektrum f c vivő fr, PSD (= Power

Spectral Density): S N (f) lokálisan szimm vivőfr körül; n(t)= Re[(n~(t)*exp(jwt)]= Re[(n I (t)+jn Q (t))exp(jwt)]; o komplex burkoló: sávkorlátozott jel, ezért leírható így; o kanonikus forma: n(t)= n I (t)*cos(wt)- n Q (t)sin(jwt)= N n (t)cos(wt+ Φ n ), ahol: N n (t)= gyök(n I (t)2 +n Q (t)2).burkoló; Φ n (t)= arctan(n I (t)/ n Q (t))fázis; o kapcsolat autokorrelációs fv-ek között: R n (τ)= R nI (τ)*cos(wt)= R nQ (τ)cos(wt);; - 27 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga o kvadratúra komponens zajának tulajdonságai:  ha n(t) gaussi véletlen folyamat és tág értelemben stacionárius, akkor n I (t) és n Q (t) együtt gaussi és együtt tág stacionárius folyamatok;  mivel n(t)-nek, így n I (t) és n Q (t)-nek is 0 várható értéke;  az in-phase és a kvadratúra komponensnek ugyanaz a szórása, mint n(t)-nek;  korrelációs fv-ek: (n I (t)* n I (t+(τ))|= (n Q (t) n Q (t+(τ))|= r(τ); (n I (t) n Q (t+(τ))|= (-n Q (t)* n I

(t+(τ))|= 0, ahol felülvonás időátlagolást jelent n I (t) és n Q (t) autokorreálciós fv-e egyenlő, n I (t) és n Q (t) ortogonálisak= fglenek;  • n I (t) és n Q (t)-nek ua PSD-je; S NI (f)= S NQ (f)= {S N (f-f c )+ S N (f+f c ), ha –B<= f<= B, 0 máshol}, ahol: S N (f) ebben a frsvában: f c -B <= |f| <= f c +B;; Blokkdiagram algebra: o átviteli elv: y=Gx; o összegző pont: y= x 1 +x 2 ; o elágazás; A(x+y)= Ax+Ay; Ax és Ax; o visszacsatolás: G/ 1-GH (limInf, akkor -1/H, azaz csak visszacsatolástól függ);; - 28 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga • felhasználás: o BDT (= BlokkDiagram Transzformáció: célja: QAM és FSK modulátorok implementálása kvadratúra keverőkkel és alapsávi jelfeldolgozással), o számítási idő csökkentése (4800 MHz-ről 17 MHz-re), o zero-IF vevők és direkt konverziós transzmitterek (5 dB javulás), o virtuális műszerezés;; • FM-DCSK vevő: SDR (= Software-Defined Radio)

építhető vele; o blokkdiagram: vett jel(r(t))- sáváteresztő szűrő- (2 részre: Delay T/2)- (újra össze) korrelátor- integráló (ki: z(t))- kapcsoló- döntési áramkör (threshold); o detekciós algoritmus: z(t)= Int [t-T/2, t] r(t)*r(t-T/2) dt; o cél: z(t) felírni r I (t) és r Q (t) függvényében az alapsávban; r(t)= r I (t)*cos(wt) - r Q (t)sin(wt); végül kijön: z(t)= 1/2* (Int [t-T/2, t] r I (t)r I (t-T/2) dt + Int [t-T/2, t] r Q (t)r Q (tT/2) dt); - 29 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga o detektor blokkséma: r I (t)- ADC (2 részre)- delay (N/2)- (újra össze)- szorzás; r Q (t)- ADC (2 részre)- delay (N/2)- (újra össze)- szorzás; (2 ág egyesül): Sumkapcsoló- döntés;; o megvalósítás: FPGA áramkörrel;; • PRISM II vevő: o blokkdiagram: RF filter- LNA- RF mixer- IF filter- PMA- (2 részre oszlik) 1: IF mixer- aluláteresztő szűrő- ADC- processzor; 2: fázistoló (Pi/2)- IF mixeraluláteresztő szűrő- ADC- alapsávi

processzor (ezt kell megoldani);; - 30 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga • szimulációs idő csökkentése: o cél: FM-DCSK rendszer teljesítményét vizsgálni szimulációval; szükséges mintavételezési fr: x > 2(f c +B), pl: 4817 MHz; o megoldás: alapsávba transzformálni, pl: 17 MHz;; • zero-IF vevő: - 31 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga • virtuális műszerezés: o NI PXI-6551 RF vektor szignál analizátor (PXI-5600 downconverter, PXI5142 digitizer); o NI RF vektor szignál generátor (PXI-5610 upconverter, PCI-5441 arbitraty waveform generator);;; - 32 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga Layered structure: • munkaállomás: logikai egység (SW); munkahely: fizikai gép (HW);; • a munkahelyek autonóm rendszert alkotnak, mivel a vezérlési kapcsolat megszakadhat; elindított művelet befejeződik, utána visszatér az alapállapotba;; • részei: munkahely vezérlő, PC vagy PLC (= Programmable Logic

Control), folyamatvezérlő;; • kapcsolatai: o I/O kártyán keresztül: közvetlen vezérlés, pl: NI6527 kártya, 24 db optocsatolt bemenet, 24 db szilárdtest jelfogós kimenet, PCI vagy PXI busz, beépített digitális szűrés, interrupt generálása;; o I/O kártyán keresztül hardver protokollal: saját vezérlővel rendelkező berendezések közvetett vezérlése; munkhaley fizika vezérlése (PLC) – folyamatvezérlő számítógép (PC): start(PLC)- start enable/disable(PC)- result pass/fail(PLC)- ack(PC);; o RS232: munkahelyi PLC és PC között, pl: vonalkód leolvasáshoz, mérési adatokhoz;;  csatlakozások: SD.küldött adatok, RDvett adatok, SGföld, RS és CS.handshake jel, FGárnyékolás; - 33 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga       üzenetformátum: csak ASCII karakterek használhatóak, pl: ! INSTR DATA <CR>, ahol: !.kezdő karakter, INSTRutasítás, DATAadatok, <CR>.lezáró karakter; pl: login: login(PLC)-

login(PC)- lekérdezés: login pass(DB)- login pass(PC); pl: állapotlekérdezés: state(PC)- state(PLC)- fail: flush(PC)- ack(PLC); pl: start: start(PLC)- vonalkód leolvasás: start(PC)- lekérdezés: start enable(DB)- start enable(PC); pl: művelet: send data(PLC)- send data(PC)- bejegyzés: ack(DB)ack(PC); pl: munkadarab behelyezés: LCD text(PC)- LCD text ack(PLC); o RS485 (folyamatvezérlő): szoftverben bővíthető megoldás; o TCP/IP protokollt használó Ethernet LAN kapcsolat: majdnem teljes fokú szabadság; o GPIB busz;;; - 34 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga VISA (= Virtual Instrument Software Architecture): • alapja: o OSI modell: alkalmazási, megjelenési, viszonylati, szállítási, hálózati, adatkapcsolati, fizikai réteg; o VISA: I/O könyvtárak, amelyekkel a gyári eszközök használhatóak;  application (user interface, processing, instrument drivers),  command (common, standard, specific commands),  communication (IEEE 488.2:

parancsokat átfordítja),  data link+physical layer (serial: IEEE 1174, RS 232; GPIB: IEEE 488.1 = IEC 625-1; VXIbus);; o SICL (= Standard Instrument Control Library): szabványos I/O könyvtárak, instrument drivers, SIP-t szabványosítja, amely hordozható a különböző I/O interfészeken és rendszereken keresztül; o SCPI (= Standard Commands for Programmable Instruments): szabványos utasításkészlet a műszerek vezérléséhez; o VXI (= VMEbus Extension dof Instrumentation); o GPIB (= General Purpose Interface Bus);; - 35 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga • SCPI modell: o vezérlő parancsok komplett halmaza, amely független a műszergyártó cégektől és a műszer típusától; o a parancsok tetszőleges műszerre és kommunikációs csatornára érvényesek; o átvitelre az IEEE 488.2 protokollt használják; o visszajelzés: error van, de ack nincs (tranziens idő: nem tudni mennyi idő kell, hogy beálljon);; o funkciók: 10 osztályba sorolva;

 mérő: INPut, SENSe;  jelgeneráló: OUTput, SOURce;  általános: CALCulate, singal routing, TRIGger, MEMory, DISPlay, FORMat;; o felépítése:  meausrement: signal routing (külső műszercsatlakozók)- input (digitalizálás előtti jelkondicionálás)- sense (digitalizálás)- calculateformat (mért adatok feldolgozása); trigger (más műszerrel szinkronizálás);  signal generation: format (a műszer belső adatainak konvertálása)calculate (alkalmazási adatok jeladatokká konvertálása)- source (jel és modulációs jellemzők meghatározása)-output (kimenő analóg jelek kondicionálása)- signal routing (külső műszercsatlakozók); memory (adatok tárolása), display (adatok kijelzése); összekötés: sense- trigger- source, calculate- memory- calculate;  pl: oszcilloszkópban csak measurement funkciók;; o pl: DMM (= Digital MultiMeter) SCPI vezérlése: : MEASure : VOLTage : AC ? 20 , 0.001, ahol: :új parancs, MEASuremérés,

VOLTagefeszültség, ?.mérési eredmény visszaküldése, 20,000120 V-os méréshatár és 0001 V felbontás; o rétegzett struktúra: measurement: input- sense- calc- disp; (sens-ből:) bandwidth, frequency, sweep; (frequency-ből:) start, span, stop; o pl: spektrumanalizátor SCPI vezérlése: SENS : FREQ : STAR 500 MHz;; - 36 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga • VISA architektúra a LabView-ban: o műszer driverek LabView könyvtárban vagy műszer gyártóktól tölthetők le; o összes drivernek azonos a hierarchiája: magasabb szintű fv-ek alacsonyabb szintű fv-ekből vannak összerakva; o hierarchia:  getting started  initialize: kommunikációs csatorna indítása, műszer azonosítás default állapot beállítása, bekapcsolás;  configuration: műszer konfigurálása, pl: sinus-os jel generálása;  action/status: mérés indítása vagy lezárása, illetve műszer állapotának lekérdezése;  data: adatok átvitele, beolvasása; 

utility: műszerfunkciók végrehajtása, pl: önteszt;  close: kommunikációs csatorna lebontása, erőforrások visszavonása;; o alkalmazás: tipikusan konfigurálás, triggerelés, beolvasás; sokszor demonstrációs célok;; o műszer driverek be- és kimenetei:  erőforrás név vagy műszer azonosító; formátuma: „Interface type::Address::INSTR”, pl: „GPIB::2::INSTR”;  VISA session: kiválasztott erőforráshoz a kommunikáció felépítése, végén le is kell zárni, pl: close.vi;  pl: initilaize- waveform select- read waveform- read waveform scaleclose- simple error handler;; - 37 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga Eszközök GPIB buszon keresztül való integrálása: • buszrendszer: o a számítógép jól definiált alrendszere, amely lehetővé teszi adatok és tápfeszek továbbítását a számítógépen belül, illetve annak perifériái között; o ua vezetékrendszerrel logikailag több perifériát kapcsol össze; o pl:

RS232, GPIB, PCI, PXI, VXI; o probléma: kompatibilitás; o megoldás: rétegzett modell;; o VISA: I/O könyvtárak, amelyekkel a gyári eszközök használhatóak;  application (user interface, processing, instrument drivers),  command (common, standard, specific commands),  communication (IEEE 488.2: parancsokat átfordítja),  data link+physical layer (serial: IEEE 1174, RS 232; GPIB: IEEE 488.1 = IEC 625-1; VXIbus);; • GPIB (= General Purpose Interface Bus): o HP-IB (= Hewlett-Packard Interface Bus): 1965, programozható mérőműszerek csatlakoztatása a számítógéphez; o IEEE 488: 1975, HP-IB-t elfogadják szabványként; o IEEE 488.1: 1987, továbbfejlesztés, 4882: pontosan meghatározza az eszközök közötti protokollt; o SCPI: 1990, műszervezérlő programok egységesítése; o HS 488: 1993, NI létrehozza a nagysebességű GPIB-t; o IEC 625: méréstechnikusok, ua;; • felépítése: o controller: készülékek címzése, kijelöli a beszélő és

hallgató szerepeket, interfész üzeneteket továbbít; o talker: címezhető, címzett állapotban megcímzett eszközöknek üzeneteket továbbíthat, csak egy aktív beszélő lehet egy rendszerben egyszerre; o listener: címezhető, címzett állapotban üzeneteket vesz, egyszerre lehet több is o bus: control (5 bit), handshake (3 bit), data bus (8 bit), grounds;; - 38 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga • jellemzői: o IEEE 488.1:  negatív TTL logikát alkalmaz (true: alacsony szint < 0,8V, false: magas szint > 2V), azaz ha valaki lehúzza, akkor mindenki tudja;  max 15 eszköz csatlakoztatható, egyszerre 2/3 lehet bekapcsolva;  max 20 m kábelhossz;  eszközök max távolsága 4 m, átlagos távolság max 2m;; o HS 488:  nagyobb sebesség;  összes csatlakoztatott eszköznek be kell kapcsolva lennie;  eszközönként 50 pF-al terhelhetik a vezetékeket;  handshake vonal beállási ideje (T1) max 350 ns;  max 15 m kábelhossz;

 eszközök max távolsága 1 m;; • vezetékek: o DIO 1-8 (= Data I/O lines): ATN (= AtteTioN) állapota szerint parancsot (controller) vagy adatot (talker) küldhet a vonalon; o DAV (= DAta Valid): ha true, akkor adatvonalakon található jelek érvényesek, így biztonságosan beolvashatóak; mindig a kommunikációt kezdeményező eszköz (controller v talker) vezérli; o NRFD (= Not Ready For Data): az eszköz nem kész fogadni az adatvonalakon található adatokat; listener vezérli, amelynek az üzenet szól; egyszerre akár több is; false, ha az összes készen áll; o NDAC (= Not Data ACcepted): az eszköz nem vette az adatvonalakon található adatokat; listener vezérli, akár több is; false, ha az összes vette; o ATN (= AttenTioN): ha true, akkor a controller parancsot akar küldeni az adatvonalakon; ha false, akkor a talker akar adatokat küldeni; o IFC (= InterFace Clear): a controller inicializálja a buszt, és jelzi, hogy ő lesz az aktív controller (CIC =

Controller In Charge); o REN (= Remote ENable): a controller vezérelt vagy lokálisan programozható állapotba hozza a megszólított eszközt; o SRQ (= Service ReQuest): bármelyik buszon lévő eszköz aszinkron módon kérhet kiszolgálást a controllertől; o EOI (= End Of Identify): a talker jelzi az üzenet végét; a controller az eszközök azonosítását kéri;; - 39 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga • IEEE 488.1 handshake protokoll: o talker küldi: ATN, DIO 1-8, DAV; o listener vezérli: NRFD, NDAC (amikor ez felugrik, akkor DAV is, így talker beállíthatja az új byte-ot a DIO-ra ACK);; • HS 488 handshake protokoll: o gyorsított, csak 1x handshake, utána leglassabb eszköz szerinti késleltetési idő; o talker: NRFD-n neg impulzussal jelzi listener felé, hogy képes a HS488 átvitelre; o listener: NRFD-t nem húzza le újra, ezzel a tranziens hiányával jelzi a talker felé, hogy képes a HS488 átvitelre; • GPIB használata

LabView-ban: o feladat: adott négypólus frválasz-függvényének vizsgálata; o gerjesztés: diszkrét értékkel megnövelt fr-jú, adott amplitúdójú sinus jel; Agilent fvgenerátor adja GPIB-n keresztülvezérelve; o mért jel: négypólus gerjesztésére adott válaszjelének amplitúdója; o mérés:  Aginent fvgenerátor (inicializálás, kimenet beállítása, hullámforma generálás vezérlése, kimenet engedélyezése),  PC: LabView,  Agilent digitális multiméter (inicializálás, mérésvezérlés, mért adatok beolvasása, kijelzés);;; - 40 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga IEEE 802 struktúrája: • IEEE: villamosmérnökök (csak alsó 2 réteggel foglalkozik: PHY, MAC+LLC), OSI: informatikusok találták ki;; • LAN/MAN hálózatokra, de alapvetően nem rádiós szabvány; változó méretű csomagok- nehezebb megvalósítani; WG (= Working Group), TG (= Task Group, cégek csatlakozhatnak, döntés többségi szavazással), pl: IEEE

802.151 (BT), 802154 (ZigBee), 802154a (UWB = UltraWide Band);; • pozícionálás: hatótávolság/adatátviteli sebesség alapján: kicsi/alacsony: ZigBee; kicsi/közepes: BT; nagy/nagy: WLAN;; • tulajdonságok: o rétegzett struktúra (header- message- footer, tipikusan: cél, forrás, sorszám, szinkron- adat- checksum); o limitált BER, nagy csillapítás (többutas terjedés, frszelektív mélyfading)megoldás: spektrumkiterjesztés = szórt spektrum (időtart: DS = Direct Sequence, pl: ZigBee; frtart: FH = Frequency Hopping, pl: BT); o QoS CA (= Collision Avoidance) és ACK-val biztosítva; o nincsenek dedikált rádiócsatornák;; - 41 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga • WLAN (= Wireless Local Area Network): o IEEE 802.11x, pl: WiFi; o LAN kiterjesztése, nagy távolság, közepes adatsebesség; o sok eszköz, max 100 m, mikrocella; o fizikai réteg: FH-SS, DS-SS, IR (= InfraRed);; • WPAN (= Wireless Personal Area Network): o IEEE 802.15x, pl: BT,

ZigBee; o POS (= Personal Operating Space)-ben működik; o kicsi infrastruktúra, alacsony fogyasztás, alacsony költség; o sok eszköz, max 30 m, beltéri, pikocella; kategóriák:  802.153 (nagy adatsebesség és QoS),  802.151 (közepes adatsebesség és QoS, pl: BT),  802.154 (alacsony adatsebesség és QoS, pl: ZigBee) LR-WPAN;; • LR-WPAN (= Low-Rate WPAN): o 802.154, ZigBee: ISM (= Industrial, Scientific and Medical) nem engedélyköteles fr.sáv: 850-900 MHz, 2,4 GHz, 5,8 GHz; o 802.154a , UWB (= Ultra-WideBand): 3,1-10,6 GHz, limitált pds (= power spectral density), így nincs interferencia;; o követelmények:  nincs infrastruktúra (ad-hoc),  önszervező, karbantartás nélkül működő,  alacsony adatátviteli sebesség (20-250 kpbs),  egyszerű integrált áramkörök (SoC = System-on-a- Chip),  min számú filter alkalmazása,  CMOS technológia,  nagyon alacsony energiafogyasztás;; o probléma: CMOS kis fogyasztású, de nehéz

szűrőt csinálni (kapacitás: nagy terület, induktivitás: kicsi jósági tényező), ezért levágás (meredekség ~ szűrő fokszáma)- lineáris (konzervatív bejövő ft-ra, azaz nem csinál új fr-t, mert ha igen, akkor torzít)- nagy munkaponti áram;; o telep élettartama: duty cycle-lel hosszabbítható; ha alacsony, akkor kicsi fogyasztás, kicsi esély csomagütközésre;; o működési módok:  beacon: cluster head superframe-ket (= vezérlő keret, 15 ms – 4 s, beacon csomag: 544 us, 16 részre osztva) ad ki szinkronizálási célra, vevő csak erre kel fel; akár 0,000216% duty cycle évekre elég elem;  non-beacon: vevő készenléti állapotban, folyamatosan figyel;  Master-slave: slave csak akkor szól masternek, ha esemény történikpending: master ezt majd engedélyezi;; - 42 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga o moduláció: konstans burkoló (lehet nemlineáris erősítőt használni, ez jobb hatásfokú), BPSK (900 MHz), O-QPSK (2,4

GHz);; o spektrumkiterjesztés: DS-SS, ami szélessávú jelet generál, így többutas terjedés nem oltja ki a jelet;; o jelerősség: adó: min -3 dBm; vevő: -92 dBm (900 MHz), -85 dBm (2,4 GHz), ez alacsony érzékenység, de így olcsó és így nem kell lineáris erősítő nagy árammal;; o QoS: PER (= Packert Error Rate) < 1%;  GTS (= Guaranteed Time Slot): alacsony késleltetés, dedikált időben adhat (CFP = Contention-Free Period), pl: tűzjelzés;  a többi időben bárki (CAP = Contention Access Period);; o hálózati komponensek: min 1 hálózati (= PAN) koordinátor és hálózati eszköz;  FFD (=Full Function Device, lehet network coordinator),  RFD (= Reduced Function Device, csak hálózati eszköz lehet);; o cím: egyedi 64 bites, de lehet rövid azonosítót hozzárendelni;; o topológiák:  csillag (koordinátornak nagy fogyasztása),  mesh (bonyolultabb routing),  cluster-tree (clusterhead-ek);; o csatorna control: CSMA-CA (= Carrier

Sense Multiple Access-Collision Control): belehallgat a csatornába, véletlen ideig vár és csomagot küld, ha foglalt, akkor újra vár véletlen ideig (back-off stratégia);  kivétel: beacon, GTS, ACK;; o hibacontrol: full-handshake protokoll; ha nincs ACK, akkor egész csomagot újraküldi; CRC (= Cyclic Redundancy Check): hiba detektálása checksum-al;  kivétel: beacon, ACK;; - 43 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga o frame típusok:  beacon: PANcoordinator használja, az adatforgalom szinkronizálására, felügyelet, starting time meghatározása, collision elkerülése, sleep megengedése amikor nincs üzenet, jó késleltetés biztosítása, refencia az óraszinkronizáláshoz; • MAC sublayer: MHR (= MAC HeadeR: frame control, sequence number, address), MSDU (= MAC Service Data Unit: superframe specification, GTS fields, pending address fields, beacon payload), MFR (= MAC FooteR: FCS); • PHY sublayer: SHR (= Synchronization HeadeR: preamble,

start of frame delimiter), PHR (= PHY HeadeR: frame length), PSDU (= PHY Service Data Unit);  data: minden eszköz küldhet; • MAC sublayer: MHR (= MAC HeadeR: frame control, sequence number, address), MSDU (= MAC Service Data Unit: data payload), MFR (= MAC FooteR: FCS); • PHY sublayer: SHR (= Synchronization HeadeR: preamble, start of frame delimiter), PHR (= PHY HeadeR: frame length), PSDU (= PHY Service Data Unit); - 44 - Mérö automatika rendszerek 2010 - Vizsga  ACK: minden eszköz küldhet, nincs MAC payload; • MAC sublayer: MHR (= MAC HeadeR: frame control, sequence number), MFR (= MAC FooteR: FCS); • PHY sublayer: SHR (= Synchronization HeadeR: preamble, start of frame delimiter), PHR (= PHY HeadeR: frame length), PSDU (= PHY Service Data Unit);  MAC command: minden eszköz küldhet; • MAC sublayer: MHR (= MAC HeadeR: frame control, sequence number, address), MSDU (= MAC Service Data Unit: command type, command payload), MFR (= MAC FooteR: FCS);

• PHY sublayer: SHR (= Synchronization HeadeR: preamble, start of frame delimiter), PHR (= PHY HeadeR: frame length), PSDU (= PHY Service Data Unit);; o service primitives: alacsonyszintű művelet, amivel komplex műveleteket lehet alkotni; szintek közötti átlépés SAP (= Service Acces Point)-on keresztül;  request (felső réteg kér valamit),  indication (alsó réteg jelez felsőnek),  response (felső réteg válaszol),  confirm (megerősítés alsó rétegtől);;;; - 45 -