ŠOLSKI CENTER ZA POŠTO, EKONOMIJO IN TELEKOMUNIKACIJE LJUBLJANA VIŠJA STROKOVNA ŠOLA DIPLOMSKA NALOGA ANA STRNIŠA Ljubljana, junij 2017
ŠOLSKI CENTER ZA POŠTO, EKONOMIJO IN TELEKOMUNIKACIJE LJUBLJANA VIŠJA STROKOVNA ŠOLA Študijski program: telekomunikacije DIPLOMSKA NALOGA MOTNJE IN NAPAKE PRI PRENOSU AVDIO IN VIDEO SIGNALOV Diplomantka: Ana Strniša Mentor: Alojz Ţeljko, univ. dipl. inţ. el. Lektor: France Ivančič, prof. slov. in nem. j. Vpisna številka: 12130083509 Ljubljana, junij 2017
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 2 ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju Alojzu Ţeljku, univ. dipl. inţ. el., za pomoč, usmerjanje in vodenje pri izdelavi diplomske naloge. Hvala tudi vsem drugim, ki so me pri tem spodbujali in mi stali ob strani.
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 3 IZVLEČEK Komunikacijski sistemi omogočajo prenos signalov ter s tem posredovanje avdio, video in podatkovnih vsebin od vira informacij do uporabnika. Pri tem je naloga prenosne linije prenesti signal najboljše kakovosti brez nezaţelenih stranskih produktov in motečih napak na prenesenem signalu. Ko potuje signal preko komunikacijskega kanala, je lahko izpostavljen številnim motnjam, kar ima za posledico poslabšanje kakovosti signala. V diplomski nalogi so na začetku predstavljene osnove komunikacijskega sistema, opisani so prenosni mediji s poudarkom na koaksialnem kablu in sukani parici, podrobneje je opisana zgradba kabla. Sledita predstavitev nekaterih pomembnejših vzrokov za nastanek motenj, to so tokovna zanka, strela ter frekvenčna disperzija, in predstavitev postopkov in rešitev za odpravo teh napak. Ključne besede: komunikacijski sistem, prenos signalov, koaksialni kabel, sukana parica, motnje, odprava napak. ABSTRACT Communication systems enable the signal transmission and thus the transmission of audio, video and data content from the source of information to the user. Transmission line needs to transfer quality signal without unwanted and disturbing errors in the transferred signal. When signal travels across communication channel it can be exposed to various impairments, which results in degradation of signal quality. At the beginning of the thesis the basics of the communication system are described, transmission mediums with focus on the coaxial cable and twisted pair and description of the cable construction. It follows the presentation of causes of signal impairments, these are current loop, lightning and frequency dispersion, and presentation of solutions to eliminate these errors. Key words: communication system, signal transmission, coaxial cable, twisted pair, impairments, elimination of errors.
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 4 KAZALO VSEBINE SEZNAM KRATIC... 6 1 UVOD... 7 2 OSNOVE KOMUNIKACIJSKEGA SISTEMA... 9 2.1 PRENOSNI MEDIJI... 11 2.2 ZGRADBA KABLA... 13 2.2.1 PREVODNIK... 13 2.2.2 NOTRANJA IZOLACIJA... 14 2.2.3 KABELSKI ŠČIT OKLOP... 14 2.2.4 ZUNANJA IZOLACIJA PLAŠČ... 16 2.3 SUKANA PARICA... 16 2.4 KOAKSIALNI KABEL... 20 3 VZROK ZA NASTANEK MOTENJ... 23 3.1 TOKOVNA ZANKA... 25 3.2 STRELA... 30 3.3 FREKVENČNA DISPERZIJA... 33 4 ODPRAVLJANJE NAPAK IN REŠITVE... 35 5 ZAKLJUČEK... 41 6 VIRI IN LITERATURA... 43 KAZALO SLIK Slika 1: Osnovna shema komunikacijskega sistema... 9 Slika 2: Prenosni mediji... 12 Slika 3: Prevodnik... 13 Slika 4: Vrste kabelskih ščitov: prepleten ovoj, spirala in folija... 15 Slika 5: Sukana parica... 16 Slika 6: UTP-kabel s konektorjema RJ11 in RJ45... 17 Slika 7: Slabljenje signala v odvisnosti od debeline ţice in frekvence... 19 Slika 8: Koaksialni kabel... 20 Slika 9: Frekvenčna karakteristika kabla... 21 Slika 10: Tokovna zanka... 26
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 5 Slika 11: Uporaba ločilnega transformatorja... 27 Slika 12: Komponenti, povezani s kablom, po katerem teče tok skozi ščit prevodnika... 28 Slika 13: Simetrična povezava... 30 Slika 14: Ločevanje naboja v nevihtnem oblaku... 31 Slika 15: Nastanek intersimbolne motnje... 34 Slika 16: Prekinitev na oklopu vodnika... 35 Slika 17: Vezava upora v oklopu vodnika... 36 Slika 18: Vezava ločilnega transformatorja... 36 Slika 19: Ločilni transformator... 37 Slika 20: Feritna dušilka... 37 Slika 21: Shema diferenčnega ojačevalnika... 38 Slika 22: Iskrišče in plinski odvodniki... 39 Slika 23: Varistor... 40 KAZALO TABEL Tabela 1: Kategorije UTP-kablov v povezavi s hitrostjo prenosa... 18
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 6 SEZNAM KRATIC AM AWG CATV EMI FM FTP ISI LAN UTP STP RFI amplitude modulation amplitudna modulacija American wire gauge debelina ţice community antenna television kabelska televizija electro magnetic interference elektromagnetna interferenca frequency modulation frekvenčna modulacija foiled twisted pair s folijo ovita sukana parica intersymbol interference intersimbolna interferenca local area network lokalno računalniško omreţje unshielded twisted pair neoklopljena sukana parica shielded twisted pair oklopljena sukana parica radio frequency interference radiofrekvenčna interferenca
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 7 1 UVOD Začetek razvoja telekomunikacij in prenosa informacij sega daleč v preteklost, ko so si ljudje izmenjevali informacije s pomočjo dimnih in svetlobnih signalov ter preko zvočnih siren. Napredek na področju telekomunikacij je skozi stoletja prinesel nove moţnosti, naprave ter tehnologije. Izum telegrafa in telefona v 19. stoletju je bil prvi preboj v sodobni telekomunikaciji. Samuel Morse, ki je izumil telegraf, je razvil tudi tako imenovano Morsejevo abecedo oziroma kodo, ki je z zapisom kodiranih črk in številk omogočala hitro in učinkovito komuniciranje na daljše razdalje. Prvi čezatlantski telegrafski kabel leta 1858 je lahko pri takratni hitrosti poslal le 1 znak v dveh minutah, zaradi česar so potrebovali za prvo sporočilo, poslano po kablu med Severno Ameriko in Anglijo, kar 17 ur. Danes ob podpori sodobnih tehnologij informacije potujejo veliko hitreje. Komunikacijski sistemi omogočajo prenos informacijskih vsebin, kot so avdio, video in podatki, širom sveta preko dolgih razdalj. Pri tem se vse bolj zavedamo pomena zanesljivega in dobro načrtovanega oţičenja sistema. Uporaba kablov v telekomunikacijah se je pričela v sredini 19. stoletja. Dolgo časa so prevladovali koaksialni kabli ter parice, v zadnjih letih pa se je zelo razvila tudi optika. V diplomski nalogi se bom osredotočila predvsem na prenos signalov po koaksialnem kablu in sukani parici, pri čemer poteka prenos podatkov na osnovi prenosa električnega toka. Vsak izmed njiju ima določene lastnosti, zaradi katerih je eden bolj, drugi pa manj primeren za uporabo v določenih situacijah. Pri prenosu signalov preko komunikacijskega kanala je ta lahko izpostavljen različnim virom motenj in hitro se zgodi, da so poleg koristnega signala prisotna tudi razna popačenja, šumi ali interferenca. Poslano sporočilo je lahko zaradi teh napak popačeno v tolikšni meri, da pride do sprejemnika neprepoznavno ali da ga sprejemnik celo narobe razume. Obstaja veliko različnih moţnosti za oţičenje, s čimer lahko zmanjšamo nezaţeleno pojavljanje motenj na liniji. V diplomski nalogi bom poskušala odgovoriti na vprašanja, kako vplivajo na kakovost prenosa signalov motnje iz omreţja, udarci strele v bliţino
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 8 kablov, presluhi med vodniki ter šumi. Najti bom poskušala ustrezne rešitve za nekatere probleme pri prenosu signalov in predstaviti moţnosti za izogibanje napakam, ki se pri tem pojavljajo. Če se pri načrtovanju sistema opiramo na preproste rešitve in tehnike, lahko v večini vplivamo na zmanjšanje in odpravo napak. Učinke šuma lahko zmanjšamo s skrbnim načrtovanjem, pravilno namestitvijo, izbiro ţic in kablov, zaščito ter ozemljitvijo.
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 9 2 OSNOVE KOMUNIKACIJSKEGA SISTEMA Prenos podatkov od izvora do cilja omogoča komunikacijski sistem. Osnovni elementi vsakega komunikacijskega sistema so vir informacij, oddajnik, prenosni kanal, sprejemnik ter prejemnik oziroma uporabnik informacije. Naloga oddajnika je, da pretvori informacijo v signal, ki je primeren za prenos po določeni prenosni liniji, sprejemnik pa te prejete signale nato pretvarja v obliko, ki je razumljiva prejemniku informacije ali napravi. VIR INFORMACIJ ODDAJNIK PRENOSNI KANAL SPREJEMNIK UPORABNIK Slika 1: Osnovna shema komunikacijskega sistema Prenos signala je moţen na dva različna načina, in sicer kot prenos analognega signala ter kot prenos digitalnega signala. Osnovne razlike med njima so v tem, da se pri analognem signalu vrednost spreminja zvezno in da ima signal na nekem intervalu neskončno različnih vrednosti. Pri digitalnem oziroma t. i. diskretnem signalu pa se vrednost spreminja diskretno z omejenim končnim številom vrednosti (»1«ali»0«). Prenosni kanal transportira signale, pri čemer se lahko zgodi, da so poleg koristnega signala prisotna tudi razna popačenja, šumi ali interferenca. Vsekakor je zelo pomembno, da je poslana informacija na začetku kar se da podobna informaciji, ki pride do uporabnika; v primeru digitalnega sistema pa identična (povz. po Malarič, 2009). OSNOVNOPASOVNI IN ŠIROKOPASOVNI PRENOS V sistemu osnovnega pasu (ang. baseband) so podatki različnih uporabnikov zdruţeni skupaj v obliki digitalnega signala. S prenosom v osnovnem pasu je celoten komunikacijski kanal uporabljen za prenos enega samega podatkovnega signala, pri tem pa je lahko uporabljen širši spekter kablov od kompleksnih koaksialnih do preprostih paric. Širokopasovni sistem (ang. broadband) uporablja analogni signal in mnoţico frekvenc. Zato je treba imeti kabel z večjo pasovno širino; taki so koaksialni kabli, razviti za sistem
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 10 kabelske televizije. Širokopasovni sistem lahko prenaša digitalne in analogne signale in lahko sprejme več video, avdio in podatkovnih kanalov (povz. po BICC, 1997, str. 755). ANALOGNI IN DIGITALNI SISTEMI Analogni sistemi uporabljajo za predstavitev informacije različne lastnosti električne energije, kot so tok, napetost ali frekvence, v digitalnih sistemih pa so informacije v obliki digitalnih binarnih številk bitov. Z nenehno potrebo po povečanju zmogljivosti za prenos podatkov je digitalni sistem v prednosti, ker se lahko z razmeroma nizkimi stroški elektronike bistveno poveča zmogljivost nizkocenovnih kablov. Za razliko od analognega sistema, kjer se ob ojačenju signala ojačijo tudi morebitni šum in napake, pa pri digitalnem sistemu vsak repetitor obnavlja impulze, tako da lahko ti potujejo skozi»hrupen«medij. Digitalni prenos seveda zahteva večjo pasovno širino kot analogni, vendar pa lahko deluje tudi pri niţjem razmerju signal šum. Glavni dejavniki, ki so v prid digitalnemu prenosu, so zasnova sistema, povečanje zmogljivosti z uporabo repetitorjev, zmanjšanje stroškov in navsezadnje vse večja potreba po prenosu digitalnih podatkov po omreţjih (povz. po BICC, 1997, str. 756). SIMETRIČNI IN NESIMETRIČNI SISTEMI Pri simetričnih sistemih (ang. balanced), kjer je uporabljeni kabel parica, sta oba vodnika simetrična in imata enake impedance glede na zemljo, tako da je ena ţica pozitivna, druga pa negativna proti zemlji. Sprejemnik signala se odzove na vsakršno diferencialno napetost med linijami in zavrne signal, ki spremeni napetost hkrati na obeh linijah. V primeru, da imata vodnika v parici enake lastnosti prenosne linije, se delovanje motečih dejavnikov oziroma interference zmanjša. Nesimetrični sistem (tudi asimetrični, ang. unbalanced) ima vodnika, katerih impedanci sta neenaki, in čeprav se lahko v teh sistemih uporabljajo tudi parice, je bolj tipičen primer nesimetričnega kabla ravno koaksialni kabel (povz. po BICC, 1997, str. 756). PASOVNA ŠIRINA IN PODATKOVNA HITROST Informacije, ki jih posredujemo preko telekomunikacijskih omreţij, so v obliki električnega toka ali napetosti. Vrednost tega toka ali napetosti se spreminja skozi čas in vsebuje informacije. Prenesene informacije so sestavljene iz več frekvenc, razpon teh
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 11 frekvenc pa imenujemo pasovna širina. Govor, ki je najpogostejša oblika sporočila v telekomunikacijah, vsebuje skupaj veliko različnih frekvenc, amplitud in faz. Frekvenčno območje, ki je potrebno za kakovosten in dober prenos informacije v obliki govora, je v razponu od 300 do 3400 Hz, kar hkrati predstavlja tudi pasovno širino govora. V splošnem velja, da predstavlja pasovna širina maksimalno količino prenesenih podatkov v določenem času po omreţju, medtem ko je podatkovna hitrost čas, potreben za prenos teh podatkov od vira do cilja. Pasovna širina je skupaj s šumom tudi pomemben dejavnik pri določanju zmogljivosti prenosa informacij po telekomunikacijskih kanalih (povz. po BICC, 1997, str. 757). Poznamo dve vrsti prenosnih medijev oziroma kanalov: ţični in brezţični. Pri ţičnem oddajnik fizično poveţemo s sprejemnikom preko ţice oziroma kabla, prenos podatkov pa poteka na osnovi prenosa električnega toka. Kot medij je lahko uporabljen koaksialni kabel ali pa parica prepleteni par bakrenih ţic. Posebna oblika ţične povezave je optično vlakno, kjer svetlobni vir omogoča prenos signalov. V primeru brezţičnega prenosnega medija pa prenos podatkov poteka preko elektromagnetnega valovanja. 2.1 PRENOSNI MEDIJI Pod prenosnimi mediji razumemo vse poti in tehnične moţnosti, po katerih lahko prenašamo neke podatke ali električne signale na daljavo. V grobem jih lahko delimo na ţične in brezţične medije. Slika 2 prikazuje osnovno delitev prenosnih medijev glede na njihovo uporabo. K brezţični povezavi, ki je zasnovana na elektromagnetnem valovanju, prištevamo več skupin povezav, in sicer: radijske zemeljske povezave, mikrovalovne usmerjene povezave, satelitske ter infrardeče povezave.
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 12 KOAKSIALNI KABEL (tok) ŽIČNA POVEZAVA SUKANA PARICA (tok) PRENOSNI MEDIJ OPTIČNI KABEL (svetloba) BREZŽIČNA POVEZAVA ELEKTROMAGNETNO VALOVANJE Slika 2: Prenosni mediji Čeprav je brezţična povezava danes v velikem prodoru, je večina omreţij in naprav med seboj še vedno povezanih preko kablov. Uporaba kablov v telekomunikacijah se je pričela v sredini 19. stoletja. Dolgo časa so prevladovali koaksialni kabli ter parice, v zadnjih letih pa se je zelo razvila tudi optika. Vsako omreţje omogoča nekaj fleksibilnosti pri izbiri ustreznega kabla za prenos podatkov, avdia ali videa. Na odločitev, kateri kabel izbrati, vplivajo številni dejavniki. Vsak kabel ima določene lastnosti, zaradi katerih je eden bolj, drugi pa manj primeren za uporabo v določenih situacijah oziroma lahko vpliva na izbiro ene vrste kabla namesto drugega. Od zunaj so si kabli zelo podobni, od znotraj pa se lahko povsem razlikujejo v svoji zgradbi in električnih lastnostih. Zgradba kabla, uporabljeni vodniki, vrsta izolacijskega materiala in zaščite, kontrola kakovosti ter številni drugi dejavniki prispevajo k učinkovitosti in zanesljivosti delovanja kabla. Poznavanje zgradbe kabla, njegovih električnih lastnosti ter osnov uporabe je lahko v pomoč pri izbiri ustreznega kabla za posamezen sistem in njegovi namestitvi. Sistemi, ki lahko uporabljajo kabel kot prenosni medij, vključujejo telefon, radio, televizijo in prenos podatkov, vključenih v tako imenovano multimedijsko storitveno dejavnost domače bančništvo, nakupovanje, video na zahtevo...
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 13 V nadaljevanju poglavja se bom osredotočila predvsem na električne prenosne medije oziroma ţične kable, kot sta parica ter koaksialni kabel. Pri takšnem prenosu potuje informacija vzdolţ ţičnega vodnika oz. prevodnika iz ene točke do druge točke v električnem omreţju. V osnovi je kabel sestavljen iz dveh delov osrednjega električnega prevodnika in izolacije oziroma zaščite. Zasnova kabla mora biti takšna, da se uporabljeni materiali zaradi ohranjanja mehanskih in električnih lastnosti ne smejo segreti nad dopustno mejo, da je čim manjša poraba energije ter da je kabel ustrezno zaščiten pred zunanjimi vplivi. 2.2 ZGRADBA KABLA 2.2.1 PREVODNIK Nekateri materiali so boljši prevodniki oziroma vodniki električnih signalov kot drugi. Najpogosteje uporabljen električni vodnik dandanes je baker, ki ima določene prednosti, saj ga odlikujejo nizka električna upornost, visoka trdnost ter visoka odpornost proti koroziji. Vodnik ali osrednja ţila je lahko sestavljena iz ene ali več manjših ţic, ki lahko potekajo ena ob drugi ali pa so prepletene ter tako tvorijo en sam sklop, kar je videno tudi na sliki 3. Slika 3: Prevodnik (http://www.cmewire.com/catalog/sec02-bcc/images/bcc.jpg) Bakrene ţice v kablu imajo lahko na površini še tanjšo plast katere druge kovine, na primer kositra, zlata ali srebra. Te so manj dovzetne na vplive iz okolja, oksidacijo in korozijo ter
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 14 tako pripomorejo k daljši ţivljenjski dobi ţice in izboljšajo prevodnost, ker pri visokih frekvencah teče večina toka po obodu ţice (skinefekt). Kabel, katerega vodnik je sestavljen iz več bakrenih ţic (lahko tudi prepletenih), se načeloma uporablja za drugačne aplikacije kot vodnik z eno samo ţico. Med seboj prepleteni vodniki omogočajo večjo trdnost kablu ter povečajo njegovo fleksibilnost (povz. po Lampen, 1997, str. 15). 2.2.2 NOTRANJA IZOLACIJA Osrednja ţica je lahko obdana z zaščito oziroma izolacijo. V primeru, da ţica ni obdana z izolatorjem, je večja izpostavljenost kabla negativnim vplivom okolja, kot sta oksidacija in korozija. Obstaja veliko različnih vrst izolacijskih materialov in vsak ima svoje prednosti ter slabosti, pri čemer pa je ustrezna izbira odvisna tudi od namena uporabe kabla. Namen izolacije je vsekakor zaščita prevodnika ter preprečitev nezaţelenih pojavov, na primer presluha. Izolaciji lahko pravimo tudi dielektrik. Izraz dielektrik se običajno uporablja za označevanje zmogljivosti hranjenja energije v materialu. Dielektrični material in njegova sestava sta ključnega pomena v povezavi z drugimi lastnostmi kabla, kot so kapacitivnost, impedanca in slabljenje. Ti parametri določajo moč in jakost signala ter razdaljo prenosa. Vodniki so večinoma obdani z izolacijo iz plastike in vsak material, ki je pri tem uporabljen, ima svojo tako imenovano dielektrično konstanto. Niţja številka dielektrične konstante pomeni boljši material, manj shranjene energije ter posledično boljši prenos signalov oziroma večji in boljši pretok energije do končne sprejemne točke. Priporočljivo je izbrati dielektrik z odličnimi električnimi lastnostmi, ki omogoča niţjo kapacitivnost in višjo hitrost širjenja ter s tem niţje izgube in zmanjšano slabljenje signala (povz. po http://www.ti.com/lit/an/snla164/snla164.pdf). 2.2.3 KABELSKI ŠČIT OKLOP Kabelski ščit ali oklop je pomemben predvsem zaradi preprečitve sevanja elektromagnetnih valov iz kablov oziroma za zaščito podatkov in signalov pred zunanjimi
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 15 elektromagnetnimi motnjami in šumi. Oklop je lahko nameščen na posameznih vodnikih, parici ali pa preko celotnega snopa kabelskih elementov. Tipični kabli uporabljajo tri osnovne vrste oklopov: folijo, pleten ovoj ter spiralo. a) b) c) Slika 4: Vrste kabelskih ščitov: prepleten ovoj, spirala in folija (http://www.awcwire.com/techlibrary/16.12.pdf) V smislu stroškov je prepleten ovoj med najdraţjimi in je sestavljen iz bakrenih ali aluminijastih vlaken, ki so med seboj prepletena okoli notranjega prevodnika (ali več notranjih prevodnikov), ter tako zagotavlja učinkovito zaščito in dobro prilagodljivost in upogljivost. Tipična prekritost prepletenega ovoja je med 80 % in 95 %. Ti ovoji so idealni za zmanjševanje interference pri nizkih frekvencah in imajo niţjo upornost pri enosmernem toku. Prepleten ovoj se največkrat uporablja pri mikrofonskih kablih zaradi njihove nizke induktivnosti (povz. po www.prosoundweb.com/article/cable_anatomy_ 101_key_factors_to_keep_in_mind/). Spiralni ovoj je sestavljen iz običajno bakrene ţice, ki je spiralno zvita okoli notranjega prevodnika. Izjemna fleksibilnost, upogljivost in 97-odstotna prekritost zaščite so večje prednosti tega ovoja, ki je tudi najbolj primeren za uporabo pri avdio kablih, na primer za kitare. Folija spada med najcenejši ščit in nekatere zagotavljajo popolno, 100-odstotno prekritost, kar predstavlja učinkovito zaščito pri radiofrekvenčnih motnjah RFI. Sestavljena je iz aluminijaste folije, plastificirane s poliestrom; imajo tudi dobro prilagodljivost, vendar slabšo upogljivost ter ţivljenjsko dobo kot ostali kabelski ščiti. Pogosto se uporablja za zaščito tako posameznih vodnikov v kablu kot tudi večţilnih kablov (povz. po http://www.ti.com/lit/an/snla164/snla164.pdf).
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 16 2.2.4 ZUNANJA IZOLACIJA PLAŠČ Zaščitni plašč predstavlja zaščito proti motečim zunanjim dejavnikom, katerim je kabel podvrţen, obenem pa kablu zagotavlja trdnost. Največ se uporablja PVC, ki je odporen proti pritiskom ter kemičnim vplivom. Ima dobro proţnost ter upogljivost pri nizkih temperaturah in izpolnjuje vrsto zahtev glede vnetljivosti (povz. po http://www.ti.com/ lit/an/snla164/snla164.pdf.). 2.3 SUKANA PARICA Sukana parica je sestavljena iz para izoliranih sukanih bakrenih ţic. Je najcenejši in najpogosteje uporabljen medij v telefonskem omreţju in lokalnem računalniškem omreţju (LAN, ang. local area network), uporablja pa se lahko tako za digitalni kot analogni prenos signalov. Uporaben frekvenčni spekter pri sukani parici je okoli 1 MHz, kapaciteta kanala oziroma hitrost prenosa pa je 2 3 Mbps (povz. po Stallings, 2006, str. 107). Novejši standardi za prenos po sukani parici uporabljajo tudi do 2,2 MHz spektra. Slika 5: Sukana parica (https://3.imimg.com/data3/cm/tk/my-5375660/cat-5e-twisted-pair-cable-250x250.jpg) Pri prenosu obstaja obratno sorazmerje med razdaljo in hitrostjo prenosa podatkov, kar pomeni, da je v primeru večjih razdalj večji tudi vpliv napak in oslabitev, ki zmanjšajo hitrost prenosa podatkov. Sukana parica je precej občutljiva na zunanje motnje, šum in popačenja, vključno z elektromagnetno interferenco (EMI, ang. electromagnetic interference), radiofrekvenčno interferenco (RFI), občutljivost je lahko večja tudi zaradi
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 17 vpliva vlage in korozije. Nezaţelene učinke lahko zmanjšamo s številnimi ukrepi. Učinkovita zaščita oziroma izolacija ţice pripomore k zmanjšanju občutljivosti na motnje, zvijanje ţice pa zmanjšuje nizkofrekvenčne motnje in presluh. Posamezne parice imajo različno število zavojev na 1 m dolţine, zato je presluh med paricami istega kabla manjši. Pri prenosu analognih signalov so potrebni ojačevalniki vsakih 5 6 km, za digitalni prenos pa repetitorji vsakih 2 3 km. To pa hkrati pomeni več komponent, ki jih je treba vzdrţevati, in več točk, kjer se lahko pojavijo teţave, kar vodi k višjim stroškom v smislu dolgoročnega delovanja (povz. po Stallings, 2006, str. 107). Poznamo dva tipa sukanih paric: zaščitene in nezaščitene. Nezaščitena sukana parica (UTP, ang. unshielded twisted pair) je navadna telefonska ţica, najcenejša med vsemi prenosnimi mediji, enostavna za uporabo in namestitev, ki se običajno uporablja za lokalna omreţja in telefonske linije. UTP-kabel je občutljiv na zunanje elektromagnetne motnje in šum s strani drugih naprav v bliţini. Ena izmed moţnih teţav je tudi presluh, na katerega je UTP-kabel zelo občutljiv. Več ko je zavojev parice na meter ţice, manjša je moţnost presluha. Nezaţelene učinke lahko zmanjšano s prepletenim kabelskim ovojem ali folijo; tak zaščiten sukan par (STP, ang. shielded twisted pair, in FTP, ang. foiled twisted pair) zagotavlja boljše rezultate pri višjih hitrostih prenosa podatkov, vendar pa pomeni tudi večji strošek. Pri kablih FTP in STP z oklopi dodatno tudi zmanjšamo moţnost presluha (povz. po Hura in Singhal, 2001, str. 178). Več prepletenih parnih ţic je pogosto sklenjenih skupaj in tvorijo parični kabel. Število paric v kablu je različno. V omreţjih se večinoma uporabljajo kabli s štirimi ali dvema paroma sukanih paric, vsaka od ţic v parici pa je označena z barvo, kar omogoča tudi laţjo identifikacijo. Kabli z dvema paroma paric uporabljajo konektor RJ-11, kabli s štirimi pa konektor RJ-45. Slika 6: UTP-kabel s konektorjema RJ11 in RJ45 (http://www.lextec.com/cab_modular.html)
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 18 Sukana parica je primerna tako za prenos govora kot podatkov. Karakteristična impedanca neoklopljene parice je pribliţno 100 ohmov, ţice pa so od debeline 0,4 0,9 mm (povz. po Stallings, 2006, str. 107). Parične kable delimo v več kategorij, odvisno od hitrosti povezave (tabela 1). Tabela 1: Kategorije UTP-kablov v povezavi s hitrostjo prenosa (Povz. po Hura in Singhal, 2001, str. 179.) KATEGORIJA UTP Kategorija 1 UTP Kategorija 2 UTP Kategorija 3 UTP Kategorija 4 UTP Kategorija 5 UTP Kategorija 6 HITROST PRENOSA 2400 b/s 4 Mb/s 16 Mb/s 20 Mb/s 100 Mb/s 250 Mb/s Splošne lastnosti sukane parice (povz. po http://ecomputernotes.com/computernet workingnotes/communication-networks/twisted-pair): Debelejša je ţica, manjša je upornost, močnejši je signal pri določeni razdalji ter s tem boljše delovanje medija. Debelina ţice (AWG, ang. American wire gauge) je regresivna, kar pomeni: večja ko je številka, tanjši je prevodnik. Učinkovita zmogljivost sukane parice in njene pasovne širine je odvisna od več dejavnikov: debeline prevodnika, dolţine kabla in razmika med ojačevalniki/repetitorji. Višja frekvenca lahko povzroči motnje (presluh) v delovanju drugih signalov na drugih parih v kablu ali na paricah v bliţini. Sukana parica je občutljiva na zunanje dejavnike oziroma motnje, še posebej zaradi dejstva, da se obnaša kot antena ter tako absorbira oddaljene signale. Potencialni vir EMI so električni motorji, radijski oddajniki in neonske svetilke. Ko frekvenca prenosa narašča, je kakovost bakrenega prevodnika močno degradirana in poveča se slabljenje signala.
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 19 Slika 7: Slabljenje signala v odvisnosti od debeline žice in frekvence (Stallings, 2006, str. 108.) Uporabna razdalja sukane parice je omejena. Ko se razdalja med elementi omreţja pri dani frekvenci povečuje, se hkrati poveča tudi slabljenje signala in zmanjšuje njegova kakovost. Ob povečanju pasovne širine se poveča nosilna frekvenca in slabljenje postane večji problem, zato morajo biti ojačevalniki (repetitorji) razporejeni pogosteje. Zaradi razvitega izboljšanega delovanja UTP-kabla se je njegova uporaba povečala predvsem pri aplikacijah na krajših razdaljah, kot so telefonska linija, krajevne zanke in omreţje LAN. Na splošno gledano se UTP večinoma ne uporablja več za daljše razdalje prenosnih sistemov ali zunaj poslovnih prostorov. Poleg povečane občutljivosti na zunanje dejavnike je pomembno tudi dejstvo, da UTPkabel ponuja slabo varnost, kar pomeni, da mu lahko na relativno enostaven način prisluškujejo. Slabost pa je tudi njegova tanka zgradba, zaradi česar lahko kabel hitreje poči oziroma se poškoduje.
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 20 2.4 KOAKSIALNI KABEL Koaksialni kabel je sestavljen iz notranjega prevodnika, ki je lahko enojna samostojna ţica ali pa je v snop ovitih več ţic. Ta prevodnik nato obdajata notranja izolacija ter kabelski ščit, celoten kabel pa je potem prekrit še s PVC-plaščem. Premer koaksialnega kabla je lahko med 0,6 in 2,5 cm, uporablja pa se lahko za daljše razdalje kot sukana parica (povz. po Hura in Singhal, 2001, str. 181). Slika 8: Koaksialni kabel (https://www.copper.com/cart/rg213-95pct-shield-coax) Koaksialni kabel prenaša signale višjih frekvenčnih območij v primerjavi s sukano parico. Poznamo dve vrsti koaksialnih kablov, ki se pogosto uporabljata: 50-ohmski baseband in 75-ohmski broadband kabel. 50-ohmski kabel se uporablja za digitalni prenos podatkov, medtem ko se 75-ohmski uporablja za prenos analognih in digitalnih video signalov (povz. po Hura in Singhal, 2001, str. 182). Vsestranskost tega prenosnega medija omogoča njegovo uporabo v različnih aplikacijah, kot so na primer kabelska televizija, ethernetna LAN-omreţja, digitalni prenos, vendar pa je treba omeniti, da se koaksialni kabel sooča tudi z vse večjo konkurenco optičnih vlaken. Pogosto se uporablja tudi pri povezavi krajšega dosega, med različnimi računalniškimi napravami. Kot je razvidno iz slike 9, ima koaksialni kabel frekvenčne karakteristike, ki so boljše od sukane parice (na sliki 7) in se lahko tako učinkovito uporablja pri višjih frekvencah in prenosih podatkov.
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 21 Slika 9: Frekvenčna karakteristika kabla (Stallings, 2006, str. 108.) Zaradi svoje zaščite in konstrukcije je koaksialni kabel precej manj občutljiv na interference in prisluškovanja kot sukana parica. Glavne omejitve glede učinkovitosti so slabljenje, termični šum in intermodulacijski šum. Slednji je prisoten le, če je na kablu v uporabi več frekvenčnih pasov. Za prenos na dolge razdalje analognih signalov so potrebni ojačevalniki vsakih nekaj kilometrov, v primeru višjih frekvenc pa so te razdalje manjše. Uporaben frekvenčni spekter za analogni prenos je do 500 MHz. Za digitalni prenos pa so repetitorji potrebni na skoraj vsak kilometer, v primeru višje hitrosti prenosa pa še pogosteje (povz. po Stallings, 2006, str. 112). Baseband 50-ohmski koaksialni kabel je bil prvotno uporabljen za sistem ethernet, ki deluje na 10 Mbps. Pri prenosu digitalnih signalov v analognem omreţju mora vsak vmesnik imeti analogno/digitalne pretvornike. Splošne lastnosti koaksialnega kabla (povz. po http://ecomputernotes.com/computernet workingnotes/communication-networks/twisted-pair): Profil koaksialnega kabla je debelejši kot pri sukani parici. S tem se poveča razpoloţljiva pasovna širina in uporabna razdalja prenosa, hkrati pa se povečajo tudi stroški izdelave.
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 22 Dejanska zmogljivost koaksialnega kabla je odvisna od več dejavnikov: od širine notranjega prevodnika do razdalje med ojačevalniki. Razpoloţljiva pasovna širina preko koaksialnega kabla je zelo pomembna in se uporablja pri prenosu slike ali podatkov. K učinkovitosti kabla pripomore tudi dober zunanji ščit oziroma plašč kabla. Koaksialni kabel je precej varen in je prisluškovanje precej teţje kot pri sukani parici. Pri izdelavi koaksialnega kabla nastane več stroškov, vendar pa pozitivne značilnosti koaksialnega kabla pogosto prevladajo nad stroški ravno pri visokih zmogljivostih podatkovnih aplikacij.
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 23 3 VZROK ZA NASTANEK MOTENJ Ko se signal prenaša preko komunikacijskih kanalov, je lahko izpostavljen različnim vrstam motenj, ki vplivajo nanj in ga tako oslabijo. Rezultat tega je, da prejeti signal na sprejemniku ni enak poslanemu signalu na oddajniku. Posledice okvare signala se kaţejo na različne načine za analogne in digitalne signale. Pri analognem signalu se spremembe kaţejo v popačenju signala, medtem ko na drugi strani pri digitalnem signalu pride do napak pri bitnih vrednostih (povz. po Held, 2000). Pri prenosu analognih signalov je ena najbolj kritičnih zahtev varovanje podatkov. Pri prenosu so izgube signala neizogibne, do njih pa pride zaradi različnih električnih motenj. Šum in izgube sta dva poglavitna problema pri prenosu analognih signalov. Šum je opredeljen kot nezaţelen električni ali magneti pojav, zaradi katerega pride do popačenja sporočila. Šum lahko glede na izvor razdelimo v dve skupini, in sicer zunanji ter notranji. Medtem ko je notranji šum povezan s komponentami kabla in samim signalom, pa so vzroki zunanjega šuma naravni ali umetni električni ali magnetni pojavi, ki vplivajo na poslani signal. Šum omejuje sposobnost pravilne identifikacije poslanega sporočila in zato s tem omejuje prenos podatkov (povz. po http://www.omega.com/literature/ transactions/transactions_vol_ii.pdf). Ali šum negativno vpliva na pravilno delovanje sistema, je odvisno od razmerja med skupno močjo signala in skupno ravnjo šuma. To imenujemo razmerje signal šum. Merimo ga v decibelih (db). S / N db P 10 log P S N P S je moč signala. P N je moč šuma. Če je moč signala velika v primerjavi s šumom, potem lahko šum pogosto zanemarimo. Vseeno pa lahko na velikih razdaljah, kjer signal potuje z omejeno močjo, šum popolnoma prekrije koristni signal.
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 24 Čeprav je lahko notranja in zunanja interferenca problematična pri pošiljanju analognih signalov, se analogni prenos signalov dokaj široko in uspešno uporablja v industriji. Učinke šuma lahko zmanjšamo s skrbnim načrtovanjem, pravilno namestitvijo, izbiro ţic in kablov, zaščito ter ozemljitvijo. Eden od načinov, s katerimi poskušajo inţenirji zmanjšati učinke šuma, je povečanje razmerja signal šum. To vključuje povečanje moči signala, ki se pošilja. Čeprav to deluje v nekaterih primerih, ima tudi svoje omejitve. S povečanjem moči signala se poveča amplituda signala, kar okrepi signal, hkrati pa tudi šum (povz. po http://www.omega.com/literature/transactions/transactions_vol_ii.pdf). Ozemljitev je prevodna pot za tok med električnim vezjem in zemljo. Pravilna ozemljitev je bistvenega pomena za učinkovito delovanje katerega koli merilnega sistema, naprave ali aparature. Nepravilna ozemljitev lahko povzroči ozemljitveno zanko in s tem dovzetnost za motnje. Ozemljitvene ţice so običajno izdelane iz materialov, ki imajo zelo nizko upornost. Predstavljajo zaščito pred nezaţelenimi sofaznimi signali in preprečujejo stik z nevarnimi napetostmi. Ozemljitvena zanka nastane, ko je več točk (lahko tudi samo dve) v električnem sistemu ozemljenih pripetih na različne potenciale. Obstaja veliko različnih ozemljitvenih tehnik, namenjenih ne le zaščiti podatkov, ki se prenašajo, ampak tudi zaščiti opreme, naprav in ljudi. Obstajata dva modela, po katerih bi morali biti ozemljeni vsi sistemi in naprave. Prvi je ta, da morajo biti ozemljene vse merilne in snemalne naprave, tako da se lahko meritve opravijo z moţnostjo ničelne napetosti. To zagotavlja, da potenciali ne pridejo v stik z merilnimi napravami in da ohišje opreme ne prenaša napetosti. Za ozemljitev ohišja potrebujemo povezavo enega ali več bakrenih vodnikov, ki so povezani z ozemljitveno palico oziroma omreţjem. Ta sistem ozemljitve daje podlago za zavrnitev motilnih sofaznih signalov (brnenje). Zelo je pomembno, da je taka ozemljitev stabilna (povz. po http://www.omega.com/literature/transactions/ transactions_vol_ii.pdf). Druga ozemljitev pa je vezana na signal. Pri tem je treba zagotoviti stabilen referenčni okvir za merjenje vseh signalov na nizki ravni. Zelo je pomembno, da je signalna ozemljitev ločena in izolirana od električne ozemljitve, kajti če bi bila povratna signalna
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 25 linija ozemljena na izvoru signala in na ohišju naprave, bi lahko razlika v potencialu med dvema ozemljitvama povzročila kroţenje toka. Le-ta bi bil neposredno dodan signalu iz merilnega inštrumenta. Ozemljitvena zanka lahko povzroči na signalu 100-krat večjo motnjo, kot je originalen signal (povz. po http://www.omega.com/literature/ transactions/transactions_vol_ii.pdf). Drug pomemben vidik, ki ga je treba upoštevati pri prenosu analognih signalov, je ustrezna napeljava, ki lahko učinkovito zmanjša motnje. Za analogni prenos signala se običajno uporabljajo dvo- ali triţilni kabli. V sistemih, ki zahtevajo visoko natančnost, je tretji vodnik, tako imenovani oklop, nujen. V konfiguraciji s tremi ţicami je oklop ozemljen na izvoru signala zaradi zmanjšanja motenj skupnega signala. Vendar pa to ne izključuje vseh moţnosti nastanka motenj brnenja (ang. hum). Bistveno je, da so zaščitene signalne linije, s čimer se prepreči prestrezanje motenj, na primer takrat, kadar sta motnja in frekvenca signala v istem frekvenčnem pasu, kajti signal v napravi ne more biti izoliran ločeno od motnje (povz. po http://www.omega.com/literature/transactions/transactions_vol_ii.pdf). Na splošno se dvoţilni transportni mediji uporabljajo za prenos analognih signalov. Prenos izmeničnega toka in napetosti lahko v bliţnjem vodniku povzroči motnje. Te nastanejo zaradi različnih razdalj ţic od izvora motečega signala. Obstaja veliko različnih moţnosti za oţičenje, s čimer zmanjšamo nezaţeleno prestrezanje motenj na liniji. Koaksialni kabel in sukana parica sta ena izmed alternativ za zaščito podatkov pred motnjami. Koaksialni kabli ne proizvajajo zunanjih električnih in magnetnih polj in te imajo nanje tudi minimalen vpliv. To pomeni, da so idealna, čeprav draţja rešitev za prenos signalov (povz. po http://www.omega.com/literature/transactions/transactions_vol_ii.pdf). 3.1 TOKOVNA ZANKA Glavni vzrok za nastanek brnenja, interference in motnje v avdio, video in računalniških sistemih je tokovna zanka (ang. ground loop). Tokovna zanka je lahko posledica neustreznega načrtovanja, pokvarjene opreme ali slabe povezave med električnimi napravami. Do nje pride, ko je ena ali več naprav priključenih na izmenični tok na različnih lokacijah, nato pa so med seboj povezane s kabli, ki imajo del skupne povezave z
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 26 zemljo. Upornost skupnega dela povezave predstavlja R G v spodnji sliki. V idealnem primeru je R G enak nič, če ni nič, imamo vpliv toka enega tokokroga na drugega, tokokroga vplivata drug na drugega (povz. po https://en.wikipedia.org/wiki/ground_loop_ (electricity)). V OUT V V 2 G RG V2 V1 R R 1 G Slika 10: Tokovna zanka (https://en.wikipedia.org/wiki/ground_loop_(electricity)) V območju in okolici priključenih naprav je vedno prisotno elektromagnetno polje, katerega velikost je močno odvisna od ureditve oţičenja in napeljave. Preprosto povedano, ţica je nekakšne vrste antena, ki prestreza motnje preko elektromagnetne indukcije. To vpliva na tok, povzročen v zanki, saj je vzrok zanke prisotnost magnetnega polja, ki ga povzročijo frekvence napajanja ali drugih sistemov. Kombinacijo polja sevanja in dovzetnosti za tokovno zanko, ki povzroča motnje, je mogoče izboljšati s poudarkom na odpravljanju vzroka na eni ali obeh straneh. Problem tokovne zanke je mogoče popraviti in preprečiti. Pomembno je, da se proizvajalec, monter sistema ter končni uporabnik zavedajo, da lahko do teţav pride in da se je z ustreznim načrtovanjem mogoče izogniti virom tovrstnih teţav. Motnjam iz omreţja, šumenju oziroma brnenju, se izognemo pri medmreţnem povezovanju na dva načina: z ustrezno izolacijo in uravnoteţeno medomreţno povezavo. Izolacija je najhitrejši in najzanesljivejši način reševanja šumenja oziroma brnenja. Signal
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 27 je izoliran s pomočjo transformatorja, tako da imata vir signala in sprejemna naprava ločeno zaščitene ozemljitvene povezave (povz. po https://en.wikipedia.org/wiki/ Ground_loop_(electricity)). Slika 11: Uporaba ločilnega transformatorja (https://www.bhphotovideo.com/c/product/633340- REG/Allen_Avionics_GLE_75_GLE_75_Ground_Loop.html) Tako lahko vse nesimetrične povezave poveţemo s simetričnimi in popravimo problem brnenja in šumenja. V analognih aplikacijah, kot je na primer zvok, lahko transformator povzroči nekaj degradacij signala z omejevanjem pasovne širine in popačenjem signala. Obstajajo posebni polprevodni izhodni gonilniki in sprejemniki, ki omogočajo, da sistem deluje z manjšim številom komponent. To je splošno bolj učinkovito od transformatorjev, vendar še vedno relativno drago, saj silikonski čip vsebuje zelo natančno ujemajoče se upore. Ta stopnja ujemanja pri diskretnih modelih komponent ni realno dosegljiva (povz. po https://en.wikipedia.org/wiki/ground_loop_(electricity)). Pri analognem videu se motnja iz omreţja opazi kot horizontalni pas svetlejših ali temnejših vrstic na zaslonu. To se pogosto pojavi pri video projektorjih, kjer je ohišje prikazovalnika ozemljeno preko tripolnega priključka, druge komponente pa preko koaksialnega CATV-kabla. V tem primeru je video kabel ozemljen na eni strani na električni sistem in na drugi stani na TV-kabel, kar povzroči prenos toka po kablu, ki popači sliko. Ta problem se ne da rešiti z navadnim izoliranim transformatorjem na video viru, ampak je treba izolacijo zagotoviti na koaksialnem kablu (povz. po https://en.wikipedia.org/wiki/ground_loop_(electricity)).
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 28 Teţava s tokovno zanko pri televizijskemu koaksialnemu kablu lahko vpliva na povezane avdio naprave, kot je na primer sprejemnik. Tudi če so vse avdio in video naprave priključene na isto vtičnico in s tem ozemljitev, je koaksialni kabel, priključen na televizor, včasih ozemljen na drugi točki. To povzroči nezaţeleno omreţno motnjo, ki je v celoti problem nepravilnega načrtovanja opreme. V digitalnih sistemih, ki običajno prenašajo podatke serijsko, je napetost signala pogosto veliko večja od inducirane napetosti frekvence napajanja, vendar pa se pojavijo drugačne teţave. Z neusklajeno kapacitivnostjo ali napetostjo v pozitivni in negativni ţici so tokovi v ţicah različni, kar povzroči kroţenje toka pri različnih frekvencah signala. To lahko povzroči večjo tokovno zanko ter s tem večje sevanje, kar povzroča motnje in interferenco na drugih napravah ter opremi. Pri video povezavi lahko to povzroči samo šum na zaslonu naprave ali pa popolno nedelovanje naprave. Pri podatkovnih aplikacijah pa lahko pride do izgube podatkov. Z namestitvijo majhnih feritnih jeder okoli obeh koncev kabla ali pa znotraj opreme prekinemo tokovno zanko, s čimer zaviramo neuravnoteţen električni tok brez vplivanja na diferenčni signal. Ta tehnika velja tudi za koaksialne povezave in mnoge kamere imajo feritna jedra montirana na napajalnih kablih ali zunanjih avdio izhodih z namenom prekinitve visokofrekvenčnega električnega toka, če uporabnik nehote ustvari zanko pri povezovanju zunanje opreme (povz. po https://en.wikipedia.org/wiki/ground_ loop_(electricity)). Kot ţe omenjeno, je tokovna zanka pogosto posledica pomanjkljive medsebojne povezave med električnimi komponentami. Slika 12: Komponenti, povezani s kablom, po katerem teče tok skozi ščit prevodnika (https://en.wikipedia.org/wiki/ground_loop_(electricity))
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 29 Slika 12 prikazuje povezavo dveh električnih komponent, vključno z ojačevalniki. Kabel ima ozemljen zaščiten prevodnik (oklop), ki je povezan z ozemljitvijo vsake komponente. Ojačevalnik komponente 1, na levi stani, ima signal V 1 med signalnim in ozemljenim vodnikom kabla. Na desni strani sta signalni in ozemljeni prevodnik priključena na diferenčni ojačevalnik. Ta daje na izhodu signal V 2, ki je ojačena razlika napetosti V S2 in napetosti oklopa V G2. V V S V 2 2 G2 Če teče po oklopu tok I iz drugega vira, ta ustvari padec napetosti na uporu R (upornost oklopa) in je vhodna napetost na diferenčnem ojačevalniku drugačna od V S1. V VG I R 2 1 Ker je vhodna impedanca diferenčnega ojačevalnika zelo velika, le malo toka lahko teče po signalni ţici, zato ni padca napetosti in je VS 2 VS1 (povz. po https://en.wikipedia. org/wiki/ground_loop_(electricity)). Pri video signalih velja princip, da je ena od izhodnih sponk generatorja signala (na levi strani slike 12) ozemljena (oklop kabla), na sprejemni strani pa mora biti kabel zaključen s karakteristično impedanco kabla 75 Ω (da ni refleksij na kablu), zato vhodne sponke porabnika signala (na desni strani slike) ne smejo biti vezane na ozemljitev, ampak so plavajoč potencial in so vezane na vhod diferenčnega ojačevalnika. Celovita rešitev zank je uporaba opreme preko simetrične signalne linije. Pri simetrični liniji (uravnoteţenem kablu) je signal poslan kot diferenčni signal po paru ţic, od katerih ni nobena povezana z ozemljitvijo. Vsaka motnja, inducirana v signalno linijo, je sofazni signal, enak v obeh ţicah. Ker se sprejemnik na zaključku linije odziva le na diferenčni signal, je pri tem vpliv sofazne motnje izničen. Ti sistemi so zelo imuni na električne motnje, zaradi tega se pri povezovanju opreme pogosto uporabljajo (povz. po https://en.wikipedia.org/wiki/ground_loop_(electricity)).
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 30 Slika 13: Simetrična povezava (http://www.aviom.com/blog/balanced-vs-unbalanced/) 3.2 STRELA Strela je vir elektromagnetnih motenj v zraku in motenj signalov za kable, vkopane v zemljo blizu udara strele v zemljo. Poenostavljeno lahko rečemo, da so za nastanek strele potrebni trije pogoji: vlaga, kondenzacijska jedra in toplota. Zaradi termičnega strujanja vlaţnega zraka se v tipičnem nevihtnem oblaku začnejo pozitivno nabiti delci kopičiti v zgornjem delu, negativni pa ostanejo v spodnjem delu oblaka. Večina strel nastane znotraj oblaka in le majhno število se jih usmeri proti zemlji. Mnogo strel proti zemlji se tudi ne konča, ker niso izpolnjeni vsi potrebni pogoji za sklenitev prevodne poti. Dielektrična trdnost zraka, pomešanega z vodnimi kapljicami, znaša pribliţno 10 kv/cm. Nad to kritično vrednostjo pride do ionizacije zraka. Ker je tudi električno polje znotraj oblaka večinoma močnejše kot na zemlji, začne strela običajno nastajati v zraku. V določenih pogojih se zaradi visoke električne poljske jakosti iz streamerja (tok pozitivnih delcev iz zemlje) oblikuje tako imenovani leader. Ta se iz spodnjega dela oblaka, ki ima preseţek negativnega naboja, skokovito širi proti zemlji. Na svoji poti ionizira zrak in ustvarja negativno nabit kanal (povz. po Babuder, 2004, str. 24).
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 31 Slika 14: Ločevanje naboja v nevihtnem oblaku (http://www.sdgss.si/predstavitev/nastanek-razelektritvenega-procesa-in-loevanje-naboja) Hitrost potovanja leaderja ni vselej enaka in je mnogo manjša od svetlobne hitrosti. V kanalu leaderja teče električni tok, ki je relativno majhne jakosti in znaša pribliţno 20 ma. Ob tem nastane običajno več leaderjev, ki skupaj z glavnim leaderjem oblikujejo razvejano strukturo kanalov. Medtem ko se leader pribliţuje tlom, električno polje narašča, dokler ne pride do preskoka. Ko se leader bliţa k tlom, se začne z zemlje v nasprotni smeri dvigovati povezovalni leader. Ko se osnovni leader v tako imenovani točki dotakne enega od njih, pride do povratnega udara. Tok v kanalu tako hitro naraste tudi do 200 ka. Temperatura znotraj kanala znaša nekaj 1000 K in segreti zrak zaradi hitrega širjenja povzroči zvočni val, ki ga slišimo kot grom. Hitrost širjenja povratnega udara je blizu 1/10 svetlobne hitrost. Čas trajanja velikega toka je nekako med 200 in 500 µs, nato pade na neko nizko vrednost, za tem pa nekaj časa pada mnogo počasneje (povz. po Babuder, 2004, str. 24). Strele delimo po različnih merilih. Najprej jih razdelimo po lokaciji: strele znotraj oblaka, strele med oblaki in strele med oblakom in zemljo. Strele med oblakom in zemljo pa nato razdelimo na pozitivne in negativne. Negativne so tiste, ki ob razelektritvi odvedejo iz oblaka negativni naboj. Teh je pribliţno 90 % vseh strel med oblakom in zemljo. Strele med oblakom in zemljo lahko razdelimo na padajoče in dvigajoče (povz. po Babuder, 2004, str. 24).
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 32 Udar strele lahko poškoduje elektronske naprave, kot so telefoni, modemi, računalniki in druge naprave, saj povzroča povečan tok, ki lahko pride do teh naprav preko telefonske vtičnice, ethernetnega kabla ali električne vtičnice. Poleg tega pa lahko udar strele generira elektromagnetni impulz, še posebej v času pozitivne strele. Tok strele ima zelo hiter čas vzpona, in sicer 40 ka na mikrosekundo, vodnik takega toka pa lahko povzroči izrazit skinefekt, pri čemer steče največ toka skozi zunanjo površino vodnika. Poleg tega pa strela moti AM-radijske signale bolj kot FM-signale (povz. po http://www.iosrjournals.org/iosrjce/papers/vol17-issue5/version-1/i017515658.jce%20[zsep04].pdf). Impulzni šum, ki je posledica strele, je kratkotrajen pulz z veliko amplitudo. Pri analognih podatkih običajno predstavlja manjšo nevšečnost; prenos govora je lahko na primer poškodovan s krajšimi kliki ali hreščanjem brez izgub. Pri digitalni podatkovni komunikaciji pa je impulzni šum glavni vir napak. Na primer močan pulz s časovnim trajanjem 0,01 s ne bi uničil glasovnih podatkov, bi pa poškodoval 560 bitov digitalnih podatkov, ki se prenašajo s hitrostjo 56 kbps in povzročil spremembo bita 1 v 0 in obratno, 0 v 1 (povz. po Stallings, 2006, str. 90). Poleg tega je udarec strele nevaren, da poškoduje opremo in ljudi, ki se nahajajo pri opremi, zato je posebna pozornost potrebna pri zaščiti ljudi in opreme. Udar strele povzroči prenapetost na kablih, kar ima za posledico poškodbe na vezju in polprevodnikih. Motnje na vezju so lahko posledica elektrostatične ter elektromagnetne indukcije ali pa neposrednega stika prevodnosti. Različne metode zaščite veljajo za vsako izmed njih. Inducirane prenapetosti imajo v primerjavi z direktnim udarom drugačne lastnosti. V vezju sukane parice bo napetost inducirana sofazno. To pomeni, da bosta prenapetost in tok na vsakem kraku para vezja pribliţno enaka amplitudi in polarnosti (povz. po http://www.cablinginstall.com/articles/print/volume-13/issue-2/contents/security/protecting -against-the-power-of-lightning.html). Z vidika zaščite pred strelo je seveda najpomembnejša vrednost velikosti razelektritvenega toka, saj ta teče preko naprav zaščite objekta in s svojimi vzporednimi potmi tudi po kovinskih delih samega objekta. Ozemljitev ali katerikoli drug prevoden predmet, zakopan v zemljo ali v prevodni povezavi z zemljo, ima neko upornost. Ko steče skozi prevodne
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 33 dele električni razelektritveni tok, se na njih pojavi napetost z značilno obliko potencialnega lijaka. Prenapetostno zaščito je mogoče doseči z ustreznim ščitom oziroma oklopom kabla in njegovo povezavo z zemljo. Je pa treba zaščititi tudi posamezne linije v kablu zaradi uporabnikov, ki ne smejo utrpeti poškodb zaradi napetostnih udarcev. Zaščita posamezne linije je večstopenjska: groba, finejša in fina. Grobo zaščito predstavljajo iskrišča, ki so povezana z dobro ozemljitvijo, finejšo zaščito predstavlja plinski odvodnik, povezan z zemljo, najfinejšo pa predstavlja uporaba varistorjev, ki jih včasih ne smemo uporabiti, kadar bistveno vplivajo na frekvenčno karakteristiko prenosne poti (varistor predstavlja kapacitivnost). Iskrišče reagira počasi, ko pride do prebojnih napetosti, vendar prenese velike tokove, prav tako ima krajši reakcijski čas plinski odvodnik, je pa varistor zelo hiter v reakcijah in prenese razmeroma velik tok za kratek čas. 3.3 FREKVENČNA DISPERZIJA Digitalni impulzi so sestavljeni iz velikega števila sinusnih višjeharmonskih komponent. Če vsaka izmed teh komponent potuje po liniji z različnimi hitrostmi, bodo do bremena prišle različno časovno hitro, kar ima za posledico popačenje impulza. To imenujemo disperzija, kar je posledica razlik v fazni hitrosti. Zaradi disperzije pride do intersimbolne interference ISI (impulzi postanejo razmazani) in sprejemnik teţje razločuje med»0«in»1«. Poleg tega so različne frekvence različno dušene na kablu in po določeni dolţini kabla je treba pravokotne impulze regenerirati, ker bi jih sicer ne mogli, če bi še naprej potovali po kablu. Obstaja maksimalna še uporabna dolţina kabla, ki je odvisna od vrste kabla in frekvence, ki je ne smemo prekoračiti. Pri frekvenčni disperziji se impulzi zlivajo (razmaţejo) in posledica tega so daljši impulzi.
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 34 Slika 15: Nastanek intersimbolne motnje (http://complextoreal.com/wp-content/uploads/2013/01/isi.pdf) Slika 15 a prikazuje sekvenco podatkov, ki jih ţelimo poslati. Črtast signal je oblika, ki je dejansko poslana. Na sliki b so prikazani simboli, ki so sprejeti. Kot vidimo, vsak simbol povzroča prekrivanje signala s signalom naslednjih simbolov. Na sprejemniku, slika c, dobimo signal, ki je vsota vseh izkrivljenih simbolov. V primerjavi s poslanim direktnim signalom je sprejeti signal precej nejasen. To je nezaţelen pojav, saj imajo prejšnji simboli podoben učinek kot šum, zaradi česar je komunikacija manj zanesljiva (povz. po http://complextoreal.com/wp-content/uploads/2013/01/isi.pdf). O frekvenčni selektivnosti kanala govorimo takrat, kadar je pasovna širina signala večja oz. širša od pasovne širine kanala (Bs > Bc) in je zaradi tega izgubljen del signala. Takrat prihaja do ISI in pravimo, da je kanal frekvenčno selektiven. Intersimbolno interferenco lahko zmanjšamo na dva načina: z zmanjšanjem hitrosti prenosa vsakega kanala (prenosni pas razdelimo v ozke frekvenčne pasove uporabimo ortogonalni frekvenčni multipleks OFDM) ali pa uporabimo način kodiranja, ki je odporen na ISI CDMA (povz. po http://complextoreal.com/wp-content/uploads/2013/01/isi.pdf).
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 35 4 ODPRAVLJANJE NAPAK IN REŠITVE Šum postane problem, če predstavlja oviro pri obdelavi signalov, ki se prenašajo med napravami. Če se pri načrtovanju in nameščanju sistema opiramo na preproste rešitve in tehnike, lahko v večini vplivamo na šum in odpravimo napake. Nekatere tehnike ţe na vhodu preprečujejo vstop šuma v sistem, spet druge pa odstranijo šum iz signala. Za pravilno izbiro rešitve za teţave je treba te najprej najti in izolirati. Odpravljanje teţav vključuje preverjanje nekaj osnovnih elementov, da vidimo, ali je problem preprost ali zapleten za reševanje. Eden izmed načinov odprave tokovne zanke je prekinitev na oklopu prevodnika kabla in odstranitev ozemljenega dela na koncu obremenitve. Gre za najenostavnejšo rešitev, problem pri tem pa je, da pretvorimo sistem v enosmeren, s čimer se lahko spremeni karakteristična impedanca kabla, komponenta pa postane po odstranitvi ozemljenega dela neozemljena. Slika 16: Prekinitev na oklopu vodnika (https://en.wikipedia.org/wiki/ground_loop_(electricity) Upor 10 Ω v oklopu vodnika na koncu obremenitve ravno tako predstavlja način prekinitve tokovne zanke. Tak upor je dovolj velik, da zmanjša magnetno polje induciranega toka in ozemlji sistem v primeru odstranitve neozemljene komponente. Pomanjkljivost se pokaţe v visokofrekvenčnih sistemih, kjer prihaja do neusklajenosti impedanc in uhajanje signala na oklop kabla (povz. po https://en.wikipedia.org/wiki/ground_loop_(electricity)).
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 36 Slika 17: Vezava upora v oklopu vodnika (https://en.wikipedia.org/wiki/ground_loop_(electricity)) Najboljša rešitev je uporaba ločilnega transformatorja (ang. hum eliminator), ki je nameščen med omreţjem in porabnikom. Njegova osnovna naloga je galvanska ločitev obeh. Slika 18: Vezava ločilnega transformatorja (https://en.wikipedia.org/wiki/ground_loop_(electricity)) Ločilni transformator prekine enosmerno tokovno povezavo med komponentami, medtem ko po liniji teče diferenčni signal. Tudi če sta ena ali obe komponenti neozemljeni, šumenje ali brnenje ne bo prisotno. Uporabljamo ga kot enega izmed ukrepov zaščite pred električnim udarom, zato ne sme imeti galvanske povezave z drugimi električnimi krogi ali z zemljo. Boljši ločilni transformatorji imajo ozemljene oklope med dvema sklopoma navitij (povz. po https://en.wikipedia.org/wiki/ground_loop_(electricity)). Asimetrični sistemi so bolj dovzetni za prestrezanje električnih šumov in radiofrekvenčnih motenj kot simetrični sistemi. Daljši ko je nesimetrični kabel, večja je moţnost nastanka teţave. Ločilni transformator je eden izmed stroškovno najbolj učinkovitih načinov za
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 37 pretvorbo med asimetričnimi in simetričnimi signali. Uporaba ločilnega transformatorja na avdio viru video kamere lahko pomaga preprečiti šum v sliki, viden kot sneg ali kot nezaţelene utripajoče vodoravne črte (povz. po http://www.ebtechaudio.com/appshe2.pdf). Slika 19: Ločilni transformator (http://www.markertek.com/productimage/alternate-2/125x125/len-lhdf03.jpg) Feritna dušilka je pasivna električna komponenta, ki zavira visokofrekvenčne šume v elektronskih vezjih. Predstavlja visoko impedanco le pri visokih frekvencah, tako da učinkovito ustavi radijske frekvence in digitalni šum, ima pa malo vpliva na šum 50/60 Hz (povz. po https://en.wikipedia.org/wiki/ground_loop_(electricity)). Slika 20: Feritna dušilka (https://en.wikipedia.org/wiki/ferrite_bead) Diferenčni ojačevalnik se uporablja pri prenosu signalov po daljših vodnikih, kjer se pojavljajo razne motnje (povzročajo jih energetske naprave: iskrenje kontaktov elektromotorja ali relejev, vklopi in izklopi toka, kratki stiki in podobno). Teţavam se lahko izognemo, če signal s pomočjo diferenčnega ojačevalnika razdelimo na dva vodnika, tako da potujeta v protifazi. Če sta vodnika skupaj, se pojavi v obeh vodnikih enaka
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 38 motnja. Signala nato sprejme drugi diferenčni ojačevalnik in ju, skupaj z motnjami, odšteje. Ker sta koristna signala v protifazi, se ojačita. Motnji pa sta v fazi in se oslabita (povz. po Lorencon, 1996). Diferenčni ojačevalnik predstavlja osnovno linearno analogno vezje, ki ima dva vhoda, invertirajoči V in in neinvertirajoči V + in, ter en izhod V out. Sestavljen je iz dveh tranzistorjev, ki delujeta protitaktno: ko se prvi zaradi vhodnega signala odpira, se drugi zapira. Slika 21: Shema diferenčnega ojačevalnika (https://en.wikipedia.org/wiki/differential_amplifier) Primarna funkcija diferenčnega ojačevalnika je odstranitev sofaznih vsebin iz vhodnega signala. Z njim ojačimo razliko med dvema vhodnima signaloma. Ko je signal preusmerjen iz ene naprave v drugo, je pri tem prisoten tudi šum. V diferencialnem sistemu, kjer so kabli blizu drug drugega, je šum v prevodniku prikazan kot sofazna napetost. Ker diferenčni ojačevalnik slabi sofazne signale, je sistem bolj imun na zunanje šume. Hkrati pa omogoča ob prisotnosti šuma ojačenje zelo šibkih signalov. Kot je bilo ţe v prejšnjem poglavju omenjeno, lahko prenapetostno zaščito doseţemo z ustreznim oklopom kabla ali pa namestitvijo varnostne naprave na ustrezno mesto tokokroga. S skrbnim načrtovanjem zaščite zagotovimo, da se preobremenitve oziroma nenadni kratki stiki odpravijo, preden poškodujejo naprave v omreţju. Prenapetosti lahko povzročijo škodo tako na električnih inštalacijah kot na napravah. Naloga prenapetostne zaščite je, da omeji napetost in odvede tokovni sunek. Prenapetostno zaščito lahko predstavlja posamezen odvodniški element ali pa več odvodniških elementov. Najpogosteje so to varistorji (MOV metal oxide varistor), plinski odvodniki (GDT gas discharge tube) in pa iskrišča (spark gap). Posamezni odvodniški elementi, ki jih
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 39 uporabljamo v prenapetostnih zaščitah, imajo različne odzivne čase in pa različne odvodne sposobnosti. Plinski odvodnik ima visoko odvodno sposobnost in pa počasen odziv. Varistor ima, za razliko od plinskega odvodnika, slabše odvodne sposobnosti in krajši odzivni čas. Glede na mehanizem delovanja lahko odvodniške elemente razdelimo na zaščitne elemente s stikalno karakteristiko in zaščitne elemente s stalno omejevalno karakteristiko (povz. po http://lrf.fe.uni-lj.si/e_rio/seminarji1516/prenapetostniodvodniki. pdf). Plinski odvodnik in iskrišče sta zaščitna elementa s stikalno karakteristiko. Ti elementi reagirajo na pojav prenapetosti tako, da jo kratko sklenejo. Kot ţe samo ime pove, lahko to delovanje primerjamo z delovanjem stikala. V normalnem obratovalnem stanju ima element visoko ohmsko upornost, v stanju odvajanja pa preide v nizko ohmsko upornost. Prenapetostni odvodniki na osnovi tehnologije iskrišč so odvodniki, namenjeni neposrednim udarom strele. Glede na konstrukcijo se delijo na odprte in zaprte. Prednost iskrišč je njihova zmoţnost odvajanja velikih tokov, pomanjkljivost pa je slab odzivni čas (povz. po http://lrf.fe.uni-lj.si/e_rio/seminarji1516/prenapetostniodvodniki.pdf). Slika 22: Iskrišče in plinski odvodniki (http://www.fatech-surge-protection.com/surge-protector-type-1-2-for-photovolaic-system- 1000vdc-p-157.html) Plinski odvodniki so polnjeni z mešanico inertnega plina. Imajo kratek odzivni čas ter zmoţnost odvajanja velikih tokov. Prav tako imajo majhno kapacitivnost ter visoko izolacijsko upornost. Njihova uporaba je splošno omejena zaradi nizkih vrednosti samougasnih nadaljevalnih tokov.
STRNIŠA, Ana: Motnje in napake pri prenosu avdio in video signalov: dipl. nal. Ljubljana, ŠC PET, VSŠ, 2017 40 Varistor je zaščitni element s stalno omejevalno karakteristiko. Način njegovega delovanja temelji na principu napetostnega delilnika. Njegova sestavna dela sta nelinearna impedanca zaščitnega elementa in linearna impedanca omreţja med mestom izvora prenapetosti in mestom vgradnje zaščitnega elementa. Ob pojavu prenapetosti na odvodniškem elementu ta odreagira nanjo tako, da se mu zmanjša upornost in tako odvede udarni tok, ki je odvisen od energije prenapetosti (povz. po http://lrf.fe.uni-lj.si/e_rio/seminarji1516/ PrenapetostniOdvodniki.pdf). Slika 23: Varistor (http://www.electroschematics.com/wp-content/uploads/2010/02/metal-oxide-varistos.jpg) Zavedati se moramo, da je ta zaščita namenjena za primer udara strele v zemljo, kjer v bliţini poteka komunikacijski kabel, kajti pri neposrednih udarih strele v kabel po navadi pride do poškodb kabelskih linij in oklopov (uničenje kabla ali dela kabla).