Tehnologii pentru modemuri radio utilizate in sisteme de comunicatii industriale.

Semnalele radio se transmit de la antena de emisie, ca unde care se propaga prin spatiu cu viteza luminii.Frecventa radio este exprimata in hertzi (cicli pe secunda), kilohertzi (mii de hertzi) sau megahertzi (milioane de hertzi).

Comunicatiile radio pe distante lungi, se fac pe frecvente inalte (HF) de la 1,6 la 30 MHz. Pozitiile diferite in cadrul acestei benzi, sunt alocate serviciilor radio specifice, in baza unor acorduri internationale.Modulatia este procesul prin care, faza, amplitudinea sau frecventa unui semnal de emisie, este modificata pentru a exprima niste informatii.

Undele radio HF se pot propaga ca unde spatiale ce se refracta din ionosfera pamantului, permitand comunicatiile pe distante lungi.

1.Propagarea undelor radio

Ionosfera este o zona de particule sau gaze incarcate electrostatic din atmosfera pamantului, intinzandu-se de la 50 la 600 km (aproximativ de la 30 la 375 mile) deasupra suprafetei pamantului.

Exista straturi cu diferite densitati in ceea ce priveste numarul electronilor din ionosfera, care absorb, transmit sau reflecta undele radio, in functie de densitatea stratului, de unghiul sub care undele radio il lovesc si de frecventa semnalului

Ionizarea, cauzata de radiatiile solare, indeparteaza electronii din atomi, producand particule cu sarcina electrica.Densitatea straturilor din ionosfera variaza odata cu intensitatea radiatiilor solare, care se schimba in functie de momentul zilei, de anotimp si de ciclul petelor solare.

Unghiul radiatiei este determinat de lungimea undei unui semnal si de tipul de antena folositUndele radio sunt absorbite pe masura ce trec prin ionosfera. Viteza de absorbtie creste pe masura ce frecventa scade.

Comunicarea se realizeaza mai bine la frecventa de emisie optima (FTO), care reprezinta in mod normal 85% din frecventa maxima utilizabila (MUF).

Petele solare cresc si descresc intr-un ciclu de 11 ani. Un numar mare de pete solare sporeste gradul de ionizare, iar un numar mai mic duce la o ionizare scazuta.Exploziile solare cauzeaza deranjamente ionosferice bruste (SID) care pot obstructiona comunicatiile HF.

Tehnicile de prognozare a propagarii, cum ar fi IONOCAP, determina frecventele MUF, LUF si FTO, pentru o cale de emisie anume si pentru un moment dat al zilei. Alte metode includ analiza ecourilor provenite de la ionosfera si Analiza Calitatii Legaturii (LQA).

2.Elementele din componenta unui sistem radio

Un sistem radio consta din emitator, receptor si antena.Grupul de emisie consta dintr-un oscilator/excitator si un amplificator de putere. Excitatorul include un modulator, un generator al purtatoarei si un convertor de frecventa.Grupul receptor consta dintr-un filtru/amplificator RF de intrare, convertori de frecventa, amplificatori de IF, demodulator si oscilator local.

Selectarea antenei este esentiala pentu a obtine o comunicatie HF reusita. Tipurile de antene includ antena nesimetrica, dipolul si tipuri de antene directive.Un circuit de adaptare (cuplor) de antena adapteaza impedanta antenei cu cea a emitatorului, asigurand transferul puterii maxime catre antena.

Castigul unei antene este o masura a directivitatii acesteia, a abilitatii acesteia de a focaliza radiatia energiei intr-o anumita directie.Caracteristicile de radiatie ale antenelor sunt formate din nuluri (zone de radiatie slaba) si lobi (zone de radiatie puternica).

Unghiurile de lansare mici ale antenei, sunt in general utilizate pentru o gama larga de comunicatii; unghiurile de lansare mari, sunt folosite pentru o categorie mai redusa de comunicatii.

Sursele naturale (atmosferice) si cele create de om, genereaza zgomot si interferenta.

Fulgerele reprezinta cauza primara a zgomotului atmosferic; cablurile de curent, terminalele si instalatiile industriale reprezinta cauza primara a zgomotului creat de om.

Aglomerarea emitatoarelor HF cu un spectru radio limitat, la o gama relativ redusa de frecvente genereaza interferente. In general, este cel mai rau este in timpul noptii pe undele de frecventa joasa.

Emitatorii de distributie interfereaza unul cu celalalt, precum si cu receptorii apropiati.

Bruiajul sau interferenta voita rezulta din transmiterea frecventelor operationale cu intentia de a intrerupe comunicatiile.

Interferenta pe mai multe cai genereaza suprapunerea semnalului.

3.Transmisii de date prin legaturi radio

Transmisia de date necesita utilizarea modemurilor pentru a converti datele digitale in forma analoga pentru transmitere, si pentru a converti datele din forma analoga in forma digitala la receptie.

Modemurile HF sunt clasificate ca FSK de viteza joasa, modulatie paralela de inalta viteza, sau modulatie seriala de inalta viteza.

Modemurile cu modulatie seriala furnizeaza comunicatii de date mult imbunatatite pe canalele HF, incluzind si o rata de transfer inalta, impreuna cu o puternica corectie premergatoare a erorii (FEC), o putere mai mare si sensibilitate redusa la interferenta.

Sistemele FEC asigura o corectie a erorii, fara necesitatea unei confirmari.

Intercalarea este o tehnica care intretese aparitia erorilor, permitind sistemelor FEC sa lucreze mai eficient

Decodarea prin decizie de program, reduce si mai mult rata erorii la nivel de bit, prin compararea grupului de simboluri care memoreaza caracterul lor analog, cu un set de posibile cuvinte cod, care pot fi transmise

Un vocoder converteste semnalele vocale in date digitale, pentru transmisii codate pe canale HF

Egalizatorul automat de canal si filtrul adaptiv de taiere, sunt tehnici de procesare a semnalului care imbunatatesc performanta comunicatiilor de date.

Comunicatii industriale

In conditiile digitizarii avansate a proceselor si utilajelor industriale devine din ce in ce mai important integrarea datelor prin intermediul retelelor locale. Sistemele de comunicatii industriale se deosebesc de cele destinate birourilor prin conditiile speciale mecano-climatice si electromagnetice in care trebuie sa functioneze.

Sistemele industriale trebuie sa asigure o functionare sigura, cu rata redusa de erori, in conditiile unor game de temperaturi extinse, vibratii, praf si particule, umiditate crescuta, bruiaj si perturbatii electromagnetice intense.

Este importanta constructia speciala a echipamentelor , alegerea corecta a tehnologiilor de lucru (Cu/Fibra Optica/Wireless) si instalarea corecta in teren. Quartz Matrix realizeaza portofoliul complet al activitatilor de evaluare tehnologica, analiza locatie, proiectare sistem de comunicatie, instalare si masurare performanta, mentenanta si upgrade pentru sistemele de comunicatii Industriale. Obiectivul este de a realiza un sistem fiabil, modular, flexibil, adaptat cerintelor functionale actuale si deschis imbunatatirilor, in conditiile unor costuri reduse. Fiabilitatea si rezistenta la perturbatii sunt obiective principale ale sistemelor de comunicatii industriale proiectate si instalate de Quartz Matrix

Tehnologii utilizate:

In etapa de evaluare specialistii Quartz Matrix analizeaza care sunt tehnologiile cele mai potrivite pentru aplicatia clientului si cerintele locatiei si propun mixul optim de tehnologii. Sunt analizate cerintele de separare galvanica si ecranare pentru asigurarea securitatii si imunitatii la perturbatii.

RS 485

Retelele pe fir de acest tip sunt caracterizate prin fiabilitate si rezistenta la pertutbatii. Sunt utilizate, pentru cuplarea la server, convertoare de magistrala cu separare galvanica: USB-RS485 (produs de Quartz Matrix) sau Ethernet – RS485. Proiectarea corecta a retelei si

ecranarea corecta a cablurilor permite o fonctionare foarte sigura in mediile cele mai ostile.

Ethernet

Reprezinta standardul pentru retelele de tip office se poate utiliza si in zona industriala dar cu sisteme protejate corespunzator si o instalare speciala a cablurilor. Quartz Matrix utilizeaza retele Ethernet pentru mediul industrial si adaptoare Ethernet-RS485 pentru conectarea la dispozitivele de camp. Pentru modulele convertoare alimentarea se poate face local sau prin cablu (Power over Ethernet PoE).

Wi-Fi

Retelele wireless pentru zona industriala necesita o analiza atenta alocatiei, mai ales in cazul prezentei corpurilor metalice masive. Punctele de acces si antenele trebuie corect alese si instalate pentru asigurarea unei legaturi fiabile. Quartz Matrix utilizeaza puncte de acces (AP), antene si unitati de camp (Wi-Fi –RS485) in constructie intarita cu sisteme multiantena (diversitate spatiala si in frecventa pentru a asigura redundanta functionala).

ZigBee

Sunt retelele wireless cele mai adaptate functional utilizarii in mediul industrial. Numarul dispozitivelor conectabile pe o retea este de peste 64.000, topologia retelei fiind de tip plasa cu flexibilitate deosebita de organizarea a nodurilor. Posibilitatea retranslarii dinamice a datelor de catre noduri intermediare permite o acoperire superioara si o rezistenta la perturbatii si schimbari ale locatiei.

Tehnologia de lucru cu salt de frecventa asigura o rezistenta foarte buna la bruiaj si perturbatii si capacitatea de critare a canalului de date permite asigurarea confidentialitatii informatiilor. Quartz Matrix utilizeaza module Zigbee cu conectare RS232, de mare putere, ce permit construirea de retele wireless fiabile. Utilizarea principala la telecitirea dateloir de contorizare sau stare utilaje.

Link Radio

Acest tip de legatura, punct la punct sau multipunct, se utilizeaza pentru conectarea unui numar mic de puncte situate l;a distante relativ mari fata de punctul central. Quartz Matrix utilizeaza modemuri radio, care lucreaza in benzile libere sau cele licentiate si care asigura legaturi sigure pana la 5 Km. Acolo unde este posibil acest tip de legatura este inlocuit de conexiuni GPRS.

GPRS

Tehnologia permite realizarea legaturilor de date wireless prin intermediul retelelor mobile. Conexiunile pot fi neprotejate sau in nretele private virtuale (VPN). Quartz matrix utilizeaza modemuri si routere GPRS pentru uz industrial si a dezvoltat solutii specifice bazate pe modem GPRS inteligent ce poate rula aplicatii locale (citire si afisare locala date contorizare sau stare utilaj, trimiteri alarme la conditii parametrizabile.

Quartz Matrix dezvolta in permanenta, prin departamentul propriu de Cercetare Dezvoltare sau prin parteneriate cu producatori de echipamente de comunicatii digitale, noi solutii si tehnologii pentru comunicatii industriale, orientate pe fiabilitate, cost redus, siguranta.

Modemuri utilizate in industria de comunicatii

Modemurile sunt dispozitive destinate conectarii intre calculatoare cu ajutorul liniei telefonice pentru a avea acces la posta electronica si in mare la internet, sau intranet.

Modem-urile sunt de doua feluri:

-Externe: cele care sunt plasate in afara unitatii centrale-Interne: cele care se gasesc in interiorul unitatii centrale, se instaleaza într-un slot PCI sau ISA având integrate portul serial propriu, Ofera conectari la viteze cuprinse între 600bps si 56700bms.

Unele versiuni ofera si capabilitati fax si voice , viteza maxima de primire/trimitere a unui fax fiind de 14400bps . Exista un numar mare de protocoale de corectie si compresie pentru modemuri , ce au rolul de a pastra integritatea datelor transmise (V32/V42,K5Flex,etc).

Ele au rolul de a converti semnalele analogice de pe reteaua telefonica - in semnale discrete – din calculator – si invers.

Exista modem-uri de internet prin dial-up si prin cablu.Multi oameni primesc semnal TV de la televiziunile prin cablu (CATV) pentru ca acest cablu asigura o imagine mai clara si mai multe canale.

Cei care au televiziune prin cablu se pot conecta la internet, avand o conexiune de mare viteza, de la providerul-ul de cablu. Modemurile de cablu concureaza cu tehnologii ca ADSL (Linii inchiriate digitale asimetrice).Daca v-ati intrebat vreodata care este diferenta intre DSL si modemurile de cablu sau daca v-ati intrebat vreodata cum un computer poate imparti un cablu TV cu o gramada de canale TV, va va place acest articol.    V-ati putea gandi ca un canal de televiziune ar putea ocupa ceva "spatiu" electric, sau latime de banda pe cablu. In realitate, fiecarui canal TV ii este alocat un canal de 6 megaherti (MHz, sau milioane de cicluri pe secunda) pe cablu. Cablul coaxial folosit in televiziunea prin cablu poate transporta sute de megaherti de semnale. Intr-un sistem de televiuziune prin cablu, semnalele fiecarui canal primesc o "portiune" de 6MHz din latimea de banda disponibila, si apoi sunt trimise pe cablu catre casa dumneavoastra. In unele sisteme, cablul coaxial este singurul

mediu folosit pentru distribuirea semnalelor. In alte sisteme, este folosita fibra optica pentru a conecta compania de televiziune prin cablu cu alte arii sau cartiere, dupa care fibra optica este continuata prin cablu coaxial, pentru distribuire in case.

Tuner

Tunerul se conecteaza la mufa de cablu, uneori cu ajutorul unui splitter care separa canalul de date Internet de programele CATV. Deorece datele Internet vin pe un canal altfel nefolosit, tunerul pur si simplu primeste semnalul modulat digital si il trimite demodulatorului. In unele cazuri, tunerul va contine un demultiplexor pentru a permite tunerului sa foloseasca un set de frecvente (in general intre 42 si 850 MHz) pentru datele primite si alt set de frecvente (intre 5 si 42 MHz) pentru datele trimise. In alte sisteme, in general cele cu un numar de canale limitate, se va folosi tunerul modemului de cablu pentru primirea datelor si o conexiune dial-up (pe linii comutate) pentru transmiterea datelor. Oricare ar fi sistemul, dupa primirea unui semnal, este transmis demodulatorului. Demodulatorul

Cele mai comune demodulatoare au 4 functii. Un demodulator de modulatie de amplitudine patratica (QAM) ia un semnal de frecventa radio care are date codate prin variatia amplitudinii si a fazei undei si il converteste intr-un semnal care poate fi procesat de un convertor analog-digital. Convertorul analog-digital ia semnalul care variaza in voltaj si il transforma intr-o serie digitala de 1 si 0. Un modul de corectie de erori verifica apoi informatia primita conform unui standard cunoscut astfel incat erorile in transmisie sa fie detectate si corectate. In majoritatea cazurilor, cadrele de retea, sau gruparile de date, sunt in

format MPEG, si un sincronizator MPEG este folosit pentru a garanta ca datele sunt in ordine. Modulatorul

In modemurile de cablu care folosesc cablul pentru a trimite date, un modulator este folosit pentru a converti datele digitale de la computer in semnale pentru transmisia pe cablu.Modulatorul este format din 3 parti: • o sectiune pentru inserarea corectiei de erori (folosita in celalalt capat al cablului la verificare) • un modulator QAM • un convertor digital-analog Controlul de acces la mediu (MAC) MAC-ul este plasat intre portile de intrare si iesire ale modemului de cablu, si actioneaza ca o interfata intre partile hardware si software are diverselor protocoale de retea implicate. Toate dispozitivele de retea au MAC-uri, dar in cazul unui modem de cablu, sistemul este mai complex decat la o placa de retea normala. Din acest motiv, in majoritatea cazurilor, unele din functiile MAC vor fi asociate procesorului sistemului sau al modemului. Microprocesorul Functia microprocesorului se modifica daca modemul va fi parte a unui sistem (computer) sau daca va oferi acces Internet fara a avea suportul unui computer. In situatiile in care e nevoie de un computer atasat, microprocesorul intern foloseste date din modulul MAC dedicat. In sistemele unde modemul de cablu este unicul echipament pentru acces Internet, microprocesorul indeplineste si functii MAC, si altele. Microprocesorul folosit cu precadere in modemurile de cablu este Motorola PowerPC.

Sistemul terminator al modemului de cablu asigura (la capatul de la provider) multe din functionalitatile asigurate de DSLAM intr-un sistem DSL. CMTS-ul ia traficul care vine de la un grup de clienti pe un canal si il ruteaza catre un provider de servicii Internet pentru a se realiza conectarea.

La acel capat, providerii vor avea servere pentru jurnalizare si administrare, server DHCP (pentru alocare dinamica de IP-uri utilizatorilor de cablu) si servere de control pentru un protocol numit Specificatii de interfata pentru serviciul de date pe cablu (DOCSIS),

standardul de baza in S.U.A. pentru a asigura accesul la Internet a utilizatorilor.

Informatiile primite prin cablu ajung la toti utilizatorii conectati, ca intr-o retea Ethernet - sunt pastrate de o interfata de retea doar pachetele de date trimise in mod specific la acea interfata. Datele primite in schimb nu sunt vazute de ceilalti utilizatori, ci sunt trimise catre CMTS. Latimea de banda pentru upload este impartita in "intervale" de timp, masurate in milisecunde, in care utilizatorii pot transmite o "rafala" de date catre Internet.Impartirea dupa timp este eficienta pentru comenzi scurte, cautari si adrese, aceste lucruri constituind majoritatea datelor trimise de utilizatorul mediu.

Un CMTS va oferi acces chiar si pentru 1000 de utilizatori la Internet, printr-un singur canal de 6MHz. Deoarece un singur canal este capabil de 30-40 megabiti pe secunda (Mbps) din total, utilizatorul va simti o performanta mult mai buna decat cu un modem normal, dial-up.

Exemple de comunicatii industriale

Figura 1:

Dispozitive specifice: Routere GPRS; Wi-Fi industrial, Adaptor USB-RS485, Adaptor Ethernet RS485

Figura 2:

Dispozitive specifice: Modem GPRS inteligent cu capabilitate de citire stare echipament si trimitere automata SMS, Scriere stare in server ftp

Figura 3:

Figura 4:

Figura 5:

Modemul este un dispozitiv de comunicatie care permite unui calculator satransmita informatii pe linii telefonice standard. Ele au rolul de a converti semnaleledigitale in semnale analogice si invers. Modemurile emitatoare combina (moduleaza)semnalele digitale ale unui calculator cu purtatoarea (un semnal de frecventa constanta).