Informations- und Kommunikationselektronik

Herbert Bernstein

• Verlag: De Gruyter Oldenbourg
• Jahr: 2015
• ISBN:
  9783110396720
• Auflage: 1
• Thema: Technology & Engineering
• Thema: Electrical Engineering & Telecommunications

In allen Bereichen von Wirtschaft und Technik sucht man nach neuen Wegen der Kommunikation, denn die Elektronik bietet immer mehr an Hardware. Der Informationsaustausch wird vielseitiger und schneller. So werden ständig neue Anforderungen an die Übertragungstechnik gestellt, deren Aufgabe es ist, die Informationen mit einer hohen Qualität schnell und rationell zu übertragen.

Dieses Buch der Nachrichtenelektronik bietet dem Leser die Möglichkeit, sich mit der umfangreichen und zukunftsweisenden Technik der Nachrichtenübertragung vertraut zu machen. In der Übertragungstechnik werden die Verfahren zur Aufbereitung der Signale in einer für die Übertragungstechnik geeigneten Form behandelt. Daneben werden die Eigenschaften der Übertragungswege, mögliche Beeinträchtigungen sowie spezielle übertragungstechnische Begriffe angesprochen.

Soweit es zum grundlegenden Verständnis notwendig ist, werden Schaltbilder zur Erläuterung benutzt. Im Übrigen wird zur besseren Übersichtlichkeit das Zusammenwirken der verschiedenen Bauglieder innerhalb komplexer Schaltungen anhand von Blockschaltbildern erklärt. Praxisnahe Simulationen der Elektronik runden das Werk ab.

1 Grundlagen der Informations- und Kommunikationselektronik

In dem ersten Kapitel sollen die Grundlagen der Elektronik für Informations- und Kommunikationssysteme behandelt werden. Ziel hierbei soll es sein, dies ohne tiefergehende theoretische oder mathematische Abhandlungen umzusetzen. Dem Praktiker, der in der modernen Informations- und Kommunikationselektronik vermehrt mit dem Thema der digitalen Technik konfrontiert wird, sollen unter anderem die grundlegenden Sachverhalte wie die Datencodierung, Arten der Datenübertragung, Eigenschaften verschiedener Schnittstellen, Aufbau von Netzwerken, Internet usw. vermittelt werden.

1.1 Analoge und digitale Signale

In der heutigen Informations- und Kommunikationselektronik arbeiten immer mehr Systeme digital. Dies steht im Gegensatz zu der bekannten analogen Datenübermittlung, d. h. in der digitalen Technik lösen, bedingt durch den technologischen Fortschritt und deren Vorteile, die digitalen Prozessgeräte vermehrt die analog arbeitenden Geräte ab. Auch bei der Übertragung von analogen Messwerten verdrängt die digitale Übertragung die bekannten Standardsignale wie 4...20mA, 0...10V usw. Im Folgenden soll nun zunächst auf die Merkmale der unterschiedlichen Übertragungstechniken eingegangen werden.

Ein Messwert, beispielsweise eine Temperatur, wird von einer Messeinrichtung in ein dieser Temperatur entsprechendes Signal umgewandelt. Das Signal kann z.B. ein Strom von 4...20 mA sein. Jedem Wert der Temperatur entspricht eindeutig ein Wert des elektrischen Stroms. Ändert sich die Temperatur kontinuierlich, so ändert sich auch das analoge Signal kontinuierlich, d. h. kennzeichnend für eine analoge Übertragung von Informationen ist die sich über die Zeit stetig verändernde Amplitude des gewählten Signals (Abb. 1.1).

Abb. 1.1: Analoges Signal mit einer sich kontinuierlich ändernden Amplitude

In der Automatisierungstechnik werden solche Einheitssignale (4...20 mA) als normiertes Stromsignal rein analog übertragen. Ein Temperaturwert wird z. B. von einem Pt100-Widerstandsthermometer erfasst, durch einen Messumformer in einen zum Messwert proportionalen Strom umgeformt und zu einem Regler sowie Anzeige-, Registriergerät oder zu einem PC zur Verarbeitung der Daten übertragen. Jede Messwertänderung am Pt100-Widerstandsthermometer wird über den Strom sofort bei allen angeschlossenen Geräten registriert. Unterschreitet das Einheitssignal die 4 mA, wird ein Fehler in der Messleitung erkannt und entsprechend reagiert die Messelektronik. Überschreitet das Einheitssignal die 20 mA, erkennt die Messelektronik dies ebenfalls und zeigt eine Überlastung oder einen Kurzschluss an.

In der Messtechnik ist der Informationsgehalt eines analogen Signals im Vergleich zu der akustischen (Ton) oder optischen (Licht) Datenübermittlung sehr begrenzt. Neben den Vorteilen der kontinuierlichen eindeutigen Messwertwiedergabe und der gleichzeitigen Spannungsversorgung des Messwertaufnehmers (z. B. Zweidraht-Messumformer) besteht der Informationsgehalt des analogen Signals lediglich aus der Größe des Messwertes, bzw. lässt sich feststellen, ob das Signal am angeschlossenen Gerät verfügbar ist oder nicht.

Am Beispiel der Temperaturmessung bedeutet dies, dass der analoge Messwert in gewisse Wertebereiche eingeteilt wird, innerhalb derer keine Zwischenwerte möglich sind. Die Werte werden innerhalb einer festgelegten Zeit, der Abtastzeit, abgefragt. Diese Aufgabe der Umwandlung übernimmt ein Analog/Digital-Wandler, kurz AD-Wandler genannt. Hierbei hängt die Genauigkeit bzw. Auflösung des Signals von der Anzahl der Wertebereiche, sowie von der Häufigkeit der Abtastung ab.

Konkret bedeutet dies in dem Beispiel von Abb. 1.2, dass eine Abtastung alle 20 ms stattfindet, bei einer Unterteilung in zehn Wertebereiche.

Die digitalisierte Größe kennt nur die zwei Werte „High = 1“ bzw. „Low = 0“ und muss nun z. B. von einem Mikroprozessor- oder Mikrocontroller-Messumformer mit Schnittstelle als Datenpaket übertragen werden (Abb. 1.3). Der Messwert wird codiert als Paket übermittelt und muss vom Empfänger entschlüsselt werden. Die Übertragungsart kann unterschiedlich sein, durch unterschiedliche Spannungspegel, Lichtimpulse oder Tonfolgen.

Abb. 1.2: Digitalisiertes Messsignal

Abb. 1.3: Digitale Signalübertragung zwischen Messumformer und μ,P-Regler

Die digitale Datenübertragung hat gegenüber der konventionellen analogen Technik einige Vorteile. Durch den Mikroprozessor bzw. Mikrocontroller kann das Feldgerät neben der eigentlichen Messgröße noch weitere Informationen (Bezeichnung, Dimension, Grenzwerte, Serviceintervall, etc.) an den PC direkt, über ein lokales Netzwerk oder über das Internet vermittelt werden. Ferner lassen sich Daten zum Feldgerät übertragen. Da mehrere Geräte über eine Leitung mit dem PC kommunizieren können, ergibt sich eine Materialreduzierung sowie ein niedriger Installationsaufwand und damit Verbunden eine Kosteneinsparung (Abb. 1.4).

Abb. 1.4: Übertragung analoger und digitaler Signale

Ein Nachteil der konventionellen Technik über 4... 20 mA-Signale bei PC-Systemen ist die unnötige DA-Wandlung. Ein im Mikroprozessor bzw. Mikrocontroller vorliegender digitaler Wert, muss in ein analoges Stromsignal gewandelt werden und wird in dem angeschlossenen System für die weitere Verarbeitung erneut digitalisiert.

1.1.1 Datencodierung

Bisher wurde festgehalten, dass zur Datenübermittlung zunächst eine Verschlüsselung in elektrische Signale erforderlich ist. Bei der analogen Übermittlung wird die Information durch die Höhe der Amplitude übertragen. Die digitale Technik kennt nur die zwei Zustände „Ein = logisch 1“ und „Aus = logisch 0“, die sich meist durch unterschiedliche Spannungspegel übermitteln lassen. Zur Übertragung digitaler Größen werden verschiedene Codes bzw. Protokolle benutzt, die alle Kommunikationspartner im Datenverbund verstehen müssen.

Das Bit ist die Einheit für ein binäres (zweiwertiges) Signal, entsprechend einer einzelnen digitalen Dateneinheit, die den Wert „0“ oder „1“ hat. In der englischen Sprache ist der Begriff „Bit“ (binary digit) als kleinste informationstechnische Einheit geläufig.

Die einfachste und sicherste Lösung ergibt sich immer dann, wenn man mit zwei, einander entgegengesetzten Zuständen arbeitet, wie Schalter offen oder geschlossen, Spannung ein oder aus, Strom fließt oder nicht, Licht an oder aus, usw. Diese Zustände entsprechen dann einem Binärzeichen und man kommt zur kleinsten Einheit, dem Bit (binary digits oder zweiwertige Schritte bzw. Stelle).

Die Bedeutung des Bits liegt in der einfachen technischen Darstellung. Die beiden Zustände 0 und 1 lassen sich kennzeichnen durch: Schalter offen oder gesperrt, Transistor gesperrt oder leitend, Relais angezogen oder abgefallen usw. Codes mit zweiwertigen Elementen bezeichnet man daher auch als Binärcodes.

Fasst man vier Bits zusammen, erhält man eine Tetrade oder ein „Nibble“:

Mit einem Nibble lassen sich 16 Werte darstellen. Die Bezeichnungen stehen für MSB (Most Significant Bit, höherwertiges Bit) und LSB (Least Significant Bit, niederwertiges Bit). Fasst man acht Bits oder zwei Nibbles (High- und Low-Nibble) zusammen, erhält man ein Byte:

Ein Byte besteht aus einem H- und einem L-Nibble. Mit einem Byte oder zwei Nibbles lassen sich 256 Werte darstellen. Dieses Datenformat findet man bei allen 8-Bit-Mikroprozessoren und Mikrocontrollern. In der Informatik kommt man mit dem Byte-Format DB (Defines Byte) nicht aus und daher fasst man zwei Bytes zu einem „Word“ zusammen. Das Word-Format DW (Defines Word) besteht aus 16 Bit stellen und damit lassen sich 216 oder 65 536 Werte darstellen.

Ein Word-Format besteht aus einem H- und einem L-Byte. Dieses Datenformat findet man bei allen 16-Bit-Mikroprozessoren. In der modernen Prozessortechnik setzt man das Doubleword-Format DD (Defines Doubleword) mit der Zusammenfassung von vier Bytes bzw. zwei Words (High- und Low-Word) ein.

Ein Doubleword-Format besteht aus einem H- und einem L-Word. Mit dem Doubleword lassen sich 232 oder 4 294 967 296 Werte darstellen. Eine Besonderheit in Verbindung mit dem PC-Mikroprozessor stellt die Zusammenfassung von sechs Bytes zu einem Farword-Format DF (Defines Farword) dar. Bei den 64-Bit-Mikroprozessoren findet man das Quadword-Format DQ, wenn acht Bytes zusammengefasst sind.

Arbeitet man mit numerischen Coprozessoren, die speziell für die Rechenarbeit innerhalb eines Computersystems optimiert wurden, kommt man zur Zusammenfassung von zehn Bytes zu einem Tenword-Format DT (Defines Tenword). Mit diesem 80-Bit-Format lassen sich alle Rechenoperationen im Gleitpunktformat ausführen. Die Gleitpunktdarstellung mit ihrer automatischen Skalierung ist einfacher zu benutzen.

Wie bereits besprochen, werden die Signale logisch „0“ und logisch „1“ meistens durch unterschiedlich hohe Spannungssignale dargestellt (Abb. 1.5). Die verwendeten Spannungspegel sind abhängig vom verwendeten Schnittstellentyp.

Für eine Einheit von acht Binärzeichen wurde der Begriff „Byte“ eingeführt. Ein Byte hat also eine Länge von acht Bit (Abb. 1.6). In einem Automatisierungsgerät bzw. PC einer SPS-gesteuerten Anlage werden z. B. die Signalzustände von acht binären Ein-/Ausgängen zu jeweils einem Eingangsbyte oder Ausgangsbyte zusammengefasst.

Abb. 1.5: Binäre Datenübertragung in „Bit“ durch verschiedene Spannungspegel

Abb. 1.6: Zusammenfassen von „acht Bit“ zu „einem Byte“

Größere Einheiten, mit denen man beim Umgang mit Computern konfrontiert wird, sind Kilobyte (kB) = 1024 Byte, Megabyte (MB) = 1024 kB oder Gigabyte (GB) = 1024MB.

Eine Folge von Binärzeichen, die in einem bestimmten Zusammenhang als Einheit betrachtet wird, wird als Wort bezeichnet. Eine Steueranweisung bei einer SPS oder ein Befehl bei einem Kommunikations-Protokoll hat z.B. ein Byte sind acht Bit (28 = 256) bzw. zwei Byte sind 16 Bit (216 = 65 536). Bei vielen Automatisierungsgeräten fasst man 16 binäre Ein/Ausgänge zu jeweils einem Eingangswort oder Ausgangswort zusammen (Abb. 1.7)

Abb. 1.7: Darstellung eines Datenworts aus zwei Bytes

Ein Doppelwort (word) hat zwei Wörter d. h. vier Byte oder 32 Bit (232 = 4 294 967 296).
Ein Achterwort (doubleword) hat vier Wörter d.h. acht Byte oder 64 Bit (264 = 1,844-1019).
Ein Zehnerwort (tenword) hat fünf Wörter d.h. zehn Byte oder 96 Bit (296 = 7,922 • 1028).

Das bekannteste und wichtigste binäre Zahlensystem ist das duale Zahlensystem, auch Dualsystem genannt. Jeder Stelle bei einer Dualzahl ist eine Zweierpotenz zugeordnet. Abbildung 1.8 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Systems. Ist ein Stellenwert Null, so tritt an die Stelle der „1“ eine „0“.

Die Bezeichnung BCD (binary-coded-decimal) bedeutet auf deutsch binär codierte Dezimalziffer. Es geht bei diesem sehr häufig benutzten Code zunächst darum, die Dezimalziffern durch 0 und 1 darzustellen. Hierzu verwendet man das duale Zahlensystem. Die Dezimalziffer mit dem höchsten Wert ist dabei die 9, d. h. man benötigt insgesamt vier Zweierpotenzstellen um die Zahl 9 zu codieren (Tab. 1.1).

Abb. 1.8: Darstellung von Dezimalzahlen im Dualsystem

Tab. 1.1: Darstellung der Dezimalziffern bis „9“ im BCD-Code

Die Darstellung der größten Dezimalziffer benötigt vier binäre Stellen, man spricht hierbei auch von einer Tetrade. Es handelt sich beim BCD-Code also um einen 4-Bit-Code. Man...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Titel
• Impressum
• Vorwort
• Inhaltsverzeichnis
• 1 Grundlagen der Informations- und Kommunikationselektronik
• 2 Leitungssysteme in der Nachrichten-, Informations- und Kommunikationstechnik
• 3 Modulation und Demodulation
• 4 Ethernet und TCP/IP
• 5 Datentransport und Protokolle für das Internet
• Literaturverzeichnis
• Index