Stand der Technik

 

Quelle: rheintal-ix.net

In der heutigen Zeit spielt die Datenverarbeitung und Datenverteilung eine wichtige Rolle. Jeder ist damit tagtäglich konfrontiert. Sei es für das Internet oder im Auto. Überall spielt die Datenübertragung eine entscheidende Rolle. Der Stand der Technik in der Datenübertragung soll im folgenden beschrieben werden.

Medien der Datenübertragung:

Es werden drei verschiedene Arten (Funk, elektrisch oder optisch) der Datenübertragung unterschieden.

  

Quelle: samson.de

Welche Leitungsarten gibt es?

Für die elektrische Datenübertragung steht die Zweidrahtleitung und das Koaxialkabel zur Verfügung. Zur optischen Signalübertragung kann ein Lichtwellenleiter verwendet werden. In der folgenden Abbildung wird näher auf die Leitungen eingegangen.

Quelle: samson.de

In vielen Bereichen wird heutzutage die Übertragung von Daten über Lichtwellenleiter (LWL) erzielt.
Ohne Signalverstärkung können über große Distanzen Daten übermittelt werden. Die Bandbreite liegt bei rund 60THz. Da diese Technolgie die Zukunft bei den Übertragungsmedien darstellt, wird diese weiter diskutiert.

Wie funktioniert die Datenübertragung über LWL?

Daten werden in Form von Licht über eine gewisse Strecke übertragen. Anstatt Elektronen wandern in dieser Art der Datenübertragung Photonen vom Sender zum Empfänger.

Vor der Übertragung müssen die elektrischen Signale in optische gewandelt werden. Hierfür werden spezielle LEDs oder Laserdioden verwendet. Das Licht wird in den Lichtwellenleiter eingekoppelt und durch ein Fotoelement am anderen Ende in ein elektrisches Signal zurückgewandelt.

Welche Bussysteme/ Topologien stehen zur Verfügung?

Das Datennetzwerk der unterschiedlichen Busteilnehmer kann je nach Anwendungszweck und Sicherheitskriterien verschiedene Topologien besitzten. In der folgenden Abbildung werden die wichtigesten Topologien gezeigt.

Quelle: wikipedia.de

Für LWL-Datenübertragungen werden derzeit Ringstrukturen verwendet, so auch im MOST-Bus. Kommen sicherheitskritische Fragen auf, werden oft auch Doppelringstrukturen verwendet.

Wo wird die Datenübertragung über LWL eingesetzt?

Die Datenübertragung über LWL wird im MOST-Bus (Media Oriented Systems Transport) verwendet. Dieses Bussystem wird für Multimediaanwendungen im Auto verwendet und basiert auf synchroner Datenkommunikation. Das Bussystem wird in den Autos der weltweit größten Automobilhersteller wie Audi, BMW oder Jaguar verwendet.

Quelle: images.tecchannel.de

Welche Vorteile bzw. Nachteile sind durch LWL gegeben?

Vorteil	Nachteil
-          keine elektromagnetischen Störeinflüsse	-          relativTeures Medium
-          Keine entfernungsbedingte Verluste des        Signals wegen Induktivitäten, Kapazitäten und       Widerständen	-          I2C und CAN kommen für LWL als Bussystem nicht in Frage, wegen der Bidirektionalen Kommunikation
-          Nahezu Frequenz-unabhängige       Leitungsdämpfung der Signale	-          Nicht alle Topologien/ Busarbeit sind realisierbar
-          Übertragungsraten sind durch mehrere       Trägerwellen mit unterschiedlichen       Wellenlängen nahezu unbegrenzt erweiterbar	-         doppelte Leitungsanzahl der Datenübertragung. (Eine Baugruppe zur Signaleinkopplung und eine zum -auskoppelung)
-          keine Störstrahlungen oder Masseprobleme.	-        Beschränkter Verlegeradius

Welche Materialien gibt es für LWL?

Lichtwellenleiter können aus Glasfaser, Quarz- und Kunststoff- bestehen. Die größte Kapazität und Reichweite stellt die Glasfaser zur Verfügung, während die im Vergleich dazu preiswerteren Kunststofffasern für die kommerzielle Campus und private Heimkabelung zum Einsatz kommen.

Stufenprofilfaser mit einer Dämpfung von etwa 150-220 dB/km bei 660nm. Eine preiswerte Alternative bei kurzen Distanzen (bis zu 100m) mit allen Vorteilen der LWL-Technik. Der Faserdurchmesser beträgt 980/1000 µm und ist daher vergleichsweise einfach zu konfektionieren

Glasfaser:

- sehr reines Material
- zugfestes bei großen Distanzen
- nicht so elastisch wie Kunststoff

Kunststofffaser:

- Dämpfung ist höher wie bei Glas (150 bis 220db/km)
- für kurze Distanzen eingesetzt, 100m (laut- fiber-shop.de)
- preiswert
- flexiebler als Glas
- 980/1000µm

Einsatzgebiete Fasertypen

Fasertyp	Kern/Mantel	Einsatzgebiet	Ausdehnung	Datenraten
Glasfaser	9/125 µm 10/125 µm	Telekommunikation	mehr als 10 km	MBit/s bis Gbit/s
Glasfaser	50/125 µm 62,5/125 µm	lokale Netze in mittleren Arealen, Anlagen, Gebäude, Telekommunikation	bis 4 km	< 155 MBit/s
HCS-Faser	200/230 µm	lokale Netze in Gebäuden und Industrie	bis zu 2 km	< 100 MBit/s

Quelle: de.wikipedia.org

Welche LWL-Aufbauten gibt es?

Es sind drei Arten von LWL-Aufbauten bekannt:
        - Singlemodefaser
        - Multimodefaser
        - Multistufenfaser

Singlemodefaser (Einmode-) können nur einen Modus übertragen.
    - Kerndurchmesser: 3 - 10 µm
    - LWL-Länge: 1550nm
    - Nur ein Moden
    - Keine Laufzeitverschiebung
    - Kaum Dämpfung                                                                                                              Quelle: itwissen.info
    - Hohe Bandbreite
    - Einsatz im Nah und Fernbereich                                    

Multimodefasern (Gradienten- oder Mehrmodenfaser) können durch den großen Kerndurchmesser und verschiedene Materialschichten mehrere Modi übertragen.
    - Kerndurchmesser: 50µm
    - Mehrere Moden
    - Geringere Laufzeit
    - Geringere Dämpfung
    - Mittlere Bandbreite
    - Einsatz im Nahbereich

Multimodestufenfaser/ Multimode- ist für Kurzstrecken geeignet.
    - Kerndurchmesser: 50-100µm
    - Kunststoffaser
    - Lichtwellenlänge: 660nm
    - Mehrere Moden (Zick-Zack-Form)
    - Längere Laufzeiten
    - Größere Dämpfung
    - Kleine Bandbreite
    - Einsatz in Flugzeigen, Autos, Hifi

Kabeltyp	Durchmesser (Kern/Gesamt)	Bandbreite (1 km)	Anwendung
Multimode mit Stufenprofil	100 bis 400 µm/200 bis 500 µm	100 MHz	Entfernungen unter 1 km
Multimode mit Gradientenprofil	50 µm/125 µm	1 GHz	LAN, Backbone, ATM (655 MHz) in Europa
	62,5 µm/125 µm	1 GHz	LAN, Backbone, ATM (655 MHz) in den USA
Monomode (Singlemode) mit Stufenprofil	8 µm/125 µm	100 GHz	Telefon- gesellschaften

Quelle: reicheltpedia.de, elektronik-kompendium.de

Beispiele vorhandener Systeme:

Sender und Empänger RM9004
RM-Electronics

Das LWL Data Link Modul wird zur Datenübertragung zwischen 2 elektronischen Anlagen eingesetzt. Über Steckkontakte können Daten über das Sendermodul in ein Lichtsignal gewandelt und über einen LWL an den Sender Übertragen werden, welcher das Lichtsignal wieder in ein elektrisches wandelt.

Die maximale Kommunikationsgeschwindigkeit beträgt 20KB/sec. Durch die Steckkontakte kann relativ einfach eine Kommunikation z. B. zwischen 2 Mikroprozessor hergestellt werden, wahlweise auch über ein Bussystem.

Quelle: Lantronic-et.de 

Sender und Empfänger AFBR-1629Z/AFBR-2529Z
Avagon Technologies

Die Baugruppe von Avagon Technologies gibt es jeweils als Sender und als Empfänger. Eine ähnliche Baugruppe befindet sich auch auf dem Board von RM-Elektronics.

Die Technologie des Bauteils ist die gleiche. Ein Vorteil der sich durch dieses Element ergibt ist die größere Baudrate. Allerdings gilt es hierfür ein Board zu erstellen, welches im ersten Beispiel nicht der Fall ist und somit die Variante 1 für erste Test verwendet wird.

 

Quelle: Avagotech.com 

 

Links:

http://www.elektronik-kompendium.de/sites/kom/0301282.htm

http://www.samson.de/pdf_de/l153de.pdf

http://www.lantronic-et.de/Module/Bausaetze/Module/LWL-Lichtwellenleiter-Data-Link-Module-RM9004-pro-Set::5018.html

http://www.reicheltpedia.de/index.php/Lichtwellenleiter

http://www.christiani.de/pdf/74974_probe.pdf

http://de.wikipedia.org/wiki/Hard_Clad_Silica_Optical_Fiber

Bilder:

http://www.samson.de/pdf_de/l153de.pdf

http://www.lantronic-et.de/Module/Bausaetze/Module/LWL-Lichtwellenleiter-Data-Link-Module-RM9004-pro-Set::5018.html

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/af/NetzwerkTopologien.png

http://images.tecchannel.de/images/tecchannel/bdb/361603/890.jpg

http://www.rheintal-ix.net/wp-content/uploads/2011/12/rheintal-ix_internet_exchange.jpg

http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Lichtwellenleiter-FO-fiber-optics-LwL.html

http://www.avagotech.com/pages/en/fiber_optics/general_purpose_industrial_control_data_link_650nm/afbr-1629z/