Monitoring via euro-docsis. Mededeling

Transcriptie

1 Mededeling Deze eindverhandeling was een examen; de tijdens de verdediging vastgestelde fouten werden niet gecorrigeerd. Gebruik als referentie in publicaties is toegelaten na gunstig advies van de KHBO-promotor, vermeld op het titelblad.

2 Woord vooraf Met genoegen wil ik de vele mensen bedanken die ervoor zorgden dat dit eindwerk tot een goed einde kon worden gebracht. Vooreerst zou ik de WVEM willen danken voor de mogelijkheid en de openheid die me geboden werd mijn eindwerk uit te voeren in hun site te Torhout. Ik werd er altijd bijzonder warm ontvangen. Uiteraard dank ik ook alle personeelsleden van de WVEM die me steeds met plezier hielpen en me steeds te woord stonden: Hans Van Sebroeck, Gaby De Gryse, Rik Vandebuerie, Mia Vanoost, Paul Versluys en Edward Santens. De KHBO-Oostende, Departement Industriële Wetenschappen en Technologie, wil ik bedanken voor de opleiding die ik er genoten heb en dit zowel op technisch als sociaal vlak. Een bijzonder woord van dank is er voor de heer Luc Decroos die me steeds met raad en daad bijstond in het realiseren van dit eindwerk. Ten slotte had ik graag even mijn ouders willen bedanken, omdat ze het mogelijk maakten mij deze studies te laten volgen. Een woordje van dank ook aan mijn ganse familie en alle vrienden en kennissen die me gedurende mijn hele studieperiode steeds steunden, ook op momenten dat het niet zo vlot verliep.

3 4 Abstract Dit eindwerk is te situeren in de wereld van de kabeltelevisie. Soms kunnen de klanten een slechte ontvangst hebben van bepaalde televisiekanalen. Die ontvangst is onder andere afhankelijk van het niveau van de kanalen. Het niveau van eender welk televisiekanaal bij de klant moet steeds tussen 0 en +15 dbmv liggen met een maximale tilt van 12 db. Mijn taak bestond erin om op elke plaats in het kabelnet de netkwaliteit van op afstand te kunnen valideren. Gezien de omvang van deze studie werd het praktische gedeelte beperkt tot het uitwerken van de RF problematiek. Het zou nogal veel werk zijn om van alle televisiekanalen (PAL B/G kanalen, analoge carriers) het niveau te bepalen. Daarom wordt het niveau gemeten van twee piloten (draaggolven) die mee uitgezonden worden in de 600MHz brede band. Deze pilootfrequenties liggen op 87,4 MHz en 551,25 MHz. Hiervoor werd een schakeling ontworpen die het niveau van deze pilootfrequenties omzet naar een evenredige DC spanning. Deze twee spanningen worden gebruikt om twee ledbars aan te sturen, die een indicatie geven van het niveau van de piloten. Hierbij kan de netkwaliteit nog niet van op afstand gemonitord worden, maar de schakeling kan later wel uitgebreid worden. Dit zal gebeuren via een microncontroller en een embedded ethernetcontroller die deze spanningen digitaliseren en via het Internet Protocol van op afstand opvraagbaar maken. Het transport van de IP datagrammen kan over het kabeltelevisienetwerk, door een kabelmodem, via het euro-docsis protocol gebeuren. Deze datagrammen komen dan terecht bij een centrale computer waar de oorspronkelijke gegevens teruggewonnen worden. Naast het praktisch uitgevoerde werk vindt u in dit eindwerk ook de nodige informatie terug over de opbouw van het kabeltelevisienetwerk en de mogelijke uitbreiding op de gemaakte schakeling.

4 5 Mededeling Woord Vooraf Abstract.. 4 Inhoudsopgave Lijst van afkortingen... 7 Inleiding WVEM Algemene beschrijving Fabricatieprogramma Kabeltelevisienetwerk Historiek Dichtst bekabelde land ter wereld De markt vandaag Niveaumeting pilootfrequenties Frequentieplan Eerste oplossing Tweede oplossing Schakeling theoretisch De coaxkabel De splitter Filters Soorten Families Ontwerp via Elsie s-parameters De voedingsspanningen Mixers Mixer voor de lage pilootfrequentie Mixer voor de hoge pilootfrequentie Kristaloscillatoren Kwartskristallen Oscillator voor de lage pilootfrequentie Oscillator voor de hoge pilootfrequentie De RF-versterker De omzetter naar DC De ledbar Schakeling praktisch De generator De splitter De banddoorlaatfilters Eerste methode Tweede methode BDF voor de lage pilootfrequentie BDF voor de hoge pilootfrequentie De voeding

5 6 4.5 De Mixers Mixer voor de lage pilootfrequentie Extra LDF Mixer voor de hoge pilootfrequentie Kristaloscillatoren Oscillator voor de lage pilootfrequentie Oscillator voor de hoge pilootfrequentie De RF-versterker De omzetter naar DC De ledbar Problemen De volledige schakeling De print Onderdelenlijst Het kabeltelevisienetwerk Het antennestation Opbouw van het kabeltelevisienet De voeding Heen- en terugweg Het HFC-net Het primair net De primaire versterker Het secundair net De secundaire versterker De directionele koppelkast De abonneeaansluiting Monitoring van op afstand Datacommunicatiesystemen Het OSI-model Het TCP/IP-model Ethernet Protocolbeschrijvingen IP TCP UDP DHCP LAN CMTS De kabelmodem DOCSIS De evolutie van DOCSIS De verschillende lagen Euro-DOCSIS Algemeen besluit Bijlagen Literatuurlijst... 98

6 7 Lijst van afkortingen AC Alternating current, wisselstroom ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line AGC Automatic Gain Control ALSC Automatic Level and Slope Controle ASK Amplitude Shift Keying BDF Banddoorlaatfilter (of BPF, Band Pass Filter) BSC Binary Synchronous Communication CF Ceramic Filter, keramisch filter CM Cable Modem CMTS Cable Modem Termination System CPD Common Path Distortions CRC Cyclic Redundancy Check CSMA/CD Carrier Sense Multiple Acces with Collision Detection DC Direct Current, gelijkstroom DHCP Dynamic Host Configuration Protocol DNS Domain Name System DOCSIS Data Over Cable Service Interface Specification FM Frequency Modulation FSK Frequency Shift Keying FTP File Transfer Protocol HDLC High Level Data Link Control HF Hoogfrequent HFC Hybrid Fiber Coax HMS Hybrid Management Sublayer IC Integrated Circuit IF Intermediated Frequency, middenfrequent IP Internet Protocol ISO International Standards Organisation LAN Local Area Network LDF Laagdoorlaatfilter (of LPF, Low Pass Filter) LED Light Emitting Diode LO Lokale Oscillator MAC Medium Access Control MAR Monolithic amplifier NIU Network Interface Unit ONU Optical Node Unit Opamp Operating Amplifier OSI Open System Interconnection PAL Phase Alternating Line PC Personal Computer QAM Quadrature Amplitude Modulation QoS Quality of Service QPSK Quadrature Phase Shift Keying RF Radiofrequent RFC Radio Frequency Choke, smoorspoel RG59 Coaxkabel, 75Ω RIK Ruggengraat Interkabel RJ Recommended Jack

7 8 RSSI SECAM SMD TCP TTY TV UDP UHF UTP VHF VoIP WVEM Xtal Z 0 Received Signal Strength Indicator Séquentiel Couleur A Mémoire Surface Mounted Device Transmission Control Protocol Teletype Televisie User Datagram Protocol Ultra High Frequency Unshielded Twisted Pair Very High Frequency Voice over IP West Vlaamse Elektriciteitsmaatschappij Kristal Karakteristieke impedantie

8 9 Inleiding Soms kan het zijn dat klanten thuis een slechte ontvangst hebben van hun tv-kanalen. Die ontvangst is onder andere afhankelijk van het niveau van de tv-kanalen. Om de grootte van deze signalen te bepalen starten we bij de eindgebruiker (tv-toestel). De tuner in het tv-toestel is de beperkende factor. Hier moeten een aantal voorwaarden voldaan worden: - is het signaalniveau te groot dan wordt de tuner overstuurd; - is het signaalniveau te klein dan ziet men ruis; - is het signaalniveau tussen twee kanalen te groot dan ontstaat er vervorming. Deze voorwaarden hebben geleid tot een norm. Niveau Beelddraaggolf Beelddraaggolf FM-draaggolf FM-draaggolf in dbµv in dbmv in dbµv in dbmv minimum maximum Tabel 0.1 Met andere woorden: het niveau van eender welk tv-kanaal bij de klant moet steeds tussen 0 en +15 dbmv liggen met een maximale tilt van 12 db. Deze voorwaarden kan men voorstellen als een rechthoek (zie figuur) waarbinnen de kabeltelevisiesignalen bij de klant, gemeten op de wandcontactdoos, moet vallen. De demping van de coaxiale kabel is groter bij hoge frequenties dan bij lage frequenties. Op het einde van een net kan het niveau bij een klant voorgesteld worden als een rechte in onderstaande figuur. Grafiek 0.1 Het zou nogal veel werk zijn om nu van alle kanalen die niveaus te gaan meten. Daarom wordt het niveau bepaald van de twee piloten die mee uitgezonden worden in de 600MHz brede band. Deze piloten liggen op 87,4 MHz en 551,25 MHz. De piloten komen van kwartsoscillatoren en zij moeten vooral zeer stabiel van niveau zijn.

9 10 Het meten van de niveaus gebeurt bij voorkeur op het einde van een secundaire lijn, omdat deze daar het kleinst zijn, maar kan evengoed op eender welke plaats in het kabeltelevisienet gebeuren. Hiervoor moet een schakeling ontworpen worden die deze niveaus op één of andere manier kan weergeven. De schakeling kan later worden uitgebreid, zodat je op elke plaats in het kabeltelevisienet de netkwaliteit van op afstand kan valideren. Dit is zeer simplistisch voorgesteld op onderstaande figuur. Figuur 0.1 In dit geval is het niveau van het tv-kanaal te laag, zodat er ruis te zien is. Hiervan wordt er dan een melding gegeven op een centrale computer. De schakeling die ontworpen werd zet het niveau van de twee pilootfrequenties om naar twee evenredige DC-spanningen. Deze spanningen worden gebruikt om twee ledbars aan te sturen die dan een indicatie geven van het gemeten niveau. Er is echter al een firma (Mampaey) die een gelijksoortig toestel gemaakt heeft. Het verschil met mijn opdracht is dat zij het toestel gemaakt hebben voor twee andere pilootfrequenties. Via hun toestel wordt ook enkel maar aangegeven of het niveau goed of slecht is. Hierbij weet je nog niet de exacte waarde van het niveau. Via mijn schakeling kan je ongeveer tot op 1dB nauwkeurig de werkelijke waarde aflezen. Ook is mijn schakeling via een ander principe opgebouwd, omdat ik niet over dezelfde middelen beschik om dezelfde technieken toe te passen als een gespecialiseerde firma. De uitbreiding waarbij de niveaus van op afstand kunnen bekeken worden zal gebeuren via een microcontroller en een embedded ethernetcontroller. Deze zullen de twee spanningen digitaliseren en via het Internet Protocol van op afstand opvraagbaar maken. Het transport van de IP datagrammen kan over het kabeltelevisienetwerk, door een kabelmodem, via het euro-docsis protocol gebeuren. Deze datagrammen komen dan terecht bij een centrale computer waar de oorspronkelijke gegevens teruggewonnen worden. In dit eindwerk wordt eerst wat uitleg gegeven over de WVEM, waar ik mijn stage heb gedaan en dit eindwerk kon realiseren. Daarna wordt stap voor stap de opbouw besproken van de gemaakte schakeling om de twee ledbars aan te sturen. Hierover wordt eerst de nodige theoretische uitleg gegeven met daarna de praktische uitwerking. Hierna kan de gemaakte schakeling eender waar in het kabeltelevisienetwerk geplaatst worden, zodus wordt er ook een woordje uitleg gegeven over de opbouw van dit kabelnetwerk. Tenslotte volgt de nodige theoretische uitleg over de verdere uitbreiding via het euro-docsis protocol om de netkwaliteit van op afstand te kunnen bekijken.

10 11 1 De WVEM 1.1 Algemene beschrijving De West-Vlaamse Elektriciteitsmaatschappij, of afgekort WVEM, is een "Zuivere Intercommunale" met exploitatiegebied in West-Vlaanderen, Vlaams-Brabant en Antwerpen met zo n 390 werknemers. Figuur 1.1: Logo WVEM Een intercommunale komt tot stand als een contract van vereniging tussen twee of meer gemeenten ter behartiging van een gemeentelijk belang. Ook provincies, de Staat of privé-personen kunnen tot een intercommunale toetreden. Dit gaf aanleiding tot het ontstaan van 2 exploitatievormen bij de elektriciteitsverdelers: nl. het systeem van "gemengde intercommunales" en het systeem van "zuivere intercommunales. - Gemengde intercommunales zijn intercommunales waarbij een private onderneming toetreedt. Deze laatste voert de werken uit voor de intercommunale (te vergelijken met een aannemer): zij legt leidingen aan, doet aansluitingen, factureert, investeert, enz... Zo was in West-Vlaanderen de onderneming ELECTRABEL private partner van de gemengde intercommunales IMEWO en GASELWEST. - Van een zuivere intercommunale daarentegen kunnen enkel openbare besturen deel uitmaken. De WVEM werd opgericht op 7 april 1924 te Diksmuide. De provincie West-Vlaanderen en 18 gemeenten besloten onder elkaar een intercommunale vereniging te vormen voor de bedeling van elektrische energie. Dit bleek nodig te zijn gezien de private distributeurs geen belangstelling vertoonden voor de levering van elektriciteit aan dun bevolkte landbouwgemeenten. Een rendabele exploitatie zou volgens hen niet mogelijk zijn. Op 7 juli 2006 werd het samenwerkingsverband tussen drie zuivere intercommunales in Vlaanderen officieel met de oprichting van Infrax. Dit nieuwe bedrijf zal de operationele activiteiten van Interelectra, Iveg en WVEM bundelen om op die manier nog efficiënter te werken en daarbij de kosten te reduceren. Infrax is een coöperatieve vennootschap waarbij een goede dienstverlening naar de klanten inzake de verdeling van elektriciteit, aardgas, telecommunicatie en riolering centraal staat. Interelectra, Iveg en WVEM zijn vergelijkbare maatschappijen die al geruime tijd op vriendschappelijke basis samenwerken en ideeën uitwisselen. Elke maatschappij werkte volledig autonoom binnen zijn eigen werkingsgebied. Met de oprichting van Infrax verandert er niets aan de autonomie, maar worden de krachten gebundeld, herverdeeld en op die manier beter ingezet. De huidige maatschappijen blijven elk afzonderlijk bestaan, maar de exploitatie wordt toevertrouwd aan het nieuwe bedrijf. Daar waar alles vroeger op drie plaatsen bedacht, ontwikkeld en uitgevoerd werd, zullen nu, waar mogelijk, meer activiteiten geconcentreerd worden op één werkplek. Er zal bijvoorbeeld gewerkt worden aan het gebruik van dezelfde computersystemen voor iedereen, de verdere uitbouw van kenniscentra, het centraliseren van aankopen en magazijnbeheer, enz. Eén management zal de drie werkingsgebieden aansturen.

11 12 Het spreekt voor zich dat ze op termijn kostenbesparend zullen werken door voor een groter gebied dezelfde systemen, processen en mensen in te zetten. De WVEM zelf is een opdrachthoudende vereniging met als deelgenoten: - de 17 aangesloten gemeenten; - de provincie West-Vlaanderen; - de intercommunale Havi-GIS. Het hoofdbureau (bestuurszetel) van de WVEM is gevestigd in de Hoogstraat te Brugge. Daar gebeurt de volledige administratie, boekhouding en informatieverwerking. Het "veldwerk" wordt verzorgd vanuit een aantal sectorbureaus. Een sectorbureau kan men zich best voorstellen als een technische cel bestaande uit een administratief gedeelte, gekoppeld aan een voorraadmagazijn van waaruit met dienstwagens een groep gemeenten bediend wordt (aansluitingen, afsluitingen, aanleg nieuwe netten, herstel en onderhoud van netten, service aan de klanten, enz...). Er is een sectorbureau te Gistel, Diksmuide en Harelbeke; een ondersectorbureau te Torhout en bijkantoren te Middelkerke en Jabbeke. De maatschappelijke zetel is gevestigd in de Noordlaan 9 te Torhout. In de toekomst zullen ook het hoofdbureau uit Brugge en de kleine sectorbureaus verhuizen naar Torhout. 1.2 Fabricatieprogramma Figuur 1.2: Slogan WVEM Alle residentiële verbruikers van elektriciteit en gas in Vlaanderen zijn sinds 1 juli 2003 vrij hun energieleverancier te kiezen. De vrije energiemarkt vereiste ook de opsplitsing tussen netwerk en verkoop, aangezien de diverse energieverkopers van het netwerk gebruik moeten kunnen maken. Voor de WVEM is het belangrijkste gevolg dat zij de levering van stroom en gas moest afstoten naarmate de klanten keuzevrijheid kregen. De WVEM is een netwerkoperator maar zal geen energie meer leveren, tenzij voor speciale opdrachten, zoals sociale dienstverplichtingen. Naast haar aanvangsactiviteit van elektriciteitsdistributie heeft de WVEM in de loop der jaren haar activiteiten uitgebreid. De voornaamste activiteiten staan hieronder samengevat. - Het transport van elektriciteit naar meer dan klanten, en bij van deze klanten ook de transport van aardgas. - De levering van kabeltelevisiesignalen aan ongeveer klanten van de 34 aangesloten gemeenten. - De exploitatie, het onderhoud en de ontwikkeling van het energiedistributienet. - De aflezing van de verbruiksmeters en het databeheer van de verbruiksgegevens van de vrije klanten. - De boekhouding in verband met het netbeheer. De WVEM participeert ook in bestaande bedrijven of werkt ermee samen.

12 Kabeltelevisienetwerk Historiek De kabeltelevisietechniek is ontstaan in de Verenigde staten van Amerika in de jaren 60 en is zeer snel overgewaaid naar o.a. België. In België werd het eerste kabeltelevisienet gebouwd in de streek van Luik. Luik is gelegen in een dal en hierdoor was het onmogelijk de aardse tv-zenders behoorlijk te ontvangen met een gewone antenne. Omdat de tv-ontvangst daar zo moeilijk was, werden ook weinig tv-toestellen verkocht, wat een nefaste invloed had op het elektriciteitsverbruik. Daarom zijn de elektriciteitsmaatschappijen in het Luikse gestart met de aanleg van kabeltelevisienetten, dus in de eerste plaats om economische redenen. WVEM is in 1970 gestart met kabeltelevisie. Om vlug te kunnen starten werd een voorlopige antennemast gebouwd op een nieuwe sociale verkaveling te Zandvoorde (Oostende). Op deze sociale verkaveling werd dan het definitieve kabelnet aangelegd. De eerste beelden werden aan de bewoners van de woonwijk doorgegeven op kerstavond 24/12/1970. Verder is alles in sneltreinvaart verlopen. In de eigen constructie werkplaats te Torhout werden de 4 antennemasten gebouwd. Deze masten (een eigen ontwerp) zijn 60m hoog. De metalen constructie met een gewicht van 25 ton rust op een fundering van 25m³ gewapend beton. De metalen profielen worden samengehouden door 8000 bouten. De inplantingplaats van de masten werden gekozen in functie van de geplande netstructuur en per helikopter uitgevoerde veldsterktemetingen. Eind 1971 waren reeds 57km primair net, 78km secundair net geplaatst en waren reeds 2497 aansluitingen uitgevoerd. Er werd gestart met 8 tv-programma s nl. BRT, RTB, NOS 1, NOS 2, ORTF 1, ORTF 2, BBC 1 en BBC 2. Ondanks dit gering aantal tv-programma s dat aangeboden werd ondertekenden reeds 70 % van de potentiële abonnees een abonnementspolis. De grootste verkoopsargumenten waren in die tijd: - geen antenne problemen meer; - een monostandaard tv-toestel volstaat; - betere ontvangst van de Nederlandse programma s.

13 Dichtst bekabelde land ter wereld Met een penetratie van meer dan 95% is België het dichtst bekabelde land ter wereld. De eerste kabeltelevisienetten werden aangelegd begin de jaren 60. Land Penetratie (in %) België 96,5 Nederland 94,72 Noorwegen 87,67 Duitsland 84,62 Ierland 83,08 Denemarken 81,08 Zweden 80,00 Oostenrijk 70,59 Finland 61,33 Frankrijk 36,73 Portugal 33,74 Verenigd Koninkrijk 26,17 Spanje 11,13 Italië 6,75 Tabel 1.3.2: Vergelijking bekabeling tussen verschillende landen van Europa De markt vandaag België mag dan het dichtst bekabelde land ter wereld zijn, de markt is volledig gefragmenteerd, als gevolg van het grote aantal operatoren. Dit komt deels doordat telecommunicatie een gemeenschapsbevoegdheid (cultureel) is, deels doordat het beheer voor een groot stuk in gemeentelijke handen is. De gemeenten kunnen voor de distributie van tv-signalen kiezen uit verschillende formules. Figuur 1.3.3a: Marktaandelen van de verschillende operatoren.

14 15 Figuur 1.3.3b: Overzicht kabelklanten van de zuivere intercommunales (toestand op 31/12/2005) Tabel 1.3.3: Overzicht kabelklanten van de zuivere intercommunales Alle zuivere kabelmaatschappijen in België zijn verenigd in INTER-REGIES. INTER-REGIES is de overkoepelende vereniging van de zuiver openbare elektriciteits-, aardgasen kabeldistributiesector, opgericht op 22 oktober 1955 in Brussel, aanvankelijk onder de naam "Interpublic".

15 16 2 Niveaumeting pilootfrequenties 2.1 Frequentieplan Het spectrum dat door de WVEM wordt aangeboden ziet er vandaag theoretisch als volgt uit: Figuur 2.1a: spectrum tot 600MHz. Het grootste gedeelte van het spectrum is hierbij voorbehouden voor de heenweg of downstream. Dit betekent het verzenden van HF-signalen van het antennestation naar de klanten. Voorbeelden hiervan zijn de FM-band, de analoge en digitale tv-kanalen, maar ook de twee piloten. Een klein deel van het spectrum is voorbehouden voor de terugweg of upstream. Dit is precies het omgekeerde, dus het terugsturen van HF-signalen van de klanten naar het antennestation. Voorbeelden hiervan zijn telefonie en internet. Oorspronkelijk was het frequentiebereik beperkt tot 450MHz. De WVEM breidde de capaciteit van zijn coaxiaal kabelnet uit naar 600MHz om nieuwe digitale diensten te kunnen aanbieden, met behoud van het analoge aanbod. Dit gebeurde door de vervanging van alle 6000 primaire en secundaire versterkers met nieuw digitaal geregelde versterkers. Het is interessant om een idee te hebben van hoe het spectrum er nu praktisch uitziet. Daarom heb ik eens de coaxkabel (die toekomt bij de klanten) aangesloten op een spectrum analyser. Hierbij zijn signalen aanwezig tot ongeveer 650Mhz. Om nu het niveau van de piloten te bepalen, moet het spectrum ingezoomd worden op die piloot. Op onderstaande figuur liggen alle frequenties als het ware samengepropt op elkaar zodat de spectrum analyser een hoger niveau aangeeft dan het werkelijk niveau. Figuur 2.1b: Volledige frequentieband

16 17 Dit beeld wordt ingezoomd op 87,4MHz en 551,25MHz zodat duidelijk het niveau van de twee pilootfrequenties te bepalen is. Figuur 2.1c: Ingezoomd op 87,4MHz Figuur 2.1d: Ingezoomd op 551,25MHz In dit voorbeeld heeft de piloot op 87.4MHz een niveau van 11.65dBmV, wat dus tussen de vooropgestelde grenzen van 0 en 15dBmV ligt. De pilootfrequentie op 551,25MHz heeft een iets lager niveau van 9.12dBmV, maar ligt eveneens tussen de vooropgestelde grenzen. Door deze twee figuren te vergelijken is ook goed de tilt te zien, die duidelijk kleiner is dan 12dB. Om het niveau van deze piloten te bepalen (zonder spectrum analyser) moest nu een schakeling ontworpen worden. 2.2 Eerste oplossing Eerst was ik van plan om gebruik te maken van een zeer scherpe banddoorlaatfilter, dat enkel de gewenste pilootfrequentie uitfiltert. Daarna wordt het niveau versterkt en gelijkgericht. Dit moet zowel voor de hoge als voor de lage pilootfrequentie gebeuren. Figuur 2.2: Blokschema eerste opstelling Na het ontwerpen en bouwen van de banddoorlaatfilters (BDF s) kwam ik tot de conclusie dat het zeer moeilijk zou zijn om zo n scherpe filters te maken. Doordat op 88MHz reeds de FMband begint, heb je maar 600kHz spacing voor het filter op 87.4MHz. Daarom besloot ik dan om het probleem anders te gaan aanpakken, zodat er geen zo n scherpe filters meer gebruikt moeten worden.

17 Tweede oplossing De gebruikte schakeling is nu gebaseerd op een superheterodyne ontvanger. Deze schakeling wordt vaak toegepast bij de klassieke FM-ontvangers. Figuur 2.3: Blokschema tweede opstelling Indien je voor de mengtrap een vast middenfrequent kiest, en een vaste oscillatorfrequentie, dan worden automatisch de som- en verschilfrequentie genomen als RF signaal. Bvb: als f MF neem je een keramisch filter van 10.7MHz, f LO maak je op 76.7MHz, dan neemt de mixer automatisch 87.4MHz en 66MHz als RF signaal. De middenfrequentie f MF wordt dan versterkt en omgezet naar een DC-spanning. Deze schakeling zal nu stap voor stap besproken worden.

18 19 3 Schakeling theoretisch 3.1 De coaxkabel De abonneeaansluiting begint bij de uitgang van de koppelkast. Daar niet elke aansluiting even lang is worden twee types kabel gebruikt. Korte en bovengrondse aansluitingen worden uitgevoerd met een dunne abonneekabel. Langere ondergrondse aansluitingen worden uitgevoerd met dikke abonneekabel. Specificaties 707CRT2 zwart (RG11) 705CRT2 zwart of grijs (RG6) 704TT3V ivoor (RG59) maximum toegelaten lengte m < 35 m In huis Weerstand bij 20 C Ω/km (lusweerstand) 15 29,3 67 Z 0 (Ω) Propagatiesnelheid in % v/d lichtsnelheid Verzwakking bij 20 C 5 MHz db/100 m 0,84 1,34 2,41 10 MHz db/100 m 1,19 1,91 3,42 25 MHz db/100 m 1,89 3,03 5,45 30 MHz db/100 m 2,07 3,32 5,98 50 MHz db/100 m 2,7 4,3 7,76 87,4 MHz db/100 m 3,60 5,72 10, MHz db/100 m 3,86 6,13 11,1 200 MHz db/100 m 5,55 8,76 15, MHz db/100 m 6,89 10,81 19, MHz db/100 m 8,04 12,56 23, MHz db/100 m 8,57 13,36 24, MHz db/100 m 8,77 13,67 25, MHz db/100 m 10,02 15,55 26, MHz db/100 m 11,75 18,11 33, MHz db/100 m 12,23 18,83 34, MHz db/100 m 13,3 20,41 37,97 Diameter van de kern in mm 1,63 1,02 0,6 Minimuim buigstraal in cm 1 x x Tabel 3.1: Specificaties abonneekabels Bij de klant thuis komt meestal de 705CRT2 toe. Dit is een nieuwere, verbeterde versie van de 704TT3V. Het is dan ook deze kabel die wordt aangesloten op de gemaakte schakeling.

19 De splitter Doordat er 2 piloten gemeten worden, moet het net 2 keer ter beschikking worden gesteld. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van een splitter. Deze kan het signaal splitsen, zonder de karakteristieke impedantie van het net (= 75Ω) te wijzigen. De splitter is een passieve schakeling met 1 ingang en 2 of 3 uitgangen. De aftakking kan asymmetrisch gebeuren met behulp van een splitter -1/-10 of symmetrisch met een splitter -4/-4. Het type -4/-4 verdeelt het signaal gelijkmatig naar de twee uitgangen. Bij een ideale splitter zou het vermogen van het signaal door twee gedeeld worden of 3 db verzwakken. Echter door kleine verliezen in de schakeling wordt het signaal ongeveer 4 db verzwakt. Dit werkt ook omgekeerd. Sluit je het signaal aan op één van de uitgangen, dan komt dit signaal 3dB verzwakt op de ingang maar niet op de andere uitgang. Sluit je op beide uitgangen een signaal aan, dan komen deze signalen samen op de ingang terecht, en 3dB verzwakt. Een tweede type splitter is de -1/-10. Op de ene uitgang wordt het signaal 1 db verzwakt. Op de andere is het signaal 10 db zwakker. Een derde type splitter is een driewegsplitter (-6/-3/-6). De splitters hebben een vlakke doorlaatkarakteristiek. Figuur 3.2a: Principeschema s van splitters In dit eindwerk wordt gebruik gemaakt van de symmetrische splitter -4/-4. Figuur 3.2b: De gebruikte splitter praktisch

20 Filters Soorten Er bestaan vier soorten filters die gebruikt worden in elektronische schakelingen. - Het laagdoorlaatfilter of LDF laat alle frequenties door tot f1. Vanaf hier worden de hogere frequenties verzwakt en uiteindelijk geheel onderdrukt. - Het hoogdoorlaatfilter of HDF laat alle frequenties door vanaf f1. De lagere frequenties worden hier nu verzwakt. - Het banddoorlaatfilter laat frequenties door vanaf f1 tot f2 en verzwakt alle frequenties die buiten deze band vallen. Dit filter is veruit de meest belangrijke en de meest gebruikte in elektronische schakelingen. Vooral in radio s wordt deze veel toegepast om een bepaalde frequentieband door te laten. Denk maar aan een eenvoudige FM-ontvanger waar alleen frequenties vanaf 88MHz t.e.m. 108 MHz worden doorgelaten. - Het bandssperfilter houdt frequenties tegen vanaf f1 tot f2 en laat alle frequenties door die buiten deze band vallen. Figuur 3.3.1: Soorten filters Om de twee pilootfrequenties uit te filteren wordt gebruik gemaakt van BDF s. Er bestaan nu echter verschillende mogelijkheden om dergelijk filter te ontwerpen. Men spreekt dan over de verschillende families van filters.

21 Families Elk filter maakt deel uit van een bepaalde familie. De voornaamste zijn Butterworth, Chebyshev, Bessel of Cauer. Deze vier worden nu besproken. - BUTTERWORTH-filter. De Butterworth filter is het filter met de maximale vlakke karakteristiek. Dit filter vertoont een bijna vlakke doorlaatband, zonder enige rimpel. De roll-off is matig vlak en monotoon met een steilheid van 6dB/octaaf of 20dB/decade. Een derde orde Butterworth-LDF heeft dus een verzwakking van 60dB/decade. Het filter vertoont een nogal constante groepspropagatietijd, waardoor dit filter gebruikt wordt in meettechnieken. De figuur geeft de amplituderesponsies weer van LDF s van verschillende ordes. De frequentieas is genormeerd, waardoor alle curven een 3dB verzwakking hebben bij Ω = 1. Vandaar dat een Butterworth ook wel eens wordt benoemd als een filter met gelijke rimpel van 3dB. In bepaalde omstandigheden kan men zelfs een bepaalde rimpel toekennen aan een Butterworth in de doorlaatband. - CHEBYCHEV-filter Figuur 3.3.2a: Doorlaatkarakteristiek van Butterworth LDF s Een tweede belangrijke benadering van het ideale filter is deze van Chebychev, ook genoemd: filter met gelijke rimpel-responsie. Zoals de naam doet vermoeden heeft dit filter een rimpel in de doorlaatband van de amplitudekarakteristiek. De hoeveelheid rimpels is één van de parameters die gebruikt wordt om het filter te specifiëren. De Chebychev-karakteristiek heeft een steilere roll-off bij het -3dBpunt dan de Butterworthkarakteristiek; dit echter ten koste van een minder vlak verloop in de doorlaatband. Een filter van de n de orde zal (n-1) pieken of dalen hebben in het doorlaatgebied. Dit is soms moeilijk na te gaan, vandaar volgende twee uitspraken: Een Chebychev-LDF van oneven orde zal een DC-versterking hebben die gelijk is aan de nominale waarde, met een aantal dips en peaks in de amplituderesponsie die gelijk is aan de rimpelwaarde.

22 23 Een Chebychev-LDF van even orde zal een DC-versterking hebben die gelijk is aan de nominale waarde verminderd met de waarde van de rimpel. Deze rimpel zal in dit geval de waarde van de versterking verhogen tot de nominale waarde. Ter illustratie volgende, gedetailleerde amplitudekarakteristiek: - BESSEL-filter Figuur 3.3.2b: Doorlaatkarakteristiek van Chebychev LDF s Hier ligt de nadruk op de groepslooptijd in de doorlaatband. Net als bij een Butterworth-filter is de amplituderesponsie vlak in het doorlaatgebied, maar de overgang naar het spergebied valt tegen. Dit filter wordt eveneens gebruikt in toepassingen die een impulssignaal moeten verwerken en die geen amplitudevervorming en fasedraaiing toelaten. De Besselkarakteristiek vertoont een nagenoeg lineaire faseverschuiving met de frequentie. De werking simuleert dus een vertragingslijn in de doorlaatband. Volgende figuren illustreren een blokgolfresponsie. Er is geen ringing of overshoot. Met uitzondering van de afrondingen, die het resultaat zijn van een laagdoorlaatfiltering, wordt de vorm van het signaal bijna behouden. Figuur 3.3.2c: Blokgolfresponsie Bessel filter Merk op: Er ontstaat een ringing omwille van de niet-lineaire faseverschuiving.

23 24 - CAUER- of Elliptisch filter De helling van de karakteristiek bij dit soort filters is erg steil in vergelijking met alle voorgaande filters. De amplitudekarakteristiek heeft wel een rimpel, zowel in de doorlaatband als in de sperband en de fasewet is verre van lineair. Indien het van primair belang is om signalen binnen een bepaalde frequentieband door te laten en daarbuiten alles te onderdrukken, zal een elliptische filter de beste oplossing bieden in de kleinste orde. Typische toepassingen van het Cauer-filter situeren zich in gesampelde systemen, waarbij de samplefrequentie en al zijn veelvouden onderdrukt moeten worden. De elliptische functie heeft een scherpe cut-off met toevoeging van scherpe onderdrukkingen (notches) in de stopband. Daardoor valt de transfertfunctie op een waarde - bij verschillende frequenties in de stopband. Dit zijn de veelvouden van de afsnijfrequentie. Het elliptisch filter kan gespecificeerd worden met drie parameters: de rimpel in de doorlaatband, de stopbandverzwakking en het orde van het filter (met uiteraard ook nog de versterking en de cut-off frequentie). Figuur 3.3.2d: Elliptische filter Eerst heb ik geprobeerd om zelf de banddoorlaatfilters te ontwerpen. Hierbij maakte ik gebruik van Butterworth-filters. Toen dit niet lukte ben ik dan vertokken van een reeds bestaand filter. Verder in de schakeling gebruik ik wel nog een zelf ontworpen Butterworth LDF (zie verder).

24 Ontwerp via Elsie Voor dit eindwerk heb ik het o.a. het programma Elsie gebruikt. Dit is een zeer eenvoudig programma om passieve filters te ontwerpen. Hieronder volgt een korte uitleg over de werking van het programma aan de hand van een voorbeeld. Voorbeeld: Ik wens enkel de lage pilootfrequentie door te laten en geen omliggende frequenties. Voor het filter op 87.4MHz mag je dus slechts 600kHz spacing hebben, omdat op 88MHz reeds de FMband begint. Hiervoor moet het filter zeer scherp zijn. Eerst moet je de nodige parameters ingeven, waarna het programma zelf een gepaste schakeling (schema) geeft. Figuur 3.3.3a: Ingegeven parameters Figuur 3.3.3b: Schema van het filter Doordat deze frequentie zo hoog ligt, bekom je hier een zeer kleine waarde voor de spoel. Hierbij kun je dan de spoel zelf een waarde geven (bvb 100nH) en de andere componenten laten herberekenen. Dit heeft dan echter terug tot gevolg dat de in- en uitgangsimpedantie niet meer gelijk zijn aan 75Ω, ook de condensator is veel kleiner geworden. Vervolgens moet je dus de in- en uitgangsimpedantie ook terug aanpassen, zodat het programma zelf een drietal mogelijke aanpassingsnetwerkjes voorstelt, zowel voor de ingang als voor de uitgang. Aangezien ik zowel voor de ingang als uitgang dezelfde impedantie wens, zullen deze twee netwerkjes gelijk zijn. Figuur 3.3.3c: Aanpassing spoel Figuur 3.3.3c: Aanpassing in- en uitgangsimpedantie Verder kan je via het programma nog de verschillende s-parameters van het gemaakte filter bekijken, de precieze afmetingen van de spoelen bepalen, en nog veel meer. De s-parameters worden van het praktisch gebouwd filter dan bekeken via een network analyser.

25 s-parameters Voluit spreken we eigenlijk van de scattering parameters (verspreide parameters). Dit begrip vinden we vooral terug bij transmissielijnen, waar de eigenschappen van de lijn niet in 1 punt te concentreren zijn, maar verspreid zijn langs de lijn. Beschouwen we nu een 2-poort netwerk: Figuur 3.3.4: Blackbox 2-poort netwerk Hierbij redeneren we over golven. Op iedere poort van een n-port netwerk zullen we een invallende (a i ) en gereflecteerde golf (b i ) definiëren. b 1 = s 11 * a 1 + s 12 * a 2 b 2 = s 21 * a 1 + s 22 * a 2 Formules 3.3.4: s-parameters Voor de bespreking van de vierpool zullen we aannemen dat de vierpool een transistor bevat in GES (= gemeenschappelijke emitter schakeling). De s-parameters met gelijke indexen (s 11, s 22 ) kunnen we beschouwen als reflectie-coëfficienten: s 11 = b 1 / a 1 met a 2 = 0 De voorwaarde a 2 = 0 betekent hier dat er geen signaal naar de uitgang komt van een aangesloten belasting. Dit kan enkel als op die uitgang de karakteristieke impedantie Z 0 is aangesloten. De parameter s 11 is dus de ingangs-reflectiecoefficient bij afgesloten uitgang. s 22 = b 2 / a 2 met a 1 = 0 Op dezelfde wijze bekomen we dat s 22 de uitgangs-reflectiecoëfficient is, bij afgesloten ingang. In dit geval betekent dit dat een eventueel aangesloten generator geen signaal mag leveren, maar de ingang moet wel een impedantie = Z 0 zien. De parameters met ongelijke indexen: s 21 = b 2 / a 1 met a 2 = 0 Deze parameter geeft de spanningsverhouding aan van de uitgang t.o.v. de ingang, dit is dus de voorwaartse spanningsversterking, bij afgesloten uitgang. Deze parameter moet zo groot mogelijk zijn ( >>1). s 12 = b 1 / a 2 met a 1 = 0 Deze parameter geeft aan hoeveel de transistor versterkt als je aan de uitgang aan golf instuurt. Dit is dus de achterwaartse versterking, bij afgesloten ingang. Dit is een ongewenst effect, en we hopen dan ook dat deze parameter zo klein mogelijk is (<<1). Merk op dat bij een symmetrisch filter s 21 gelijk is aan s 12.

26 De voedingsspanningen De componenten die in dit eindwerk gebruikt worden hebben verschillende voedingsspanningen nodig. Het is nu niet voor de hand liggend om meerdere voedingen te voorzien. Daarom wordt er gebruik gemaakt van één enkele voeding die 12V DC levert. Aangezien er op het kabeltelevisienet op de coaxkabels naast RF (radiofrequent) ook een blokgolf van 60V aanwezig is, gebruiken we een voeding die deze spanning omzet naar 12V DC. Op de print is eerst een schakeling voorzien om de verschillende voedingsspanningen te bekomen. Hierbij maak ik gebruik van spanningsstabilisatoren. Deze worden als volgt aangesloten: Figuur 3.4a: spanningsstabilisator voor 5V Als beveiliging tegen het omkeren van de voedingsspanning heb ik een diode in antiparallel toegevoegd. Ook is er een led voorzien om aan te geven of er wel degelijk 12V aanwezig is. Als een led geleidt, staat er een spanning over van ongeveer 2V. De stroom die een led mag voeren is ongeveer 15mA. Hieruit volgt dat de waarde voor de weerstand gelijk is aan (12V 2V) / 15mA 680Ω. De rest van de schakeling wordt elke keer gemaakt voor elke gewenste voedingsspanning. Hiervoor gebruik ik de spanningsregelaars 78xx. De xx geeft de waarde van de gestabiliseerde spanning aan. Een 7805 geeft een uitgangsspanning van 5V, een 7809 geeft 9V,... Voor negatieve voedingsspanningen gebruikt men een 79xx. De condensatoren worden hierbij gebruikt om eventuele rimpel en storing op de in- en uitgangsspanning weg te werken. In dit eindwerk gebruik ik tweemaal de 7805 en éénmaal de Eén 7805 wordt gebruikt voor de schakeling voor de hoge piloot en één voor de schakeling voor de lage piloot. Indien er om één of andere reden een 7805 stuk zou gaan, blijft het gedeelte voor de andere piloot nog steeds gevoed. Om de warmte beter af te voeren worden de spanningsstabilisatoren voorzien van een koelplaatje. Ook kan er een nog betere koeling bekomen worden door tussen de koelplaat en de 78xx een laagje koelpasta aan te brengen. Figuur 3.4b: koelvin Figuur 3.4c: koelpasta

27 Mixers Het doel van een mixer is om de som- en verschilfrequentie van de ingangsignalen te bepalen. Figuur 3.5: Principeschema mixer Neem je bvb 3MHz en 2MHz als ingangssignalen, dan bekom je als uitgangssignalen 5MHz, 1MHz en de twee oorspronkelijke frequenties zelf. Meestel is het zo dat ook de harmonischen van deze frequenties aanwezig zijn. Hierdoor kunnen er tal van ongewenste mengproducten ontstaan, zodat het noodzakelijk is om na de mixer een filter te plaatsen. Deze moet dan de gewenste frequentie uitfilteren Mixer voor de lage pilootfrequentie Als mixer voor de lage pilootfrequentie gebruik ik de NE602. Deze is slechts bruikbaar tot 200MHz. Voor de hoge pilootfrequentie moet er dus een andere mixer gebruikt worden. Het ingangssignaal van deze mixer is 87.4MHz. Deze wens ik om te zetten naar een frequentie van 10.7MHz. Dit betekent dat het andere ingangssignaal gelijk moet zijn aan 87.4MHz MHz = 98.1MHz of 87.4MHz 10.7MHz = 76.7MHz. Ik heb hierbij gekozen voor 76.7MHz. Deze tweede ingangsfrequentie is afkomstig van een lokale oscillator en moet zeer stabiel zijn. De NE602 bevat reeds een ingebouwde oscillator, of toch een deel ervan, zodat je via enkele componenten (gedeelte tussen pin6 en pin7) de gewenste oscillatiefrequentie kan bereiken. De stabielste oscillator kun je bereiken via een kristal, dus heb ik hiervan gebruik gemaakt. Figuur 3.5.1a: Blokschema NE602 De frequentie van de lokale oscillator moet gelijk zijn aan het verschil van de ingangsfrequentie met de uitgangsfrequentie: 87.4MHz 10.7MHz = 76.7MHz. Dit betekent dat er als ingangssignaal niet alleen 76.7MHz MHz = 87.4MHz genomen wordt, maar ook 76.7MHz 10.7MHz = 66MHz. Dit is hier niet erg omdat er op 66MHz toch geen signaal aanwezig is, dus wordt er automatisch 87.4MHz genomen als ingangssignaal. Op de uitgang vindt je steeds een signaal op 10.7MHz, maar ook tal van mengproducten. Deze mengproducten worden weggefilterd via een keramisch filter (CF) op 10.7MHz. Opmerking: Het signaal op 10.7MHz heeft door mixing een sterk verzwakt niveau. Hierdoor zal een mixer meestal gevolgd moeten worden door een versterker.

28 29 Hieronder volgen de specificaties van het keramisch filter. Figuur 3.5.1b: Pin assignment CF Figuur 3.5.1c: Doorlaatkarakteristiek CF Mixer voor de hoge pilootfrequentie Voor de hoge pilootfrequentie gebruik ik de TDA6130 als mixer. Deze is bruikbaar tot 2GHz. Ze bevat ook een inwendige oscillator, maar doordat de oscillatiefrequentie nu zo hoog moet zijn kan deze niet gemaakt worden door er enkele externe componenten aan toe te voegen. Daarom moet de oscillator volledig apart gemaakt worden. Het ingangssignaal van deze mixer is MHz. Dit wens ik opnieuw om te zetten naar een frequentie van 10.7MHz. Dit betekent dat het andere ingangssignaal gelijk moet zijn aan MHz MHz = MHz of MHz 10.7MHz = MHz. Ik heb hierbij gekozen voor MHz. Deze tweede ingangsfrequentie is afkomstig van een externe lokale oscillator en moet zeer stabiel zijn. Hiervoor wordt er dan opnieuw gebruik gemaakt van een kristal. Figuur 3.5.2: Inwendig schema TDA6130 De frequentie van de lokale oscillator moet gelijk zijn aan het verschil van de ingangsfrequentie met de uitgangsfrequentie: MHz 10.7MHz = MHz. Dit betekent dat er als ingangssignaal niet alleen MHz MHz = MHz genomen wordt, maar ook MHz 10.7MHz = MHz. Dit is hier niet erg omdat er op MHz toch geen signaal aanwezig is, dus wordt er automatisch MHz genomen als ingangssignaal. Op de uitgang vindt je steeds een signaal op 10.7MHz. Hier komen er ook ongewenste mengproducten voor op de uitgang van de mixer. In plaats van een keramisch filter wordt er nu een afgestemde kring op 10.7MHz gemaakt om deze mengproducten te onderdrukken.

29 Kristaloscillatoren Zoals reeds gezegd kan de stabielste oscillator gebouwd worden met een kristal. Daarom wordt eerst de nodige uitleg gegeven over het kwartskristal zelf Kwartskristallen Een kwartskristal heeft de vorm van een regelmatig zeshoekig prisma. Men kan er verscheidene symmetrie-assen in onderscheiden: drie elektrische assen (X-assen), drie mechanische assen (Yassen) en één optische as (Z-as). De drie X- en Y-assen zijn 120 t.o.v. elkaar verschoven. Uit het kristal worden schijfjes gesneden volgens richtingen bepaald t.o.v. de drie hoofdassen. Een X-snede bijvoorbeeld staat loodrecht op de X-as. Er bestaan echter nog vele andere snedes. Door zijn ruim frequentiegebied en zijn kleine temperatuurscoëfficiënt wordt vooral de ATsnede gebruikt. Figuur 3.6.1a: Vorm van een kwartskristal Het kwartskristal vertoont het piëzo-elektrisch effect. Dit betekent dat wanneer een elektrische spanning wordt aangelegd aan de platen waartussen het kristal zich bevindt, er in zekere richtingen mechanische krachten ontstaan die het kristal vervormen. Omgekeerd zal het optreden van vervormingen, een elektrische lading op de platen doen ontstaan. Figuur 3.6.1b: Piëzo-elektrisch effect bij een kwartskristal Hieruit volgt dat het kristal gaat trillen wanneer er een wisselspanning wordt aangelegd. Uit het elektrische equivalent van het kristal zal blijken dat deze trillingen slechts bij welbepaalde frequenties een maximum bereiken. Deze frequenties zijn afhankelijk van het type snede en van de afmetingen. Een kristal is eigenlijk opgebouwd uit passieve elementen. De piëzo-elektrische eigenschappen worden voorgesteld door een serieresonantiekring (L1, C1, R1): - L1 wordt bepaald door de resonerende massa van het kristal; - C1 is het equivalent van de elasticiteit van het kristal; - R1 stelt de wrijvingsverliezen voor tijdens de trillingen. Naast deze drie dynamische grootheden is er ook nog de statische grootheid C0. C0 stelt de capaciteit voor van de condensator die gevormd wordt door de elektroden aan het oppervlak van het kwartsmateriaal en door het kwartsmateriaal zelf, dat als diëlektricum dienst doet. C0 zal een bijkomende parallelresonantiefrequentie veroorzaken.

30 31 De principiële opbouw van een kristal ziet er als volgt uit: Figuur 3.6.1c: Elektrisch equivalent van een kwartskristal Bij lage frequenties kunnen we L1 en R1 verwaarlozen. Het kristal gedraagt zich als een (kleine) capaciteit. Op een gegeven moment wordt de serieresonantie van het kristal bereikt, welke bepaald wordt door de seriekring C1 en L1. Hierna wordt de parallelresonantie bereikt, welke wordt bepaald door L1 en de capaciteit gevormd door de serieschakeling van C1 en C0. Verhogen we nu de frequentie, dan kunnen C1, L1 en R1 worden verwaarloosd en gedraagt het kristal zich weer als een (kleine) capaciteit. Bij een verdere verhoging van de frequentie tot ongeveer driemaal de grondfrequentie treffen we weer serie- en parallelresonantie aan. Dit heet de derde overtone van het kristal. De resonantiefrequenties van bovenstaande trillingskring kunnen worden bepaald via volgende formules: Formule 3.6.1a: Serie- en parallelresonantie De reactantie van de kring is oneindig wanneer ω = ωa (parallelresonantie) en nul wanneer ω = ωs (serieresonantie). Aangezien C << C0 is ωa ωs. Enkel voor ωs < ω < ωa is de reactantie inductief. Het verloop van de reactantie in functie van de frequentie wordt weergegeven in onderstaande figuur. Figuur 3.6.1d: Reactantieverloop Met de elektrische grootheden van een kristal kan men niet alleen de resonantiefrequenties bepalen, maar ook de kwaliteitsfactor Q. Deze factor is per definitie gelijk aan: Formule 3.6.1b: Q-factor Hierboven werd het elektrisch equivalent bepaald van een kristal dat op zijn grondtoon werkt. Een kristal vertoont echter ook resonantieverschijnselen bij de oneven harmonischen van deze toon. Voor elke harmonische kan een equivalent schema worden opgesteld zoals bovenaan deze pagina. De verliesweerstand R1 stijgt hierbij naarmate de orde van de harmonische groter wordt. Wanneer het kristal op een harmonische trilt, dan werkt het in overtone. De overtonefrequentie bedraagt echter niet exact en veelvoud van de grondtoon zodat kristallen ofwel voor hun grondtoon ofwel voor hun overtonefrequentie moeten worden gespecificeerd.

31 32 Hoe kan een kristal nu trillen op een driemaal zo hoge frequentie als de grondfrequentie? Het kwartsplaatje buigt hierbij in de lengterichting. Bij de ophanging is de amplitude nul. Hieruit kunnen alleen trillingen optreden die een oneven veelvoud zijn van de grondfrequentie. Tegenwoordig kunnen grondfrequenties worden bereikt tussen enkele khz en ongeveer 30MHz. De grondfrequentie wordt door twee eigenschappen bepaald: - de kristalsnede (de wijze waarop het kristal geslepen is); - de manier waarop het kristal kan trillen (als het ware de ophanging). Boven ongeveer 30MHz wordt het kristalplaatje zo dun, dat dit als een bovengrens gezien moet worden voor de grondfrequentie. Voor de lage pilootfrequentie wordt de oscillator gemaakt op 76.7MHz. Dit zal dan een derde overtonekristal zijn Oscillator voor de lage pilootfrequentie Zoals reeds eerder vermeld, kan de oscillator op 76.7MHz gemaakt worden door enkele externe componenten toe te voegen aan de mixer NE602. Hieronder zie je hoe de oscillator gemaakt kan worden via een kristal. Dit is wel de schakeling voor de overtone mode. De condensator C3 en de spoel L onderdrukken oscillaties op het kristal zijn grondfrequentie. Als je een kristal gebruikt dat op zijn grondfrequentie werkt hoef je deze spoel en condensator dus niet te plaatsen. Het versterkingselement in de schakeling is de emittervolger, inwendig in het IC. De bijhorende weerstanden vergroten de effectieve weerstand van het afgestemde circuit (dus de weerstand van het kristal) en verminderen zo de Q-factor. Ook vergroot zo de versterking van de oscillator. De condensators C1 en C2 vormen een capacitieve spanningsdeler die wat van de energie terugkoppelt van de emitter naar de basis ( = feedback). Op deze manier is oscillatie mogelijk. Het kristal is in parallelresonantie geplaatst en zorgt voor de gewenste frequentie. Door een trimmer in serie te plaatsen met het kristal kan je manueel de gewenste frequentie lichtjes verstemmen (enkele khz).

32 Oscillator voor de hoge pilootfrequentie Hiervoor heb ik een reeds bestaande oscillator gebruikt uit een UHF/IF converter. Deze oscillator werkt ook via een kristal, maar de schakeling is heel wat uitgebreider dan deze voor de lage pilootfrequentie. De voornaamste reden van de complexiteit van deze schakeling is de hoge frequentie die de oscillator moet produceren. Figuur 3.6.3: Schema voor de oscillator voor de hoge pilootfrequentie Door een ander kristal te nemen kan de gewenste oscillatiefrequentie bereikt worden. Een kristal kan niet gemaakt worden op MHz. Daarom liet ik een derde overtone kristal maken op MHz. Via een variabele condensator kun je dan de oscillator instellen op de gewenste harmonische van het gebruikte kristal. Aangezien MHZ * 9 = MHz, wordt de oscillator afgestemd op de negende harmonische van het kristal. Na de oscillator zelf komen nog een vijftal versterkers te staan. Dit zijn niet zomaar versterkers, maar het zijn eigenlijk frequentievermenigvuldigers. Ze bestaan uit een fet en bevatten een afgestemde kring die je moet afregelen op de gewenste frequentie. Als alle kringen afgestemd staan op deze frequentie bereik je het maximum niveau van de oscillator. Dit kan maximum 60dBmV of 1 volt zijn. De reden voor deze hoge amplitude is dat deze oscillator oorspronkelijk werd aangesloten op een passieve mixer. Zo n passieve mixer heeft een groot oscillatorvermogen nodig om goed te kunnen werken. De schakeling werkte oorspronkelijk op een voedingsspanning van 24Vdc, maar blijkt ook te werken op een spanning van 12Vdc. Dit is de hoogste spanning die beschikbaar is op mijn print. Het nadeel van de lagere voedingsspanning is dat het niveau van de oscillator zo n 5dB lager is, maar 55dBmV is nog steeds ruim voldoende voor mijn toepassing. Het voordeel van een groter oscillatorniveau is dat het bekomen signaal na mixing minder versterkt moet worden. Zoals op het schema te zien is worden alle verschillende trappen van elkaar afgeschermd door ze onder te verdelen in aparte compartimenten. In het eerste compartiment is de oscillator zelf gebouwd. In de vijf daaropvolgende compartimenten zijn de versterkers ingebouwd. De reden hiervoor is dat er gemakkelijk overspraak kan optreden bij zo n hoge frequenties. Door alles af te schermen met blik wordt dit voorkomen.

33 De RF-versterker Het bekomen signaal op 10.7MHz na mixing is nog te zwak om omgezet te worden naar een DC-spanning. Daarom wordt dit signaal eerst versterkt. De gebruikte RF-versterker hiervoor is opgebouwd rond de MAR-8 voor de lage piloot en de MAR-3 voor de hoge piloot. Figuur 3.7a: De MAR Figuur 3.7b: Schakeling rond RF-versterker Het versterkingselement zelf is de MAR. In dit eindwerk gebruik ik de smd uitvoering, de MAR- SM. De ingang ervan is gemarkeerd via een bolletje. Afhankelijk van het type kan een versterkingsfactor bereikt worden tot 30dB. Tabel 3.7: Eigenschappen van de verschillende MAR s Merk op dat de MAR5 niet bestaat. De MAR2 en MAR3 hebben ongeveer een identieke versterking, maar verschillen dan weer op andere gebieden, zoals het vermogen. De spoel die opgenomen is in de schakeling is een RFC (Radio Frequency Choke) of smoorspoel en is optioneel. De benaming smoorspoel wordt gebruikt voor spoelen met een grote zelfinductiewaarde L en een beperkte Ohmse weerstand R. Zulke spoelen vormen een grote impedantie voor AC-signalen en een kleine impedantie voor DC-signalen. Smoorspoelen worden dan ook gebruikt voor het onderdrukken of wegfilteren van een AC-component (AC wordt gesmoord). Door deze te plaatsen vermijd je dat er eventuele RF-signalen via de voeding op de uitgang zouden komen en dat het uitgangssignaal van de versterker zelf op de voedingsspanning komt. De weerstand dient om de biasstroom in te stellen. Hiermee wordt de stroom constant gehouden. De twee condensators van 100pF zorgen voor de koppeling met de schakelingen aan de in- en uitgang van de versterker.

34 De omzetter naar DC Om het signaal op 10.7MHz om te zetten naar een evenredige DC-spanning, maakte ik eerst gebruik van de CA3189. Dit is een FM demodulator die op pin 13 een DC-spanning aanbiedt, die gebruikt wordt om een tuningmetertje aan te sturen. Deze DC-spanning is een maat voor het niveau van het ingangssignaal. Het grote nadeel bij dit IC is dat hij zeer warm krijgt waardoor de DC-spanning niet stabiel is. Hierdoor kan dit IC niet gebruikt worden en moest ik een alternatief zoeken. Toen kwam ik bij de NE604. Dit is een gelijkaardig IC, maar deze heeft nu een inwendige temperatuurscompensatie zodat dit nadeel niet voorkomt. De DC-spanning is hier terug te vinden op pin 5. Figuur 3.8: Blokschema NE604 Het signaal op 10.7MHz komt aan op pin 16. Dit wordt versterkt in het IC door een IF amplifier en door een signal strength meter omgezet in een evenredige DC-spanning. Deze spanning is terug te vinden op pin 5. Dit is de RSSI (Received Signal Strength Indicator) uitgang. Eigenlijk geeft pin 5 geen spanning af maar een stroom. Door een weerstand te verbinden met pin 5 wordt deze stroom dan omgezet naar een spanning. De DC uitgangsspanning is hierbij evenredig met het ingangsniveau. Met een weerstand van 91kΩ veranderd de RSSI-spanning 0,5V voor een verandering van 10dB in ingangsamplitude. Een RSSI uitgang groter dan 250mV zonder ingangsignaal (of een zeer klein), wijst op een mogelijke regeneratie of oscillatie. Het is dus niet zo dat je de rest van de pinnen zomaar mag openlaten. Natuurlijk moet de voedingsspanning worden aangesloten, maar ook de niet gebruikte uitgangen moeten via een condensator naar massa worden gelegd. Deze condensators zorgen ervoor dat de niet gebruikte uitgangen op AC-gebied worden kortgesloten naar massa en zo geen ongewenste oscillaties veroorzaken. Indien er oscillaties zouden opreden is de uitgangsspanning niet stabiel. Zoals op het blokschema te zien is bevat het IC nog andere onderdelen (zoals bvb. een kwadratuur detector). Hierdoor is het IC voor verschillende toepassingen bruikbaar. Enkele voorbeelden zijn: FSK en ASK data receivers, spectrum analysers, FM ontvangers, middenfrequent versterking en detectie tot 25MHz. Voor mijn eindwerk wordt dit IC enkel gebruikt als RF level meter.

35 De ledbar De bekomen DC-spanning wordt nu gebruikt om een ledbar aan te sturen. Hierbij is het aantal brandende led s een indicatie voor het niveau van de pilootfrequentie. Het IC dat hiervoor gebruikt werd, is de LM3914. Deze bevat 10 comparators, waarvan hun ingangssignaal op de plusklem telkens stijgt met 0,1 maal het ingangsbereik. Bvb: Als bovengrens leg je een spanning aan van 2V (pin 6), als ondergrens een spanning van 1V (pin 4). Nu zal de ingangsspanning op de plusklem van de onderste opamp 1,1V zijn, van de tweede opamp 1,2V, Figuur 3.9: Blokschema LM3914 Bij het aanleggen van het ingangssignaal aan pin5, dus de DC-spanning van de NE604, branden alle ledjes (aangesloten op de uitgangen van de opamps) waarbij deze spanning groter is dan de spanning op hun plusklem. Voor mijn toepassing heb ik twee IC s in serie geplaatst, zodat per opamp het ingangssignaal op de plusklem stijgt met 0.05 maal het ingangsbereik. Hierdoor heb je 20 ledjes staan die een aanduiding geven van het ingangsniveau. Door nu voor de onderste 3 en bovenste 3 een rode kleur te nemen en voor de middelste 14 groen, kan je goed zien of het ingangsniveau te klein, goed of te groot is. Als het niveau dan veel te groot is branden alle leds. Als het niveau goed is branden de onderste 3 leds en een deel van de groene. Als het niveau te laag is branden enkel de onderste rode leds. Het grote nadeel hierbij is dat bij een zeer laag ingangsniveau er geen enkele led zal branden. Hierbij weet je dus ook niet of het toestel wel werkt. Dit wordt opgelost door een extra led te plaatsen voor de onderste rode. Deze extra led wordt via een weerstand tussen 5V en massa geplaatst, zodat deze altijd brand. Voor mijn toepassing wenst ik dat de leds branden als een bar. Alle leds met een spanning op hun minklem die groter is dan de spanning op hun plusklem moeten branden. Daarom moet pin 9 verbonden worden met 5V. Indien deze pin met massa wordt verbonden branden de leds volgens de dotmode. Hierbij brand er dus maar 1 led.

36 37 4 Schakeling praktisch 4.1 De generator Om de verschillende stukken van de totale schakeling apart te testen, maakte ik gebruik van een generator. Later werd dan het kabeltelevisienet aangesloten op de totale schakeling. De coaxkabel die uiteindelijk wordt aangesloten op de totale schakeling (dus aan de ingang van de splitter), heeft een karakteristieke impedantie van 75Ω. De uitgang van de generator is echter maar 50Ω. Daarom plaatsen we op de uitgang van de generator een omzetter van 50Ω naar 75Ω. Hierbij kan de generator nu ook rechtstreeks op de spectrum analyser worden aangesloten, omdat deze een ingangsimpedantie heeft van 75Ω. Figuren 4.1a en 4.1b: Omzetter van 50Ω naar 75Ω De omzetter is gewoon een impedantietransformator waarvan de wikkelingen kunnen berekend worden via volgende formule: Formule 4.1: Berekenen van de wikkelverhouding van de impedantietransformator De impedantietransformator heeft wel een verlies. Theoretisch is dit 5.7dB, maar ik besloot om dit toch eens te controleren. Hiervoor sloot ik de generator rechtstreeks aan op de spectrum analyser en stelde de frequentie eens in op 87.4MHz en eens op MHz, daar dit de frequenties zijn van de twee piloten. De generator regel ik dan af tot er een niveau gemeten wordt van ongeveer 0dBmV (= 60dBµV of 1mV). Dit is namelijk het laagste niveau dat de pilootfrequenties mogen aannemen. Figuren 4.1c en 4.1d: Instellen van de twee pilootfrequenties op 0dBmV Hierbij stelde ik vast dat we 0dBmV krijgen als de generator is ingesteld op 64.2dBµV, en dit voor beide frequenties. Er ontstaat dus een verlies van 4.2 db over de 50Ω naar 75Ω transformator (+ de kabel). Dit is 1.5 db minder dan de theoretische waarde van 5.7dB. De reden hiervoor is waarschijnlijk dat de fabrikant het maximum mogelijke verlies opgeeft, en niet het werkelijke verlies.

37 De splitter De splitter splitst het signaal, zonder de karakteristieke impedantie van het net (= 75Ω) te wijzigen. Theoretisch verzwakt deze het signaal 3dB. Door kleine verliezen in de schakeling verzwakt deze het signaal iets meer. De gebruikte splitter kan echter niet opengemaakt worden, ook zijn er geen schema s over aanwezig. Daarom heb ik een power splitter opengemaakt. Deze is veel groter, maar de principiële opbouw blijft hetzelfde. Figuur 4.2a : Inwendige van een vermogensplitter Hoofdzakelijk is deze opgebouwd uit spoelen en condensatoren. De 3 grote spoelen met de grote condensators dienen hier om de blokgolf van 60V, die aanwezig is op het kabeltelevisienet, wel of niet door te laten. Dit wordt bepaald door de aan- of afwezigheid van de zekeringen. Bij de splitter die ik gebruikt heb is alleen het middelste gedeelte aanwezig. De blokgolf van 60V wordt dus nooit doorgelaten. Om te bepalen hoeveel de splitter nu juist verzwakt, werd het ganse spectrum aangesloten op de splitter en bekeek ik één van de uitgangen. De andere uitgang moet hierbij worden afgesloten met een weerstand van 75Ω. Dit is om reflecties te vermijden. Figuren 4.2b en 4.2c: Spectrum na de splitter voor beide piloten Door deze figuren te vergelijken met figuren 2.1b en 2.1c zie je dat voor 87.4MHz het signaal 3.1dB verzwakt is. Voor MHZ is dit 4.2dB. De verzwakking stijgt dus bij stijgende ingangsfrequentie.

38 De banddoorlaatfilters Eerste methode Om de ingangsfilters te berekenen maakte ik eerst gebruik van het programma Elsie. Op pagina 25 wordt dit programma kort uitgelegd aan de hand van een praktisch voorbeeld. Het voorbeeld betreft een BDF op 87.4MHz. Ik heb dan ook geprobeerd om dit filter te bouwen, maar met weinig succes. De theoretische, gesimuleerde doorlaatkarakteristiek kwam niet overeen met de praktische. Figuren 4.3.1a en 4.3.1b: Praktische doorlaatkarakteristiek, gemeten via de networkanalyser Er is duidelijk te zien dat het filter rond 87.4MHz al een serieuze verzwakking vertoont (12dB) en de omliggende frequenties nog meer verzwakt. Om het filter smaller te maken kunnen we een grotere orde nemen. Dit heeft dan tot gevolg dat er een nog grotere verzwakking optreedt, waardoor er later veel meer versterkt moet worden. Vanaf 150MHz werkt dit filter echter niet goed meer en laat ze terug alles door. Dit mag niet gebeuren. We kunnen dit ook goed zien wanneer we het filter aansluiten op de coaxkabel. Links zie je dat de FM-band sterk onderdrukt is, met het nadeel dat de piloot zelf ook zo n 12dB verzwakt is. Rechts (volledige spectrum) zie je dat de hogere frequenties wel weer doorgelaten worden. Figuren 4.3.1c en 4.3.1d: Spectrum na filtering

39 Tweede methode Na nog enkele mislukte pogingen om een goed BDF te maken, besloot ik om het anders te gaan aanpakken. De banddoorlaatfilters die ik uiteindelijk gebruikt heb voor de twee piloten zijn zogenaamde T-filters. Deze hebben hun naam te danken aan hun structuur, die gelijkt op de letter T. Zo bestaat bijvoorbeeld ook nog het pi-filter. Om deze filters te maken, ben ik vertrokken van een gekregen, werkende filter op 388MHz. Hiervan heb ik dan het schema bepaald, en stap voor stap de werking van dit filter achterhaald. Figuur 4.3.2a: Schema van de gebruikte banddoorlaatfilters De eerste test die ik gedaan heb, is de invloed bepalen van shielding. Onder shielding verstaat men het inbouwen van een schakeling (of stukken ervan) in een blikken behuizing. Hierbij zag ik duidelijk dat zonder shielding het filter minder steil was, dat de hogere frequenties minder onderdrukt worden en dat er gemakkelijk overspraak ontstaat als 2 spoelen elkaar direct kunnen zien. Hiervoor worden alle spoelen voorzien van een blikken behuizing. Ook het geheel wordt dan nog eens ingebouwd in een blikken doosje. De tweede test bestond eruit de invloed van C2 en C3 te bepalen. Als je C2 en C3 wegdenkt, zie je duidelijk de T-structuur. Via deze 2 kleine capaciteiten regel je de insertion loss (= het verlies in de doorlaatband), maar ook de in- en uitgangsimpedantie van het filter. Dit is af te leiden uit volgende formule: Formule 4.3.2: Impedantie v/e condensator Daarna ging ik de invloed na van C1, een smd-condensator van 27pF. Als je deze weglaat, bekom je eigenlijk maar 1 serieresonantiekring in plaats van twee. L1 en L2 staan dan in serie, dus bekom je één spoel met een grotere waarde. C4 en C5 staan dan ook in serie en vormen dus één condensator met een kleinere waarde. Bij het wegnemen van C1 is het filter veel minder steil. Indien je een grotere waarde neemt voor C1 is het filter steiler, maar is er ook een grotere insertion loss. De laatste test bestond eruit de waarden van de spoelen te veranderen zodat je een filter bekomt op een andere frequentie. Door spoelen te nemen met een regelbare kern kan je heel nauwkeurig hun waarde afregelen, en zo dus ook de doorgelaten frequentie. Door het toevoegen van zo n kerntje aan de spoel verhoogt deze zijn waarde. Om de spoelwaarde nog meer te vergroten kan je over de spoel nog een extra kapje plaatsen dat uit hetzelfde materiaal bestaat uit als het kernmateriaal. Hierover plaats je dan de blikken behuizing. Figuur 4.3.2b: Regelbare spoelen

40 BDF voor de lage pilootfrequentie Om een filter te bekomen op 87.4MHz, moest ik dus de frequentie van het bestaande filter op 388MHz laten dalen. Dit gebeurt door meerde wikkelingen te nemen voor de spoelen, zodat hun waarde stijgt, en de resonantiefrequentie daalt. Dit is af te leiden uit volgende formule: Na aanpassing bekwam ik uiteindelijk volgend filter. Formule : Berekenen van de resonantiefrequentie Figuur a: Het filter, ingezoomd op 87.4MHz. Links ziet u de praktische doorlaatkarakteristiek zonder shielding, in het midden de doorlaatkarakteristiek met shielding en rechts het doorgelaten spectrum na filtering. Doordat de twee resonantiekringen niet geheel gelijk zijn, zijn er twee bulten waar te nemen in de doorlaatkarakteristiek. Hierbij ligt 87.4MHz op de rechtse bult en wordt deze frequentie zo n 3dB verzwakt. Door het toepassen van shielding is dit iets minder en is de doorlaatkarakteristiek iets smaller geworden. Sluiten we het filter aan na de splitter, dan is duidelijk het nut van het filter te zien. Vergelijk je de rechtse figuur met figuur 4.2b, dan zie je dat de piloot 3.1dB verzwakt is. Ook is de helling van het filter duidelijk merkbaar. Bekijken we het ganse spectrum, dan zien we het volgende. Figuur b: Het filter, uitgezoomd over de ganse frequentieband. Links ziet u de praktische doorlaatkarakteristiek zonder shielding, in het midden de doorlaatkarakteristiek met shielding en rechts het doorgelaten spectrum na filtering. Hierbij is veel beter de invloed van shielding te zien. Met shielding worden de hoge frequenties nog veel beter onderdrukt. Sluiten we opnieuw het filter aan na de splitter dan zien we dat enkel nog de piloot met omliggende frequenties worden doorgelaten.

41 BDF voor de hoge pilootfrequentie Om een filter te bekomen op MHz, moest ik nu de frequentie van het bestaande filter op 388MHz laten stijgen. Dit gebeurt door mindere en veel kleinere wikkelingen te nemen voor de spoelen, zodat hun waarde daalt, en de resonantiefrequentie stijgt. Na aanpassing bekwam ik uiteindelijk volgend filter. Figuur a: Het filter, ingezoomd op MHz. Links ziet u de praktische doorlaatkarakteristiek met shielding, rechts het doorgelaten spectrum na filtering. Sluiten we het filter aan na de splitter, dan is duidelijk het nut van het filter te zien. Vergelijk je de rechtse figuur met figuur 4.2c, dan zie je dat de piloot 2.5dB verzwakt is. Ook is de helling van het filter opnieuw duidelijk merkbaar. Bekijken we het ganse spectrum, dan zien we het volgende. Figuur b: Het filter, uitgezoomd over de ganse frequentieband. Links ziet u de praktische doorlaatkarakteristiek met shielding, rechts het doorgelaten spectrum na filtering. Sluiten we opnieuw het filter aan na de splitter dan zien we opnieuw dat enkel nog de piloot met omliggende frequenties worden doorgelaten. Hardwarematig zien de filters er zo uit: Figuren c en d: Het filter hardwarematig, met en zonder shielding

42 De voeding De gebruikte voeding is de AXP201 van Teleste. Deze zet de blokgolf van 60V (die aanwezig is op het kabeltelevisienet) om naar een DC-spanning van 24V. Aangezien er een voedingsspanning nodig is van 12V, wordt er een kleine aanpassing uitgevoerd. Figuur 4.4: Schema van de gebruikte voeding De zenerdioden V18 (6,2V), V23 (5,1V), V24 (5,1V) en V25 (5,1V), die alle 4 smdcomponenten zijn, zorgen samen met een spanningsval van ± 3V over de weerstanden R23 en R25 dat men een uitgangsspanning bekomt van ± 24V 6,2 + 5,1 + 5,1 + 5,1 + 3 = 24,5. Deze werd afgeregeld via potentiometer R23 op exact 24V. Nu worden deze 4 zeners vervangen door 1 zenerdiode van 9,1V die parallel over deze 4 geplaatst wordt 9,1 + 3 = 12,1. Door afregeling van R23 kan men een uitgangsspanning bekomen van exact 12V. Wanneer er echter iets fout gaat in deze voeding, waardoor de uitgangsspanning terug 24V wordt, zal de aangesloten schakeling een te hoge voedingsspanning krijgen en beschadigd worden. Hiervoor vervangen we de zener V20 (27V, 5W) door een zener van 15V, 5W (dus voor de veiligheid). Deze nieuwe zener zorgt ervoor dat bij dergelijke fouten de uitgangsspanning begrensd wordt op 15V, zodat de aangesloten schakeling niet zal sneuvelen. Omdat niet alle componenten van de schakeling een voedingsspanning nodig hebben van 12V (maar bijvoorbeeld 5V of 9V), worden er spanningsstabilisatoren gebruikt. De nodige uitleg hierover is terug te vinden op pagina 27.

43 De mixers Mixer voor de lage pilootfrequentie Door het signaal na het filter op 87.4MHz te mixen via de NE602 met een oscillatorsignaal op 76.7MHz, bekom je steeds een signaal op 10.7MHz. Het toevoegen van het ingangssignaal gebeurt via een condensator van 100pF. Indien je deze condensator niet plaatst, maak je een kortsluiting op AC-gebied en zal de schakeling niet werken. De andere RF-ingang wordt via een condensator van 47nF kortgesloten naar massa (wordt dus niet gebruikt). Op de ene uitgang van de mixer plaats ik het keramisch filter van 10.7MHz, die ook vooraf gegaan wordt door een condensator van bvb 1nF. Hier meten we het verschil van f RF en f LO, dat dus gelijk moet zijn aan 10.7MHz. De andere uitgang wordt niet gebruikt. Eigenlijk zijn de in- en uitgangen gebalanceerd, maar ik gebruik ze asymmetrisch (wat eigenlijk minder gain zal geven t.o.v. gebalanceerde in/out). Hier is er dus maar 1 ingang en 1 uitgang. Figuur 4.5.1a: Schakeling rond de NE602 Als je het spectrum bekijkt op de uitgang van de mixer, zijn er naast die 10.7MHz nog andere signalen te zien. Dit komt omdat de frequenties die in de buurt liggen van 87.4MHz ook gemengd worden met 76.7MHz. Eigenlijk word hetzelfde spectrum bekomen als na het banddoorlaatfilter, maar dan sterk verzwakt, en verminder met 76.7MHz. Daarom wordt er een keramisch filter van 10.7MHz geplaatst zodat enkel nog die 10.7MHz overblijft. Figuren 4.5.1b en 4.5.1c: Spectrum voor en na het keramisch filter Bekijken we nu het spectrum na het keramisch filter tot bvb 150MHz, dan zijn er toch nog enkele signalen te zien (o.a. harmonischen en andere ongewenste mengproducten). De reden hiervoor is dat het keramisch filter maar goed werkt tot ongeveer 40MHz. Hierna begint hij terug alles door te laten. Dit is duidelijk te zien op de doorlaatkarakteristiek van het keramisch filter.

44 45 Figuren 4.5.1d en 4.5.1e : Doorlaatkarakteristiek keramisch filter Links is de doorlaatkarakteristiek te zien, ingezoomd op 10.7MHz. Dit komt aardig overeen met de theoretische doorlaatkarakteristiek (figuur 3.5.1c). Rechts is de doorlaatkarakteristiek te zien tot 650MHz. Hierbij valt duidelijk op dat dit filter niet geschikt is om hogere frequenties tegen te houden. Het is dus noodzakelijk om na het keramisch filter nog een laagdoorlaatfilter te plaatsen rond 10.7MHz, zodat die hogere frequenties ook onderdrukt worden Extra LDF Het ontwerpen van het LDF gebeurt via het programma elsie. Hierbij worden als in- en uitgangsimpedantie 470Ω genomen, omdat dit ongeveer de uitgangsimpedantie is van het keramisch filter. Figuur a: Schakeling van het LDF Indien als kantelfrequentie 10.7MHz wordt gekozen, dan wordt deze frequentie al 3dB verzwakt. De kantelfrequentie noemt men dan soms ook het -3dB punt. Daarom wordt de kantelfrequentie iets hoger gekozen (bvb 15MHz), zodat de 10.7MHz niet verzwakt wordt. Vanaf zo n 30MHz wordt alles onderdrukt. Figuur b: Theoretische doorlaatkarakteristiek

45 46 Eerst had ik gekozen om enkel de middelste spoel variabel te maken. Daarbij ontstaat er een grote rimpel in de doorlaatband die nauwelijks te regelen is. Om dit nadeel niet te hebben, werden alle spoelen variabel gemaakt. Ook werd er op de uitgang van de schakeling een weerstand geplaatst van zo n 390Ω. De reden hiervoor is de volgende: De uitgangsimpedantie van het filter is 470Ω. Meet men dit filter op met de network analyser, dan krijgt men eigenlijk een verkeerd beeld. De ingangsimpedantie van de network analyser is 75Ω, zodat het filter verkeerd belast wordt. Indien er een weerstand van 390Ω wordt geplaatst, komt deze in serie te staan met die 75Ω, zodat er een totale weerstand van ongeveer 470Ω bekomen wordt. Figuren c en d: Doorlaatkarakteristiek zonder en met variabele spoelen. Meteen valt op dat bij de variabele spoelen er een kleinere rimpel in de doorlaatband aanwezig is. Ook is de helling veel steiler. Op de rechtse figuur zijn er twee curven te zien. De bovenste curve geeft de doorlaatkarakteristiek weer zonder weerstand van 390Ω. De onderste curve geeft de doorlaatkarakteristiek weer met een weerstand van 390Ω in de uitgangskring. Er valt onmiddellijk op dat er met een weerstand van 390Ω geen rimpel meer is. Wel is de verzwakking hier niet gemeten over 470Ω, maar over de inwendige weerstand van de network analyser (=75Ω). De verzwakking over 75Ω is hier gelijk aan 11.7dB. De werkelijke verzwakking is moeilijk te bepalen. Dit komt omdat de ingangsimpedantie van het filter hier nu ook gelijk is aan 75Ω en niet aan 470Ω. De uitgangsimpedantie van het keramisch filter is nu ook niet perfect gelijk aan 470 Ω. Volgens de datasheet is dit afhankelijk van het type, en kan deze variëren van 330Ω tot 600Ω. De beste manier om de verzwakking van het filter te bepalen is gewoon het LDF in de schakeling plaatsen en zijn uitgangssignaal te bekijken. Hierbij is zeer duidelijk te zien dat er maar 1 frequentie meer voorkomt in de ganse frequentieband, nl. 10.7MHz. Deze frequentie wordt wel lichtjes verzwakt (vergelijk met figuur 4.5.1c). Figuren e en f: Spectrum na het LDF

46 Mixer voor de hoge pilootfrequentie Door het signaal na het filter op MHz te mixen via de TDA6130 met een oscillatorsignaal op MHz, bekom je steeds een signaal op 10.7MHz. Het toevoegen van het ingangssignaal en oscillatorsignaal gebeurt via een condensator van 10nF. Indien je deze condensator niet plaatst, maak je een kortsluiting op AC-gebied en zal de schakeling niet werken. De niet gebruikte ingangen worden ofwel met massa, ofwel met de voedingsspanning verbonden. De precieze aansluiting is terug te vinden in de datasheet. Niet gebruikte uitgangen worden via een condensator met massa verbonden. Ze worden dus kortgesloten op AC-gebied. De voedingsspanning wordt ontstoord door een gewone condensator van 10nF en een tantalium condensator van 6.8µF naar massa te leggen. Het ontstoren van de voedingsspanning gebeurt trouwens bij alle gebruikte IC s. Figuur 4.5.2a: Schakeling rond de TDA6130 Op de uitgang van de mixer wordt er nu geen keramisch filter geplaatst, maar een afgestemde kring op 10.7MHz. Voor de condensator wordt een waarde gekozen van 68pF. De waarde van de spoel wordt dan bepaald volgens onderstaande formule. Formule 4.5.2: Berekenen spoel bij resonantiekring Na het invullen van de parameters wordt een spoel bekomen van 3.3µH. Deze word ook variabel gemaakt zodat ze perfect af te regelen valt. Rond deze spoel wordt dan een tweede, kleinere spoel gewikkeld van bvb 5 windingen. Door de ene kant van de tweede spoel met massa te verbinden, vinden we op de andere kant 10.7MHz terug. Eigenlijk wordt er een transformator gemaakt, waardoor er een galvanisch scheiding ontstaat, die ervoor zorgt dat oscillaties vermeden worden. Bekijken we het signaal op 10.7MHz dan valt op dat dit signaal een veel grotere amplitude heeft als bij de lage piloot. Dit komt omdat de gebruikte oscillator hier een veel hoger niveau heeft. Bij het bekijken van een breder spectrum tot 150MHz zijn ook geen andere signalen meer te zien. Deze zijn eigenlijk wel nog aanwezig, maar door hun kleine amplitude t.o.v. de 10.7MHz vallen deze niet op en veroorzaken ze ook geen problemen. Bekijken we een nog groter spectrum, tot 650MHz, dan is er wel nog een signaal te zien met een grotere amplitude. Het is de oscillatiefrequentie zelf. Dit is niet erg, omdat het IC dat de 10.7MHz omzet naar een DC-spanning enkel signalen kan verwerken tot zo n 30MHz. Met de hogere frequenties die aangeboden worden zal hij nooit rekening houden. Door het hoge niveau van de 10.7MHz moet er na de mixer vanzelfsprekend minder versterkt worden.

47 48 Figuur 4.5.2b: Spectrum na de mixer (na resonantiekring) Hierbij is het signaal te zien op 10.7MHz dat duidelijk een hoger niveau heeft dan bij de 10.7MHz na de NE602 (vergelijk met figuur e). Op het volledige spectrum zijn nog andere signalen te zien, waaronder de oscillatiefrequentie zelf. 4.6 Kristaloscillatoren Oscillator voor de lage pilootfrequentie De oscillator voor de lage pilootfrequentie bestaat uit een interne schakeling in de NE602 samen met de externe componenten die je er moet aan toevoegen (zie figuur en figuur 4.5.1a). De grote nadelen aan deze schakeling zijn dat je het niveau van de oscillatorfrequentie niet kan regelen en dat er harmonischen van de grondfrequentie optreden die niet te onderdrukken zijn. Dit is meteen ook de reden waarom er na de NE602 zoveel ongewenste mengproducten ontstaan. De harmonischen hebben wel een lagere amplitude dan de grondgolf. Er valt op dat de oscillatiefrequentie een zeer laag niveau heeft. Bij het opmeten ervan kan je niet de meetsnoeren ergens in de schakeling plaatsen. Wordt dit toch gedaan, dan belast je de schakeling met de inwendige weerstand van de spectrum analyser en meet je niks. Daarom moet je de meetsnoeren in de beurt van het kristal leggen om de oscillatiefrequentie op te meten. Het opmeten gebeurt dus eigenlijk via straling. Hierdoor is het gemeten niveau wel kleiner dan het werkelijke niveau. Figuur De oscillatorfrequentie met harmonischen

48 Oscillator voor de hoge pilootfrequentie De oscillator voor de hoge pilootfrequentie is een gehele externe schakeling waarvan het schema terug te vinden is op figuur Hieronder is een foto te zien van de oscillator. Figuur 4.6.2a: De externe oscillator Merk hierbij op dat voor de verbinding van de oscillatoruitgang met de mixer een speciale draad gebruikt moet worden. Dit is een soort van mini coaxkabel die bestaat uit een binnengeleider met daarover een isolatiemateriaal, daarover dan een gevlochten massa, met daarover nog eens een isolatiemateriaal. Door de gevlochten massa kan er geen RF worden uitgestraald naar buiten toe. Indien men een gewoon draadje zou gebruiken om de oscillator met de mixer te verbinden, zou dit draadje het RF (dus die MHz) naar alle kanten uitstralen. Hierdoor is dit signaal op verschillende andere plaatsen in de schakeling terug te vinden en worden er hele verkeerde resultaten bekomen. Dit wordt eigenlijk altijd gedaan op zo n hoge frequenties. Je moet hiervoor altijd afgeschermde verbindingen gebruiken. Op onderstaande figuur is duidelijk te zien wat voor een groot niveau deze oscillatiefrequentie kan bereiken. Hier zijn er, in tegenstelling tot de oscillator voor de lage pilootfrequentie, geen harmonischen aanwezig omdat ze weggewerkt kunnen worden via een variabele condensator. Deze condensator maakt deel uit van een BDF waarmee je de gewenste harmonische van het kristal kan uitfilteren. Het niveau van de oscillatiefrequentie is hier nu wel regelbaar. Dit gebeurt via de vele variabele condensators die aanwezig zijn in de versterkertrappen. Figuur 4.6.2b: De oscillatiefrequentie zonder harmonischen

49 De RF-versterker De gebruikte RF-versterker is opgebouwd rond de MAR-8 voor de lage piloot en de MAR-3 voor de hoge piloot (schakeling: zie figuur 3.7b). Eerst was ik van plan om dergelijke versterker onmiddellijk na de filters te plaatsen, dus voor de mixer. Na het bouwen van de versterker besloot ik deze te testen door een generator op de ingang te plaatsen met dezelfde frequentie als de piloten. Het niveau van deze frequenties werd ingesteld op 0dBmV. Als versterkingselement werd de MAR8 genomen, met een theoretische versterking rond 30dB. Hierbij kreeg ik na versterking de volgende resultaten. Figuren 4.7a en b: Piloten na versterking Er valt op dat de praktische versterking bij 87.4MHz maar 22.3dB is. Dit is dus 8dB lager dan de theoretische versterking van 30dB. Voor de tweede piloot op MHz is dit nog véél erger. Plaatsen we dan deze versterker in de schakeling, dan blijft deze versterking hetzelfde. Het is echter niet zo dat als je het ingangssignaal 20dB versterkt, het uitgangsignaal van de mixer ook 20dB versterkt wordt. Er is geen lineair verband tussen het niveau van het in- en uitgangssignaal van de mixer. Als je een te hoog ingangsniveau aanbied aan de NE602 loopt deze zijn uitgangsniveau zelfs vast op een bepaalde waarde, en is dan ook niet meer i.f.v. het ingangsniveau. Om deze redenen wordt de versterker niet voor, maar na de mixer geplaatst. Als je de 10.7MHz versterkt, zal de versterkingsfactor ook hoger liggen en beter de theoretische versterkingsfactor van 30dB benaderen. Dit kan je zien op onderstaande figuur. Hier werd de versterker met de MAR8 na het LDF (die na NE602 komt) geplaatst. In dit geval benadert de praktische versterkingsfactor veel beter de theoretische versterkingsfactor van 30dB. Figuur 4.7c: 10.7MHz na versterking Door deze figuur te vergelijken met figuur e zien we dat de versterking nu 31.5dB is. Dit komt volgens onderstaande formule overeen met 37.6 keer. (formule is voor gelijke in- en uitgangsimpedantie, wat bij deze versterker ook zo is). Formule 4.7: Bepalen van de spanningsversterking

50 De omzetter naar DC Om het signaal op 10.7MHz om te zetten naar een DC-spanning, maak ik gebruik van het IC NE604. Deze bied op pin 5 een spanning aan die evenredig is met niveau van het ingangssignaal. Dit niveau moet minimum 15dB zijn om al een lineair verband te hebben met de uitgangsspanning. Vandaar dat er een versterker na de mixer komt, die zorgt voor een voldoende hoog niveau. Figuur 4.8: Schakeling rond de NE604 De nodige uitleg over de schakeling is terug te vinden bij puntje 3.7. Om te testen of de DC-uitgangsspanning wel evenredig is met het ingangsniveau, plaatste ik aan het begin van de totale schakeling (dus voor de splitter) een generator op 87.4MHz en liet hiervan het niveau variëren van -10dBmV tot 25dBmV. Met een voltmeter werd de uitgangsspanning opgemeten. De gegevens werden dan in een grafiek geplaatst, zodat het lineair verband gemakkelijk terug te vinden is. De werkwijze om dit voor de hoge pilootfrequentie op MHz te testen is identiek. Grafiek 4.8: DC-uitgangsspanning i.f.v. ingangsniveau 87.4MHz

51 De ledbar De bekomen DC-spanning wordt nu gebruikt om een ledbar aan te sturen. Hierbij is het aantal brandende led s een indicatie voor het niveau van de pilootfrequentie. Het IC dat hiervoor gebruikt wordt is de LM3914. Figuur 4.9: Schakeling rond de LM3914 Als bovengrens voor het eerste IC neem ik 2280mV (via R5). Dit komt overeen met een ingangsniveau van ongeveer 18dBmV. Als ondergrens neem ik hier 1730mV (via R6), wat tevens de bovengrens is voor het tweede IC (via R9). De ondergrens van het tweede IC wordt vastgelegd op 1180mV (via R7). Dit komt overeen met een ingangsniveau van ongeveer -4dBmV. Deze waarden zijn af te leiden uit grafiek 4.8. Het ingangsbereik is dus 2280mV 1180mV = 1100mV, zodat per opamp de spanning op de plusklem stijgt met 55mV, wat ongeveer het spanningsverschil is als het niveau van de pilootfrequentie op 87.4MHz 1dB stijgt. De schakeling voor de pilootfrequentie op MHz is identiek. Alleen worden er hier iets andere spanningswaarden bekomen na de NE604, zodat de onder- en bovengrens voor de LM3914 iets anders ingesteld worden.

52 53 Uit grafiek 4.8 is af te leiden: 1395mV komt overeen met 0dBmV 2170mV komt overeen met 15dBmV Door nu voor de opamps met een ingangspanning (op de plusklem) die hoger ligt dan 1395mV, en lager dan 2170mv een groene led te nemen, en voor de andere een rode, kun je mooi zien of het niveau van de piloot op 87.4MHz te groot, goed of te klein is. Het grote nadeel hierbij is dat bij een zeer laag ingangsniveau er geen enkele led zal branden. Hierbij weet je dus ook niet of het toestel wel werkt. Dit wordt opgelost door een extra led te plaatsen voor de onderste rode. Deze extra led wordt via een weerstand tussen 5V en massa geplaatst, zodat deze altijd brand. Nu moet er wel voor gezorgd worden dat de stroom door deze led dezelfde is als de stroom door de andere, om eenzelfde helderheid te bekomen. Hiervoor kan de stroom door de leds bepaald worden door een weerstand van 1Ω ermee in serie te plaatsen. De gemeten spanning is dan meteen ook de stroomwaarde. Formule 4.9: Bepalen van de stroom door de led Als een led geleidt, staat er een spanning over van ongeveer 2V. Hieruit volgt dat de waarde voor de weerstand gelijk is aan (5V 2V) / gemeten stroom. Deze gemeten stroom was 13.5mA zodat de weerstandswaarde gelijk is aan 3V / 13.5mA = 220Ω. Nadat alle schakelingen (die hier elk apart besproken werden) gemaakt zijn, worden ze met elkaar verbonden tot één geheel. Als de gehele schakeling dan goed werkt, word er een print voor ontworpen. Natuurlijk komt het wel eens voor dat een schakeling, of een bepaald deel ervan, niet geheel werkt zoals de ontwerper dit wil. De voornaamste moeilijkheden en problemen die kunnen optreden bij het bouwen van deze schakeling worden nu besproken Problemen Werken op RF-gebied is niet zo gemakkelijk als het lijkt. Hieronder volgen enkele punten waar zeker aandacht moet aan besteed worden. - Filterontwerp. Hoe groter de orde van het filter, hoe groter de rimpel in de doorlaatband. Hoe steiler je een filter maakt, hoe meer verlies je hebt in de doorlaatband. Wenst men een kleine verzwakking in de doorlaatband, dan kunnen er vlugger reflecties optreden. Het praktische ontwerp zal dus steeds een compromis zijn tussen de verschillende voor- en nadelen. - Overspraak. Het niet afschermen van vooral spoelen kan er tot leiden dat 2 naast elkaar gelegen spoelen elkaar gaan beïnvloeden en eigenlijk 1 spoel vormen. Hierdoor bekom je vanzelfsprekend niet het gewenste resultaat. Signalen met een hoog niveau (vb: oscillatorfrequentie voor de hoge piloot) moeten via een goed afgeschermde kabel worden overgedragen om geen instraling te bekomen op andere plaatsen in de schakeling.

53 54 - Ongewilde mengproducten. Treed op bij de mixer. De gemaakte kristaloscillator produceert harmonischen waardoor het ingangssignaal zich ook hier mee gaat mengen. Hiervoor moeten filters gemaakt worden om deze ongewilde mengproducten weg te filteren. - Impedantie aanpassingen. Bij het aaneenschakelen van verschillende schakelingen, moet ervoor gezorgd worden dat de ingangsimpedantie van een schakeling dezelfde is als de uitgangsimpedantie van de voorafgaande schakeling. - Oscillaties. Het open laten van bepaalde uitgangen bij IC s kan er tot leiden dat er ongewenste oscillaties optreden, waardoor het IC niet goed werkt. Hiervoor moeten alle ongebruikte uitgangen via een condensator op AC-gebied kortgesloten worden naar massa. - Temperatuursgevoelige componenten. Door temperatuursverandering kun je bij sommige IC s onstabiele resultaten bekomen. Daarom wordt er gebruik gemaakt van IC s met inwendige temperatuursregeling. Niet alle aandachtspunten hebben rechtstreeks verband met de RF-problematiek. Bijvoorbeeld: - Aankopen van componenten. Sommige componenten zijn niet in de plaatselijke elektronicawinkel te koop. Daarom moet er soms gezocht worden naar gespecialiseerde firma s die een component maken speciaal op vraag van de klant. Bvb: de kristallen worden gemaakt door de firma ECO (European Crystal Organisation). - Verouderde componenten. Bepaalde componenten worden niet meer gemaakt. Zodus moet er soms gezocht worden naar een alternatief. Algemene opmerkingen: - Voor het meten via de spectrum analyser mag er geen gebruik gemaakt worden van een probe. Deze is bedoelt voor metingen met een oscilloscoop. Een oscilloscoop heeft namelijk een hoge ingangsimpedantie, terwijl dit bij een spectrum analyser slechts 75 Ω is. Indien je toch meet via een probe, verzwakt deze het gemeten signaal tot zelfs 10dB! - Op RF-gebied moeten eventueel gebruikte draden zo kort mogelijk zijn. Indien deze te lang zijn vormen dit kleine antennes die allerlei stoorsignalen uit de lucht kunnen oppikken. Daarom worden hiervoor speciale afgeschermde draden gebruikt (zie oscillator voor de hoge pilootfrequentie).

54 De volledige schakeling Figuur 4.11: De volledige schakeling

55 De print Figuur 4.12a: Bovenzijde van de print De gemaakte print is iets groter dan een standaard eurokaart formaat. Hierbij werd gekozen voor een dubbelzijdige print, hoewel de verbindingen enkel op de onderkant komen te staan. De reden hiervoor is de volgende: Het is belangrijk dat je bij hoge frequenties een goede massa hebt. Omdat enkel het gedeelte links van de streep hoge frequenties bevat, wordt dit gedeelte volledig bedekt met koper. Dit dient als één groot massavlak waarbij de massa s aan de onderkant van de print worden doorgeboord en hiermee worden verbonden. Op het gedeelte rechts van de streep komen de twee frequenties van 10.7MHz toe, die direct worden omgezet naar een DC-spanning. Hier is het dus niet nodig om de bovenkant met koper te laten, wat trouwens een stuk eenvoudiger is om te solderen. Waar de bovenkant met koper bedekt is (gedeelte links van de streep op de print), moeten alle gaatjes (voor de pinnen van de componenten die niet met massa verbonden worden), worden vergroot zodat de pinnen zeker geen contact maken met het massavlak. Dit is voorgesteld in onderstaande figuur. Figuur 4.12b: Boren van de gaatjes

56 57 Figuur 4.12c: Onderzijde van de print Hier heb ik geprobeerd om de dikte van de verbindingen voldoende groot te nemen, zodat deze bij het etsen zeker niet weggeëtst worden. Ook heb ik ervoor gezorgd dat er nergens tussen de pootjes van de IC s verbindingen lopen, omdat deze pinnen zeer dicht bij elkaar liggen. De massa s werden op bepaalde plaatsen met elkaar verbonden via een massavlak. Omdat het soms nogal ingewikkeld was om een verbinding te leggen van het ene punt naar het andere, werd op de bovenzijde van de print een draadje gelegd. Hier heb ik 8 zo n draadjes gebruikt. Verder is op de print ook aangebracht op welke plaatsen er welke spanningen of signalen toekomen. Op de figuur 4.12c staat dit in spiegelbeeld, maar na het etsen is dit niet zo.

57 nderdelenlijst product aantal product aantal product aantal IC's Condensatoren Allerlei NE µF (tantalium) 3 printplaat dubbelzijdig 1 TDA µF 6 koelplaatje 2 NE nF 10 jumper 10 LM nF 1 1N nF 2 led 5mm groen nF 7 led 3mm groen nF 3 led 3mm rood 14 Weerstanden 1nF 4 MAR kΩ 2 150pF 2 MAR kΩ (pot.) 8 100pF 5 kristal 76.7MHz 1 1kΩ 4 68pF 1 kristal MHz 1 680Ω 1 56pF 1 CF 10.7MHz 1 220Ω 2 39pF 2 56Ω 2 22pF 1 Totale prijs: 10pF 2 ± 150 Spoelen 220µH 2 10µH 1 Tabel 4.13: 6.2µH 2 De gebruikte componenten 3.3µH (transfo) 1 0.5µH 1 Leveranciers: Gobin J Electronics Telehome Nieuwpoortsesteenweg 99 Burg Oostende (België) 8820 Torhout (België) T: 059/ T: 050/ F: 059/ F: 050/ E: gobin@skynet.be E: telehome.torhout@compagnet.be ECO Kent Electronics Demer 26 Koudepolderstraat Herselt (België) 4542 AL Hoek (Nederland) T: 014/ T: 0115/ F: 014/ F: 0115/ E: info@ecoxtal.be E: kent@kent-electronics.nl

58 59 5 Het kabeltelevisienetwerk De gemaakte schakeling kan nu overal in het kabeltelevisienetwerk worden geplaatst om de netkwaliteit te kunnen valideren. Daarom is het nuttig om eens de opbouw van dit kabelnetwerk te bestuderen. Een volledig schema kan er bvb zo uitzien. Figuur 5: Opbouw van het kabeltelevisienetwerk Hier staat de gemaakte schakeling op het einde van de secundaire lijn geplaatst, omdat de niveaus daar het kleinst zijn. De twee bekomen DC-spanningen worden omgezet naar een ethernetpakket. Dit pakket wordt dan via het euro-docsis protocol door een CM over het kabeltelevisienetwerk verstuurd. De nodige uitleg hiervoor is terug te vinden in hoofdstuk 6. Stap voor stap wordt de opbouw van het kabeltelevisienet nu kort uitgelegd, gaande van het antennestation tot bij de klant thuis.

59 Het antennestation Door de komst van telenet worden niet enkel signalen naar de klanten gestuurd (heenweg) maar komen er ook signalen (terugweg) van de klanten naar het antennestation. Door de aanleg van allerlei glasvezelverbindingen wordt het antennestation niet enkel gebruikt om TV en FM-programma s aan de klant aan te bieden, maar is dit een knooppunt van verschillende netwerken geworden. Daarom spreekt men niet meer van een antennestation maar van een super headend. Dit wordt weergegeven op onderstaande figuur. Figuur 5.1a: Het antennestation: headend De toestellen die voor de behandeling van de signalen gebruikt worden zijn: - de processor: Indien een signaal ontvangen wordt in de norm CCIR B of G, is dit signaal rechtstreeks geschikt voor de kabel. Het signaal dient enkel op het juiste kanaal geplaatst te worden. Dit toestel wordt gebruikt bij de behandeling van de BRT, RTB en NED. - de demodulator: Indien het signaal gemoduleerd ontvangen wordt in een andere norm dan B/G/I of het video- of audiosignaal een bewerking moet ondergaan, dan gebruiken we een demodulator om het hoogfrequent signaal te demoduleren naar video en audio. Dit is het geval voor de Franse programma's. - de transcoder: Dit toestel wordt gebruikt om de omzetting van SECAM (Séquentiel Couleur A Mémoire) naar PAL te verwezenlijken. (Franse programma's) - de modulator: Dit toestel moduleert de video- en audiosignalen op een draaggolf.

60 61 - de satellietdemodulator: Dit toestel zet de in FM- of digitaal gemoduleerde tv-signalen van de satelliet om naar video en audio. - de lynxdecoder: Dit toestel zet de digitale signalen van de Ruggengraat Interkabel (RIK) om in een middenfrequent signaal. Figuur 5.1b: Voorbeelden van de apparatuur in het antennestation. Alle hoogfrequente signalen afkomstig van de modulatoren en processoren moeten nu nog samengevoegd worden om tezamen het kabelnet te worden ingestuurd. Dit gebeurt in een passief netwerk, de combiner genoemd. Na de combiner worden de signalen in de eerste versterker gestuurd. Hier begint dan het kabelnet.

61 Opbouw van het kabeltelevisienet Alle signalen aangemaakt en verzameld in het kopstation moet naar de klanten gebracht worden. Hiervoor is er een infrastructuur nodig. Deze infrastructuur is het kabeltelevisienet. Van stad tot stad verplaatst men zich over de nationale wegen. Eens in een stad aangekomen rijdt men verder over secundaire wegen en straten tot men een bepaald adres bereikt. De nationale wegen kunnen met het primair net vergeleken worden, de secundaire wegen met het distributieof het secundair net en de straten met het abonneenet. Om de signalen te transporteren over het kabeltelevisienet maakt men gebruik van coaxiale kabels en versterkers. Aftakkingen worden met splitters verwezenlijkt. De aftakking naar de abonnee gebeurd met behulp van een koppelkast. 5.3 De voeding Figuur 5.2: Opbouw van het kabeltelevisienet De actieve componenten van een kabelnet werken op een voedingsspanning van 60 Volt. Door de komst van Telenet heeft de UPS (Uninterupted Power Supply) zijn intrede gedaan. Een traditionele voeding wordt uitgebreid met batterijen en een invertor. Indien de netspanning wegvalt zullen de batterijen overnemen zodat de 60 Volt spanning verzekerd blijft voor ongeveer 4 uur (afhankelijk van de belasting). Figuur 5.3: De voeding

62 Heen- en terugweg Door de komst van telenet kreeg het kabeltelevisienet een nieuwe functie. Het kabelnet wordt nu ook gebruikt voor telefoonverkeer en multimediatoepassingen. Vroeger vertrokken er enkel HF-signalen vanuit het antennestation naar de klanten toe. Nu worden er ook HF-signaal naar het antennestation teruggestuurd. Op het kabelnet vindt men nu heenwegsignalen (downstream) en terugwegsignalen (upstream). Om dit mogelijk te maken wordt er aan het kabelnet een laag toegevoegd. Tussen het antennestation (headend) en het primair net komt het HFC-net (Hybrid Fiber Coax). Alle versterkers worden met terugwegversterkers uitgerust. Om het kabelnet beheersbaar te houden wordt het opgedeeld in eilanden (knooppunten of nodes) van ongeveer 1000 kabelklanten. Het transport tussen de nodes en het headend gebeurd over glasvezelkabels. Figuur 5.4: Aanpassing van het kabeltelevisienet Door deze structuur is het wel mogelijk dat er storingen (ingress, CPD, ) terugkeren naar het headend en zo verschillende klanten en zelfs verschillende nodes besmetten. De grootste uitdaging is het kabelnet vrij te maken van alle mogelijke stoorsignalen zodat de klanten op een optimale manier kunnen telefoneren, surfen op het internet en zelfs naar hun favoriet tv-programma kunnen kijken. In de toekomst: De analoge tv-programma s verlaten stilaan het kabelnet en digitale pakketten doen hun intrede. Het tv-toestel evolueert naar een multimediaplatform waarop men kan surfen en s versturen en ontvangen. Ook het telefoontoestel wordt direct aan het tv-toestel gekoppeld. In (of op) het tvtoestel komt er een setupbox die het hart vormt voor alle in- en uitgaande communicatie. Van op afstand opent men de voordeur, start men de microgolfoven, kiest men via een interactief menu een film,

63 Het HFC-net HFC staat voor Hybrid Fiber Coax of een huwelijk van glasvezel met traditionele coax. Het transport van de signalen van en naar de verschillende nodes gebeurt over glasvezelkabels. Het gebruik van glasvezel heeft verschillende voordelen. Glasvezelkabels zijn veel lichter dan koperkabels en er kunnen meer vezels binnen een bepaalde diameter geplaatst worden. Glas is ook een isolator voor elektrische of elektromagnetische storingen. Glasvezelkabels bezitten zeer lage transmissieverliezen en een grote potentiële bandbreedte. De belangrijkste nadelen zijn de kostprijs van de eindapparatuur (optische zender en ontvanger) en de behandeling van glasvezel is specialisten werk. Met deze optische technieken is het mogelijk om grote afstanden (tot 35 km) te overbruggen zonder gebruik te maken van versterkers en met minimaal kwaliteitsverlies van de signalen. De verschillende nodes worden in een lus geplaatst. De signalen worden via twee wegen (lus A en lus B) van en naar de nodes gebracht. Wordt de glasvezelkabel onderbroken dan volgen de signalen het andere pad en treedt er geen onderbreking van de geleverde diensten op. Figuur 5.5: Het HFC-net De heenwegsignalen worden in het headend samengevoegd en met behulp van een OTX (Optical Transmitter) naar de ONU (Optical Node Unit) gebracht. Daar een laser zeer duur is wordt er in het headend een optische splitter gebruikt in plaats van twee optische zenders. Voor de terugwegsignalen zijn de optische zenders niet zo duur (kleinere bandbreedte) zodat deze wel dubbel uitgevoerd worden. Bij een optische node zal de voeding ook meestal dubbel worden uitgevoerd. Bij uitval van de eerste voeding neemt de tweede voeding direct over. De monitoring zal dan een fout melden aan het bewakingssysteem.

64 Het primair net Het primair net moet een hoogwaardige kwaliteit bezitten. Om zo weinig mogelijk versterkers te moeten plaatsen (maximaal 11 primaire versterkers in cascade), is het noodzakelijk dat er zo weinig mogelijk verzwakking optreed. Daarom worden voor het primaire net coaxiaalkabels gebruikt met grote diameter (5/8" en 7/8"). Deze coaxiaalkabels verzwakken de signalen minder dan dunnere kabels. De specificaties van de kabels voor het primaire net staan weergegeven in onderstaande tabel. Specificaties /8" 7/8" LD 5/8" 5/8" LD Weerstand bij 20 C Ω/km (lusweerstand) 1,80 1,66 3,25 2,82 Z 0 (Ω) Propagatiesnelheid in % v/d lichtsnelheid Verzwakking bij 20 C 5 MHz db/100 m 0,25 0,24 0,38 0,35 10 MHz db/100 m 0,36 0,34 0,54 0,49 25 MHz db/100 m 0,57 0,54 0,87 0,78 30 MHz db/100 m 0,63 0,59 0,96 0,86 50 MHz db/100 m 0,82 0,77 1,25 1,11 87,4 MHz db/100 m 1,10 1,03 1,67 1, MHz db/100 m 1,18 1,11 1,79 1,6 200 MHz db/100 m 1,72 1,60 2,59 2, MHz db/100 m 2,15 2,00 3,23 2, MHz db/100 m 2,52 2,34 3,78 3, MHz db/100 m 2,69 2,50 4,04 3, MHz db/100 m 2,76 2,56 4,13 3, MHz db/100 m 3,17 2,94 4,74 4, MHz db/100 m 3,75 3,46 5,58 4, MHz db/100 m 3,91 3,61 5,82 5, MHz db/100 m 4,28 3,94 6,34 5,49 Maximale stroom in A Diameter van de kern in mm 5,1 5,7 3,45 3,9 Minimuim buigstraal in cm 1 x x Tabel 5.6: Vergelijking tussen coaxiaalkabels voor het primair net Uit deze tabel blijkt dat de verzwakking in de kabel lager is voor de laagste frequentie dan voor de hoge frequentie. De verzwakking wijzigt lichtjes door temperatuurschommelingen. De verzwakking daalt bij stijgende temperatuur.

65 De primaire versterker Eisen gesteld aan de primaire versterkers: lage ruisfactor; lage intermodulatie en kruismodulatie; de kabelverzwakking moet volledig gecompenseerd worden; een zeer vlakke doorlaatkarakteristiek (± 0,25 db). Figuur 5.6.1: Opbouw van een primaire versterker In de primaire versterker zijn er drie signaalpaden. Er is een pad voor de heenweg, er is een pad voor de terugweg en er is een pad met heen- en terugweg. Om de heen- en terugwegsignalen te scheiden gebruikt men een duplixer. De heenwegversterker is opgebouwd uit twee versterkertrappen om een goede signaal-ruisverhouding te bekomen en lage intermodulatieproducten. De terugwegversterker versterkt de terugwegsignalen van het primair en secundair net. Bij deze versterker is het belangrijk dat het niveau van de terugwegsignalen van het primair en secundair net even groot zijn. Het secundair net is verbonden met de distributieversterker. De coaxiale kabels van het kabelnet zijn blootgesteld aan de omgevingstemperatuur. De demping en de verzwakking van deze kabels varieert met de temperatuur. Om deze variaties op te vangen wordt de versterker met een automatische regeling uitgerust. Deze regeling wordt AGC (Automatic Gain Control) of ALSC (Automatic Level and Slope Controle) genoemd. Bij de kanalen worden de twee pilootfrequenties geplaatst. De lage pilootfrequentie is 87,4 MHz en de hoge pilootfrequentie is 551,25 MHz. Het niveau van deze piloten wordt in de AGC module gemeten en vergeleken met een ingestelde waarde. Is er een afwijking dan wordt de versterking en de slope of tilt van de heenwegversterker bijgeregeld. Alle primaire versterkers bezitten een monitoringmodule. Vanaf een centrale computer worden alle primaire versterkers bewaakt. Indien bepaalde parameters in een primaire versterker veranderen dan meldt de monitoringmodule deze wijzigingen aan de centrale computer. Bij de WVEM is er gekozen voor het HMS (Hybrid Management Sublayer) protocol samen met het ROSA systeem. Met de HMS module kan men communiceren met de versterker. Dit wil zeggen dat men gegevens kan opvragen maar ook kan men instellingen wijzigen. In de terugwegversterker zijn er elektronische schakelaars geplaatst. Met deze schakelaars kan men de terugwegsignalen van het primair of secundair net verzwakken of afschakelen. Dit wordt gebruikt om ingress op te sporen of om bij een ernstig probleem het terugwegsignaal af te schakelen, zodat de telefonie of internetsignalen van andere takken van het kabelnet niet verder gestoord worden.

66 Het secundair net Het secundair net verdeelt de signalen uit de moederlijnversterker naar de omliggende straten. Het gaat meestal om korte verbindingen. Maximaal worden 4 lijnverlengers (versterkers) in cascade geplaatst. De coaxiaalkabel die gebruikt wordt mag in vele gevallen dan ook dunner zijn dan bij het primaire net. Op deze lijnen worden de directionele koppelkasten geplaatst waar later de abonnees op aangesloten worden. De specificaties van de kabels voor het secundaire net staan weergegeven in onderstaande tabel. Specificaties /8" 5/8" LD 8,75 8,75 LD 8,00 LD Weerstand bij 20 C Ω/km (lusweerstand) 3,25 2,82 8,05 7,30 7,90 Z 0 (Ω) Propagatiesnelheid in % v/d lichtsnelheid Verzwakking bij 20 C 5 MHz db/100 m 0,38 0,35 0,67 0,63 0,67 10 MHz db/100 m 0,54 0,49 0,95 0,89 0,94 25 MHz db/100 m 0,87 0,78 1,52 1,42 1,50 30 MHz db/100 m 0,96 0,86 1,67 1,56 1,65 50 MHz db/100 m 1,25 1,11 2,16 2,02 2,14 87,4 MHz db/100 m 1,67 1,49 2,88 2,69 2, MHz db/100 m 1,79 1,6 3,09 2,88 3, MHz db/100 m 2,59 2,29 4,43 4,12 4, MHz db/100 m 3,23 2,85 5,49 5,09 5, MHz db/100 m 3,78 3,32 6,4 5,92 6, MHz db/100 m 4,04 3,54 6,82 6,30 6, MHz db/100 m 4,13 3,62 6,98 6,45 6, MHz db/100 m 4,74 4,14 7,96 7,34 7, MHz db/100 m 5,58 4,85 9,31 8,56 9, MHz db/100 m 5,82 5,05 9,69 8,9 9, MHz db/100 m 6,34 5,49 10,52 9,65 10,21 Maximale stroom in A Diameter van de kern in mm 3,45 3,9 1,96 2,1 2,02 Minimuim buigstraal in cm 1 x x Tabel 5.7: Vergelijking tussen coaxiaalkabels voor het secundair net Opnieuw kunnen we hetzelfde vaststellen als bij het primair net. De verzwakking in de kabel is lager voor de laagste frequentie dan voor de hoge frequentie. De verzwakking wijzigt lichtjes door temperatuurschommelingen. De verzwakking daalt bij stijgende temperatuur.

67 De secundaire versterker Aan de secundaire versterker of lijnverlenger worden minder strenge eisen gesteld dan de primaire versterker. De ruisfactor en de vlakheid van de doorlaatkromme (+ 0,5 db) zijn hier van minder belang daar maximaal 4 versterkers in cascade geplaatst worden. Wel moet de lijnverlenger zeer goeie intermodulatie specificaties hebben, daar gewerkt wordt op hoge uitgangsniveaus (40 à 45 dbmv). Uiteraard moet de verzwakking van de kabel, de splitters en de directionele koppelkasten gecompenseerd worden. Figuur 5.7.1a: Opbouw van een secundaire versterker De opbouw van de secundaire versterker is gelijkaardig aan de primaire versterker. De AGC werkt met dezelfde pilootfrequenties als de primaire versterker. De versterker kan met een HMS module uitgerust worden. Dit gebeurt voor de secundaire versterkers die op het einde van een secundaire lijn zijn geplaatst. Figuur 5.7.1b: Voorbeeld van een secundaire versterker

68 De directionele koppelkast Door de koppelkast (tap) wordt een deel van het signaal op de secundaire lijn afgetapt en gesplitst naar vier abonnee-uitgangen. Er bestaan ook types met twee of acht abonnee-uitgangen. De verzwakking van het secundair net naar de abonnee-uitgang wordt bepaald door de eerste splitter. De verzwakking varieert tussen 8 db en 35 db. Bij het plaatsen van koppelkasten daalt deze waarde telkens met 3dB. Dus bvb: 35, 32, 29,, 11, 8. De koppelkast moet er ook voor zorgen dat stoorsignalen, die bij de abonnee kunnen ontstaan, niet naar de secundaire lijn of een andere uitgang van de koppelkast doorgegeven worden. De scheiding tussen de abonnee-uitgang en het net moet zo groot mogelijk zijn, terwijl in omgekeerde richting de gewenste verzwakking verkregen moet worden. Vandaar de benaming directionele koppelkast. Figuur 5.7.2a: Opbouw van een directionele koppelkast Figuur 5.7.2b: Een koppelkast praktisch

69 De abonneeaansluiting De abonneeaansluiting begint bij de uitgang van de koppelkast. Daar niet elke aansluiting even lang is worden twee types kabel gebruikt. Korte en bovengrondse aansluitingen worden uitgevoerd met een dunne abonneekabel. Langere ondergrondse aansluitingen worden uitgevoerd met dikke abonneekabel (zie tabel 3.1). Hieronder vindt men een voorbeeld van een binnenhuisinstallatie. Het betreft een eenvoudige kabeltelevisieaansluiting. Figuur 5.8a: Een eenvoudige kabeltelevisieaansluiting De abonneekabel (dropkabel) vertrekt vanaf de koppelkast naar het overnamepunt. Het overname punt vervult twee functies. Enerzijds kan men met behulp van een splitter -1/-20 de kwaliteit van de signalen bij de klant controleren. Anderzijds wordt dit overname punt geaard zodat de installatie ook elektrisch veilig is. Het overnamepunt vindt men enkel bij nieuwe installaties. De aansluitdoos of het muurdoosje (of TV/FM-doosje) splitst het signaal. Een deel is beschikbaar voor de TV, een ander voor de tuner. Dit wordt uitgevoerd met een filter in plaats van een splitter. Hierdoor ontstaat er geen verzwakking voor de tv-signalen. De FM-signalen voor de tuner worden slechts lichtjes verzwakt. Het tv-toestel kan rechtstreeks met de aansluitdoos verbonden worden. Beschikt de abonnee over een videorecorder, dan wordt de recorder met het muurdoosje verbonden. Heeft men daarbij nog een decoder, dan komt de decoder als eerste. Zo kan men de films ook opnemen. De videorecorder en de decoder laten alle VHF-signalen door. Het uitgangssignaal van beide toestellen bevindt zich in de UHF-band. Bij de videorecorder kan eveneens een verbinding met de TV in video/audio gebruikt worden. Dit gebeurt met een SCART-plug op de achterzijde van de TV en videorecorder en levert een belangrijke kwaliteitsverbetering daar de signalen niet meer gemoduleerd en gedemoduleerd moeten worden (betere synchronisatie, betere S/Nverhouding en minder vervorming). Door het lage signaalniveau (0 à 6 dbmv) is bij de abonnee de kans op instraling van VHFzenders groot. Daarom is het noodzakelijk grote aandacht te besteden aan de connectoren en het gebruik van dubbel afgeschermde kabel onontbeerlijk.

70 71 Indien een klant behoefte heeft aan meerdere aftakpunten wordt er een NIU als binnenhuisversterker geplaatst. De network interface unit of kortweg NIU biedt aan de klant vier volwaardige kabeltelevisie-uitgangen aan, namelijk twee uitgangen van 0 db en twee uitgangen met een versterking van 4 db. De 4 db-uitgangen worden gebruikt voor de langste aansluitingen. Dit type NIU wordt ook geïnstalleerd door telenet. De telefoonmodem en de internetmodem worden dan ook op de NIU aangesloten. De belangrijkste functie van een NIU is dus de kabeltelevisiesignalen en de telenetsignalen scheiden en naar de juiste uitgangen of poorten leiden. Figuur 5.8b: Voorbeeld van een meervoudige aansluiting met telenetinstallatie De telefoonmodem en de internetmodem worden met behulp van een gewone coaxiaalkabel verbonden met de NIU. De telefoon wordt met een traditionele telefoonkabel verbonden en tussen de internetmodem en de computer wordt er UTP-kabel (Unshielded Twisted Pair) gebruikt. De klant kan nog altijd de vier kabeltelevisie-uitgangen gebruiken.

71 72 6 Monitoring van op afstand De netkwaliteit kan via de gemaakte schakeling reeds op iedere plaats in het net gecontroleerd worden. Dit kan echter nog niet van op afstand gebeuren. Een lokale PC moet iets kunnen vragen aan een IP-based toestel, waarbij dit toestel dan moet antwoorden. Het netwerk is hierbij transparant, zodat de gebruiker het gevoel heeft dat hij rechtstreeks met dit toestel communiceert. Hiervoor moeten de twee bekomen DC-spanningen omgezet worden naar ethernet. Dit ethernetpakket moet dan omgezet worden naar RF en terug op de coaxkabel geplaatst worden, om daarna verzonden te worden over het netwerk naar een centrale computer. De weg die hierbij moet afgelegd worden wordt geïllustreerd via onderstaande figuur. Vanuit een centrale computer (bvb: PC2) vraagt men de twee DC-spanningen op. Deze twee spanningen, afkomstig van de gemaakte schakeling, worden via een microcontroller en embedded ethernetcontroller gedigitaliseerd en omgezet naar een ethernetpakket. Dit pakket wordt naar een kabelmodem (CM) gestuurd. Deze zal via het euro-docsis protocol IP-datagrammen transporteren over het HFC-netwerk, tussen een CM en de CMTS. De CMTS zorgt dan dat het ethernetpakket wordt doorgestuurd naar de centrale PC, die meestal deel uitmaakt van een LAN, waar de oorspronkelijke gegevens (de twee DC-spanningen) worden teruggewonnen. Merk hierbij op dat het dataverkeer in beide richtingen mogelijk moet zijn. De PC moet de twee spanningen opvragen (downstream), waarbij die spanningswaarden dan moeten doorgestuurd worden (upstream). De verschillende netwerkelementen die hiervoor gebruikt worden, worden nu één voor één besproken. Ook de manieren waarop deze elementen met elkaar kunnen communiceren worden kort toegelicht. Opm.: De configuratie van de verschillende netwerkelementen gebeurt hier door een DHCP server.

72 Datacommunicatiesystemen Het OSI-model Het OSI-model (Open System Interconnection) is een goed gestructureerd open datacommunicatiesysteem. Dit betekent dat de structuur van het systeem niet afhankelijk is van de fabrikant. Men kan dus systemen met elkaar verbinden op een open manier, d.w.z. fabrieksonafhankelijk. Het OSI-model (van ISO) is een verzameling afspraken over de manieren van communiceren tussen twee of meerdere computersystemen van eventueel verschillende merken. Dit model deelt de communicatie op in zeven lagen. Daarom wordt dit ook wel het 7-lagenmodel genoemd. Deze lagen zijn: laag 7 applicatielaag laag 6 presentatielaag laag 5 sessielaag laag 4 transportlaag laag 3 netwerklaag laag 2 datalinklaag laag 1 fysische laag (laag 0) fysisch medium Tabel 6.1.1: De zeven lagen van het OSI-model Laag 0 en laag 1 bestaan enkel uit hardware, laag 2 t.e.m. laag 7 bestaan enkel uit software. Laag 1 t.e.m. laag 4 zijn transportgericht, data wordt hier over een netwerk verstuurd. De toepassing speelt hierbij geen rol. De bovenste drie lagen zijn applicatiegericht. Het netwerk speelt hier geen rol. Aan zendzijde: Van laag 7 tot laag 2: inpakken van data. Hierbij wordt een header toegevoegd. Een header is het gedeelte van data dat in een bepaalde laag van belang is. Aan ontvangstzijde: Van laag 2 tot laag 7: uitpakken van data. Hierbij wordt de header verwijderd en onderzocht. De zeven lagen worden nu één voor één kort besproken. Laag 7: De applicatielaag of toepassingslaag is de zevende of bovenste laag van het OSI-model. Deze laag communiceert direct met de applicatie en geeft opdrachten aan de presentatielaag. Ze bevat dus de gegevens die we wensen te verzenden. In de applicatielaag vinden we de eindgebruikers terug. Dit kunnen zijn: - applicatieprogramma s; - databanken; - processen, Voorbeelden van applicaties zijn: - een bankbediende die een applicatie gebruikt in een computersysteem; - een databank raadplegen; - een computer die een aantal robotten bestuurd. De applicatielaag staat dus het dichtst bij de gebruiker. , FTP, e.d. communiceren op deze laag. De applicatielaag onderscheidt zich van de andere lagen doordat deze geen services biedt naar de andere OSI-lagen, maar alleen naar de applicatie buiten het OSI-model.

73 74 Laag 6: De presentatielaag, de zesde laag in het OSI-model, bepaalt het formaat dat moet worden toegepast om data uit te wisselen. Ze zorgt ervoor dat data in de juiste vorm wordt aangeboden (gepresenteerd) aan de eindgebruikers, zodat het verwijderde systeem de gegevens kan begrijpen. Voorbeelden: - conversie van karaktercodes ( EBCDIS ASCII ); - conversie van commando s (printers). Deze laag is in feite de tolk-vertaler van het netwerk. Bij de zendende computer vertaalt deze laag de data die door de applicatielaag wordt aangeboden in een gemeenschappelijk erkend tussenformaat. Bij de ontvangende computer vertaalt de presentatielaag het tussenformaat in een formaat dat door de applicatielaag van die computer wordt ondersteund. De presentatielaag is ook verantwoordelijk voor protocolconversie, het vertalen van data, ter beveiliging coderen van data, het wijzigen of converteren van de tekenset en het uitbreiden van grafische commando s. Ze verzorgt tevens de compressie van data, waardoor het aantal te verzenden bits kan worden teruggebracht. Laag 5: De sessielaag stabiliseert, onderhoudt en beëindigt een sessie (= een verbinding of gesprek) tussen twee eindgebruikers. Voorbeeld: een commando en data naar het juiste applicatieprogramma sturen. Deze laag bestuurt en controleert het gehele verloop van de dialoog en kijkt of andere gebruikers niet op hetzelfde moment met het systeem willen communiceren. Dit is namelijk hard nodig wanneer bijvoorbeeld een computersysteem verscheidene applicatieprogramma s heeft uit te voeren. In dit geval treedt de sessielaag op als een soort verkeersagent die de commando s en data die worden ontvangen naar het juiste applicatieprogramma stuurt. Omgekeerd worden de ontvangen resultaten van een applicatieprogramma op weg gestuurd naar de juiste eindgebruiker. De sessielaag zorgt voor efficiënte communicatie. Problemen op de toepassingslaag en de presentatielaag worden gemeld. Laag 4: De transportlaag is de vierde laag uit het OSI-model, en zorgt voor het probleemloze transport van data voor de applicaties. Hij bestuurt en controleert het type netwerk dat gebruikt moet worden. De data wordt hier opgesplitst in stukjes die niet te lang zijn voor het netwerk (fragmenteren). De meest gebruikte protocollen uit deze laag zijn het Transmission Control Protocol (TCP) en het User Datagram Protocol (UDP). Data-eenheden uit deze laag worden meestal segmenten (of datagrammen in het geval van UDP) genoemd. Een andere dienst die door een protocol uit de transportlaag kan worden geleverd, is het bijhouden van de volgorde van alle segmenten. Hierbij wordt door het protocol een volgnummer aan de header toegevoegd. Wanneer de packets van het netwerklaag-protocol in de verkeerde volgorde aankomen (bijvoorbeeld wanneer de packets via andere nodes over een netwerk zijn gestuurd), is het toch nog mogelijk om de data te herstellen en opnieuw in de goede volgorde te plaatsen. Dit is een dienst die wel door het TCP-protocol wordt geleverd, maar niet door het UDP-protocol. Ook de foutcontrole van verbindingen (over het volledige bericht) wordt door de transportlaag geleverd. Het protocol berekent voor alle uitgaande data de checksum, en voegt deze toe aan de header van het uitgaande segment. Voor alle binnenkomende data wordt de data vergeleken met de checksum, zodat er kan worden gecontroleerd of alles intact is aangekomen.

74 75 Een dienst die protocollen uit de transportlaag kunnen bieden zijn de poorten. Wanneer aan iedere applicatie een uniek poortnummer (door middel van een socket) wordt gegeven, wordt het mogelijk om meerdere applicaties tegelijk te laten communiceren met andere systemen. Het transportlaag-protocol zal dan voor alle segmenten die binnenkomen zorgen dat ze naar de bij het poortnummer behorende socket worden gestuurd. Dit wordt demultiplexing genoemd. Alle data die verzonden wordt over de sockets van een systeem worden door ditzelfde protocol 'verpakt' en aangevuld met header-informatie, ook wel multiplexing genoemd. Laag 3: De netwerklaag is in het model verantwoordelijk voor het overbruggen van de afstand tussen de twee omliggende lagen, of het voor het routeren van de pakketten door het netwerk. Ze zorgt er dus voor dat de informatie van het begin- naar het eindpunt geraakt. Deze laag bevat dus de routeringsfuncties. De beslissing over de achtereenvolgende rij computers die een pakket zullen ontvangen en doorgeven, en hoe die pakketten over het netwerk verstuurd moeten worden, wordt eveneens in de netwerklaag genomen. Globaal zijn daarvoor twee mechanismen: - Er is een vaste route voor alle pakketten tussen begin- en eindpunt. In dit geval spreekt men van een verbindingsgeöriënteerde routering (connection-oriented) of ook wel van een virtueel circuit. De voordelen van een dergelijke verbinding zitten voornamelijk in de relatieve eenvoud van de implementatie en foutencorrectie. Het nadeel is dat een circuit er meestal niet tegen kan als een onderdeel van de verbinding (zoals een fysieke kabel) wegvalt. Dat is meestal de dood van de verbinding, de bovenliggende sessie en van alles wat daar weer boven zit. - Ieder pakket krijgt zijn eigen routering mee. In dit geval spreekt men van een verbindingsloze routering (connectionless) of van een datagram routering. De voordelen van een dergelijke verbinding zijn te vinden in de mogelijkheid om verbroken verbindingen of andere moeilijkheden onderweg op te vangen. Komt een fysieke verbinding te vervallen, dan kunnen de pakketten een andere routering meekrijgen. Daartegenover staan een aantal duidelijke nadelen, voornamelijk in de complexiteit van de uitvoering. Als bijproduct van de routering is de netwerklaag ook begaan met de vraag hoe computers in het netwerk aangesproken worden, wat hun adres is binnen het netwerk en of er eventueel adresvertaling nodig is (bijvoorbeeld van een conceptueel adres dat makkelijk is in de menselijke ommegang tot een fysiek adres dat makkelijk is voor computers, zie bijvoorbeeld DNS). Er zijn tegenwoordig verschillende protocollen die de netwerklaag implementeren (of in ieder geval soortgelijke functionaliteit bieden). Het bekendste hiervan is het Internet Protocol. Laag 2: De datalinklaag is de tweede laag uit het OSI-model en zal een logische verbinding tussen twee stations tot stand brengen, onderhouden en verbreken. Voorbeelden van gebruikte protocollen: - TTY: asynchroon en karaktergeoriënteerd; - BSC van IBM: synchroon en blokgeoriënteerd; - HDLC van ISO: synchroon en bit- of pakketgeoriënteerd. Andere taken van deze laag zijn: - het opmaken (formatteren) van datablokken of frames; - flow control (= regelen van de snelheid waarmee de datapakketten overgezonden worden); - foutencontrole (niet op het volledige bericht).

75 76 De data die wordt doorgegeven via de fysieke laag kan veel fouten bevatten. Storingen van buitenaf zorgen er vaak voor dat bits verdwijnen, bijkomen of verwisseld worden. Alle data wordt opgedeeld in pakketjes. Deze pakketjes worden frames genoemd. Per frame wordt met een aantal foutcontroles, zoals bijvoorbeeld een Cyclic Redundancy Check, bepaald of het frame correct is ontvangen. De frames zijn genummerd, waardoor de volgorde van de frames altijd achteraf gereconstrueerd kan worden. Als een frame niet goed wordt ontvangen, wordt het herhaald verstuurd, totdat het wel goed ontvangen wordt. Op deze manier is het mogelijk om data betrouwbaar over te sturen op een datalijn met ruis, hoewel dit wel nadelige gevolgen heeft voor de snelheid. Laag 1: De fysieke laag is de eerste of onderste laag uit het OSI-model. Deze laag bevat de functionele, elektrische en mechanische specificaties voor het tot stand brengen, onderhouden en verbreken van de fysieke verbinding tussen eindstations (PC's, routers, switchen en modems). Over de fysische verbinding vervoert men enkele bits, zonder zich te bekommeren over hun betekenis of zelfs zonder te onderzoeken of ze foutloos aankomen. Enkele begrippen die in de fysische laag moeten gesitueerd worden zijn: - synchrone/asynchrone transmissie (met inbegrip van bit- en bytesynchronisatie); - snelheden; - simplex, half-duplex, full-duplex; - verbindingtopologieën; - modulatiemethodes Het TCP/IP-model In het OSI-model worden protocollen gedefinieerd die niet gebaseerd zijn op producten van een bepaalde leverancier. Naast dit open systeem bestaan er ook systemen met protocollen die ontwikkeld zijn op basis van hard- en software van een bepaalde fabrikant. Een voorbeeld van zo n privaat systeem was TCP/IP (Transmission Control Protocol / Internet Protocol). Vandaag is TCP/IP reeds geëvolueerd naar een open systeem. Dit model werd oorspronkelijk ontwikkeld door het ARPANET, een netwerk van het Amerikaanse departement van Defensie. Later werd het ook toegepast in tal van andere netwerken, zoals in het wereldwijde netwerk internet. TCP/IP is in feite een verzameling van protocollen. Net zoals bij het OSI-model kan elk product in een bepaalde laag van het model worden geplaatst. In onderstaande tabel worden beide modellen met elkaar vergeleken. Tabel 6.1.2a: Vergelijking van de lagen bij TCP/IP met OSI

76 77 Laag 1: De network access -laag bevat alle elementen die de toegang tot het netwerk mogelijk maken. Voor de verdere bespreking van het TCP/IP model wordt uitgegaan van één bepaald type netwerk, nl. Ethernet. Een aantal zaken die in deze laag van belang zijn: - bus- of boomstructuur, snelheden, laag 1 van het OSI-model; - framestructuur, adressering, foutendetectie van frames, laag 2 van het OSI-model. Een ethernetframe bevat zowel het bestemmingsadres als het bronadres. Een ethernetadres (of MAC-adres) wordt door de fabrikant vastgelegd. Het is zes bytes lang en wordt steeds op de volgende manier voorgesteld: - elke byte wordt in hexadecimale vorm geschreven; - de bytes worden gescheiden door een minteken of een dubbele punt. Voorbeeld: F-C3 Laag 2: De belangrijkste taak van de internetlaag is het routeren van de datapakketten. Het protocol dat daarbij gebruikt wordt is het Internet Protocol (IP). Het routeren van pakketten is enkel mogelijk als ook op dit niveau adresinformatie aanwezig is. Elke computer krijgt dan op niveau 2 een adres dat uit vier bytes bestaat en als volgt wordt voorgesteld: - elke byte wordt in decimale vorm weergegeven (waarde tussen 0 en 255); - de bytes worden gescheiden door een punt. Voorbeeld: IP-adressen worden beheerd door het NIC (Network Information Center) of de provider. Op lokaal vlak worden ze toegekend door de netwerkbeheerder. Er bestaat een unieke combinatie tussen het Ethernet- en IP-adres. Dit kan bepaald worden met: - ARP (Adres Resolution Protocol): omzetting van IP-adres naar Ethernet-adres; - RARP (Reverse ARP): omzetting van Ethernet-adres naar IP-adres. Waarom zijn nu beide adressen noodzakelijk? Het IP-adres is netwerkonafhankelijk. Het wordt overal herkend waar TCP/IP van toepassing is en dit onafhankelijk van het type netwerk dat in laag 1 wordt gebruikt. Het Ethernet-adres is van lokaal belang en bevat de noodzakelijke adresinfo in laag 1. Laag 3: Het Transmission Control Protocol (TCP) kan in laag 3 worden toegepast. De voornaamste taken zijn: - segmenteren van een bericht; - herstellen van de juiste frequentie; - foutendetectie + hertransmissie ( betrouwbaar protocol UDP); - flow control. In plaats van het TCP kan in laag 3 ook een minder krachtig protocol worden toegepast, nl. het User Datagram Protocol (UDP). In de volgende tabel worden een aantal belangrijke verschillen tussen beide systemen weergegeven.

77 78 TCP connection'-georiënteerd betrouwbaar grote 'overhead' trager dan UDP UDP connectionless' onbetrouwbaar kleine 'overhead' sneller dan TCP Tabel 6.1.2b: Vergelijking TCP met UDP Connection-georiënteerd betekent dat het protocol zorgt voor de uitwisseling van controleinformatie om zeker te zijn dat het verwijderd systeem klaar is om data te ontvangen. Er wordt dus een end-to-end verbinding tot stand gebracht. Bij een connectionless-protocol is dit niet het geval. TCP is een betrouwbaar protocol omdat foutief ontvangen segmenten gedetecteerd worden en opnieuw worden uitgezonden. UDP daarentegen is onbetrouwbaar omdat een CRC-berekening slechts optioneel is en een hertransmissie niet wordt toegepast. Ook een sequentienummering zoals bij TCP is niet voorzien. UDP heeft wel als voordeel dat er minder overtollige bytes moeten worden uitgezonden (= kleine overhead) waardoor het een sneller protocol is dan TCP. Laag 4: In de applicatielaag komen de protocollen voor die te maken hebben met concrete toepassingen. Enkele voorbeelden hiervan zijn: - remote login: van op afstand inloggen op een andere computer; - file transfer: files naar een andere computer verzenden of ervan ontvangen; - electronic mail; - DNS (Domain Name System): iedere computer krijgt een naam die gemakkelijk te onthouden is. Het valt dus duidelijk op dat het TCP/IP-model een verzameling is van protocollen. De belangrijkste zijn weergegeven in onderstaande tabel. Tabel 6.1.2c: De voornaamste protocollen uit het TCP/IP-model

78 79 Dit wordt ook nog eens weergegeven op volgende figuur. 6.2 Ethernet Figuur 6.1.2: Opbouw van het TCP/IP-model Ethernet is een LAN-technologie (zie verder) die informatie verstuurt tussen computers met een snelheid van 10, 100, 1000 of Mbit/s. Hierbij wordt de basisbandtransmissietechniek toegepast. De kenmerken kunnen we vergelijken met de onderste drie lagen van het OSI-model. Laag 0: Hier vinden we het medium terug dat gebruikt wordt. Dit is een 50Ω coaxiale basisbandkabel. Laag 1: Dit is de fysische laag. Hier vinden we onder andere de snelheid terug. Het netwerk wordt uitgevoerd volgens een bus- of boomstructuur en als datacodering is de Manchester-code genomen. Laag 2: Dit is de datalinklaag. De gebruikte toegangsmethode is hier CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Acces with Collision Detection). Multiple Acces betekent hierbij dat elk aangesloten station toegang heeft tot het netwerk. Carrier Sense betekent dat vooraleer een station mag uitzenden het moet luisteren als er geen ander station aan het uitzenden is. Collision Detection wil dan weer zeggen dat terwijl een station uitzendt het moet luisteren als er zich geen botsing voordoet. De toegang is op goed geluk af (= random acces ). Door de jaren heen is het ethernet al sterk geëvolueerd. Eerst was er 10 BASE 2. Dit betekent dat de afstand tussen twee segmenten maximum 200 meter mag zijn. De 10 staat voor de snelheid, nl. 10Mbit/s. Er wordt hier een dunnere goedkopere kabel gebruikt (cheapernet) en de transceiver wordt op de ethernetkaart zelf geplaatst. De koppeling met het netwerk gebeurt via een T-stuk. Daarna kwam de 10 BASE T, waarbij de T staat voor twisted pair (UTP, FTP, STP). De maximum afstand is hier 100 tot 150 meter en de stations worden door middel van een hub of een switch met elkaar verbonden. De koppeling gebeurt d.m.v. een RJ-45 connector. Hierna kwam 802.3u of Fast Ethernet (100 BASE T en 100 BASE FX). De FX staat hier voor fiber. De maximale afstand is hierbij 2km. Er is een full-duplexwerking en geen CSMA/CD. Tenslotte is er de 802.3z of Gigabit Ethernet (vooral glasvezelbekabeling).

79 80 Wanneer er echter data via een netwerk moet verzonden worden, kunnen er niet zomaar bits en bytes doorheen de bekabeling gestuurd worden. De zender moet immers kunnen aangeven welke data er samenhoort, hoeveel data er is, aan wie het gericht is en wie het verstuurde. Om dit allemaal goed te laten functioneren, zit alles verpakt in een soort van standaardkader, een ethernetkader of pakket. Een ethernetpakket heeft een hoofding met administratieve informatie en een body of datablok met de eigenlijke informatiebytes. Alles wat men over ethernet verstuurt, wordt dus in één of meer van deze pakketten verpakt. Een voorbeeld van zo n pakket is te zien op onderstaande figuur. Het gaat hier om een ethernetpakket waarbij men het datablok telkens opnieuw opsplitst in administratieve informatie en een datablok van een onderliggend protocol. Figuur 6.2: Ethernetpakket met UDP/IP - De preamble (62bits) is een reeks van afwisselend 1 en 0 dat gebruikt wordt voor bitsynchronisatie. Het is de bedoeling de preamble volledig uit te zenden, ook al detecteert de zender ondertussen een collisie (botsing). - SFD (2bits) staat voor Start of Frame Delimiter. Het bestaat uit tweemaal 1 om een geheel aantal bytes te bekomen alvorens verder te gaan. Alle bits na deze SFD zal de ontvanger herkennen als data en verder verwerken. Preamble en SFD worden dus altijd verwijderd, al zullen die opnieuw gegenereerd worden om het ethernetpakket verder te verzenden. - FCS (4bytes) staat voor Frame Check Sequence. Deze bestaat uit een CRC om foutieve bytes in een ethernetpakket op te sporen. De maximale lengte van een volledig pakket bedraagt 1526 bytes. Meestal spreekt men enkel van de maximale lengte van het pakket zonder preamble, SFD en FCS. De maximale lengte is dan 1514 bytes terwijl de minimum lengte 60 bytes bedraagt. Elke netwerkstation heeft een uniek hardware adres, het zogenaamde MAC-adres (Medium Acces Control). Bij een pc is het bijvoorbeeld de netwerkkaart die bij productie zo n MAC-adres toegekend kreeg. Een MAC-adres is 6 bytes groot en dient ook als bron- en bestemmingsadres in een ethernetpakket. Men kan er ook voor kiezen om dat adres te vervangen door een zelfgekozen adres. Dat heet dan een locally administered address of een lokaal beheerd adres. Indien een MAC-adres gebruikt wordt, spreekt men van een universally administered address of een universeel beheerd adres. Fabrikanten die een dergelijk adres wensen toe te kennen aan hun product dienen een reeks adressen aan te vragen bij het IEEE. Tabel 6.2: Opbouw van de Ethernet-header Deze 14 bytes lange hoofding bestaat uit 6 bytes voor het MAC-adres van de bestemming (destination), 6 bytes voor het MAC-adres van de bron (source), gevolgd door 2 bytes voor het ethertype van het onderliggende protocol.

80 Protocolbeschrijvingen IP Eén van de belangrijkste taken van het Internet Protocol is het routeren van datapakketten over niet-compatibele netwerken. Het wordt gebruikt voor zowat alle gegevensoverdrachten op het ethernet. Er wordt gesproken van best effort en connectionless. Onder best effort wordt er verstaan dat er niet gegarandeerd wordt dat de IP-pakketten hun bestemming zullen bereiken. Het protocol voorziet wel een checksum, maar deze controleert enkel de integriteit van de IP-header. Bijgevolg moet de verantwoordelijkheid voor alle data in het pakket, alsook voor de opeenvolging van pakketten, door de hogere lagen verzekerd worden. Het feit dat de verbinding connectieloos is, impliceert dat de verschillende pakketten verschillende wegen kunnen volgen. Dit betekent op zijn beurt dat het mogelijk is dat de pakketten in een andere dan de oorspronkelijke volgorde aankomen. Twee belangrijke zaken die ik hierbij zal bespreken zijn de IP-header en de IP-adressen. De IP-header bestaat uit minimum 20 bytes (5 x 32 bits) en maximum 60. Tabel 6.3.1: Opbouw van de IP-header - Version (4bits) specificeert het formaat van de header van het IP-pakket. - De IHL of Internet Header Length (4bits) specificeert de lengte van de IP-header. - TOS of Type Of Service (8bits) specificeert de parameters voor het vereiste servicetype. - Total Length (16bits) bevat de totale lengte van het IP-datagram (header + data). - Identification (16bits) wordt gebruikt om het ene fragment te onderscheiden van het ander. Deze waarde moet uniek zijn voor het bestemmings-bronpaar voor de tijd dat het datagram actief is op het netwerk. - Flags en fragmentation offset (16bits) worden gebruikt voor het fragmenteren en reassembleren. - TTL, Time To Live (8bits) is een teller die door een router met één wordt verminderd wanneer het datagram door deze router wordt gestuurd. TTL wordt dan ook een hop counter genoemd (hop = etappe, sprong). Wanneer de teller op nul komt wordt het datagram verworpen. Op die manier vermijdt men dat een datagram in een netwerk blijft circuleren. - Protocol (8bits) bepaalt welk protocol er in de bovenliggende laag wordt gebruikt (TCP of UDP). - Header checksum (16bits) bevat een CRC controle voor de header van het IP-diagram. De bedoeling hiervan is na te gaan of de IP-adressen correct zijn. - Bron- en bestemmingsadres (elk 32bits). - Options and padding hebben een variabele lengte.

81 82 Een IP-adres bestaat uit 32 bits die als volgt ingedeeld kunnen worden: Figuur 6.3.1: Indeling van IP-adressen Dit betekent dat er voor klasse A 127 netwerken kunnen bestaan (2 7 ), voor klasse B ongeveer (2 14 ) en voor klasse C ongeveer (2 21 ). Klasse A heeft ongeveer hosts (2 24 ), klasse B ongeveer (2 16 ) en klasse C 256 (2 8 ). Voor iedere klasse zijn er ook een bepaald aantal adresbereiken voorzien: - klasse A: 1 adresbereik vb: van tot ; - klasse B: 16 adresbereiken vb: van tot ; - klasse C: 256 adresbereiken vb: van tot TCP Het Transmission Control Protocol is een connection-oriënted protocol. Het zorgt voor de uitwisseling van controle-informatie om zeker te zijn dat het verwijderde station klaar is om data te ontvangen. Er wordt dus een end-to-end verbinding tot stand gebracht. Het protocol zorgt voor het tot stand brengen, onderhouden (datatransport) en verbreken van deze verbinding. Het is ook een betrouwbaar protocol. Er is een foutendetectie en hertransmissie van foutief ontvangen segmenten. Net zoals de IP-header bestaat de TCP-header uit minimum 20 bytes (5 x 32 bits) en maximum 60. Tabel 6.3.2: Opbouw van de TCP-header - Source en destination port number (elk 16bits) zijn de poortnummers die aangeven welke toepassing er gebruikt wordt in de applicatielaag.

82 83 - Het sequence number (32bits) is het getal waarmee kan worden nagegaan of alle TCPsegmenten werden ontvangen. - Het acknowledgement number (32bits) wordt ingevuld in een acknowledgement-segment. Met zo n segment kan de goede ontvangst van databytes worden bevestigd. - Data offset (4bits) geeft het aantal 32-bit woorden aan in de TCP-header. Het geeft aan waar de data begint. - Reserved (3bits). Deze bits moeten op nul staan. - ECN, Expliciet Congestion Notification (3bits). - Control bits (6bits). - Window (16bits) wordt voor flow control gebruikt. Het getal duidt het aantal bytes aan dat de ontvanger van de zender kan aannemen. - Checksum (16bits) bevat een CRC-controle die berekend wordt over het totale TCP-segment. - Urgent Pointer (16bits) wijst naar het sequentienummer van de laatste byte in een reeks van dringende data UDP Indien de betrouwbaarheid niet essentieel is, maakt men vaak gebruik van het User Datagram Protocol. UDP is het meer eenvoudige broertje van TCP en is een connectionless protocol. Het vereist dus geen verbinding tussen zender en ontvanger. UDP geeft een service die geen levering garandeert, geen volgorde garandeert en optioneel een checksum toelaat. De hoger gelegen protocollen moeten hier instaan voor de nodige controles. De UDP-header bestaat uit minimum 8 bytes (2 x 32 bits). Tabel 6.3.3: Opbouw van de UDP-header - Source port (16bits) specificeert de poort die door de zender wordt gebruikt. - Destination port (16bits) specificeert de poort waarnaar het pakket wordt verstuurd. - Length (16bits) is de lengte in bytes van de UDP-header en de meegestuurde data. - Checksum (16bits) is de 16 bit one s complement som van de bytes in de IP-header, de UDPheader en de meegestuurde data.

83 DHCP Het doel van DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) is het vereenvoudigen van de netwerkconfiguraties van pc s. Het is een computerprotocol dat beschrijft hoe een computer zijn netwerkinstelling van een DHCP-server kan verkrijgen. Dit geldt niet alleen voor de computers, maar ook voor de CMTS en de kabelmodems. Het DHCP-protocol is gebaseerd op het Internet Protocol (IP) en werkt met UDP pakketten. De werking van DHCP kan het eenvoudigst worden uitgelegd aan de hand van een aantal computers die in een netwerk staan geplaatst. - De cliëntcomputer stuurt een netwerkpakket, gericht aan alle computers (binnen het eigen IP-subnet). - Alle computers in het netwerk ontvangen dit pakket, ook de DHCP-server. Uitsluitend de DHCP-server(s) in het netwerk doet hier iets mee. Hij stuurt de informatie over de netwerkinstellingen terug. - De client gebruikt de gegevens van de eerste DHCP-server waarvan hij antwoord krijgt om zijn netwerkverbinding in te stellen. - Pas nu kan de computer communiceren met andere computers. Gegevens die onder andere (kunnen) worden doorgestuurd zijn: - een uniek netwerknummer (IP adres); - welk adres (of adressen) in het netwerk een gateway is, waarmee er een verbinding is met een ander netwerk, zoals het internet (niet noodzakelijk); - wat de naamservers zijn (DNS servers) (niet noodzakelijk); - hoe groot het netwerk is, dus onder welke omstandigheden de doelcomputer binnen het netwerk ligt of via de gateway benaderd moet worden. Dit wordt de netmask genoemd. - de geldigheidsduur (leasetime of looptijd). Dit kan nu toegepast worden op de verschillende netwerkelementen uit figuur 6. Ook bij DHCP is er een header aanwezig. Deze ziet er als volgt uit: Tabel 6.3.4: Opbouw van de DHCP-header - De opcode, hardware type, hardware address length en hop count bestaan elk uit 8 bits. Deze laatste zijn reeds vastgelegd.

84 85 - Transaction ID (32bits) is een door de client random gekozen nummer. Het wordt gebruikt door de client en de server om berichten en antwoorden tussen client en server te associëren. - Number of seconds (16bits) is de verstreken tijd sinds dat de client een nieuw adres heeft. - Flags (16bits). - De volgende vier IP-adressen bevatten elk 32 bits. - Het client hardware address bevat 16 bytes. - De server host name bestaat uit 64 bytes. - De boot filename bevat 128 bytes. DHCP vindt zijn oorsprong in het BootP-protocol, wat oorspronkelijk ontworpen was om computers hun besturingssysteem vanaf het netwerk te laden. Nu bevindt zich dat in het TCP/IP protocol, om precies te zijn in de internetlaag. Je kan deze laag vergelijken met de netwerklaag in het OSI-model (laag 3). Het is nu niet echt noodzakelijk om DHCP te gebruiken. Een computer kan ook handmatig van de correcte instellingen worden voorzien. In de praktijk echter vinden systeembeheerders DHCP eenvoudiger, omdat zij dan niet zelf alle computers in het netwerk handmatig hoeven te configureren. Ook als er zich wijzigingen in het netwerk voordoen, hoeft alleen de DHCP-server van de nieuwe instellingen te worden voorzien. Internet Service Providers (ISP) maken ook graag gebruik van DHCP. Zo kunnen ze het aantal benodigde IP-adressen beperken, omdat niet al hun abonnees tegelijkertijd verbinding maken. Dit aantal is dan gelimiteerd aan het aantal modems dat bij deze ISP aanwezig is. Aan de DHCP-gegevens is een bepaalde leasetime of looptijd gekoppeld, variërend van enkele minuten tot enkele weken. In die tijd zijn de gegevens voor deze specifieke computer gereserveerd. Voordat de leasetijd verlopen is moet de computer opnieuw een aanvraag indienen, en krijgt dan eventueel een ander IP-adres. Als een computer (of netwerkverbinding) herstart tijdens de looptijd van een lease, dan voorziet het protocol in een voortzetting van het reeds verkregen IP-nummer, zodat de eerste stap (initiële aanvraag) overgeslagen wordt en een verlenging gebruikt wordt. Wanneer een cliëntcomputer naar een ander subnet wordt verplaatst, wordt het oude IP-adres van deze client vrijgegeven en kan het opnieuw worden gebruikt. De TCP/IP-instellingen van de client worden automatisch opnieuw geconfigureerd wanneer de computer op de nieuwe locatie wordt gestart. Wanneer de computer niet als zodanig is ingesteld dat deze zelf aan de DHCP-server verlenging van de looptijd vraagt, of er is langere tijd geen DHCP-server beschikbaar, dan wordt de verbinding met een regelmaat van een half uur tot een dag tijdelijk verbroken. Dit kan bij applicaties als IRC (Internet Relay Chat) hinderlijk zijn. In het geval van breedband-internetverbindingen (zoals kabelinternet en ADSL) wordt vaak ook met DHCP gewerkt, hoewel een aantal providers ook wel vaste adressen uitdeelt. Mensen met een dynamisch IP-adres zullen iets meer moeite moeten doen als zij een server willen draaien. Hoewel hun IP-adres over het algemeen hetzelfde zal blijven (toegewezen op basis van hun MAC-adres), kan het zijn dat het toch verandert. Dit gebeurt bijvoorbeeld als de host langere tijd offline is geweest (en het IP-adres is vrijgegeven of zelfs al toegewezen aan iemand anders), of als er bijvoorbeeld een andere netwerkkaart wordt geplaatst. De ISP herkent dan het MAC-adres van de host niet meer. Eventuele DNS-instellingen moeten dan worden aangepast. Dit kan handmatig of automatisch door middel van een script (zoals DynDNS) gebeuren.

85 LAN De centrale PC die gebruikt wordt om de netkwaliteit te monitoren, zal meestal deel uitmaken van een LAN. LAN staat voor Local Area Network; een groep (minimum twee) computers die rechtstreeks, of via een gedeeld medium met elkaar verbonden zijn. Het eerste LAN is waarschijnlijk ARCNet, een product van Datapoint Corporation dat in 1977 op de markt kwam. Toen in de jaren '80 van de twintigste eeuw de eerste personal computers van IBM op de markt kwamen, wilde men al snel deze computers aan elkaar koppelen om gegevens en bronnen te kunnen delen. Elke pc had dan bijvoorbeeld geen aparte printer nodig, maar kon een centraal opgestelde printer gebruiken. Hiertoe werden verschillende soorten netwerken ontwikkeld. Tegenwoordig worden LAN s vaak opgezet op locaties waar veel computers in één ruimte of gebouw te vinden zijn en waar een snelle overdracht van informatie tussen verschillende computers nodig is. Dit is vaak het geval bij bedrijven, scholen en overheidsinstellingen. Via het LAN heeft een computer toegang tot andere resources die aan het netwerk zijn gekoppeld, zoals andere computers, printers en eventueel andere netwerken. Er bestaan twee manieren om verbindingen te leggen: door middel van kabels (meestal UTP) of radiogolven (Wi-Fi). Een LAN wordt beperkt tot een lokaal gebied, gewoonlijk binnen één gebouw of complex (bijvoorbeeld een bedrijfsterrein). Over het algemeen wordt het bereik van een LAN beperkt door de gebruikte technieken. Indien grotere afstanden overbrugd moeten worden (tussen steden en landen) spreekt men van een WAN (Wide Area Network). Over LAN valt nog zeer veel te vertellen. Er bestaan hierbij verschillende transmissiemedia, topologieën, toegangsmethodes, maar omdat dit niet meer bij de essentiële inhoud van dit eindwerk hoort zal dit hier niet besproken worden. 6.5 CMTS Een typische CMTS (Cable Modem Termination System) is een kabeltoegangstoestel bij de exploitant dat up- en downstreamsignalen ontvangt. De hoofdtaak is zorgen voor de verbinding tussen het kabelnetwerk (HFC) en het datanetwerk (de backbone). Voor duplex communicatie tussen de CMTS en CM zijn twee fysische poorten vereist (in tegenstelling tot ethernet, waar één poort duplex communicatie voorziet). Door de noise in het terugkeerpad (upstream), zijn er meer upstreampoorten dan downstreampoorten. De extra upstreampoorten voorzien wegen om die lijnen met veel noise te compenseren (tot DOCSIS 2.0 waren zij noodzakelijk om hogere upstreamsnelheden te voorzien). Een CMTS of cable modem termination system wordt hoofdzakelijk teruggevonden in het headend van een kabelmaatschappij. Ze wordt gebruikt om services met hoge datasnelheden (zoals kabelinternet en Voice over Ip) aan kabelabonnees te verlenen. Om deze hoge datasnelheden te verlenen, zal een kabelmaatschappij zijn headend verbinden met het internet. Dit gebeurt via zeer hoge capacitieve datalinks door een network service provider. Aan de abonneezijde van het headend, laat de CMTS de communicatie toe met de kabelmodems van de abonnees. Verschillende CMTS s zijn bekwaam om meerdere groepen van kabelmodems te bedienen, gaande van kabelmodems tot of meer. Een bepaald headend kan tus-

86 87 sen 6 en 12 of meer CMTS s hebben, om de kabelmodems te onderhouden, die bediend worden door dat headend. Een manier om een CMTS voor te stellen is een router voor te stellen met Ethernet interfaces (verbindingen) aan de ene zijde en coax RF interfaces aan de andere zijde. De RF/coax interfaces dragen RF signalen van en naar de abonnees hun kabelmodem. Eigenlijk hebben de meeste CMTS s zowel Ethernet interfaces (of andere meer traditionele interfaces met een hoge snelheid) als RF interfaces. Op deze manier kan het verkeer dat van het internet komt, gerouteerd of gebridged worden door de Ethernet interface. De CMTS zorgt dan voor de verbinding met de RF interfaces die verbonden zijn naar de kabelmaatschappij zijn HFC-netwerk. Het verkeer vind zijn weg door het HFC-netwerk om te eindigen bij de kabelmodem bij de abonnee thuis. Verkeer dat gaat van de abonnee zijn thuissystemen gaan door de kabelmodem naar het internet in omgekeerde richting. Er bestaan 2 types CMTS: de bridged CMTS en de routed CMTS. De bridged CMTS wordt in de praktijk altijd samen gebruikt met een router. In dit geval moeten het IP adres van de router en dat van de kabelmodem tot hetzelfde subnet behoren. Routed CMTS hebben toegang tot de IP adressen. Ze bevatten software om te bepalen welke van de verschillende mogelijke wegen, tussen die adressen, het beste is voor een bepaalde transmissie. CMTS s dragen typisch enkel het IP-verkeer. Het verkeer dat voor de kabelmodem van het internet afkomstig is, welgekend als downstream verkeer, wordt in IP-pakketten gedragen die ingekapseld worden in MPEG-pakketten. Deze MPEG-pakketten worden gedragen door datastreams die typisch gemoduleerd zijn via kwadratuurmodulatie. Upstream data (data van de kabelmodems naar het headend of internet) wordt gedragen in Ethernetframes, gemoduleerd met QPSK, 16-QAM, 32-QAM, 64-QAM of S-CDMA. Dit gebeurt in een veel lager deel van het frequentiespectrum dan het downstream signaal. Een typische CMTS laat de computer van een abonnee toe om een IP-adres te verkrijgen door DHCP verzoeken naar de relevante servers te versturen. Deze DHCP server geeft, voor het grootste deel, weer wat gelijkt op een typisch antwoord met inbegrip van een toegewezen IP adres voor de computer, gateway/router adressen om te gebruiken, DNS servers, enz De CMTS bevat ook wat fundamentele filtering om bescherming te bieden tegen onbevoegde gebruikers en diverse aanvallen. Soms wordt het dataverkeer wat vervormd om bepaalde toepassingen van het verkeer voorrang te geven, misschien op een vooraf beschreven plan of downloadgebruik gebaseerd. Hoe dan ook, het vervormen van het verkeer wordt waarschijnlijk gedaan door een Policy Traffic Switch. De kabelmodem van een klant kan niet onmiddellijk communiceren met andere modems op de lijn. In het algemeen wordt het kabelmodemverkeer geleid naar andere kabelmodems, of naar het internet, via een reeks CMTS s en traditionele routers. Een route kan mogelijk langs één enkele CMTS passeren. De CMTS wordt verbonden met de kabelmodems (CM) via het HFC-netwerk. De uitleg over dit netwerk is terug te vinden bij 5.5 op pagina 64.

87 De kabelmodem Een kabelmodem is een speciaal type modem dat gebruikt wordt om data over het kabeltelevisienetwerk te transporteren en wordt onder andere gebruikt voor 'Internet over de kabel'. Kabelmodemsystemen, samen met ADSL technologie, hebben breedbandinternet voor particulieren mogelijk gemaakt. Voordat dit soort systemen beschikbaar waren, waren particulieren aangewezen op trage inbelverbindingen over het publieke telefoonnet. Een kabelmodem maakt een verbinding met een kabelmodemcontroller (CMTS) over het kabelnetwerk. De kabelmodemcontroller zendt een datastroom uit (downstream) die door meerdere kabelmodems (tot wel 1000) worden ontvangen. De kabelmodem filtert uit deze datastroom de data die voor de betreffende kabelmodem bedoeld is. Deze data valt uiteen in besturingsinformatie en de eigenlijke data voor de gebruiker. De data voor de gebruiker wordt doorgestuurd naar de datapoort van de modem, terwijl de besturingsinformatie wordt gebruikt om het verkeer van de modem naar de kabelmodemcontroller (upstream) te regelen. Als via de datapoort van de modem data van de gebruiker binnen komt, wordt de besturingsinformatie gebruikt om te bepalen wanneer deze data verder upstream gezonden mag worden. Wanneer meerdere kabelmodems tegelijk zouden zenden, dan zou de kabelmodemcontroller de data van de individuele modems niet meer uit elkaar kunnen houden. Omdat alle kabelmodems op een kabelmodemcontroller een bepaalde downstream- en upstreamcapaciteit delen, kan in bepaalde gevallen gedurende de drukke uren de snelheid teruglopen. Deze problemen kunnen zich ook bij ADSL en het telefoonnet voordoen. Alleen is hier het aantal gebruikers per groep hoger waardoor het minder waarschijnlijk is dat er problemen optreden. Door een goed ontwerp kunnen echter problemen worden vermeden. Apart van de gedeelde bandbreedte is dataveiligheid een mogelijk probleem. Omdat elke kabelmodem het verkeer voor 'de hele buurt' ontvangt zouden speciale kabelmodems het downstream verkeer van de buren kunnen afluisteren. Dit probleem is opgelost door gebruik te maken van versleuteling en andere cryptografische maatregelen. Het merendeel van de kabelmodems (sinds 2004) is gebaseerd op de (euro-)docsis standaard. De kabelmodem die gebruikt zal worden voor dit eindwerk is de WebSTAR DPC2100A van Scientific Atlanta. De voorkant van deze kabelmodem is voorzien van een aantal indicatieleds die aangeven hoe goed, en in welke stadium, de kabelmodem werkt. Figuur 6.6a: Voorkant van de kabelmodem

88 89 Functie van de leds: 1. PC: Vast groen van kleur als de Ethernet/USB aansluiting aanwezig is. Knippert wanneer Ethernet/USB-data verplaatst wordt tussen de PC en de kabelmodem. 2. CABLE: Vast groen van kleur als de kabelmodem geregistreerd is op het netwerk en volledig operationeel is. Knippert als: de kabelmodem aan het opstarten is en nog niet klaar is voor data; de kabelmodem het netwerk aan het scannen is en probeert te registreren; de kabelmodem de registratie met het netwerk verloren heeft. Het zal blijven knipperen tot dat hij opnieuw geregistreerd wordt. 3. SEND DATA: knippert als de kabelmodem data zend naar het kabelnetwerk. 4. RECEIVE DATA: knippert als de kabelmodem data ontvangt van het kabelnetwerk. 5. POWER: is vast groen om aan te tonen dat de kabelmodem gevoed wordt. Nadat de kabelmodem succesvol geregistreerd is op het netwerk, zullen de POWER en CABLE leds continue branden om aan te tonen dat kabelmodem online is en volledig operationeel is. De achterkant: Functie van de aansluitingen: Figuur 6.6b: Achterkant van de kabelmodem 1. 12V DC : verbindt de kabelmodem met de 12V DC -uitgang van de AC adapter die meegeleverd wordt met de kabelmodem. 2. RST: Reset-to-Default knop. 3. MAC Adres label: toont het MAC adres van de kabelmodem. 4. ETHERNET: een RJ-45 poort (Recommended Jack) verbindt de Ethernet poort op uw PC 5. USB: een 12Mbps USB poort verbindt de USB poort op uw PC 6. CABLE: een F-connector wordt verbonden met een actief kabelsignaal van uw kabel service verdeler. 6.7 DOCSIS Data Over Cable Service Interface Specification, ofwel DOCSIS, is een internationale standaard voor het transport van data over de kabel. De standaard specificeert zowel de data en managementinterfaces. De standaard wordt gezet door de Amerikaanse organisatie CableLabs (een consortium van kabelexploitanten) en deelnemende bedrijven ARRIS, BigBand Networks, Broadcom, Cisco, Conexant, Correlant, Intel, Motorola, Netgear, Terayon en Texas Instruments.