bussystemen hoofdstuk 2

2.3 Data overdracht
Een databus wordt gekenmerkt door de wijze waarop de data wordt verzonden. Dit wordt vastgelegd in een protocol. Een protocol is een afspraak over de manier van data overdracht, maar ook over snelheid (aantal bits per seconde), samenstelling van de telegrammen (aantal start, stop, databits enz.), elektrische grootheden enz. Er zijn vele protocollen vastgelegd, zowel voor seriële als parallelle transmissie. Bij parallelle transmissie, groeperen we de bits in woorden van 8/16/32/64 bits en versturen we die tegelijk over even zoveel draden. Deze methode is voornamelijk in computersystemen te vinden, omdat het niet praktisch is kabels met tientallen aders te gebruiken. Een uitzondering is de IEEE-488 bus, die veel gebruikt wordt bij meetapparatuur en meetsystemen op afstand. Verzenden we de bits achterelkaar over twee draden dan spreken we van een seriële bus.

Parallelle databus.
Een parallelbus bestaat uit een samenstel van meerdere parallel lopende geleiders. Elke geleider heeft zijn eigen functie. Heeft een parallelbus acht geleiders dan kan tegelijk 1 byte (=8 bit) verstuurd worden. Het voordeel is dat zeer snel data kan worden overgedragen. Hieruit volgt gelijk het toepassingsgebied van parallelle bussystemen. Een typisch voorbeeld is de interne bus in computers. Hierbij worden bijvoorbeeld 62 geleiders toegepast, 8 voor data, 20 voor adressen en de rest voor stuursignalen, voeding en massa. Voor lange afstanden zal een parallelbus zeer hoge kosten met zich meebrengen. Kabels voor parallelle communicatie zijn meestal niet langer dan enkele meters. Er is nog een andere reden dat deze bussen alleen voor korte afstanden worden gebruikt. Bij lange leidingen komen de bits die tegelijk verzonden worden niet altijd gelijk aan. Dit kan verwarring geven. Dat er bits zijn die langer over de afgelegde weg doen, komt door kleine afwijkingen in de impedantie van de kabeladers.
Stel dat we het getal 157 willen overzenden. In binaire vorm is dit een 8-bits code, namelijk: 10011101. We zenden dus 8 bits tegelijk over 8 draden.

Seriële databus.
Bij seriële communicatie sturen we de bits achter elkaar over dezelfde draad. Om aan te geven wanneer een woord begint en eindigt, worden er een aantal bits toegevoegd. Deze worden gebruikt als start- en stopbits. Ook kunnen er controle bits toegevoegd zijn om te controleren of het woord goed is overgekomen.
Bij seriële communicatie ondervinden alle bits steeds dezelfde vertraging. Hierdoor is de regelmaat van verzenden gelijk aan de regelmaat van ontvangen.
In de praktijk zijn de meeste verbindingen serieel. Ondanks dat de communicatie snelheid lager is dan bij parallelle communicatie, zijn de hoge kabelkosten doorslaggevend. Bij de meeste toepassingen is de transmissiesnelheid een belangrijke factor. Ook bij seriële verbindingen nemen de kosten toe naarmate de snelheid groter wordt. Dit komt omdat er hogere eisen aan de afscherming van de kabel aders moet worden gesteld naarmate de snelheid hoger wordt.

Voorbeeld:
Als een modem zendt met een bitsnelheid van 9600 bps en de data wordt verstuurd in pakketjes van 8 bits, dan komt de transmissiesnelheid overeen met 1200 baud.
Veel verbindingen werken met pakketjes van 1 bit, zodat de bit rate gelijk is aan de baud rate. Hierdoor worden in de praktijk de twee begrippen vaak door elkaar gehaald. Men zegt baud rate en bedoelt bit rate.

Een simplex-verbinding is een éénrichtingsverbinding tussen een zender en een ontvanger.
Voorbeeld: Het kabelnet voor radio en tv is (nog) simplex.

Bij half-duplex is er twee-richtingsverkeer mogelijk, maar niet tegelijk.
Voorbeeld: Een verbinding met een walkie-talkie is halfduplex. Als de zender is uitgesproken moet hij 'over' zeggen, zodat de ander weet dat hij kan gaan spreken.

Full-duplex is een twee-richtingsverbinding waarbij gelijktijdig zenden en ontvangen mogelijk is. Voorbeeld: Het telefoonnet is full-duplex, beide partijen kunnen tegelijk praten en luisteren. Dit door elkaar praten verhoogt niet de duidelijkheid.

Synchrone en asynchrone data-communicatie.
Als ontvanger de gegevens goed wil opnemen moet deze met dezelfde snelheid werken als de zender. Ook moet de ontvanger met dezelfde informatiepakketjes werken als de zender. Kortom zender en ontvanger moeten werken volgens hetzelfde protocol. In de praktijk kan er een verschil zijn in transmissiesnelheid van enkele procenten. Zender en ontvanger moeten daarom regelmatig op elkaar afgestemd worden. Voor het onderling afregelen van de snelheid worden twee methoden toegepast:

Asynchrone communicatie;
Bij asynchrone communicatie wordt elk informatie pakketje voorafgegaan door een startbit en afgesloten door één of twee stop bits. Bij elk startbit worden de klokken van de zender en ontvanger gelijk gezet. Tijdens het versturen van het data pakketje mogen de klokken best iets uit de pas lopen. Aan het einde worden de klokken toch weer gelijk gezet door de volgende startbit.

Synchrone communicatie;
Bij synchrone communicatie worden grote blokken data verzonden zonder start- en stopbits. De klokken van zender en ontvanger moeten dan ook zeer nauwkeurig gelijk lopen. Hiertoe worden tijdens het zenden synchronisatie codes meegezonden.
Iedere communicatieverbinding is gevoelig voor storingen. Deze kunnen worden veroorzaakt door stoorpulsen (bijv. bij het inschakelen van elektromotoren), ruis (hoogfrequente elektrische storingen), kortsluitingen enzovoorts. Vooral in besturingen kunnen fouten in de communicatie ernstige gevolgen hebben. In de praktijk blijkt dat gemiddeld een op de tien- tot honderdduizend bits niet goed wordt ontvangen. Dit lijkt weinig, maar bij de hedendaagse hoge snelheden zijn dat toch enkele fouten per seconde. Om te voorkomen dat er onaangename gevolgen ontstaan, zijn er verschillende detectie en correctie methoden ontworpen.

2.4 Transmissiemedia
Bij netwerken komen verschillende transmissiemedia voor. Elk type heeft zo zijn eigen specifieke kenmerken en eigenschappen. Deze kenmerken bepalen in grote lijnen het toepassingsgebied. Belangrijk hierbij is de transmissiesnelheid, de afstand die overbrugd moet worden en de kosten. De belangrijkste media zijn, elektrische stroom, licht en radiogolven.

Kabels voor elektrische signalen.
In veel gevallen bestaat data-communicatie uit het overzenden van elektrische signalen via een kabelverbinding. Een kabel bevat één of meerdere kopergeleiders, omgeven door isolatiemateriaal. Kabel soorten die in de elektrotechnische installaties worden toegepast zijn niet geschikt voor datacommunicatie. Deze kabels bieden geen bescherming tegen stoorsignalen uit de omgeving en zijn niet geschikt voor hogere frequenties. Voor data-communicatie zijn speciale kabels ontwikkeld die elk hun eigen toepassingsgebied hebben. Kabelsoorten die voor data-communicatie gebruikt worden zijn twisted-pair kabel. Bij deze kabel zijn de geïsoleerde aders paarsgewijs getwist en omgeven door een isolerende en beschermende buitenmantel. Het twisten van de aders maakt de kabel minder gevoelig voor elektromagnetische storingen.
Deze kabels zijn er in twee typen;
- Unshielded-Twisted-Pair (UTP);
- Shielded-Twisted-Pair (STP).

Unshielded-Twisted-Pair (UTP).
UTP-kabel UTP kabel kennen we ook als niet afgeschermde telefoonkabel. Het is een kabel die eenvoudig te produceren is en is daardoor relatief goedkoop. Bovendien is deze kabel geschikt voor zowel analoge als digitale signalen. Een nadeel is echter dat deze kabel relatief gevoelig is voor ruis, overspraak en interferentie. Een ander nadeel van twisted pair is dat de afstand die met dit soort kabel overbrugd kan worden relatief kort is. Bij grotere afstanden moet er van versterkers gebruik gemaakt worden.

Shielded-Twisted-Pair (STP).
Bij Shielded twisted pair zijn de getwiste aderparen afgeschermd met behulp van een metaalfolie of een gevlochten mantel van dunne koperdraadjes. Dit geeft een extra afscherming tegen elektromagnetische velden. De invloed van ruis wordt gereduceerd. Het installeren van dit type kabel is eenvoudig en vereist weinig kennis. Hoewel UTP veel goedkoper is, is STP toch aantrekkelijk geprijsd ten opzichte van andere media. Nadeel is dat de dikkere en zwaardere STP-kabel minder eenvoudig is aan te brengen dan de veel flexibeler UTP-kabel.
Bij een snelheid van 16 Mbit/sec. kan een redelijke afstand overbrugd worden.

Coaxiale-kabel
Coaxiale kabel (coax) bestaat uit een geïsoleerde draad, de zogenaamde kern, en een afscherming met buiten mantel. Bij de dikke coax-kabel (thick coax) bestaat de afscherming uit een cilindrische omhulling van koper of aluminium. Bij dunne coax-kabel (thin coax) is de afscherming gemaakt van gevlochten koperdraad. Tussen de kern en de afscherming is een diëlektricum aangebracht.
Thick coax wordt gebruikt in broadband-netten en ook in LAN's. Thin coax is vooral bekend als antenne kabel, maar wordt ook veel in LAN's gebruikt. Met thick coax kan een grotere afstand overbrugd worden dan met thin coax. De thin coax is daarentegen veel dunner en soepeler waardoor het eenvoudiger te monteren is. De impedantie van thin coax is 58 Ohm (RG 58), bij tick coax is deze 62 Ohm (Rg 62).
coax coax
Het voordeel van coax-kabel is dat de kern geheel door de mantel is afgeschermd tegen elektromagnetische velden. De gevoeligheid voor storingen van buitenaf is hierdoor veel minder. Door de hoge signaal/ruisverhouding en de grote bandbreedte is deze kabel geschikt voor hoge bitsnelheden. Door de lagere demping dan bij twisted-pair kunnen zonder versterking grotere afstanden overbrugd worden.
Nadeel van coax-kabel is dat het monteren van connectoren wat vakmanschap vereist. Bijzondere kabels
Voor sommige bus-toepassingen zijn specifieke kabels ontwikkeld. Zo zijn er kabels in de handel, die toegepast worden in netwerken voor productieautomatisering en gebouw beheersystemen.
Voorbeelden hiervan zijn kabels voor:
- AS-i-bus
- EIB

Glasvezel kabel
Een glasvezelkabel (fiber optic) bestaat uit één of meer glasvezels. Elke vezel bestaat uit een kern en een mantel, gemaakt van zeer zuiver kwartsglas. De brekingsindex van de kern is groter dan die van de mantel, hierdoor blijft het licht in de kern gevangen. Deze kabel is uitermate geschikt om infrarood licht te geleiden. De bandbreedte van infrarood licht is groot, zodat zeer hoge bitsnelheden mogelijk zijn. Voordeel van dit type kabel is, dat deze zeer geschikt is voor digitale signalen. De kabel is ongevoelig voor elektromagnetische stoorsignalen, ook is er geen overspraak tussen de verschillende kernen mogelijk. De kabel is niet gevoelig voor blikseminslag. Door de lage demping kunnen de signalen over zeer grote afstanden worden getransporteerd zonder versterking. Nadeel van glasvezel is dat, het lassen van glasvezels en het aansluiten van de kernen op connectoren nog steeds de nodige vaardigheid en kennis vereist. Voor het afwerken en controleren van glasvezelkabel is speciaal gereedschap in de handel. Een ander nadeel is dat een datanet uitgevoerd in glasvezel nog steeds erg duur is. Glasvezel wordt daarom daar toegepast waar hoge snelheden een absolute noodzaak is, zoals in backbones. Een backbone is een verbinding tussen verschillende netwerken of een hoofdverbinding in een netwerk. coax
Bij glasvezel onderscheiden we drie typen:
-Stepindex multimode
-Stepindex monomode
-Gradedindex multimode

Stepindex multimode
De stepindex multimode glasvezel heeft een relatief grote kerndoorsnede waardoor meerdere lichtstralen onder verschillende hoeken de kabel kunnen binnen treden. Hierdoor onstaat er verstrooiing van licht in de kern. Bij digitale signalen heeft dit tot gevolg dat een signaalpuls aan het einde van de kabel breder is dan de verzonden signaalpuls. Met het gevolg dat een beperkte bandbreedte mogelijk is (ongeveer 200 MHz.). De demping van de kabel ligt in de ordegrootte van 10 tot 50 dB/km.

Stepindex monomode
De stepindex monomode glasvezel heeft een dunnere kern dan de stepindex multimode glasvezel. De lichtstralen kunnen daardoor slechts recht de kabel binnentreden. Hierdoor ontstaat er in de kabel geen verstrooiing van het licht, en treedt er geen pulsverbreding op. Hierdoor is de kabel zeer geschikt voor het transporteren van digitale signalen. Bij dit type kabel is de bandbreedte 3 tot 50 GHz en de demping varieert van 0,2 tot 2 dB/km.

Gradedindex multimode
De gradedindex multimode kabel heeft een kern waarvan de brekingsindex van binnen naar buiten afneemt. Het gevolg is dat het ingestraalde licht ook afbuigt. De afstand die een lichtstraal langs de randen aflegt is groter dan de afstand van de lichtstraal die door het hart van de kern gaat. Daar staat tegenover dat de brekingsindex van het glas in het hart groter is. Door de lagere brekingsindex zal de snelheid van het licht langs de randen groter zijn dan in het hart van de kern. Ook bij dit type kabel treedt geen pulsverbreding op. Bij dit type kabel is de bandbreedte 200 MHz tot 3 GHz en de demping van 7 tot 15 dB/km.

Draadloze communicatie
In sommige gevallen is het onmogelijk of zeer kostbaar om kabels te gebruiken. Dit komt bijvoorbeeld voor bij bewegende delen van machines of in zeer uitgestrekte installaties. In deze gevallen kunnen we gebruik maken van draadloze communicatieverbindingen. Waarbij de transmissie, bijvoorbeeld door infrarood licht of radiografisch plaats vindt De transmissie snelheden zijn hierbij echter laag.

2.5 Samenvatting

1	In welke groepen worden bussystemen onderverdeeld.
2	Noem de zeven verschillende topologieën?
3	Teken eens chema van elke topologie.
4	Wat is het kleinste netwerk en wat het grootste?
5	Als alle eenheden via rechtstreekse verbindingen aangesloten zijn op één centrale eenheid, over welk soort netwerk hebben we het dan?
6	Welke topologie komt nogal kwetsbaar over?
7	Welke topologie(ën) kunnen tot aanzienlijke kostenbesparing leiden?
8	Een modem zendt met een snelheid van 33k6 bps. De data wordt verzonden in pakketjes van 8 bits. Wat is hierbij de baud-rate?
9	Noem twee voorbeelden van een simplex verbinding.
10	Is de communicatie tussen een leraar en de klas een simplex, half duplex of full duplex.
11	Wat zijn de gevolgen van full duplex communicatie in een groep mensen?
12	Welke communicatie vorm wordt er in een goede vergadering gehanteerd?
13	Wat verstaat men onder een protocol?
14	Welke principeverschillen bestaan er tussen de parallelle en de seriële databus?
15	Hoe kan de transmissiesnelheid aangegeven worden?
16	Noem vijf transmissie kabels met koperkernen en geef het toepassingsgebied aan.
17	Welke drie manieren worden er onderscheiden vanwege de richting waarin informatie wordt verstuurd?
18	Bij welke communicatievorm wordt gebruik gemaakt van start- en stopbits?
19	Wat is het verschil tussne UTP en STP?
20	Wanneer hanteert men coaxiale kabel?
21	Wat is glasvezelkabel?
22	Noem drie typen glasvezelkabels een geef de eigenschappen en toepassingsgebied van elk type aan.
23	Wanneer maakt men bij voorkeur gebruik van glasvezelkabels?
24	Wat verstaat men in Amerika onder de topology van een netwerk?
25	Welke drie fysische componenten hanteert men bij Network Topologies?