Workshop společných aktivit VUT a VŠ TUO při vytváření...

VŠB – Technická univerzita Ostrava

Workshop společných aktivit VUT a VŠB-TUO při

vytváření obsahu a náplně odborných

akreditovaných kurzů ICT – EDU ICT 2013

Téma workshopu:

MULTIMÉDIA a POKROČILÉ KOMUNIKAČNÍ

TECHNOLOGIE

22.4.2013

Editoři: Miroslav VOZŇÁK a Vladislav ŠKORPIL

Workshop Společných aktivit VUT a VŠB-TUO při vytváření obsahu a náplně odborných

akreditovaných kurzů ICT - EDU ICT 2013

© Miroslav Vozňák a Vladislav Škorpil

Tento workshop je podporovaný projektem č. CZ.1.07/2.2.00/28.0062 ”Společné aktivity

VUT a VŠB-TUO při vytváření obsahu a náplně odborných akreditovaných kurzů ICT

Workshop Společných aktivit VUT a VŠB-TUO při vytváření obsahu a náplně odborných

akreditovaných kurzů ICT - EDU ICT 2013

VŠB-Technická univerzita Ostrava,

17. listopadu 15, 708 33 Ostrava-Poruba, Česká republika

Katedra telekomunikační techniky, Fakulta elektrotechniky a informatiky

Autoři: kolektiv autorů

První publikování: Ostrava, 2013, 1. edice

Počet strán: 144

Vydavatel: VŠB-Technická univerzita Ostrava

Náklad: CD-ROM

Neprodejné

ISBN 978-80-248-2962-3

Př edmluva

Workshop “Společných aktivit VUT a VŠB‐TUO při vytváření obsahu a náplně odborných

akreditovaných kurzů ICT – EDU ICT 2013“ byl odborně zaměřen na

MULTIMÉDIA a POKROČILÉ KOMUNIKAČNÍ TECHNOLOGIE

a proběhl dne 22.4.2013 za účastí řešitelů projektu OP VK číslo CZ.1.07/2.2.00/28.0062 z VŠB-TUO a VUT. Přednášky mezi pracovišti na VŠB-TUO a VUT byly přenášeny videokonferenčně a znalosti získané na workshopu byly ověřeny testem. Na závěr bychom chtěli poděkovat aktivně prezentujícím za jejich příspěvky, dále všem účastníkům workshopu za diskuzi k příspěvkům i věcné připomínky a těšíme se na další setkání. Sborník je on-line dostupný na stránkách projektu: http://ktto.vsb.cz/opvk/opvk_workshop.pdf

Miroslav Voznak

Kolektiv recenzentů

doc. Ing. Dan Komosný, Ph.D.

doc. Ing. Jaroslav Zdrálek, Ph. D.

doc. Ing. Karel Burda, CSc.

doc. Ing. Jan Ţídek, CSc.

doc. Ing. Jiří Mišurec, CSc.

doc. Ing. Miroslav Vozňák, Ph. D.

doc. Ing. Pavel Šteffan, Ph.D.

doc. Ing. Václav Zeman, Ph.D.

doc. Ing. Vít Novotný, Ph.D.

doc. Ing. Vladislav Škorpil, CSc.

Dr. Ing. Libor Gajdošík

Ing. Jan Jeřábek, Ph.D.

Ing. Jan Skapa, Ph. D.

Ing. Jaroslav Koton, Ph.D.

Ing. Libor Michalek, Ph. D.

Ing. Marek Dvorský, Ph. D.

Ing. Michal Kubíček, Ph.D. UREL,

Ing. Pavel Šilhavý, Ph.D.

Ing. Petr Číka, Ph.D.

Ing. Petr Machník, Ph. D.

Ing. Přemysl Mer, Ph. D.

Ing. Radim Číţ, Ph.D.

Ing. Roman Šebesta, Ph. D.

Ing. Zdeňka Chmelíková, Ph.D.

prof. Ing. Eva Gescheidtová, CSc.

prof. Ing. Ivan Zelinka, Ph.D.

prof. Ing. Kamil Vrba, CSc.

prof. Ing. Miloslav Filka, CSc.

prof. Ing. Pavel Nevřiva, DrSc.

prof. Ing. Stanislav Hanus, CSc.

prof. Ing. Zdeněk Smékal, CSc.

prof. RNDr. Vladimír Vašinek, Csc,

Wořkshop spolec ný ch aktivit VUT a VŠ B-TUO př i výtva ř ení obsahu a na plne odbořný ch akředitovaný ch kuřzu ICT -

EDU ICT 2013

Obsah

Zavádění simulačního programu OPNET IT Guru do výuky předmětu Pokročilé

komunikační techniky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Ing. Lukáš Langhammer, Ing. Jan Jeřábek, Ph.D.

Výuka zabezpečovacích systemů na VUT v Brně . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

doc. Ing. Karel Burda, CSc.

Vývoj videokonferenčních aplikací na platform RADVISION IVP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Ing. Petr Číka, Ph.D.

Radiokomunikační technika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Ing. Marek Dvorský, Ph. D.

Výuková souprava pro přenos binárních signal přes jednovidové a mnohovidové

optické vlákno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Prof. Ing. Miroslav Filka, CSc.

Automaty ...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Ing. Zdeňka Chmelíková, Ph.D. doc. Ing. Jaroslav Zdrálek, Ph. D.

Vlastnosti zapojení se společným emitorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Dr. Ing. Libor Gajdošík

Fourierovy transformace ...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Ing. Jan Skapa, Ph. D.

Využití prototypové platformy ELVIS II a modulárních prostředků na bázi systému

PXI pro demonstraci genero-vání a analýzy digitálně modulovaných signálů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

doc. Ing. Jan Ţídek, CSc., Ing. Radek Martínek

Propojení ústředen Asterisk pomocí nástroje OpenVPN v předmětu VoIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

Ing. Filip Řezáč, doc. Ing. Miroslav Vozňák, Ph.D.

Statické a Dynamické Směrování Pomocí Open Source Projektu Quagga ...... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

Ing. Pavel Nevlud, doc. Ing. Jaroslav Zdrálek, Ph.D.

Úzkopásmové PLC – datový kanál pro systémy AMM/AMR v energetice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

doc. Ing. Jiří Mišurec, CSc.

Nulová Konfigurace neboli Autokonfigurace v Síti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

Ing. Pavel Nevlud, doc. Ing. Jaroslav Zdrálek, Ph.D.

Kontrola radiového spojení v systému GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

Ing. Roman Šebesta, Ph.D.

Laboratorní výuka pobočkových ústředen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

Ing. Pavel Šilhavý, Ph.D.

Využití výukového systému v laboratořích předmětu Přístupové a transportní sítě . . . . . . . . 123

doc. Ing. Vladislav Škorpil, CSc., Ing. Josef Jeřábek, Ph.D.

Technologie Any Transport over MPLS v rámci výuky předmětu Širokopásmové sítě . . . . 131

Ing. Petr Machník, Ph.D.

Úvod do správy komunikačních systémů pomocí MML jazyka AMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

doc. Ing. Miroslav Vozňák, Ph.D. ,Ing. Filip Řezáč,

Zavádění simulačního programu OPNET IT Guru do

výuky předmětu Pokročilé komunikační techniky

Lukáš Langhammer, Jan Jeřábek

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně, Technická 12, 616 00 Brno

Email: [email protected], [email protected]

Abstract. Tento článek pojednává o zavádění programu OPNET IT Guru jenž

slouží pro simulaci síťového prostředí do výuky předmětu Pokročilé komuni-

kační techniky a poskytuje tak studentům možnost snazšího pochopení síťové

problematiky. V úvodu jsou popsány cíle a zařazení předmětu do studijního

programu. Následuje základní popis simulačního programu OPNET IT IT Guru.

Následující kapitola je věnována popisu jednotlivých laboratorních úloh simu-

lovaných za pomocí tohoto programu.

Keywords: OPNET IT Guru, simulace síťového prostředí, pokročilé komuni-

kační techniky

1 Úvod

1.1 Zařazení a cíle předmětu Pokročilé komunikační techniky

Nejprve by bylo vhodné uvést několik slov, aby čtenář přišel do povědomí s cíli

a zařazením předmětu [1]. Předmět Pokročilé komunikační techniky je povinným

předmětem oboru Telekomunikační a informační technika, který je ohodnocen 6-ti

kredity a zařazen do prvního ročníku navazujícího magisterského studijního programu

Fakulty elektroniky a komunikačních technologií Vysokého učení technického v Br-

ně.

Cílem předmětu je poskytnout studentům ucelený přehled pokročilých komunikač-

ních technik zejména na úrovní síťové vrstvy, v distribuovaných systémech a dále

nahlédnout do specifických problematik jako je paralelní zpracování dat, systémy či

operační systémy. Předmět slouží k prohloubení znalosti základních síťových modelů,

zejména TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol), síťové a trans-

portní vrstvy a překladu adres. Předmět dále detailně popisuje problematiku IPv6

(Internet Protocol verze 6), multicastu, protokolů pro zálohování prostředků, auto-

nomních systémů, BGP (Border Gateway Protocol) protokolu, peeringu, multihomin-

gu, či obecně oblast komunikace mezi aplikacemi.

mailto:[email protected]

1.2 Popis simulačního programu OPNET IT Guru

Program OPNET IT Guru je volně šiřitelná verze prostředí OPNET, který nám

zprostředkovává vytváření a simulace síťového provozu a usnadňuje uživateli pocho-

pení základních problematiky síťové infrastruktury [2]. Tento program pokrývá

všechny vrstvy referenčního síťového modelu OSI/ISO (International Standard Orga-

nization/Open System Interconnection), resp. TCP/IP. Poskytuje virtuální síťové pro-

středí sloužící pro modelování chování a diagnostiku problematiky sítí zahrnující

různé typy směrovačů, přepínačů, serverů, koncových zařízení atd. Dále umožňuje

propojovat jednotlivé prvky pomocí různých technologií od 10BaseT po 1000BaseX

přes ATM (Asynchronous Transfer Mode) a Frame Relay až po linky typu PPP (point

to point) a detailní nastavení jednotlivých aplikací, včetně možnosti řídit parametry

kvality služeb (QoS = Quality of Services). Umožňuje zaznamenávat a vyhodnocovat

velké množství různorodých statistik, jak z pohledu simulace globálních, tak na kon-

krétním prvku či lince sítě. Velice výhodné je, že lze v rámci jednoho projektu vytvo-

řit více scénářů, díky kterým můžeme výsledky mírně či více odlišných podmínek

v síti jednoduše porovnat, popřípadě tímto způsobem srovnávat rozličné technologie

či jejich podvarianty.

2 Popis laboratorních úloh

2.1 Srovnání transportních protokolů TCP a UDP

První úloha spočívá ve srovnání dvou základních protokolů transportní vrstvy [3].

Prvním z těchto protokolu je TCP (Transmission Control Protocol), který je spojově

orientovaný a spolehlivý tzn., že před samostatným přenosem navazuje spojení a po

doručení dat spojení opět ukončuje, zaručuje spolehlivé doručení dat k cíli a dále

zajišťuje, že data budou doručena ve správném pořadí. Umožňuje také řízení toku dat.

Protokol TCP je vhodný pro přenos souborů nebo dokumentů po internetu, kdy potře-

bujeme zajistit, že data budou doručena k cíli. Druhý z těchto protokolů je protokol

UDP (User Datagram Protocol). Na rozdíl od TCP je spojově neorientovaný a nespo-

lehlivý, což znamená, že nezaručuje, že se přenášený datagram neztratí nebo nebude

doručen vícekrát, ani nezaručuje správné pořadí datagramů. Tento protokol je vhodný

pro časově kritické aplikace jako je přenos hlasu, videa nebo onlinové hry a dále pro

protokoly, kde se přenášená zpráva vejde do jednoho paketu.

Samotná úloha se skládá ze tří úkolů. Prvním úkolem je vytvoření základní topolo-

gie simulované sítě a provedení nastavení jednotlivých komponent. Studenti si nade-

finují vlastní síťový provoz a vytvoří dva scénáře, jeden je nakonfigurován tak, aby

pro datový přenos v síti používal transportní protokol TCP a druhý scénář pak proto-

kol UDP. Na obrázku 1 je možné vidět statistiku, ze které je možné vypozorovat, že

pro scénář, v němž byl pro přenos použit protokol TCP (modrý průběh), potřebuje

k přenosu shodného objemu dat delší dobu, než je tomu v případě UDP (červený prů-

běh), což je zapříčiněno vlastnostmi protokolu TCP jako je navazování a potvrzování.

Druhý úkol slouží pro porovnání chování těchto protokolů v případě, když je nastave-

no navazování spojení při každém jednotlivém přenosu dat. Ve výsledku je patrné, že

zatímco u UDP scénáře s nastavením navazování nového spojení nedošlo k žádné

změně, protože u tohoto protokolu nedochází k navazování a ukončování spojení, u

TCP protokolu dochází k prodloužení doby přenosu, což je dáno navazováním spojení

během každého dílčího přenosu. Poslední úkol nám slouží pro srovnání těchto proto-

kolů, kdy v síti dochází k zahazování 5 % posílaných paketů. Z tohoto úkolu je možné

vypozorovat rozdíly, jakým způsobem přistupují tyto protokoly ke ztrátě paketů. Za-

tímco v případě protokolu UDP došlo ke snížení přenosu o dané procento zahozených

paketů, u protokolu TCP, který je opatřen mechanismem pro opětovné zasílání ztra-

cených dat, došlo k výraznému snížení přenosu jako důsledek opětovného zasílání

ztracených paketů.

Obr. 1. Srovnání odeslaných dat u protokolu TCP a UDP

2.2 Srovnání směrovacích protokolů RIP a OSPF

Druhá úloha srovnává směrovací protokoly RIP (Routing Information Protocol)

a OSPF (Open Shortest Path First) [4]. Směrovače podle záznamu ve směrovací ta-

bulce rozhodují, kterým ze svých rozhraní paket odešlou. Směrovací tabulky se vytvá-

řejí staticky, nebo dynamicky, pomocí směrovacích protokolů jako např. RIP a OSPF.

RIP určuje směr podle počtu směrovačů na cestě k cíli (počet skoků). Směrovače

každých 30 sekund rozesílají svým sousedům informace ze svojí tabulky. U OSPF

každý směrovač rozesílá informace o topologii svého okolí všem ostatním směrova-

čům a tak je každý směrovač schopen vytvářet si svoji znalost o topologii sítě. Na

základě znalosti topologie a metrik (šířka pásma, zpoždění, zabezpečení atd.) jednot-

livých spojů je vybrána nejvýhodnější cesta. Sítě využívající pro směrování OSPF lze

rozdělit do tzv. oblastí. Směrovačům je pak známá topologie pouze vlastní oblasti,

informace z ostatních oblastí je jim zprostředkována směrovači na hranici oblastí.

Úloha je opět rozdělena na tři úkoly. V prvním úkolu se opět vytvoří základné to-

pologie sítě, kterou je možno vidět na Obr. 2, jenž je pak používaná i ve všech ostat-

ních scénářích. Tento úkol slouží ke srovnání dvou scénářů, kdy je jeden nakonfi-

gurován tak, aby používal směrovací protokol RIP a druhý RIPv2. Ve výsledku je

možné srovnat tyto dvě verze protokolu RIP z hlediska toho, že u první verze proto-

kolu směrovací tabulky neobsahují záznamy o masce dané sítě a tak by docházelo k

problémům s doručením paketů v případě beztřídního adresování. Dále je možné

porovnat zátěž, která je zvýšená u verze 2 v důsledku obsáhlejších směrovacích tabu-

lek, kde se přenášejí i informace o masce sítě a detailních komponentách. Následující

úkol spočívá v simulaci této sítě, kdy je pro směrování v síti použito protokolu OSPF

a jsou sledovány rozdíly mezi směrování v síti bez nastavených oblasti a sítí, která je

nakonfigurována na 3 různé oblasti. Z výstupů je možné například vypozorovat, že

směrovací tabulky jednotlivých směrovačů mají různou velikost, kdy v případě bez-

oblastního směrování obsahují záznamy o celé síti a při oblastním směrováním pouze

adresy směrovačů v dané oblasti. Dále je možno porovnat dobu potřebnou pro sesta-

vení směrovacích tabulek pro protokol RIP a OSPF nebo srovnat výběr cesty bezob-

lastního a oblastního směrování u protokolu OSPF. V posledním úkolu se sleduje

chování protokolu OSPF při výpadku zvolené linky, kdy je ze statistik patrná zvýšená

zátěž v časech, kdy došlo k výpadku a obnově linky a směrovací tabulky se musely

aktualizovat.

Obr. 2. Topologie úlohy Srovnání směrovacích protokolů RIP a OSPF

2.3 Základní konfigurace protokolu BGP

Internet je propojením jednotlivých AS (autonomní systémy), které umožňují roz-

dělení internetu na menší části, jenž mají svoji vnitřní směrovací strategii. Protokol

BGP (Border Gateway Protocol) [5] je navržen pro vzájemnou výměnu směrovacích

informací mezi AS za pomocí tzv. brán, které jsou pověřeny předáváním směrovacích

informací ven z AS. Protokol BGP se dělí na iBGP (směrování v rámci jednoho AS)

a eBGP (směrování mezi AS). Protokol se rozhoduje o směrování nejen na základě

vzdálenosti, rychlosti linky, počtu skoků atd., ale také dalších pravidel, jako je skupi-

na administrátorem definovaných pravidel (váha, místní preference, výstupní diskri-

minátor), seznamu průchozích AS atd.

V této úloze si studenti prohloubí znalost směrování mezi jednotlivými auto-

nomními systémy. Prvním úkolem je vytvořit síť skládající se ze tří autonomních

systému v oblasti střední Evropy. Úloha umožňuje srovnání směrovacích tabulek jak

mezi jednotlivými AS tak i v rámci jednoho AS a srovnání protokolu BGP použitého

pro směrování v rámci různých AS a protokolu RIP použitého ke směrování v rámci

jednoho autonomního systému. Na Obr. 3 je směrovací tabulka jednoho ze směrova-

čů, ve které vidíme, jaké směrovací protokoly jsou pro které sítě používány. Následu-

jící částí je přidání dalšího autonomního systému a úpravy směrovacích informací,

aby bylo umožněno směrování v rámci sítě vytvořené v prvním kroku a nového AS.

Závěrem úlohy je samostatný úkol, jenž spočívá v přidání dalšího AS do stávající sítě.

Obr. 3. Směrovací tabulka vybraného směrovače v simulované síti

2.4 Parametry LOCAL_PREF a MED u BGP protokolu

Poslední úloha navazuje na předcházející úlohu s protokolem BGP a zaměřuje se

na vybrané typy atributů protokolu BGP a to jmenovitě atributy lokální preference

(LOCAL_PREF) a výstupního diskriminátoru (MED = Multi Exit Discriminator).

Parametr lokální preference slouží k preferování cest od určitých AS, jinými slovy

ovlivňuje provoz ven ze sítě. Parametr přenášen v iBGP zprávách a preference vždy

souvisí s konkrétní NLRI (Network Layer Reachability Information), která obsahuje

atributy cesty. Výstupní diskriminátor ovlivňuje směrování dovnitř konkrétního AS,

v případě že sousední AS respektuje tento parametr. Používá se při propojení dvou

AS ve více bodech. Tento parametr je přenášen pouze v eBGP zprávě a pouze do

sousedního AS.

Opět jako v předchozí úloze jde o simulaci vytvořené topologie spojující několik

autonomních systémů a zaměřuje se na úpravy směrování pomocí atributů routy po-

mocí atributů lokální preference a výstupního diskriminátoru. Nejdříve je vytvořena

samotná topologie, bez nastavení daných parametrů. Jakým způsobem dochází ke

směrování v síti zobrazují výstupní statistiky, které nám zobrazují objem přenosů na

vybraných linkách. Další krok spočívá v úpravě nastavení směrovačů v síti pomocí

atributu MED tak, aby provoz v síti probíhal dle zadání úlohy. Výsledné propustnosti

linek je možné vidět na Obr. 4 a 5, kdy grafy na levé straně zobrazují provoz do dané-

ho AS a grafy na pravé straně provoz ven z AS. Jak je patrné při nastavení parametru

MED, je při provozu ven z AS preferována stejná linka jako pro provoz do AS v zá-

vislosti na nastavení tohoto parametru. V následující části úlohy dochází k úpravě

topologie sítě a opět je provedeno srovnání, jakým způsobem dochází v síti ke směro-

vání bez nastavených parametrů směrovacího protokolu BGP a s použitím atributu

lokální preference. V závěru je opět samostatný úkol spočívající v nakonfigurování

provozu v síti podle zadání.

Obr. 4. Propustnosti vybraných linek bez nastavených parametru lokální preference

Obr. 5. Propustnosti vybraných linek při nastavení parametru lokální preference

3 Závěr

Navržené čtyři laboratorní úlohy [6], [7] v prostředí IT Guru umožňují studentům

vyzkoušet si práci s tímto simulačním prostředím, ověřit si chování jednotlivých pro-

tokolů, porovnat jejich vlastnosti či prakticky si ověřit význam jednotlivých nastavení

a parametrů těchto protokolů. Tři ze čtyř úloh jsou zaměřeny na směrovací protokoly,

kterým je v rámci tohoto předmětu věnována velká pozornost. Na konci každé úlohy

jsou doplňující otázky, na které by měl student být schopen odpovědět, popřípadě

samostatný úkol, spočívající v další konfiguraci sítě. Na základě získaných znalosti

vytváří studenti samostatný projekt, jenž je shrnutím jednotlivých úloh.

Poděkování

Výstup vznikl v rámci projektu OP VK číslo CZ.1.07/2.2.00/28.0062, Společné ak-

tivity VUT a VŠB-TUO při vytváření obsahu a náplně odborných akreditovaných

kurzů ICT.

Literatura

1. Detail předmětu Pokročilé komunikační techniky. Dostupné online, citováno 24.3.2013.

http://www.feec.vutbr.cz/studium/stud_programy.php.cz.

2. Basic of OPNET IT Guru Academic Edition. Dostupné online, citováno 24.3.2013.

http://people.cs.missouri.edu/~zengw/courses/CS4850/Lab_Introduction.pdf

3. Forouzan, B. A. TCP/IP protocol suite, čtvrté vydání. Boston: McGraw-Hill Higher Edu-

cation, 2010.

4. Peterson, L. L., Bruce S. D. Computer networks: a systems approach, páté vydání. Bur-

lington: Morgan Kaufmann, 2011.

5. Conlan, P. J., Cisco network professional´s advanced intenetworking guide, Wiley Pu-

blishing, Hoboken (USA), 2009.

6. KASPER, R. Laboratorní úlohy v prostředí OPNET pro předmět Komunikační technolo-

gie. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních tech-

nologií, 2012. 165 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Jan Jeřábek, Ph.D..

7. MIKULECKÝ, M. Laboratorní úlohy v prostředí OPNET pro předmět Pokročilé komuni-

kační techniky. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komuni-

kačních technologií, 2012. 92 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Jan Jeřábek, Ph.D..

Výuka zabezpečovacích systémů na VUT v Brně

Karel Burda

Technická 12, 612 00 Brno

[email protected]

Abstract. Článek popisuje obsah výuky problematiky zabezpečovacích systé-mů na Fakultě elektrotechniky a komunikačních systému Vysokého učení tech-nického v Brně. Dále jsou v článku popsány formy a obsah výuky a způsob hodnocení studentů. Součástí článku je také stručný popis laboratorních úloh.

Keywords. Zabezpečovací systémy, výuka, laboratorní úloha.

1. Úvod

Na Fakultě elektrotechniky a komunikačních systému Vysokého učení technického v Brně se v rámci bakalářského studia oboru Teleinformatika vyučuje předmět Za-bezpečovací systémy. Cílem předmětu je seznámit studenty s problematikou zabezpe-čování majetku.

Cílem tohoto článku je seznámit akademické pracovníky vysokých škol i širší ve-řejnost s formami výuky a způsobem hodnocení studentů v předmětu Zabezpečovací systémy. Součástí článku je také stručný popis laboratorních úloh

2. Výuka předmětu Zabezpečovací systémy

Předmět Zabezpečovací systémy je vyučován ve 3. ročníku bakalářského studia oboru Teleinformatika v rozsahu 26 hodin přednášek a 26 hodin laboratorních cviče-ní. V rámci předmětu studenti vypracovávají projekt, v jehož rámci navrhnou a zpra-cují dokumentaci elektrického zabezpečovacího systému pro hypotetický objekt. Vy-pracování projektu je podmínkou pro udělení zápočtu.

Struktura přednášek je následující: 1. Úvod do předmětu. 2. Elektrické zabezpečovací systémy (EZS). 3. Čidla EZS. 4. Perimetrické zabezpečovací systémy. 5. Kamerové dohledové systémy. 6. Elektrická požární signalizace. 7. Přístupové systémy. 8. Biometrické zabezpečovací systémy.

9. Ochrana zboží. 10. Ochrana hudby a programů. 11. Platební elektronické systémy. 12. Detektory nebezpečných látek a kovů.

Nyní si popíšeme podrobněji obsah jednotlivých přednášek. V úvodní přednášce jsou studenti seznámeni s jednotlivými typy zabezpečovacích systémů, s jejich úče-lem a principy fungování. V této přednášce jsou rovněž definovány a vysvětleny zá-kladní pojmy používané v oboru zabezpečovacích systémů.

Druhá přednáška je věnována elektrickým zabezpečovacím systémům (EZS). Stu-denti jsou metodou systémového přístupu seznámeni s jednotlivými prvky systémů EZS, s architekturou systémů EZS a s fungováním těchto systémů. Druhá polovina přednášky je věnována popisu standardů souvisejících s návrhem systémů EZS, me-todice návrhu EZS a dokumentaci potřebnou pro budování systémů EZS.

Třetí přednáška je zaměřena na čidla pro systémy EZS, speciálně na interiérová a předmětová čidla. Studenti jsou zde seznámeni s fyzikálními principy využitými u jednotlivých typů čidel, s jejich konstrukcí, výhodami i nevýhodami. Hlavní pozor-nost je věnována interiérovým čidlům typu PIR, US a MW. Z předmětových čidel se přednáška zabývá zejména čidly pro detekci tlaku a tahu.

Ve čtvrté přednášce jsou studenti seznámeni s problematikou ochrany exteriéru a perimetru. Pozornost je věnována ochraně perimetru budov (detektory tříštění skla a detektory vibrací) a ochraně exteriéru (laserové a mikrovlnné skenery, venkovní de-tektory PIR a kamerové systémy s detekcí pohybu v obraze). Studenti se rovněž se-známí s ochranou perimetru pozemku. Jedná se o zemní typy detektorů (nášlapná optická vlákna, seismografy a štěrbinové koaxiální kabely), o přehradové detektory (laserové a mikrovlnné závory) a o plotové detektory (plotové kabely nebo detektory RFID s akcelerometrem).

Pátá přednáška je věnována kamerovým dohledovým systémům. Studenti se zde seznámí se základními prvky, architekturou a typy kamerových sledovacích systémů. V dalším jim jsou vysvětleny fyzikální principy a způsoby fungování jednotlivých prvků. Rovněž se seznámí s používanými technikami zdokonalení obrazu i detekce pohybu v obraze.

Šestá přednáška je zaměřena na systémy elektrické požární signalizace (EPS). Stu-denti jsou zde metodou systémového přístupu seznámeni s jednotlivými prvky systé-mů EPS, s architekturou systémů EPS a s fungováním těchto systémů. Velká pozor-nost je věnována vysvětlení fyzikálních principů jednotlivých typů hlásičů a také popisu samohasících zařízení.

Tématem sedmé přednášky jsou přístupové systémy. V prvé části přednášky jsou studenti seznámeni s teorií řízení přístupu a ve druhé části jim jsou vysvětleny centra-lizované a decentralizované systémy řízení přístupu, jejich základní prvky a jejich architektura. Na závěr jsou seznámeni s autentizačními metodami založenými na zna-losti a na vlastnictví předmětu.

Osmá přednáška volně navazuje na předchozí. Opět se jedná o řízení přístupu, ale autentizační metody jsou zde založeny na biometrice. V rámci přednášky jsou studen-tům vysvětleny fyzikální principy a vlastnosti nejvíce používaných technik biometric-

ké autentizace. Jedná se především o techniky založené na otisku prstu, na skvrnách duhovky, na cévním řečišti prstu, ruky a sítnice a na geometrii ruky.

Devátá přednáška je věnována ochraně zboží. Jsou zde vysvětleny základní metody ochrany zboží a pozornost je zde zejména věnována metodě založené na etiketách. V přednášce jsou studenti seznámeni s fyzikálním principem a s provozními vlast-nostmi v praxi používaných systémů ochrany zboží. Konkrétně se jedná o elektro-magnetické, akusto-magnetické a rádiové systémy. Závěr přednášky je věnován za-bezpečení automobilů.

Desátá a jedenáctá přednáška se zabývají zabezpečením nehmotného majetku. V desáté přednášce jsou studenti seznámeni s ochranou autorských děl. Jsou jim vy-světleny metody založené na steganografii i kryptografii a jsou seznámeni se systémy založenými na síťových i lokálních ochranách.

Tématem jedenácté přednášky jsou platební elektronické systémy a elektronické dokumenty. Po krátkém úvodu do kryptografie jsou studentům vysvětleny různé pla-tební systémy podle použitého terminálu (telefon, počítač, bankomat a obchodní ter-minál). Dále jsou seznámeni s předměty používanými k zabezpečení transakcí (pamě-ťové karty, procesorové karty a bankovní kalkulátory). Závěrečná část je věnována elektronickým dokumentům a jejich bezpečnosti.

Poslední, dvanáctá, přednáška pojednává o detekci nebezpečných předmětů a látek. Zde jsou studenti seznámeni s fyzikálními principy používanými k detekci kovových zbraní a se zařízeními pro detekci zbraní. Dále jsou jim vysvětleny fyzikální principy a systémy používané k detekci předmětů ukrytými pod oděvem osob nebo v jejich zavazedlech. Na závěr se studenti dozví na jakých principech fungují systémy pro detekci nebezpečných látek jako jsou radioaktivní materiály, výbušniny a drogy.

Všech dvanáct výše uvedených přednášek umožňuje studentům získat přehled v problematice zabezpečení hmotného i nehmotného majetku a pochopit principy fungování používaných zařízení a systémů.

3. Laboratorní úlohy předmětu Zabezpečovací systémy

Cílem laboratorních úloh je poskytnout studentům možnost si zařízení a systémy vysvětlované v přednáškách prakticky vyzkoušet. V současné době máme k dispozici následující pracoviště. 1. Kabelový systém EZS. 2. Rádiový systém EZS. 3. Kamerový dohledový systém. 4. Biometrický přístupový systém. 5. Kartový přístupový systém. 6. Systém EPS.

Kabelový systém EZS sestává z ústředny ATS 2099, ovládací klávesnice, dvou de-tektorů PIR a dvou magnetických kontaktů. K ústředně je připojen počítač s programem TITAN pro řízení a konfiguraci systému. Studenti se nejprve naučí pro-

vozovat systém pomocí ovládací klávesnice a poté si vyzkouší provoz a konfiguraci systému z počítače.

Rádiový systém EZS sestává z ústředny JA-63KRG, ovládací klávesnice JA-60E, magnetického kontaktu, dvou detektorů PIR, dvou detektorů tříštění skla a dvou de-tektorů kouře. Studenti si na tomto pracovišti zkouší provoz a konfiguraci rádiového systému EZS a rovněž se seznamují s fungováním a vlastnostmi jednotlivých detekto-rů.

Srdcem kamerového dohledového systému je digitální videorekordér AVC 776, na který je připojen monitor a čtyři různé typy kamer. Studenti si na tomto pracovišti mohou vyzkoušet konfiguraci a provoz typického kamerového dohledového systému, vyzkoušet si vlastnosti různých typů kamer a ověřit si funkci detekce pohybu v obraze. Pracoviště je vybaveno i webovým serverem, který dovoluje provozovat kamerový systém vzdáleně přes internet.

Pracoviště biometrického přístupového systému sestává ze čtečky otisku prstů Bi-oscrypt, elektromagnetického zámku a počítače vybaveného řídícím software. Studen-ti si zde mohou vyzkoušet provoz a konfiguraci lokálního přístupového systému zalo-ženém na autentizaci otiskem prstu.

Pracoviště kartového přístupového systému sestává z ústředny, dvou bezdrátových čteček karet a dvou elektromagnetických zámků. Součástí pracoviště je i počítač vy-bavený řídícím software. Studenti si na tomto pracovišti mohou vyzkoušet provoz a konfiguraci centrálního přístupového systému založeném na autentizaci pomocí karet.

Posledním pracovištěm je systém EPS. Toto pracoviště sestává z ústředny FPA 5000, dvou hlásičů kouře a dvou tlačítkových hlásičů požáru. Studenti si zde mohou vyzkoušet nastavení a provoz ústředny EPS a otestovat fungování hlásičů.

V prvním laboratorním cvičení jsou studenti poučeni z hlediska bezpečnosti provo-zu v laboratoři a je jim vysvětlena organizace úloh a podmínky získání zápočtu. V následujících cvičeních se střídají na jednotlivých pracovištích. Na každém praco-višti mají stanoveny konkrétní úkoly na jejichž základě jsou průběžně hodnoceni. Po projití všemi pracovišti zpracovávají návrh systému EZS hypotetického objektu a k tomuto systému zpracovávají dokumentaci. Projekt je individuální a každý student na základě hodnocení projektu vyučujícím a na základě hodnocení z jednotlivých laboratorních úloh získává body na jejichž základě je mu udělen, resp. neudělen zápo-čet.

4. Závěr

V tomto příspěvku je popsán způsob výuky problematiky zabezpečovacích systé-mů na Fakultě elektrotechniky a komunikačních systému Vysokého učení technické-ho v Brně. V současné době běží projekt č. CZ.1.07/2.2.00/28.0062 ”Společné aktivi-ty VUT a VŠB-TUO při vytváření obsahu a náplně odborných akreditovaných kurzů ICT“, v jehož rámci doufáme, že od pedagogů z VŠB-TUO získáme inspiraci a námě-ty pro rozšíření a další zdokonalování výuky zabezpečovacích systémů na naší škole.

Vývoj videokonferenčních aplikací na platformě RADVISION IVP

Petr Číka

Abstract. Článek je zaměřen na demonstraci vývoje videokonferenčních apli-kací na vývojovém kitu RADVISION IVP (Interactive Video Platform). V úvo-du jsou popsány výhody a nevýhody současných videokonferencí. Následující kapitoly jsou zaměřené na možnosti vývoje uživatelských aplikací na platformě RADVISION IVP.

1 Úvod

IVP je konkrétním příkladem komplexního systému pro provozování videokonferencí od firmy RADVISION. Je to platforma určená pro mobilní i pevné operátory a posky-tovatele služeb, kteří provozují hlasové a video služby, jako například video call cen-tra, chat místnosti s živým videem, videokonference, systémy pro střežení objektů aj. IVP může být také vyžívána jako Media Resource Function neboli jako zdroj médií v IMS (IP Multimedia Subsystem) síti, v takovém případě je řízena aplikačním serve-rem založeným na komunikaci SIP a vykonává všechny funkce spojené se zpracová-ním médií.

IVP poskytuje rozhraní pro programování aplikací (API - Application program-ming Interface). API využívá HTTP protokol a je založeno na proprietárním jazyku V2XML, který vychází z XML (Extensible Markup Language). Je to událostmi řízený programovací jazyk, který je zaměřený hlavně na ovládání audia a videa a umožňuje tak jednoduše realizovat spoustu odlišných služeb. IVP aplikace mohou být umístěny na standardním webovém serveru.

Hlavní funkce IVP

Hlavní funkce jsou poskytovány s využitím V2XML API a patří mezi ně hlavně:

přijímat příchozí audiovizuální hovory a řídit je pomocí obslužné aplikace, inicializovat odchozí audiovizuální hovory, přenášet k uživatelům živý nebo uložený audiovizuální obsah, spojení více uživatelů do jednoho sezení, uživatelé mohou používat protokol SIP

nebo H.323, a nebo i mobilní telefon s podporou UMTS (Universal Mobile Tele-communications System),

nahrávání audiovizuálních toků,

možnotóny, k

řízení obraz v

přidáv nastav vytvář

jení ví Vnitřn Ve vět Multip Multim Back-t Enhan Interac Interac Jejich

ost reagovat nkonec videa, orozvržení ob

v obraze aj., vat text do videvovat časovačeřet sdílená méce uživatelů a

ní komponentytšině případů Ipoint Conferenmedia Streamito-Back User

nced Communctive Video Plctive Video Plpropojení a ko

a řadu událosodpojení uživabrazovky dovo

ea, e a reagovat ndia, která umo

a video z něhoy IVP IVP obsahuje ncing Unit (Ming Proxy servAgent (B2BUication Serverlatform kontrolatform manažomunikace s o

Obr. 1

stí, například Datele atd., oluje vytváře

na jejich vypršožňují přístup

o rozesílat více

tyto součásti:MCU),

ver (MSP), UA), r (ECS), olér, žer. okolím je nazn

1: Struktur

DTMF (Dual

t zobrazení j

ení, p k zařízení, kte uživatelům.

:

načena na obr

ra IVP

Tone Multi F

ako dělená o

teré nepodpor

rázku 1.

Frequency)

obrazovka,

ruje připo-

2 R

IVP nabíženo na kné. Komunou fungobrázek 2fonu), zjišle žádosaplikace kterých IVku 3.

API ok různýmtokolů SIvání vícemovat potelé atd.

Rozhraní pr

zí programátokomunikaci munikace probíhguje jako HTT2. Typická koistí, jakou služst HTTP se vpošle odpověVP s hovorem

obsahuje řadum druhům audiIP nebo H.323e zdrojů do jedomocí RTSP n

ro tvorbu ap

orům rozhranímezi IVP a we

há pomocí poTP klient a womunikace prožbu uživatel všemi potřebnýěď HTTP spom zachází. Prů

u příkazů, kio a video zdr3), řídit rozmídnoho (řídit tzna streamovac

Obr. 1:

plikací v IV

í pro tvorbu aebovým serverosílání HTTP webový serverobíhá tak, že Ivolá, vytvoří nnými údaji řídolu s V2XMLůběh komunik

které umožňurojů (např. ke ístění jednotlizv. layout), na

cí server, odku

Komunika

VP

aplikací (API)rem, na kterémžádostí a odpr s aplikací jaIVP přijme honovou relaci p

dící aplikaci nL stránkou obkace je znázorn

ují programátkamerám, k u

ivých videí veahrávat audioud si ho moho

ace v IVP

. Toto rozhranm jsou aplikacovědí na ně. I

ako server, jaovor (např. zepříslušné aplikna webový sersahující příkaněn v první čá

torovi připojuživatelům poe výsledném, a video nebo

ou prohlížet da

ní je zalo-ce umístě-IVP větši-

ak ukazuje e SIP tele-kace a po-rver. Tato azy, podle ásti obráz-

ovat IVP omocí pro-

při spojo-o ho strea-alší uživa-

2.1 Struktura žádostí a odpovědí HTTP

Žádost vyslaná IVP je v podobě HTTP žádosti a obsahuje název požadované strán-ky a doplňkové informace uvnitř HTTP hlavičky. Obsah takové žádosti může vypadat takto:

GET /mojeStranka.v2xml HTTP/1.1 Accept: text/xml User-Agent: RADVISION-MediaServer/2.0.0.0.8 X-SessionId: 4287603616 X-CallerId: 054332185 X-DisplayName: Pavel X-MediaType: RichMedia X-Protocol: SIP X-CalledPartyNumber: 100 X-Presentation: allowed X-ProductId: eConf Vysvětlení jednotlivých položek v hlavičce:

Accept – udává typ odpovědi, která může být text/xml nebo application/xml, User-Agent – označuje IVP a jeho verzi, X-CallerId – telefonní číslo volajícího, X-DisplayName – jméno volajícího, které se má zobrazit, X-SessionId – jedinečný identifikátor relace, která se volajícímu vytvořila. Tento

identifikátor může být například použit při spojování dvou relací, X-MediaType – udává typ média, který uživatel posílá (AudioOnly nebo RichMe-

dia), X-Protocol – udává typ použitého signalizačního protokolu (H.323 nebo SIP), X-CallerPartyNumber – číslo, které uživatel vytočil, X-Presentation – udává, jestli bude vidět callerId volajícího (allowed nebo restric-

ted), X-ProductId – identifikátor připojeného terminálu. Odpověď z řídící aplikace je HTTP odpověď typu text/xml nebo application/xml, a

ve svém obsahu má požadovanou V2XML stránku.

2.2 Žádost inicializovaná aplikací

V některých případech potřebuje sama aplikace inicializovat nějakou akci, napří-klad vytvořit novou relaci nějaké aplikace (normálně se nová relace vytvoří, když uživatel zavolá na číslo příslušné aplikace). O takovou akci musí aplikace požádat IVP. Komunikace opět probíhá na základě žádostí a odpovědí HTTP s tím rozdílem, že aplikace teď funguje v roli klienta a IVP jako server. Aplikace může vyvolat dva typy akcí, buď vytvoření nové relace aplikace, nebo poslat nějakou událost, která se v aplikaci projeví vyvoláním akce . Aplikace na ni může reagovat

V2XML operací stejně jako u ostatních událostí vyvolaných IVP (například operací , kterou požádá o novou V2XML stránku, jak je znázorněno ve druhé části ob-rázku 3).

2.3 Posílání událostí

Když chce aplikace poslat událost do IVP, musí poslat HTTP žádost na IP adresu IVP na port 1500, na kterém naslouchá služba sendevent. Žádost obsahuje následující položky:

sessionId – identifikátor relace, které se má událost poslat. Místo tohoto parametru může být parametr callerId,

callerId – telefonní číslo volajícího. Místo tohoto parametru může být parametr sessionId,

eventId – řetězec (nesmí obsahovat mezery a speciální znaky), který identifikuje posílanou událost. Tento řetězec je potom používán v elementu na V2XML stránce k identifikaci této události.

Poslání události s názvem TEST do relace s číslem 4287603616 vypadá takto: http://147.229.149.26:1500/sendevent?sessionId=4287603616&eventId=TEST Odpovědí na takovou žádost může být HTTP 200 (OK) při úspěšném splnění žá-

dosti nebo některá z chybových odpovědí obsahující popis chyby.

2.4 Vytvoření relace

Vytvoření nové relace některé aplikace probíhá podobně jako posílání událostí. Služba, které musíme žádost poslat, se jmenuje createsession a žádost musí obsahovat tyto parametry:

app – jméno aplikace, pro kterou vytváříme novou relaci, cookie – unikátní řetězec reprezentující žádost. Vytvoření nové relace aplikace s názvem test provedeme například takto:

http://147.229.149.26:1500/createsession?app=test&cookie=1234. Odpovědi na žá-dost jsou obdobné jako při posílání události.

3 Poděkování

Tento článek vznikl za podpory projektu OPVK CZ.1.07/2.2.00/28.0062.

4 Závěr

V článku byly popsány možnosti platformy pro vývoj videokonferenčních aplikací na vývojovém kitu RADVISION IVP. Byly vyvinuté demonstrační aplikace, které byly testovány společně s partnerem (Vysoká škola Báňská). Funkčnost aplikací byla

bezchybntách.

ná. Platformu lze dále využ

Obr. 3

žít pro zkvalit

3: Průběh h

tnění výuky n

hovoru

a technickýchh universi-

¨

Radiokomunikačńı technika

Marek Dvorský

Katedra telekomunikačńı techniky, FEECS, VŠB–Technická univerzita v Ostravě,17. listopadu 15, 708 33 Ostrava–Poruba, Česká republika

Abstrakt Tento př́ıspěvek uvád́ı př́ıklad části prvńı kapitoly připravovanýchskript, které vznikaj́ı v rámci projektu č. CZ.1.07/2.2.00/28.0062 Společnéaktivity VUT a VŠB-TUO při vytvářeńı obsahu a náplně odborných akre-ditovaných kurz̊u ICT.

1 Historie rádiové komunikace

Následuj́ıćı kapitoly ve stručnosti popisuj́ı historii bezdrátových komunikaćı odjej́ıho ranného vzniku po stručný přehled nejd̊uležitěǰśıch historických milńık̊uz oblasti rádiové komunikace.

1873 Maxwell - základńı spojitostiJedńım ze snad nejv́ıce skloňovaných jmen v souvislosti se základńım po-

pisem podstaty elektromagnetického pole je jméno James Clerk Maxwell(1831-1879) viz obrázek 1. Tento anglický fyzik matematicky zpracoval po-znatky svých předch̊udc̊u (zejména Faradaye) o elektřině a magnetizmu, zavedld̊uležitý pojem tzv. posuvného proudu a definoval základńı rovnice popisuj́ıćıvzájemnou interakci elektrického a magnetického pole. V roce 1873 vydal svénejslavněǰśı d́ılo ”Pojednáńı o elektřině a magnetizmu”(Treatise on Electricityand Magnetism).

Obrázek 1. James Clerk Maxwell (1831-1879)

Asi jako prvńı, kdo se úspěšně pokusil o dálkové spojeńı, byl virginský zubařMahlonu Loomis (1826-1886). Jeho zař́ızeńı pracovalo na principu vodivosti vy-

2

sokých vrstev atmosféry, což se neobešlo bez drak̊u a balon̊u. Daľśım významnýmpr̊ukopńıkem rádiových přenos̊u se stal Američan David E. Hughes (1831-1900).Ten roku 1879 zaregistroval, že když v elektrickém obvodu přeskoč́ı jiskra, v te-lefonńım sluchátku se ozve klepnut́ı, aniž by bylo spojené s jiskřivým obvodem.Postupně sestrojil řadu zař́ızeńı, která dokázala tyto bezdrátové signály vyśılati zachycovat, až nakonec dosáhl bezdrátového přenosu na vzdálenost cca 60metr̊u. Z dochovaných poznámek je zřejmé, že Maxwellovy práce bud’ neznal,nebo je se svými pozorováńımi nespojil. O bezdrátový přenos se postupně začalozaj́ımat stále v́ıc vynálezc̊u včetně Thomase A. Edisona. Většina z nich ale ne-dokázala pozorované jevy vysvětlit ani využ́ıt. [1]

1887 Hertz - cesta správným směremPodstatu Hughesových signál̊u správně rozpoznal německý fyzik Heinrich

Rudolf Hertz (1857-1894) (obrázek 2). Roku 1887 sestrojil obrovské jiskřǐstěspojené s elektrickou ćıvkou, které vyśılalo elektromagnetické vlny a daľśı přij́ımaćızař́ızeńı, které tyto vlny přij́ımalo (obrázek 3, 4). Všiml si spojitosti pozorovanéhobezdrátového přenosu energie s Maxwellovou teoríı z ńıž vyplývalo, že vzniklévlny maj́ı stejnou povahu jako světlo. Právě d́ıky Hertzovi a spojitosti s Ma-xwellovou teoríı se vývoj bezdrátové telegrafie začal ub́ırat správným směrem.

Obrázek 2. Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894)

Obrázek 3. Schéma experimentu Obrázek 4. Hertz̊uv experiment

3

1896 Tesla - lod’ ř́ızená na dálkuDaľśım významným vynálezcem byl američan srbského p̊uvodu Nikola Tesla

(1856-1943) (obrázek 5). S Hertzovými experimenty se seznámil roku 1893a začal je vylepšovat. Uvědomil si, že vyśılač a přij́ımač jsou vlastně dva obvody,které navzájem rezonuj́ı. Téhož roku uspořádal ve Philadelphii sérii přednášek,při nichž demonstroval bezdrátový přenos elektrické energie. Zveřejnil mate-matické principy svých zař́ızeńı a detailně popsal prvky vyśılače i přij́ımače.Teslu zaj́ımaly i jiné věci, předevš́ım možnost nahradit elektrické vedeńı kespotřebitel̊um vedeńım vzduchem. Jen jaksi mimochodem předvedl roku 1895vyśıláńı na vzdálenost přibližně 35 kilometr̊u a roku 1896 dálkově ovládaný mo-del lodi (obrázek 6). Ke své smůle si ale americký patent zař́ıdil až roku 1897.Tesla si za celý sv̊uj život nechal patentovat přes 700 vynález̊u. Mezi jeden z nej-kontroverzněǰśıch vynález̊u patř́ı tzv. ”Paprsky smrti”.

Obrázek 5. Nikola Tesla Obrázek 6. Teslova dálkově ovládaná lod’

1900 PopovDaľśım vědcem, který na základě Teslových praćı roku 1897 sestrojil bezdrátový

telegraf, byl konstruktér ruského námořnictva 1900 - Alexander Popov (1859-1906). Při prvńım vyśıláńı vzdal poctu skutečnému otci rádia – prvńı slovajeho přenášené zprávy zněla

”Heinrich Hertz“. Vrcholem jeho experiment̊u bylo

vyśıláńı mezi břehem a loděmi ve Finském zálivu v roce 1900, kdy se mu podařilodosáhnout spojeńı na vzdálenost mnoha deśıtek kilometr̊u. Ani Popov si telegrafnenechal patentovat.

1901 Marconi - v́ıtězItal Guglielmo Marconi (1874-1937) viz obrázek 7 pracoval na postupném vy-

lepšováńı Hertzovy techniky, kdy se mu podařilo zvyšovat dosah vyśılače z metr̊una kilometry. Roku 1896 si nechal patentovat bezdrátový telegraf. V prosinci1901 se Marconimu podařilo úspěšně přenést ṕısmeno ”S”přes Atlantik (3380 km,25 kW, 328 kHz). Obratem si zajistil pro sebe veškerá možná práva a začalv této oblasti úspěšně podnikat. Jeho firma měla vyhrazené vyśıláńı z lod́ı, které

4

Obrázek 7. Guglielmo Marconi Obrázek 8. Marconiho stanice

nesměly mı́t vlastńı stanice a telegrafisty a musely si je od Marconiho pronaj́ımat.V roce 1909 obdržel Nobelovu ceny za fyziku. [2]

Dále následuje stručný přehled daľśıch významných historických milńık̊ubezdrátové komunikace.

– 1884 - Paul Nipkow (Německo) si patentuje kotouč s otvory uspořádanýmive spirále, pomoćı kterého se obraz rozkládal na řádky složené z jednotlivýchbod̊u obrazu.

– 191x - Rozvoj AM vyśıláńı.– 1918 - E. Armstrong - myšlenka superheterodynu (možnost širokopásmových

FM).– 1924 - J. L. Baird (Velká Británie) přenos obrazu maltézského kř́ıže na

vzdálenost 2,5 m; US policie - prvńı mobilńı komunikace.– 1926 - Velká Británie - prvńı experimentálńı TV vyśıláńı.– 1927 - Velká Británie - prvńı pokusy s barevnou televiźı a stereoskopickou

televiźı.– 1929 - Velká Británie - pravidelného vyśıláńı mechanické televize na vlnách

BBC.– 1931 - Zahájeńı pokusného vyśıláńı mechanické televize v Moskvě.– 193x - Počátky komerčńıho vyśıláńı FM.– 194x - Rozvoj mikrovlných technologíı (radary x GHz).– 1947 - Objev tranzistoru (William Bradford Shockley).– 1953 - Zahájeńı pravidelného zkušebńıho vyśıláńı Československé televize

z Petř́ına.– 1955 - Výstavba 1. televizńıho vyśılače Ostrava-Hošt’álkovice.– 1957 - Vypuštěńı Sputniku 1 - prvńı komunikačńı družice; retranslačńı spo-

jeńı Praha - Ostrava, Ostrava - Bratislava.– 195x - Rozhlasové vyśıláni FM v ČSR.– 197x - Implementace mikroprocesor̊u do přij́ımač̊u.– 1974 - Zahájen zkušebńı provoz ČSR pozemńı stanice družicových spoj̊u.– 1978 - Prvńı buňkový komunikačńı systém - Chicago.– 1979 - Nippon Telegraph and Telephone (NTT) - prvńı buňkový komunikačńı

systém (Japonsko).

5

– 1991 - GSM (Evropa).– 1993 - DECT (Evropa); prvńı SMS (Nokia).– 1998 - Iridium - globálńı telefonńı systém.– 1999 - Bluetooth; GPRS.– 199x - Koncepce softwarového rádia.– 2001 - Prvńı 3G śıt’ (Japonsko).– 2002 - Prvńı privátńı WLAN śıtě (USA).– 2003 - WCDMA 3G śıtě (Evropa).– 201x - Koncepce kognitivńıho rádia.– 2011 - Přechod k digitálńımu TV vyśıláńı, vypnut́ı analogových vyśılač̊u.

2 Děleńı kmitočtového spektra, kmitočtový př́ıděl

Výběr pracovńı frekvence je z pohledu š́ı̌reńı elektromagnetických vln i z po-hledu konkrétńı radiokomunikačńı služby zcela zásadńı. Je nepsaným pravidlem,že národńı frekvenčńı spektrum je ve své podstatě

”př́ırodńım bohatstv́ım“, se

kterým je nutno obezřetně hospodařit.

2.1 Legislativńı orgány spravuj́ıćı kmitočtové spektrum

V celosvětovém měř́ıtku je frekvenčńı spektrum mezinárodně koordinováno. Tutofunkci zauj́ımá Mezinárodńı telekomunikačńı unie ITU (International Telecom-munication Union), jej́ımž hlavńım úkolem je efektivně přidělovat kmitočtovéspektrum, definovat služby, které lze v přiděleném spektru použ́ıvat a v nepo-sledńı řadě také definuje maximálńı povolené vyśılaćı výkony. V rámci určitýchstudijńıch skupin ITU vydává pravidla a doporučeńı pro telekomunikace. Z hle-diska š́ı̌reńı elektromagnetických vln je kĺıčová skupina ITU-R (ITU- Radio-communication Sector) SG3 (Radio Propagation). Doporučeńı ITU-R vznikaj́ına základě široké mezinárodńı spolupráce, proto jsou mezinárodně uznávána.

Na Evropské úrovni p̊usob́ı daľśı významná organizace ETSI (European Te-lecomunications Standards Institute). V Americe pak FCC (Federal Communi-cations Commission).

Na národńı úrovni zaštit’uje funkci správce frekvenčńıho spektra a regulátoraúřad ČTÚ (Český telekomunikačńı úřad). Ten rozděluje frekvenčńı spektruma s t́ım i přiděluje patřičné radiokomunikačńı služby na základě mezinárodńıhokoordinačńıho plánu ITU. ČTÚ se skládá z Odboru správy kmitočtového spektra(SKS) a Odboru státńı inspekce radiokomunikaćı. Odbor správy kmitočtovéhospektra plánuje kmitočty, vydává povoleńı ke zř́ızeńı a provozováńı vyśılaćıchrádiových stanic. Odbor státńı inspekce radiokomunikaćı provád́ı kontrolu dodržováńıpovolovaćıch podmı́nek, kontrolu obsazenosti kmitočtového spektra a zjǐst’ováńıruš́ıćıch nebo nepovolených rádiových stanic. Pro kontrolńı činnost má ČTÚk dispozici dvě pevná kontrolńı měřićı střediska s nepřetržitou službou v Čechácha na Moravě (KMS Tehov a KMS Karlovice) a dvě kontrolńı měřićı střediskavybavená měřićımi vozy (KMS Vestec a KMS Brno). [3, 4]

6

Radiokomunikačńı služba je definována jako vyśıláńı, přenos a př́ıjem rádiovýchvln ke specifickým telekomunikačńım účel̊um. Jsou definovány tři základńı typypozemńıho rádiového spoje:

– Pevná služba (spoj typu bod-bod).– Pozemńı pohyblivá služba (mobilńı spoj mezi pevnou a mobilńı pozemńı

stanićı nebo mezi mobilńımi stanicemi navzájem).– Rozhlasová služba (spoj bod-plocha) např. televize a rozhlas.

2.2 Základńı rozděleńı zářeńı

Elektromagnetické zářeńı lze dělit do několika následuj́ıćıch skupin:

– Rádiové – 10 kHz až 300 GHz (mikrovlnné zářeńı 3 - 300 GHz).– Infračervené (IČ) – 300 GHz až 400 THz.– Viditelné – 380 až 750 THz – zářeńı, na které je citlivé lidské oko.– Ultrafialové (UV) – 8.1014 až 3,4.1016 Hz – zářeńı o vysoké energii.– Rentgenové (RTG) – 3.1016 až 6.1019 Hz.– Gama (γ) – 2,4.1018 až 1024 Hz – radioaktivńı a jaderné děje.

Obrázek 9. Děleńı spektra zářeńı

Rádiovými vlnami nazýváme elektromagnetické vlněńı v kmitočtovém pásmu10 kHz až 300 GHz, které se š́ı̌ŕı volným prostorem. Je zřejmé, že sestaveńıfrekvenčńıho plánu a jeho ratifikaci členskými zeměmi předb́ıhaj́ı několikaletápř́ıpravná jednáńı. Výhoda vlastnictv́ı kmitočtového př́ıdělu spoč́ıvá v mezinárodńımprávu na ochranu tohoto kmitočtu před rušeńım jinými vyśılaćımi stanicemi.Doćılit mezinárodně platné změny v d̊usledku požadované změny stanovǐstěvyśılače, výšky antény, zisku, vyzařovaćıho diagramu apod. je velmi zdlouhavázáležitost. V této souvislosti se hovoř́ı o významných frekvenčńıch plánech WaRC(World Administrative Radio Conference):

– Stockholm 1961 VKV/UKV vyśıláńı v Evropě,– Ženeva 1975 DV/SV rozhlasové vyśıláńı v Evropě,– Ženeva 1984 FM VKV rozhlasové vyśıláńı v Evropě,– Wiesbaden 1995 T-DAB rozhlasové vyśıláńı v Evropě,– Ženeva 2006 přiděleńı kmitočt̊u DVB-T ve III. TV pásmu.

7

V roce 1992 se WaRC přejmenoval na WRC. Posledńı konferenćı WRC-12(World Radiocommunication Conference 12 ) pořádalo ITU-R v Ženevě 02/2012.Zde bylo provedeno kmitočtové plánováńı do kmitočtu 3000 GHz, řešena bylataké otázka digitálńı dividendy, leteckého provozu, navigace Galileo a softwa-rového a kognitivńıho rádia. Daľśı konference je plánována na rok 2015 (WRC-15) v Mexiku.

Základńı děleńı rádiových vln podle jejich délky je dáno Radiokomunikačńımřádem, Ženeva 1990 formou tabulky 1. Uvedené zkratky maj́ı své obdoby v českémnázvoslov́ı (LF ≈ DV, MF ≈ SV, HF ≈ KV, VHF ≈ VKV, UHF ≈ UKV atd.).

Tabulka 1. Detailńı rozděleńı frekvenčńıch pásem

ZkratkaAnglický název Český název Pásmo Délka vlny

ELF Extremely Low Frequncy Extrémně dlouhé vlny3 mHz - 3 kHz1000 - 100 kmVLF Very Low Frequncy Velmi dlouhé vlny 3 - 30 kHz 100 - 10 kmLF Low Frequncy Dlouhé vlny 30 - 300 kHz 10 - 1 kmMF Medium Frequncy Středńı vlny 0.3 - 3 MHz 1 - 0,1 kmHF High Frequncy Krátké vlny 3 - 30 MHz 100 - 10 mVHF Very High Frequncy Velmi krátké vlny 30 - 300 MHz 10 - 1 mUHF Ultra High Frequncy Ultra krátké vlny 0.3 - 3 GHz 100 - 10 cmSHF Super High Frequncy Super krátké vlny 3 - 30 GHz 10 - 1 cmEHF Extremely High FrequncyExtrémně krátké vlny30 - 300 GHz 10 - 1 mm

Kromě kmitočtového děleńı ITU dle tabulky 1 se také použ́ıvá děleńı dleStandardu 521 IEEE z roku 2002 (viz tabulka 2). 1

Tabulka 2. Děleńı frekvenčńıho pásma dle 521 IEEE 2002

Zratka Rozsah kmitočt̊u

UHF 0,3 · · · 1 GHzL 1 · · · 2 GHzS 2 · · · 4 GHzC 4 · · · 8 GHzX 8 · · · 12 GHzKu 12 · · · 18 GHzK 18 · · · 27 GHzKa 27 · · · 40 GHzV 40 · · · 75 GHzW 75 · · · 110 GHzmm 110 · · · 300 GHz

1Pro zaj́ımavost: daľśı možné děleńı frekvenčńıho spektra např́ıklad nab́ıźı i orga-nizace NATO.

8

Na úrovni státńı legislativy každoročně vydává orgán ČTÚ vyhlášku zva-nou VO-R (Všeobecné oprávněńı k využ́ıváńı rádiových kmitočt̊u a k provo-zováńı zař́ızeńı krátkého dosahu), která upravuje rozvržeńı kmitočtového spek-tra na národńı úrovni. VO-R obsahuje detailńı informace o kmitočtových seg-mentech, jejich použit́ı, maximálńım povoleném vyzářeném výkonu, druhu pro-vozu, obsazenosti kanálu v čase a daľśı doplňkové informace. Úvodńı ustano-veńı konkrétně ř́ıká: Podmı́nky provozováńı př́ıstroj̊u vztahuj́ıćı se na využ́ıváńırádiových kmitočt̊u a provozováńı vyśılaćıch rádiových zař́ızeńı krátkého dosahu(dále jen

”stanice“) fyzickými nebo právnickými osobami (dále jen

”uživatel“)

stanov́ı zákon a toto všeobecné oprávněńı. Př́ıklad aktuálńı vyhlášky č. VO-R/10/04.2012-7 je na obrázku 10. [5]

Obrázek 10. Ukázka tabulky VO-R/10/04.2012-7

Tabulka 3 uvád́ı stručný přehled významných bezdrátových systémů a jejichzačleněńı do frekvenčńıch pásem. [6]

2.3 ISM pásma

Velmi často slýcháváme o bezdrátových systémech pracuj́ıćıch v tzv. ISM pásmu.Kmitočtové pásmo ISM (Industrial, Scientific and Medical) je mezinárodně rezer-vováno pro bezdrátové komunikace pro potřeby pr̊umyslu, zdravotnictv́ı a daľśıvědecko-výzkumné aktivity. Rádiový provoz v ISM také podléhá pravidl̊um de-finovaných ve VO-R (strana 7).

Jelikož neńı třeba pro použit́ı ISM kmitočtových pásem žádná licence, jsoutyto kmitočty volně dostupné pro kohokoliv. Tomu také odpov́ıdá obsazenost

9

Tabulka 3. Bezdrátové systémy a jejich frekvenčńı oblasti

buňkové systémy

GSM-900 Global System for Mobile Communication 880 · · · 960 MHzGSM-1800 Global System for Mobile Communication 1.71 · · · 1.88 GHzGSM-R GSM–Railway 876 · · · 974 MHzUMTS (FDD) Universal Mobile Telecommunications System 1.92 · · · 2.17 GHzLTE Long Term Evolution 0.8, 0.9, 1.8, 2.6 GHzTETRA Trunked radio 380 · · · 480 MHz

806 · · · 870 MHzTETRAPOL Trunked radio 380 · · · 430 MHz

440 · · · 490 MHz

datové bezdrátové śıtě

WLAN Wireless Local Area Network 2.4 · · · 2.485 GHz5.18 · · · 5.7 GHz

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Acc. 2.3, 2.5 a 3.5 GHzBluetooth PAN network 2.4 · · · 2.483 GHzZigbee PAN network 868 MHz

navigace

GPS Global Positioning System 1.176, 1.227, 1.575 GHzGalileo 1.176, 1.207,

1.278 a 1.75 GHz

identifikace

FRID Radio-Frequency Identification 13.56, 868 MHz2.45, 5 GHz

rozhlasové a televizńı vyśıláńı

FM analogové vyśıláńı v pásmu VKV 87.5 · · · 108 MHzDAB Digital Audio Broadcasting 174 · · · 240 MHz

1.452 · · · 1.492 GHzDVB-T Digital Video Broadcasting - Terrestrial 470 · · · 790 MHzDVB-S Digital Video Broadcasting - Satellite 10.7 · · · 12.75 GHz

radary

SRR Automotive Short Range Radar 24, 79 GHzACC Adaptive Cruise Control Radar 77 GHzpolicejńı Ramer 7M 34 GHz

10 ODKAZY

volných kmitočt̊u a s t́ım souvisej́ıćı vzájemné rušeńı provozovaných systémů.Stručný přehled ISM pásem je uveden v tabulce 4.

Tabulka 4. Přehled ISM pásem v ČR (kurźıvou pásma na povoleńı)

6.765 · · · 6.795 MHz 13.553 · · · 13.567 MHz 26.957 · · · 27.283 MHz40.66 · · · 40.70 MHz 433.05 · · · 434.79 MHz 902.0 · · · 928.0 MHz2.400 · · · 2.500 GHz 5.725 · · · 5.875 GHz 24.000 · · · 24.250 GHz

61.000 · · · 61.500 GHz 122.0 · · · 123.0 GHz 244.0 · · · 246.0 GHz

3 Závěr

Tento článek prezentuje stručný úvod do problematiky bezdrátové komunikace.Vznikaj́ıćı skriptum předmětu Radiokomunikačńı technika popisuje základńı prin-cipy rádiové komunikace od jeho historického počátku až k současným moderńımradio-komunikačńım technologíım.

Odkazy

1 GUSTRAU, Frank. RF and microwave engineering : fundamentals of wirelesscommunications. ChichesterHoboken, N.J : Wiley, 2012. ISBN 978-1-119-9517 1-1.

2 HUANG, Yi; BOYLE, Kevin. Antennas from Theory to Practice. United King-dom : Wiley, 2008. ISBN 978-0-470-51028-5.

3 ŽALUD, Václav. Moderńı radioelektronika. Praha : BEN, 2000. ISBN 80-86056-47-3.

4 ŽALUD, Václav; DOBEŠ, Josef. Moderńı radiotechnika. Praha : BEN, 2006.ISBN 80-7300-132-2.

5 ČTÚ. Všeobecné oprávněńı k využ́ıváńı rádiových kmitočt̊u a k provozováńı zař́ızeńıkrátkého dosahu č. VO-R/10/04.2012-7. 2012. Dostupný z WWW: 〈〉.

6 CARR, J.J. Practical Antenna Handbook. 2000. ISBN 0-07-138931-8.

Poděkováńı

Výstup vznikl v rámci projektu OP VK č́ıslo CZ.1.07/2.2.00/28.0062, Společnéaktivity VUT a VŠB-TUO při vytvářeńı obsahu a náplně odborných akredito-vaných kurz̊u ICT.

Výuková souprava pro přenos binárních signálů přes jednovidové a

mnohovidové optické vlákno

Prof. Ing. Miloslav Filka, CSc.

Ústav Telekomunikací, VUT v Brně.

[email protected]

Abstrakt

V rámci inovování laboratorních úloh v bakalářském předmětu BPRM (přenosová média) na Ústavu Tele-

komunikací VUT byla pořízena souprava pro přenos binárních signálů přes jednovidové i mnohovidové vlák-

no. Tento článek popisuje princip činnosti těchto souprav a navrhnutí nové úlohy. Dále je popsán princip čin-

nosti útlumového článku a opakovače.

Klíčová slova: Optické vlákno, opakovač, útlumový článek, multiplexer

1 Úvod.

Výhody optického přenosu lze s výhodou uplatnit v provozech, kde indukce napětí do metalického vedení

může způsobit rušení přenosu nebo může v případě výbojů hrozit i destrukce zařízení. Přenos po optickém vlák-

ně zajišťuje galvanické oddělení obou komunikujících stran. Datový přenos po optických vláknech rovněž

umožňuje překlenutí podstatně delších vzdáleností v porovnání s metalickým vedením. Výhod optických vláken

se využívá nejen v oblasti telekomunikační techniky, ale také v průmyslovém odvětví. Příkladem je přístroj ELO

představený v tomto článku.

2 Souprava pro přenos MM vláknem

Ovládací pult je propojen na pětici binárních vstupů multiplexeru ELO E205 a ovládá stavy vstupů jednotlivých

kanálů. Změna úrovní těchto vstupů se provádí pěti přepínači CH1 – CH5. V klidu (poloha přepínačů 0) je

vstupní kontakt rozpojen a přenášena log. 0. V aktivním stavu (přepínače v poloze 1) je přenášena log. 1. Tento

aktivní stav je indikován příslušnou zelenou LED na ovládacím pultu. Napájení vstupů je indikováno žlutou

LED [1].

Indikační pult je připojen na pětici binárních výstupů multiplexeru ELO E206 a indikuje stavy jednotlivých

kanálů. Pokud je výstup v aktivním stavu (sepnuto), svítí příslušná červená LED. Tento stav odpovídá sepnuté-

mu přepínači (poloha 1) na ovládacím pultu. V dolní části pultu je žlutá LED, která indikuje platnost výstupních

signálů [1].

Multiplexer ELO E205 slouží k přenosu vstupních stavů přes optickou linku. Stavy všech pěti vstupů pravi-

delně vzorkuje, balí do datového rámce, který je opatřen kontrolními bity a ten vysílá optickým vysílačem do

MM optického vlákna. Stavy vstupních signálů jsou opět indikovány zelenými LED na čelním panelu multi-

plexeru.

Demultiplexer ELO E206 kontroluje správnost přijatých datových rámců z optické trasy, dekóduje tyto rámce

a stavy jednotlivých kanálů předává na binární výstupy. Na čelním panelu demultiplexeru jsou tyto stavy indiko-

vány červenými LED. Dále je podle kontrolních bitů indikována správnost přijetí datového rámce. Pokud datový

rámec není přijat nebo je přijat s chybou, rozsvítí se LED „Rx Err“, přičemž výstupy zůstanou v posledním plat-

ném stavu. Pokud do 2 sekund nepřijde platný rámec, všechny výstupy přejdou do klidového stavu (rozepnuto)

[1].

Dva napěťové adaptéry 12 V/0,5 A slouží k napájení celé MM soupravy. Jeden napájí vstupní část a druhý

výstupní část. Odběr celé soupravy je do cca 0,3 A. Vstupní s výstupní částí soupravy je propojena 1 m dlouhým

optickým MM kabelem se skleněným vláknem 50/125 μm pro vlnové délky 800 – 1300 nm, opatřeným bajone-

tovými konektory typu ST [1].

V rámci nové laboratorní úlohy byl navrhnut následující postup:

Zadání úlohy:.

1. Seznamte se s výukovou soupravou. 2. Zkontrolujte, zda je optický kabel připevněn k oběma multiplexorům a zda je pultík s indikátory binárních

vstupů zapojen do vysílače ELO E205 a pultík s indikátory binárních výstupů zapojen do přijímače ELO

E206.

3. Zkontrolujte oba napájecí adaptéry, jestli jsou v zásuvce.

4. Vyzkoušejte si přenos signálů pomocí tlačítek na pultíku s binárními vstupy.

Seznam Součástek:.

pultík ovládání a indikace pěti binárních vstupů.

vysílač 5 binárních signálů na MM/ST optické vlákno ELO E205.

1 m mnohovidové optické vlákno 50/125 μm s ST konektory.

přijímač 5 binárních signálů z MM/ST optického vlákna ELO E206.

pultík indikace binárních výstupů.

2 kusy napájecí adaptér 230V AC/12 V DC.

vše upevněno na cca 0,5 m liště DIN 35 mm.

Obr. 1. Sestavená výuková souprava pro přenos binárních signálů přes MM optické vlákno [1].

2.1 Překlenutelná vzdálenost

Mnohovidová optická souprava má překlenutelný útlum min. 4,2 dB. Použitý typ MM optického vlákna

50/125 μm s gradientní změnou indexu lomu má měrný útlum 2,7 dB/km. Z toho vyplývá, že max. délka optic-

kého kabelu neboli max. překlenutelná vzdálenost vstupní a výstupní části soupravy je 1,5 km. Když budeme

počítat útlum konektorů 0,5 dB na jeden konektor, a při rezervě systému cca 5 dB bude maximální útlum kolem

6 dB [2].

3 Souprava pro přenos SM vláknem

Ovládací pult je propojen na čtveřici RS232 vstupů multiplexeru ELO E248 TRANSMITTER zapojených jako

binární vstupy a ovládá stavy jednotlivých kanálů. Změna úrovní těchto vstupů se provádí čtyřmi přepínači CH1

– CH4. V klidu (poloha přepínačů 0) je vstupní kontakt rozpojen a v datovém rámci přenášena log. 1.

V aktivním stavu (přepínače v poloze 1) je datovým rámcem přenášena log. 0 příslušného kanálu. Tento aktivní

stav je indikován zelenou LED na ovládacím pultu [1].

Indikační pult je připojen na čtveřici RS232 výstupů multiplexeru ELO E248 RECEIVER a indikuje výstupní

stavy jednotlivých kanálů. Pokud je výstup v aktivním stavu, svítí příslušná červená LED. Tento stav odpovídá

sepnutému přepínači (poloha 1) příslušného kanálu na ovládacím pultu.

Multiplexer ELO E248 TRANSMITTER slouží k přenosu vstupních stavů přes optickou linku. Stavy všech

čtyřech vstupů pravidelně vzorkuje, balí do datového rámce, který vysílá optickým vysílačem Tx do SM optic-

kého vlákna. Optický vstup Rx se nevyužívá. Při aktivním stavu alespoň na jednom kanálu se rozsvítí žlutá LED

Tx/Rx na multiplexeru [1].

Opakovač ELO E248 REPEATER slouží k zesílení a k regeneraci optického signálu a tudíž k překlenutí velké

vzdálenosti koncových zařízení nasimulované útlumovými články. Optický signál se přijímá vláknem Rx, smyč-

kou na metalickém rozhraní se vrací zpět a zesílen se vysílá vláknem Tx. Pokud se přenáší alespoň jeden aktivní

signál ze čtveřice kanálů, svítí žlutá LED Tx/Rx. Zelená LED LINK svítí v případě přítomnosti signálu na optic-

kém vstupu Rx od multiplexeru ELO E248 TRANSMITTER [1].

Multiplexer ELO E248 RECEIVER přijímá optický signál z ELO E248 TRANSMITTER nebo REPEATER

na optický vstup Rx a stavy jednotlivých kanálů vystupuje na metalické rozhraní směrem k indikačnímu pultu.

Výstup Tx se nevyužívá. Pokud se přijímá alespoň jeden aktivní signál ze čtveřice kanálů, svítí žlutá LED

Tx/Rx. Zelená LED LINK svítí v případě přítomnosti signálu na optickém vstupu Rx [1].

Tři napěťové adaptéry 12 V/0,5 A slouží k napájení jednotlivých multiplexerů. Odběr celé soupravy je kolem

0,3 A. Dva kusy 5 m optický kabel s proměnným útlumovým článkem slouží k propojení ELO E248

TRANSMITTERU s ELO E248 RECEIVEREM buď přímo pomocí optické spojky SC/SC nebo přes vložný

ELO E248 REPEATER. SC - SC optická spojka slouží ke spojení obou kabelů s proměnným útlumovým člán-

kem pro přímé propojení TRANSMITTERU s RECEIVEREM [1].

Obr. 2. Sestavená výuková souprava pro přenos binárních signálů přes SM optické vlákno s proměnným útlumovými články

[1].

1. ČÁST

SM soupravy se provede bez opakovače. Je zde znázorněno zapojení přes optickou spojku, jejíž útlum by měl

být méně než 0,2 dB. Ke správné funkci obou multiplexerů musí být vzdálený vysílač připojen k přijímači míst-

ního, a vzdálený přijímač musí být připojen k místnímu vysílači (vlákna se kříží), to znamená, že musí být Tx

zapojeno do Rx a naopak. V základním stavu je přímo propojen TRANSMITTER s RECEIVEREM bez zapoje-

ného REPEATERU. Vyzkouší se korektní přenos stavů jednotlivých kanálů vizuálně na indikačních LED pultů,

příp. i na tělech multiplexorů [1].

Plynulým otáčením ovládací matice se zvyšuje útlum na obou kabelech současně do stavu, kdy nastanou chy-

by v přenosu signálu (přestane svítit LED LINK na těle RECEIVERU, příp. výstupní stavy kanálů přestanou

odpovídat vstupním stavům) [1].

SM optická souprava má překlenutelný útlum min. 16dB. Použitý typ SM optického vlákna 9/125 μm má

měrný útlum 0,35 dB/km. Z toho vyplývá, že max. délka optického kabelu neboli max. překlenutelná vzdálenost

vstupní a výstupní části soupravy je přes 40km. Tato vzdálenost ovšem v praxi nebývá realizována jedním ce-

listvým vláknem, ale pospojováním několikakilometrových (do 6km) úseků. Konektorový spoj může mít vlože-

ný útlum až 1dB. Pak se započtením i 3dB bezpečnostního limitu lze uvažovat s reálným dosahem cca do maxi-

málně 16km. Použité optické kabely s útlumovými články mohou do cesty optickému signálu vložit útlum 2x 0,5

– 28dB, tj. přes 56dB, což by odpovídalo délce celistvého vlákna přibližně 160km [2].

Princip útlumového článku a postup práce se soupravou.

Optický kabel s proměnným útlumovým článkem je klasické skleněné SM vlákno 9/125 μm zakončené ko-

nektory SC. Proměnný útlum je dosahován oddalováním/přibližováním přerušeného vlákna, jehož konce mají

navíc podélný offset (longitudinal offset) – středy vláken nejsou v ose [1].

Obr. 3. Řez optickým útlumovým článkem [1].

Vysvětlivky:

4 – převlečná matice 14 – osa vnitřní válcové koncovky

5 – kryt s vnějším závitem 15 – vnitřní válcová koncovka

6 – vyčnívající válcová koncovka 18 – vodicí objímka

8 – podélná osa koncovky 6

9 – adaptér s vnitřním závitem

12 – upínací pouzdro vymezující offset podélných

2. ČÁST

SM soupravy se skládá i s opakovačem, kde odpojíme SC - SC optickou spojku a do cesty optického signálu se

zařadí REPEATER. Příslušné kontrolky LINK a Tx/Rx by se měly rozsvítit a stavy vstupů a výstupů ztotožnit.

Pomocí opakovače je optický signál přijímán vláknem Rx, pomocí smyčky (loopback) RS232 se signál vrací

zpět a pomocí jeho zesílení se signál vysílá přes vlákno Tx do přijímače na vlákno Rx. Vlákna se musí křížit

jinak by došlo ke kolizi a nebylo by možné přijat signál. Pro přesnější měření by bylo potřeba reflektometr

OTDR, který by naměřil přesně hodnoty.

V rámci nové laboratorní úlohy byl navrhnut následující postup:

Zadání úlohy:

1. Seznamte se s výukovou soupravou. 2. Ujistěte se, zda jsou všechny části na svém místě (seznam níže). 3. Zkontrolujte, zda je ovládací pult zapojen do vysílače a indikační pult do přijímače. 4. V první části nebude zapojen opakovač (REPEATER), namísto něho se použije optická spojka. 5. Ve druhé části se namísto spojky zapojí opakovač. 6. Zjistěte rozdíl mezi optickou spojkou a opakovačem. 7. Zkuste si změřit obě dvě části reflektometrem OTDR.

Seznam součástek:

ovládací pult s indikací – 4x spínače binární signál.

vysílač binary IN/SM OUT – ELO E248 TRANSMITTER.

opakovač optického signálu – ELO E248 REPEATER.

přijímač SM IN/binary OUT – ELO E248 RECEIVER.

napájecí adaptér 12 V/0,5 A 3ks.

2x5 m optické vlákno SM 9/125 μm s SC konektory a s proměnným útlumovým článkem 0,5 – 28 dB.

SC - SC optická spojka (coupler).

indikační pult – 4x výstupní binární signál.

vše upevněno na cca 1 m liště DIN 35 mm.

Obr. 4. Sestavená výuková souprava pro přenos binárních signálů přes SM optické vlákno s proměnným útlumovými články

a opakovačem [1].

4 ZÁVĚR:

Přenos binárních signálů po optických vláknech je čím dál více aktuální i v průmyslových aplikacích,

v oborech požární a také zabezpečovací techniky, dále v oblasti automatizace. Tento článek se věnuje popisu

nové laboratorní úlohy, ve které je představen produkt značky ELO. V úloze je demonstrován princip využitá

optického přenosu v průmyslové aplikaci.

Článek je rozdělen do dvou částí. První část je zaměřena na sestavu využívající mnohovidového optického

vlákna, multiplexeru a demultiplexeru. Druhá část využívá jednovidového vlákna, navíc také útlumového článku

a opakovače. Studenti si mohou vyzkoušet také proměření trasy reflektometrickou metodou OTDR (Optical

Time Domain Reflectometry).

Poděkování

Výstup vznikl v rámci projektu OP VK číslo CZ.1.07/2.2.00/28.0062, Společné aktivity VUT a VŠB-TUO při

vytváření obsahu a náplně odborných akreditovaných kurzů ICT.

Literatura

1. elo.cz [online]. Písek: ELO+,spol. s.r.o, 2008 [cit. 2013-03-15]. Adaptéry pro optická vlákna. Dostupné z WWW:

.

2. FILKA, M. Optoelektronika pro telekomunikace a informatiku. Doc. Ing. Miloslav Filka, CSc., ISBN 978-80-86785-14-

1, ČR, 2009

Automaty

Zdenka Chmelikova, Jaroslav Zdralek

VSB - Technical University of Ostrava

17. listopadu 15, 70800 Ostrava

Czech Republic

{zdenka.chmelikova, jaroslav.zdralek}@vsb.cz

Abstract. Tento článek se věnuje popisu automatů s konečným počtem stavů

pro potřeby výuky digitálních systémů. Článek klade důraz na to, že automaty

jsou systémy pracující v čase a tomu i odpovídá úroveň popisu chování.

Keywords: Finite state machine, automaty s konečným počtem stavů, Mealyho,

FSM, Moore FSM

1 Úvod

Automat je matematický pojem a má svou definici. Jedním z jednoduchých auto-

matů je obyčejný čítač, který každý z nás zná. Představme si čítač, který dokáže počí-

tat auta jedoucí do garáže a ven. Výstup čítače bude odpovídat počtu aut v garáži.

Auto jedoucí do garáže zvýší obsah čítače o jednu a auto vyjíždějící naopak o jednu

sníží. Aby se začalo počítat od nuly, je zapotřebí na začátku čítač vynulovat.

Z technického pohledu se jedná o blok, který má vstupní impulsní signál AUTO, sig-

nál DO a NUL. Když signál DO bude aktivní a auto vjede do garáže, pak čítač zvýší

hodnotu o jedna a v případě neaktivnosti auto vyjíždí z garáže a hodnota čítače se

sníží o jedna. Aktivní signál NUL bude čítač nulovat, v tomto případě čítač nebude

počítat, ale bude mít trvale hodnotu nula bez ohledu na počet projíždějících aut.

Chceme-li zahájit počítání aut, je nutno signál NUL deaktivovat. Základní signály

čítače a ukázka časového průběhu je na obr. 1.

Fig. 1. Počítadlo aut

Čítač

AUTO

NUL

DO VYSTUP

VYSTUP

AUTO

DO

NUL

1 2 0 3

čas

Časový průběh ukazuje situaci, kdy dochází k nulování čítače a tři auta vjely do

garáže. Na časovém průběhu jsou zajímavé vyznačené oblasti, kdy vstupy do obvodu

jsou stejné, ale výstup je různý. Takové chování neodpovídá definici Booleovské

funkce, která je definovaná jako jednoznačné zobrazení vstupu na výstup. Jinak, pro

každou stejnou kombinaci na vstupu musí mít Booleovská funkce stejný výstup.

K popisu je nutno další vstupní proměnou a to čas.

Fig. 2. Jiný sled aut

Zvažme, kolik existuje sekvencí v čase, jak se dostat k počtu 3 aut v garáži. Počet

přechodů mezi počty 0, 1 a 2 není omezen, čili lze teoreticky sestavit nekonečný po-

čet sekvencí aut, které vjíždějí a vyjíždějí z garáže, aby nakonec zůstala tři auta

v garáži, obr. 2. Popis chování čítače jako automatu v čase je zásadně nevhodný. Po

detailních rozborech se došlo k zavedení další proměnné s významem stav. Současná

hodnota stavu obsahuje všechny potřebné informace, které jsou nutné k plánování

budoucnosti. V našem případě je to počet aut v garáži. Tato současná hodnota stavu

(počet aut v garáži) je výsledkem posloupnosti vjezdu a výjezdu aut v čase. Jaká byla

předcházející hodnota nelze říci, protože nevíme, zda poslední akce byla vjezd či

výjezd. Tuto informaci nikdo nepamatuje. Na základě známé hodnoty počtu aut (hod-

nota současného stavu) dokážeme plánovat budoucnost, když auto vjede, budeme

inkrementovat, když auto vyjede, budeme dekrementovat.

Jinak z pohledu digitálního systému se jedná o blok se vstupními signály AUTO,

DO a NUL. Pro akci počítání nahoru se používá pojem inkrementace pro počítání

dolu pojem dekrementace. Akce inkrementace a dekrementace se provádějí na zákla-

dě vzestupné hrany signálu AUTO, čítač je synchronizován signálem AUTO. V praxi

se dosti často používá signál CLK, clock – hodiny. Naproti tomu nulování se provádí

okamžitě aktivací signálu NUL a nepotřebuje hodiny. Akce je asynchronní a má vyšší

prioritu než počítání.

Z pohledu reálnosti je vhodné omezit počet hodnot stavů na konečnou hodnotu. V

našem případě je to maximální počet aut v garáži. A tím se dostáváme k pojmu auto-

matu s konečným počtem stavů – FSM, Finite State Machine. Teorie FSM - automatu

s konečným počtem stavů je matematický model, který se dá použít na popis chování

mnoha případů v praxi. Jedná se o popis chování elektronických návrhových systémů,

čas

AUTO

DO

NUL

VYSTUP 1 2 0 1 0 1 2 3

chování komunikačních protokolů, rozbor syntaxe programovacího jazyka (language

parsing). Z netechnických disciplín lze hovořit o popisu neurologických systémů v

biologii a vědeckého popisu umělé inteligence, v lingvistice k popisu gramatiky při-

rozeného jazyka, [wiki_01].

FSM – automat s konečným počtem stav lze realizovat, přičemž jedna z nejzná-

mějších realizací je sekvenční obvod nebo řídící jednotka v číslicových systémech. V

tomto případě lze hovořit o hardwarové realizaci. Na druhé straně lze FSM realizovat

softwarově, zápisem v programovacím jazyku.

FSM – automat s konečným počtem stavů je podmnožinou Turingova stroje (Tu-

ring machine), který má mnohem větší možnosti použití pro modelování, [wiki_01].

Minimálně je to v počtu stavů. Literatura [Black_2008] uvádí, FSM – automat s ko-

nečným počtem stavů je omezený Turingův stroj, kde hlava může vykonávat pouze

operaci čtení, a posouvá se pouze zleva doprava.

2 FSM – automat s konečným počtem stavů, definice

Definice FSM – automatu s konečným počtem stavů je založena na pojmech vstup,

výstup, stav a zobrazeních mezi nimi. Stav neboli hodnota stavu je souhrn informací,

které charakterizují minulost a umožňují plánovat budoucnost. Z pohledu času, hovo-

říme o současnosti, kterou charakterizujeme současným stavem, vstupem a výstupem.

Zároveň plánujeme budoucnost a to následující stav. Dá se také říci, že současný stav

je výsledkem sekvence vstupů v minulosti. Z hodnoty stavu se sekvence vstupů zpět-

ně nedá určit. Této vlastnosti se říká, že stav nemá paměť, (memory less state).

Teorie rozlišuje dvě definice FSM a to podle pánů Mealyho a Moora. Obě definice

jsou matematické a mají hodně společného. Jedná se o definici symbolů, které se

používají jako vstup, stav, počáteční stav a výstup. Dále jsou to dvě zobrazení, které

definují následující s

Workshop společných aktivit VUT a VŠ TUO při vytváření...

Documents

Transcript of Workshop společných aktivit VUT a VŠ TUO při vytváření...