Adatkábelek rejtelmei I.

Az adatkommunikációs kábelek különböző elvek alapján működnek, különböző követelményeknek kell megfelelniük és különböző fajtáik vannak az adatátviteli igényektől és körülményektől függően. Az adatkábeleknek az autóiparban is meghatározó szerepük van és sokféle rendszer és kiegészítő működéséhez szükségesek. A gépjárműveken körülbelül két tucat különböző buszrendszer és azokhoz kapcsolódó kábelek találhatók, amik egyedi funkciókat támogatnak. Többrészes cikksorozatunkban ezeket tekintjük át.

A nagy kép áttekintéséhez kulcsszavakat használva:

• Átviteli médium: Az adatkábelek különböző fizikai médiumokon alapulhatnak, például réz vezetékeken (kupferkábelek), optikai szálakon (száloptikai kábelek) vagy vezeték nélküli technológián alapuló adatátviteli módokon.
• Jelátvitel: Az adatkábelek általában elektromos vagy optikai jeleket továbbítanak. Például Ethernet kábelek elektromos jeleket, míg száloptikai kábelek fényjeleket használnak az adatok továbbításához.
• Protokollok: Az adatkábeleknek meg kell felelniük bizonyos kommunikációs protokolloknak, amelyek meghatározzák, hogyan kerülnek átvitelre az adatok, illetve azok kereteit és az adatok séma szerinti értelmezését.
• Adatsebesség: Az adatkábeleket a tervezett/szükséges adatátviteli sebességnek megfelelően kell tervezni - ergo gyors adatátviteli sebességekhez nagyobb sávszélességet biztosító kábelekre lehet szükség.
• Kapacitás: Az adatkábeleknek képeseknek kell lenniük a szükséges adatmennyiség átvitelére. A magas felbontású videó vagy nagy adatméretű fájlok átviteléhez nagyobb kapacitású kábelekre lehet szükség.
• Védelem: Az adatkábeleknek ellenállóaknak kell lenniük a külső interferenciákkal és zajjal szemben, amelyek negatívan befolyásolhatják az adatátvitelt.

Mitől függ, hogy egy adatkábel adatátviteli sebessége mekkora?

• Kábel típusa: Különböző adatkábel-típusok különböző sebességek elérését teszik lehetővé. Például a Cat5e Ethernet kábel általában 1 Gbps (gigabit per másodperc) sebességet támogat, míg a Cat6 kábel 10 Gbps-ig képes, és a száloptikai kábelek akár 100 Gbps vagy annál is nagyobb sebességeket is elérhetnek.
• Kábel minősége és állapota: A kábel minősége és az állapota is szerepet játszik. A jobb minőségű kábelek általában jobb teljesítményt nyújtanak. Az idővel a kábelek kopnak, és ez befolyásolhatja az adatátviteli sebességet.
• Kábel hossza: Általában minél hosszabb a kábel, annál lassabb lehet az adatátvitel sebessége. A jelek gyengülhetnek a hosszú kábel átvitel során, különösen a réz alapú kábeleknél. Ha nagy távolságokat kell áthidalni, akkor az adatátviteli sebesség is lecsökkenhet.
• Környezeti tényezők: A kábel környezeti tényezők, például elektromágneses interferencia vagy zaj is befolyásolhatják az adatátvitel sebességét. Csatlakozók és interfészek: Az adatátvitel sebességét az alkalmazott csatlakozók és interfészek is meghatározhatják. A régi vagy inkompatibilis csatlakozók lassabb adatátvitelt eredményezhetnek.
• Hardver és szoftver: Az adatátviteli sebesség továbbá a használt hardver és szoftver is befolyásolhatja. A számítógép vagy eszköz teljesítménye, a használt hálózati kártyák és a konfiguráció is fontos tényező lehet.
• Kábel fizikai jellemzők: A kábel fizikai jellemzői közé tartozik a sávszélesség, a késleltetés és a zajérzékenység. Például a száloptikai kábeleknek nagyobb sávszélességük van, és alacsonyabb késleltetést biztosítanak, ami lehetővé teszi magasabb sebességű adatátvitelt.
• Kódolás és tömörítés: Az adatok kódolásának és tömörítésének módja is befolyásolhatja az adatátviteli sebességet. Bizonyos kódolási módszerek hatékonyabbak lehetnek a sebesség növelése érdekében.
• Hálózati terhelés: A hálózat terhelése is szerepet játszik. Ha sok eszköz használja ugyanazt a hálózatot, kábelt, az befolyásolhatja az adatátviteli sebességet.
• Protokollok és technológiák: Az alkalmazott kommunikációs protokollok és technológiák is fontosak. Például az Ethernet protokollok különböző sebességeket támogathatnak, például 10/100/1000 Mbps.
• Jelzavarszűrés: Az adatkábelek jelzavarszűrési képességei is fontosak. A jobb minőségű kábelek és eszközök jobban ellenállnak az interferenciának, és jobb adatátviteli sebességet biztosítanak.
• Hibajavítás: Néhány kommunikációs rendszer tartalmaz hibajavítási mechanizmusokat, amelyek képesek a zaj és a hibák kijavítására, ami lehetővé teszi a jobb adatátviteli sebességeket.

Ezek a tényezők összességében határozzák meg, hogy két kábel között miért lehet különbség az adatátviteli sebességben. A legjobb eredmények elérése érdekében fontos kiválasztani a megfelelő kábelt az adott alkalmazáshoz, és gondoskodni a kábelek rednszeres ellenőrzéséről, karbantartásáról, cseréjéről.

Adatkábelek típusai:

Csavart érpáras (Twisted Pair) kábelek, Koaxiális kábelek (Coaxial Cable) és Száloptikai kábelek (Fiber Optic). Minden kábel bináris (1,0) elektromos kommunikációs jeleket továbbít az adott rendszer részegységei, vezérlői között. Hogy a három közül melyik kerül alkalmazásra, az függ az alkalmazás környezetétől, a részegység funkciójától, autóiparban pedig markánsan kiemelkedik a közúti-, forgalombiztonsági szempontok diktálta ultra gyors adatátvitel követelménye.

Csavart érpáras kábelek: Mint a nevük is mutatja, két (többnyire réz, illetve újabban alumínium) vezetékből állnak, amelyek egymás körül vannak fonva/ tekerve a kábel mentén. Az egyik vezeték a jelhordozó, a másik pedig a földelési referencia. A tekercselés védi a kommunikációs jeleket akár 90 méter hosszúságig is.

A tekercselés jelentősége:

• Zavarszűrés: A tekerés vagy fonás miatt a két vezeték egymás körül spirálisan halad és ezáltal csökkenti a külső elektromágneses interferencia (EMI) hatását. Az EMI olyan zavaró jeleket vagy zajt okozhat, amelyek negatívan befolyásolhatják a jelek tiszta átvitelét. A tekerés segít minimalizálni ezt a zavart, mivel a két vezetékben azonos mértékben hat az elektromágneses interferencia.
• Zajcsökkentés: A tekerés csökkenti a kábelen belüli „crosstalk” nevű problémát is. Ez a jelenség, amikor a kábelen belül egy vezeték jele befolyásolja a másik vezeték jeleit. A tekerés minimalizálja a crosstalk-ot, mivel a vezetékek fizikailag közel vannak egymáshoz, de mégis elkülönülnek.
• Impedanciaegyezés: A tekerés segít az impedanciaegyezés fenntartásában a vezetékek között. Az impedancia az elektromos jelek továbbításának hatékonyságát és stabilitását befolyásolja. A tekercselés segít abban, hogy az impedancia megfelelően kontrollált legyen, ami jobb jeleket eredményez.

Mindezek a tényezők hozzájárulnak ahhoz, hogy a csavart érpáras kábelek képesek legyenek védeni a kommunikációs jeleket és lehetővé tegyék a viszonylag hosszú kábelhosszak alkalmazását is, akár 90-100 méterig a nélkül, hogy a jelek romlását vagy zajt tapasztalnánk. Ezért használják széles körben az ilyen típusú kábeleket hálózati és kommunikációs alkalmazásokban. A csavart érpáras kábelek kábelezési technikája lehetővé teszi a jelek megbízható átvitelét akár nagyobb távolságokon is. A tekerés segít minimalizálni a jelek degradálódását és elvesztését, ezért képesek nagyobb távolságokon is megbízhatóan működni. Költségeik relatíve alacsonyak, ezáltal gazdaságos megoldást nyújtanak olyan alkalmazásokhoz, ahol jelentősebb kábeligény van – autóink többnyire ilyenek, illetve voltak idáig.

Koaxiális kábelek: A koaxiális kábelek egy központi mag vezetékből állnak, amelyet egy szigetelő vesz körül. Magasabb frekvenciájú jeleket továbbítanak, gyakran használják digitális telefonhálózatokban és televíziós kommunikációs adatátvitelben.

A központi magot körülvevő szigetelő rétegnek számos fontos funkciója van a koaxiális kábelek esetében:

• Elektromos szigetelés: A szigetelő réteg elektromos szigetelést biztosít a központi mag és a külső kábelburkolat között. Ez segít megakadályozni az elektromos áram átjutását vagy a zavaró elektromágneses interferenciát (EMI) a kábel belsejébe, mindez a magas frekvenciájú jelátvitel szempontjából elengedhetetlen.
• Megóvja a jeleket: A szigetelő réteg védi a kábelen belüli jeleket a külső interferenciától és zajtól. Ennek eredményeként a kábel jobb minőségű jelek továbbítására képes.
• Megakadályozza a kábel hibáját: A szigetelő réteg megvédi a kábelt a külső környezeti tényezőktől, igénybevételtől, például nedvességgel vagy porral szemben. A szigetelő réteg hozzájárul a kábel fizikai tartósságához és védelméhez, ami fontos a kábel hosszú élettartamához és stabilitásához.
• Hullámvezető funkció: A koaxiális kábel szigetelő rétege olyan anyagból készül, amelynek megfelelő dielektromos tulajdonságai vannak. Ez lehetővé teszi, hogy a jelek a központi magban haladjanak, anélkül hogy átjutnának a külső rétegen. A dielektromos anyag olyan anyag, amelynek elektromos vezetőképessége alacsony.
• Biztonság és tűzállóság: A koaxiális kábel szigetelő rétege gyakran olyan anyagból készül, amely tűzálló tulajdonságokkal rendelkezik. Ez fontos az olyan alkalmazásokban, ahol a kábelek tűzveszélynek vannak kitéve - az autók fedélzeti rendszerei gyakran ilyen helyek.

Száloptikai kábelek: A gyors internetkapcsolatokhoz gyakran használt száloptikai kábelek adataikat két részből álló fénycsatornán keresztül továbbítják, ezek a mag és burkolat. Igaz, nem érzékenyek a jelek degradálódására, ezzel szemben törékenyek és egyedi csatlakozókat és hálózati kártyát igényelnek. A száloptikai kábelek előnyei közé tartozik a nagyobb sávszélesség, a nagyobb adatsebesség és a jobb adatbiztonság. Emellett nem érzékenyek az elektromágneses interferenciára, ami ideális választás lehet olyan helyeken, ahol zajos környezetben kell dolgozniuk.

Az autóiparban való alkalmazásuk még mindig korlátozott, elsősorban azért, mert magas költségekkel járnak, kevésbé rugalmasan telepíthetők, és kevesebb fizikai terhelést képesek elviselni. A rézalapú kábelek elterjedtsége és megbízhatósága határozottan gátolja az optikai kábelek elterjedését. Az autóiparban hosszú évtizedek óta dolgoznak a rézalapú rendszerekkel, már kifejlesztett és bevált rendszerekkel, gyártósorokkal, és jelentős tudásanyaggal rendelkeznek a rézkábelekkel kapcsolatban.

Visszatérve az optikai kábelek előnyeire, az alábbiakat kell tudnunk:

• Nagy sebesség: A fénysugarak gyorsan terjednek a kábelben, lehetővé téve a nagy adatsebességeket. De hogyan lesz a fénysugárból bináris jel? A bináris jelek létrehozásához az optikai moduláció technikát használják. Az optikai moduláció során a fény intenzitását gyorsan változtatják az adatoknak megfelelően. Például, ha az adat egy "1", akkor a fényforrás intenzitása lehet magas, míg egy "0" esetén alacsony. Ez a gyors fényerő-változtatás hozza létre a bináris jeleket.
• Jelminőség: Nem hajlamosak a jelek degradálódására vagy zavarokra, így a jelek nagyon tiszta formában továbbíthatók hosszú távolságokon is. Miért? A fényjelátvitel sokkal kevésbé érzékeny az elektromágneses interferenciára (EMI) és a villamos zajra, mivel a fény nem termel elektromágneses mezőt, amely zavarná a jeleket. Nincs elektromos ellenállás, mivel nincs elektromos áram a kábelben, nincs elektromos ellenállás, amely hőt generálna vagy a jelek gyengítéséhez vezetne. Ezért a jelek nagyon hosszú távolságokon is tiszta formában megmaradnak. Nincs szigetelési veszteség: a hagyományos réz alapú kábelekben szigetelt kábelek, a szigetelés pedig némi energiát elnyel, amit szigetelési veszteségnek neveznek. Szemben ezzel Száloptikai kábelek esetében nincs szükség szigetelésre, mivel a jelek fényjelként továbbítódnak a szál magjában. Mivel a fény nem igényel szigetelést, nincs szigetelési veszteség és a jelek tiszta, erős formában maradnak a továbbítás során. Ez lehetővé teszi a száloptikai kábeleknek a nagy távolságokon és magas sebességeken történő megbízható adatátvitelét anélkül, hogy a szigetelési veszteségek problémát okoznának. Nincs crosstalk-jelenség - mint fentebb tárgyaltuk – az optikai kábeleknél sem.
• Biztonság: Mivel nincs elektromos áram a kábelben, a száloptikai kábelek nem érzékenyek elektromágneses interferenciára (EMI) vagy villámcsapásokra.

Azonban fontos megjegyezni, hogy száloptikai kábelek törékenyek és különleges gondosságot igényelnek a telepítés során. Emellett speciális csatlakozókat és hálózati kártyákat használnak az adatok továbbításához és fogadásához. Ezek a kábelek drasztikusan drágábbak a hagyományos réz alapú kábeleknél, de gyors internetkapcsolatokhoz és nagy adatsebességekhez ideálisak, különösen olyan helyeken, ahol a megbízható adatátvitel kiemelten fontos – az autó több rendszere és alrendszere ilyen.

A száloptikai kábeleknek néhány további jellemzője és kihívása is van:

• Törékenység: a száloptikai kábelek általában törékenyek és érzékenyek a hajlításra és meghajlításra. Ezt a tulajdonságukat megfelelő kezeléssel és telepítéssel kell kezelni annak érdekében, hogy ne sérüljenek.
• Távolság: A száloptikai kábelek hosszú távú adatátvitelre is alkalmazhatók, de a jelek erősítése néha szükséges lehet hosszabb távolságokon.
• Speciális eszközök: Száloptikai kábelek speciális csatlakozókat és eszközöket igényelnek az adatok átviteléhez és fogadásához. Ez azt jelenti, hogy a beruházások és a karbantartás költségei magasabbak.

Melyik a leggyakrabban használt kábeltípus az egyes adatkommunikációs hálózatokban?

Ipari berkekben széleskörben elterjedt a rugalmas PUR (poliuretán bevonatos) adatkábel árnyékolással, finom rézhuzalos átlapolt árnyékolásból áll, amely ellensúlyozza az elektromágneses interferenciát és zavarokat. Alkalmas beltéri és kültéri használatra, alkalmas nedves és nedves környezetben való használatra. Hőmérséklet tartománya -25°-tól +70°C-ig terjed, kiválóan alkalmas nagy (hajlító) igénybevétel felvételére ott, ahol nagyon fontos az interferenciamentes adat- és jelátvitel, gyakran használják a mérés- és vezérléstechnikában, hajtásláncokban, érzékelőknél, adat- és jelátvitelben, telekommunikációban, orvostechnikában stb. Általában a legjobb választás LAN hálózatokhoz. Emellett egyre több hálózat válik vezeték nélkülivé számos előnye miatt, amelyek a mobilitás, a gyors telepítés, a költséghatékonyság és bővíthetőség.

Autós alkalmazásra ugorva cikkünket a gépjárműfedélzeti rendszereknél használt kábelek felsorolásával zárjuk:

• K-bus: 9.6 kbit/s soros protokoll, egyvezetékes rendszer, gyakran használt járművek diagnosztikai rendszereiben.
• Diagnostic cable: 10.5 - 115 kBit/s soros protokoll, egyvezetékes rendszer, a diagnosztikai kábel a járművek hibakeresésére és karbantartására szolgál.
• K-CAN: 100 kbit/s soros protokoll, 2-vezetékes rendszer, a járművek közötti kommunikációhoz használt.
• D-CAN: 500 kbit/s soros protokoll, 2-vezetékes rendszer, gyorsabb kommunikáció a járművek között.
• F-CAN: 500 kbit/s soros protokoll, 2-vezetékes rendszer, további járműkommunikációs lehetőségekhez.
• PT-CAN: 500 kbit/s soros protokoll, 2-vezetékes rendszer, például hajtásláncrendszerek kommunikációjához használják.
• CAN-FD: 2 MBit/s párhuzamos protokoll, 2-vezetékes rendszer, gyorsabb adatátvitelre szolgál.
• FlexRay: 10 MBit/s hibrid protokoll, 2-vezetékes rendszer, magas sebességű kommunikációhoz használják például a biztonsági rendszerekben.
• byteflight: 10 MBit/s csillag protokoll, optikai kábel, az adatok nagy sebességű továbbításához alkalmazzák.
• MOST: 22.5 MBit/s gyűrű protokoll, optikai kábel, multimédia- és infotainment-rendszerrel kapcsolatos kommunikációra használják.
• Ethernet: 100 MBit/s Point-to-point protokoll, 5-vezetékes rendszer, a hálózati kapcsolatokhoz.
• OABR Ethernet: 200 MBit/s Point-to-point protokoll, 2-vezetékes rendszer, gyorsabb hálózati kapcsolatokhoz.
• Buszok: K-bus protocol, BSD, D-bus, LIN bus: 9.6 kbit/s soros protokollok, egyvezetékes rendszerek, különböző járműbuszok, amelyeket a diagnosztika és a kommunikáció során használnak.

folytatjuk!

A csavart érpáras kábelek rejtelmeivel ebben a videóban ismerkedhetünk:

forrás:
gore.com
leoni-automotive-cables.com
laserfocusworld.com