Sprehod po poglavjih

1. Sprehod po poglavjih • Elektrostatika • Elektrodinamika • Elementi električnega tokokroga • Veriga generiranja, transformiranja in uporabe električne energije • Elektronika v prometu • Osnovni pojmi regulacije v prometu

2. Zanesljivost naprav Čas, ki preteče med dvema zaporednima okvarama • Življenjska doba – s statistično porazdelitvijo • Objekti, ki se starajo (motorji, pnevmatike, orodja)porazdelitev odvisna od zunanjih vplivov • Objekti, ki se ne starajo (elektronski elementi, če niso preobremenjeni!)porazdelitev okvar popolnoma naključna • Zanesljivost Z(t) • verjetnost, da komponenta po času t še ni pokvarjena (Stöcker, str. 731) • Pričakovani čas do okvare MTTF (Mean Time To Failure) za sisteme, ki jih ob okvari zamenjamo, ne popravljamo • stopnja okvarjenosti: • na primer 10-7h (1 okvara na 10 milijonov komponent ur) za ključne procese, ni zadosti vodenje cestnega, letalskega prometa z GNSS, transakcije v denarnem prometu, prenos električne energije • Pričakovani čas med okvarami MTBF (Mean Time Between Failures) za sisteme, ki jih ob okvari popravljamo

3. Naloga Proizvajelec po izdelavi pospešeno preizkuša svoje nove naprave in beleži koliko naprav se je pokvarilo ob katerem času. Narišite diagram in ocenite življenjsko dobo izdelane naprave. Ocenite zanesljivost (št. naprav, ki še delujejo/skupno št. preizkušanih naprav) in stopnjo okvarjenosti (št. okvar/ skupno št. preizkušanih naprav), ki bi jih z izbrano življenjsko dobo poslali na trg.

4. Zanesljivost Prva inženirska naloga za sistem: kolikšno zanesljivost zanj zahtevati? Oceno zanesljivosti moramo imeti za sistem po izdelavi, oceno preverjamo z rednimi preizkusi in pregledi. Funkcije sistema in dokumentacija morajo biti zanesljivi. Zahteve za zanesljivost so vsebovane v podrobnih opisih sistemov in podsistemov, načrtih preizkusov in tudi v členih pogodb. Zahteve izražamo s parametri zanesljivosti, od katerih je najbolj pogost mean-time-between-failure (MTBF), ki ga lahko razumemo kot pogostnost odpovedi = število odpovedi v določenem obdobju.

5. Zanesljivost naprav načrtovanje izdelava materiali Kakovost proizvodov Skladnost (odvisna od t) Zanesljivost (odvisna od t) MTBF Stopnja okvarjenosti (AQL, LTPD, ppm) MTTF Povpr. življ. doba Porazdeljenost parametrov Uporaba proizvodov Verjetnost preživetja Stabilnost parametrov Presoja proizvodov Po knjigi: Component Reliability for Electronic SystemsTitu-Marius I. Băjenescu,Marius I. Bâzu

6. Zanesljivost naprav

7. Zanesljivost naprav

8. Polprevodniške tehnologije

9. Nekaj definicij • Signal pojav, ki nosi informacijo o obnašanju sistema • Enosmerni tok tok, ki ves čas teče v isto smer • Izmenični tok tok, ki ves čas spreminja smer • Element tokokroga dvovhodni element skozi katerega teče električni tok • Karakteristika elementa odvisnost med izhodno in izhodno veličino (npr. I(U)) • Linearni elementi tokokrogov upor, kondenzator, tuljava imajo linearno karakteristiko • Nelinearni elementi so elementi z nelinearno karakteristiko (iz polprevodniških materialov)

10. Še nekaj definicij • prepovedani pas energijski skok, ki ga morajo opraviti elektroni (e-), da postanejo nosilci el. toka • vrzel če atomu manjka en e- do nevtralnosti, pravimo, da ima en pozitiven naboj, kar imenujemo vrzel (v+) • PN spoj osnovni gradnik digitalne elektronike, nastane ob staknitvi polprevodnikov, enega s prevladujočimi e- (N tip) in drugega s v+ (P tip) • osiromašeno področje prostor v okolici PN spoju, v katerem ni prostih nosilcev naboja (niti e-, niti v+) • dioda element, ki dopušča el. tok le v eno smer • mikroelektronske tehnologije (ločimo ji po debelini najtanjših povezav μm ali nm) zaporedje postopkov izdelave drobnih integriranih vezij • integrirano vezje po mikroelektronskih postopkih na eni silicijevi rezini izdelana enota, sestavljena iz množice tranzistorjev, diod, namenjena za opravljanje funkcij na majhni površini • mikroprocesor enota, sestavljena iz delov, ki, glede na signale na vhodih po vgrajenem programu, omogočajo izvajanje predvidenih funkcij (logičnih, aritmetičnih)

11. Kaj je PN spoj in za kaj je uporaben? • prepovedani pas onemogoča e-, da se pri Tsob gibljejo kot el. tok prevodnik, izolator in polprevodnik (En) • Spoj in diode (En) • Polprevodniki in uporaba (Eh..) • Dioda: Delovanje, uporaba (En) • Tranzistor: delovanje 1delovanje 2 (En) • Logična vrata: delovanje (En) • Prozorna elektronika (Slo)

12. Tok PN diode IS .. tok nasičenja v zapori (značilno nekaj nA) UT .. termična nepetost (običajno pri Tsob znaša 26 mV) n .. faktor diode (n=1 za diode v integr. vezjih, n=2 za diskretne diode)

13. Sodobna elektronika • komunikacija(telefon, radio) • obdelava informacij (računalnik) • stik z realnostjo (radio-navigacijski pripomočki, radio-lokacijski pripomočki)

14. Digitalna tehnika • Štetje čas in Galileo • Merjenje časa – koliko znaša deviacija merjenja časa z atomsko uro? ______ s • Koliko dobimo, če to deviacijo pretvorimo v razdaljo? ______ m • Osnova številskih sistemov sta enota in sistem uteži (glej R. Čop, Osnove digitalne tehnike (ODT), str. 2) • Logične funkcije

15. Digitalna tehnika • Polprevodniški materiali • ponavadi silicij + primesi (dopanti) • mikroelektronska tehnologija: rezine, tiskanje s svetlobo, izdelava mikroprocesorja • Polprevodniški elementi • nelinearni elementi • diskretni • diode • transistorji • http://www.rtvslo.si/znanost-in-tehnologija/intelov-velik-korak-k-uporabi-tridimenzionalnih-tranzistorjev/256812 • http://colos1.fri.uni-lj.si/ERI/RACUNALNISTVO/RAC_SLOJI/Tranzistor.html • integrirana vezja • Strukture • odločitvene (vmesniki za senzorji,...) in pomnilniške (RAM,..) • avtomati – prosto po Von Neumannu: naprava, ki glede na vhodne pogoje in po programu opravlja predvidene operacije in se jo da preprogramirati • komunikacijska vezja

16. Brezžična komunikacija • Brezžičnost • Za komunikacijo ni treba žic, optičnih vlaken, uporablja pa se radijski oz. optični spekter ali ultrazvok s fiksno ter nomadsko oz. mobilno uporabo • Pozorni moramo biti na: • domet komunikacije • zasedenost povezav • motnje pri prenosu • hitrost prenosa podatkov • varnost komunikacije • opremo za komunikacije • razpoložljivo energijo • ceno za zasedanje spektra

17. Elektromagnetno valovanje (emv) električno in magnetno polje v prostoru in času naprave poti razširjanja emv zanesljivost naprav in prenosa informacij Elektromagnetno sevanje (EMS) učinki na okolico naprav učinki na človeka Brezžično širjenje informacij

18. Naravni zakoni(upad zaznane moči z oddaljenostjo) 250 W satelit GNSS 20 000 km 1300 km 1 W izvormotenj

19. Elektromagnetna sevanja (EMS) Sevanje je oddajanje valov ali delcev, ki se širijo v prostor (sevanje radijske antene, sevanje radioaktivnega vira, sevanje svetlobe). Pri sevanju nas zanima jakost sevanja (potencialna izpostavljenost sevanju) in absorbirana moč sevanja (dejanski učinek sevanja – na tkiva) Izpostavljenost različnim jakostim povzroča sile v celicah Učinek: tkiva absorbirajo del izsevane moči EMS

20. Omejitve seval • Omejitve s stališča uporabnika: specifična vsrkana moč Specific Absorption Ratio SAR = ( E2)/ • izvor sevanja: efektivna vrednost električne poljske jakosti E • tkivo: specifična prevodnost  in specifična gostota  prim. El. praktikum str. 156 in http://www.forum-ems.si/

21. Učinki sevanj: segrevanje tkiv • Človekovo telo • proizvaja do 150 W (metabolizem), pri težkem delu do 1000 W, • absorbira med opoldanskim sončenjem do 200 W, od RF sevanj 5,6 W • Biološke učinke EMS ocenjujemo z absorpcijo v telesu, ki je določena s stopnjo specifične absorpcije (SAR). Koliko moči absorbira biološka snov (W/kg). SAR se povpreči na 6 minut. • Ob blagem segrevanju telesa za njegovo izravnavo dokazano poskrbijo naravni mehanizmi v telesu (termoregulacija). Močno segrevanje pa lahko telo preobremeni in povzroči škodljive vplive na zdravje. • Človek v svojem okolju ni izpostavljen samo enemu viru EMS, temveč vsem virom EMS v določenem okolju hkrati. Posledice akumulacije absorbiranih sevanj? • Za določitev izpostavljenosti EMS je potrebno izmeriti in oceniti skupno sevalno obremenitev okolja (http://www.forum-ems.si/). • Za frekvence med 400 in 2000 MHz - meji SAR za okolja: 0,4W/kg delovno 0,08W/kg bivalno energija sevanja naravni, vedno več umetnih izvori sevanj snov absorbira moč

22. Frekvenčni spekter Wikipedia commons Poglejte si simulacijo na INIS, 2013

23. Sistemi brezžičnih zvez 5G po A. Štern, 2012

24. WGAN Stacionarni in mobilni domet: nekaj 1000 km Različne hitrosti: kbit/s do nekaj 10 Mbit/s Pokrivanje s sateliti LEO, MEO in GEO BGAN Broadband Global Area Networks Stacionarni domet: do 100 km, tip. 30 km Hitrost: do 72.6 Mbit/s, tip. 18 Mbit/s Kognitivni radio pri izrabi TV kanalov Operatersko okolje WRAN IEEE 802.22 Wireless Regional Area Networks WWAN Mobilni domet: do 35 km, tip. 5 km Hitrost: do 21.6 Mbit/s HSPA+ Celično globalno pokrivanje Operatersko okolje IEEE 802.20 Mobile Broadband Wireless Access (MBWA) 3GPP, 3GPP2 GSM, UMTS, HSxPA, HSPA+, LTE, LTE-Advanced WMAN Stacionarni in mobilni domet: do 50 km, tip. 5 km Hitrost: 5 - 75 Mbit/s Operatersko okolje IEEE 802.16 Wireless MAN MMDS, LMDS ETSI HIPERMAN & HIPERACCESS WLAN Nomadsko: do 500 m Hitrost: do 150 (600) Mbit/s Lokalno pokrivanje Brezplačna uporaba IEEE 802.11 Wireless LAN ETSI HIPERLAN WPAN Nomadsko: do 50m Hitrost: do 1 Mbit/s, (do 1 Gbit/s) Osebno pokrivanje, brezplačno ZigBee UWB IEEE 802.15 Bluetooth WBAN Bližina telesa: do 10 cm aktivni RFID: do 50 m Hitrost: do 424 kbit/s RFID NFC A. Štern, 2012 Brezžične tehnologije

25. RFID • RFID in kako delujejo? čitalnik - priponka • http://www.element14.com/community/videos/8770/l/recording-of-elektor-academy--rfid-trickery • Pasivni (em val čitalnika, kateremu približamo priponko, inducira napetost v dolgi anteni priponke, kar vzbudi dejavnost čipa) • manjše razdalje: LF, HF na cca. 1m, UHF do 10m • čitalniki na ključnih mestih: vrata, izhod od blagajne v trgovini, ključavnica avtomobila, avtomat za pijače • Aktivni (baterija) • do nekaj 10 m • večje hitrosti prenosa podatkov, • (mikrovalovna izvedba) cestninjenja, stanje zalog, inventarja, gibljivost zaposlenih v nadzorovanih območjih • RFID in NFC (komunikacije v bližnjem polju – čitalnik in priponka sta nekaj valovnih dolžin ( = c/f) narazen) • skupaj omogočata večje hitrosti prenosa (do 424 kbit/s), nove storitve (vstopnice, plačila, vizitke)

27. Problem 1 Večje število prepeljanih potnikov v javnem prevozu je možno doseči s sistemom prioritete avtobusov. Vozila sporočajo svoje položaje z zig-beeji. • Ali je sistem prioritete vozil javnega prevoza (bus priority) učinkovit v primeru LPP? Dimc, Pečar, .., Valič, 2013, AN EVALUATION OF BUS PRIORITY PILOT APPLICATION FOR EFFICIENT BUS SERVICE IN LJUBLJANA Rešitev z zig-bee v prometu

28. Data exchange Dimc, Pečar, .., Valič, 2013, AN EVALUATION OF BUS PRIORITY PILOT APPLICATION FOR EFFICIENT BUS SERVICE IN LJUBLJANA Rešitev z zig-bee v prometu

29. Elektronska komunikacijska sredstva • Področje elektronike • Zasnova elektronskih sistemov s katerimi: • kodiramo (moduliramo,...) • oddajamo • detektiramo informacije

30. Zmogljivost prenosnega kanala Kdaj prenesemo več podatkov? Kdaj imamo večjo rumeno kocko? • če prenašamo dlje časa na širšem pasu in z večjo močjo Kako več uporabnikov navidezno hkrati prenaša podatke? • FDMA - frekvenčni sodostop (Frequency Division Multiple Access) • TDMA - časovni sodostop (Time Division Multiple Access) • CDMA - kodni sodostop (Code Division Multiple Access) po A. Štern, 2012

31. Izvor-ponor informacij Električni tok Radijski signal IZVOR INFORMACIJE IZVORNI KODIRNIK KANALSKI KODIRNIK MODULATOR PRENOSNI KANAL Govor, glasba, slike, video, podatki WAV, MP3, JPEG, DivX, ZIP robustnost, redundanca, priprava na lastnosti prenosnega kanal AM/FM, QPSK, QAM64, kHz, MHz, GHz izgube, lom, uklon, presih, presluh, šum, interferenca PONOR INFORMACIJE PONORNI DEKODER KANALSKI DEKODER DE- MODULATOR po A. Štern, 2012

32. Modulacija • Zakaj moduliramo? • Pomembni pojmi: • pasovna širina • nosilni signal (sinus določene frekvence) • informacijski signal (zvoki v telefoniji ali znaki v telegrafiji) • modulirani nosilni signal • nameni uporabe različnih vrst (katero modulacijo rabi radio, katero GSM?)

33. Modulacija • Splošno u(t)

34.   Pasovna širina • APEK z dodelitvijo frekvenčnega pasu dovoljuje uporabo spektra zgolj v določenem območju

35. pri AM vplivamo na Za posamezne modulacije rabimo… • ceneni kakovostni digitalni * sprejemnik pri M vplivamo na pri FM vplivamo na *za velike hitrosti prenosa podatkov; primerjava AM in M kaže, da na enaki pasovni širini, M prenaša več podatkov kot AM

36. Razmerje signal / šum (SNR) • Ali bo naprava signal (signal merjene veličine, informacijski signal) lahko rekonstruirala ali ne? • Moč (oddanega) signala, občutljivost sprejemnika • Moč toplotnega šuma elektronskih naprav in okolice • a) radijski sistem (Friisova enačba) • b) radar(signal se na razdalji R od oddajnikove antene odbija od prevodne površine k sprejemniku) • razmerje signal/šum med drugim odvisno od frekvence, oddaljenosti, slabljenja kTo .. močnostna gostota frekvenčnega spektra šuma [W/Hz] B .. efektivna pasovna širina (-3dB) [Hz] Fn .. šumno število [ ] PT .. oddajna moč v konici [W] GT, GR .. dobitka anten oddajnika in sprejemnika [ ] λ .. valovna dolžina [m] L .. skupno slabljenje [ ] R .. oddaljenost antene od odbojne površine [m] σ .. velikost odbojne površine [m2] Friis, 1946 radarska enačba

37. Slabljenje vzdolž poti razširjanja • Ko se signal v obliki elektromagnetnega vala razširja v prostor ali ko se sprememba napetosti razširja po kablu z oddaljevanjem od izvora, se njegova moč zaradi same razdalje zmanjšuje. • Ker pa je sredstvo, skozi katerega se signal razširja, realno, nastajajo izgube, ki jih povzema izraz slabljen Pna koncu .. moč signala na koncu obravnavane poti [W] Pna začetku .. moč signala ob izvoru [W] L .. slabljenje [dB] • Če je sredstvo linearno, je slabljenje sorazmerno razdalji do izvora oz. dolžini kabla do oddajnika • Izmerimo slabljenje L_kab v kablu dolžine D in kabel vzemimo kot linearno sredstvo. Če nas zanima slabljenje v kablu na enoto dolžine (npr. na 1 km), z razmerjem 1 km/D določimo L_km

38. Prenos govora in podatkov • Stopnje pred oddajo • govor (pretvorimo v digitalni zapis, kodiramo), podatke (z modemi prilagodimo na ustrezne napetostne nivoje) • kanalsko kodiranje (razporeditev po možnih kanalih) • šifriranje (tudi za varnost, zanesljivost prenosa) • moduliranje (vključitev visoke frekvence nosilnega signala) • Brezžično prenašamo modulirane signale po A. Štern, 2012

39. Celičnost mobilne telefonije • Operater GSM ima na voljo omejeno število prenosnih kanalov (frekvenc) • V sosednjih celicah se ne pojavijo iste frekvence • Šestkotniki (en osrednji in 6 okoli) tvorijo celico, vsaki celici pripada 1/7 vseh frekvenc • na eni frekvenci ( f1) poteka • 8 časovnih rezin uporabnikov in signalizacija • TDMA sodostop V zvočnikh ob prehodu med celicami zaslišimo motnjo s frekvenco 1 / 4,615 ms = 216,6 Hz po A. Štern, 2012

40. Klic v tujino Gateway Mobile Switching Centre Home Location Register Base Station Controller Kaj se zgodi, če iz Slovenije kličemo slovenskega naročnika, ki gostuje v tujini: • klicatelj v Sloveniji zavrti telefonsko številko mobilnika • pri domačem operaterju mobilnika se preveri stanje uporabnika (HLR) • uporabnik je doma, v domačem omrežju • uporabnik se nahaja v tujini, prijavljen je v omrežju tujega operaterja • uporabnik ima izklopljen telefon • klic se preusmeri v tujino • tuj operater • preveri, na katerem območju celic se uporabnik nahaja • sproži klic na skupino celic • naročnik v tujini • se odzove na klic • plača gostovanje po A. Štern, 2012

41. Sledenje našemu GSM.. • ..in podatki o nakupovalnih navadah http://www.pathintelligence.com/video/

42. Komunikacija in navigacija s pomočjo satelitov geostacionarna tirnica • Pokrivanje območij s satelitskimi signali • dopolnjevanje obstoječe prizemne komunikacijske infrastrukture • pomemben člen pri optimizaciji povezljivosti “kjerkoli, kadarkoli” v omrežjih 4G (5G) • pomembna vloga na območjih brez prizemne infrastrukture • morja in oceani, puščave, gore • postavitev visokih “baznih postaj” oz. “letečih ur” • bolj vertikalno pokrivanje ozemlja s signalom • dosegljivost tudi v dolinah in soteskah srednja tirnica (GPS) nizka tirnica

43. Prednosti in slabosti satelitskih komunikacij • Prednosti • pokrivanje zelo velikih geografskih območij • premoščanje nepokritih področij • cenovna politika neodvisna od razdalje oz. lokacije klica • možnost sprejema broadcast sporočil • kopica možnih storitev s področja zaščite in reševanja • Slabosti • veliki stroški vzpostavitve sistema • motnje v komunikaciji in zakasnitve • zasedenost frekvenc in tirnic • v večini potrebna vidnost prostega neba • slaba razpoložljivost terminalne opreme • in dostopa do tehnologije po A. Štern 2012

44. Satelitska radionavigacija (GNSS) • Leteče ure (sateliti GPS oz. GNSS) oddajajo signale, sprejemniki na Zemlji jih sprejemajo in določajo svoj položaj (PVT) • Pot signala od satelita (v srednji tirnici, 20.000 km) do sprejemnika na Zemlji se pot začne v brezzračnem prostoru (vakuumu), nadaljuje skozi ionosfero (ionizirana atmosfera) in konča v troposferi (vremenski vplivi). Vsi delci, ki jih signal na poti sreča, zavirajo njegovo potovanje in mu jemljejo moč. • Kako natančen je izračun položaja? • Natančnost je odvisna od števila satelitov nad obzorjem in vzorca njihove razporeditve v času določanja položaja (vzorec razporeditve se na pribl. 12 h ponovi) • Kako zanesljiv je izračun položaja? • Prisotnost šumov • Naravnih (izredna Sončeva dejavnost, ionosfera) • Umetnih (oddajanje na sosednjih frekvencah) • Prisotnost motenj • Nenamernih (‘nehote vklopljen motilnik...’) • Namernih (zmanjšati nadzor, neplačevanja) • Odpornost ‘navadnih’ sprejemnikov na motnje • Potvarjanje položaja (finančni interesi (KRIVOLOV) in kriminalna dejavnost – TRANSPORT NEVARNIH SNOVI)

45. Problem 2 Pojavljajo se primeri krivololova v zaščitenih območjih. Plovila oddajajo lažne podatke o svojem položaju. • Kako zaščititi javljalnike položaja vozil/plovil pred vdori oz. potvarjanji (spoofing/meaconing)? Zaščita podatkov o položaju plovil Kroener, Dimc, Hardening of civilian GNSS trackers

46. Zmanjšanje možnosti potvarjanja poslanih VMS podatkov Kako zaščitimo sprejemnik GNSS in oddajnik signalov na plovilih, ki oddaja informacije (VMS) za sledenje: • Zaznavamo, če nekdo prekriva sprejemnik/oddajnik s kovinsko škatlo • Fizično onemogočamo poseg v škatlo v kateri je sprejemnik GNSS • Preverjamo ali so signali GNSS istovetni? (authetication, ali sprejeti signali GNSS pripadajo resničnim satelitom?) Kroener, Dimc, Hardening of civilian GNSS trackers

47. Konstelacijski diagram 16QAM šum Digitalne modulacije c(t) = C cos (ωct + φc) • nQAM kvadraturne amplitudne modulacije • spreminjanje dveh parametrov: amplitude in faze • konstelacijski diagram - prikaz simbolov • vsak simbol pri nQAM nosi k bitov • pri 16QAM nosi vsak simbol log2n=k=4 bite • 2 bita določata amplitudo, 2 pa fazo • vpliv šuma • šum premika lokacije simbolov v naključni smeri • pri dani moči se posamezni simboli naključno približujejo • mejne hitrosti • moč pada s kvadratom razdalje • razdalje med simboli se hitro bližajo • pri istem šumu enkrat simboli trčijo • omejitev višjih redov modulacije z razpoložljivo močjo • hitrejši prenos -> bližje anteni moč po A. Štern, 2012

48. Problem 3 Zaznavanje delujočih satelitskih telefonov na morju lahko pomaga, da reševalci hitreje najdejo izvor klica na pomoč. • Ali je signal, ki ga sprejemamo, res signal satelitskega telefona in koliko si v tem razpoznavanju lahko pomagamo s programskim radiem (software defined radio)? Dimc, Baldini, Sithamparanatan, Experimental detection of satellite-mobile transmissions with cyclostationarity features Zaznavanje satelitskih komunikacij

49. Zaznavanje določene vrste EMV v prostoru Zaznavanje prisotnosti moči IN vrste kodiranja na sat. up-link frekvenci • za down-link: občutljiv sprejemnik (satelit 35 000 km) • analiza Dimc, Baldini, Sithamparanatan, Experimental detection of satellite-mobile transmissions with cyclostationarity features Iz oblike grafa sklepamo, da je signal, ki smo ga prestregli, res iskani signal

50. Sprehod po poglavjih • Elektrostatika • Elektrodinamika • Elementi električnega tokokroga • Veriga generiranja, transformiranja in uporabe električne energije • Elektronika v prometu • Osnovni pojmi regulacije v prometu