DE3716164C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Minimierung von Reflexionsstörungen auf Busleitungen, an die als Sender und/oder Empfänger für Impulsfolgen ausgebildete Teilnehmer angeschlossen sind, die entsprechend ihrem jeweiligen Betriebszustand unterschiedlich ausgeprägte Stoßstellen bilden.

Bei der Datenübertragung über Drahtkabelsysteme tritt das Problem auf, daß die einzelnen Teilnehmeranschlüsse Stoßstellen im homogenen Verlauf der Leitung bilden, an denen jeder einzelne Impuls eines zu übertragenden Impulstelegramms Reflexionen auslöst. Diese Reflexionen breiten sich von allen Stoßstellen links und rechts der augenblicklich sendenden Station in beiderlei Richtung des Bussystems aus und verfälschen die eigentlichen Informationen. Besonders kritisch ist das Problem deswegen, weil sich diese Reflexionen gegenseitig überlagern und verstärken können. Das Ausmaß dieser Störungen hängt nicht nur von fest vorgebbaren Parametern wie der Datenrate ab, sondern auch von dem Muster der zufällig gesendeten Impulsfolge, dem zufällig gewählten Abstand zwischen den Teilnehmeranschlüssen und dem Ort der augenblicklich sendenden Station: Ein zufälliges Zusammentreffen verschiedener ungünstiger Umstände kann nicht verhindert werden - wenn keine weiteren Maßnahmen ergriffen werden; es muß mit einem möglicherweise sehr hohen Störpegel gerechnet werden, der die Leistungsfähigkeit des gesamten Bussystems erheblich beschränkt.

Es ist ein Bus-System mit einer Busleitung bekannt, an der einzelne Teilnehmer in einer Wired-or-Verknüpfung angeschlossen sind. Wenn zwei oder mehr Teilnehmer die Busleitung mit einer binären "1" beaufschlagen, und ein Teilnehmer ändert sein Signal in eine binäre "0", treten Störimpulse auf, die Falschinterpretationen der Wertigkeit des binären Signals auf der Busleitung hervorrufen können. Eine Möglichkeit zur Vermeidung derartiger Störeinflüsse ist die Verwendung eines Zeitgebers in jedem Empfänger. Der Zeitgeber wird angestoßen, wenn ein Teilnehmer eine Änderung der Wertigkeit des binären Signals auf der Busleitung feststellt. Die Verzögerungszeit der Zeitgeber ist etwas größer als die Signalausbreitungsgeschwindigkeit auf der Busleitung. Eine andere Möglichkeit ist die Ausbildung der Busleitung zu einer Schleife, die sich längs des Abschnitts mit den angeschlossenen Teilnehmern überlappt. Die beiden sich überlappenden Abschnitte sind jeweils an die zwei verschiedenen Eingänge eines Teilnehmers angeschlossen, die durch eine ODER-Schaltung miteinander verknüpft sind. Der Signalpegel am Empfänger wird durch die ODER-Verknüpfung beider Signale bestimmt, die jeweils von der inneren und äußeren Schleife stammen (Taub, D. M. "Overcoming the effects of spurious pulses on Wired-OR-Lines in computer bus systems" in "Electronics Letters", 1983, Nr. 9, Seite 340 bis 341).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung dahingehend zu verbessern, daß das zufällige und unkontrollierte Anwachsen von Störungen auf den Busleitungen verhindert wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beschriebenen Maßnahmen gelöst. Wenn die Teilnehmerabstände unter Berücksichtigung der im Anspruch 1 angegebenen Abstände gewählt werden, treten keine unerwünscht hohen Reflexionsüberlagerungen - bei aller Vielfalt der denkbaren Muster der gesendeten Impulsfolgen - auf den Busleitungen auf. Die Störungen werden durch die Abstandsanpassung vermieden. Es lassen sich hohe Übertragungsraten mit geringem Aufwand erreichen. An die Busleitungen können zahlreiche Teilnehmer angeschlossen werden.

Bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, daß bei zeitlicher Rasterung der Datenübertragung an die Busleitung keine zwei Teilnehmer mit einem Abstand längs der Leitung nach der Beziehung

und keine zwei Teilnehmer mit einer Abstandsdifferenz längs der Leitung nach der Beziehung

zu irgendwelchen mit der Busleitung verbundenen Stoßstellen angeschlossen sind, wobei mit D der Abstand zwischen den Teilnehmern, mit v die Übertragungsgeschwindigkeit der elektrischen Signale auf der Busleitung, mit D₁ der Abstand eines ersten Teilnehmers zu irgendeiner Stoßstelle, mit D₂ der Abstand eines anderen Teilnehmers zu irgendeiner der weiteren Stoßstellen, mit T die Grundzeit der Datenübertragung und mit N eine ganze Zahl bezeichnet ist, die für die erste Beziehung 2 und für die zweite Beziehung 1 ist.

Die Projektierung wird erleichtert, wenn die Teilnehmer in einem Rastermaß oder einem ganzzahligen Vielfachen dieses Rastermaßes mit der Busleitung verbunden sind, wobei das kleinste Vielfache des Rastermaßes, das einem der Abstände oder einer der Abstandsdifferenzen gleicht, so groß ist, daß die Dämpfung der Signale auf einer diesem Vielfachen entsprechenden Strecke der Busleitung eine zur Minimierung der Reflexionsstörungen erforderliche Höhe aufweist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Busleitung ein Koaxialkabel mit einer Dämpfung in der Größenordnung von 4 dB/100 m (bei 15 MHz), wobei die Vorschriften für den Leitungsabstand und die Abstandsdifferenz nur bei Teilnehmern gilt, die nicht weiter als 300 m voneinander entfernt sind. Wegen der Dämpfung der Reflexionssignale auf den Busleitungen kann die Reichweite vergrößert werden, ohne daß bei Überschreiten des vorstehend erwähnten Abstands die Einschränkungen bezüglich Abstand und Leitungsdifferenz gelten. Es können auch andere Leitungen als Koaxialkabel verwendet werden, z. B. verdrillte Zweidrahtleitungen, bei denen sich dann aufgrund anderer Dämpfungen auch andere Werte ergeben.

Vorzugsweise sind benachbarte Teilnehmer bei einer Datenrate von 0,4 MBit/s in einem Rastermaß von 29 m voneinander angeordnet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 6 und 7 beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben, aus denen sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben. Es zeigen

Fig. 1 ein Ersatzschaltbild einer Teilnehmeranschlußstelle (Busteilnehmerstation), gültig für den Zeitbereich der Impulsflanken,

Fig. 2a ein Zeitdiagramm eines Impulses und der Reflexion des Impulses an der Teilnehmeranschlußstelle gemäß Fig. 1,

Fig. 2b ein Zeitdiagramm einer durch die Rückflanke eines Spannungsimpulses an einer Teilnehmeranschlußstelle erzeugten Reflexion,

Fig. 3a Momentaufnahmen eines Impulses und dessen Reflexionen an einem Busteilnehmeranschluß für verschiedene Zeitpunkte an wechselnden Stellen der Leitung,

Fig. 3b in vergrößerter Darstellung eine Signalimpulsvorderflanke, der sich ein Reflexionsimpuls überlagert hat,

Fig. 4a+b ein Zeitdiagramm zweier Impulse im zeitlichen Abstand, die über eine Leitung mit zwei Teilnehmeranschlüssen übertragen werden,

Fig. 5a+b Momentaufnahmen für zwei Impulse und deren Reflexionen auf einer Leitung mit zwei Stoßstellen für zwei unterschiedliche Zeiten,

Fig. 5c Momentaufnahmen wie bei 5a und 5b, jedoch mit geänderten Abständen, der Stoßstellen und der Rückflanken der zwei Impulse, so daß sich Reflexionsüberlagerungen ergeben,

Fig. 6 einen Teil eines Bussystems mit einer sendenden und einer empfangenden Station sowie zwei weiteren Stoßstellen,

Fig. 7a ein Zeitdiagramm der Reflexionen für das Bussystem gemäß Fig. 6 auslösenden Impulse,

Fig. 7b ein Zeitdiagramm eines einzelnen Impulses, dessen Vorder- und Rückflanken sich überlagernde Erst- und Zweitreflexionen verursachen,

Fig. 8 ein Zeitdiagramm eines Datentelegramms mit manchestercodierten Daten,

Fig. 9 ein Buskabel mit einer Anzahl von Busteilnehmerstationen,

Fig. 10 Darstellung von Reflexionen, die sich - gegeneinander zeitlich versetzt - überlagern und die Kabellängentoleranzfrage veranschaulichen.

Anhand der Fig. 1 bis 7 der Zeichnung werden im folgenden die Bedingungen ermittelt, unter denen sich auf einer Busleitung verstärkende Reflexionen ergeben können. Danach werden die Maßnahmen zur Auswahl von Teilnehmerabständen angegeben, bei denen störende Reflexionsüberlagerungen vermieden werden.

Die verschiedenen Phänomene und Probleme, die bei der Untersuchung der Reflexionsursachen und -wirkungen gleichzeitig im Auge behalten werden müssen, sollen zunächst getrennt voneinander dargestellt werden. Sie werden am Beispiel einer Koaxial-Kabel-Verbindung für ein Bussystem erläutert, gelten aber auch für andere Übertragungsmedien, z. B. Zweidrahtleitungen.

1.1 Reflexionen eines einzelnen Impulses an einer einzigen Teilnehmeranschlußstelle (Busteilnehmerstation)

Betrachtet sei ein Impuls 3, der sich von links nach rechts über eine Busleitung 1 mit zunächst nur einem einzigen Teilnehmeranschluß 2 bewege. Das Ersatzschaltbild des Teilnehmeranschlusses (Fig. 1) mit den Widerständen R₁, R₂ der Induktivität L _σ und der Kapazität C gelte für den Zeitbereich des Impulsflankenanstiegs bzw. Abfalls. Die Vorder- und Rückflanke 4, 5 des Impulses 3 löst am Ort des Teilnehmeranschlusses zwei Reflexionen 6, 7 aus, die näherungsweise exponentiell abklingen (Fig. 2). Sie laufen von rechts nach links über die Leitung 1 zurück. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Impuls 3 und Reflexionen 6, 7 ist betragsgleich. Sie hat bei einem Koaxialkabel mit Voll-Polyäthylen- Isolierung z. B. typischerweise den Wert v = 1 m/5,0552 ns (Wellenwiderstand 75 Ω). Fig. 3a zeigt für verschiedene Zeitpunkte t Momentaufnahmen von Impuls und Reflexionen auf der Leitung 1. In jedem Fall ist die Reflexion, die durch die Vorderflanke eines Impulses ausgelöst wird, vorzeichenentgegengesetzt zu der, die durch die Impulsrückflanke ausgelöst wird (Fig. 2a).

Die angegebenen Zahlenwerte dienen nur zur konkreten Erläuterung des Verfahrens.

Schwierigkeiten können dann entstehen, wenn sich Reflexionen bzw. Überlagerungen gleichsinniger Reflexionen in den Impulsflanken eines Telegramms ansiedeln. Den Empfangsschaltungen werden dann Signale angeboten, die gemäß Fig. 3b fehlerbehaftet sind. In Fig. 3b ist in Abszissenrichtung die Zeit t und in Ordinatenrichtung das Empfangssignal U _E dargestellt. Falls keine Reflexionsstörung vorhanden ist, hat das Empfangssignal U _E eine Impulsflanke I _A . Die Reflexionsstörung ist mit R _F bezeichnet, die sich I _A überlagert. Geht man davon aus, daß die Empfängerschaltung die eintreffenden Signale nur ab einem bestimmten Schwellwert detektiert und weiterverstärkt, dann bestehen - je nach relativer Lage des Schwellwerts zu der Reflexionsstörung - beispielsweise zwei Fehlermöglichkeiten:

• 1. Zeichenverzerrung durch eine Impulsbreitenveränderung um Δ t₁ (bei Schwellenlage 1 gemäß Fig. 3b);
• 2. Signalfehlinterpretation: die Empfangsschaltung registriert eine in Wirklichkeit nicht vorhandene Impulslücke der Dauer Δ t₂ (bei Schwellenlage 2 gemäß Fig. 3b).

1.2 Reflexionen von zwei Impulsen an zwei Teilnehmerschlußstellen

Es seien nun zwei Impulse 3, 8 betrachtet, die von links nach rechts über eine Leitung 10 laufen, die zwei Teilnehmeranschlußstellen (=Stoßstellen) 2 und 9 im Abstand D aufweist. Der zeitliche Abstand der jeweiligen abfallenden Flanken der zwei Impulse 3, 8 sei ϑ (Fig. 4a und 4b).

Bei den folgenden Betrachtungen steht zunächst die Betrachtung der Reflexionen der Impulsrückflanken im Vordergrund. Die analogen Überlegungen gelten jeweils auch für die Vorderflanken. Später wird darauf eingegangen, wie auch eine Rückflanke zusammen mit einer Vorderflanke eine gleichsinnige Reflexionsüberlagerung auslösen kann.

In Fig. 5a, b und c sind für drei verschiedene Zeitpunkte t₁, t₂, t₃ jeweils Momentaufnahmen von Impulsen 3, 8 und Reflexionen R _mns , bzw. R _mnF auf der Leitung 10 dargestellt. Die Reflexionen der ansteigenden Flanke eines Impulses m an einer Stoßstelle sind mit R _mns bezeichnet.

Entsprechend sind die Reflexionen der abfallenden Flanke des Impulses m an der Stoßstelle n mit R _mnF bezeichnet.

Zum Zeitpunkt t₁ hat Impuls 8 beide Stoßstellen 2, 9 passiert, Impuls 3 hat noch keine der zwei Stoßstellen 2, 9 erreicht. An Reflexionen sind R _82S , R _82F , R _89S , R _89F entstanden.

Zum Zeitpunkt t₂ haben sowohl Impuls 8 als auch Impuls 3 die zwei Stoßstellen 2, 9 passiert. Das Beispiel wurde so konstruiert, daß die sich ausbildenden Reflexionen R _82S , R _82F , R _89S , R _89F und R _32S , R _32F , R _39S , R _39F sich nicht überlagern; der zeitliche Abstand ϑ der Impulsrückflanken und der räumliche Abstand D wurden entsprechend aufeinander abgestimmt. Offensichtlich können sich daraus die Reflexionen des früheren Impulses 8, die an der entfernteren Stoßstelle 9 entstehen, mit den Reflexionen des späteren Impulses 3 überlagern, die an der näheren Stoßstelle 2 entstehen, wenn nur der räumliche Abstand D der zwei Stoßstellen und der zeitliche Abstand ϑ der Impulsrückflanken in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen:
Es muß gerade

sein. Dabei ist v die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Impuls und Reflexionen. Zum Beweis nehme man an, daß zu einem beliebigen Zeitpunkt die Rückflanke von Impuls 8 gerade an Stoßstelle 2 in Richtung 9 vorbeilaufe. Nach der Zeit D/v erreicht diese Rückflanke die Stoßstelle 9, wo sie eine Reflexion auslöst. Diese Reflexion trifft nach der Zeit D/v nach ihrer Auslösung an Stoßstelle 2 ein, d. h. zwischen dem Zeitpunkt des Vorbeilaufens der Rückflanke von Impuls 3 an Stoßstelle 2 und dem Eintreffen der von ihr ausgelösten Reflexion an Stoßstelle 2 liegt die Zeit 2D/v. Wenn diese Zeit gerade gleich der Zeit ϑ ist, trifft die genannte Reflexion genau zu dem Zeitpunkt an Stoßstelle 2 ein, in dem dort auch die Rückflanke von Impuls 3 eintrifft. Die von der Rückflanke von Impuls 3 an Stoßstelle 2 augenblicklich ausgelöste Reflexion läuft dann zeitgleich mit der von Impuls 8 ausgelösten Reflexion von Stoßstelle 2 aus gemeinsam über dieselben Punkte der Leitung 10 nach links.

Bei Erfüllung der obigen Bedingung (1) ergeben sich also Reflexionen, deren Wert doppelt so hoch wie der einer einfachen Reflexion ist. Fig. 5c dient zur Veranschaulichung:

Gegenüber Fig. 5a und b ist der Abstand D der zwei Stoßstellen 2, 9 derart vergrößert, daß die von Impuls 3 an Stoßstelle 2 ausgelöste Reflexion zeitgleich mit der von Impuls 8 an Stoßstelle 2 ausgelösten Reflexion von Stoßstelle 2 an nach links über die Leitung zurückläuft, was an dem doppelt so hohen Reflexionswert zu erkennen ist.

1.3 Reflexionen von mehreren Impulsen an mehreren Teilnehmeranschlußstellen

Laufen mehrere Impulse über eine Leitung, auf der sich in bestimmten Abständen Stoßstellen befinden, so können zwei bestimmte Impulse von ihnen - nicht notwendigerweise zwei benachbarte - an zwei bestimmten Stoßstellen - nicht notwendigerweise an zwei benachbarten - Reflexionen auslösen, die sich gegenseitig gleichsinnig überlagern, also verstärken. Es ist offensichtlich auch möglich, daß sich die Reflexion eines Impulses nicht nur mit der eines zweiten Impulses, sondern gleichzeitig auch mit denen zahlreicher anderer Impulse gleichsinnig überlagern kann. Die oben angegebene Bedingung (1) ist dann gleichzeitig mehrere Male für verschiedene Teilnehmerabstände und Impulspaare erfüllt.

Die hieraus resultierende Reflexionsüberlagerung kann einen Pegel erreichen, der um ein Vielfaches höher als der einer einzelnen Reflexion ist.

1.4 Dämpfungseinfluß

Die gleichsinnige Überlagerung von zwei Reflexionen ist um so intensiver, je kürzer der Laufweg D der einen Reflexion ist, die von der einen Reflexionsstelle zu der anderen Stelle läuft, an der die andere Reflexion ausgelöst wird, weil die eine Reflexion dann um so gedämpfter ist.

Der Verlauf der Reflexion gemäß Fig. 2b entspricht einem Signal mit einem großen Spektralanteil bei ≈15 MHz. In Fig. 2b ist in Ordinatenrichtung die reflektierte Spannung U _R und in Abszissenrichtung die Zeit t aufgetragen. Die Anstiegsflanke T _{A, 0-100%} beträgt etwa 25 ns, während die Abfallflanke T _{F, 100-10%} etwa 50 ns beträgt.

Bei einem RG59B/U-Koaxialkabel beispielsweise beträgt die Dämpfung bei 15 MHz etwa 4 dB/100 m, also 8 dB/200 m bzw. 12 dB/300 m. Das heißt, der Reflexionsspitzenwert von 0,21 V ist

nach 100 m auf 0,132 V,
nach 200 m auf 0,084 V,
nach 300 m auf 0,052 V

gedämpft.

1.5 Reflexionen aus entgegengesetzten Richtungen 1.5.1 Wirkungsweise

In Kap. 1.1-1.3 werden nur Reflexionen betrachtet, die in gleicher Richtung laufen, da bei den sie erzeugenden Impulsen angenommen wird, daß sie ebenfalls nur in einer Richtung laufen.

Es soll nun untersucht werden, wann gegenläufige Reflexionen auftreten und wann diese sich in schädlicher Weise überlagern können. Gegenläufige Reflexionen können auf zweierlei Weise entstehen; je nach Entstehungsart sind sie schädlich oder unschädlich:
Von der sendenden Station werden die Daten in jeweils beide Richtungen der Busleitung, von dort aus gesehen in den rechten und linken Strang des Bussystems ausgesendet. Dort lösen sie an jeder Teilnehmeranschlußstelle Reflexionen aus, die jeweils in Richtung zur sendenden Station zurückwandern. Es wird davon ausgegangen, daß eine Station im Sendezustand einen sehr niedrigen Innenwiderstand hat, was in Fig. 6 mit R _i =O bezeichnet ist.

Im weiteren Verlauf sind nun zwei Fälle möglich:

Fall 1

Die sendende Station hat zu dem Zeitpunkt, in dem die erste Reflexion an ihr vorbeikommt, ihre Sendung abgeschlossen, so daß sie den für den Sendezustand typischen niedrigen Innenwiderstandswert eben nicht besitzt.

Die genannte erste Reflexion und alle weiter folgenden Reflexionen können ihrer jeweiligen Richtung folgend vom linken in den rechten und vom rechten in den linken Strang übertreten. Sie laufen den jeweils aus der anderen Richtung kommenden Reflexionen entgegen und werden sich in jedem Fall an einer bestimmten Stelle überlagern; nur: diese Reflexionen sind unschädlich, da sie ja dem ausgesendeten Telegramm hinterherlaufen - sie haben ja den Ort des Senders passiert, als dieser bereits seine Sendung abgeschlossen hatte. Reflexionen erster Art können sich also in den Impulsflanken des Telegramms nicht ansiedeln. Ihre Auswirkungen werden deswegen im weiteren nicht mehr verfolgt.

Fall 2

Die sendende Station hat in dem Zeitbereich, in dem die Reflexionen bei ihr eintreffen, ihre Sendung noch nicht abgeschlossen. Sie wirkt auf die bei ihr eintreffenden Reflexionen wegen ihres niedrigen Innenwiderstandes, den sie im Sendezustand besitzt, als starke Reflexionsstelle, indem sie die an ihr eintreffenden Reflexionen invertiert.

Reflexionen dieser Art, im folgenden als Zweitreflexionen bezeichnet, laufen auf die aus der rechten Richtung kommenden Reflexionen, den Erstreflexionen, zu, und können sich innerhalb des Datentelegramms durchaus mit diesen in gefährlicher Weise überlagern.

Zur Berechnung der Reflexionen kann man davon ausgehen, daß an der Stelle der sendenden Station durch ihren kleinen Innenwiderstand das Bussystem in zwei Teile zerlegt wird, in jedem der zwei Teile können die Reflexionen getrennt voneinander berechnet werden. In Fig. 6 sei der rechte Teil des Bussystems mit der Busleitung 1 dargestellt. Es soll die Bedingung abgeleitet werden, unter der sich eine von rechts kommende Erstreflexion mit einer von links kommenden, an einer sendenden Station S entstandenen Zweitreflexion gleichsinnig gerade an der Stelle einer empfangsbereiten Busstation E überlagern kann.

Hierzu seien im Zusammenhang mit Fig. 6 die zwei Impulse 1 und 2 in Bild 7a betrachtet. Der zeitliche Abstand der Rückflanke von Impuls 1 und der Vorderflanke von Impuls 2 sei b. Die Rückflanke von Impuls 1 werde an Stoßstelle S₂ reflektiert. Die hiermit ausgelöste Erstreflexion wandert zurück in Richtung zur sendenden Station. Eine andere Erstreflexion möge sich an der Stoßstelle S₁ aus der Vorderflanke von Impuls 2 ergeben haben, die ebenfalls in Richtung zur sendenden Station zurückwandert, dort invertiert wird und nun als Zweitreflexion nach rechts läuft und sich mit der von S₂ kommenden Erstreflexion irgendwo überlagern wird. Die Stoßstelle S₁ hat von der sendenden Station S den Abstand D₁. Der Abstand der Busstation E von der Stoßstelle S₂ ist D₂.

Der Zeitpunkt, in dem die Zweitreflexion entsteht, ist 2D₁/v, d. h. die Rückflanke von Impuls 1 eilt der Zweitreflexion im zeitlichen Abstand β+2D₁/v voraus. Dieser Abstand sei nun exakt gleich der Zeit, die benötigt wird, damit die Impulsrückflanke von Impuls 1 von der Station E zur Stoßstelle S₂ und die dort ausgelöste Reflexion gerade wieder zur Station E zurücklaufen kann, es sei also

β + 2D₁/v = 2D₂/v

also

In diesem Fall prallen die zwei gegenläufigen Erst- und Zweitreflexionen gerade an der Station E zusammen und überlagern sich dort gleichsinnig.

Umgekehrt kann die Rückflanke, die die Erstreflexion bei S₂ auslöst, zeitlich auch nach einer Vorderflanke liegen, die für die Zweitreflexion verantwortlich ist (Fig. 7b, bei der in Abszissenrichtung die Zeit t und in Ordinatenrichtung der Pegel der Impulse dargestellt ist) und so eine gleichsinnige Überlagerung von Erst- und Zweitreflexion bewirken: Die von der Vorderflanke ausgelöste Reflexion an S₁ hat bei Wiedereintreffen an der sendenden Station den Abstand (2D₁/v)-β von der Rückflanke des betrachteten Impulses. Wenn dieser Abstand ebenso groß ist wie die Zeit, die die Rückflanke des Impulses zum Durchlaufen der Strecke von E bis S₂ und die dort ausgelöste Reflexion zum Durchlaufen der Strecke von S₂ bis E benötigt, wenn also

-β + 2D₁/v = 2D₂/v

also

ist, dann überlagern sich gerade an E die betrachtete Erst- und Zweitreflexion gleichsinnig.

Die entsprechenden Aussagen gelten auch, wenn man beim Ansatz bei der Erstreflexion die Reflexion einer Impulsvorderflanke und bei der Zweitreflexion die Reflexion einer Impulsrückflanke annimmt.

Zusammenfassend gilt:
Ein Zusammenprall von Erst- und Zweitreflexion mit gegenseitiger gleichsinniger Überlagerung gerade an der Stelle einer empfangsbereiten Busstation findet immer dann statt, wenn die Beziehung

erfüllt ist. Dabei ist β der zeitliche Abstand einer Impuls-Vorder- und Rückflanke und D₁-D₂ die Differenz der Abstände zwischen je zwei beliebigen Stoßstellen (= Teilnehmerstationen) des Bussystems.

1.5.2 Dämpfungseinfluß

Der Laufweg, den die Reflexionen zurückgelegt haben, bevor sie an einer empfangsbereiten Station zusammentreffen, ist bei der von rechts kommenden Erstreflexion D₂, bei der von links kommenden Zweitreflexion mindestens 2 · D₁. Der Störpegel der jeweiligen Reflexionen ist um so kleiner, je größer D₁ und D₂ sind (vgl. Kap. 1.4). Ist beispielsweise D₁=D₂=100 m, hat die Reflexion an ihrem Entstehungsort den Verlauf von Fig. 2b mit einem Spitzenwert von 0,21 V und wird z. B. ein RG59/BU- Koaxialkabel benutzt, dann ist die von rechts kommende Reflexion auf den Wert U _r =0,132 V und die von links kommende Reflexion auf den Wert U _l = 0,083 V gedämpft.

2. Reflexionen bei zeitlich gerasteter Datenübertragung

Die Telegramme bei der Datenübertragung in Bussystemen sind im allgemeinen zeitlich gerastert, d. h. der Impuls-Pegelübergang von einem High- zu einem Low-Wert und umgekehrt kann nicht zu beliebigen, sondern nur zu diskreten Zeitpunkten stattfinden. Diese Zeitpunkte haben einen Abstand voneinander, der einer bestimmten Grundzeit T, z. B. einer halben oder einer ganzen Taktzeit, oder einem ganzzahligen Vielfachen dieser Grundzeit gleicht. Dies gilt auch dann, wenn die Daten z. B. in der vielfach benutzten Manchestercodierung übertragen werden.

In Fig. 8 ist das Beispiel eines Telegramms dargestellt, das manchestercodierte Daten enthält und an seinem Anfang und Ende mit einer Präambel bzw. Postambel ausgerüstet ist. Die Darstellung soll noch einmal die obige Aussage verdeutlichen, daß die Flanken der Telegramm-Impulse nur in einem gegenseitigen Abstand von N · T liegen, wobei N eine ganze Zahl ist, die größer oder gleich 1 ist. Bei Verwendung der Manchestercodierung ist T = T _Bit /2 (T _Bit = Dauer eines Bit).

Bei genauerer Betrachtung ergibt sich, daß für die Abstände zweier Rückflanken N2 gilt, ebenso wie für die Abstände zweier Vorderflanken, und daß für die Abstände von Vorder- und Rückflanken N1 gilt.

Bei einer Datenrate von z. B. 400 kBit/s ist T _Bit = 2,5 µs, also T = 1,25 µs.

Aufgrund der zeitlichen Rasterung der Zeitpunkte, in denen Rück- und Vorderflanken auftreten können, werden die Bedingungen für sich gegenseitig verstärkende Reflexionen (Bedingungen (1) und (2)) auch nur durch diskrete, räumlich gerasterte Abstände zwischen den Teilnehmerstationen erfüllt. Diese diskreten Abstände sollen im folgenden für die zwei Fälle: Reflexionen aus gleicher und aus entgegengesetzter Richtung berechnet werden.

2.1 Reflexionen aus gleicher Richtung

Gemäß Bedingung (1) überlagern sich zwei Reflexionen, die in gleicher Richtung über einen Bus laufen, dann gleichsinnig, wenn ein Impulsrückflankenabstand ϑ und ein Stationsabstand D existieren, die die Bindung 2D/v=ϑ erfüllen. Für die zeitgerasterte Datenübertragung geht diese Bedingung über in:

T = Grundzeit der Datenübertragung (s. o.).

Es sei angenommen, daß die Telegramme manchestercodiert sind, dann ist:

Als Kabel sei ein Koaxialkabel mit Voll-Polyäthylen als Isolierung benutzt. Hierfür gilt:

Damit geht Beziehung (1a) über in:

Die kritischen Abstände sind also um so kürzer, je höher die Datenrate ist. Ist die Datenrate 0,4 MBit/s, dann ist gemäß die Beziehung (1b):

D/m = N · 123,63 = D _krit N2 (1c)

2.2 Reflexionen aus entgegengesetzter Richtung bei zeitlich gerasteter Datenübertragung

Für die zeitgerasterte Datenübertragung geht Bedingung (2) über in:

T = Grundzeit (s. oben).

Mit dem Wert für v, der unter 2.1 für das oben angegebene Koaxialkabel angegeben ist, geht Bedingung (2a) über in:

Bei einer Datenrate von 0,4 MBit/s lautet diese Beziehung:

Bei (2b) und (2c) wurde vorausgesetzt, daß als Codierung die Manchestercodierung benutzt wird.

2.3 Maßnahmen zur Vermeidung sich gegenseitig verstärkender Reflexionen

Aus den vorhergehenden Darlegungen folgt:
Satz 1: Es gibt dann keine Überlagerung und gegenseitige Verstärkung bei manchestercodierter Datenübertragung

• - von gleichsinnig laufenden Reflexionen, wenn es keine zwei Stationen gibt, zwischen denen die Entfernung
• - von gegenläufigen Reflexionen an einer Teilnehmerstation, wenn es keine zwei Stationsabstände gibt, deren Differenz

Wenn für eine Datenübertragung ein Koaxialkabel bei einer Datenrate von 0,4 MBit/s benutzt wird, dessen Impulsausbreitungsgeschwindigkeit den Wert v=100 m/0,50552 µs besitzt und die Manchestercodierung benutzt wird, ergibt sich für die zu vermeidenden Abstände:

D/m = N · 123,63 (N = ganzzahlig, 2) und

3. Wahl der Stationsabstände 3.1 Prinzip

Zuvor sind die zwei Bedingungen erläutert, unter denen sich gleichsinnig überlagernde Reflexionen nicht auftreten.

Es soll nun im zweiten Schritt die Aussage im Satz 1 in eine einfache Projektionsanleitung umgesetzt werden.

Eine Möglichkeit besteht darin, die gesamte Länge der Busleitung gedanklich in Strecken gleicher Grundlänge r aufzuteilen, also im Rastermaß r zu rastern. Erlaubt ist der Anschluß von Busteilnehmern nur in den hierdurch festgelegten Rasterpunkten am Anfang oder Ende der Grundlänge r.

Es soll zunächst gezeigt werden, wie hiermit die erste Bedingung von Satz 1 erfüllt werden kann.

Das Rastermaß r wird so gewählt, daß ein ganzes Vielfaches d von r, also d · r, das den Abstand zweier beliebiger Stationen darstellt, sich erst bei möglichst hohen Werten von d · r einem verbotenen Wert von D gemäß der 1. Bedingung von Satz 1 nähert. (Algebraisch ausgedrückt: das kleinste gemeinsame Vielfache von r und 123,63 m soll möglichst groß sein.) Die Entstehungsorte der aus gleicher Richtung kommenden, sich überlagernden Reflexionen sind dann soweit voneinander entfernt, daß die eine der zwei Reflexionen bereits genügend gedämpft ist (Kap. 1.4).

Als Beispiel werde von einer Datenrate von 0,4 MBit/s und von dem obengenannten Koaxialkabeltyp ausgegangen.

Es sei z. B. r=29 m gewählt. Dann gibt es nur die folgenden Stationsabstände:

Tab. 1: Mögliche Stationsabstände

Als Beispiel dient Fig. 9, in der mit x die Stellen bezeichnet sind, an denen Busteilnehmerstationen an ein Buskabel 1 angeschlossen sind.

Gefährliche Abstände im Sinne von Satz 1, Teil 1, sind dagegen die Abstände in Tabelle 2:

Tab. 2: Gefährliche Stationsabstände im Sinne von Satz 1, Teil 1

Wie die Berechnung des Dämpfungseinflusses (Kap. 1.4) zeigt, können Abstände, die 300 m überschreiten, als ungefährlich betrachtet werden. Damit verbleibt als einzig zu berücksichtigender Abstand:

D _krit = 247,26 m (1d)

Eben dieser Abstand aber kann bei Verwendung der 29-m-Rasterung nicht angenommen werden (s. Tab. 1).

Es soll nun gezeigt werden, daß mit der Maßnahme der 29-m-Rasterung auch die Erfüllung des 2. Teils von Satz 1 gesichert wird, d. h. daß die 29-m-Rasterung ein Zusammentreffen von zwei gegenläufigen Reflexionen an der Stelle einer angeschlossenen empfangsbereiten Station ausschließt. Dazu muß gezeigt werden, daß

D₁-D₂ = d₁ · r - d₂ · r = (d₁-d₂)r = d′ · r ≠ ±N · 123,63 m (2d)

ist.

Dabei ist D₁=d₁ · r und D₂=d₂ · r, wobei d₁, d₂ und d′ ganze Zahlen sind.

Aufgrund des Dämpfungseinflusses (Kap. 1.5.2) brauchen nur Kombinationen von Abständen, bei denen D₁<150 m oder D₂<300 m ist, weiter berücksichtigt zu werden.

Fall D₁<D₂: Wegen D₁<150 m kann d₁6 angesetzt werden.
Da d₂1 ist, ist (d₁-d₂)r5 · r.

Für D₁-D₂ = (d₁-d₂)r sind also nur die Werte gemäß Tabelle 3 möglich und zu berücksichtigen.

Tabelle 3: Mögliche Werte für D₁-D₂ im Fall D₁<D₂

Gefährliche Abstandsdifferenzen D₁-D₂ im Sinne von Satz 1, Teil 2, aber sind die in Tabelle 4 angegebenen Werte:

Tab. 4: Gefährliche Abstandsdifferenzen gemäß Satz 1, Teil 2

Der Vergleich der Tabellen 3 und 4 zeigt, daß bei der 29-m-Rasterung die durch Satz 1, Teil 2, festgelegten gefährlichen Abstandsdifferenzen nicht eingenommen werden.

Fall D₁<D₂: Da D₂<300 m ist, braucht nur d₂<11 berücksichtigt zu werden.

Da d₁1 ist, muß (d₂-d₁)r10 · r = 290 m sein.

Für D₂-D₁ = (d₂-d₁)r sind also nur die Werte gemäß Tabelle 5 möglich und zu berücksichtigen:

Tab. 5: Mögliche Werte für D₂-D₁ im Fall D₁<D₂

Gefährlich im Sinne von Satz 1, Teil 2, sind aber nur die Werte gemäß Tabelle 4.

Also können bei Zugrundelegung der 29-m-Rasterung die durch Satz 1, Teil 2, festgelegten gefährlichen Abstandsdifferenzen nicht eingenommen werden.

Zusammenfassung:

Satz 2: Zur Umsetzung der Aussagen von Satz 1 in eine einfache Projektierungsleitung, mit der Reflexionen verhindert werden sollen, die sich gegenseitig verstärken, kann man die gesamte Länge der Busleitung in Strecken einer gleichen bestimmten Grundlage r rastern und den Teilnehmeranschluß nur in den hierdurch festgelegten Rasterpunkten erlauben.

Bei einer Datenrate von 400 kBit/s und bei Verwendung eines Koaxialkabels vom Typ RG59/BU z. B. ist es sinnvoll, diese Grundlänge r auf 29 m festzulegen.

3.2 Toleranzen

Die folgenden Berechnungen beziehen sich auf den Anwendungsfall, daß als Kabel ein Koaxialkabel vom Typ RG59 BU bei einer Datenrate von 0,4 MBit/s als Busleitung benutzt wird. In anderen Fällen führen analoge Berechnungen zu prinzipiell ähnlichen Ergebnissen.

Nach obigen Aussagen soll so vorgegangen werden, daß mit einzelnen Grundlängen von 29 m oder ganzen Vielfachen hiervon die einzelnen Stationen verbunden werden sollen. Es soll im folgenden erklärt werden, welche Toleranzen der Kabelabmessungen statthaft sind.

Fall 1: Reflexionen aus gleicher Richtung

Beziehung (1c) gibt die Abstände an, bei denen eine gleichsinnige Überlagerung von Reflexionsimpulsen möglich ist. Da der Verlauf der Reflexionsimpulse nicht nadelförmig ist, sondern die Form in Fig. 2b mit einer bestimmten endlichen Breite hat, sind nicht nur exakt die Abstandswerte gemäß (1c) gefährlich, sondern auch solche in einem gewissen Bereich um die aus (1c) resultierenden Abstände, bei denen sich die Reflexionsimpulse zwar nicht deckungs-(phasen-)gleich, sondern mit einem gewissen zeitlichen Versatz überlagern (Fig. 10). In Fig. 10 sind die Impulse, die bei exakter Einhaltung von Bedingung (1c) an einer bestimmten Stelle der Leitung eintreffen, mit I _R bezeichnet, während die verfrühten, bei Unterschreitung der Leitungslänge gemäß (1c) eintreffenden Impulse mit I _F und die verspäteten bei Überschreitung der Leitungslänge gemäß (1c) eintreffenden Impulse mit I _S bezeichnet sind. Diese Überlagerung sei als ungefährlich betrachtet, wenn die Versatzzeit T _r 50 ns ist.

Dem zeitlichen Versatz T _r , mit dem ein Reflexionsimpuls früher oder später eintrifft, entspricht ein verkürzter oder verlängerter Laufweg der kritischen Länge D _krit gemäß (1c) um die Strecke

(Es ist der Laufweg der Impulsflanke bis zur Reflexionsstelle und der Laufweg der dort ausgelösten Reflexion bis zum Ort der anderen Reflexion in Rechnung zu stellen.)

Es ist also nicht nur der aus Beziehung (1c) folgende Abstand D=D _krit , sondern auch der Bereich D mit

D _krit -Δ<D<D _krit +Δ (4)

gefährlich.

Es ergibt sich mit

Da der kritische Abstand D _krit = 247,26 m ist, darf aufgrund von (4) und (5) der Abstand zweier Stationen nicht in den Bereich

242,31 m < D < 252,21 m

fallen.

Bei Hintereinanderschaltung von jeweils 29 m langen Kabeln kommt man diesem verbotenen Bereich am nächsten bei

8 Kabellängen mit 8×29 m = 232 m (Fall 1.1) oder
9 Kabellängen mit 9×29 m = 261 m (Fall 1.2)

Im Fall 1.1 hätte man also noch einen Sicherheitsabstand von 242,31 m- 232 m=10,31 m. Unter der Annahme des ungünstigsten Falls, daß man beim Ablängen jeweils zu lange Kabelstücke herstellt, ist dieser Fehler hinzunehmen, wenn er pro 29 m Kabellänge nicht mehr als = 1,2 m beträgt.

Im Fall 1.2 hätte man einen Sicherheitsabstand von 261 m-252,21 m= 8,79 m. Unter der Annahme, daß man beim Ablängen jeweils zu kurze Kabelstücke herstellt, ist dieser Fehler hinzunehmen, wenn er pro 29 m Kabellänge nicht mehr als 8,79 m/9=0,976 m beträgt.

Diese Toleranzanforderungen sind unbedenklich, da man in der Praxis durchaus Toleranzen von 10 cm pro 29 m Kabellänge (das sind 3 Promille) realisieren kann.

Fall 2: Reflexionen aus entgegengesetzter Richtung

Auch hierfür kann gezeigt werden, daß die Toleranzanforderungen nicht strenger als 3 Promille zu sein brauchen.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Minimierung von Reflexionsstörungen auf Busleitungen, an die als Sender und/oder Empfänger für Impulsfolgen ausgebildete Teilnehmer angeschlossen sind, die entsprechend ihrem jeweiligen Betriebszustand unterschiedlich ausgeprägte Stoßstellen bilden, dadurch gekennzeichnet, daß für den Anschluß der Teilnehmer an die jeweilige Busleitung (1) zumindest in einem Teil, in dem die Dämpfung noch gering ist, folgende Vorschriften gelten:

• a) keine zwei beliebige Teilnehmer dürfen bezüglich ihres Abstandes nach der Beziehung angeschlossen sein und
• b) die Differenz der Abstände eines beliebigen ersten Teilnehmers zu irgendeiner Stoßstelle und eines anderen Teilnehmers zu irgendeiner weiteren Stoßstelle darf nicht der Beziehung genügen,

wobei mit v die Übertragungsgeschwindigkeit der elektrischen Signale auf der Busleitung (1), mit D der Abstand zwischen zwei beliebigen Teilnehmern, mit D₁ der Abstand des beliebigen ersten Teilnehmers zu irgendeiner Stoßstelle, mit D₂ der Abstand des anderen Teilnehmers zu irgendeiner weiteren Stoßstelle, mit ϑ der zeitliche Abstand zweier Impulsrückflanken und mit β der zeitliche Abstand einer Impulsvorder- und -rückflanke bezeichnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei zeitlicher Rasterung der Datenübertragung an die Busleitung (1) keine zwei Teilnehmer mit einem Abstand längs der Leitung nach der Beziehung und keine zwei Teilnehmer mit einer Abstandsdifferenz längs der Leitung nach der Beziehung zu irgendwelchen mit der Busleitung (1) verbundenen Stoßstelle angeschlossen sind, wobei mit D der Abstand zwischen den Teilnehmern, mit v die Übertragungsgeschwindigkeit der elektrischen Signale auf der Busleitung (1), mit D₁ der Abstand eines ersten Teilnehmers zu irgendeiner Stoßstelle, mit D₂ der Abstand eines anderen Teilnehmers zu irgendeiner der weiteren Stoßstellen, mit T die Grundzeit der Datenübertragung und mit N eine ganze Zahl bezeichnet ist, die für die erste Beziehung 2 und für die zweite Beziehung 1 ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilnehmer in einem Rastermaß (r) oder einem ganzzahligen Vielfachen (d) dieses Rastermaßes mit der Busleitung (1) verbunden sind und daß das kleinste Vielfache des Rastermaßes (r), das einem der Abstände (D) oder einer der Abstandsdifferenzen (D₁-D₂) gleicht, so groß ist, daß die Dämpfung der reflektierten Signale auf einer diesem Vielfachen entsprechenden Strecke der Busleitung (1) eine zur Minimierung der Reflexionsstörungen erforderliche Höhe aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Busleitung (1) ein Koaxialkabel mit einer Dämpfung in der Größenordnung von 4 db/100 m Länge (bei 15 MHz) ist und daß die Vorschriften für den Leitungsabstand D und die Abstandsdifferenz D₁-D₂ nur bei Teilnehmern gilt, die nicht weiter als 300 m voneinander entfernt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Teilnehmer bei einer Datenrate von 0,4 MBit/s in einem Rastermaß von 29 m voneinander angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beiderseits des Abstands D oder der Abstandsdifferenz D₁-D₂ mindestens ein Leitungsbereich, der dem Weg entspricht, der von einem Impuls während einer vorgegebenen Versatzzeit zurückgelegt wird, frei von Anschlüssen von Teilnehmern ist, wobei diese Versatzzeit im wesentlichen der Impulsdauer eines reflektierten Impulses auf der Busleitung entspricht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rastermaß (r) eine Toleranz von weniger als 1% aufweist.