İletim Hattı Teorisi

Ağ paketleri göndermek için kullanılan ortamın elektriksel karakteristikleri kısmen fiziksel katmanı tanımlar: En yüksek taşıma oranının tespiti, en uzun kablo mesafesi, ağın diğer sınırları. Tüm bunlar işaretin uzun mesafeler üzerinde taşındığı zaman nasıl davrandığını inceleyen İletim Hattı Teorisini birer ürünüdür. Bu oldukça alt seviye teorinin her ne kadar üst seviye protokollere doğrudan etkisi olmasa da, iletim hattı toerisi ile ilgili sınırları göz ardı etmek, üst seviye protokellerinin yol açtığı gibi görünen karmaşık ve çözümü zor ağ hatalarına sebep olabilir.

Bir iletim hattı, hattı kateden işaretin dalgaboyu ile karşılaştırıldığında daha uzun olan bir işaret yoludur. Yüksek frekanslı işaretler daha kısa dalga boyuna sahip olduklarından, yüksek frekanslı dalgalar çok daha kısa yol uzunluklarında iletim hattı analizi gerektirirler. Örneğin bir elektrik santralinden bir alt istasyona veya trransformatöre giden düşük hızlı AC hat gerilimi kilometrelerce uzunlukta iletim hattı problemlerinden etkilenir. Öte yandan spektrumun diğer ucunda yüksek hızlı, nanosaniye mertebesinde pulslar üreten entegre devreler birkaç santimetre uzunlukta hatlarda iletim hattı iyileştirmelerine ihtiyaç duyarlar. Ethernet üzerindeki işaretlerin dalga boyu bir metre civarındadır. İletim hattı teorisi birbiri üzerinde olmadığı varsayılarak, en az iki istasyon bulunan her ağa uygulanır.

Her işaret iletkeninin doğasında biraz kapasitans ve indüktans bulunur. İndüktans, herhangi bir iletkenin gerçek bir sıfır olmayan kalınlığı olması gerektiğinden kaynaklanır ve kapasitans toprak veyakındaki diğer kablolarla olan kuplajdan kaynaklanır. Ethernet omurgaları uzunlukta bu kapasitif yükleme etkileri yüzünden sınırlıdır: Uzun kablo, yüksek kapasitans demektir. Kapasitans arttıkça, her işaret hattı daha uzun bir sürede doldurabilecektir, kritik bir değerden sonra hattı doldurmak için gerekli süre paketin içeriğini gödermek için gerekli süre ile karşılaştırıldığında çok uzayacaktır.

Düşük frekanslarda kablonun ideal olmayan karakteristikleri gözardı eilebiir, ancak Ethernet’ in taşıma frekansı olan 10 MHz’ de önemli olmaktadırlar.

Şekil 1. gerçek dünyada Ethernet kablosunun nasıl göründüğünü göstermektedir. - Şekli daha yakında görmek için üzerine tıklayınız...

Şekil 1’ de bir dizi indüktans/kapasitans çifti bir kablonun AC empedansını tanımlamaktadır. Empadans, genellikle L/C çiftlerinde karşılaşılan frekansın bir fonksiyonudur. Ethernet paketleri, kablonun AC empedansını sabitleyen belirli bir frekansta göndedirilirler. (Paketlerin değil, paketi temsil eden işaretin modüle edildiği frekans…) Sabit frekans Ethernet üzerine sabit değerli bir sonlandırıcı direnç koyabilmenizin nedenidir ve bundan sonraki tartışmamızın konusu iletim hattı teorisi yardımıyla bu sonlandırıcının değerini belirlemektir.

Şekil 2. Ethernet üzerindeki isareti göstermektedir. - Şekli daha yakında görmek için üzerine tıklayınız...

İdeal olmayan bir kablonun bir ucundaki gerilim daha önce tartıştığımız kapasitif ve indüktif etkilerden dolayı aniden değişemez. Bir hatta işaret uygulandığında (Bir uç Ethernet’ e bir veri paketi gönderdiğinde) kablonun sonundaki gerilim 0’ dan –2.5 volta düşmelidir. Ethernet kablosunda taşınan her bir veri paketi bir dizi gerilim değişikliği olarak temsil edilir ve herbiri Ohm kanununda tanımlandığı gibi akımdaki bir değişikliğe karşılık gelir. Kablonun bitiş noktası bir işaret yüküne karşılık gelir ve bunun keyfi bir değer olduğunu varsayalım.

Yukarıda yük olarak temsil edilen kablonun ucunda başlangıçtaki gerilim 0 volttur. Ohm ve Kırkhoff yasalarına uymak için yansıtlılmış bir işaret oluşturulmalıdır. 

I_O = I_L - I_R

Kirkhoff yasası bir uca giren akımlar toplamının, onu terkedenlerin toplamına eşit olduğunu belirtir. Devredeki tüm akımlar aşağıdaki eşitliğe uyar:

V_O = V_L - V_R

Kırkhoff yasası bır derve boyunca gerilimler toplamının sıfıra eşit olduğunu belirtir. Bu prensibi devredeki gerilimler arasındaki ilişkiyi göstermek için kullanabiliriz

V_L = I_L / Z_L

Ohm Kanunu hat empedansı, Z, ve akım arasındakı bağlantıyı göstermek için:

V_O + V_R = Z_L ( I_O - I_R )

V_L ve I_L’ nin değerleri yerlerine konulursa:

V_O + V_R = ( Z_L / Z_O ) ( V_O - V_R )

Yansıtılmış işaret, ilk işaret ile aynı empansı gördüğünden, V_R = I_R . Z_O, eşitliği ile Ohm kanunu tekrar uygulanırsa:

V_R / V_O = ( Z_L - Z_O ) / ( - Z_L - Z_O )

Terimleri yeniden toparladığımızda yansıtılmış işaretin genliğini orjinal işaretin bir fonksiyonu olarak ifade edebiliriz:

Şimdi yük empedansı Z_L’ in keyfi bir değer olduğu varsayımına geri dönelim. Sonlandırılmamış bir kablonun yük empensı sonsuzdur yani Z_L sonsuzdur ve yukarıdaki oranın sonsuzdaki limit değeri birdir ve V_O = V_R olur. Yansılıtlmış akım böylece elektriksel olarak ilk akıma benzemiş olur.

Kablonun ideal olmayan fiziksel karakteristikleri yansıyan işaretin, başlangıştaki işaretin bir aynası olmasını engeller. Aynı zamanda, kablonun son ucunda gerılım –2.5 volta şarj olur, bu yüzden kablonun uç gerilim tam olarak 0 volt değildir. Bu etkilerin bileşkesi, yansıtılan işaretin orijinal işaretin zayıflamış bir versiyonu olmasına neden olur. Kablo boyunca birçok dönüşten sonra yansıtılan işaret tümüyle yok olur. Gerilimin zamanla yükselmesiyle, yansıtılan işaretler hattın rezonansa girmesine sebep olabilir.

Bu soruna en basit çözüm, yansıma katsayısını (Yukarıdaki orandaki pay) sıfıra eşitlemek ve böylece işaret yansımasını engellemektir. Kablo ve toprak arasına bir sonlandırıcı direnç yerleştirilerek, başlangıç işareti yakalanır ve böylece herhangi bir yansıma engellenmiş olur.

Ethernet kablosu 50 ohmluk karakteristik bir empedansa sahiptir ki bu sonlandırma için kullanılan değerdir. Hat empedansının sadece AC işaretler tarafından görüleceğini unutmayın, sonlandırıcılar olmadan hattın DC testi, hattın ohm cinsinden DC direncini gösterecektir. Bu gerçek basit bir kablo testi ile ortaya çıkarılabilir. Ohm kademesine alınmış bir multimetre ile Ethernet iletkeninin ortası ile toprak ekranı arasındaki direnci trafik olmayan bir ağda ölçün. Bu ölçümü sakın canlı bir ağda yapmayın. Ağ üzerindeki bağlantı elemanlarına oluşturacağınız bir kısa devre ile zarar verebilirsiniz…

Multimetre de, doğru bir şekilde sonlandırılmış Ethernet’ te, sonlandırıcı direncin yarı değeri olan 25 ohm okunmalıdır. Tüm kablonun direnci 25 ohm’ dur çünki paralel bağlı iki sonlandrıcı direncin efektif direnci:

R_eş = R₁ R₂ / ( R₁ + R₂ ) = R / 2

Şekil 3 Ethernet kablosunda sonlandırıcıları göstermektedir.

Bazen en zihin karıştırıcı ağ sorunları fiziksel katmandaki bir arızadan kaynaklanır. Bu teorik tartışma dalga şekillerini izleyerek açık devreleri veya arızalı ethernet arabirimlerini tespit etmeninize yardımcı olamayabilir fakat ağ kablolaması incelendiğinde potansiyel problemlerin belirlenmesi için mantıklı bir kontrol listesi oluştumanızı sağlayacaktır.