Forum: Projekte & Code 10 MBit/s optischer Freistrahl-Ethernet-Transceiver


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von Sven B. (scummos)


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Hi,

ich hab endlich mal wieder ein kleines Projekt angefangen: ein kleines 
Modul, was eine 10 MBit/s-Ethernetleitung per Freistrahl-Laser an ein 
anderes Modul desselben Typs überträgt. Für den kleinen Test-Abstand von 
20cm oder so funktioniert das schon prima, größere Distanzen muss ich 
mal noch ausprobieren.

Eine längere Beschreibung ist hier: 
http://blog.svenbrauch.de/2017/02/19/homemade-10-mbits-laser-optical-ethernet-transceiver/

Viele Grüße,
Sven

von Hans (Gast)


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Größere Distanzen sind wahrscheinlich mit Linsen zu erreichen. Kennst du 
schon RONJA? http://ronja.twibright.com/

von Georg aus Wien (Gast)


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Gibts auch schon Gigabit-Tauglich. http://www.koruza.net/

von Sven B. (scummos)


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Hans schrieb:
> Größere Distanzen sind wahrscheinlich mit Linsen zu erreichen. Kennst du
> schon RONJA? http://ronja.twibright.com/

Nein, danke für den Hinweis. Ich denke solange die Distanz nicht 
allzugroß wird, sollte das auch ohne Linsen noch gehen, mehr als 1 oder 
2 mrad Divergenz hat der Strahl ja nicht. Ansonsten muss man vielleicht 
den Gain ein bisschen höher machen. Linsen sind halt immer sehr schwer 
von der Justage und Mechanik her, und außerdem teuer. Klar, 1.4km 
schafft man ohne Optik mit der Leistung nicht.


Georg aus Wien schrieb:
> Gibts auch schon Gigabit-Tauglich. http://www.koruza.net/

Weiß ich. Kostet aber das hundertfache von diesem Board hier und ist 
nicht selbst gebaut. Es geht ja hier nicht darum mit möglichst wenig 
Arbeit einen möglichst schnellen Freistrahl-Link zu haben. ;)

von Georg aus Wien (Gast)


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> Weiß ich. Kostet aber das hundertfache von diesem Board hier und ist
> nicht selbst gebaut. Es geht ja hier nicht darum mit möglichst wenig
> Arbeit einen möglichst schnellen Freistrahl-Link zu haben. ;)

Ich wollte dir hier auch nicht dein Projekt madig machen. :)

Hast du schon Reichweitentests und Versuche mit einer Kollimatoroptik 
angestellt? Wie verhinderst du eigentlich, dass sich das Modul selbst 
"blendet"?

von Sven B. (scummos)


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Georg aus Wien schrieb:
> Hast du schon Reichweitentests und Versuche mit einer Kollimatoroptik
> angestellt?
Nein, ich habe gerade keine Tellerfedern im Haus und ich glaube ohne die 
bekommt man das nicht justiert auf größere Abstände. Sobald ich welche 
habe, werde ich aber mal versuchen, wie groß die Reichweite ist.
Ich glaube Kollimatoroptik ist out of scope -- die muss man ja irgendwie 
sinnvoll (fest und justierbar!) montieren, und man muss auch erstmal 
geeignete Linsen haben.

> Wie verhinderst du eigentlich, dass sich das Modul selbst
> "blendet"?
Scheint nicht nötig zu sein, die Laserdiode strahlt nicht zur Seite da 
wo die Fotodiode sitzt (die ist ja in einem Metallgehäuse mit einer 
kleinen Linse, hinten kommt Licht raus aber seitlich wegen der 
Metallwand wirklich nicht). Zum Glück ist das ja im optischen relativ 
einfach voneinander zu isolieren.

: Bearbeitet durch User
von Falk B. (falk)


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@Sven B. (scummos)

>http://blog.svenbrauch.de/2017/02/19/homemade-10-m...

Cooles Projekt! Aber sehe ich das richtig, du gehst mit dem 
Ethernetsignal DIREKT an die Laserdiode ran? Ob das lange gut geht? ESD 
und andere Probleme haben gute Chancen, deine Diode zu killen!

von Sven B. (scummos)


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Falk B. schrieb:
> Cooles Projekt! Aber sehe ich das richtig, du gehst mit dem
> Ethernetsignal DIREKT an die Laserdiode ran? Ob das lange gut geht? ESD
> und andere Probleme haben gute Chancen, deine Diode zu killen!

Danke! Ich weiß nicht, denkst du das ist problematisch? Da ist immerhin 
1k Widerstand dazwischen, und der 100 Ohm Terminator ...
Ich kann ehrlich gesagt ESD überhaupt nicht einschätzen. Ich weiß, dass 
Laserdioden sehr empfindlich sind gegen ESD, aber ich habe keine Ahnung 
wie sich das ändert wenn man da 1k davorbaut. Der Strom wird ja schon 
stark limitiert dadurch.

Die Alternative wäre wohl, da nochmal einen Operationsverstärker als 
Buffer einzubauen.

: Bearbeitet durch User
von Falk B. (falk)


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@ Sven B. (scummos)

>Danke! Ich weiß nicht, denkst du das ist problematisch?

Ja, auch wenn es nur ein Hobbyprojekt ist. Du willst daran ja ne Weile 
Freude haben und auch die Nachbausicherheit/Robustheit sollte eher hoch 
sein.

> Da ist immerhin
>1k Widerstand dazwischen, und der 100 Ohm Terminator ...

;-)
Optimist. Auf jeder Seite sind nur 560 Ohm dazwischen.

I = U / R = 1kV/ 560 Ohm ~ 2A

Und 1kV ist GAR nichts für ESD!

>Ich kann ehrlich gesagt ESD überhaupt nicht einschätzen. Ich weiß, dass
>Laserdioden sehr empfindlich sind gegen ESD, aber ich habe keine Ahnung
>wie sich das ändert wenn man da 1k davorbaut. Der Strom wird ja schon
>stark limitiert dadurch.

Nicht wirklich.

>Die Alternative wäre wohl, da nochmal einen Operationsverstärker als
>Buffer einzubauen.

???
Für sowas nimmt man einen passenen Tranceiver, z.B. einen RS485 
Empfänger, der wandelt differentiell in single ended und hat meist auch 
schon eine ESD-Schutzschaltung am Eingang integriert. Bei den 20 Mbit/s 
(Manchesterkodierung) sollte das mit den meisten RS485 Tranceivern 
klappen.

von Sven B. (scummos)


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Ok, vielen Dank für den Hinweis! Falls ich noch eine zweite Version 
bauen sollte, werde ich da was vorsehen.

von Gerd E. (robberknight)


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Eine andere Variante für den ESD-Schutz wäre eine TVS-Diode. Zwischen 
Ethernetbuchse und den 500 Ohm.

Z.B. solche hier nehme ich bei Ethernet gerne:
http://www.tme.eu/de/details/ip4220cz6/sonstige-integrierte-schaltungen/nxp/

Da dann vor nen "echten" PHY, sollte bei Dir hier aber auch 
funktionieren.

Was mich an Deiner Lösung erstaunt ist wie einfach das zu gehen scheint. 
Ich hätte erwartet daß man das Signal auf nen Träger aufmodulieren muss 
um ausreichend Störfestigkeit zu bekommen.

: Bearbeitet durch User
von Falk B. (falk)


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@ Gerd E. (robberknight)

>Was mich an Deiner Lösung erstaunt ist wie einfach das zu gehen scheint.

Stimmt.

>Ich hätte erwartet daß man das Signal auf nen Träger aufmodulieren muss
>um ausreichend Störfestigkeit zu bekommen.

Na, 10 Mbit Ethernet ist manchesterkodiert. Das ist zwar tierisch 
ineffizent aber sehr einfach kodier- und dekodierbar, 
gleichspannungsfrei und hat viele Flankenwechsel für eine einfache Takt- 
und Datenrückgewinnung.

Außerdem, der Laser IST der Träger, mit ca. 440 THz ;-)

von Sven B. (scummos)


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Gerd E. schrieb:
> Eine andere Variante für den ESD-Schutz wäre eine TVS-Diode. Zwischen
> Ethernetbuchse und den 500 Ohm.
Gute Idee, das könnte ich auf diese Platine noch dazufrickeln.

> Was mich an Deiner Lösung erstaunt ist wie einfach das zu gehen scheint.
> Ich hätte erwartet daß man das Signal auf nen Träger aufmodulieren muss
> um ausreichend Störfestigkeit zu bekommen.
Mich hat das auch überrascht, als ich das angefangen habe, dachte ich 
man muss irgendwas komplexeres machen (mit PHY auf der Platine und dann 
irgendwie überlegen, wie man das Signal kodiert). Dass das rein von der 
her Elektronik zumindest für 10 MBit/s so einfach geht ist mir dann erst 
später aufgefallen.

Dass die Modulation von dem Laserlicht störfest ist verblüfft mich 
hingegen nicht so, in dem Frequenzbereich erwartet man im Umgebungslicht 
eigentlich keine Störungen. Es gibt viel niederfrequentere Störungen (50 
Hz etc) und hochfrequentere (Shot Noise), aber bei 10 MHz ist m.W. gar 
nichts. Man kann auch mit der LED-Lampe voll auf die Photodiode 
draufleuchten, funktioniert immer noch super. Was passiert wenn du mit 
der IR-Fernbedienung direkt draufhältst hab ich jetzt nicht getestet, 
das kann gut sein dass das Probleme macht.

Viele Grüße,
Sven

: Bearbeitet durch User
von Falk B. (falk)


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@Sven B. (scummos)

>> Eine andere Variante für den ESD-Schutz wäre eine TVS-Diode. Zwischen
>> Ethernetbuchse und den 500 Ohm.
>Gute Idee, das könnte ich auf diese Platine noch dazufrickeln.

Das reicht so nicht, das ist nur Selbstbetrug ;-)
Man braucht hier eher für beide Leitungen eine passende Klemmschaltung, 
z.B. mit so einem IC wie dem USBLC6-2. Dabei ist auch das Layout sehr 
wichtig.


>nichts. Man kann auch mit der LED-Lampe voll auf die Photodiode
>draufleuchten, funktioniert immer noch super. Was passiert wenn du mit
>der IR-Fernbedienung direkt draufhältst hab ich jetzt nicht getestet,
>das kann gut sein dass das Probleme macht.

;-)

Lass mal mal die Frühlingssonne direkt auf deinen Empfänger scheinen . . 
.

von Gerd E. (robberknight)


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Falk B. schrieb:
>>> Eine andere Variante für den ESD-Schutz wäre eine TVS-Diode. Zwischen
>>> Ethernetbuchse und den 500 Ohm.
>>Gute Idee, das könnte ich auf diese Platine noch dazufrickeln.
>
> Das reicht so nicht, das ist nur Selbstbetrug ;-)
> Man braucht hier eher für beide Leitungen eine passende Klemmschaltung,
> z.B. mit so einem IC wie dem USBLC6-2.

Was soll an dem USBLC6-2 besser sein als an dem von mir vorgeschlagenen 
IP4220CZ6?

> Dabei ist auch das Layout sehr
> wichtig.

Ja, das stimmt schon. Die GND-Pins des TVS-Bausteins sollten möglichst 
kurz angebunden sein, der Weg durch den TVS-Baustein sollte für den 
ESD-Impuls einfacher zu nehmen sein als der durch die 
500-Ohm-Widerstände. Mit Fädeldraht dürfte das schwer werden.

von Sven B. (scummos)


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Gerd E. schrieb:
> Ja, das stimmt schon. Die GND-Pins des TVS-Bausteins sollten möglichst
> kurz angebunden sein, der Weg durch den TVS-Baustein sollte für den
> ESD-Impuls einfacher zu nehmen sein als der durch die
> 500-Ohm-Widerstände. Mit Fädeldraht dürfte das schwer werden.
Naja, etwas ordentlicher könnte man das schon frickeln -- zum Beispiel 
direkt an die Through-Hole-Beinchen vom Stecker und auf der anderen 
Seite auf die Massefläche löten. Ich denke elektrisch wäre das ziemlich 
gut.

Ich hab' wie gesagt keien Ahnung von ESD -- eine schnelle Diode leuchtet 
mir aber ein, warum könnte das nicht ausreichend sein?

von Gerd E. (robberknight)


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Sven B. schrieb:
> Naja, etwas ordentlicher könnte man das schon frickeln -- zum Beispiel
> direkt an die Through-Hole-Beinchen vom Stecker und auf der anderen
> Seite auf die Massefläche löten. Ich denke elektrisch wäre das ziemlich
> gut.

Das klingt schon mal nicht schlecht. Musst Du mal schauen ob das vom 
Layout her passt.

Bei diesen integrierten ESD-Bausteinen wie dem IP4220CZ6 und USBLC6-2 
ist zusätzlich noch ein Anschluss für die Betriebsspannung vorgesehen 
auf den Pulse höher als die abgeleitet werden. Es ist zwar zusätzlich 
noch ne TVS-Diode nach GND drin, der Baustein reagiert aber schneller, 
wenn Du die 5V direkt da anschließt.

Das könnte dann layouttechnisch eng werden ohne Fädeldraht.

> Ich hab' wie gesagt keien Ahnung von ESD -- eine schnelle Diode leuchtet
> mir aber ein, warum könnte das nicht ausreichend sein?

Das Problem ist die parasitäre Induktivität. Der ESD-Impuls hat zwar 
nicht viel Energie, ist dafür aber sehr schnell. Wenn Du Deine 
Schutzdiode jetzt mit langen Drähten anbindest, verhindert die 
Induktivität der Drähte daß der Impuls über sie abfließen kann. Er sucht 
sich dann einen kürzeren Weg.

von Sven B. (scummos)


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Ok. Layouttechnisch wäre es dann wahrscheinlich ok, die 5V 
hinzufädeldrahten und dann eben 100nF || 100pF danebenzubauen oder so. 
Mal sehen ob ich das noch hinkriege. Danke für die Hinweise jedenfalls.

von Falk B. (falk)


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@Gerd E. (robberknight)

>Was soll an dem USBLC6-2 besser sein als an dem von mir vorgeschlagenen
>IP4220CZ6?

Gar nichts, ich hab deinen Link nicht angeschaut ;-)

von Bernd K. (prof7bit)


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Falk B. schrieb:
> Lass mal mal die Frühlingssonne direkt auf deinen Empfänger scheinen . .

bei der relativ geringen Verstärkung von 1kOhm bringt ihn das 
wahrscheinlich noch nicht an den Anschlag.

Allerdings vermute ich daß mit zunehmendem Abstand sehr bald sehr viel 
größere Verstärkung nötig wird, dann wird es etwas aufwendiger, dann 
muss er  den Gleichlichtstrom vor dem TIA zu subtrahieren, also wird 
noch ne Regelschleife fürs Gleichlicht nötig die über eine zusätzliche 
Stromsenke am TIA-Summenpunkt den überflüssigen Gleichstrom subtrahiert.

von Sven B. (scummos)


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Bernd K. schrieb:
> Falk B. schrieb:
>> Lass mal mal die Frühlingssonne direkt auf deinen Empfänger scheinen . .
>
> bei der relativ geringen Verstärkung von 1kOhm bringt ihn das
> wahrscheinlich noch nicht an den Anschlag.
>
> Allerdings vermute ich daß mit zunehmendem Abstand sehr bald sehr viel
> größere Verstärkung nötig wird, dann wird es etwas aufwendiger, dann
> muss er  den Gleichlichtstrom vor dem TIA zu subtrahieren, also wird
> noch ne Regelschleife fürs Gleichlicht nötig die über eine zusätzliche
> Stromsenke am TIA-Summenpunkt den überflüssigen Gleichstrom subtrahiert.

Ich kann mir gut vorstellen dass das nicht nötig ist. Die Laserdiode hat 
5mW auf 2x2mm², also ungefähr 1250W/m² -- das ist mehr als direkte, 
helle Sonne auf die Photodiode. Typische Beleuchtungen im Haus werden da 
einen Faktor 100 bis 1000 drunter liegen ... also selbst wenn von dem 
Laserlicht (durch Strahlaufweitung) einiges verloren geht, sollte das 
deutlich heller sein als der Untergrund. Und es ist ja durchaus noch 
Dynamik übrig für den Untergrund.

Wenn es ein Problem wäre, würde ich auch zuerst einen Rotfilter vor der 
Photodiode versuchen, das hilft auch einiges.

von Falk B. (falk)


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@Sven B. (scummos)

>Wenn es ein Problem wäre, würde ich auch zuerst einen Rotfilter vor der
>Photodiode versuchen, das hilft auch einiges.


Eine einfache Blende in Form eine Papp/Plastikrohrs wirkt Wunder.

von Sven B. (scummos)


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Falk B. schrieb:
> @Sven B. (scummos)
>>Wenn es ein Problem wäre, würde ich auch zuerst einen Rotfilter vor der
>>Photodiode versuchen, das hilft auch einiges.
> Eine einfache Blende in Form eine Papp/Plastikrohrs wirkt Wunder.
Stimmt, auch eine sehr gute Idee, und warhscheinlich sehr viel 
effektiver als der Rotfilter. Den Rotfilter kann man natürlich noch 
zusätzlich in das Rohr bauen ;)

: Bearbeitet durch User
von Simeon O. (simeon_o)


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Ich  hatte einmal die Idee, mit Powerline Adaptern genau das gleiche zu 
machen.
Anstatt die Daten in das Stromnetz einzuspeisen werde ich versuchen sie 
über Laser zu übertragen.
Beitrag "Re: Ethernet über 2adrige Telefonleitung. Idee: Billige Powerline Adapter für z.B. 24V umbauen. Mögl"

Das hat auch den Vorteil der höheren Geschwindigkeit.

RX und TX sind im Powerline-Adapter auch getrennt an einem Übertrager 
abgreifbar, es müsste also nicht schwer sein, die hier genannte 
Schaltung daran anzupassen.

: Bearbeitet durch User
von Sven B. (scummos)


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Aber warum der Umweg über Powerline? Das wandelt nur das Ethernet-Signal 
in was anderes und dann in optisch und dann wieder zurück in Ethernet.

Die Beschränkung der Geschwindigkeit kommt ja hier nicht vom Ethernet, 
sondern vom Modulator / Empfänger. Wenn der schneller wäre, könnte man 
auch schnelleres Ethernet darüber machen.

von Netzwerker (Gast)


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Vielleicht interessant wäre mal in einen 10MBit Medienwandler wie sie 
bei Kupfer auf LWL eingesetzt werden reinzuschauen. Die machen ja im 
Prinzip genau das gleiche, nur dass es dann durch eine Faser gesendet 
wird statt durch die Luft.

Ich muss irgendwo noch welche rumliegen haben die ich auf Arbeit 
ausgetauscht habe. Wollte ich eigentlich schon mal auseinander nehmen - 
nur die Zeit, die Zeit...

von Sven B. (scummos)


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Die machen das mW etwas anders, da ist ein dichroischer Strahlteiler 
drin, der Sende/Empfangskanal nach Wellenlänge aufspaltet. Dann sind 
zwei IR-Laser drin mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen. Dadurch 
braucht man nur eine Faser (ich bräuchte ja hier zwei). Aber ja, 
ansonsten könnte das so ähnlich funktionieren ...

: Bearbeitet durch User
von Mike J. (linuxmint_user)


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Sven B. schrieb:
> Die Alternative wäre wohl, da nochmal einen Operationsverstärker als
> Buffer einzubauen.

Du nutzt dort einen Komparator (LT1713) um das Signal schön rechteckig 
zu machen.
Wäre es möglich den Komparator zu überbrücken und die unterschiedlichen 
Helligkeitsstufen weiterzuleiten damit 100Mbit/s möglich sind ?

von Sven B. (scummos)


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Mike J. schrieb:
> Sven B. schrieb:
>> Die Alternative wäre wohl, da nochmal einen Operationsverstärker als
>> Buffer einzubauen.
>
> Du nutzt dort einen Komparator (LT1713) um das Signal schön rechteckig
> zu machen.
> Wäre es möglich den Komparator zu überbrücken und die unterschiedlichen
> Helligkeitsstufen weiterzuleiten damit 100Mbit/s möglich sind ?

Bei dem Komparator geht es weniger um das rechteckig und mehr darum, das 
Signal von wenigen mV Differenzspannung immer auf den gleichen Pegel zu 
konvertieren, der dann für das Kabel passt. Dient als AGC, wenn du es so 
willst. Überbrücken kannst du den m.E. nicht, irgendwas in der Richtung 
brauchst du. Du könntest einen schnelleren Komparator einbauen. Der 
Treiber am Ausgang ist dann allerdings ebenfalls etwas zu langsam.

Dazu kommt dass 100 MBit/s 3 statt nur 2 Zuständen hat, was mit einem 
Komparator auch nicht mehr geht.

Außerdem ist die Photodiode vermutlich zu langsam.

Also kurz gesagt nein, soweit ich das überblicke muss man für 100 Mbit/s 
ein Stück mehr Aufwand treiben.

von Tim S. (Firma: tsx) (freak_ts) Benutzerseite


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Ich interessiere mich extrem für diese Sache, und möchte es auch 
realisieren, aber nicht so extrem viel Hühnerfutter verwenden müssen.

An zwei alten Routern die Eth-Übertrager raus,
und nur einen für das Cu-Kabelnetz / bzw. Uplink behalten. Der Treiber 
davon, der die Übertrager-Induktivitäten bedient, müsste zum Senden (Je 
nach Diode) voll und ganz reichen, oder? (10Mbit geht nur mit 0V / 3,3V, 
oder?)

Die Dioden aus nem DVD-Brenner "blinken" jedenfalls schon mal sehr gut 
direkt am Chip, habe aber noch keinen "Empfänger" gebaut. Da überlege 
ich noch, wie ich das am einfachsten machen kann. Das ganze dann 
eventuell zwei mal Aufbauen, damit man an (xxWRT) Port 3+4 
Link-Aggregation für 20Mbit machen kann, und eben noch Wlan-Richtfunk 
(...für das schlechte Wetter) - und das alles möglichst gleichzeitig - 
dann mit BATMAN oder OLSR gegen die entstehenden "Loop(s)" der drei(!) 
Links vorgehen usw...

Müsste doch eigentlich (auch) so klappen?

Gruß...

von Tim S. (Firma: tsx) (freak_ts) Benutzerseite


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...Das "Dioden-Array" eines DVD-Player´s könnte auch etwas schneller 
sein, denke ich, und hat ggf schon "Treiber genug.." für den Netzwerk-IC 
(Router) drinnen.
Oder evtl gehen diese Toslink-Empfänger? Ich versuch´s demnächst einfach 
mal..

: Bearbeitet durch User
von Sven B. (scummos)


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Ich glaube nicht dass die Laserdioden schnell genug sind wenn du den 
Strom jedes Mal ganz ausschaltest.

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