Systemy transmisji cyfrowej WYKLAD 18 SMK

Systemy transmisji cyfrowej WYKLAD 18 SMK 1. Sieci FDDI Jest jednym z rodzajów sieci LAN (Local Area Network). FDDI (Fiber distributed data interface); podstawowy ośrodek transmisyjny światłowód jedno-, wielodomowy. Budowa: dwa pierścienie światłowodowe, w których dane rozchodzą się w przeciwnych kierunkach. Do pierścieni dołączone są stacje. a). Najważniejszy rodzaj stacji: koncentratory (pozwalają na dołączanie wielu urządzeń do sieci FDDI). Koncentrator łączy się z obydwoma pierścieniami (pierwotnym i wtórnym) urządzenie aktywne (kontroluje topologię sieci), pozwalające na dołączenie i usuwanie urządzeń z minimalnym wpływem na pracę pierścienia (automatycznie lub na polecenie ze stacji zarządzającej). b). Stacja DAS (double attachment stadion), SAS (single attachment stadion). DAS mogą się łączyć bezpośrednio z pierścieniami, bądź z koncentratorem. SAS łączą się tylko z koncentratorem. Oba rodzaje stacji pozwalają na połączenie się użytkowników z siecią (instalowane np. w minikomputerach i stacjach roboczych, aby połączyć je z siecią FDDI). Do łączenia stacji ze światłowodem używa się podwójne złącza typu MIC (media interface connector). Używa się też złącza typu ST dla światłowodów wielodomowych i FC-PC dla jednodomowych. Przy wykorzystaniu światłowodu wielodomowego (gradientowego o średnicach rdzenia/płaszcza 62.5/125 µm) maksymalna odległość między stacjami nie może przekroczyć 2 km, dla światłowodu jednodomowego (8-10/125 µm) ponad 20 km. Maksymalna całkowita długość światłowodu w sieci 200 km, każdy z pierścieni może mieć po 100 km. Nadajniki optyczne w sieci FDDI pracują w drugim oknie transmisyjnym (1.31 µm). Maksymalne straty linii (złącza) dla światłowodu wielodomowego 11 db, dla jednodomowego 10-32 db (zależnie od typu nadajnika). W przypadku awarii lub braku zasilania w jednej ze stacji wykorzystuje się optyczny przekaźnik omijający. Jego użycie pozwala ominąć odbiornik i nadajnik optyczny w uszkodzonej stacji. Organizacja sieci FDDI Do sieci FDDI można dołączyć co najwyżej 500 stacji. Przepływność w sieci wynosi 100 Mbit/s. Podstawowa jednostka informacji używana w kodowaniu w sieci FDDI symbol 4-1

bitowy, który przesyłany jest w formacie 4B/5B (zamieniany jest na 5-bitową grupę kodową). Przy przepływności 100 Mbit/s szybkość transmisji jest równa 125 Mbodów. 5-bitowe grupy kodowe są następnie poddawane dodatkowemu kodowaniu w koderze NRZ/NRZ1 (przejście między poziomami mocy wskazuje na symbol 1, brak takiego przejścia na symbol 0). Optyczny przekaźnik omijający Kodowanie NÓZI (nonreturn to zero/nonreturn to zero invert on ones) zmniejsza wymagane pasmo poprzez zmniejszenie liczy przejść 0 1, 1 0 w strumieniu danych. Do transmisji symboli wykorzystywane są ramki, w których przesyłane są nie tylko transmitowane między stacjami dane, ale również dane kontrolne, dane do celów zarządzania siecią, żądanie dostępu przy inicjalizacji pierścienia, dane wykorzystywane przy izolacji uszkodzonych stacji itp. Ramki składają się z wielu pól, z których każda definiuje określony parametr ramki (adres źródła i przeznaczenia, sekwencję korygujacą błędy). Maksymalny rozmiar ramki 4500 bajtów. W sieci FDDI każda stacja generuje lokalnie sygnał zegarowy. Stacja odbiorcza synchronizuje swój zegar do odbieranych danych i dekoduje te dane używając lokalnego zegara. Kiedy stacja transmituje dane, używa lokalnego zegara jako źródła sygnału taktującego. Sieć FDDI zapewnia usługi transmisji synchronicznej i asynchronicznej. Przy usługach transmisji synchronicznej każda stacja ma zagwarantowaną określoną część pasma synchronicznego 100 Mbit/s. Część ta jest negocjowana między stacjami z użyciem funkcji alokacji pasma synchronicznego. Ramki synchroniczne są wysyłane tak długo, jak długo czas wynegocjowany przez ta funkcję nie jest przekroczony. Ten rodzaj transmisji konieczny jest dla ramek, które muszą być dostarczone do odbiorcy w określonym czasie (dane 2

multimedialne). W czasie, kiedy stacja nie żąda dostępu do pasma synchronicznego, możliwe są usługi transmisji asynchronicznej. Ten rodzaj transmisji wykorzystuje się do przekazu danych, dla których czas transmisji nie jest krytyczny (zbiory w sieci komputerowej). Pierścień FDDI składa się ze stacji połączonych szeregowo przez segmenty ośrodka transmisyjnego (światłowód). Tworzą one zamknięty, podwójny pierścień o przeciwnych kierunkach propagacji (pierwotny i wtórny). Możliwe jest przesyłanie danych w obydwu kierunkach. Najczęściej jednak pierścień pierwotny używany jest do transmisji danych, wtórny pozostaje w rezerwuie (zdolność do samonaprawy). Konfiguracja z dwoma pierścieniami o przeciwnych kierunkach transmisji umożliwia zachowanie poprawnej pracy sieci nawet w przypadku awarii stacji lub przerwy w światłowodzie. Awaryjna konfiguracja sieci Wtedy pierścień pierwotny łączy się z wtórnym = konfiguracja pojedynczego pierścienia. Usunięcie awarii przywraca konfigurację pierwotną. Przy bezawaryjnej pracy systemu dane transmitowane są szeregowo pierścieniem pierwotnym jako strumień symboli pomiędzy stacjami. Prawo do nadawania własnych danych kontrolowane jest przez znacznik (token) = unikalna sekwencja symboli przekazywana od jednej stacji do drugiej w pierścieniu. Stacja chcąca wysłać dane czeka, aż wykryje znacznik w strumieniu przychodzących danych, a następnie przechwytuje go. Następnie stacja ta wysyła ramki z danymi tak długo, aż się one wyczerpią, po czym ponownie wysyła znacznik do pierścienia. Każda aktywna stacja w pierścieniu odbiera, regeneruje i powtarza ramki, przekazując je do następnej stacji. Każda stacja porównuje adres przeznaczenia każdej ramki ze swoim własnym i sprawdza błędy w ramce. Jeśli adresy zgadzają się, to odbierająca stacja kopiuje ramkę i ustawia symbole statusu, aby pokazać, że adres został rozpoznany, a ramka skopiowana. Wszystkie pozostałe stacje sprawdzają błędy i retransmitują ramki do następnej stacji w szeregu. Przy wykryciu błędu ustawiany jest wskaźnik błędu. Kiedy wysłane dane powracają do stacji wysyłającej są usuwane z pierścienia. 3

Przekazywanie znacznika przez stacje 2. Fibre Channel Standard połączeń wysokiej jakości zapewniający bardzo szybką transmisję dużych ilości informacji między stacjami, systemami pamięci masowej, peryferiami itp. W obrębie wielu budynków położonych blisko siebie na wydzielonym obszarze (campus size area). Łączy w sobie cechy kanału z cechami sieci LAN. Podobnie jak kanał ustanawia dedykowane połączenia punkt-punkt między urządzeniami, przeznaczając całe pasmo dla każdego połączenia. Wykorzystuje połączenia z komutacją (przełączanie) obwodów jak i z komutacją pakietów. Pierwsza pozwala na jednoczesne ustanowienie wielu połączeń wykorzystujących pełne pasmo. Druga pozwala na lepsze wykorzystanie pasma przez multipleksację wielu połączeń wirtualnych (komutacja optyczna: czasowa, falowa i przestrzenna). W przeciwieństwie do kanału, Fibre Channel zapewnia łączność dwukierunkową (szybkość przepływu danych w każdym kierunku 100 MB/s 8 razy więcej niż w FDDI). Kierowanie danych do odpowiednich buforów kontrolowane jest przez zawartość nagłówka każdej ramki (hardwarowo). Kodowanie nie zależy od ośrodka transmisyjnego: światłowód jedno- wielodomowy lub kabel koncentryczny. Dane przychodzące w postaci równoległej bajt po bajcie są kodowane w schemacie 8B/10B, a następnie grupy kodowe są zamieniane z postaci równoległej na szeregową i bit po bicie wysyłane do linii. Kodowanie w systemie Fibre Channel W odbiorniku zachodzi proces odwrotny. System Fibre-Channel może transportować inne kanały i protokoły sieciowe, takie jak ATM, FDDI, Ethernet, HiPPI, SCSI przez ten sam ośrodek i tym samym połączeniem sprzętowym. Fibre Channel zapewnia transfer danych pomiędzy buforem nadawczym w urządzeniu wysyłającym, a buforem odbiorczym w urządzeniu docelowym. 4

Szybkości przepływu danych, szybkości transmisji oraz używane światłowody i źródła światła w systemie Fibre-Channel Przepływ danych w systemie Fibre Channel Zawartość jednego bufora zabierana jest i transportowana do drugiego (co to za dane i jaka jest ich organizacja nie ma znaczenia). Fibre Channel umożliwia podłączenie 16 mln urządzeń SCSI. Aby uzyskać połączenia między dowolnymi urządzeniami używana jest specjalna struktura (fabric) będąca analogiem centrali w sieci telefonicznej. Urządzenie chcące wysłać dane wybiera adresata przez umieszczenie identyfikatora przeznaczenia w nagłówku poprzedzającym właściwe dane. Port Fibre Channel w danym urządzeniu zarządza jedynie prostym połączeniem punkt-punkt, między soba i strukturą połączeniową. 5

3. HiPPI (High performance parallel interface) Systemy HiPPI zostały rozwinięte w późnych latach 80 jako standard połączeniowy superkomputerów. Obecnie są to sieci LAN o bardzo dużej szybkości, zapewniające połączenie między komputerami centralnymi, stacjami roboczymi, a urządzeniami peryferyjnymi. Standard HiPPI obejmuje połączenia dokonywane za pomocą kabli miedzianych jak i światłowodów (1200 Mbodów przy przepływności binarnej 800 Mbit/s). Topologia sieci lokalnej w systemie HiPPI 6

Do transmisji na najkrótsze odległości wykorzystywane są światłowody i lasery krótkofalowe (780-870 nm). Przy średnicy rdzenia 62.5 µm zasięg 300 m, aprzy 50 µm 500 m. Do transmisji na wieksze odległości lasery długofalowe (1310 nm). Światłowód wielodomowy pozwala na zasięg 1 km, jedno- 10 km. Inne cechy tego systemu: - elementowa stopa błędów <10-12 - użycie kodowania liniowego 20B24B - opóźnienie przy nawiązywaniu połączenia <500 ns. 4. Systemy PDH Lata 70-te cyfrowe systemy teletransmisyjne oparte na modulacji kodowoimpulsowej PCM (pulse code modulation), która przekształca sygnał analogowy na sygnał binarny. Sygnał telefoniczny o paśmie 4 khz można przedstawić za pomocą cyfrowego ciągu znaków o przepływności 64 kbit/s. Łącząc wiele kanałów PCM w jeden ciąg binarny o dużej przepływności za pomocą TDM (sekwencyjne przeplatanie bajtowe), dla 30 kanałów 64 kbit/s można uzyskać np. kanał o przepływności 2048 kbit/s. Wprowadzono kolejne poziomy zwielokrotnienia 8.448 Mbit/s, 34.368 Mbit/s, 139.264 Mbit/s, 564.982 Mbit/s. Każdy wyższy poziom składa się z czterech sygnałów niższego poziomu uzupełnionych o informacje sterujące = plezjochroniczna (prawie synchroniczna) hierarchia cyfrowa PDH (plzjochronous digital hierarchy).. Zwielokrotnienie plezjochroniczne Zwielokrotniane SA kanały 2 Mbit/s generowane przez różne urządzenia. Ich podstawy czasowe (zegary) różnią się nieznacznie między sobą. Dla zapewnienia stałej przepływności sygnału, przeplot bitowy musi być uzupełniony przez dodanie pustych bitów = bity dopełnienia. Bity te są usuwane z sygnału zbiorczego podczas procesu demultipleksacji. Ten sam problem pojawia się na każdym poziomie zwielokrotnienia i za każdym razem wprowadza się bity uzupełniające. Do transmisji PDH mogą być wykorzystywane światłowody wielo- i jednodomowe. Inne własności: - wydzielenie kanału 2 Mbit/s z sygnału o większej przepływności nie jest sprawą prostą, - w miarę wzrostu ilości połączeń między urządzeniami rośnie p-stwo pomyłek kłopoty z zestawieniem połączenia, - brak możliwości kontroli jakości transmisji, - format ramki PDH nie przewiduje dość miejsca na informacje systemu zarządzania siecią. 7

Dane dla maksymalnej tłumienności linii optycznej i szerokości całkowitego pasma optycznego dla światłowodu wielodomowego, BER=10-10. Dla światłowodu jednodomowego, BER=10-10. 8

5. Systemy SDH Synchroniczna hierarchia cyfrowa, kolejne przepływności podstawowe SD: - STM 1, 155.520 Mbit/s - STM 4, 622.080 Mbit/s - STM - 16, 2.488320 Gbit/s - STM 64, 9.95328 Gbit/s (synchronous transport module) Istnieją algorytmy wprowadzania do ramki STM-1 istniejących systemów teletransmisyjnych o dowolnej przepływności odm 1.5 Mbit/s do 140 Mbit/s. SD definiuje pewną liczbę kontenerów odpowiadających istniejącym przepływnością systemów plezjochronicznych. Informacja przenoszona w sygnale plezjochronicznym ładowana jest do odpowiedniego kontenera. W każdym kontenerze jest informacja sterująca = nagłówek toru (umożliwia operatorowi sieci śledzenie toru i nadzór stopy błędów). Kontener + nagłówek = kontener wirtualny. W sieci SD wszystkie urządzenia są zsynchronizowane w stosunku do centralnego zegara sieciowego. Opóźnienia związane z łączem transmisyjnym mogą być różne pozycja kontenerów wirtualnych w ramce STM-1 nie musi być stała. Odchyłki kompensowane są przez znaczniki przyporządkowane kontenerowi (wskazuje początek kontenera w stosunku do ramki STM-1). 9

Systemy SD o większej niż STM-1 przepływności są tworzone przez zwielokrotnienie systemu 155.52 Mbit/s metodą przeplatania bajtowego. Krotnice synchroniczne realizują funkcje zarówno zwielokrotnienia jak i zakończenia liniowego. Akceptują one sygnały podrzędne o różnych przepływnościach wyjściowych i różnych interfejsach. Ze względów niezawodnościowych synchroniczny interfejs światłowodowy jest zdublowany 1+1 lub wschód-zachód. Klasyfikacja interfejsów optycznych SD w zależności od zastosowania 10

Parametry światłowodów przeznaczonych do stosowania w systemach SD Niektóre parametry toru światłowodowego wymagane w systemach STM-1 11

Analogowe systemy transmisyjne 1. System transmisyjny wykorzystujący modulację AM Ograniczenia: szumy i zniekształcenia liniowe a). szumy: śrutowy, cieplny i szumy lasera CNR stosunek mocy nośnej do mocy szumów SNR stosunek sygnału do mocy szumów r rezystancja obciążenia (2 kω), R czułość fotodetektora (0.85 A/W), P średnia moc wyjściowa lasera (2 mw), M współczynnik powielania lawinowego fotodetektora (PIN =1), α tłumienność jednostkowa światłowodu (0.5 db/km), L długość światłowodu (15 km), m indeks modulacji (0.04), B pasmo kanału (4 MHz), T temperatura (300 K), F współczynnik szumów (2), RIN szum natężenia (-150 db/hz) b). zniekształcenia nieliniowe: P(y) chwilowa wartość mocy świetlnej, P o średnia wartość tej mocy w punkcie pracy, C 2, C 3 współczynniki rozwinięcia w szereg potęgowy Zniekształcenia sygnału powstające na częstotliwościach odpowiadających pulsacjom: ω 1 ±ω 2 = zniekształcenia drugiego rzędu (CSO composite second order). Zniekształcenia 3 rzędu (CTB composite triple beat) 2ω 1 ±ω 2, 2ω 2 ±ω 1 groźne tylko wtedy, gdy któraś z w/w częstotliwości znajduje się w paśmie użytecznym zajmowanym przez sygnał. Stąd niektóre 12

analogowe systemy transmisyjne zajmują tylko jedną oktawę częstotliwości ω 1 =2ω 2 i składowe różnicowe i sumacyjne wychodzą poza pasmo. Stosunek mocy zniekształceń do mocy sygnału modulującego Jak widać z powyższej tabeli dominującymi zniekształceniami są CSO i CTG. Innym rodzajem zniekształceń nieliniowych jest modulacja skrośna (Xmod cross modulation) występująca w wielokanałowych, analogowych systemach transmisyjnych. Lasery stosowane w systemach analogowych z modulacją amplitudy wymagają stosowania izolatorów optycznych (wyeliminowania odbić wstecznych). Parametry 42-kanałowych systemów transmisji sygnału telewizyjnego AM-VSB 2. Systemy CATV Systemy sieci telewizji kablowych CATV (kamera antena TV). Topologia tej sieci to struktura drzewa. Światłowody wykorzystuje się do transmisji sygnału na dalsze odległości w pniu i głównych gałęziach drzewa. 13

Światłowody stosuje się tutaj z powodu dużego tłumienia kabli koncentrycznych na wyższych częstotliwościach i zależności tego tłumienia od częstotliwości. Systemy CATV są systemami analogowymi przeznaczonymi do transmisji kilkudziesięciu kanałów telewizyjnych, nadawanych bezpośrednio, bez zmiany modulacji (przy modulacji AM-VSB) za pomocą zwielokrotnienia częstotliwościowego. Ponieważ każdy kanał telewizyjny zajmuje ok. 6 MHz, to pasmo zwielokrotnionego częstotliwościowo sygnału jest ok. 500 MHz. W nadajniku szerokopasmowym sygnał AM-VSB zawierający wszystkie kanały telewizyjne używany jest do bezpośredniej modulacji lasera przez zmianę jego prądu. Informacja transmitowana jest światłowodem do węzła sieci, gdzie fotodetektor zamienia ją z powrotem na sygnał RF. Po wzmocnieniu sygnał przesyłany jest na niewielkie odległości do abonentów. Oprócz modulacji AM-VSB, w systemach CATV używa się innych rodzajów modulacji analogowych FM-FDM (Japonia). Wady systemu CATV: wymaga demodulacji do sygnału AM-VSB akceptowanego przez odbiorniki telewizyjne abonentów, Zalety mniejszy wymagany stosunek mocy nośnej do mocy szumów (eliminacja szumów RIN, mniejsza wrażliwość na zniekształcenia nieliniowe). 14

Wymagania minimalne parametrów sygnału AM-VSB Projektowanie systemów transmisji światłowodowej - jakiego rodzaju sygnały chcemy przesyłać, - jaka jest maksymalna odległość transmisji, - czy w przyszłości system będzie rozwijany. Jeśli transmitować chcemy sygnały analogowe: - jakiego rodzaju modulacja ma być użyta, - jakie jest pasmo zajmowane przez sygnał użyteczny, jaki jest minimalny stosunek sygnału do szumu w odbiorniku. Jeśli transmitować chcemy sygnały cyfrowe: - szybkość transmisji, - żądana elementowa stopa błędów - czułość odbiornika. Projektowanie systemu światłowodowego polega na: - wyborze odpowiedniego światłowodu, - wyborze odpowiedniego źródła światła, - wyborze odpowiedniego detektora (minimalizacja kosztów), koszty diód elektroluminescencyjnych< koszty laserów, ceny źródeł i detektorów światła rosną ze wzrostem długości fali, fotodiody PIN są tańsze od lawinowych, najtańsze są światłowody wielodomowe. Przy projektowaniu uwzględnić trzeba trzy rodzaje ograniczeń: 1 związane z tłumieniem światłowodu 2 związane z jego dyspersją 3 związane z nieliniowością źródła światła Ad 1). Bilans energetyczny łącza (określenie mocy wprowadzonej do światłowodu, czułości odbiornika, strat mocy podczas transmisji w światłowodzie). W momencie przekazania linii do eksploatacji zachowany powinien być pewien margines tłumienia (10% całkowitej tłumienności linii) możliwe uszkodzenia kabla, połączenia zgrzewane. Drugi margines dla urządzeń α u (starzenie się źródeł światła). Dla systemów SD marginesy te są: - 3 db dla nadajników laserowych termostatowanych elementem Peltier 15

- 4 db dla nadajników laserowych bez termostatu - 4.5 db dla nadajników z diodą elektroluminescencyjną, α c =1.1(αL+Nα s +Mα k )+α u N liczba spawów, M liczba połączeń rozłącznych, L długość linii, α s =0.1 db, α k =0.5 db Jeżeli bilans energetyczny wykaże, że transmisja na żądaną odległość nie jest możliwa: - stosujemy laser o większej mocy lub optyczny wzmacniacz mocy (booster) w nadajniku, - stosujemy światłowód o mniejszej tłumienności (dla 1.55 µm), - stosujemy odbiornik o większej czułości (np. fot. lawinowa) albo przedwzmacniacz w odbiorniku. Ad2). Dyspersja liniowa [ps/nm] światłowody jednodomowe, górna częstotliwość przenoszenia światłowody wielodomowe. Dla transmisji sygnałów cyfrowych o szybkości 1/T: D λl<<t lub T>>1/f 3dB (*) Dla sygnałów analogowych o paśmie B: B<<f 3dB lub B<< 1/( D λl) (**) Jeżeli transmisja na żądaną odległość nie jest możliwa (nie są spełnione warunki (*) lub (**)): - w przypadku światłowodów jednodomowych: = użyć źródła światła o mniejszej szerokości linii widmowej = użyć laser DFB z amplitudowym modulatorem zewnętrznym = użyć światłowód o mniejszej dyspersji = zastosować połączenie zwykłego światłowodu ze światłowodem kompensującym dyspersję (DCF) - w przypadku światłowodów wielodomowych == użyć światłowód o większej wartości f 3dB = zastąpić światłowód wielodomowy jednodomowym Ad3). Występują w przypadku wielokanałowych systemów analogowych AM, CATV AM- VSB. Dotyczą nadajnika. Gdy zniekształcenia nieliniowe uniemożliwiają poprawną transmisję: - rozważyć zmniejszenie indeksu modulacji, m, - zmienić rodzaj modulacji na FM, - rozważyć możliwość zmiany sygnału analogowego na cyfrowy. Literatura: J. Siuzdak, Wstęp do telekomunikacji światłowodowej, WKŁ 1999 16