Zwielokrotnianie FDM CDM TDM Autorzy: Paweł Głowacki, Anna Wywrot, Paweł Zieliński IV FDS
1 STRESZCZENIE Praca ta poświęcona jest zwielokrotnieniu przepustowości mediów transmisyjnych. Jest to technika przesyłu pewnej ilości sygnałów w jednym torze transmisyjnym. Zwielokrotnienia częstotliwości (FDM, SCM) Zwielokrotnienie czasowe (TDM, TCM) Zwielokrotnienie kodowe (CDM)
SPIS TREŚCI 2 Zwielokrotnianie FDM CDM TDM... 0 Streszczenie... 1 1. Metody realizacji dwukierunkowej transmisji danych w jednym włóknie ŚWIATŁOWODOWYM. Idea transmisji... 3 2. FDM (Frequency Division Multiplexing)... 5 2.1 SCM (Subcarrier Multiplexing)... 8 3. TDM (Time Division Multiplexing)... 10 3.1 TCM (Time Compression Multiplexing)... 14 4. CDM (Code Division Multiplexing)... 16 5. Ocena przedstawionych metod zwielokrotniania.... 18 5.1. FDM... 18 5.2. CDM... 18 5.3. TDM... 18 6. Literatura... 20
3 1. METODY REALIZACJI DWUKIERUNKOWEJ TRANSMISJI DANYCH W JEDNYM WŁÓKNIE ŚWIATŁOWODOWYM. IDEA TRANSMISJI. Światłowody stosowane obecnie posiadają bardzo niską tłumienność, poniżej 0,5 db/km, a niektóre z nich nawet 0,2 db/km. Mniejsze tłumienie oznacza większą odległość transmisji bez użycia regeneratorów sygnału. Częstotliwość nośna sygnału używanego w komunikacji optycznej wynosi powyżej 100 THz, co pozwala na przesyłanie sygnału o częstotliwości powyżej 100 GHz. Dla porównania pasmo przenoszenia typowych kabli miedzianych wynosi 400 MHz. Przesył sygnałów w światłowodach wymaga minimalnego użycia energii znacznie mniejszego niż w przypadku komunikacji poprzez łącza miedziane. Stosowanie światłowodów jednak również posiada swoje wady, do których można zaliczyć: stosunkowo wysoką cenę w porównaniu do ceny kabla miedzianego, konieczność stosowania fotoprzetworników, kosztowne i wymagające dużej precyzji metody łączenia włókien światłowodowych. W związku z tym, że światłowody są bardzo drogą częścią systemu teletransmisyjnego (projektowanie, koszt kabla, układka, łączenie), szuka się coraz to nowszych rozwiązań pozwalających maksymalizować wykorzystanie tego typu medium. Jednym z proponowanych przez wiele firm rozwiązań jest wykorzystanie jednego włókna światłowodowego do dwukierunkowej transmisji danych (bi-directional transmission). Jest to możliwe poprzez zwielokrotnienie sygnału i wprowadzenie wielu fal świetlnych do jednego toru transmisyjnego. Zwielokrotnienie to technika transmisji pewnej ilości sygnałów w jednym torze transmisyjnym. Tradycyjnie transmisja sygnałów odbywa się w jednym kierunku przy użyciu jednego toru transmisyjnego (patrz rys). Czyli do transmisji dwukierunkowej potrzebujemy dwóch włókien (po jednym na nadawanie i odbiór): & Tor światłowodowy EDFA & Rys 1.1 Nadawanie (jedno włókno światłowodowe) i odbiór (drugie) [4]
4 Tor światłowodowy Rys 1.2 Zastosowanie zwielokrotnienia nadawanie i odbiór odbywają się w tym samym torze transmisyjnym [4] W obu powyższych przypadkach elementem sprzęgającym (wprowadzającym) fale świetlne jest mustiplekser (sprzęgacz optyczny). Zwielokrotnienia można podzielić ze względu na to, w jakiej dziedzinie występuje zwielokrotniany sygnał: Zwielokrotnienie kodowe (CDM) Zwielokrotnienia częstotliwości (FDM, SCM) Zwielokrotnienie czasowe (TDM, TCM) Zwielokrotnienia długości fali (WDM) Sprzęgacze kierunkowe (DDM)
2. FDM (FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING) Zwielokratnianie przepustowości medium z podziałem częstotliwości. 5 Rys. 2.1 FDM (Frequency Division Multiplexing) [5] W metodzie tej sygnały informacyjne modulują źródła światła o różniących się nieznacznie długościach fal. Do emisji promieniowania wykorzystywane są lasery o stabilnych charakterystykach i posiadające małą szerokość linii widmowych (światło monochromatyczne). Do dodatkowej stabilizacji częstotliwości wykorzystuje się rezonator Fabry-Perot (wykonany jako odcinek światłowodu z półprzepuszczalnymi zwierciadłami na końcach). Systemy FDM zwiększają pojemność systemu transmisyjnego poprzez wykorzystanie dużej szerokości pasma oferowanego przez światłowody. Problemem w systemach FDM może być fakt, że w zakresie większych częstotliwości zwiększa się szum wzmacniaczy półprzewodnikowych; również sygnały optyczne w torach transmisyjnych o przepustowości powyżej 10-30Gb/s ulegają degradacji wskutek dyspersji chromatycznej włókna. Ze względu na niewielkie odstępy między kanałami w systemach FDM stosuje się struktury filtrów opracowane dla mikrofal lub fal milimetrowych. Wiąże się to z demultipleksacją istnieje kilka sposobów separacji sygnałów optycznych stosuje się filtry optyczne lub detekcję heterodynową.
6 Rys. 2.2 Struktura demultiplekserów [5] Pierwsze z powyższych rozwiązań pozwala na zwiększenie pojemności transmisyjnej pojedynczego włókna bez zmniejszenia odcinków międzyregeneratorowych. W drugim rozwiązaniu zastosowano oddzielną detekcję heterodynową. Wiąże się to z koniecznością filtrowania znacznie gęściej usytuowanych sygnałów optycznych i zastosowania bardziej selektywnych filtrów częstotliwościowych pośredniej częstotliwości w układzie detekcji heterodynowej. Moc optyczna na poszczególnych kanałach maleje wraz ze wzrostem liczby dostępnych kanałów.
7 Transmisja cyfrowa i zwielokrotnienie. Zwielokrotnienie przez podział częstotliwości Powszechnym standardem zwielokrotnienia jest 12 kanałów o szerokości 4000 Hz (3000 Hz dla użytkownika + 2 x 500 Hz pasmo ochronne zwielokrotnianych w paśmie częstotliwości 60-108 khz.- grupa pierwotna) Pasmo 12-60 khz używane jest czasami dla innej grupy kanałów. Linie dzierżawione o szybkości przesyłania 48 do 56 kb/s wykorzystują pasmo grupy 5 grupa(60 kanałów) tworzy super grupę (grupę wtórną) 5 grup wtórnych mastergrupa. Rys. 2.3 Zwielokrotnienie przez podział częstotliwościfdm (Frequency Division Multiplexing) [1] Zakres częstotliwości dzieli się między kanały logiczne przy czym każdy użytkownik ma przydziolone na wyłączną własność pasmo f.
8 2.1 SCM (Subcarrier Multiplexing) Rozwinięciem metody zwielokrotnienia FDM jest metoda SCM, z tą jednak różnicą że nie wymaga stosowania układów stabilizujących (wąskie pasmo nadawcze małe odstępy międzykanałowe). System SCM wykorzystuje jedną optyczną częstotliwość nośną zwielokrotnianie polega na modulowaniu częstotliwości podnośnych. Rys. 2.1.1 Schemat blokowy systemu SCM [2] System SCM można podzielić na dwie grupy: Systemy o detekcji bezpośredniej gdzie każda z mikrofalowych podnośnych jest generowana przez sterowany napięciowo oscylator. Następnie podlega zwielokrotnieniu za pomocą mikrofalowych układów sumowania mocy. Zmodulowane podnośne dodawane są do siebie i jako jeden sygnał modulują prąd lasera półprzewodnikowego. Wybór kanału w odbiorniku dokonywany jest przez zmieszanie z sygnałem pochodzącym z przestrajanej heterodyny i odfiltrowanie częstotliwości pośredniej. Następnie po powtórnej przemianie do drugiej pośredniej sygnał jest doprowadzany do dyskryminatora częstotliwości z linią opóźniającą.
Systemy koherentne to systemy o większej czułości, ponadto zastosowanie techniki koherentnej i modulacji cyfrowej pozwala na zwiększenie mocy sygnału w stosunku do mocy zakłóceń. 9 Rys. 2.1.2 Spektrum częstotliwości kilku kanałów SCM transmitowanych przez pojedynczy laser [4]
10 3. TDM (TIME DIVISION MULTIPLEXING) W metodzie zwielokrotniania z podziałem czasu impulsy odpowiadające różnym informacjom przesyłane są w pewnych odstępach czasowych w jednym kanale transmisyjnym. Każdy strumień danych posiada przyporządkowany odcinek czasowy (time slot), następnie kilka kanałów o mniejszej przepływności łączy się w jeden kanał o dużej przepływności. W technice TDM stosuje się tylko jedno źródło światła i jeden fotodetektor. Sygnał (zwielokrotniony) przesyłany jest w postaci cyfrowej Systemy transmisyjne wykorzystują dwa rodzaje multipleksacji: Elektryczną (TDM) Optyczną (OTDM) Rys. 3.1 TDM (Time Division Multiplexing) [3] W przypadku pierwszym kanał podzielony jest na szereg szczelin czasowych (time slot), które nastepnie są przydzielane każdemu urządzeniu włączonemu do systemu. Matematycznie można to zapisać w postaci równania T=T1*N, gdzie T czas impulsu, T1 czas przydzielony na jedno urządzenie, N liczba włączonych do obwodu urządzeń. Czasami występuje konieczność przydzielenia większej ilości czasu dla konkretnego urządzenia (np. do transmisji dużych ilości danych - multimedia, video), wówczas stosuje się kanały uprzywilejowane TDMA (dostęp do kanału z podziałem czasu TDM Access).
W optycznych systemach zwielokrotniania (OTDM) przetwarzanie O/E i E/O następuje w paśmie podstawowym (przed multipleksacją i za demultipleksacją). Oznacza to, że zwielokrotnianiu poddawany jest jedynie sygnał optyczny. Elementy elektroniczne pracują więc tylko przed multiplekserem oraz za demultiplekserem, w paśmie podstawowym. W procesie zwielokrotnienia czasowego można wydzielić trzy podstawowe etapy: Próbkowanie danych z kanałów pierwotnych. W tym celu wykorzystuje się laser, który wysyła odpowiednio krótkie impulsy następnie podlegające modulacji w sterowanym elektrycznie modulatorze. Powoduje to powstawanie ciągu impulsów optycznych charakterystycznych dla danego kanału pierwotnego. Utrzymanie zegara zapewnia właściwą kolejność i czas pobierania sygnału z poszczególnych kanałów. Próbki pobierane są w stałych odstępach czasu, natomiast czas potrzebny na spróbkowanie poszczególnych kanałów jest przesunięty tak, żeby pobrane próbki nie nakładały się na siebie. Przesunięcie czasowe dla próbkowania realizowane jest przy pomocy odpowiednich układów opóźniających. Multipleksacja spróbkowanych sygnałów optycznych dokonywana jest przez odpowiednie układy sumujące czynne lub bierne. Sprzęgacz aktywny zbudowany jest najczęściej w oparciu o przełączniki optyczne. Sprzęgacz pasywny najczęściej wykorzystuje światłowodowe sprzęgacze kierunkowe. Pozwala to na maksymalne uproszczenie konstrukcji, co nie pozostaje jednak bez wad - powstają duże straty, ponieważ w sprzęgaczach optycznych moc dzielona jest na N-kanałów. 11 Rys. 3.2 Multipleksacja spróbkowanych sygnałów [4]
12 Rys. 3.3 Zwielokrotnienie przez podział czasu TDM [5] Użytkownik cyklicznie na krótki okres czasu uzyskuje dostęp do całej szerokości pasma. Rys. 3.4 Łącze optyczne, zwielokrotnienie kanału [1]
13 Rys. 3.5 Zwielokrotnienie kanału [2]
14 3.1 TCM (Time Compression Multiplexing) Rys. 3.1.1 Zwielokrotnienie kanału [1] Metoda zwielokrotniania z kompresją czasu do transmisji dwukierunkowej wykorzystuje jedno włókno. W TCM sygnał poddawany jest kompresji w dziedzinie czasu, tworzone są pakiety danych, które następnie są wysyłane na przemian ( ping-pong ), dlatego nie występują tu przeniki i odbicia światła. Stwarza to potrzebę podwojenia szybkości transmisji oraz stosowania układów pamięciowych do konwersji i gromadzenia danych. Rys. 3.1.2 Transmisja TCM: konfiguracja, czas i ramka Schemat czasowy pokazany jest dla jednego cyklu przerywanego [2]
Odpowiednio: TD, TG, TINF są to: czas opóźnienia, czas ochrony i czas informacji. Czas opóźnienia odpowiada czasowi transmisji sygnałów optycznych w falowodach. Zakładając, że TD (czas transmisji w metrach) to odległość na jaką przesyłane są ramki to TD równałoby się wówczas 5L (ns). Czas ochrony TG odpowiada czasowi przełączania pomiędzy tryben nadawania i odbioru (jest to swoiste zabezpieczenie przed nałożeniem się sygnału nadawanego z odbieranym należy pamiętać, że jest to transmisja typu ping-pong ). Czas cyklu przerywanego TB wynosi 2(TINF + TD + TG). W systemach TCM źródłem fali jest dioda laserowa (LD), która do emisji wykorzystuje połowę czasu (cyklu) wybuchu (brust). 15 Rys. 3.1.3 Schemat układu nadawczo-odbiorczego [3] Sygnał elektryczny jest przetwarzany i konwertowany w układzie TCM do postaci linii kodowych i ramek TCM (brust). Dodawane są tu także bity kontrolne. Dioda laserowa (LD) następnie moduluje i emituje falę świetlną, która jest następnie transmitowana torem transmisyjnym. W odbiorniku dioda laserowa pracuje jako fotodioda i odbiera modulowane ramki (brust), następnie sygnał przesyłany jest do przedwzmacniacza i dalej do wzmacniacza (AGC) Sygnały w ramkach poddawane są dekodowaniu i konwersji w układzie TCM.
16 4. CDM (CODE DIVISION MULTIPLEXING) W systemach tych wszystkie kanały wykorzystują jednocześnie to samo pasmo częstotliwości. Zwielokrotnienie odbywa się przez przyporządkowanie każdej parze nadajnik-odbiornik indywidualnego kodu. Odbiornik identyfikuje sygnał, jeżeli wygenerowany kod zgodny jest z jego kodem i jeżeli kody są ze sobą zsynchronizowane. Systemy CDM można podzielić ze względu na sposób zwielokrotniania sygnału na dwie podstawowe grupy: Zwielokrotnienie elektryczne Zwielokrotnienie optyczne Zwielokrotnienie elektryczne. Systemy ECDM wykorzystują mnożenie strumienia danych przez binarną sekwencję pseudoprzypadkową (Enkoder A, B, C), która jest unikatowa dla każdej pary nadajnikodbiornik. Są to systemy z bezpośrednią sekwencją (Direct Sequence). W nadajniku sygnał danych jest mnożony przez kodową sekwencję pseudoprzypadkową (przyjmującą wartości +1/- 1). Odbiornik mnoży sygnał przez tą samą, zsynchronizowaną sekwencję binarną. Okres sekwencji pseudoprzypadkowej (chip) jest krótszy od czasu trwania jednego bitu. Powoduje to, że widmo sygnału zmodulowanego jest znacznie szersze od widma danych. Systemy te noszą nazwę systemów z rozproszonym widmem. Rys. 4.1 Prosta koncepcja sekwencji kodowej dla systemu CDM [5] Zwielokrotnienie optyczne. Koder optyczny zmienia impuls danych o określonym czasie trwania i pewnej mocy szczytowej na tzw. sekwencję adresu (sygnaturę). Dekoder wykonuje operację odwrotną - zmienia wejściowy sygnał adresowy na impuls danych o określonym czasie trwania i pewnej mocy. Konieczna jest synchronizacja i dopasowanie kodera do dekodera. Rys. 4.2 Schemat systemu z optycznym zwielokrotnieniem kodowym [3]
17 Rys. 4.3 System optycznego zwielokrotniania kodowego z użyciem ultrakrótkich impulsów [4] Rys. 4.4 Przebiegi czasowe przy kodowaniu optycznym: a) koder; b) dekoder przy zgodności kodów; c) dekoder przy niezgodności kodów [5]
18 5. OCENA PRZEDSTAWIONYCH METOD ZWIELOKROTNIANIA. 5.1. FDM W systemach tych często stosowana jest transmisja koherentna. Zwiększa to czułość odbioru i umożliwia znaczne zagęszczenie kanałów optycznych. Dużą niedogodnością jest jednak konieczność stosowania drogich, bardzo stabilnych laserów emitujących fale o zbliżonych długościach. Często stosuje się specjalne układy stabilizujące dla źródeł światła, co dodatkowo komplikuje cały układ oraz zwiększa koszt przedsięwzięcia. Fakt, ze jako źródła fal wykorzystywane są lasery o wąskich długościach fal pozwala na zagęszczenie kanałów częstotliwościowych, co w konsekwencji pozwala na stworzenie systemu o dużej pojemności (większej niż oferuje WDM). Systemy bazujące na FDM znajdują największe zastosowanie w dużych sieciach telekomunikacyjnych (w tym również sieci telewizji kablowej HDTV) o dużej pojemności i w szerokopasmowych rozdzielaczach sieci lokalnych. 5.2. CDM Z wykorzystaniem tej techniki zwielokrotnienia wiążą się pewne problemy. Pierwszym jest fakt, że długość toru transmisyjnego dla wszystkich elementów musi być taka sama (problem blisko-daleko ). Jest to główny powód, który dyskwalifikuje tą metodę w systemach wielodostępnych, gdzie najczęściej odległości między poszczególnymi elementami nadawczoodbiorczymi są różne. Nadajnik położony bliżej będzie zakłócał sygnał nadajnika pracującego w dalszej odległości (różnica w mocy sygnału). Drugim problemem jest konieczność stosowania długich słów kodowych (sekwencji), co znacznie utrudnia synchronizację odbiornika i odbiór fali z kodem (nie dotyczy to OCDM). Niestety w systemach CDM optycznych występuje znaczne poszerzenie pasma dla poszczególnych sygnałów (szybkość modulacji znacznie przekracza szybkość transmisji danych). Układy budowane w oparciu o CDM posiadają niską odporność na zakłócenia i szumy. Systemy te wymagają stosowania zaawansowanej elektroniki (dane mogą być odtworzone tylko za pomocą unikalnego kodu). Obecnie w warunkach labolatoryjnych stosuje się do modulacji specjalne lasery o ultrakrótkich czasach modulacji (ultra-short-pulse-laser), co pozwoli w przyszłości zwiększyć pojemność systemów CDM (przepustowość), niestety jak na razie, są to bardzo drogie układy. 5.3. TDM System TDM wytwarza jeden kanał optyczny o dużej przepływności, w związku z tym medium transmisyjne (światłowód) musi zapewniać odpowiednią szerokość pasma. Wiąże się to z powstającą dyspersją, która może ograniczać pasmo i zasięg. Kolejnym ważnym elementem układu OTDM jest synchronizacja próbkowania w poszczególnych kanałach pierwotnych przy złym doborze podziału czasu próbkowane bity z kanałów mogą nakładać się na siebie. Jednak największym ograniczeniem elektrycznej metody TDM jest szybkość pracy układów elektronicznych. Niestety metoda multipleksacji elektrycznej posiada tzw. wąskie gardło mianowicie elektryczna część układu musi pracować z szybkością odpowiadającą całkowitej przepływności systemu, co oznacza, że w przypadku multipleksacji czterech kanałów o przepływności tylko 3Mb/s każdy, powstaje kanał zwielokrotniony o przepustowości 12Mb/s. W związku z tym elektryczna część systemu powinna umożliwiać osiągnięcie takiej przepływności. Niestety układy elektroniczne posiadają ograniczenie
częstotliwości i pozwalają na transmisję do 10Mb/s. Dla większych przepływności niezbędnym elementem takiego układy staje się oscylator lokalny o bardzo dużej mocy, aby odbiornik mógł pracować przy małym poziomie sygnału odbieranego. Problem ten nie występuje jednak w OTDM. Jak widać system zbudowany w oparciu o TDM (OTDM) wymaga zastosowania dość drogich urządzeń i mediów (światłowody jednomodowe) transmisyjych, co najczęściej uniemożliwia stosowanie go jako upgrade istniejących linii transmisyjnych. Nadaje się natomiast doskonale do projektowania od podstaw. 19
20 6. LITERATURA [1] Kizito Tshilumba Kasengulu A Comparison Study Between TDM and FDM in Digital Wirless Systems, [2] Piotr Dybiec Code Division Multiple Access, TELECOM Forum nr 2/99 [3] Spread Spectrum : Codes, Processing Gain, and Synchronization, [4] http://www.technologie.pl/fiber/zwielokrotnienia.htm [5] Randy H. Katz CS 294-7: Media Access TDM and CDM, [6] George R. Cooper, Clare D. McGillem, Modern Communications and Spread Spectrum, McGraw-Hill Book Company, 1986