28
2. TRANSMISYJNE SYSTEMY ZWIELOKROTNIAJĄCE
2.1. Klasyfikacja technik zwielokrotniania
Podstawą systemów teletransmisyjnych jest rodzaj zastosowanej techniki zwielokrotniania (multipleksacji). Dzięki niej w jednym torze można utworzyć wiele kanałów transmisyjnych, na przykład kanałów telefonicznych. Podział technik zwielokrotniania pokazano na rys.2.1.
Rys.2.1. Klasyfikacja technik zwielokrotniania
Istniejące techniki zwielokrotniania:
· w dziedzinie częstotliwości FDM (Frequency Division Multiplexing),
· w dziedzinie czasu TDM (Time Division Multiplexing),
· w dziedzinie długości fali WDM (Wavelength Division Multiplexing),
· kodowe CDM (Code Division Multiplexing).
a) b) c)
Rys.2.2. Techniki zwielokrotniania: a) FDM, b) TDM, c) WDM
Zwielokrotnianie FDM
Rys.2.3. Istota multipleksacji FDM na przykładzie analogowego systemu telefonicznego
Technika zwielokrotniania w dziedzinie częstotliwości przez wiele lat stanowiła podstawę systemów teletransmisyjnych. Eksploatowane systemy dawały możliwość zwielokrotniania od 12 do 2700 (pasmo » 10 MHz) kanałów telefonicznych. Opracowano również systemy o krotności 10800 (pasmo » 40 MHz). Pojawienie się systemów cyfrowych zahamowało ich wprowadzenie do eksploatacji.
Zwielokrotnianie TDM
Przekazywanie sygnałów analogowych z zastosowaniem techniki TDM wymaga co najmniej próbkowania sygnałów. TDM dla sygnałów analogowych nie jest efektywna – poszerza widmo i przy tym nie daje korzyści w porównaniu z FDM.
TDM wykorzystuje się dla zwielokrotniania sygnałów cyfrowych, czyli sygnały analogowe przetwarzamy w cyfrowe (PCM) lub korzystamy z strumienia bitów (dane, tekst). Zasadę zwielokrotniania TDM przedstawiono na rys.2.4, 2.5. W szczelinach czasowych są przesyłane pojedyncze bity (rys.2.4) lub sekwencji bitowe (2.5) należące do kolejnych sygnałów zwielokrotnionych. Sekwencji bitowe nazywamy słowami kodowymi.
Rys.2.4. Istota multipleksacji TDM:
w szczelinach czasowych są przesyłane pojedyncze bity
Rys.2.5. Istota multipleksacji TDM:
w szczelinach czasowych są przesyłane słowa kodowe
Sygnały telefoniczne i TV musimy przekazywać rytmicznie, okresowo (w czasie rzeczywistym).
Dane, pliki muzyczne, video można przesyłać w sposób zupełnie dowolny (niekoniecznie okresowo), kolejne porcje mogą składać się z różnej liczby bitów – taki sposób jest nazywany asynchroniczne zwielokrotnianie w dziedzinie czasu ATDM (Asynchronous Time Division Multiplexing)
Zwielokrotnianie WDM
Technika zwielokrotniania w dziedzinie długości fali WDM nie różni się od FDM ponieważ częstotliwość f oraz długość fali l są powiązane znaną zależnością:
f=n/l (2.1)
gdzie n oznacza prędkość rozchodzenia się fali w danym ośrodku.
W przypadku techniki WDM emitowany sygnał jest prawie monochromatyczny, czyli o nieskończenie wąskim widmie. Różnica pomiędzy WDM i FDM wynika z przeznaczenia obu technik. Technikę FDM stosują do zwielokrotniania sygnałów analogowych, technikę zaś WDM do zwielokrotniania sygnałów cyfrowych mających postać strumienia bitów. Pojedynczy bit to impuls światła. Na rys.2.6 zilustrowano istotę zwielokrotniania WDM.
a)
b)
Rys.2.6. Zwielokrotnianie WDM: a) – pojedyncze bity w postaci impulsów światła o różnej długości fali, b) - istota multipleksacji WDM
Współczesne systemy światłowodowe umożliwiają transmitowanie sygnałów z szybkością do kilku Tb/s (1Tb=109b), a liczba sygnałów do kilkaset.
Zwielokrotnianie CDM
Technika zwielokrotniania CDM polega na niezależnym kodowaniu każdego z sygnałów kodem (sekwencją) rozpraszającym. Wszystkie tak zakodowane sygnały są przesyłane w tym samym paśmie transmisyjnym. Ze względu na ortogonalność stosowanych kodów rozpraszających odbiornik jest w stanie zdekodować wysłany do niego sygnał. Jedynym warunkiem jest to, aby stosowany kod rozpoznający był unikatowy i ortogonalny w stosunku do pozostałych kodów stosowanych w tym samym czasie. Metoda ta, oprócz uodparniania transmitowanego sygnału na zakłócenia wąskopasmowe, utrudnia nieupoważniony dostęp do sygnału. Przykład rozpraszania sygnałów cyfrowych pokazano na rys.2.7.
Rys.2.7. Rozpraszanie sygnałów cyfrowych
Technika zwielokrotniania CDM bazowana jest na twierdzeniu Shannona:
(2.2)
gdzie: c – maksymalna przepustowość (pojemność) kanału, w – szerokość pasma, S/N – stosunek sygnału do szumu (SNR).
Pierwsze systemy rozpraszające były systemami radiowymi wojskowymi (lata 40 ubiegłego stulecia). Teraz CDM stosowano w systemach komórkowych i w systemach lokalizacji położenia (Global Positioning System).
Systemy cyfrowe
Klasyfikacja sygnałów cyfrowych (transmisyjnych).
Najistotniejszym kryterium klasyfikacji sygnałów cyfrowych, z punktu widzenia ich przesyłania jest czas. Parametry czasowe sygnałów cyfrowych określają sygnały taktowania (czyli sygnały zegara). Podział sygnałów cyfrowych według parametrów sygnałów taktowania pokazany jest na rys.2.8.
Rys.2.8. Klasyfikacja sygnałów cyfrowych (transmisyjnych)
Sygnały izochroniczne – kolejne wartości (próbki) którego są równo odległe od siebie, przynajmniej średnio. W przeciwnym przypadku sygnał nazywa się nieizochronicznym albo anizochronicznym. W teleinformatyce i telekomunikacji znaczenie mają jedynie sygnały izochroniczne, bowiem wszystkie systemy cyfrowe działają pod sterowaniem układów taktowania, które z założenia generują sygnał zegarowy o jakimś podstawowym okresie. Wykorzystywanie sygnałów cyfrowych do przesyłania informacji na odległość wymaga współdziałania wielu urządzeń cyfrowych, z których każde również korzysta z sygnałów taktowania.
Rys.2.9. Nominalne i średnie parametry czasowe sygnałów cyfrowych
Sygnały taktowania są sygnałami okresowymi, a dokładniej quasi-okresowymi. Nie muszą to być sygnały o dokładnie takich samych parametrach. Wzajemne relacje czasowe pomiędzy sygnałami można określić porównując średnie i chwilowe wartości częstotliwości i fazy. Na rys.2.9 określono takie parametry jak fnom (wartość pożądana, ustalona) oraz fśr (wartość średnia). Na rys.2.10 pokazano relacje czasowe pomiędzy dwoma sygnałami
· Sygnały synchroniczne
Rys.2.10. Relacje czasowe
pomiędzy sygnałami
Dwa sygnały cyfrowe xn i yn uznaje się za synchroniczne, jeżeli nominalne oraz średnie w czasie wartości częstotliwości ich sygnałów taktowania są takie same, a różnica faz ma stałą wartość:
(2.3)
Sygnały niesynchroniczne nazywa się asynchronicznymi
· Sygnały mezochroniczne
(2.4)
· Sygnały plezjochroniczne – częstotliwości nominalne są równe, ale dopuszcza się nie tylko między nimi, ale również od wartości nominalnej, nawet stałe nieznaczne odchyłki częstotliwości:
(2.5)
· Sygnały heterogeniczne
(2.6)
Klasyfikacja systemów cyfrowych
· Systemy plezjochroniczne – cechą charakterystyczną takich systemów jest założenie, że przepływność binarna sygnałów zwielokrotnionych różni się od przepustowości kanału transmisyjnego. Nominalna przepływność kanału może być zarówno większa, jak i mniejsza od nominalnej przepływności binarnej sygnału. W obu przypadkach jest potrzebne dopełnienie bitowe (bit stuffing lub bit justification). Jeżeli przepływność sygnału mniejsza od przepustowości kanału, to trzeba uzupełnić strumień bitów dodatkowymi bitami (positive justification). W przeciwnym przypadku należy wykorzystać dopełnienie ujemne (negative justification).
W sygnale zwielokrotnionym część bitów jest przeznaczona na dopełnienie. Ze względu na dopuszczalne odchyłki przepustowości binarnej sygnału zwielokrotnionego nie można a priori dopasować przepustowości kanału. Przyczyną jest założenie, że urządzenia wytwarzające sygnały zwielokrotniane oraz urządzenia zwielokrotniające nie muszą być wzajemnie zsynchronizowane, a więc używane w nich układy zegarowe mogą pracować z różnymi taktami.
Systemy teletransmisyjne działające w ten sposób są nazywane systemami plezjochronicznymi. W systemach tych mechanizm dopełniania jest z założenia stałe aktywny. Nie ma więc możliwości jego wyłączenia nawet po zsynchronizowaniu zegarów taktujących. Działanie takich systemów musi opierać się na wielu ściśle określonych zasadach i normach. W szczególności dotyczą one liczby sygnałów zwielokrotnianych (krotności systemu), przepływności binarnych sygnałów zwielokrotnionych oraz organizacji przesyłanych strumieni binarnych.
Na świecie jest stosowanych kilka podstawowych typów systemów plezjochronicznych nazywanych plezjochronicznymi hierarchiami teletransmisyjnych systemów cyfrowych PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy). Najważniejsze to hierarchia europejska (wbrew nazwie ma ogólnoświatowy zasięg) i hierarchia amerykańska.
...
Fonev