9. témakör. Digitális modulációs rendszerek

Átírás

1 9. témakör Digitális modulációs rendszerek

2 Digitális adatátvitel analóg csatornán A digitális modulácó feladata a digitálisan tárolt adatok nagy távolságú átvitele. Az adatátviteli csatorna a valóságban létező csavart érpár, koax, rádió csatorna, optika, stb... A digitális információk átvitelére szolgáló rendszereket két nagy csoportra oszthatjuk: Alapsávi modulációs rendszerek: a jelet aluláteresztő jellegű csatornán továbbítjuk (kábel, TDM) Vivős modulációs rendszerek: a jelet sáváteresztő jellegű csatornán továbbítjuk (telefoncsatorna, rádiócsatorna, FDM) A forrásból T időközönként érkező {dk} szimbólumokból a modulátor előállítja az s(t) modulált jelet. A modulált jelet a csatornán különböző zavaró és torzító hatások érik (additív zaj, lineáris és nemlineáris torzítás), majd a jel demodulálásra kerül. A demodulátor feladata a { dk} becsült szimbólumsorozat előállítása.

3 Alapsávi modulációs rendszerek Alapvető pulzus-vivőjű modulációk: Pulzus amplitúdómoduláció (PAM) Pulzus szélesség moduláció (PDM vagy PWM) Pulzus fázismoduláció Pulzus számosságmoduláció A rendelkezésre álló sávszélesség és jel-zaj viszony mellett a lehető legnagyobb adatátviteli sebességet kis hibaaránnyal a PAM rendszerekben lehet elérni, így erre fókuszálunk.

4 Pulzus-amplitúdó moduláció Adó oldalon a soros bitfolyam 0 és 1 szimbólumait T időközönként a modulátor bemenetére vezetjük és a bittartalomtól függően a kimeneten pozitív ill. negatív impulzusok jelennek meg, amelyeket bizonyos jelformálás után átküldünk a csatornán. Ez az eljárás a kétszintű PAM. A vevő oldalon T periódusidővel mintavételezzük a jelet és a minta előjeléből következtetünk a küldött szimbólumra. Az adó jelformálása aluláteresztő szűrővel valósul meg, amely az impulzusok spektrumát sávhatárolja (mivel a csatornán is véges a rendelkezésre álló sávszélesség). Ez az adószűrő a modulátor része. A vevőben célszerű egy vevőszűrőt alkalmazni, mely szintén aluláteresztő jellegű, és a sávon kívüli zajok és zavarok kiszűrésére szolgál, amely a döntés helyességét elronthatja. Ez is végezhet kiegyenlítést is. A PAM adatátvitel modellje:

5 Impulzus-amplitúdó moduláció Lehetséges több állapotú PAM létrehozása is, így egy elemi idő alatt (T) több bitnyi információ és átvihető, de az állapotok számának növelésével a döntési szintek közelebb kerülnek egymáshoz, a tévesztés valószínűsége megnő. Maradván a kétszintű PAM vizsgálatánál, a digitális modulációnál nem az alakhű jelátvitelre törekszünk, hanem, hogy a vevő oldalon a mintavételi időpillanatokban a helyes döntéseket meg tudjuk hozni, minél kisebb hibaaránnyal. Ami zavaró, hogy a T időközönként a rendszer átviteli karakterisztikájából eredő impulzusalakok lecsengő, ill. sin(x)/x szerint lengő szakaszai egymásra hatnak, egymásba átnyúlnak. Ezt nevezzük szimbólumközi áthallásnak (Intersymbol Interference: ISI)

6 Impulzus-amplitúdó moduláció Cél az ISI kiküszöbölése legalább az nt mintavételi időpillanatokban! Amire törekszünk, azt időtartományban a következőképp lehetne szemléltetni. Az eredő időfüggvény ezeknek az elemi jeleknek az összege minden időpillanatban: t

7 ISI mentes csatorna A modulátor diszkrét idejű bemenettel és folytonos kimenettel rendelkezik. Az impulzus válasz függvénye ha(t). Az üzenetekkel való gerjesztés egy-egy egységimpulzusnak tekinthető a bemenetén. Erre a súlyfüggvényével arányos jellel válaszol. A modulátor súlyfüggvényét tulajdonképp egy adószűrő határozza meg. A bemeneten a 0 és 1 szimbólumok a -1 és +1 értékre konvertálódnak. Ez a bemenő üzenethalmaz. A modulátor kimenő jele: Az adószűrő átviteli karakterisztikája a ha(t) Fourier transzformáltja: Megjegyezzük, hogy a H(f) függvényt a korábbiakban K(jω)- nak jelöltük! A vevőszűrő esetében:

8 ISI mentes csatorna Az adó és a vevőszűrő kaszkád kapcsolása miatt az eredő átviteli karakterisztika: A mintavételező bemenetén a jel: (A súlyfüggvények pedig konvolválódnak) Az eredő átviteli karakterisztikát a csatorna karakterisztikája is befolyásolja, de az adó és vevő szűrőnél kisebb mértékben. (h(t) nt-vel eltolva) A mintavételező kimenetén a jel a kt-ik időpontban (a zajtól most eltekintve): n=k ISI mentes átvitel akkor valósulhat meg, ha olyan h(t)-t választunk, amelyre igaz:

9 ISI mentes csatorna A követelményt triviálisan kielégíti egy ideális aluláteresztő szűrő karakterisztika. Ilyen azonban nincs a valóságban. A szűrő H(f) átviteli karakterisztikával és az inverz Fourier transzformációval meghatározható h(t) súlyfüggvénnyel rendelkezik: h( t) 1/ 2T = H( j )( azaz _ T) e j2 ft ) 1/ 2T df sin( (1/ T) t) = (1/ T t H(f) h(t) T -1/2T 1/2T -3T -2T -T T 2T 3T t

10 ISI mentes csatorna Nyquist nevéhez fűződik, hogy az ideális karakterisztikát nem kell megvalósítani az ISI kiküszöböléséhez, csupán az alábbi Nyquist kritériumot kell betartani. Mivel a végpontok között nézve mintavételes rendszerről beszélünk az átviteli karakterisztika periodikus. Erre a periodikus esetre kell, hogy érvényes legyen: Szavakban: A mintavételezésből adódó periodikus kiterjesztés következtében fellépő átlapolódás az átviteli karakterisztikában olyannak kell lenni, hogy kiadódjon a konstans 1 érték.

11 ISI mentes csatorna Ennek a feltételnek minden olyan karakterisztika eleget tesz, amely aluláteresztő jellegű és páratlan szimmetriájú (pontszimmetrikus) az 1/2T és a -1/2T pontokhoz tartozó 0,5 függvényértékekre (ezt hívják Nyquist pontnak). -1/(2T) 1/(2T) Látható, hogy végtelen sok karakterisztika eleget tesz a Nyquist kritériumnak, mivel a frekvencia eloszlásra nem ír elő semmit. Látható, hogy az ISI nem szüntethető meg, ha 1/2T sávszélességnél kevesebb áll rendelkezésre. Látható az is, hogy 1/T-nél nagyobb sávszélességre nincs szükség, mert akkor nem érvényesül a kritérium

12 ISI mentes csatorna A Nyquist kritérium szemléltetése idő és frekvenciatartományban: A szűrőkarakterisztikák megválasztásánál figyelembe kell venni, hogy az eredő átviteli karakterisztika: Ha túl meredek, akkor nagy lesz az időtartományban az időfüggvény belengése, ami kis időzítési bizonytalanság esetén is nagy tévesztési valószínűséget visz a rendszerbe Ha túl lankás, akkor pedig nagy sávszélességet igényel a csatornától Megvalósítható: emelt-koszinusz csatorna karakterisztikával (ld. következő oldali H(f))

13 C(f) ISI mentes csatorna Emelt koszinusz átviteli karakterisztika és súlyfüggvénye: b=0.1 b=0.35 b=0.5 b=0.75 b= normalizált frekvencia, T/t b=0 b=0.5 b= β a lekerekítési paraméter

14 ISI mentes csatorna Amennyiben az oszcilloszkópot a kinyert órajellel szinkronizáljuk és felrajzoljuk egymásra a vonali jelalakokat, akkor a szemábrához jutunk. A szemábra jól mutatja azt az optimális időpillanatot, amikor a legnagyobb valószínűséggel tudunk helyes mintát venni. Ez a szem legnagyobb nyílása. A mintavételi időpillanatban, ha ISI mentes a csatorna, akkor az aktuális szimbólum tisztán 1 vagy -1 értéket ad, a megelőző szimbólumok lengései ekkor 0 additív értéket hoznak a mintavételbe. optimális mintavételi időpillanat (nt) A zaj és a jitter a jelhez adódva csökkentik a szem nyílását, így a döntés jóságát.

15 Amplitude Amplitude Amplitude ISI mentes csatorna Különböző lekerekítési paraméterek esetében a szemábra: 1.5 Eye Diagram 1.5 Eye Diagram Time Time 2 Eye Diagram Time

16 A bithiba valószínűsége Eddig nem foglalkoztunk az ISI mentes csatorna additív zajával. Most ennek hatását vizsgáljuk. Additív Gauss zajt feltételezve keressük annak valószínűségét, hogy a vett üzenet nem egyezik meg a küldött üzenettel. Az eredményt grafikusan, a jel-zaj viszony függvényében adjuk meg.

17 Vonali kódok ITU-T G703 2Mb/s-os interfészen Az átviteltechnikában az alábbi fő szempontokat is figyelembe kell venni: A vonali jelnek ne legyen DC tartalma Az órajel kinyerhető legyen, ne legyen sok 0 egymás után a vonalon Ennek megfelelően nem kétszintű PAM-ot használnak hanem AMI (Alternate Mark Inversion) álháromállapotú kódokat. Az értékkészlet: -1, 0, +1. A vonalon a bipoláris szabálynak megfelelően minden 1 impulzus előjelét ellenkezőre váltják. Így a DC nulla lesz. A hosszú 0 sorozatokat pedig különleges bipoláris szabály sértésekkel jelölten, impulzus mintázatokkal váltják ki (pl. HDB3). Így az órajel kinyerése is biztosított, és nem függ az információtartalomtól.

18 Vonali kódok ITU-T G703 2Mb/s-os interfészen 2Mb/s-os ITU-T G703 (E1) interfész jel (75 Ohm-on) A vételi oldalon a kiegyenlítés után (zajmentes. szimulált és additív zajjal terhelt eset): Nem optimálisan kiegyenlített vonal szemábrája:

19 Vonali kódok Ethernet interfészeken Az Internet protokoll stack: Az IEEE szerinti Ethernet keret: Soros átvitel. A byte-ok átvitele felülről lefelé történik. A bitek átvitele az LSB-től az MSB felé történik.

20 Vonali kódok Ethernet interfészeken Réz alapú Ethernet átvitelé fejlődése: 1990: 10BASE-T 1995: 100BASE-TX 1999: 1000BASE-T (gigabit over UTP) 2006: 10GBASE-T (10gig over UTP) Réz alapú, csavart érpáros LAN átviteli közegek (max. 100m-re): Class C, Cat-3: 100 Ohm csavart érpár, max. 16MHz-ig specifikált Class D, Cat-5: 100 Ohm csavart érpár, max. 100MHz-ig specifikált Cat-5e: 100 Ohm csavart érpár, max MHz-ig specifikált Class E, Cat-6: 100 Ohm csavart érpár, max MHz-ig specifikált Class F, Cat-7: 100 Ohm csavart érpár, max MHz-ig specifikált A specifikáció az áthallás paramétereket is tartalmazza (NEXT, FEXT) LAN kábel jelölések (rég => új): Magyarázat: UTP => U/UTP U: unshielded (nincs árnyékolás); UTP: unshielded twisted pair FTP => F/UTP F: foil screened (>30MHz zavarok ellen fémfólia); FTP: foil screened twisted pair S-FTP => SF/UTP S: shielded (kisebb frekv. zavarok ellen fémszövet); STP: shielded twisted pair S-STP => S/FTP Új jelölés: [a kábelt körülveszi] / [az érpárokat körülveszi]

21 Vonali kódok Ethernet interfészeken TIA/EIA szabvány szerinti LAN kábelek és RJ45-ös csatlakozók bekötése: Egyenes kábelbekötés: Kereszt kábelbekötés: 10/100Mbps Ethernet esetben lehet automatikus detekció is az interfészen: Auto Sense

22 Vonali kódok Ethernet interfészeken 10Base-T: Egy érpár TX, egy érpár RX Egyenes és keresztkábelezés (szegmensben max. 100m) Két állapotú Manchester vonali kódolás 10Msymbol/s 1 bit/szimbólum átvitel Adatátviteli sebesség: 10Mb/s

23 Vonali kódok Ethernet interfészeken 100Base-TX (FE): Egy érpár TX, egy érpár RX Egyenes és keresztkábelezés (szegmensben max. 100m) MLT-3 vonali kódolás 125Msymbol/s 4B/5B blokk-kód: 0,8 bit/symbol (tartalma: adat, jelzés és redundancia) Ld. táblázat: Adatátviteli sebesség: 100Mb/s Min 80MHz sávszélesség: Cat-5, Cat-5e

24 Vonali kódok Ethernet interfészeken 1000Base-T (GE): Négy érpár TX, négy érpár RX (hybrid, DSP visszhang elnyomás) Csak egyenes kábelezés! (szegmensben max. 100m) 4D-PAM5 vonali kód 125Msymbol/s érpáronként 5x5x5x5=625 konstellációs pont 256 használt, azaz 8bit/symbol idő (a többi jelzés és redundancia) Adatátviteli sebesség: 1Gb/s Min 80MHz sávszélesség: Cat-5e, Cat-6

25 Vonali kódok Ethernet interfészeken 10GBase-TX (10GE): Négy érpár TX, négy érpár RX Csak egyenes kábelezés! (szegmensben max. 100m, de a gyakorlatban ez kivitelezhetetlen) 4D-PAM16 vonali kód 800Msymbol/s érpáronként 16x16x16x16=65536 konstellációs pont blokk-kód után 4x3,125bit=12,5bit/symbol idő (a többi jelzés és redundancia) Adatátviteli sebesség: 10Gb/s Min 500MHz sávszélesség: Cat-6, Cat-7

26 Vonali kódok Ethernet interfészeken Idegen zajok és áthallások elleni védekezés jelentősége GE rendszerekben megnő, 10GE rendszerekben pedig kritikus! A fogadott jel a kábel átviteli karakterisztikája miatt csillapítást szenved.

27 Vonali kódok Ethernet interfészeken FE átvitel esetén példa a kiegyenlítés jelentőségére: Cat-5e kábel csillapítása (100m) A kiegyenlítő áramkör átviteli karakterisztikája és az eredő átviteli karakterisztika

28 Vonali kódok Ethernet interfészeken 100Base-T kiegyenlítés nélkül és kiegyenlítéssel (mért szemábrák)

29 Power over Ethernet Eszközök DC tápellátása réz alapú LAN kábelezésen: IEEE 802.3af szabvány: PoE, 48 VDC névleges egyenfeszültség, max 15,4W, min. Cat3 IEEE 802.3at szabvány: PoE+, 48 VDC névleges egyenfeszültség, max 30,0W, min Cat5 Kábel ér kiosztás: 10/100M Ethernet nem használ két érpárján (mode B) vagy a jelvezetékeken (mode A) 1000M Ethernet esetén a jelvezetékeken (mode B vagy mode A)

30 Autonegotiation Ennek segítségével a kábel két végéhez csatlakozó berendezés automatikusan el tudja dönteni, hogy mekkora sebességgel és milyen duplexitással működjön, mielőtt még az Ethernet kommunikáció valójában felépülne. Ezen kívül megbeszéli a két állomás azt is, hogy használnak-e flow controlt. Mindkét állomás közli a másikkal, hogy szándékozik-e pause kereteket küldeni, illetve hogy támogatja-e az asszimetrikus flow controlt (amikor a két állomás közül csak az egyik küld pause kereteket). Az autonegotiation funkció nem kötelezően implementált, és megléte esetén is kikapcsolható.

31 Vivős modulációs rendszerek Lehetővé válik a csatorna többszörös kihasználása a vivőfrekvenciák szerint elválasztva. Bináris jel továbbítása az ismert analóg modulációs módszerekkel az alábbiak szerint lehetséges. Ebben az esetben a PAM impulzusok egy modulátor bemenetére kerülnek: Amplitúdó billentyűzés (ASK) Amplitude Shift Keying Frekvencia billentyűzés (FSK) Frequency Shift Keying Fázis billentyűzés (PSK) Phase Shift Keying AM/DSB a moduláló PAM jel alapsávi impulzusformálás után A legutóbbi módszer igényli a legkisebb átviteli sávszélességet, hiszen a moduláló jelet sávkorlátoztuk a Nyquist kritériumnak megfelelően, tehát a csatorna ilyen módon ISI mentesíthető.

32 Vivős modulációs rendszerek Jelalakok a bemenő bináris adatok függvényében:

33 ASK Véletlen bináris jellel modulálva a teljesítménysűrűség spektrum (Gd(f) a moduláló jel teljesítménysűrűség spektruma): Ez maga a vivő Koherens demoduláció: igényli a vivő fázishelyes ismeretét Nem koherens demoduláció: burkolódetektor

34 PSK Véletlen bináris jellel modulálva a teljesítménysűrűség spektrum (Gd(f) a moduláló jel teljesítménysűrűség spektruma): Annyiban különbözik az ASK spektrumától, hogy nem tartalmaz fc-n vivőt. A sávszélesség igény ugyanaz. Koherens demoduláció szükséges ebben az esetben: a demodulátor igényli a vivő fázishelyes ismeretét.

35 PSK Négyállapotú fázismoduláció: 4PSK vagy QPSK A fázis egy referenciajel fázisához, vagy a megelőző jelfázishoz is viszonyítható (DPSK) Mivel nem kell külön referencia vivőt átvinni, a DPSK gyakrabban alkalmazzák. Ekkor az előző jelállapot fázisához viszonyított megváltozás hordozza a dibit információt.

36 FSK A modulált jel folyamatos fázisú FM hullámforma. Kis sebességű adatátvitelt tesz lehetővé Sávszélesség kihasználása nem olyan jó, mint a PSK esetében. Nem koherens demoduláció: egyszerű frekvenciamérés, egyszerű konstrukció

37 Kvadratúra amplitúdómoduláció (QAM) A kvadratúra modulátor és demodulátor az alábbi ábrán látható. Ezen az elven két független csatorna jele vihető át úgy, hogy a sávszélesség igény nem változik. Diszkrét idejű rendszerek esetében a bemenetekre PAM impulzussorozat kerül.. Modulátor kimenő jele: Az AM esetében tanult elvek alapján a demoduláció koherens. Ha nem tudnánk biztosítani a vivő fázishelyes detektálását, áthallás keletkezne a csatornák között.

38 QPSK moduláció A QPSK kvadratúra fázisbillentyűzés (valójában 4QAM) modulációt két PAM modulátorral és egy kvadratúra modulátorral hozhatjuk létre. A QPSK modulátor és demodulátor: A bemeneti csatornák jelei sávkorlátozottak. Van adó és vevőszűrő is. Így biztosítható a csatornánkénti ISI mentesség, a Niquist kritérium betartásával. QPSK esetében a bemeneti PAM-ok kétszintűek. A konstellációs ábra:

39 QAM A kvadratúra amplitúdó moduláció a QPSK-ból származtatható, de a bemeneti PAM impulzusok kettőnél több állapotot is felvehetnek. Ha négy állapotot különböztetünk meg csatornánként, akkor kapjuk a 16-QAM-et. A konstellációs ábra 16-QAM esetében (modulált jel amplitúdó és fázishelyzete kt mintavételi időpillanatokban): A demodulátorok kimenetén, a mintavételező, döntő áramkör után előáll a PAM állapotokhoz rendelt bináris tartalom. Gray kód alkalmazása esetén a szomszédos konstellációs pontok Hamming távolsága 1 (egy bitben különböznek).

40 QAM Példa egy másik 16QAM Gray kódolásra: ISI és vonali zaj hatása a mintavételi időpillanatokban:

41 QAM 16-QAM konstellációs ábrák megjelenési formái:. Négyzetes elrendezésű 16-QAM 16 állapotú APSK Léteznek pontos QAM rendszerek is. De minél nagyobb a pontsűrűség, annál kiesebb zaj engedhető meg a csatornákban, amely a döntéseket meghamisíthatja.

42 QAM 128 állapotú QAM (ITU-T V32bis., 14,4 kbps) konstellációs ábrája: Modulációs sebesség = 1/T=2400 Baud Adatátviteli sebesség = 2400*6=14400 bit/s Egy elemi jel idő alatt (T) 7 bitnyi információt vihetünk át. A 7 bitből 1 redundancia a hibajavítás érdekében.. Az ITU-T V.34-es modem 1664 konstellációs pontot használ. Adatátviteli sebesság=33,6 kbit/s.

43 xdsl Az xdsl technológiák spektrális jellemzői és az adatátviteli sebességeik a réz érpár hosszának függvényében:. Modulációs mód: DMT (Discrete Multi-tone. (ld. OFDM!)

44 ADSL ADSL: Asymmetric Digital Subscriber Line vagyis Aszimmetrikus Digitális Előfizetői Vonal. 256-QAM modemek egymás mellett khz-es frekvencia raszter. 8bit. Modulációs sebesség=4 kbaud, Adatátviteli sebesség=4000*8=32kbit/s modemenként. Max 256 vivő definiált. Adaptív modemvezérlés. POTS esetében: Downstream (letöltés): max 223 vivő. Adatátviteli sebesség max kbit/s. Upwnstream (feltöltés): max 26 vivő. Adatátviteli sebesség max 832 kbit/s.

45 Csatornakapacitás Az információ közlésének sebessége: Egy üzenet továbbítására szánt idő: T Üzeneteket reprezentáló elemi jelek állapota: s Az üzenetek továbbításának sebessége a modulációs sebesség: Az adatátviteli sebesség (információátviteli sebesség, ha az entrópia max.): Soros csatornán: Párhuzamos csatornán:

46 Csatornakapacitás Valóságos, folytonos jelet átvivő, zajos csatornát feltételezve: Belátható, hogy ha a modulációs sebességet növeljük, akkor az üzeneteket reprezentáló jelelemek (impulzusok) szélessége csökken, így a jel sávszélesség igénye nő. Határt szab tehát a csatorna sávszélessége. Ha az üzenethalmazban az üzenetek számát (s) növeljük, akkor pedig a csatorna zaja korlátoz. A maximális információátviteli sebesség és a csatorna fizikai jellemzői közötti kapcsolatot Shannon írta le (1948) (A csatornán fehérzajt feltételezve!)

47 Csatornakapacitás Grafikusan ábrázolva:

48 Csatornakapacitás Értelmezése, jelentősége: 1. C-t megszabja a B és a Pjel/Pzaj 2. A B és a Pjel/Pzaj egymásra átválthatók. (kisebb B is elég, ha javul a jel/zaj viszony) 3. A C egy elméleti határ. Nem érjük el, mert -A modulációink hatékonysága nem maximális -Nem mindig maximális az entrópia -A fehérzajon kívül még más zavaró tényezők (zaj) is jelen vannak a csatornán. Példa: Egy POTS (hagyományos telefon) összeköttetés csatornakapacitására: Ma ezt a sebességet csak megközelíteni tudjuk, amennyiben modemkapcsolatban állunk egy partnerrel a telefonhálózaton keresztül (nem ADSL!).

49 9. témakör (folyt.) Optikai átvitel alapjai

50 Optikai szál Optikai szálak két alapvető típusa: Multimódusú szál (MM: Multimode). Ebben több módus is terjedhet. Magátmérő: 50um v. 62,5um Olcsó. Rövid távolságokra alkalmas, mert a több módus eltérő csoportsebessége optikai jeltorzulást okoz. Ezt nevezik módusdiszperziónak. Monomódusú szál (SM: Singlemode). Ebben csak egy módus terjedhet. Magátmérő: 9um Nagyobb távolságokra is alkalmas. Drágább.

51 Optikai szál A fény hullámhossza a frekvenciából számítva, vákuumban (a gyakorlatban ezt használjuk): Azonban a fény terjedési sebessége az üvegszálban csak 2/3 x c! Optikai szálak Rayleigh szórásból eredő csillapítása bizonyos hullámhosszokon: nm, Multimode nm, Multimode nm, Singlemode nm, Singlemode ITU-T G652 optikai szál (single mode) csillapítás-karakterisztikája:

52 Optikai szál Optikai szálak csillapítása más tényezőktől is függ: Makrohajlat veszteség Mikrohajlat veszteség Abszorpció Csillapítás hőmérsékletfüggése (légkábeleknél okoz gondot, földkábeleknél nem) Egyéb csillapítás okozó tényezők: Csatlakozók csillapítása Csatlakozók reflexiója Hegesztések csillapítása Diszperziók (jelalak torzulást okozó tényezők): CD (Chromatic Dispersion): A kromatikus diszperzió az egyes hullámhosszak eltérő késleltetéséből eredő jelalak torzulás. Ez jól kompenzálható. PMD (Polarization Mode Dispersion): A polarizációs módus diszperzió a szál geometriai egyenetlenségeiből adódik, amely miatt a fényhullám kétféle polarizációjának fázissebessége eltér és így jelalak torzulást okoz. Kompenzálása bonyolultabb. Valójában 10Gbps modulációs sebesség felett jelenthet problémát.

53 Ethernet optikai adó-vevő interfész modulok

54 Optikai adó-vevő modulok Nem koherens optikai átvitelben standard NRZ fénymoduláció alkalmazása: E-O-E (Elektromos-Optikai-Elektromos) viszonylatban a 2 állapotú PAM esetében az ISI mentességet biztosítani kell.

55 Optikai adó-vevő modulok 100Base-X (100M optikai interfészek) (SFP: Small Form Factor Pluggable) 100Base-SX (850nm, MM, max 550m) 100Base-FX (1310nm, SM, max 2-10km) 1000Base-X (1G optikai interfészek) (SFP) 1000Base-SX (850nm, MM, max 220 m (62.5/125 µm fiber) és 550 m (50/125 µm fiber)) 1000Base-LX (1310nm, SM, max 5-10km, MM: max 550m) 1000Base-EX (1310nm, SM, max 40km) 1000Base-ZX (1550nm, SM, max 70-80km 10GBase-X (10G optikai interfészek) (SFP+ és XFP: 10Gbit SFP) 10GBase-SR (850nm, MM, max 80 m (62.5/125 µm fiber) és 300 m (50/125 µm fiber)) 10GBase-LR (1310nm, SM, max 10-25km) 10GBase-ER (1550nm, SM, max 40km) 10GBase-ZR (1550nm, SM, max 80km) GE és 10GE modulokból létezik 120km-es és 200km-es speciális változat is CWDM és DWDM színes modulok is léteznek, a hullámhosszak szerint SFP, SFP+ nézeti képe: (LC optikai csatlakozóval) XFP nézeti képe: (LC optikai csatl.)

56 Optikai adó-vevő modulok 40 és 100Gbps Ethernet technológia PHY (Physical Layer, rézkábelen, MM és SM optikai kábeleken): IEEE 802.3ba 40Gbps-os optikai modulok

57 Optikai adó-vevő modulok 40Gbps-os optikai modulok

58 Optikai adó-vevő modulok 100Gbps-os optikai modulok evolúciója

59 Optikai adó-vevő modulok 100Gbps-os optikai modulok evolúciója

60 Optikai adó-vevő modulok 100Gbps-os optikai modulok 100GBASE-LR4 és ER4: A CFP-ben benn van a 10G/25G multiplexer. Itt 10x10G az elektromos interface (CAUI). Az ennél kisebb modulokban (CFP2.QSFP28) csak a 4x25G interfész van benne transzparens. A kártyán van a multiplexer. Persze az optikai WDM mux/demux ott van. Az SR10-ben nincs mux. Az 10x10 elektromos csatorna be és 10x10 optikai ki.

61 100G koherens Ethernet PHY 100Gbit/s koherens Ethernet vonali interfészek (LH: long haul) Fix és moduláris (CFP2) vonali oldali adó-vevő modulok: 100G DWDM LH Előnyök: 100G interfész olcsóbb (lesz!), mint 10x10G DWDM rendszerekben jobb hullámhossz kihasználás Optikai szál, mint fizikai közeg, megfelelő sávszélességet biztosít FEC (Forward Error Correction) hibajavító kódolás alkalmazása a zajérzékenység csökkentése érdekében Követelmény: 50GHz-es DWDM raszterhez illeszkedjen a sávszélesség igény (ITU-T G.694.1) Modulációs sebességet alacsonyan kell tartani a diszperziók hatásának minimalizálása miatt DSP és A/D áramkörök fizikai sebességkorlátait is figyelembe kell venni

62 100G koherens Ethernet PHY Moduláció: DP-QPSK (dual polarization quadrature phase shift keying ) QAM elv, koherens vevő! Adatátviteli sebesség a redundanciával együtt 128Gbps Modulációs sebesség: 32GBaud (28-32GBaud rendszertől függően), 4 bit/szimbólum Nem sokkal rosszabb terjedési paraméterek a 10Gbps-nál! (főleg a PMD miatt) Ethernet PHY adatátviteli sebesség: 100Gbps DP: Duál polarizáció egy optikai szálban: QPSK: 4 konstellációs pont:

63 100G koherens Ethernet PHY Adó (Modulátor) sematikus vázlatok: Koherens vevő (Demodulátor) sematikus vázlatok:

64 Optical Signal-To-Noise Ratio 100G koherens Ethernet PHY Koherens vevő: Sajnos a fény fázishelyes vételét még technológiailag nem tudják megoldani, így a fázishelyes vivő detektálásának hibáját DSP algoritmus kompenzálja CD és PMD kompenzációt is a DSP algoritmusokkal oldják meg úgy, hogy akár 3500km-es optikai szakasz áthidalása is lehetővé válik A FEC hibajavító kódolás még 1E-2 BER (bit error rate) esetén is képes biztosítani a nagyságrendekkel jobb, elvárt átviteli minőséget. Az EDFA optikai erősítők optikai zajt visznek az összeköttetésbe (OSNR: Optical Signal-To-Noise Ratio), amellyel a méretezésnél számolni kell. Példa az egyes OSNR értékeknél elérhető BER szintekre (FEC nélkül):

65 100G koherens Ethernet PHY Ma a Long haul DWDM rendszerek többsége az alábbi módon biztosítja a 100Gbps-os koherens Ethernet átvitelt: DWDM C sávban, max. 48 csatorna, 100GHz raszter (vivőfrekvenciák közti távolság): max. 4,8Tbps egy optikai szálpáron DWDM C sávban, max. 96 csatorna, 50GHz raszter (vivőfrekvenciák közti távolság): max. 9,6Tbps egy optikai szálpáron DWDM C sávban, max. 128 csatorna, 37,5GHz raszter (vivőfrekvenciák közti távolság): max. 12,8Tbps egy optikai szálpáron Rendszertől függően km áthidalása O-E-O átalakítás nélkül, csupán közbülső optikai jelerősítőkre (EDFA ill. RAMAN) van szükség

66 200G koherens Ethernet PHY Moduláció: DP-16QAM (dual polarization quadrature amplitude modulation ) QAM elv, koherens vevő! Adatátviteli sebesség a redundanciával együtt 256Gbps Modulációs sebesség: 32GBaud (28-32GBaud rendszertől függően), 8 bit/szimbólum Nem sokkal rosszabb terjedési paraméterek a 10Gbps-nál! (főleg a PMD miatt) Ethernet PHY adatátviteli sebesség: 200Gbps DP: Duál polarizáció egy optikai szálban: QPSK: 16 konstellációs pont:

67 200G koherens Ethernet PHY 200Gbit/s koherens Ethernet vonali interfészek (LH: long haul) Fix és moduláris (CFP2) vonali oldali adó-vevő modulok: 200G DWDM LH Ma már elérhető termék! A 400Gbps-os interfész a következő lépés! A DSP algoritmusok ugyanúgy használatosak, mint a 100Gbps Ethernet IF esetében. Ma a Long haul DWDM rendszerek többsége az alábbi módon biztosítja a 200Gbps-os koherens Ethernet átvitelt: DWDM C sávban, max. 48 csatorna, 100GHz raszter (vivőfrekvenciák közti távolság): max. 9,6Tbps egy optikai szálpáron DWDM C sávban, max. 96 csatorna, 50GHz raszter (vivőfrekvenciák közti távolság): max. 19,2Tbps egy optikai szálpáron DWDM C sávban, max. 128 csatorna, 37,5GHz raszter (vivőfrekvenciák közti távolság): max. 26,6Tbps egy optikai szálpáron Rendszertől függően km áthidalása O-E-O átalakítás nélkül, csupán közbülső optikai jelerősítőkre (EDFA ill. RAMAN) van szükség

68 9. témakör (folyt.) Multiplex rendszerek

69 Multiplex eljárások és rendszerek A teljesség igénye nélkül: Kezdetben dedikált trunk vonalak és áramkörök FDM (Frequency Division Multiplexing) TDM (Time Division Multiplexing) WDM (Wavelength Division Multiplexing) SST-CDMA (Spread Spectrum Technique - Code Division Multiple Access) OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex)

70 FDM Frekvenciaosztás elvén jobb sávszélesség-kihasználás Pont-pont kapcsolatok, főként rézen, vagy rádiós rendszerekben Bizonyos rendszerek továbbra is van használják pl: Analóg rádió műsorszórás FDD rádiós átviteli rendszerek Uplink és Downlink sávjainak elválasztása 2G mobil (GSM) csatornák (FDM és TDM együttes alkalmazása) FDM MPX f FDM DMPX f1 f2 f1 f2

71 TDM Időosztás elvén alapuló jobb sávszélesség-kihasználás Összetett hálózati struktúrák, rézen, mikrohullámon, optikán Magas fokú stabilitás, nagy megbízhatóság, hibafelfedés, hibajavítás, védelmi képességek A digitális technika minden előnyét ki tudja használni PDH, SDH, OTN 1 2 TDM MPX 1.cs. jele 2.cs. jele 3.cs. jele 4.cs. jele 1.cs. jele t TDM DMPX

72 TDM PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy): Alapvetően réz alapú, pont-pont, pleziokron átviteli mód 2,048Mbps: 32 x 8bit IR x 8000 keret/s; 1 keretszinkron kódszó és 31 x IR (64kbps adatcsatorna) Nehézkes multipexelési struktúra, így a magasabb rendű jelfolyamokat ma már nem használják 2M-s (E1) átvitelt még ma is használják (PDH, SDH és csomagalapú hálózati átvitel is (SAToP, CESoPSN)) SDH (Synchronous Digital Hierarchy) / SONET (Synchronous Optical Networking): Optikai átvitelre épülő, szabványosított szinkron átviteli mód, 10Gbps-ig Keretekben menedzsment célú csatornák és hibafelfedő kódolás PDH alrendszerek jeleinek továbbítása, később Ethernet átvitel szabványosítása 10GE-ig SDH jelfolyamok egyszerű multiplexelése, alrendszer jelekhez való gyors hozzáférés SDH kapcsolási képesség OTN (Optical Transport Network): Optikai átvitelre épülő, szabványosított aszinkron átviteli mód, 100Gbps-ig Korszerű keretezési struktúra, FEC (Forward Error Correction) hibajavító kódolás Minden optikai alapú interfész jeleinek továbbítása: SDH 10G-ig, Ethernet 100Gig, FC 16G-ig, Video stream OTN jelfolyamok egyszerű multiplexelése, alrendszer jelekhez való gyors hozzáférés OTN kapcsolási képesség

73 TP TP TP TP TP TP TP TP WDM Hullámhossz osztás elvén alapuló rendszerek, jobb sávszélesség-kihasználás Összetett hálózati struktúrák, optikai alapú hálózatokon Magas fokú stabilitás, nagy megbízhatóság, védelmi képességek TDM technológiával ötvözve a hullámhosszak jobb kihasználását teszi lehetővé (ma már főleg OTN) WDM berendezésekben TDM és hullámhossz kapcsolási képesség (WSON: Wavelwngth Switched Optical Network) A gyors fejlődés elindítója volt egy DARPA projekt: legalább 100 hullámhosszon 100G Ethernet szürke interfész. színezett interfész C1 1 1 C1 C2 C3 2 3 WDM Multiplexer 1, 2, 3, 4 WDM Demultiplexer 2 3 C2 C3 C4 4 4 C4

74 WDM A CWDM rendszerek (Coarse WDM) 8, 16 ill. 18 csatornát biztosítanak (1310nm-1610nm). Olcsóbbak. A DWDM rendszerek (Dense WDM) ma általában 48, 96 ill. 160 csatornát biztosítanak (100, 50, 25GHz raszter: távolság a vivőfrekvenciák között) A C és L band erősíthető EDFA ill. RAMAN eszközökkel.

75 SST-CDMA Az adatátviteli sebesség növelése a cél a rádiós rendszerekben. Tekintsük a már jól ismert Shannon csatornakapacitás képletét: A csatornakapacitás jelentőségéből: A B és az Pjel/Pzaj átválthatók egymásba. A B növelésével hatékonyabban növelhető a C. A Pjel/Pzaj javulásával csak logaritmikusan tudjuk befolyásolni a C -t. B-t a szükségesnél jobban növelve a jelteljesítmény nagy frekvenciatartományon szóródik szét. Ez az SST. A keskenysávú zavarokra, interferenciákra érzéketlen. A jelspektrum a zajspektrum alá is kerülhet, így az SST spektrum jól elrejthető (katonai alkalmazások). Spektrumszórás kódolással vagy frekvencia ugratással lehet elérni.

76 SST-CDMA CDMA: Több csatorna jele adódik össze ugyanabban a frekvenciatartományban. Ezzel növekszik a teljesítménysűrűség spektrum. Az összegjelet az ortogonális kódokkal külön-külön dekódolva, megkapjuk az eredeti információtartalmat. Alkalmazás pl. CDMA2000 mobil rádiós rendszerekben 3G mobil rendszerekben (UMTS: Universal Mobile Telecommunication System) UMTS (3GPP szabványok): 5MHz sávszélesség csatornánként Uplink és Downlink külön frekv. Sávban Kódolással történő spektrumszórás CDMA Teljesítménysűrűség spektruma a következő: (minden készülék plusz teljesítményt jelent)

77 OFDM Nagy adatátviteli sebességű jelfolyam több, kisebb sebességűre osztható. Az alvivők modulációja egyedi, de egyidejű. Az alvivők adatátviteléhez tartozó szimbólumidő az eredeti többszöröse lesz, így a részcsatornák átvitele ellenállóbb a rádiós csatorna többutas hullámterjedés okozta problémáival és a zajokkal szemben. Az adatátvitel az egyes alvivők QAM modulációjával, párhuzamosan lebontva valósul meg. Nagyon jó sávszélesség kihasználás: Valójában FDM, de az egyes részcsatornák frekvenciasávjai közel kerülnek egymáshoz és át is lapolódnak. Ennek következtében hagyományos szűréssel már nem választhatóak el egymástól. Megoldás: Nyquist kritérium megvalósítása a frekvenciatartományban és az FFT/IFFT alkalmazása. Ahol az egyik vivőnek maximuma van, ott a többi zérushellyel rendelkezik. Az alvivők egymással kölcsönösen ortogonálisak (függetlenek). Ez biztosítja az ICI (InterCarrier Interference) mentességet.

78 OFDM A keskenysávú részcsatornák összes sávszélesség igénye egy csatornán belül: B=N/T. ISI (InterSymbol Interference) mentesség biztosítása: A szimbólumok közötti védőidőzítéssel oldják meg. OFDM adó és vevő: A csatornák jeleit IFFT algoritmus segítségével állítják össze és a dekódolás FFT segítségével történik. Egy szimbólumidő (T) alatt az együttesen megjelenő alvivők frekvenciája (f1 fn) az 1/T egész számú többszöröse, így az FFT időablakba (T) egész számú jelperiódusok kerülnek. Az FFT témakörénél tanultak szerint vonalas fedés esete áll elő minden alvivőre (a sin(x)/x ekvivalens átviteli függvények zérushelyei 1/T távolságban lesznek egymástól és a maximumok az 1/T egész számú többszörösein helyezkednek el). Az ICI mentesség tehát FFT algoritmussal biztosítható.

79 OFDM OFDM spektruma:

80 OFDM OFDM adó egyszerűsített blokkvázlata: OFDM vevő egyszerűsített blokkvázlata:

81 OFDM OFDM alkalmazása pl: IEEE a, g, n, ac (>1Gbps), ad (>5Gbps) WLAN szabvány szerinti (Wi-Fi) eszközök WiMAX technológia (nem terjedt el) 4G mobil hálózatok (LTE: Long Term Evolution) ADSL technológia (előfizetői réz érpárokon: DMT) DVB rendszerek (Digital Video Broadcasting) PLC (Power Line Communication)

82 Ajánlott irodalom Géher: Híradástechnika Elek-Kovács: Híradástechnika példatár Dr Henk-Németh: Távközlő hálózatok Dr. Dárdai: Mobil távközlés