9. témakör. Digitális modulációs rendszerek

9. témakör Digitális modulációs rendszerek

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.

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.

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:

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)

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

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:

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:

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

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.

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

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))

C(f) ISI mentes csatorna Emelt koszinusz átviteli karakterisztika és súlyfüggvénye: 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 b=0.1 b=0.35 b=0.5 b=0.75 b=1-1 -0.5 0 0.5 1 normalizált frekvencia, T/t 1 0.8 b=0 b=0.5 b=1 0.6 0.4 0.2 β a lekerekítési paraméter 0-0.2 20 40 60 80 100 120 140 160

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.

Amplitude Amplitude Amplitude ISI mentes csatorna Különböző lekerekítési paraméterek esetében a szemábra: 1.5 Eye Diagram 1.5 Eye Diagram 1 1 0.5 0.5 0 0-0.5-0.5-1 -1-1.5-0.5-0.4-0.3-0.2-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Time -1.5-0.5-0.4-0.3-0.2-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Time 2 Eye Diagram 1.5 1 0.5 0-0.5-1 -1.5-2 -0.5-0.4-0.3-0.2-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Time

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.

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.

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:

Vonali kódok Ethernet interfészeken Az Internet protokoll stack: Az IEEE 802.3 szerinti Ethernet keret: Soros átvitel. A byte-ok átvitele felülről lefelé történik. A bitek átvitele az LSB-től az MSB felé történik.

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. 100-200MHz-ig specifikált Class E, Cat-6: 100 Ohm csavart érpár, max. 250-650MHz-ig specifikált Class F, Cat-7: 100 Ohm csavart érpár, max. 600-1200MHz-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]

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

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

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

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

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

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.

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

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

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)

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.

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.

Vivős modulációs rendszerek Jelalakok a bemenő bináris adatok függvényében:

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

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.

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.

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

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.

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:

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).

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

QAM 16-QAM konstellációs ábrák megjelenési formái:. Négyzetes elrendezésű 16-QAM 16 állapotú APSK Léteznek 64...1024 pontos QAM rendszerek is. De minél nagyobb a pontsűrűség, annál kiesebb zaj engedhető meg a csatornákban, amely a döntéseket meghamisíthatja.

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.

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

ADSL ADSL: Asymmetric Digital Subscriber Line vagyis Aszimmetrikus Digitális Előfizetői Vonal. 256-QAM modemek egymás mellett. 4.3125 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. 7136 kbit/s. Upwnstream (feltöltés): max 26 vivő. Adatátviteli sebesség max 832 kbit/s.

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:

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!)

Csatornakapacitás Grafikusan ábrázolva:

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!).

9. témakör (folyt.) Optikai átvitel alapjai

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.

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: 2.50 db/km @ 850 nm, Multimode 1.0 db/km @ 1300 nm, Multimode 0.35 db/km @ 1310 nm, Singlemode 0.20 db/km @ 1550 nm, Singlemode ITU-T G652 optikai szál (single mode) csillapítás-karakterisztikája:

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.

Ethernet optikai adó-vevő interfész modulok

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.

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.)

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

Optikai adó-vevő modulok 40Gbps-os optikai modulok

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

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

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.

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

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:

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

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):

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 2500-3500km áthidalása O-E-O átalakítás nélkül, csupán közbülső optikai jelerősítőkre (EDFA ill. RAMAN) van szükség

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:

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 300-800km áthidalása O-E-O átalakítás nélkül, csupán közbülső optikai jelerősítőkre (EDFA ill. RAMAN) van szükség

9. témakör (folyt.) Multiplex rendszerek

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)

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) 1 2 3 4 5 6 FDM MPX 1 2... 6... f FDM DMPX 1 2 3 4 5 6 f1 f2 f1 f2

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 1 2 3 3 4 4

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

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

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.

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.

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)

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.

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.

OFDM OFDM spektruma:

OFDM OFDM adó egyszerűsített blokkvázlata: OFDM vevő egyszerűsített blokkvázlata:

OFDM OFDM alkalmazása pl: IEEE 802.11a, 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)

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